胡乐宁，苏以荣，何寻阳

（1.中国科学院 亚热带农业生态研究所 亚热带农业生态过程重点实验室，湖南 长沙410125；2.中国科学院 环江喀斯特农业生态试验站，广西 环江547100；3.广西师范大学 环境与资源学院，广西 桂林541004）

土壤团聚体大小和含量是土壤重要的物理性质，是土壤质量高低、抗侵蚀能力强弱的主要指标［1－3］。土壤结构性是土壤的重要物理性质，它直接影响着土壤的肥力和农作物的生长［4］。影响土壤团聚体稳定性的因素包括内因和外因两个方面［5］，内因主要包括电解质、黏土矿物、碳酸盐、有机质、铁铝氧化物等；外因主要包括气候、生物、农业管理等。一般从土壤团聚体稳定性多采用干筛或湿筛方法从土壤基本理化性质等角度开展研究［6－9］。而以往试验研究中土壤干筛振动强度多为1.5mm振幅，通过改变常规振幅来探讨土壤团聚体稳定性的筛分试验还没有相关研究。广西壮族自治区环江地区是石漠化十分严重的地区，水土流失与土地退化已成为制约这一区域农业发展的主要因素。本文拟通过研究环江地区9个不同有机碳含量的3种土壤（棕色石灰土、黑色石灰土、红壤）样品在干筛改变振幅条件下的干筛分级特征，分析振动筛分对土壤团聚体结构的影响，并进一步探讨3种在改变外力破坏强度下的土壤团聚体结构稳定性，了解土壤团聚体对不同外力破坏的响应。这将为喀斯特地区土壤资源的合理利用及结构的调控管理提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 研究概况

研究区位于云贵高原南部边缘斜坡地带的典型喀斯特峰丛洼地——广西壮族自治区环江毛南族自治 县，地 理 坐 标 为 107°51′—108°43′E，24°44′—25°33′N，岩溶峰丛洼地的最高峰为1 028.0m，属亚热带季风气候区。年平均气温l5.7℃，1月平均气温10.1℃，7月平均气温28℃，历年最低气温－5.2℃，无霜期290d，年平均日照时数1 451h，年平均降雨量为1 389.1mm，4—9月降雨量占全年降雨量的70%，平均蒸发量为1 571.1mm，相对湿度平均为70%。供试土壤自然概况和基本理化性质见表1—2。

表1 供试土壤自然概况

表2 土壤基本理化性质

1.2 试验方法

试验使用AS 200筛分仪，分别对棕色石灰土、黑色石灰土、红壤3种土壤类型进行1.5，2和2.5mm不同振幅（偏离震动中心的距离）的干筛筛分（相同频率下），每种土壤选取3个不同有机碳含量梯度。每个土壤样品取4个重复，分析方法选用干筛法。选取的9个土壤样品的有机碳含量如表3所示。

（1）木论、明伦、肯福各地分别取3个代表样（为3个有机碳梯度），共9个样品分别进行＞8，8～5，5～2，2～1，1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm干筛。

（2）改变筛分的机械强度，在原干筛筛分强度（1.5mm振幅）基础上增加2个筛分强度梯度（2和2.5mm振幅），分别测定不同粒级下颗粒质量。

（3）干筛分析方法。将风干的土样混匀，取其中一部分（一般不小于1kg，精确至0.01g）。用孔径分别为8，5，2，1，0.5和0.25mm 筛子进行筛分（筛子附有底和盖）。筛完后，将各级筛子上的团聚体及粒径＜0.25mm的土粒分别称量（精确至0.01g），计算干筛的各级团聚体占土样总量的百分含量。

1.3 参数计算

非水稳性大团聚体的质量百分数按（1）式计算：

式中：wi——某级非水稳性大团聚体的质量百分数（%）；mi——该级非水稳性大团聚体的风干质量（g）；m——风干土的质量（g）。

平均重量直径［10］（MWD）：

式中：mi——各级颗粒的重量百分含量；ri——第i个筛子的孔径大小（mm，r0＝r1，rn＝rn＋1）。

1.4 数据分析

测定数据采用Excel 2003和SPSS 16.0进行整理和统计分析，多重比较采用LSD法。

2 研究结果

2.1 土壤团聚体的机械稳定性

1.5 mm振幅筛分强度下的土壤团聚体分级结果显示（表4）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD（平均重量直径）均大于红壤。相似SOC含量条件下，棕色石灰土（6.14）＞红壤（3.70），棕色石灰土（7.75）＞黑色石灰土（6.10），且两种石灰土 MWD值较相近。在同种土壤类型中，MWD并没有随有机碳含量不同而呈现特定的变化规律。

棕色石灰土和黑色石灰土3个土壤样品各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围均为：＞8，8～5和5～2mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是：1，2，6号：0.5～0.25mm；3，4，5号：＜0.25 mm。

红壤中3个土壤样品MWD随SOC含量增加逐渐增加。各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围是：7号：＞8，5～2和＜0.25mm；8号：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；9号：＞8，5～2，＜0.25mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是，7号：2～1 mm；8号：8～5mm；9号：0.5～0.25mm。

表4 1.5mm振幅筛分强度下土壤团聚体分级及其平均重量直径

2mm振幅筛分强度下的土壤团聚体分级结果显示（表5）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的 MWD均大于红壤。相似SOC含量条件下，棕色石灰土（6.64）＞红壤（3.52），棕色石灰土（6.05）＞黑色石灰土（5.19），且两种石灰土MWD较相近。在同种土壤类型中，MWD并没有根据有机碳含量不同而呈现特定的变化规律。

棕色石灰土和黑色石灰土3个土壤样品各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围均为：＞8，8～5和5～2mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是：1，2，3，6号：0.5～0.25mm；4号：＜0.25mm；5号：0.5～0.25和＜0.25mm。红壤中3个土壤样品随SOC含量逐渐增加，各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围是：7号：＞8，0.5～0.25和＜0.25 mm；8号：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9号：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是，7号：2～1mm；8号：8～5mm；9号：8～5mm。

表5 2mm振幅筛分强度下土壤团聚体分级及其平均重量直径

2.5 mm振幅筛分强度下的土壤团聚体分级结果显示（表6）：石灰土（棕色石灰土、黑色石灰土）的MWD均大于红壤。相似SOC含量条件下，棕色石灰土（6.54）＞红壤（3.00），棕色石灰土（7.54）＞黑色石灰土（5.86），且两种石灰土 MWD较相近。在同种土壤类型中，MWD并没有根据有机碳含量不同而呈现特定的变化规律。棕色石灰土和黑色石灰土3个土壤样品各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围均为：＞8，8～5，5～2mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是：1号，2号，3号，4号，6号：0.5～0.25mm；5号：0.5～0.25和＜0.25mm。红壤中3个土壤样品随SOC含量逐渐增加，各自的团聚体颗粒含量最多的3个粒径范围是，7号：＞8，0.5～0.25和＜0.25mm；8号：1～0.5，0.5～0.25和＜0.25mm；9号：＞8，5～2和＜0.25mm。各自的团聚体颗粒含量最少的粒径范围是，7号：2～1mm；8号：8～5mm；9号：8～5mm。

表6 2.5mm振幅筛分强度下土壤团聚体分级及其平均重量直径

2.2 土壤团聚体分级随筛分强度的变化

土壤经过1.5，2和，2.5mm振幅下的筛分试验，不同粒径范围增加或减少的颗粒百分含量（颗粒百分含量差分别指1.5～2，2～2.5，1.5～2.5mm筛分粒径的含量差，图1—3）显示，对不同SOC含量的土壤样品来说，增加振动强度后造成大团聚体减少最多的为7号样品，其次是8号样品，最后是9号样品，这说明SOC含量越高的红壤团聚体，越难被强烈的外力破坏；但棕色石灰土中SOC含量最高的3号土，在外力增加后，颗粒被破坏最多。红壤中筛分粒径大的颗粒破坏较多，棕色石灰土和黑色石灰土中1，2，4，5号样品则是筛分粒径小的颗粒被破坏较多。在相似的SOC条件下，外力对土壤颗粒的破坏程度为：棕色石灰土＞红壤＞黑色石灰土，3种土壤团聚体抵抗外力的能力表现为黑色石灰土强于红壤强于棕色石灰土。

图1 棕色石灰土中不同振幅筛分强度下产生的各个粒径的土壤颗粒含量差

图2 黑色石灰土中不同振幅筛分强度下产生的各个粒径的土壤颗粒含量差

图3 红壤中不同振幅筛分强度下产生的各个粒径的土壤颗粒含量差

3 讨论

3.1 不同喀斯特土壤团聚体稳定性

在1.5，2和2.5mm振幅筛分强度的不同外力作用下，MWD值均有：石灰土＞红壤的结果，并且MWD值越大，表示土壤团聚体结构稳定性越强［11］，可以得出石灰土的团聚体稳定性强于红壤，且不受筛分强度变化的影响。在相似SOC条件下，MWD值均有：棕色石灰土＞红壤，棕色石灰土＞黑色石灰土。这说明在排除土壤不同SOC含量的影响后，棕色石灰土较黑色石灰土团聚体稳定，红壤团聚体稳定性最差。纯石灰岩乔木林下土壤团聚性好，是由于腐殖质含量较多［12］。虽然土壤SOC含量相同，团聚体稳定性却不同。在不同振幅筛分强度下，棕色石灰土和黑色石灰土团聚体最大值均出现在大团聚体粒径中（＞8mm），最小值均出现在小团聚体粒径中（＜0.25mm）。团聚体对土壤的抗蚀能力起重要的作用，大团聚体土壤的抗蚀能力大于小团聚体土壤［13］。已有研究表明，土壤团聚体的形成与有机碳密切相关［14］，而MBC与有机碳呈显著正相关［15］；土壤微生物在团聚体的形成过程和稳定机制中有重要作用［16］。团聚体形成作用机制被认为是土壤碳固定的最重要机制［17］，所以从团聚体聚合角度来看，喀斯特石灰土有利于SOC的固定。

3.2 不同筛分强度团聚体分级特征

喀斯特地区土壤随外力作用强度的增大，对土壤颗粒的破坏性显示（图1—3），在红壤中，SOC含量越大土壤结构越稳定，在棕色石灰土和黑色石灰土中，不随SOC的变化呈现明显的相关性。这些结果说明红壤团聚体由于SOC含量的不同，易受外界物理破坏强度的影响；而喀斯特石灰土却不易受外界物理破坏强度变化的影响，这可能与SOC存在形式和结构有关［18］。有机质是团聚土壤颗粒的重要胶结物质。它对团聚体稳定性的影响主要表现在两方面：（1）有机质通过有机聚合体对矿质土粒的连接和植物根系与菌丝对土粒的缠绕，增加了团聚体间的连接强度；（2）有机质增加了团聚体的疏水性，减慢了其湿润的速度，因而降低了土粒中闭塞空气对团聚体的破坏［19－20］。

喀斯特地区土壤团聚体随外力破坏强度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土颗粒粒径分布变化不大，显示出良好的稳定性；红壤经振动强度增大变化后，颗粒粒径由最初的均匀分布，变为大颗粒与小颗粒分布较多，这证实土壤中大团聚体（＞8，8～5和5～2mm）较中颗粒团聚体（2～1和1～0.5mm）稳定，中颗粒团聚体结构不稳定，易受增强的筛分力破坏。土壤的固碳功能伴随着土壤团聚体的形成、稳定及更新周转过程的始终［21］。

4 结论

对于喀斯特地区土壤团聚体，随着筛分强度的增大，棕色石灰土和黑色石灰土颗粒粒径分布变化不大，主要以大团聚体颗粒（＞8，8～5和5～2mm）为主，显示出良好的稳定性。喀斯特典型土壤（棕色石灰土、黑色石灰土）结构稳定性较地带性红壤较强，为喀斯特地区水土流失治理提供了可靠依据。喀斯特石灰性土壤结构有利于土壤的肥力保持和农作物的生长。干筛团聚体组成以大粒径为主，小粒级干筛团聚体含量少，土壤较大团聚体含量多，说明团聚性好。

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