湘東地區典型土壤團聚體穩定性的影響因素

谷忠元, 康 黎, 羅夢娟, 劉玲玲, 尹力初

(湖南農業大學 資源環境學院, 湖南 長沙 410128)

團聚體是土壤結構的基本單元，影響著土壤眾多的物理、化學、生物性質，由此其組成與穩定性成為衡量土壤質量、土壤肥力高低的重要指標而受到廣泛關注[1]。團聚體是土壤基粒通過有機、無機膠結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量或穩定性均與土壤有機質含量密切正相關[2-3]；黏粒在團聚體形成過程中有著不可或缺的作用，細質地土壤相對于粗質地土壤更有利于團聚體的形成與穩定[4]。同時研究者也一致認為熱帶、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，但其膠結作用大小與范圍與晶型構造有關[5-6]。而以上影響土壤團聚體形成與穩定的重要內部因素往往受到土地利用方式、成土母質類型或土層部位的支配。由此，本研究擬在湘東地區選擇第四紀紅土、花崗巖風化物、板巖風化物等3種成土母質上發育的典型自然林地、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、利用方式及土層部位對團聚體穩定性的影響并分析其內在原因，以期為該區域土壤結構改善及肥力培育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

供試土壤于2017年2月采自湖南省寧鄉縣朱良橋鎮(28.38°N，112.64°E)、長沙縣金井鎮(28.52°N，113.37°E)與春華鎮(28.35°N，113.31°E)，其成土母質分別為湘東地區較為常見的第四紀紅土、花崗巖風化物、板巖風化物。在每成土母質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20 a以上，水田種植水稻50 a以上。每母質及利用方式下選取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PVC盒帶回實驗室風干至土壤塑限(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，在室溫下繼續風干，完全風干后通過不同孔徑土篩以用于相應理化性質分析。

1.2 試驗方法

(1) 土壤團聚體的測定。稱取過8 mm篩風干土樣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此操作，依次通過0.25，0.053 mm篩。分離出的各級團聚體轉移至鋁盒，在40 ℃下烘干，稱重，最終得到粗大團聚體(>2 mm)、細大團聚體(2～0.25 mm)、微團聚體(0.25～0.053 mm)和粉黏粒(<0.053 mm)4個粒徑的水穩定性團聚體。由于砂粒不屬于團聚體，且本研究不同母質發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，充分分散后過相應規格土篩，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，并根據各粒徑所占比例的大小計算得出水穩性團聚體的平均重量直徑(MWD)和團聚體結構破壞率(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地的確定。簡易比重計法。

(3) 土壤游離態氧化鐵的測定。DCB提取法。

(4) 土壤非晶型氧化鐵的測定。草酸銨提取法。

(5) 土壤全量有機質的測定。重鉻酸鉀外加熱法(鮑士旦，1999)。

1.3 數據整理與統計

用Excel 2003進行數據整理；用SPSS軟件進行方差分析及顯著性檢驗與相關性分析。

2 結果與分析

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

表1 供試土壤基本性質

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66.6%，其中粗大團聚體(>2 mm)為23.6%，細大團聚體(2～0.25 mm)為43.2%。各粒級中粗大團聚體的變異系數最大(97.2%)，說明粗大團聚體是最不穩定、較易受成土母質、利用方式、土層部位影響的粒級。而在所試土壤中，第四紀紅土母質發育的水田表層土壤團聚體平均重量直徑最大，破壞率最小，穩定性最強；花崗巖風化物發育的旱地底層土壤團聚體平均重量直徑最小，破壞率最大，穩定性最弱。

團聚體平均重量直徑是評價土壤團聚體水穩性的重要指標之一，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性團聚體含量的相關性分析表明(表3)，土壤MWD與>2 mm水穩性團聚體之間極顯著正相關，與0.25～0.053 mm和<0.053 mm水穩性團聚體之間極顯著負相關，與2～0.25 mm水穩性團聚體無相關性。總體來說，土壤MWD與大團聚體之間極顯著正相關，與微團聚體間極顯著負相關。而各級水穩性團聚體含量與平均重量直徑相關性中>2 mm水穩性團聚體相關系數最大，說明其是影響土壤團聚特征和穩定性的主要因子。

表2 供試土壤水穩性團聚體組成

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性團聚體含量的相關性

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，土壤團聚體穩定性的變化趨勢均為:水田>林地>旱地。

注：組內不同小寫字母表示利用方式間土壤團聚體穩定性差異顯著。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定性的變化規律受母質的影響。第四紀紅土所發育土壤的質地較黏，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；而花崗巖風化物發育的土壤質地較砂，不同利用方式下土壤團聚體穩定性并無顯著性差異。

2.3 成土母質對團聚體穩定性的影響

母質影響土壤團聚體的穩定性，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定性為:第四紀紅土>板巖風化物>花崗巖風化物，其中第四紀紅土和花崗巖風化物間差異顯著，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，底層土壤團聚體穩定性受母質的影響程度更大。旱地利用下3種母質發育土壤的團聚體穩定性沒有顯著差異；林地利用下板巖風化物發育土壤的團聚體穩定性明顯高于花崗巖風化物或第四紀紅土所發育土壤。水田利用下土壤團聚體穩定性符合總體變化規律，即第四紀紅土>板巖風化物>花崗巖風化物，且不同母質間差異更加明顯，其中第四紀紅土發育土壤的團聚體平均重量直徑相對于花崗巖風化物提高了229.3%。

圖2 不同母質下土壤團聚體平均重量直徑

2.4 土層部位對團聚體穩定性的影響

土層部位影響土壤團聚體穩定性，且受母質和利用方式的限制(圖3)。總體而言，表層土壤團聚體穩定性顯著高于底層土壤。對于質地相對較砂的花崗巖或板巖風化物發育的土壤，土壤層次間團聚體穩定性的差異符合這一規律，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%；但對于質地相對較黏的第四紀紅土發育的土壤，土層部位間團聚體穩定性差異并不明顯。旱地或林地利用下表層土壤團聚體穩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定性差異并不顯著。

注：組內不同小寫字母表示土層部位間土壤團聚體穩定性差異顯著。

圖3不同土層部位下土壤團聚體平均重量直徑

3 討 論

土壤質地、有機質與氧化物是決定團聚體穩定性的重要內部因素[8]，而它們直接受到土地利用方式、母質類型及土層部位的影響。由此本研究區域土壤團聚體組成及其穩定性隨利用方式、母質類型、土層部位的變化而明顯不同(表2)。同時，與許多研究結果一致[9-11]，本研究發現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土壤風化程度高而導致土壤質地較黏、氧化物含量豐富有關(表1)。此外，有研究者認為土壤團聚體的穩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)的變異系數最大，其最易受成土母質、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、氧化鐵的累積與轉化，從而影響團聚體的膠結與穩定。水田土壤長期滯水環境限制了微生物的活性而有利于有機質的累積，且頻繁的干濕交替也有利于土壤氧化鐵的轉化[12-13]，尤其是有利于形成膠結能力較強的非晶型態氧化鐵(表1)。它們的共同作用將顯著促進大團聚體的形成與穩定。林地條件下有機凋落物相對較多而有利于土壤有機質的累積，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構的破壞。由此，本研究區域不同利用方式下土壤團聚體穩定性總體為：水田>林地>旱地(圖1)。但利用方式對土壤性質的影響可能主要作用于表層土壤，其對底層土壤的影響應相對有限，所以本研究中底層土壤團聚體的穩定性在不同利用方式間并沒有顯著差異。同時，本研究結果也顯示了利用方式對團聚體穩定性的影響受到土壤質地的影響。如第四紀紅土發育質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，而花崗巖風化物發育質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地較砂土壤中有機質由于分解程度高、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作用在粗質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轉化而導致的團聚體穩定性差異。

不同母質發育土壤的質地將存在顯著差異，其中第四紀紅土發育土壤的質地較黏，花崗巖風化物發育土壤質地較砂，而板巖風化物發育土壤質地居中(表1)。有研究認為土壤質地愈黏，團聚體穩定性愈強[4]。由此，本研究中土壤團聚體穩定性總體上呈現出：第四紀紅土>板巖風化物>花崗巖風化物(圖2)。但土壤質地對團聚體穩定性的貢獻還應受到有機質、氧化鐵及人為擾動等因素的影響。其中，底層土壤中有機質含量相對較低，團聚體穩定性受到土壤質地的影響將會更強，其更易受到成土母質的影響；而表層土壤中有機質的大量累積將削弱土壤質地對團聚體穩定性的影響，所以不同母質發育的表層土壤團聚體穩定性差異并不顯著。同時，旱地土壤上頻繁的人為耕作將破壞土壤結構而降低土壤質地對團聚體穩定性的影響；林地土壤中以質地相對居中的板巖風化物穩定性最高，是由于該母質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的充分積累而促進團聚體的膠結。水田利用條件下土壤團聚體的穩定性規律符合總體趨勢，即第四紀紅土發育質地黏重土壤>花崗巖風化物發育質地較砂土壤，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[3]，或氧化鐵對團聚體膠結的促進作用在細質地土壤上更為突出有關。

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含量(表1)，而許多研究證實土壤有機質與團聚體穩定性顯著正相關[16-18]。由此本結果顯示表層土壤團聚體穩定性一般要顯著高于底層土壤(圖3)。但本研究結果同時也揭示了土壤有機質對團聚體穩定性的貢獻可能受到土壤質地或氧化鐵類型的影響。如質地黏重的第四紀紅土發育表層土壤團聚體穩定性與底層土壤并沒有顯著差異，其可能是由于質地粘重土壤團聚體膠結過程中氧化鐵的重要作用掩蓋了有機質的貢獻[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定性差異不顯著，可能要歸結于該利用方式下頻繁的干濕交替有利于氧化鐵轉化為膠結能力較強的纖鐵礦或針鐵礦而削弱了有機質的作用，而前兩種利用方式下土壤中的氧化鐵則主要為膠結能力較差的赤鐵礦[20]。

4 結 論

(1) 土地利用方式、母質類型及土層部位將顯著影響土壤質地、有機質與氧化物等團聚體內部膠結因素，從而顯著影響湘東地區土壤團聚體的組成及穩定性，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、氧化鐵的轉化與團聚體的膠結。團聚體穩定性總體表現為:水田>林地>旱地。但利用方式對團聚體穩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定性的影響在第四紀紅土發育質地較黏土壤上表現得較為突出，而在花崗巖風化物發育質地較砂土壤上則沒有明顯效果。

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

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