信陽市不同土地利用方式下土壤團聚體及其有機碳分布

曹麗花， 郭祥坤， 連玉珍， 房小玲

(1.信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽 464000； 2.周口市土壤肥料工作站，河南 周口 411600)

土壤團聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，是各種作用力黏合而成的土粒，具有水穩(wěn)定性和多孔性的特點[1]，它不僅影響著土壤的通氣性，還制約著土壤的抗侵蝕能力及養(yǎng)分在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化，最終影響土壤質(zhì)量。因此，土壤團聚體含量的多少是保證土壤肥力的重要基礎(chǔ)，也是影響作物高產(chǎn)的主要因素之一，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為土壤團聚體是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[2]。

土壤有機碳是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，對土壤物理、化學(xué)和生物特征的變換起著關(guān)鍵作用[3]。土壤中，有機物質(zhì)的膠結(jié)作用是土壤團聚體形成的關(guān)鍵和重要條件[4]；反過來，土壤的團聚過程亦是土壤固碳最重要的途徑之一[5]。團聚體內(nèi)部的有機、無機膠結(jié)作用和吸附作用等對土壤有機碳起到一定的物理保護作用，是土壤有機碳固持和穩(wěn)定的主要機制，對團聚體也有一定的保護作用[6]。所以，土壤團聚體的數(shù)量及其分配與土壤有機碳的關(guān)系密不可分。同時，土壤有機碳的微小變化將引起大氣CO2濃度的較大波動，進(jìn)而影響全球氣候變化[7]，故土壤碳循環(huán)的變化對全球碳平衡和溫室效應(yīng)發(fā)揮著重要影響。

有研究[8]表明，團聚體有機碳含量在不同粒徑團聚體之間存在著差異，并受人類活動的影響。不同土地利用方式對土壤有機碳分布規(guī)律和組分特征影響不同，并且影響土壤有機質(zhì)的分解速率，可以改變土壤團聚體的粒徑分布及其穩(wěn)定性，進(jìn)而影響土壤有機碳積累，造成土壤肥力差異[9]。故土地利用方式的差異影響著土壤團聚體的構(gòu)成，也影響著土壤有機碳含量的變化。Six等[10]指出，耕作對團聚體的影響主要發(fā)生在土表層，免耕土壤的大團聚體含量、總碳含量、新有機碳含量均高于常規(guī)耕作土壤。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動主要發(fā)生在土壤表層，因此，研究表層土壤團聚體及其有機碳含量分布情況對揭示人類活動對土壤碳庫的影響具有重要意義[11]。

土壤團聚體和有機碳一直以來都是學(xué)術(shù)界熱議的話題，但目前，關(guān)于信陽市不同土地利用方式下土壤團聚體及有機碳方面的研究與報道尚少。本研究以信陽市十三里橋鄉(xiāng)相鄰的農(nóng)田、茶園、林地3種土地利用方式為研究對象，初步探討3種土地利用方式下土壤團聚體及其有機碳的分布特征，旨在為今后合理利用土地，增加土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強土壤抗蝕性和提高土壤肥力提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

信陽市地處大別山南部，東接安徽，南臨湖北，北與駐馬店地區(qū)毗連，西與南陽地區(qū)接壤，是豫鄂皖三省的結(jié)合部，是地學(xué)界公認(rèn)的我國南北方的分界線[12]。土壤采集地為信陽市十三里橋鄉(xiāng)，其境內(nèi)最高海拔為396 m，最低海拔為112 m，區(qū)域面積101.7 km2。該區(qū)地勢南高北低，屬于崗川相間、形態(tài)多樣的階梯形地貌。由于受到亞熱帶季風(fēng)氣候影響，該地屬于亞熱帶向暖溫帶過渡地區(qū)，季風(fēng)氣候明顯，年日照時長1 900～2 100 h，年均氣溫15.1～15.8 ℃，年均土溫16.9 ℃，年降雨量達(dá)993～1 294 mm，主要集中在夏季，年無霜期為220～230 d。該地區(qū)地跨北亞熱帶常綠、落葉闊葉林帶和暖溫帶落葉闊葉林帶，植被類型豐富，森林覆蓋率達(dá)42.19%。土壤主要有黃棕壤、黃褐土、潮土、砂姜黑土和水稻土等類型。農(nóng)業(yè)種植以信陽毛尖茶、水稻和小麥為主，生產(chǎn)模式為一年一熟制。

1.2 樣品采集

土壤樣品采集于2020年10月，選擇信陽市十三里橋鄉(xiāng)小廟村相鄰區(qū)域的農(nóng)田、茶園、林地3種不同的農(nóng)業(yè)土地利用方式，樣地的基本情況見表1。在每種土地利用方式下分別選擇3個地貌特征相近的樣地，每個樣地按照“S”形設(shè)置5個采樣點，每個樣點分別采集0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm深度的混合土壤，將各個土層的5個土壤樣品混合作為一個土樣，做好標(biāo)記帶回實驗室，放置于土樣風(fēng)干盤內(nèi)，除去雜草、樹根、石礫等雜物，使其自然風(fēng)干后備用。

表1 土壤樣品采集樣地的基本情況

1.3 樣品測定

土壤團聚體的測定：土壤團聚體分級采用干篩法[13]，用不同粒徑的土樣篩分出≥10.00 mm、7.00～<10.00 mm、5.00～<7.00 mm、3.00～<5.00 mm、2.00～<3.00 mm、1.00～<2.00 mm、0.50～<1.00 mm、0.25～<0.50 mm、<0.25 mm共9個粒級土壤團聚體，將篩分出的各級團聚體分別稱重，計算各級團聚體的百分含量。團聚體有機碳的測定采用重鉻酸鉀-外加熱法[14]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理及作圖采用Origin9.0軟件，不同土地利用方式下團聚體含量和團聚體有機碳含量的單因素方差分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 團聚體含量分布特征

2.1.1 0～<5 cm土層

圖1顯示，研究區(qū)域不同土地利用方式下0～<5 cm土層中，大團聚體(≥0.25 mm)的含量表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田。農(nóng)田土壤團聚體含量為2.76%～19.46%，茶園土壤團聚體含量為2.87%～21.43%，林地土壤團聚體含量為3.15%～19.79%。農(nóng)田、茶園、林地3種不同土地利用方式下的土壤團聚體均以3.00～<5.00 mm粒級含量最高，與農(nóng)田、林地相比，茶園土壤3.00～<5.00 mm粒級土壤團聚體含量最高，與農(nóng)田土壤比較差異顯著。3種不同土地利用方式下的土壤團聚體均以2.00～<3.00 mm粒級含量最低，且在此粒級三者無顯著差異。

同一團聚體粒徑比較，柱上無相同小寫字母者表示組間差異顯著(P<0.05)，圖2～3同。圖1 不同土地利用方式下0～5 cm土層土壤團聚體分布

2.1.2 5～<10 cm土層

圖2顯示，研究區(qū)域不同土地利用方式下5.00～<10.00 cm土層中農(nóng)田土壤團聚體含量為4.61%～17.63%，茶園土壤團聚體含量為2.23%～20.66%，林地土壤團聚體含量為3.43%～23.93%。農(nóng)田、茶園、林地3種不同土地利用方式在此土層同樣均以3.00～<5.00 mm粒級土壤團聚體含量最高，且林地中含量最高，林地與茶園、農(nóng)田相比差異顯著，茶園與農(nóng)田相比差異顯著。3種不同土地利用方式同樣均以2.00～<3.00 mm粒級團聚體含量最低，其中，農(nóng)田的2.00～<3.00 mm粒級土壤團聚體含量相對較高，與茶園相比差異顯著，茶園2.00～<3.00 mm粒級含量較低，僅為2.19%。在此土層中大團聚體含量表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田，且該土層大團聚體含量與0～<5 cm土層相比，3種利用方式都有所增加。

圖2 不同土地利用方式下5～10 cm土層土壤團聚體分布

2.1.3 10～20 cm土層

圖3顯示，研究區(qū)域不同土地利用方式下10～20 cm土層中，農(nóng)田土壤團聚體含量為3.98%～18.46%，茶園土壤團聚體含量為2.57%～20.90%，林地土壤團聚體含量為2.82%～23.53%。3種不同土地利用方式下10～20 cm土層的土壤團聚體在3.00～<5.00 mm粒級表現(xiàn)與0～<5 cm和5～<10 cm土層基本一致，均為此粒級含量最高，且在此粒級中，與農(nóng)田、茶園相比，林地的3.00～<5.00 mm粒級土壤團聚體含量最高，其中，林地與茶園、農(nóng)田相比差異顯著，茶園與農(nóng)田相比差異顯著。在2.00～<3.00 mm粒級土壤團聚體的表現(xiàn)同樣與0～<5 cm和5～<10 cm土層也基本一致，均在此粒級含量最低，且在此粒級中，與茶園、林地相比，農(nóng)田的2.00～<3.00 mm粒級土壤團聚體含量較高，三者間無顯著差異。在此土層中大團聚體含量表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田，且該土層大團聚體含量與0～<5 cm、5～<10 cm土層相比，各利用方式都有所增加。隨著土層的加深，大團聚體含量在3種土地利用方式下均表現(xiàn)為10～20 cm>5～<10 cm>0～<5 cm土層，呈增長趨勢，其中，農(nóng)田增幅最高，林地增幅最低，這與劉中良等[15]研究結(jié)果一致。

圖3 不同土地利用方式下10～20 cm土層土壤團聚體分布

2.2 團聚體有機碳含量及分布

2.2.1 0～<5 cm土層

表2顯示，在0～<5 cm土層中，不同粒徑農(nóng)田土壤團聚體有機碳含量為5.27～11.12 g·kg-1，茶園土壤團聚體有機碳含量為10.51～16.12 g·kg-1，林地土壤團聚體有機碳含量為11.63～16.87 g·kg-1。不同土地利用方式下0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量最高，不同土地利用類型表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田。在農(nóng)田土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量與≥10.00 mm和5.00～<7.00 mm粒級差異顯著。在茶園土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與0.50～<1.00 mm、1.00～<2.00 mm粒級差異不顯著外，與其他粒級差異均達(dá)顯著水平。在林地土壤中，0.25～<0.50 mm粒級土壤團聚體有機碳含量與≥10.00 mm、<0.25 mm粒級差異顯著。3種土地利用方式在此土層中有機碳平均含量表現(xiàn)為林地(13.40 g·kg-1)>茶園(12.42 g·kg-1)>農(nóng)田(7.91 g·kg-1)，且大團聚體有機碳平均含量高于微團聚體。

2.2.2 5～<10 cm土層

表3顯示，研究區(qū)域不同土地利用方式下5～<10 cm土層中農(nóng)田土壤團聚體有機碳含量為7.15～15.05 g·kg-1，茶園土壤團聚體有機碳含量為9.79～17.71 g·kg-1，林地土壤團聚體有機碳含量為11.41～18.42 g·kg-1。3種不同土地利用方式下團聚體有機碳含量同樣均以0.25～<0.50 mm粒級含量最高，且在此粒級中也表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田。在農(nóng)田土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與0.50～<1.00 mm粒級差異不顯著外，與其他粒級差異均達(dá)顯著水平。在茶園土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量與其他粒級差異均顯著。在林地土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與<0.25 mm、7.00～<10.00 mm粒級差異顯著外，與其他粒級差異不顯著。3種土地利用方式在此土層有機碳平均含量表現(xiàn)為林地(13.90 g·kg-1)>茶園(13.24 g·kg-1)>農(nóng)田(9.58 g·kg-1)，且大團聚體有機碳平均含量都高于微團聚體。與0～<5 cm土層相比，農(nóng)田增幅最大，林地增幅最小。

表2 不同土地利用方式下0～<5 cm土層 土壤有機碳含量

表3 不同土地利用方式下5～<10 cm土層 土壤有機碳含量

2.2.3 10～20 cm土層

表4顯示，研究區(qū)域不同土地利用方式下10～20 cm土層中，農(nóng)田土壤團聚體有機碳含量為5.04～11.38 g·kg-1，茶園土壤團聚體有機碳含量為6.35～12.67 g·kg-1，林地土壤團聚體有機碳含量為8.79～13.31 g·kg-1。3種不同土地利用方式下此土層團聚體有機碳含量表現(xiàn)與0～<5 cm和5～<10 cm土層基本一致，都以0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量最高，表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田。在農(nóng)田土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與1.00～<2.00 mm、0.50～<1.00 mm粒級差異不顯著外，與其他粒級差異均達(dá)顯著水平。在茶園土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與<0.25 mm粒級差異顯著外，與其他粒級差異均不顯著。在林地土壤中，0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量除與≥10.00 mm、2.00～<3.00 mm和<0.25 mm粒級差異顯著外，與其他粒級差異均不顯著。3種土地利用方式在此土層有機碳平均含量表現(xiàn)為林地(10.62 g·kg-1)>茶園(9.14 g·kg-1)>農(nóng)田(7.61 g·kg-1)，且大團聚體有機碳平均含量均高于微團聚體。與0～<5 cm土層相比，茶園降幅最大，農(nóng)田降幅遠(yuǎn)小于茶園和林地。與5～<10 cm土層相比，茶園降幅最大，農(nóng)田降幅最小。

表4 不同土地利用方式下10～20 cm土層土壤有機碳含量

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤團聚體含量的影響

土壤有機碳的主要來源是土壤有機質(zhì)，土壤團聚體的形成也需要土壤有機質(zhì)提供必需的凝膠物質(zhì)，同時，土壤團聚體中凝膠物質(zhì)的含量也決定著土壤團聚體中大團聚體的含量。有研究[16]表明，>0.25 mm團聚體被認(rèn)為是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體，是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越好。本研究發(fā)現(xiàn)，供試農(nóng)田、茶園、林地3種不同土地利用方式下土壤大團聚體的含量都隨著土層的加深而增加，在供試土壤中表現(xiàn)為10～20 cm>5～<10 cm>0～<5 cm。供試土壤10～20 cm土層與0～<5 cm表層相比，大團聚體含量增幅表現(xiàn)為農(nóng)田>茶園>林地，農(nóng)田增幅最高，這表明農(nóng)田和茶園深層土壤大團聚體含量與表層土壤相對差距加大，說明了農(nóng)田和茶園表層土壤受人為干擾較強，破壞了土壤大團聚體的結(jié)構(gòu)，使其逐漸向微團聚體轉(zhuǎn)化，這與劉中良等[15]的研究結(jié)果基本一致。

在供試土壤0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層中，茶園和林地土壤大團聚體的含量都高于農(nóng)田，且在0～<5 cm和5～<10 cm土層相對突出，這證實了農(nóng)田在耕作時對土壤擾動較為嚴(yán)重，導(dǎo)致土壤表層大團聚體受破壞。相對自然生態(tài)系統(tǒng)下的林地和耕作措施較少的茶園土壤大團聚體含量相對較高，土壤結(jié)構(gòu)較好、枯落物較多、有機質(zhì)輸入量大，土壤團聚體穩(wěn)定性較好，這與鄭紅[17]的研究結(jié)果類似。

本研究還發(fā)現(xiàn)，在供試土壤0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層中，農(nóng)田、茶園和林地3種不同土地利用方式下均以3.00～<5.00 mm粒級土壤團聚體含量最高，其中，林地5～<10 cm土層3.00～<5.00 mm粒徑團聚體含量最高，占比達(dá)23.93%。3種不同土地利用方式下均都以2.00～<3.00 mm粒級團聚體含量最低，其中，茶園5～<10 cm土層含量最低，占比為2.19%。在0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層中，農(nóng)田≤3.00 mm粒級土壤團聚體含量表現(xiàn)為逐漸大于林地和茶園，這些可能與當(dāng)?shù)氐耐寥澜Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)相關(guān)。

3.2 土地利用方式對土壤團聚體有機碳含量的影響

土壤有機碳庫是地球表層系統(tǒng)中的主要碳庫，在全球碳循環(huán)中占有重要地位[18]。團聚體對土壤有機碳又有一定的保護作用，這使團聚體成為土壤有機碳重要儲存庫[19]。有研究[20]指出，不同粒徑團聚體的物理保護能力存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同土地利用方式下0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層中≥0.25 mm大團聚體有機碳平均含量均高于微團聚體(<0.25 mm)，這與Gelaw等[21]的研究結(jié)果一致。3個土層中，農(nóng)田、茶園和林地3種利用方式都以0.25～<0.50 mm粒級團聚體有機碳含量最高，表明不同粒徑團聚體的物理保護能力不同，這與李輝信等[20]研究結(jié)果基本一致。

本研究發(fā)現(xiàn)，供試農(nóng)田、茶園和林地3種土地利用方式，團聚體有機碳含量在各土層中表現(xiàn)為5～<10 cm>0～<5 cm>10～20 cm，各粒徑有機碳平均含量在5～<10 cm土層最高。在5～20 cm土層中，3種土地利用方式各粒級團聚體有機碳含量均隨著土層的加深而降低，其中，農(nóng)田降幅最小，林地和茶園降幅較大。在0～<10 cm土層中，3種土地利用方式各粒級團聚體有機碳含量均隨著土層的加深而上升，其中，農(nóng)田增幅最大，茶園和林地增幅較小。這是因為土壤表層和耕作層受到的物理擾動的大小和土壤表面枯落物相對多少、土壤肥力等因素的影響。

在0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層中，不同土地利用方式下土壤團聚體有機碳平均含量表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田，且林地、茶園有機碳平均含量在0～<5 cm和5～<10 cm土層明顯高于農(nóng)田，在10～20 cm土層差異性縮小，這與王浩等[22]研究結(jié)果類似。這是因為研究區(qū)域農(nóng)田在耕作時頻繁的物理擾動和人工干擾，破壞了土壤大團聚體的結(jié)構(gòu)，也增加了土壤與空氣的接觸，促進(jìn)農(nóng)田土壤有機碳的分解，導(dǎo)致農(nóng)田表層有機碳含量較低。同時，研究區(qū)域農(nóng)田種植的作物秸稈幾乎無還田，這都影響著農(nóng)田的土壤結(jié)構(gòu)和團聚體有機碳的含量。研究區(qū)域林地和茶園相對具有較高的植被覆蓋率和較少的人工干擾，且茶園和林地都有較多的植被枯落物，增加了土壤有機碳的來源，這都明顯影響著土壤的有機碳含量。Six等[10]提出，適當(dāng)減少耕作強度或者免耕有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機碳含量。

不合理的土地利用是人類對土壤造成一系列問題的主要原因，改變土地利用模式不僅可以改變土壤物理、化學(xué)和環(huán)境狀況，而且對微生物的種群、數(shù)量、活性，以及地表凋落物、植物根系生長和分布有很大影響[23]。大量的研究[24]證實，有機肥的施用對提高土壤有機碳含量以及碳組分方面有積極作用。信陽市十三里橋鄉(xiāng)應(yīng)轉(zhuǎn)變現(xiàn)有的農(nóng)田土壤管理方式，通過配施有機肥或者秸稈還田來改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[25]。

4 小結(jié)

通過對研究區(qū)域農(nóng)田、茶園、林地3種不同土地利用方式在0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm 3個土層的分析，團聚體含量均以≥3.00 mm的大團聚體為主，其中，在各土層大團聚體含量均表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田。不同土地利用方式下大團聚體含量在各土層中表現(xiàn)為10～20 cm>5～<10 cm>0～<5 cm，3種土地利用方式隨土層的加深土壤團聚體含量均呈增長趨勢，且10～20 cm與0～<5 cm相比，農(nóng)田增幅最大，這說明農(nóng)田表層土壤人工干擾相對較多，表層土壤結(jié)構(gòu)相對較差；較深層土壤人工干擾較少，土壤結(jié)構(gòu)比表層更好。在供試3種土地利用方式下，各土層均以3.00～<5.00 mm粒級土壤團聚體含量最高，2.00～<3.00 mm粒級團聚體含量最低，這可能與當(dāng)?shù)氐耐寥澜Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)有關(guān)。

研究區(qū)域農(nóng)田、茶園、林地3種不同土地利用方式下土壤團聚體有機碳含量在0～<5 cm、5～<10 cm和10～20 cm土層中均表現(xiàn)為林地>茶園>農(nóng)田，3種土地利用方式在各土層均以0.25～<0.50 mm粒級有機碳含量最高。在不同土地利用方式下，各土層有機碳平均含量均表現(xiàn)為5～<10 cm>0～<5 cm>10～20 cm，由于土壤表層易受到人為干擾，5～<10 cm土層團聚體有機碳平均含量略高于0～<5 cm土層。由于農(nóng)田耕作層受到人工干擾的影響較大和林地與茶園枯落物較多的原因，農(nóng)田土壤各土層有機碳含量差異最小，這說明人工干擾較少的自然生態(tài)系統(tǒng)下的土壤有機碳含量更高，減少人為的頻繁干擾和物理擾動，實施保護性耕作或免耕，有助于土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和碳匯能力的增強。