王正伟，武均，李婉玲，仁增草，蔡立群，罗珠珠

(甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃 兰州 730070)

土壤团聚体是土壤结构的最基本单元，其稳定性对土壤水分运移和储存、肥力、通气、侵蚀、碳固存、生物活性和根系渗透至关重要[1－2]。庆阳市地处陇东黄土高原残塬沟壑、丘陵沟壑区，属于国家级水土保持重要区，其生态安全可能影响整个黄土高原地区。庆阳地区的土壤主要为湿陷性黄土，土质疏松，植被稀少，且降雨集中，水土流失严重，制约着城市的发展。全区水土流失面积达220万hm2，约占土地总面积的81.2%[3－4]。

土壤团聚体的数量在一定程度上反映了土壤供储养分能力的高低，同时也会影响土壤的物理化学性质。土壤团聚体粒级的大小和含量是土壤重要的物理性质，而土壤团聚体稳定性是土壤复杂生物、化学和物理过程综合作用的结果，包括机械稳定性和水稳定性。其机械稳定性直接反映了土壤抵抗外力破坏的能力，而水分也是导致团聚体破碎的主要因素。因此，研究土壤水稳定性团聚体也十分重要[5]。

在团聚体的分类上，国内外学者一般以粒径0.25 mm的团聚体为界，粒径≥0.25 mm的为稳定性团聚体，粒径<0.25 mm的为非稳定性团聚体；稳定性团聚体又可细分为0.25～1 mm、1～2 mm、2～5 mm和≥5 mm 4个类别[6－7]。不同粒级的团聚体对改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促进土壤生物活动、协调和保持土壤营养成分具有不同的作用[8－9]。团聚体稳定性受土壤自身性质(土壤质地、黏土矿物类型、含水量、有机质等)、生物因素(植物、动物和微生物等)、土地利用方式、气候和地形等诸多因素的综合影响[10－12]。

风干团聚体稳定性随着土层深度的增加而增强[13]；水分的快速入渗能引起水稳性团聚体的崩解[14]。几何平均直径(GMD)、平均重量直径(MWD)等指标可表示团聚体的大小分布、几何性状、综合特征以及稳定程度[15－19]。土壤可蚀性因子K值是评价土壤抗侵蚀和抗破坏能力的重要指标，也是评估土壤对外界侵蚀敏感性的重要指标[22]。

本研究采用GMD、MWD、K值等作为土壤团聚体的衡量指标，对陇东黄土高原耕地、林地、园地、荒地4种土地利用方式的土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体进行分析，多方位评价土壤团聚体的稳定性，为该区筛选水土保持、环境友好型的土地利用方式提供理论依据。

1 研究材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于庆阳市西峰区新桥村，属于陇东黄土高原残塬沟壑区，地处东经107°41′58″～107°43′2″与北纬35°43′54″～35°45′25″之间。该区地形北高南低，海拔为885～2 082 m。该地为大陆型气候，四季分明，降雨量南多北少，年平均降水量557.9 mm，年平均气温9.7℃，年日照2 194.5 h。

1.2 样品采集及制备

试验设置耕地、林地、园地、荒地4种不同的土地利用方式(表1)。耕地主要种植玉米(Zea maysL.)，林地主要树种为樟子松(Pinus sylvestnisvar.mongolicaLitv.)，园地种植的果树为苹果(Malus pumilaMill.)，荒地为撂荒地。采用“S”型取样法分别采集不同土地利用方式下0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm土壤样品各5份，总计60份土样，装入硬质塑料盒后带回实验室，除去植物根系、杂草、小石块等杂物，沿土块自然裂隙掰成直径约为1 cm的土块后于通风干燥处风干，用于测定土壤团聚体。

表1 土壤采样点基本情况Table 1 Basic situation of soil sampling sites

1.3 土壤团聚体的测定方法

分别采用干筛法和传统湿筛法测定土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体[20]。

干筛法:称取100.0 g土壤，过5 mm、2 mm、1 mm、0.25 mm套筛，每份土样反复过筛多次，直至所有粒级团聚体均筛取完成，计算各粒级团聚体的质量百分比。

湿筛法:依据干筛的质量百分比，配成50.0 g每份的土样，将土样均匀置于5 mm、2 mm、1 mm、0.25 mm的套筛上，调整套筛水面高度，使土样充分湿润5 min后启动土壤团粒分析仪(XDB0601型)，以30次/min的频率、3 cm振幅上下振动30 min。用清水将各粒级筛子上的团聚体洗入铝盒中，55℃烘干至恒重(约8 h)，计算各粒级水稳性团聚体含量。

土壤团聚体的MWD和GMD的计算公式[21]如下:

式中:xi为筛分出来的任一粒径范围团聚体的平均直径；wi为任一粒径范围团聚体的质量占土壤样品干质量的分数。

土壤可侵蚀因子K值的计算公式[22]如下:

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2010整理数据和绘图，采用SPSS 20.0进行统计分析，采用Pearson法分析指标间相关性。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式对土壤团聚体组成的影响

2.1.1 机械稳定性团聚体

由表2可知，不同的土地利用方式下土壤团聚体的含量及其粒径组成不同。0～10 cm土层中土壤机械稳定性团聚体Rm0.25(即≥0.25 mm机械稳定性团聚体)含量排序为园地>荒地>耕地>林地，其中林地的Rm0.25最低，显著低于其他3种方式(P<0.05)，比园地和荒地分别低9.49%和8.57%。10～20 cm和20～40 cm土层中Rm0.25的含量排序均为耕地>园地>荒地>林地，但差异均不显著。

表2 不同土地利用方式下土壤机械稳定性团聚体组成Table 2 Composition of soil mechanical stability aggregates under different land use patterns %

2.1.2 水稳性团聚体

由表3可知，不同的土地利用方式下土壤团聚体的含量以及粒级组成不同，但均以1～0.25 mm粒级的团聚体为主。0～10 cm土层中Rw0.25(≥0.25 mm水稳性团聚体)含量排序为耕地>荒地>林地>园地，耕地和荒地显著高于林地和园地。10～20 cm土层Rw0.25含量排序为耕地>荒地>园地>林地；20～40 cm土层土壤Rw0.25含量排序为耕地>荒地>林地>园地，且园地较耕地低11.03%，差异显著(P<0.05)。

表3 不同土地利用方式下土壤水稳性团聚体组成Table 3 Composition of soil water－stable aggregates under different land use patterns %

2.2 不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

2.2.1 不同土地利用方式对土壤稳定性团聚体MWD的影响

由图1可知，不同土地利用方式下0～10 cm土层中土壤机械稳定性团聚体MWD排序为园地>荒地>耕地>林地，园地、荒地的MWD显著高于林地和耕地(P<0.05)。10～20 cm土层土壤机械稳定性团聚体MWD排序为园地>耕地>荒地>林地，且林地显著低于园地、耕地和荒地(P<0.05)。20～40 cm土层的土壤机械稳定性团聚体MWD排序与0～10 cm土层一致，且园地显著高于林地、耕地和荒地(P<0.05)。

由图2可知，0～10 cm土层中水稳性团聚体MWD排序为林地>园地>耕地>荒地，林地显著高于耕地和荒地(P<0.05)；10～20 cm土层中水稳性团聚体MWD排序与0～10 cm土层一致，且林地显著高于园地、耕地和荒地(P<0.05)。20～40 cm土层中水稳性团聚体MWD排序则为林地>耕地>园地>荒地，林地、耕地水稳性团聚体MWD显著高于园地和荒地(P<0.05)。

2.2.2 不同土地利用方式对土壤稳定性团聚体GMD的影响

由图3可知，0～10 cm土层中机械稳定性团聚体GMD的排序为园地>荒地>耕地>林地，林地的机械稳定性团聚体GMD最小(1.36 mm)，显著低于园地、耕地和荒地(P<0.05)。10～20 cm土层中机械稳定性团聚体GMD的排序为园地>耕地>荒地>林地，但不同土地利用方式间差异不显著。20～40 cm土层中机械稳定性团聚体GMD的排序与10～20 cm土层一致，林地的机械稳定性团聚体GMD显著低于其他3种土地利用方式(P<0.05)。

由图4可知，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层中水稳性团聚体GMD的排序均为林地>耕地>荒地>园地，但0～10 cm和10～20 cm土层不同土地利用方式间差异不显著，20～40 cm土层则表现为林地、耕地显著高于园地和荒地(P<0.05)。

2.3 不同土地利用方式的土壤可侵蚀因子K值比较

由图5可知，0～10 cm土层土壤水稳性团聚体的K值排序为园地>林地>荒地>耕地，10～20 cm土层为园地>荒地>耕地>林地，但不同土地利用方式间均无显著差异；20～40 cm土层中水稳性团聚体的K值排序为园地>荒地>林地>耕地，园地、荒地的K值显著高于林地和耕地(P<0.05)。

2.4 土壤有机碳含量

由图6可知，0～10 cm、10～20 cm和20～40 cm土层中土壤有机碳含量排序均为林地>荒地>园地>耕地，且林地土壤有机碳含量均显著高于园地、耕地和荒地(P<0.05)。0～10 cm土层林地显著高于其他3种方式，荒地显著高于园地和耕地(P<0.05)，园地和耕地差异不显著；10～20 cm土层与0～10 cm基本一致，但园地显著高于耕地；20～40 cm土层为园地与荒地显著高于耕地(P<0.05)，但两者间差异不显著。

2.5 土壤有机碳(SOC)含量和团聚体相关性

由表4可知，林地土壤SOC含量与Rw0.25呈显著负相关(P<0.05)，与Rm0.25、水稳性团聚体GMD呈负相关，与机械稳定性团聚体MWD、GMD、水稳性团聚体MWD、土壤K值呈正相关。园地土壤SOC与Rw0.25呈极显著负相关(P<0.01)，与水稳团聚体GMD呈负相关，与Rm0.25、机械稳定性团聚体MWD、GMD、水稳性团聚体MWD、土壤K值呈正相关。耕地土壤SOC与Rm0.25、水稳性团聚体GMD和K值呈负相关，与机械稳定性团聚体MWD、GMD、Rw0.25、水稳性团聚体MWD呈正相关。荒地土壤SOC与Rw0.25、土壤K值呈负相关，与Rm0.25、机械稳定性团聚体MWD、GMD、水稳性团聚体MWD呈显著正相关(P<0.05)，与水稳性团聚体GMD呈正相关。

表4 不同土地利用方式土壤有机碳含量与土壤机械稳定性、水稳性团聚体各指标相关性Table 4 Correlation of soil organic carbon content with soil mechanical stability and water－stable aggregates under different land use types

3 讨论

土壤团聚体是反映土壤结构稳定性和评判土壤结构和肥力的重要指标[23]。稳定的土壤团聚体能够承受外界环境的干扰，保持自身结构的平衡，对土壤的水分渗透和抵抗侵蚀发挥着重要作用[24]。土壤Rm0.25和Rw0.25通常被认为是土壤中最好的结构体[25]，其含量越高则表明土壤结构越稳定。本研究发现，干筛下园地0～20 cm土层中的Rm0.25较林地、荒地这两种土地利用方式多，其土壤团聚作用强，分散作用弱。耕地表层土壤的有机碳含量较少，主要原因是与林地、园地相比，耕地的土壤表层缺少植被凋落物，土壤中有机质含量较少，而团聚体会因为缺乏有机物的胶结而减小[26]。说明种植果树的园地有利于土壤大团聚体的形成，增加土壤团聚体的稳定性。形成团聚体的主要胶结物质之一就是土壤有机碳，林地有机碳含量较高，利于团聚体的形成与提高其稳定性。土地利用方式对土壤团聚体组成的影响较大，林地与园地的土壤团聚作用较强，弃耕种树可改善土壤团聚体的组成，对改善该地水土流失现象有所帮助。本研究发现，与其他土地利用方式相比，园地和林地的表层土壤团聚体稳定性较高，这与前人[27]研究相似，可能是园地和林地的植被凋落物首先会堆积在土壤的表层，使表层土壤中的有机碳等养分优先积累[28]，进而促进了Rm0.25和Rw0.25的形成。

不同土地利用方式对团聚体的稳定性具有不同的影响。除耕地外，其他土地利用方式的土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的MWD均随着土层的加深而降低，说明深层土的土壤团聚体更加脆弱；而耕作导致土壤表层团聚体遭受破坏，耕地表层土壤的MWD较小，MWD随着深度增加而增大。各土层中土壤机械稳定性团聚体的GMD以园地最大，土壤水稳性团聚体的GMD以林地最大，与MWD一样，GMD的大小可以反映土壤团聚体各粒级分布的比例，且其值越大，团聚度越高，土壤稳定性越强。本研究发现，园地的GMD较高，说明园地的土壤结构稳定性强。本研究中，各土地利用方式下土壤K值总体表现为园地>荒地>耕地>林地，说明土壤抗侵蚀能力排序为林地>耕地>荒地>园地。

有研究[29]表明，随着土壤中有机碳含量的增加，土壤中稳定性团聚体含量也会明显地增加。本研究发现，林地土壤有机碳含量较高，但土壤稳定性团聚体含量均较低，有机碳含量与Rw0.25呈极显著负相关，且随着土层深度的加深而逐渐降低，而土壤大团聚体含量随着土层深度加深而逐渐增加，有机碳含量可能只对表层土壤大团聚体含量有一定影响。

4 结论

不同土地利用方式下，土壤机械稳定性团聚体含量随土层变化规律不同，水稳性团聚体含量均随土层加深而增大。园地土壤机械稳定性团聚体的MWD和GMD最高；林地土壤水稳性团聚体的MWD和GMD最高。林地土壤有机碳含量最高；且林地的土壤有机碳含量均与Rw0.25呈显著性负相关，与稳定性团聚体MWD呈正相关，总体来看，林地更有利于该地区水土保持和土壤固碳。