湘東地區(qū)典型土壤團聚體穩(wěn)定性的影響因素

谷忠元, 康 黎, 羅夢娟, 劉玲玲, 尹力初

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 湖南 長沙 410128)

團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，影響著土壤眾多的物理、化學(xué)、生物性質(zhì)，由此其組成與穩(wěn)定性成為衡量土壤質(zhì)量、土壤肥力高低的重要指標(biāo)而受到廣泛關(guān)注[1]。團聚體是土壤基粒通過有機、無機膠結(jié)物的作用在三維空間的排列組合。許多研究表明土壤團聚體數(shù)量或穩(wěn)定性均與土壤有機質(zhì)含量密切正相關(guān)[2-3]；黏粒在團聚體形成過程中有著不可或缺的作用，細(xì)質(zhì)地土壤相對于粗質(zhì)地土壤更有利于團聚體的形成與穩(wěn)定[4]。同時研究者也一致認(rèn)為熱帶、亞熱帶土壤中含量豐富的游離氧化物(尤其是氧化鐵)有利于團聚體的膠結(jié)，但其膠結(jié)作用大小與范圍與晶型構(gòu)造有關(guān)[5-6]。而以上影響土壤團聚體形成與穩(wěn)定的重要內(nèi)部因素往往受到土地利用方式、成土母質(zhì)類型或土層部位的支配。由此，本研究擬在湘東地區(qū)選擇第四紀(jì)紅土、花崗巖風(fēng)化物、板巖風(fēng)化物等3種成土母質(zhì)上發(fā)育的典型自然林地、水田與旱地，并分別采集表層土壤與底層土壤，探討成土母質(zhì)、利用方式及土層部位對團聚體穩(wěn)定性的影響并分析其內(nèi)在原因，以期為該區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)改善及肥力培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

供試土壤于2017年2月采自湖南省寧鄉(xiāng)縣朱良橋鎮(zhèn)(28.38°N，112.64°E)、長沙縣金井鎮(zhèn)(28.52°N，113.37°E)與春華鎮(zhèn)(28.35°N，113.31°E)，其成土母質(zhì)分別為湘東地區(qū)較為常見的第四紀(jì)紅土、花崗巖風(fēng)化物、板巖風(fēng)化物。在每成土母質(zhì)上選取典型的自然林地、旱地與水田，其中林地的樹種主要為馬尾松(Pinusmassoniana)與杉樹(Metasequoiaglyptostroboides)，旱地種植紅薯(Ipomoeabatatas)已達(dá)20 a以上，水田種植水稻50 a以上。每母質(zhì)及利用方式下選取3塊有代表性的地塊挖取土壤剖面，分別采集表層土壤(0—20 cm)和底層土壤(40—60 cm)，共計挖取27個剖面并采樣54個。每土樣重約2 kg。所采取的土樣用硬質(zhì)PVC盒帶回實驗室風(fēng)干至土壤塑限(含水量約為22%～25%)時，將土塊沿著自然縫隙仔細(xì)掰開，使其全部通過8 mm篩，揀去植物殘根和礫石，在室溫下繼續(xù)風(fēng)干，完全風(fēng)干后通過不同孔徑土篩以用于相應(yīng)理化性質(zhì)分析。

1.2 試驗方法

(1) 土壤團聚體的測定。稱取過8 mm篩風(fēng)干土樣500 g，手工依次過2，0.25，0.053 mm套篩，稱重并記錄每級團聚體的重量。按照每級團聚體的重量比例準(zhǔn)備100 g土壤樣品，參照Elliott方法用于濕篩[7]。具體操作為：土樣置于2 mm的篩子上，迅速浸在室溫下的去離子水中10 min，然后上下振動5 min，振動頻率為25次/min，振幅為4 cm(利用自行研制的微型單臂團聚體篩分儀進行篩分)，把留在篩上的物質(zhì)用去離子水沖洗到鋁盆中，直至水流清亮；通過篩子的土和水重復(fù)此操作，依次通過0.25，0.053 mm篩。分離出的各級團聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒，在40 ℃下烘干，稱重，最終得到粗大團聚體(>2 mm)、細(xì)大團聚體(2～0.25 mm)、微團聚體(0.25～0.053 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)4個粒徑的水穩(wěn)定性團聚體。由于砂粒不屬于團聚體，且本研究不同母質(zhì)發(fā)育土壤的砂粒含量相差較大，由此所有干、濕篩法所測得的各級團聚體都需進行砂粒校正。即分別稱取一定量的微團聚體以上各級團聚體，加入適量的5 g/L偏磷酸鈉(沒過土壤1～2 cm即可)后震蕩18 h，充分分散后過相應(yīng)規(guī)格土篩，用去離子水沖洗直至留在篩子上全部為砂粒，最后烘干稱重，并計算各級團聚體中砂粒含量。

最后通過計算得出各粒徑所占比例，并根據(jù)各粒徑所占比例的大小計算得出水穩(wěn)性團聚體的平均重量直徑(MWD)和團聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)。計算公式為：

式中：xi——第i個篩子上團聚體的平均直徑;mi——第i個篩子上顆粒質(zhì)量百分比。

ADR=(Cd-Cw)/Cd×100

式中：Cd——干篩后>0.25 mm團聚體百分含量;Cw——濕篩后>0.25 mm團聚體百分含量。

(2) 土壤顆粒分析與土壤質(zhì)地的確定。簡易比重計法。

(3) 土壤游離態(tài)氧化鐵的測定。DCB提取法。

(4) 土壤非晶型氧化鐵的測定。草酸銨提取法。

(5) 土壤全量有機質(zhì)的測定。重鉻酸鉀外加熱法(鮑士旦，1999)。

1.3 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計

用Excel 2003進行數(shù)據(jù)整理；用SPSS軟件進行方差分析及顯著性檢驗與相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

供試土壤的基本理化性質(zhì)表明(表1)，不同成土母質(zhì)、利用方式、土層部位下土壤黏粒、游離態(tài)氧化鐵、有機質(zhì)含量相差較大，黏粒含量最高者約為最低者的3.4倍，游離態(tài)氧化鐵約為5.8倍，有機質(zhì)約為11.9倍，差距非常明顯。3種母質(zhì)發(fā)育的土壤黏粒含量為:第四紀(jì)紅土>板巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物。不同利用方式下，有機質(zhì)含量為:水田>林地>旱地，非晶型態(tài)氧化鐵含量以水田最高。表層土壤有機質(zhì)明顯高于底層土壤。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

注：右邊3欄中同列不同小寫字母表示處理間差異顯著。下同。

2.1 各粒級團聚體分布特征

從水穩(wěn)性團聚體組成中可以看出(表2)，供試土壤團聚體組成以大團聚體(>0.25 mm)為主，所占比例平均高達(dá)66.6%，其中粗大團聚體(>2 mm)為23.6%，細(xì)大團聚體(2～0.25 mm)為43.2%。各粒級中粗大團聚體的變異系數(shù)最大(97.2%)，說明粗大團聚體是最不穩(wěn)定、較易受成土母質(zhì)、利用方式、土層部位影響的粒級。而在所試土壤中，第四紀(jì)紅土母質(zhì)發(fā)育的水田表層土壤團聚體平均重量直徑最大，破壞率最小，穩(wěn)定性最強；花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的旱地底層土壤團聚體平均重量直徑最小，破壞率最大，穩(wěn)定性最弱。

團聚體平均重量直徑是評價土壤團聚體水穩(wěn)性的重要指標(biāo)之一，也可以反映土壤團聚特征。通過對供試土壤平均重量直徑與各級水穩(wěn)性團聚體含量的相關(guān)性分析表明(表3)，土壤MWD與>2 mm水穩(wěn)性團聚體之間極顯著正相關(guān)，與0.25～0.053 mm和<0.053 mm水穩(wěn)性團聚體之間極顯著負(fù)相關(guān)，與2～0.25 mm水穩(wěn)性團聚體無相關(guān)性?？傮w來說，土壤MWD與大團聚體之間極顯著正相關(guān)，與微團聚體間極顯著負(fù)相關(guān)。而各級水穩(wěn)性團聚體含量與平均重量直徑相關(guān)性中>2 mm水穩(wěn)性團聚體相關(guān)系數(shù)最大，說明其是影響土壤團聚特征和穩(wěn)定性的主要因子。

表2 供試土壤水穩(wěn)性團聚體組成

注：MWD為平均重量直徑； PAD為團聚體破壞率。

表3 供試土壤平均重量直徑與各級水穩(wěn)性團聚體含量的相關(guān)性

注：*差異顯著(p<0.05)；**差異極顯著(p<0.01)。

2.2 不同利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響

不同利用方式下土壤團聚體平均重量直徑總體為:水田>林地>旱地(圖1)，其中水田利用下土壤團聚體穩(wěn)定性顯著高于林地、旱地，但后兩者差異并不顯著。無論在表層或底層，土壤團聚體穩(wěn)定性的變化趨勢均為:水田>林地>旱地。

注：組內(nèi)不同小寫字母表示利用方式間土壤團聚體穩(wěn)定性差異顯著。下同。

圖1不同利用方式下土壤團聚體平均重量直徑

其中，表層土壤中水田較于旱地差異顯著，但兩者和林地差異并不顯著；而底層土壤中3種利用方式間差異不顯著。不同利用方式間土壤團聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律受母質(zhì)的影響。第四紀(jì)紅土所發(fā)育土壤的質(zhì)地較黏，其團聚體平均重量直徑為:水田>林地>旱地，且3種利用方式間差異顯著；而花崗巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤質(zhì)地較砂，不同利用方式下土壤團聚體穩(wěn)定性并無顯著性差異。

2.3 成土母質(zhì)對團聚體穩(wěn)定性的影響

母質(zhì)影響土壤團聚體的穩(wěn)定性，且受到利用方式及土層部位的支配(圖2)。總體而言土壤團聚體穩(wěn)定性為:第四紀(jì)紅土>板巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物，其中第四紀(jì)紅土和花崗巖風(fēng)化物間差異顯著，前者的平均重量直徑較之后者提高了49.6%。相對于表層土壤，底層土壤團聚體穩(wěn)定性受母質(zhì)的影響程度更大。旱地利用下3種母質(zhì)發(fā)育土壤的團聚體穩(wěn)定性沒有顯著差異；林地利用下板巖風(fēng)化物發(fā)育土壤的團聚體穩(wěn)定性明顯高于花崗巖風(fēng)化物或第四紀(jì)紅土所發(fā)育土壤。水田利用下土壤團聚體穩(wěn)定性符合總體變化規(guī)律，即第四紀(jì)紅土>板巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物，且不同母質(zhì)間差異更加明顯，其中第四紀(jì)紅土發(fā)育土壤的團聚體平均重量直徑相對于花崗巖風(fēng)化物提高了229.3%。

圖2 不同母質(zhì)下土壤團聚體平均重量直徑

2.4 土層部位對團聚體穩(wěn)定性的影響

土層部位影響土壤團聚體穩(wěn)定性，且受母質(zhì)和利用方式的限制(圖3)?？傮w而言，表層土壤團聚體穩(wěn)定性顯著高于底層土壤。對于質(zhì)地相對較砂的花崗巖或板巖風(fēng)化物發(fā)育的土壤，土壤層次間團聚體穩(wěn)定性的差異符合這一規(guī)律，其表層土壤的平均重量直徑較底層土壤分別提高了298.3%，64.7%；但對于質(zhì)地相對較黏的第四紀(jì)紅土發(fā)育的土壤，土層部位間團聚體穩(wěn)定性差異并不明顯。旱地或林地利用下表層土壤團聚體穩(wěn)定性明顯高于底層土壤，而水田利用下不同土壤層次間團聚體穩(wěn)定性差異并不顯著。

注：組內(nèi)不同小寫字母表示土層部位間土壤團聚體穩(wěn)定性差異顯著。

圖3不同土層部位下土壤團聚體平均重量直徑

3 討 論

土壤質(zhì)地、有機質(zhì)與氧化物是決定團聚體穩(wěn)定性的重要內(nèi)部因素[8]，而它們直接受到土地利用方式、母質(zhì)類型及土層部位的影響。由此本研究區(qū)域土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性隨利用方式、母質(zhì)類型、土層部位的變化而明顯不同(表2)。同時，與許多研究結(jié)果一致[9-11]，本研究發(fā)現(xiàn)亞熱帶土壤的團聚體組分中以大團聚體為主，這可能是由于該地區(qū)土壤風(fēng)化程度高而導(dǎo)致土壤質(zhì)地較黏、氧化物含量豐富有關(guān)(表1)。此外，有研究者認(rèn)為土壤團聚體的穩(wěn)定性隨其粒徑的增大而降低[7]，因此，本研究各級團聚體中以粗大團聚體(>2 mm)的變異系數(shù)最大，其最易受成土母質(zhì)、利用方式、土層部位等因素影響。

不同利用方式下土壤水分狀況、有機物輸入及人為擾動必然存在差異，它們的差異勢必影響土壤中有機質(zhì)、氧化鐵的累積與轉(zhuǎn)化，從而影響團聚體的膠結(jié)與穩(wěn)定。水田土壤長期滯水環(huán)境限制了微生物的活性而有利于有機質(zhì)的累積，且頻繁的干濕交替也有利于土壤氧化鐵的轉(zhuǎn)化[12-13]，尤其是有利于形成膠結(jié)能力較強的非晶型態(tài)氧化鐵(表1)。它們的共同作用將顯著促進大團聚體的形成與穩(wěn)定。林地條件下有機凋落物相對較多而有利于土壤有機質(zhì)的累積，而旱地利用下土壤有機物的輸入相對較少(表1)，且長期頻繁耕作也將加劇土壤結(jié)構(gòu)的破壞。由此，本研究區(qū)域不同利用方式下土壤團聚體穩(wěn)定性總體為：水田>林地>旱地(圖1)。但利用方式對土壤性質(zhì)的影響可能主要作用于表層土壤，其對底層土壤的影響應(yīng)相對有限，所以本研究中底層土壤團聚體的穩(wěn)定性在不同利用方式間并沒有顯著差異。同時，本研究結(jié)果也顯示了利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響受到土壤質(zhì)地的影響。如第四紀(jì)紅土發(fā)育質(zhì)地較黏土壤的團聚體平均重量直徑在3種利用方式間差異顯著，而花崗巖風(fēng)化物發(fā)育質(zhì)地較砂土壤在不同利用方式下并無顯著性差異(圖1)。其原因一方面可能為質(zhì)地較砂土壤中有機質(zhì)由于分解程度高、累積少而降低了其在不同利用方式下的差異[14]，另一方面可能是氧化鐵的膠結(jié)作用在粗質(zhì)地土壤中受到一定的限制[3,15]，從而降低了不同利用方式間因氧化鐵形態(tài)轉(zhuǎn)化而導(dǎo)致的團聚體穩(wěn)定性差異。

不同母質(zhì)發(fā)育土壤的質(zhì)地將存在顯著差異，其中第四紀(jì)紅土發(fā)育土壤的質(zhì)地較黏，花崗巖風(fēng)化物發(fā)育土壤質(zhì)地較砂，而板巖風(fēng)化物發(fā)育土壤質(zhì)地居中(表1)。有研究認(rèn)為土壤質(zhì)地愈黏，團聚體穩(wěn)定性愈強[4]。由此，本研究中土壤團聚體穩(wěn)定性總體上呈現(xiàn)出：第四紀(jì)紅土>板巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物(圖2)。但土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的貢獻還應(yīng)受到有機質(zhì)、氧化鐵及人為擾動等因素的影響。其中，底層土壤中有機質(zhì)含量相對較低，團聚體穩(wěn)定性受到土壤質(zhì)地的影響將會更強，其更易受到成土母質(zhì)的影響；而表層土壤中有機質(zhì)的大量累積將削弱土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的影響，所以不同母質(zhì)發(fā)育的表層土壤團聚體穩(wěn)定性差異并不顯著。同時，旱地土壤上頻繁的人為耕作將破壞土壤結(jié)構(gòu)而降低土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的影響；林地土壤中以質(zhì)地相對居中的板巖風(fēng)化物穩(wěn)定性最高，是由于該母質(zhì)條件下自然植被生長最為茂盛，大量殘落物的補充將有利于土壤有機質(zhì)的充分積累而促進團聚體的膠結(jié)。水田利用條件下土壤團聚體的穩(wěn)定性規(guī)律符合總體趨勢，即第四紀(jì)紅土發(fā)育質(zhì)地黏重土壤>花崗巖風(fēng)化物發(fā)育質(zhì)地較砂土壤，且兩者之間的差異更為顯著。這可能是由于黏重土壤上更易積累有機質(zhì)[3]，或氧化鐵對團聚體膠結(jié)的促進作用在細(xì)質(zhì)地土壤上更為突出有關(guān)。

通常條件下表層土壤更易接受外源有機物的補充而提高土壤有機質(zhì)含量(表1)，而許多研究證實土壤有機質(zhì)與團聚體穩(wěn)定性顯著正相關(guān)[16-18]。由此本結(jié)果顯示表層土壤團聚體穩(wěn)定性一般要顯著高于底層土壤(圖3)。但本研究結(jié)果同時也揭示了土壤有機質(zhì)對團聚體穩(wěn)定性的貢獻可能受到土壤質(zhì)地或氧化鐵類型的影響。如質(zhì)地黏重的第四紀(jì)紅土發(fā)育表層土壤團聚體穩(wěn)定性與底層土壤并沒有顯著差異，其可能是由于質(zhì)地粘重土壤團聚體膠結(jié)過程中氧化鐵的重要作用掩蓋了有機質(zhì)的貢獻[19]。同時，不同于旱地或林地，水田利用下不同土壤層次間團聚體穩(wěn)定性差異不顯著，可能要歸結(jié)于該利用方式下頻繁的干濕交替有利于氧化鐵轉(zhuǎn)化為膠結(jié)能力較強的纖鐵礦或針鐵礦而削弱了有機質(zhì)的作用，而前兩種利用方式下土壤中的氧化鐵則主要為膠結(jié)能力較差的赤鐵礦[20]。

4 結(jié) 論

(1) 土地利用方式、母質(zhì)類型及土層部位將顯著影響土壤質(zhì)地、有機質(zhì)與氧化物等團聚體內(nèi)部膠結(jié)因素，從而顯著影響湘東地區(qū)土壤團聚體的組成及穩(wěn)定性，且它們兩者或三者之間的交互作用也非常明顯。

(2) 不同土地利用方式下有機物輸入、水分狀況及人為擾動的差異勢必影響土壤有機質(zhì)、氧化鐵的轉(zhuǎn)化與團聚體的膠結(jié)。團聚體穩(wěn)定性總體表現(xiàn)為:水田>林地>旱地。但利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響僅局限于表層土壤，其對底層土壤的影響相對有限；同時，利用方式對團聚體穩(wěn)定性的影響在第四紀(jì)紅土發(fā)育質(zhì)地較黏土壤上表現(xiàn)得較為突出，而在花崗巖風(fēng)化物發(fā)育質(zhì)地較砂土壤上則沒有明顯效果。

(3) 不同母質(zhì)發(fā)育土壤質(zhì)地狀況各異。該區(qū)域土壤團聚體穩(wěn)定性總體上呈現(xiàn)出第四紀(jì)紅土>板巖風(fēng)化物>花崗巖風(fēng)化物，即質(zhì)地愈黏，團聚體穩(wěn)定性愈強。相對于底層土壤，表層土壤中有機質(zhì)的大量累積將削弱土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的影響。同時，旱地土壤上頻繁的人為耕作對土壤結(jié)構(gòu)的破壞或林地條件下土壤有機質(zhì)的累積也將降低土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的影響；而水田利用方式將明顯強化土壤質(zhì)地對團聚體穩(wěn)定性的影響。

(4) 表層土壤更易接受外源有機物的補充以提高有機質(zhì)含量，從而其團聚體穩(wěn)定性一般要顯著高于底層土壤。但這一規(guī)律在第四紀(jì)紅土發(fā)育質(zhì)地較為黏重的土壤上或水田利用方式下表現(xiàn)得不甚明顯。