基于土壤質地農田土壤水穩性團聚體及養分差異研究

摘要：明確土壤機械組成差異對旱地土壤水穩性團聚體組成和穩定性的影響，以及土壤養分含量變化趨勢，為優化旱地土壤管理和土壤質地的改良提供理論依據，以貴州省黔北地區典型旱地土壤為對象，測定土壤氮、磷、鉀、有機碳含量，陽離子交換量和土壤機械組成，以及土壤團聚體組成及團聚體穩定性，對比分析土壤顆粒與團聚體組成和穩定性以及土壤基本理化指標的相關性。結果表明，不同質地旱地土壤水穩性團聚體均以gt;0.250 mm粒徑為主（75.58%～82.13%），并且整體上沿著土壤質地由粗變細（黏土→粉沙質黏土→壤質黏土→黏壤土）逐漸降低。土壤物理性粘粒含量與有機碳、全氮、全磷含量和陽離子交換量相關系數分別為0.30、0.39、0.47、0.33，呈顯著正相關關系，土壤質地越細，土壤養分含量越高，表明物理性黏粒以及較細沙粒是影響土壤肥力狀況的重要因素。而土壤各級顆粒與團聚體相關系數均呈不顯著相關關系，土壤質地對團聚體分布和穩定性影響較小。此外，團聚體穩定性指標MWD和GMD值與各粒級團聚體含量的正負相關顯著性均以5.000 mm粒徑為界，表明5.000 mm粒徑團聚體是團聚體轉化過程中的關鍵節點。旱地土壤肥力水平主要受土壤質地的影響，同時土壤大團聚體對其也有一定的調控作用，土壤質地對改善旱地土壤養分及土壤結構穩定性具有重要的作用。

關鍵詞：土壤質地；團聚體穩定性；有機碳；相關性；土壤機械組成；土壤養分

中圖分類號：S152.3；S153.6""文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）22-0258-07

土壤結構作為維持土壤功能的重要組成因素，對土壤中物理、化學和生物過程起著重要的調節作用^［1］。團聚體作為土壤結構的基本單元^［2］，其粒級大小組成及水穩性反映了土壤保水、保肥及通透性等功能^［3］，是影響土壤結構穩定性、抗侵蝕性和徑流產生的關鍵因素^［4］，在預防土壤水土流失和侵蝕方面至關重要^［5］。已有研究結果表明，土壤肥力水平不但與土壤結構狀況和主要養分含量相關，還受到管理方式的制約。耕作是導致旱地農田土壤侵蝕的主要原因，由于耕地植被類型單一，土壤疏松抗蝕性減弱，其抗蝕性要比林地和草地弱^［6］。而土壤質地不僅與土壤侵蝕和退化存在密切聯系，而且還能調節土壤的水文和肥力狀況^［7］，對土壤改良能發揮重要的調節作用。貴州省是西南喀斯特地貌典型區域，坡耕地是其主要耕地類型^［8］，占總耕地面積的82.90%^［9］，是承擔區域糧食和農產品的重要生產力。該區地表裸露、石漠化問題嚴重^［10］、土壤顆粒沙化凸顯^［11］、水土流失嚴重、營養保墑能力差、養分供應不足，是制約該地區提高耕地生產率、促進農業可持續發展、保障糧食安全的重要瓶頸。而長期以來，國內關于土壤黏粒組成的研究以黃土高原和南方紅壤地區為主^［12-14］，對西南喀斯特地區耕地黏粒組成的研究還比較薄弱，以往大多研究僅限于土地利用類型轉變對水穩性團聚體的影響和土壤有機碳的轉化機制，而對土壤水穩性團聚體粒徑變化、土壤有機碳分布以及不同粒徑團聚體對土壤有機碳的作用機制尚未闡明。為此，本試驗以貴州省旱地土壤為研究對象，借助土壤團聚體穩定性指標和相關性分析，系統評價土壤黏粒梯度變化對土壤水穩性團聚體及農田土壤理化性質的影響，建立土壤水穩性團聚體及其碳、氮、磷含量等理化指標特征沿土壤質地梯度的變化模型，以期促進貴州省黔北地區坡耕地資源持續利用和旱地土壤質地改良研究。

1"材料與方法

1.1"研究區域概況

本研究區域位于貴州省遵義市綏陽縣境內，綏陽縣地處黔北高原，海拔650～1 100 m，亞熱帶濕潤季風氣候，水熱同季，年平均降水量為900～1 250 mm。土壤母質為第四紀紅色黏土，土壤類型主要以黃壤土分布最為廣泛，玉米、小麥和辣椒是主要作物。

1.2"樣品采集與處理

本研究于2022年9—10月選取綏陽縣各鄉鎮具有代表性點位，采集旱地耕作表層土壤（0～25 cm），每個樣點均采用5點隨機取樣法，利用四分法將所取土樣裝入自封袋，貼標，共計獲得54個土壤樣品，置于實驗室風干測試分析。同時，采集原狀土壤樣品，用于土壤團聚體性質測定；相應土層土壤容重用環刀法測定；取部分樣品研磨通過0.250、2.000 mm篩，用于土壤基本理化指標和土壤顆粒組成的測定。

1.3"測定方法

采用電位計法測定土壤pH值，嚴格控制水土比例為2.5 ∶1，選用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定土壤有機質含量，凱氏定氮法測定全氮含量，氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定全磷含量，熔融-火焰光度計法測定全鉀含量^［15］。按照國際制粒徑的要求，通過沉降、比重計法對樣品進行測定，計算沙粒（0.020～2.000 mm）、粉粒（0.002～0.020 mm）和黏粒（＜0.002 mm）含量的百分數，將土壤質地分為黏土、粉沙質黏土、壤質黏土、黏壤土4類^［16］。采用改進的濕篩法對土壤水穩性團聚體進行分級，將水穩性團聚體分為≤0.250、gt;0.250～0.500、gt;0.500～1.000、gt;1.000～2.000、gt;2.000～3.000、gt;3.000～5.000、gt;5.000 mm 7個級別^［17］，借助穩定性指標平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）指標分析評估團聚體穩定性。

平均重量直徑：

MWD=∑ni=1（WiXi）。

式中：Wi為某一粒級團聚體的質量百分比，%；Xi為某一粒級團聚體的平均直徑，mm。

幾何平均直徑：

GMD=exp∑ni=1WilnXi∑ni=1Wi

式中：GMD為幾何平均直徑，mm；Wi為某一粒級水穩性團聚體質量百分比，%；Xi為某一粒級團聚體平均直徑，mm^［18］。

1.4"數據處理

本研究數據利用Excel 2010進行數據整理，運用SPSS 17.0進行數據統計分析，采用Origin 2021、Rstudio 4.3.1作圖。

2"結果與分析

2.1"旱地質地類型

按照國際制沙粒（gt;0.020～2.000 mm）、粉粒（gt;0.002～0.020 mm）、黏粒（≤0.002 mm）百分比分類（表1），研究區54個典型樣點旱地土壤黏土占絕對優勢，其中黏土占15.5%，粉沙質黏土27.7%，壤質黏土27.7%，黏壤土25.9%。旱地表層沙粒、粉粒、黏粒的含量變化范圍均較大（表1），物理性黏粒含量最高的是黏土，含量在46.1%～60.3%之間，而其物理性沙粒含量較少，僅為7.1%～19.2%；黏壤土物理性沙粒含量最高，含量為31.5%～54.1%。

2.2"不同土壤質地水穩性團聚體的分級特征及穩定性

不同質地土壤團聚體濕篩后粒徑分布有所差異（表2），表土層土壤水穩性大團聚體含量為75.58%～82.13%，并且整體上沿著黏土→粉沙質黏土→壤質黏土→黏壤土這一梯度逐漸降低（圖1），物理性黏粒含量最高的黏土和粉沙質黏土大團聚體粒級所占土壤百分比最高均為gt;5.000 mm粒級，而且粉沙質黏土gt;5.000 mm粒級顯著高于其他質地類型（Plt;0.05），黏壤土和壤質黏土占比最高的是粒徑≤0.250 mm團聚體，各粒級土壤占比最低的是gt;2.000～3.000 mm粒級（表2）。團聚體穩定性方面，經過對土壤物理性黏粒、沙粒、粉粒含量變化與團聚體相關分析，發現這些變化因素對團聚體穩定性指標平均重量直徑和幾何平均直徑的影響較小。

2.3"不同質地土壤養分特征

由表3可知，研究區土壤養分有機碳、全氮和全磷含量在表層土壤平均分別為11.50～14.52、1.35～1.72、0.57～0.94 g/kg（表3），并且隨土壤質地的變化趨勢一致，均隨質地由細變粗整體逐漸降低。但土壤各粒級對土壤養分影響略有不同，土壤的物理性黏粒含量與有機碳、全氮、全磷含量相關系數分別為0.30、0.39、0.47，物理性黏粒含量與全氮、全磷含量之間存在極顯著正相關關系（Plt;0.01），同時與有機碳含量之間也存在顯著的正相關關系（Plt;0.05）（圖2）；而物理性沙粒則對全氮、全磷含量影響則相反，隨著沙粒含量升高全氮、全磷、有機碳含量均下降，其中沙粒含量與全氮、全磷含量呈顯著負相關；與有機碳含量呈極顯著負相關。而物理性粉粒對有機碳含量影響較大，相關系數為0.41，呈極顯著正相關關系。

旱地土壤容重在0.87～1.52 g/cm³之間，其中黏土平均容重1.04 g/cm³，粉沙質黏土平均容重1.20 g/cm³，壤質黏土平均容重1.22 g/cm³，黏壤土平均容重1.29 g/cm³（表3）。土壤質地對容重有很大的影響，其中物理性黏粒和沙粒對容重影響最大，隨著黏粒含量的逐漸升高，土壤的容重呈現降低的趨勢，呈極顯著（Plt;0.01）負相關關系；而粉粒對土壤容重影響較小。其他方面，經過對相關系數的仔細比對，發現黏粒和沙粒含量與土壤pH值之間的相關性并不顯著，土壤粉粒含量與土壤pH值之間則不存在明顯的相關性，表層土壤質地對土壤pH值的影響較為有限。

2.4"水穩性團聚體與各參數間的相關性分析

在評價土壤結構優劣的過程中，不同粒徑水穩性團聚體在土壤中的分布狀況被視為一個重要的因素。土壤水穩性大團聚體（gt;0.250 mm）與團聚體穩定性指標平均重量直徑以及幾何平均直徑之間存在極顯著（Plt;0.01）的正相關關系（圖2），大團聚體在土壤中占比越高，團聚體穩定性越強。不同粒徑水穩性團聚體與MWD、GMD關系也不盡相同，團聚體穩定性指標與粒徑 ≤0.250、gt;0.250～0.500、gt;0.500～1.000 mm的水穩性團聚體含量之間存在極顯著負相關關系，而gt;2.000～3.000和 gt;3.000～5.000 mm粒徑團聚體與MWD、GMD并無顯著相關性，但gt;5.000mm粒徑水穩性團聚體則與MWD、GMD的相關系數分別為0.939、0.881，呈極顯著正相關（圖3）。水穩性土壤團聚體MWD和GMD與各粒徑團聚體含量皆呈明顯線性關系（除 gt;2.000～3.000、gt;3.000～5.000 mm 粒徑相關性不顯著外，均達顯著水平），其中正負相關顯著性以5.000 mm粒徑為界限。此外，有機碳含量與土壤大團聚體相關系數為0.30，與gt;5.000 mm粒徑團聚體相關系數為0.38，它們之間存在極顯著的正相關關系，與≤0.250 mm粒徑呈顯著負相關關系，說明大團聚體是有機碳的重要載體。土壤養分方面，土壤水穩性大團聚體與土壤基本理化指標陽離子交換量、pH值、全氮含量相關系數分別為0.22、0.19、0.26，相關性不顯著，表明土壤大團聚體對土壤養分一定程度上還具有調控作用。

3"討論

一般認為，對于維持土壤結構穩定性 gt;0.250 mm 團聚體有關鍵作用^［19］，大土壤團聚體占比越高，土壤團聚體分布狀況及土壤結構穩定性越好，MWD和GMD值越大^［20］。以往研究表明，由于作物的根系在土壤中持續活動，以及秸稈還田后的植物殘留物腐殖化作用^［21］，季節性的播種休耕可改善土壤團聚體結構狀況^［22-23］。本研究區域不同質地土壤水穩性團聚體均以大團聚體為主，隨著物理性黏粒含量上升，土壤大團聚體占比雖出現不同幅度的上升，但都不顯著，而且各粒級團聚體也呈現出先上升后下降的趨勢。此外，表征土壤水穩性團聚體的穩定性指標MWD和GMD^［24-25］也不隨土壤質地改變而變化，這與先前黃土高原研究結果相矛盾，土壤黏粒中含有大量的氧化鐵、氧化錳、鐵錳結核膠體、有機物質等膠結物質，能增加土壤顆粒團聚作用^［13］。雖然旱地有較多的殘茬^［26］，這些殘留物能讓土壤中的有機物含量提高，促進土壤顆粒聚集成大團聚體，但喀斯特地區的耕地多為坡耕地^［27］，加之機械耕作可能會破壞穩定性差的大團聚體和微團聚體，導致細小土壤顆粒的產生^［28］。此外，與較小的團聚體相比，較大的團聚體受到耕作的影響會更大^［29］，這在一定程度上影響了以MWD為代表的土壤團聚體穩定性。因此，相較于耕作的影響，質地對團聚體分布及穩定性影響較小。

相關性分析表明，5.000 mm粒徑是各粒徑團聚體含量與代表團聚體穩定性平均重量直徑、幾何平均直徑的正負相關顯著性分界限，與非喀斯特地區研究結果一致，5.000 mm粒徑是團聚體穩定性指標與各粒徑團聚體含量正負顯著相關性的界限^［30-31］，5.000 mm粒徑團聚體是微團聚體轉變為大粒徑團聚體過程和影響土壤結構穩定性的重要因素，可視為微土壤團聚化過程中的特征節點^［32］。

土壤團聚體的水穩定性對于維持土壤多孔結構、土壤養分和含水量的遷移和保護具有重要作用^［33］。總體而言，土壤抗侵蝕性和穩定性與土壤大團聚體（gt;0.250 mm）顯著相關。因此，不同粒徑土壤團聚體分布的變化會引起土壤團聚體穩定性顯著變化。濕篩結果表明，團聚體穩定性隨著有機碳含量上升而提高，粒徑gt;5.000 mm團聚體與穩定性指標和有機碳含量相關性最強，而與其他粒徑團聚體與穩定性指標和有機碳含量呈負相關關系，有機碳含量對提高gt;5.000 mm粒徑團聚體水穩性的作用更大。由于膠結物質存在差異，土壤大團聚體是有機碳的主要載體^［34］，各組分對有機碳的貢獻隨著粒徑的減小而降低^［35］，大粒徑團聚體的膠結物質主要由植物根系和菌絲組成，而小粒徑團聚體膠結物以多糖等化學物質為主，與根系和菌絲相比，在水的作用下多糖作為膠結劑更穩定^［36-37］，土壤大團聚體穩定性更高，固碳的效果強于微團聚體。

土壤碳、氮含量與土壤肥力緊密相關，是影響土地可持續利用的重要因素。相關性分析表明旱地表層土壤物理性黏粒對土壤養分的維持和保護起到了至關重要的作用，土壤中的全氮、全磷以及有機碳含量，均隨著土壤中物理性黏粒和粉粒含量的增加而呈現出明顯的上升趨勢。此外，沙土中土壤有機質大多集中在黏粒部分，充分說明物理性黏粒、粉粒在土壤肥力形成中扮演著至關重要的角色，對養分儲存與釋放等方面具有顯著影響^［38］。貴州中部地區成土母質以頁巖風化物和第四紀紅色黏土為主，鐵鋁相對富集^［39］，而土壤磷因易與鐵鋁形成閉蓄態磷，土壤中鐵鋁含量的水平是決定其含量的主要因素^［40］，所以磷含量相對較低。此外，氮元素主要來源于有機質分解、生物固氮以及氮沉降^［41］，而有機質能夠促進土壤有機物膠結作用，對于土壤團聚體的聚集有促進作用。因此，土壤團聚體、有機碳、全氮含量三者之間具有高度相關性。由于黏粒對磷酸根的吸附作用，土壤全磷與黏粒含量呈顯著正相關關系，磷酸根帶有負電荷，其在土壤中富集使全磷含量隨著黏粒含量上升而增加^［42］。在土壤表層中正電荷數量隨物理性黏粒含量的增加而逐漸上升，所以土壤pH值呈逐漸降低趨勢。

4"結論

不同質地旱作地土壤水穩性團聚體分布均以大團聚體（gt;0.250 mm）為主，土壤大團聚體隨著物理性黏粒含量上升而升高，而各粒徑比例關系沒有明顯變化。水穩性大團聚體不穩定，易受到外界環境條件影響，在本研究區域內，耕作活動對團聚體穩定性的影響程度顯著超過土壤質地的因素。

5.000 mm是粒徑土壤水穩性團聚體穩定性指標與各粒徑團聚體含量占比正負相關顯著性的分界線，表明5.000 mm粒徑團聚體是微團聚體轉變為大粒徑團聚體過程中的關鍵節點，影響土壤團聚體穩定性的重要因素。

旱地雖然受耕作和施肥等眾多因素作用的影響，但土壤機械組成與土壤肥力水平之間也存在著緊密的聯系。與細質地土壤相比，質地較粗的土壤穩定碳氮的水平較低。此外，當大團聚體含量上升，土壤的基本理化指標有機碳、氮、磷、鉀等含量也會顯著提升，表明土壤肥力水平一定程度上也受到土壤水穩性大團聚體的調節作用。在一定范圍尺度上土壤機械組成是影響旱地土壤肥力水平的關鍵因素，同時在一定程度上也受到土壤大團聚體的調控。這種土壤肥力水平狀況與土壤機械組成之間的關系，解釋了地帶性土壤理化性質差異的原因，為大面積耕地養分轉化和有效性評價提供依據。

本研究中碳含量/磷含量和氮含量/磷含量比值隨團聚體各個粒級占比變化及其對土壤質地的響應尚未得到證實，下一步應評估各團聚體粒級大小對化學計量比的影響，以便準確預測旱地生態系統中的土壤氮磷循環。

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