不同土地利用方式下紫色土結構特性變化研究

林培松，高全洲

（1.嘉應學院 地理科學與旅游學院，廣東 梅州，514015；2.中山大學 地理科學與規劃學院，廣州510275）

土壤結構是土壤的一項重要物理性質。大量研究表明，團粒結構是土壤肥力的中心調節器，影響著土壤的孔隙性、持水性、通透性和抗蝕性，任何土壤的退化首先將表現為團粒結構的消失。團聚體的數量和大小是決定土壤侵蝕、壓實、板結等物理過程速度和幅度的關鍵指標，其穩定性也是反映土壤結構狀況的重要指標之一［1－2］。因此，作為土壤研究的重要方面，土壤團聚體組成及其結構特性的研究備受國內外學者的廣泛關注，眾多研究者已從不同角度對其開展了大量研究工作，但目前國內主要集中在黃土高原、西南山區、川中丘陵區及閩西贛北紅壤區等區域［3－7］，而關于粵東北不同土地利用方式下紫色土結構特性變化的研究仍鮮見報道。梅江中上游河谷盆地是粵東北韓江流域的典型區，紫色沉積巖廣泛分布，紫色土為該區主要土壤類型之一。由于紫色土質地松軟，抗蝕性弱，加之該區域降雨集中且強度大、人口密集、土地墾殖率高等原因，從而導致該區水土流失較為嚴重，目前該區是韓江流域水土流失重點防治區之一。本文以粵東北梅江中上游河谷盆地紫色土為例，對不同利用方式紫色土團聚體組成及其結構特性變化進行研究，探討紫色土質量退化特征，對于區域水土保持、控制土壤退化、土地資源可持續利用具有重要的理論價值與指導意義。

1 研究區概況

研究區位于粵東北梅江中上游河谷盆地，梅州市梅南鎮境內，位于116°02′－116°09′E，24°04′－24°02′N，是韓江流域水文生態典型區。地形主要以低山、丘陵和河流沖積階地為主。氣候屬南亞熱帶季風氣候，四季分明，雨量充沛，年均溫21.2℃，年均降雨量1 472.9mm，無霜期300d以上，年積溫7 700℃。土壤主要有紫色土、赤紅壤和水稻土等，地帶性植被為亞熱帶季風常綠闊葉林。由于人類活動干擾，近年來區域內原始地帶性植被面積大幅度減少，土壤侵蝕退化普遍嚴重。本研究選取梅江干流河谷的紫色土坡地，采樣區主要土地利用方式為茶園、柚果園、旱地、林地和撂荒地。

2 材料與方法

2.1 樣品采集與處理

由于紫色土風化成土作用弱，對母巖巖性的繼承性強，而紫色母巖因成巖時代和環境的差異，不同地質年代巖石間顆粒組成、化學性質差異較大，即使同一地質年代不同層段也有差異［8］。因此在紫色土結構特性研究中，選取的各土地利用類型土壤均起源于相同母巖類型，且所選樣地坡度、坡向和海拔等環境條件大體相似，以排除因發育條件不同而導致的土壤特性上的差異，從而突顯因人為和自然環境變化引起的土壤變化過程。在野外調查的基礎上，根據土地利用方式、地形等因素進行樣方的選擇，在每一土地利用方式下布設3個樣方。在每一樣方內按“S”形進行設置采樣點，并分0－20cm、20－40cm土層用塑料飯盒采集原狀土樣，帶回實驗室沿土壤自然結構輕輕剝開，將原狀土剝成直徑為10～12mm的小土塊，棄去其中的礫石和粗根等雜物，風干備用。同時按土層取混合土樣用于測定其理化性質。

2.2 樣品分析

待原狀土樣室內風干后，用干篩法和濕篩法分別測定＞5mm，5～2mm，2～1mm，1～0.5mm，0.5～0.25mm的各級風干團聚體和水穩性團聚體含量（沙維諾夫法），并計算團聚體平均重量直徑（MWD）；用環刀取原狀土測定土壤容重、孔隙和水分特性；土壤有機質用重鉻酸鉀－外加熱法測定；土壤顆粒組成用比重計法測定；其他土壤基本性質采用常規方法測定［9－10］。采用 Excel、SPSS等分析軟件進行數據處理和統計分析。

3 結果與討論

3.1 土壤基本性質

由于土地利用情況不同，導致了土壤養分的差異，進而影響了土壤性質，而土壤性質的差異又會引起土壤結構性的變化［11］。因此，對土壤的基本性質進行分析，可以為土壤結構特性變化研究提供依據。章明奎等［12］研究表明，土壤水穩定性大團聚體的形成主要靠有機質和黏粒的膠結作用。由表l可見，同一紫色母質不同土地利用方式下，土壤pH值、有機質和黏粒含量等基本性質也發生相應的變化，其中土壤表層（0－20cm）有機質含量順序依次為：林地＞果園＞茶園＞撂荒地＞旱地；黏粒含量林地最高，其次為茶園，旱地最小。土壤底層（20－40cm）有機質和黏土含量變化趨勢與表層大體相似，但變化幅度較表層小。在不同利用條件下，研究區紫色土pH值在5.97～6.71之間變化，說明此類紫色巖發育而成的土壤酸堿性差異不大。總的來看，土壤pH值與成土母質相關性較大，而有機質和黏粒含量則受土地利用方式的影響明顯。由表1可看出，供試土壤的有機質和黏粒含量基本符合林地＞果園＞旱地的變化規律，說明植被覆蓋和合理的土地利用可以涵養水源、保留養分，維持土壤良好的結構性，提高土壤抗蝕能力［13］。

3.2 土壤團聚體組成

土壤團聚體數量和組成決定了土壤結構的穩定性，特別是大于1mm的大團聚體對調節土壤通氣與持水以及養分平衡釋放有著重要意義［14］。表1、表2分析了供試土壤干篩和濕篩團聚體組成及團聚體破壞率，可見，利用方式對土壤團聚體的形成有較大影響。分析結果表明：研究區紫色土表層風干團聚體含量較高，干篩＞0.25mm的團聚體含量均大于91%，平均達到94.17%，且主要以大粒徑的團聚體為主，其中＞5mm的團聚體含量平均達到48.49%；5～2 mm的團聚體平均為22.63%；2～1mm的團聚體平均為9.07%；1～0.25mm 團聚體平均為13.98%，這說明表土層各級風干團聚體分布不均勻，大團聚體含量較多，團聚性好。土壤底層風干團聚體含量相對較小。土樣經濕篩處理后，不穩定的團聚體崩解為較小的單元，各土層＞0.25mm團聚體明顯減少，且以＞5mm團聚體減少為最多。＞0.25mm水穩性團聚體總量變化為46.40%～66.92%，平均54.36%。可見，各紫色土樣之間風干團聚體差異不大，而水穩性團聚體之間差別較大。

表1 不同土地利用方式土壤基本性質與風干團聚體組成

水穩性團聚體對保持土壤結構穩定性有重要作用，同時也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標之一。從表2可看出，不同利用類型土壤各土層水穩性團聚體變化基本相同。從土壤表層來看，＞5mm、5～2mm和＞0.25mm水穩定性團聚體含量順序皆表現為：林地＞果園＞茶園＞撂荒地＞旱地；底土層＞0.25mm水穩定性團聚體含量順序為：林地＞茶園＞果園＞撂荒地＞旱地，而＞5mm和5～2mm水穩定團聚體含量變化情況則與表土層相似。

林地、果園土壤表層和底層水穩定性團聚體皆以＞2mm為主，而茶園、撂荒地和旱地＞2mm的水穩定團聚體比例相對較小，這說明人為耕作活動影響最大的是大水穩定性團聚體，且由于人為干擾活動，研究區紫色土出現了一些大水穩定性團聚體向較小水穩定性團聚體轉化的現象。土壤團聚體破壞率也說明了這一點，各供試土壤團聚體破壞率變化范圍為31.12%～47.60%，變化幅度為16.48%，其中旱地、撂荒地和茶園的破壞率較高，林地、果園的破壞率較低。可見，林地和果園地具較好的結構性，團聚體最穩定；而人為干擾較大的旱地、撂荒地土壤團聚體數量明顯下降，土壤結構的穩定性最差。同一母質發育的土壤因利用方式不同，導致團聚體的組成和質量發生明顯變化，這說明利用方式對土壤團聚體的形成有較大的影響。

表2 不同土地利用方式土壤水穩性團聚體組成 %

3.3 土壤團聚體大小特征

土壤團聚體平均重量直徑（MWD）是反映土壤團聚體穩定性和大小分布狀況的常用指標，該值越大表示土壤團聚度越高，穩定性越好，土壤抗侵蝕能力越強，其數量因土壤團聚體分組的數量和粒徑大小而不同［7，15］。分析圖1可知，研究區不同利用方式紫色土各土層干篩團聚體MWD變化趨勢大體一致。各土地利用類型表土層干篩團聚體MWD值表現為：林地＞果園＞茶園＞撂荒地＞旱地，且各利用類型之間相比差異不顯著，說明不同土地利用方式對土壤風干團聚體大小分布的影響不顯著，這與張保華等［16］研究結果相同。底土層風干團聚體MWD變化趨勢與表層大體相似，但各利用類型間差異進一步減小。濕篩處理后，各土層團聚體MWD明顯減小，不同利用方式下各土樣之間MWD差異增大。在0－20cm和20－40cm土層，5種土地利用類型中均以林地水穩性團聚體MWD為最大，撂荒地和旱地最小，其中林地表土層 MWD分別是撂荒地和旱地的1.94倍、2.66倍，這說明土地利用方式對水穩性團聚體MWD影響較大。5種土地利用方式中林地的穩定性最好，撂荒地和旱地的穩定性最差，說明保護森林植被有利于保持土壤的穩定性，提高土壤抗侵蝕能力。

圖1 不同土地利用方式土壤團聚體平均重量直徑（MWD）變化

隨土壤深度增加，林地、果園和茶園土壤濕篩團聚體MWD呈逐漸減少的變化趨勢，而旱地則正好相反，隨土壤層次的增加而遞增。5種利用類型土壤濕篩MWD剖面垂直變化差異不一，其中林地土層間差異最大（達0.41mm），其次是果園（0.29mm），撂荒地最小（僅0.03mm）。這現象與不同利用類型土地的經營措施有關，林地表土層團聚體MWD明顯大于底土層，這可能與其表層土壤有機質含量較高有關，豐富的有機質有利于促進土壤團聚體的形成［17］；果園雖為人工種植培育，但通常是栽種初期撫育、除草等人為活動較多，長成后人類擾動明顯減少，因此其土壤團聚體MWD與林地表現出相類似的特征；茶園和旱地需經常除草撫育，致使表層土壤相對疏松，且地表植被不多，其抗侵蝕能力較弱；而撂荒地主要以草本為主，其根系主要集中于土壤表面，對底土層影響較小，故土壤團聚體MWD較小，且后期人為活動干擾不多，以致土層間MWD差異亦較小。

3.4 土壤孔隙組成分析

土壤孔隙是水分和空氣的通道和儲存所，它的組成狀況直接影響土壤水、熱及通氣狀況和根系穿插的難易，是土體構造的主要指標之一［18］。而土壤容重主要取定于土壤孔隙及土壤固體的數量，其大小反映出土壤透水性、通氣性和根系伸展時的阻力狀況［19］。因此，土壤容重的變化，對土壤的多孔性質產生較大的影響，并影響著土壤的滲透性和保水能力。

不同利用方式紫色土各土層孔隙組成狀況存在一定的差異（表3）。研究區5種土地利用類型中，林地、果園的土壤結構特性比相應的撂荒地和旱地優越。與撂荒地和旱地相比，林地、果園表層土壤容重分別降低7.06%、和7.50%，總孔隙度則分別提高11.39%和10.87%，底層20－40cm土壤亦表現出類似規律，但各土地利用類型間差異相對較小。以上結果表明人類干擾較小的林地土地利用方式有利于改善土壤結構、增強容蓄能力，更有利于土地蓄水保土和植被生長。

表3 不同土地利用方式土壤孔隙組成

土壤非毛管孔隙數量多少主要反映土體在壘結上的松緊狀態，反映土壤動態涵蓄水能力［18］。由表3可見，5種土地利用類型各土層總孔隙度介于38.20%～45.28%，其中，0－20cm土層非毛管孔隙度相對順序為：林地＞果園＞茶園＞撂荒地＞旱地，林地、果園表層土壤非毛管孔隙度分別比撂荒地和旱地增加24.89%、17.68%。底層土壤非毛管孔隙亦有類似變化規律。這表明林地和果園紫色土具有較好的孔隙狀況，大小孔隙比例較為適中，通氣狀況和蓄水能力較好。土地利用方式轉變為農耕地后紫色土總孔隙數量下降，大孔隙減少，土壤構造變得較為緊實，從而降低了土壤通氣性和透水性，這種孔隙狀況反過來又對土壤水穩性團粒的形成產生不良影響。

4 結論

（1）研究區5種土地利用類型紫色土表土層各級干篩團聚體分布不均勻，表土層風干團聚體以大粒徑為主，團聚性好。各土地利用方式土壤之間風干團聚體差異不大，而水穩性團聚體之間差別則較大，濕篩處理后，各土層＞0.25mm團聚體明顯減少，表明不同土地利用方式對紫色土水穩性團聚體有較大影響。

（2）不同利用方式紫色土各土層水穩性團聚體變化基本相同，＞5mm、5～2mm和＞0.25mm表土層水穩性團聚體含量順序均表現為：林地＞果園＞茶園＞撂荒地＞旱地，＞5mm水穩性團聚體數量及團聚體的水穩定性與有機質和黏粒含量成正相關。結構體破壞率則表現為旱地＞撂荒地＞茶園＞果園＞林地，表明農耕地由于人為擾動，團聚體水穩性較園地、林地差。

（3）紫色土各土層團聚體MWD變化趨勢大體一致，均以林地為最大，撂荒地和旱地最小。不同土地利用方式對土壤風干團聚體大小分布影響不顯著，但濕篩處理后，各土層團聚體MWD明顯減小，各利用類型之間團聚體MWD差異增大，表明土地利用方式對水穩性團聚體MWD影響較大。5種利用類型土壤濕篩MWD剖面垂直變化差異不一，這與不同利用類型土地的經營措施有關。

（4）不同利用方式紫色土各土層孔隙組成狀況存在一定的差異，林地、果園土壤在總孔隙數量、大小孔隙比例等結構特性方面比相應的撂荒地和旱地優越。因此，研究區應保護好地帶性森林植被，維持林地土壤良好結構，提高土壤肥力。同時通過合理調整土地利用結構，有效改善土壤結構，防止水土流失，以達到紫色土資源持續利用。

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