草地與耕地土壤團(tuán)聚體及有機(jī)碳含量對比分析
——以內(nèi)蒙古四子王旗為例

李青春， 李躍進(jìn)， 王丹斕， 余雅婧， 王 鼎

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古土壤質(zhì)量與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗室, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

土壤中團(tuán)聚體的分布對土壤中水、肥、氣、熱狀況有重要的影響，團(tuán)聚體中的有機(jī)碳對調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)和肥力也有重要作用。由于不同的土地利用方式下，土壤中物質(zhì)輸入與輸出方式有所差異，加上人類活動的影響，造成了不同土地利用方式下土壤中不同粒徑團(tuán)聚體分布特征及有機(jī)碳含量的差異。土壤結(jié)構(gòu)退化是土壤退化的主要過程之一，表現(xiàn)為土壤團(tuán)聚狀況的改變和土壤有機(jī)碳含量的下降，因此，這兩項可作為評價土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)[1]。

內(nèi)蒙古四子王旗地處內(nèi)蒙古自治區(qū)陰山北麓農(nóng)牧交錯帶，草地、耕地兩種土地利用方式呈交錯分布并存。近年來，在人口壓力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的驅(qū)動下，草地被不斷開墾，耕地面積不斷擴(kuò)大。內(nèi)蒙古草原是中國北方重要的生態(tài)屏障，具有防風(fēng)固沙、保持水土等重要作用，而耕地能為當(dāng)?shù)鼐用裨黾邮杖?，改善其生活水平，但是由于農(nóng)牧交錯帶生態(tài)環(huán)境極為脆弱，草地開墾為耕地后可能會造成風(fēng)蝕沙化、沙塵暴等問題，這不僅威脅著當(dāng)?shù)剞r(nóng)牧民的正常生產(chǎn)生活和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展，還將對華北地區(qū)的環(huán)境產(chǎn)生很大影響[2]。所以如何在兩種土地利用方式中取得平衡仍待研究。本研究旨在通過對四子王旗農(nóng)牧交錯帶耕地和草地土壤團(tuán)聚體及其有機(jī)碳的分布特征進(jìn)行比較分析，研究草地在開墾為耕地后土壤結(jié)構(gòu)是否退化，有機(jī)碳是否穩(wěn)定，以期為四子王旗土地利用方式優(yōu)化以及草原保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古四子王旗位于中國北疆，隸屬于烏蘭察布市，地處內(nèi)蒙古中北部(110°20′—113°00′E， 41°10′—43°20′N)，東西橫跨200余km，南北縱長400余km。總土地面積2.40×106hm2。該旗處于內(nèi)蒙古高原，大青山北麓，整體地形南高北低，東西高，中間低，氣溫隨地勢自北向南遞減，夏季炎熱短促，冬季寒冷漫長，屬中溫帶大陸性氣候。由于該旗地處蒙古高原南緣，全年多風(fēng)，冬春季盛行西風(fēng)、西北風(fēng)，夏秋季多為南風(fēng)、東南風(fēng)，年平均風(fēng)速大于4.4 m/s，8級以上大風(fēng)年平均日數(shù)50 d以上。該旗位于內(nèi)陸高緯度地區(qū)，日照充足而降雨不足，屬于干旱和半干旱地帶，所處自然植被帶為干草原到荒漠草原過渡地帶。全旗生產(chǎn)布局大體可概括為南部各鄉(xiāng)以經(jīng)營農(nóng)業(yè)為主，北部各蘇木以經(jīng)營畜牧業(yè)為主。農(nóng)區(qū)耕地從南到北，是從一百年前開始墾植，面積逐年擴(kuò)大，北部最短也有50～60 a的歷史。全旗耕地總面積1.34×105hm2,天然草地2.04×106hm2；該旗土壤類型多樣，主要為棕鈣土、栗鈣土、草甸土、灰褐土，還有小面積的鹽土和山地黑土[3]。

2 調(diào)查與方法

2.1 野外調(diào)查與樣品采集

野外調(diào)查與樣品采集于2017年8月初進(jìn)行。在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查。在對土壤類型和地貌類型以及土地利用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合考慮后，分別對3種土壤類型下(栗鈣土、灰褐土、草甸土)草地和耕地進(jìn)行土壤取樣。同一土壤類型草地和耕地取樣點(diǎn)距離不超過200 m(坡度、坡向和海拔相同)，用不銹鋼土鏟取0—10 cm原狀土樣，隨機(jī)重復(fù)取樣3次，放入樣品盒內(nèi)帶回實(shí)驗室進(jìn)行風(fēng)干處理。采樣地點(diǎn)信息詳見表1。

表1 采樣地點(diǎn)詳細(xì)信息

2.2 測定方法

土壤團(tuán)聚體組成的測定方法采用干篩法[4]，分離出>3 mm，0.25～3 mm，≤0.25 mm的團(tuán)聚體，剔除石礫后稱重。土壤有機(jī)碳含量的測定采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2010整理后，采用SAS進(jìn)行方差分析，并用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗，顯著性水平設(shè)定為α=0.05，采用SigmaPlot10.0軟件進(jìn)行作圖，分析比較不同土壤類型下草地和耕地土壤有機(jī)碳含量及其各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的差異。

各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量=該粒徑土壤團(tuán)聚體質(zhì)量(g)/土壤樣品總質(zhì)量(g)×100%

各粒徑團(tuán)聚體養(yǎng)分儲量(g/kg)=該粒徑團(tuán)聚體中養(yǎng)分含量(g/kg)×該粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量(%)

團(tuán)聚體對土壤養(yǎng)分的貢獻(xiàn)率=某粒徑團(tuán)聚體養(yǎng)分儲量(g/kg)/土壤樣品中養(yǎng)分含量(g/kg)×100%

3 結(jié)果與分析

3.1 草地、耕地土壤團(tuán)聚體組成特征的比較分析

由表2可知，栗鈣土與灰褐土草地各粒徑土壤團(tuán)聚體的含量表現(xiàn)出相同規(guī)律，即：>3 mm粒徑團(tuán)聚體，大于0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體大于≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體；兩種土壤類型耕地土壤則表現(xiàn)為：0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，大于>3 mm粒徑團(tuán)聚體大于≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體；栗鈣土耕地與草地相比，>3 mm粒徑團(tuán)聚體減少了54.20%，0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體增加了17.82%，≤0.25 mm的微團(tuán)聚體增加了36.53%；灰褐土耕地與草地相比，>3 mm粒徑團(tuán)聚體減少了18.19%，0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體增加了15.96%，≤0.25 mm的微團(tuán)聚體含量基本不變。草甸土草地各粒徑土壤團(tuán)聚體含量從大到小依次為：≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體、0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體、>3 mm粒徑團(tuán)聚體；相同地點(diǎn)耕地則為：>3 mm粒徑團(tuán)聚體、0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體、≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體；草地開墾為耕地后，耕地土壤>3 mm粒徑團(tuán)聚體和0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體含量分別增加了160.69%和8.52%，≤0.25 mm的微團(tuán)聚體含量減少了38.91%。

3.2 草地、耕地土壤有機(jī)碳含量的比較分析

由圖1可知，在草地和耕地兩種不同利用方式下，研究區(qū)內(nèi)栗鈣土草地土壤有機(jī)碳含量顯著高于耕地，灰褐土同樣表現(xiàn)為草地高于耕地，但差異不顯著，草甸土則表現(xiàn)出耕地土壤有機(jī)碳顯著高于草地的規(guī)律。

表2 不同土壤類型下草地和耕地土壤不同粒徑團(tuán)聚體含量

注：同列不同小寫字母表示不同土地利用方式間的差異顯著(p<0.05)。下同。

注：不同小寫字母表示不同土地利用方式間差異顯著(p<0.05)圖1 不同土壤類型下草地和耕地土壤有機(jī)碳含量

3.3 草地、耕地土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的比較分析

由表3可知，栗鈣土和灰褐土各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出同一規(guī)律，即：草地>耕地。栗鈣土耕地土壤與草地相比，>3 mm，0.25～3 mm，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別降低了52.30%，46.87%，33.50%。灰褐土耕地土壤與草地相比，>3 mm，0.25～3 mm，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量降幅分別為：12.49%，15.94%，10.15%。草甸土則相反，表現(xiàn)為耕地土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于草地；草地開墾為耕地后，>3 mm，0.25～3 mm，≤0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別增加了55.68%，41.71%，57.75%。

表3 不同土壤類型下草地和耕地各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量

除草甸土外，在不同粒徑的土壤團(tuán)聚體中，兩種土地利用方式均以≤0.25 mm粒徑的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，其次為>3 mm粒徑團(tuán)聚體，0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低。草甸土則表現(xiàn)為0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，>3 mm粒徑團(tuán)聚體次之，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體最低。

3.4 草地、耕地土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的比較分析

由表4可知，栗鈣土草地各粒徑土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率從大到小依次為：>3 mm粒徑團(tuán)聚體、0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體、≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體；相同地點(diǎn)耕地則為：0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體、≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體、>3 mm粒徑團(tuán)聚體。說明對于栗鈣土的草地和耕地，有機(jī)碳儲存的主體分別是>3 mm粒徑團(tuán)聚體和0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體。

灰褐土草地各粒徑土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率從大到小依次為：>3 mm粒徑團(tuán)聚體，0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體；而在相同地點(diǎn)的耕地則為：0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，>3 mm粒徑團(tuán)聚體，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體。這些規(guī)律說明對于灰褐土的草地和耕地，有機(jī)碳儲存的主體分別是>3 mm粒徑團(tuán)聚體，0.25～3 mm和>3 mm粒徑團(tuán)聚體。

表4 不同土壤類型下草地和耕地各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

草甸土草地各粒徑土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率從大到小依次為：0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體，>3 mm粒徑團(tuán)聚體；相同地點(diǎn)耕地則為：>3 mm粒徑團(tuán)聚體，0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體，說明對于草甸土的草地和耕地，有機(jī)碳儲存的主體分別為0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體，>3 mm和0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體。對于土壤非團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率，栗鈣土和灰褐土表現(xiàn)為：耕地>草地，草甸土則表現(xiàn)為：草地>耕地。

4 討 論

大于0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量是評定土壤結(jié)構(gòu)性的重要指標(biāo)之一，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[6]，當(dāng)土壤中>0.25 mm的團(tuán)聚體少于70%時，就成為了無結(jié)構(gòu)的土壤[7]。本研究中，除草甸土外，栗鈣土和灰褐土草地土壤中>0.25 mm團(tuán)聚體含量均高于耕地，這一結(jié)果與前人研究結(jié)果一致[8]，說明研究區(qū)內(nèi)栗鈣土與灰褐土兩種土壤類型下草地的土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)于耕地。研究區(qū)內(nèi)栗鈣土和灰褐土耕地土壤相較于草地土壤>3 mm粒徑團(tuán)聚體含量減少，0.25～3 mm和≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量增加，這是因為耕地耕作頻繁，農(nóng)機(jī)具的使用及人為活動干擾使大團(tuán)聚體破碎，向更小粒徑轉(zhuǎn)化，這與毛艷玲等[9]的研究結(jié)果一致，Sodhi等[10]學(xué)者研究認(rèn)為土壤耕作后大團(tuán)聚體更容易破碎，Tisdall等[11]的結(jié)論對這一結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步解釋，他認(rèn)為土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性受土壤黏結(jié)介質(zhì)持久性的影響，微團(tuán)聚體主要由持久性介質(zhì)(與多價金屬陽離子聯(lián)系的芳香腐殖物質(zhì)和受黏粒強(qiáng)烈吸附的聚合物)粘結(jié)而成，而大團(tuán)聚體是由瞬時介質(zhì)(主要是多糖)和暫時介質(zhì)(根、真菌菌絲、微生物細(xì)胞、藻類)粘結(jié)在一起的。

由于不同的土地利用方式下物質(zhì)的輸入與輸出存在差異，所以不同的土地利用方式可對土壤結(jié)構(gòu)及其有機(jī)碳含量造成不同的影響[12]。本研究中草地土壤中的有機(jī)碳主要來源于草本植物凋落物、根系分泌物，動物糞便等，耕地土壤上植物根系不發(fā)達(dá)，能為土壤提供的有機(jī)碳有限，且農(nóng)作物成熟收獲后，植物體不能歸還土壤，所以耕地有機(jī)碳來源主要是外源物質(zhì)，如有機(jī)肥的施入，但是即便有外源物質(zhì)的加入，由于對耕地翻耕頻繁，土壤通氣性提高，加劇了土壤有機(jī)碳的礦化，并且耕地表層土壤疏松，水土流失嚴(yán)重，土壤中的有機(jī)碳也隨之流失[13]，所以研究區(qū)內(nèi)除草甸土外的兩種土壤類型下的草地土壤及各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均高于耕地。栗鈣土和灰褐土在草地、耕地兩種利用方式下土壤有機(jī)碳在土壤團(tuán)聚體中表現(xiàn)出了中間低，兩端高的特征，這與張履勤等[14]的研究結(jié)果一致。隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小，草地轉(zhuǎn)化為耕地后，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的降幅逐漸減小，這一結(jié)果與six等[15]的研究結(jié)論相符，其研究認(rèn)為：土地利用方式的變化對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的影響首先體現(xiàn)在大團(tuán)聚體上，而微團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量則保持在相對穩(wěn)定的水平。草甸土的各項指標(biāo)表現(xiàn)出與另兩種類型土壤截然相反的規(guī)律，這是因為：在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)該地天然草地有大面積鹽化現(xiàn)象，與30 a前調(diào)查資料相符，屬于鹽化草甸土，調(diào)查資料顯示全旗鹽化草甸土面積約為5.29×104hm2，占全旗土壤總面積的2.24%。鹽化草甸土結(jié)構(gòu)性差，有機(jī)碳含量低，開墾為耕地后，由于有機(jī)肥的施入和耕作的影響，使土壤有機(jī)碳含量增加，促進(jìn)土壤結(jié)構(gòu)改善[16]，在該地區(qū)具有一定代表性。

土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率是對各粒徑土壤團(tuán)聚體含量和土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的綜合考慮，所以其表現(xiàn)規(guī)律與兩者均有所不同。研究區(qū)栗鈣土草地土壤以>3 mm粒徑團(tuán)聚體為有機(jī)碳儲存的主體，耕地則以0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體為有機(jī)碳儲存的主體，這可能是因為草地有比耕地更多的有機(jī)物質(zhì)輸入，并且大團(tuán)聚體的形成速度比微團(tuán)聚體快[17]，根據(jù)團(tuán)聚體的多級形成理論，微團(tuán)聚體通過有機(jī)物質(zhì)膠結(jié)形成大團(tuán)聚體，相應(yīng)地，微團(tuán)聚體的組成比例下降；同時耕地由于耕作頻繁，大團(tuán)聚體也在向微團(tuán)聚體轉(zhuǎn)化，所以栗鈣土在兩種土地利用方式下各粒徑土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)出這樣的規(guī)律[7]。研究區(qū)灰褐土草地土壤以>3 mm粒徑團(tuán)聚體為有機(jī)碳儲存的主體，耕地則以0.25～3 mm和>3 mm粒徑團(tuán)聚體為有機(jī)碳儲存的主體，表現(xiàn)出與栗鈣土相同的規(guī)律，結(jié)合各粒徑團(tuán)聚體含量和各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的降幅來看，該地區(qū)草地開墾為耕地后土壤結(jié)構(gòu)退化程度較輕。研究區(qū)草甸土由于發(fā)生了鹽漬化，土壤結(jié)構(gòu)退化，草地開墾為耕地后，由于有機(jī)肥的長期施入和耕作機(jī)械力的作用，加上草甸土黏粒含量較多，促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成，使得土壤結(jié)構(gòu)得以改善，土壤有機(jī)碳含量增加，所以其有機(jī)碳儲存的主體由0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體向>3 mm和0.25～3 mm粒徑團(tuán)聚體轉(zhuǎn)變，這與李大偉等[18]的研究結(jié)果一致。進(jìn)入土壤團(tuán)聚體中的有機(jī)碳在各種力的作用下保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)，而無論是剛剛進(jìn)入土壤還未能進(jìn)入團(tuán)聚體的有機(jī)碳還是由于團(tuán)聚體被破壞而被釋放的有機(jī)碳其穩(wěn)定性都有所下降，抵抗礦質(zhì)化的能力減弱，有機(jī)碳流失加快[19]。研究區(qū)栗鈣土和灰褐土耕地非團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均大于草地，說明耕作不僅破壞了土壤結(jié)構(gòu)，還會加劇土壤中有機(jī)碳的流失。

5 結(jié) 論

(1) 內(nèi)蒙古四子王旗農(nóng)牧交錯帶3種土壤類型下草地開墾為耕地后，各粒徑土壤團(tuán)聚體含量、土壤有機(jī)碳含量、各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以及各粒徑土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均有不同程度的變化，說明土地利用方式的改變引起了土壤結(jié)構(gòu)及有機(jī)碳的變化。

(2) 內(nèi)蒙古四子王旗農(nóng)牧交錯帶栗鈣土和灰褐土草地在開墾為耕地后，>0.25 mm團(tuán)聚體含量降低，尤其>3 mm粒徑團(tuán)聚體降幅較大，≤0.25 mm粒徑團(tuán)聚體含量增加，各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量降低，說明將該地區(qū)草地開墾為耕地后，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生了退化。

(3) 內(nèi)蒙古四子王旗農(nóng)牧交錯帶鹽化草甸土草地開墾為耕地后，由于有機(jī)肥的長期施入和耕作影響，促進(jìn)了微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)化，各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也有所增加。但是由于四子王旗鹽化草甸土面積相對較小，且該區(qū)為農(nóng)牧交錯帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，因此，只建議在丘間平地分布的鹽化草甸土地，根據(jù)實(shí)際情況開墾草地進(jìn)行農(nóng)田耕作。