黃土丘陵溝壑區不同年限苜蓿地土壤水穩性團聚體分布特征及穩定性研究

海 龍，姚 拓，張春紅，張文明，李林芝，路永莉

(1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學草業學院草業生態系統教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，是土壤中物質和能量轉化的場所，其組成和穩定性是土壤結構變化的重要指示因子，能對土壤孔隙狀況以及水、肥、氣、熱產生重要影響[1-2]。目前，評價團聚體穩定性的指標主要有大團聚體含量、土壤平均質量直徑、幾何平均直徑以及分形維數等[3]。一般認為，大團聚體含量、土壤平均質量直徑和幾何平均直徑越大，土壤團聚體分布狀況與穩定性越好[4]。而分形維數越小，土壤結構的穩定性越好，抗蝕能力越強[3]。因此，土壤團聚體的組成和穩定性決定了土壤的可侵蝕性[5]，其不僅受土壤質地、有機及無機膠結物影響，很大程度上也受土壤環境變化、植被類型以及人為生產活動的強烈影響[6]。

黃土高原是世界黃土分布最典型的區域，具有獨特侵蝕溝壑地貌，極易發生侵蝕，是世界上水土流失最為嚴重和生態環境最脆弱的地區之一。解決黃土高原的水土流失問題，主要是防治土壤侵蝕，提高土壤的抗侵蝕能力[7]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是一種廣泛栽培的優質多年生豆科牧草，對修復該地區的脆弱生態環境、改良土壤結構、提高土壤肥力，以及水土保持等方面都發揮著積極作用[8]。隨著種植業和養殖業結構調整，苜蓿種植面積逐年擴大，有效彌補了天然草場的不足，已成為黃土高原重要的草地生態系統[9-10]。然而，目前苜蓿草地的研究主要多集中在生產的可持續性和土壤水分方面，對土壤結構性質方面的研究也有報導[11-14]，但都尚未將土壤結構穩定性與無機、有機粘結劑聯合起來比較分析，尤其是在隴西地區人工草地苜蓿種植年限對土壤結構特性影響方面的研究未見報道。為此，本研究以黃土丘陵溝壑隴西地區不同種植年限苜蓿草地土壤為研究對象，以農田土壤為對照，應用濕篩法分析土壤團聚體分布特征、穩定性及其變化趨勢，并分析了土壤無機、有機粘結劑與團聚體穩定性的關系，探討苜蓿種植對該區域土壤質量的影響，為黃土丘陵溝壑區苜蓿草地持續利用、防止土壤質量退化提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗選在黃土高原丘陵溝壑區的甘肅省定西市隴西縣，屬大陸性溫帶半干旱季風氣候。平均海拔1 673 m，年均降水量445.8 mm，降水主要集中在6—9月份，年均氣溫7.7℃，無霜期146 d。試驗地土壤類型為黃綿土，近似于半干潤淡色始成土(Ustochnept)，相對應于FAO分類系統中的鈣積始成土(CalcicCambisols)，成土母質為第四紀風成黃土。

1.2 樣品采集

在野外實地調查的基礎上，采用空間分布代替時間序列的方法，綜合考慮坡向、坡位，于2018年5月選取了自然生態條件相同，種植年限分別為3、7、12、18 a的紫花苜蓿草地為研究對象，種植面積均在200 m2以上。每個樣地隨機布設3個典型樣方( 5 m ×5 m)，每個樣方設置3個樣點，逐層采集0～20、20～40、40～60 cm土層原狀土柱樣品，每一樣方取3個樣點的相同土層組成一個混合樣，裝入硬質塑料盒中。基于從農田更替為苜蓿草地，在苜蓿草地旁邊選取未曾種草、常規管理模式的農田作為對照，按相同層次采集土壤樣品。將土樣帶回室內, 沿土塊自然裂隙輕輕剝成小于5 mm的小塊后，去除石塊和植物殘體，自然風干后分成2個亞樣本, 其中一個用作團聚體分析, 另一個過篩后供其他項目的理化分析使用。

1.3 分析方法

土壤水穩性團聚體的測定按照Li等[15]修訂的方法。稱取50 g風干樣品置于套篩(2、1、0.5、0.25 mm)最上層，把篩子放入裝有蒸餾水的桶中浸泡10 min，以30次·min-1的頻率豎直上下振蕩5 min，振蕩幅度為3.5 cm，振蕩時要保證最上層的篩子浸沒在水中。篩分后，將各級篩層上土壤團聚體分別轉移至鋁盒中，105℃烘干稱重，計算各級團聚體的質量百分比。

供試土壤總有機碳、碳酸鈣、容重和機械組成分別采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法、氣量法、環刀法和吸管法測定[16]。

1.4 數據處理與統計分析

>0.25 mm水穩性團聚體含量(>0.25 mm water-stable aggregate proportion，WSAP0.25)計算公式[17]為:

式中,M0.25為>0.25 mm團聚體重量(g)；MT為未篩分之前土壤總重(g)。

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)和幾何平均值(geometric mean diameter，GMD)計算公式[18]為：

式中,Ri是某級別團聚體平均直徑(mm)，wi是該級別團聚體干重(g)。

分形維數(fractal dimension，D)計算公式[19]為：

式中，dmax為最大粒級團聚體的平均直徑(mm);di為兩篩分粒級的平均粒徑(mm);Wi(δ

采用Excel 2007和SPSS 16.0進行統計分析，不同處理結果的多重比較采用鄧肯檢驗，顯著水平為P<0.05。圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩性團聚體粒徑分布

土壤水穩性團聚體數量和分布反映了土壤團粒結構狀況，是決定土壤質量的重要指標之一。由表1可知，苜蓿草地土壤水穩性團聚體含量在土壤剖面中具有明顯的垂直分布性，即在0～60 cm土層，隨土壤深度的增加，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體含量均逐漸減少，而<0.25 mm粒徑水穩性團聚體數量逐漸增加。在各土層，無論農田還是種植苜蓿，土壤水穩性團聚體組成均隨著粒徑減小呈階梯式遞增態勢，增幅為1.22%～61.43%，以<0.25 mm的微團聚體占據優勢級別，變化范圍為60.83%～79.72%，大部分土壤在70%以上，說明黃土丘陵溝壑區土壤水穩性團聚體狀況普遍較差。

如表1所示，當農田更替為苜蓿草地后，在0～20 cm土層，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體含量均從農田到12 a生苜蓿草地顯著遞增(P<0.05)，分別是對照農田的2.03～2.75倍、1.98～2.72倍、1.31～1.65倍和1.15～1.36倍。20～40 cm土層不同年限苜蓿草地土壤水穩性團聚體含量與0～20 cm土層具有一致規律，但變化幅度較小，僅12 a生苜蓿草地土壤>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體含量與對照農田達到了顯著性差異(P<0.05)。40～60 cm土層各處理土壤水穩性團聚體呈現出含量均勻化態勢，處理間差異不顯著(P>0.05)。

通過分析>0.25 mm粒徑水穩性團聚體含量(WSAP0.25)分布特征發現，不同年限苜蓿草地WSAP0.25在0～20 cm含量最多，隨土壤深度的增加逐漸減少，CK則在20～40 cm含量最多(圖1)。在0～20 cm土層，不同種植年限苜蓿草地WSAP0.25均顯著高于農田(P<0.05)，12 a苜蓿草地最高，較3、7、18 a苜蓿草地和CK農田分別提高了78.43%、29.68%、21.81%和14.55%，均呈顯著差異(P<0.05)。20～40 cm土層與0～20 cm土層具有一致規律，但變化幅度較小，僅12 a苜蓿草地WSAP0.25顯著高于農田(P<0.05)。

表1 不同種植年限苜蓿草地土壤水穩性團聚體粒徑分布

2.2 土壤水穩性團聚體的穩定性

土壤團聚體穩定性與其粒徑分布是同等重要的質量指標，直接關系到土壤對不同環境的適應與協調性能。由表2可知，表層(0～20 cm)不同年限苜蓿草地平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)最大，隨土壤深度增加，MWD和GMD逐漸減小，而農田MWD和GMD在20～40 cm土層最大。其中，MWD在0～20 cm土層表現為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，且供試不同年限苜蓿草地與農田之間差異均顯著(P<0.05)，12、18、7 a和3 a苜蓿草地分別較CK提高了104.63%、76.65%、60.33%和47.88%；20～40 cm與0～20 cm土層變化趨勢一致，但變幅小，僅12 a苜蓿草地顯著高于CK(P<0.05)。GMD變化趨勢與MWD相一致，0～20 cm土層各苜蓿草地與農田均呈顯著性差異(P<0.05)。土壤水穩性團聚體分形維數(D)變化雖然不大，但在土壤表層也呈現出了從農田到12 a生苜蓿草地逐漸遞減的規律性。總之，苜蓿草地土壤水穩性團聚性較農田好，且隨苜蓿種植年限遞增至第12年達到最大。

2.3 土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量

由表3可知，不同種植年限苜蓿草地土壤粉粒(0.002～0.02 mm)含量最多，黏粒(<0.002 mm)次之，砂粒(0.02～2 mm)最少，在0～60 cm土層，各苜蓿草地粒徑分布與對照農田之間無顯著性差異(P>0.05)。在0～20 cm土層，土壤總有機碳表現為12 a>18 a>7 a>3 a >CK，各苜蓿草地均顯著高于對照農田(P<0.05)，20～40 cm土層與0～20 cm土層變化趨勢一致，但變幅小，僅12 a苜蓿草地顯著高于CK(P<0.05)。土壤碳酸鈣含量在各處理間差異均不顯著(P>0.05)。

注：相同土層不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters represent significant difference between treatments within the same soil layer (P<0.05).圖1 不同種植年限苜蓿草地0～60 cm土層WSAP0.25的變化Fig.1 Proportion of water-stable aggregate >0.25 mm particlesize under different growth years in 0～60 cm soil depth

2.4 土壤水穩性團聚體性能指標與土壤理化性質間的相關性分析

土壤水穩性團聚體性能指標與土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量相關分析如表4所示。>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體和WSAP0.25、MWD、GMD均與TOC呈顯著正相關；<0.25 mm的微團聚體、土壤分形維數D與TOC呈負相關，其中TOC與<0.25 mm微團聚體相關性達極顯著水平(P<0.01)。砂粒、粉粒、黏粒和碳酸鈣與土壤水穩性團聚體各指標之間均無顯著相關性。

3 討 論

3.1 土壤水穩性團聚體分布特征及穩定性

土壤團聚體分布和數量不僅影響作物生長發育，而且與土壤抗侵蝕能力密切相關，特別是濕篩法獲得的土壤水穩性團聚體更能準確地反映出土地利用方式對土壤結構的影響[20]。隨土壤深度的增加，苜蓿草地>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm粒徑水穩性團聚體含量均逐漸減少，這與霍

表2 不同種植年限苜蓿土壤團聚體穩定性

表3 不同種植年限苜蓿草地土壤粒徑分布、總有機碳和碳酸鈣含量

表4 土壤團聚體穩定性指標與土壤理化性質的相關性

琳等[21]研究結果一致。以>0.25 mm水穩性團聚體為參照指標，認為>75%為優良狀態，40%～75%為良好，30%～40%為較差，<30%為不良[22]。在0～20 cm土層，土壤團聚狀態從農田的不良級別演化為苜蓿草地的較差狀態，而苜蓿草地20～60 cm土層均屬不良團聚狀態，級別雖然沒有變化，但是>0.25 mm團聚體在土壤剖面上存在明顯的遞減趨勢。農田>0.25 mm水穩性團聚體在20～40 cm土層含量較0～20 cm土層多，是因為農田表層土壤受人為活動干擾多，擾動頻繁，盡管有機質含量高于下層，但在擾動過程中易于暴露，分解速度大于下層，弱化了對團聚體穩定性的膠結作用，這也是耕地中難以形成更大團聚體的緣故。水穩性團聚體直徑越小，表明團聚體在潤濕后抵抗破壞能力越小，浸水后土壤團聚體大部分都將散碎[23]。本研究得出水穩性團聚體含量隨直徑減小而增加，<0.25 mm為數量優勢級別，變化范圍為60.83%～79.83%，大部分土壤在70%以上，表明研究區域較大團聚體數量較少，結構松散。

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)的值越大，分形維數(D)越小，土壤結構越穩定，土壤抗侵蝕能力越強[24]。本研究得出0～40 cm土層MWD表現為12 a>18 a>7 a>3 a>CK，GMD與MWD變化趨勢基本一致，而D變化趨勢相反，說明種植苜蓿能提高土壤水穩性團聚體的穩定性。這與苜蓿根部能共生大量根瘤菌，隨生長年限的增加，其入土深度和根莖上分枝數增加[25]，能產生更多的根系分泌物有關[26]。首先，根系分泌物是土壤顆粒團聚的主要粘合劑[27-28]，分泌的多糖類有機碳是一種線性的高分子聚合體，其鏈上有大量的羥基(-OH)，可以不通過陽離子的作用，直接利用有機物的分子極性，與礦物晶面上的氧原子形成氫鍵，使得土壤團聚化[29]；再則，根系分泌物及其脫落物能夠促進微生物大量繁殖，會使微生物產生更多作為土壤顆粒膠結劑的粘液，進一步促進土壤顆粒的團聚[30]。本研究同時表明18 a生苜蓿草地土壤水穩性團聚體穩定性開始下降，這與黃土高原苜蓿草地超過一定的種植年限，地上和地下生物量開始下降有關[31]。

3.2 土壤水穩性團聚體指標與土壤有關參數的相關性

土壤團聚體粒徑分布和穩定性與膠結物質密切相關，其質量分數、分布、組成特征等是團聚體形成與穩定的基礎及內在動力[32]。土壤有機碳、黏粒和碳酸鈣是黃土高原土壤中的主要膠結物質[33]。本研究得出黏粒與土壤水穩性團聚體各指標相關性均不顯著，但是這不能否定黏粒對土壤的團聚作用，只是在黃土丘陵溝壑區自然條件下土壤粘粒的數量和性質對于礦物顆粒的膠結與團聚作用不夠明顯而已。有學者研究表明，黃土高原地區大部分屬于鈣鹽基飽和土壤[34-35]，蒙脫石有效面積比高嶺石大得多，土壤黏粒自身凝聚作用雖然強，但通過此作用形成的微團聚體穩定性不高[29]，屬于一種穩定性相對較差的膠結物質[36]。已有研究指出，難溶性碳酸鈣對土壤團聚體水穩性起重要作用[33]，碳酸鈣對黃土團粒的形成起決定性的作用[32]。而本研究表明，土壤碳酸鈣含量與土壤水穩性團聚體各指標相關性均不顯著，這和前面的研究結論不一致，還有待于進一步研究。苑亞茹等[37]研究發現，有機物不僅能增強團聚體之間的粘結力和抗張強度，同時較土壤礦物提高了吸收水的容量，水分的潤濕速率因而減緩，團聚體穩定性提高。黃澤等[38]、羅珠珠等[20]的研究結果都表明，黃土高原半干旱區的土壤團聚體穩定性和土壤有機質密切相關，但沒有將土壤團聚體穩定性和無機膠結劑聯系起來。本研究中，TOC與>0.25 mm各粒級土壤水穩性團聚體、MWD、GMD均呈顯著正相關，與<0.25 mm粒徑的水穩性團聚體含量呈顯著負相關，說明黃土丘陵溝壑區有機質是土壤團聚體主要膠結物質，在水穩性團聚體的形成、促進土壤結構的穩定性、增強土壤的抗侵蝕能力方面發揮著至關重要的作用。