土壤结构是非常重要的土壤属性, 影响土壤中的许多过程(Rohošková et al., 2004), 土壤团聚体稳定性表示土壤结构的稳定性, 直接或间接影响土壤其他物理化学属性。表层土壤团聚体稳定性对土壤侵蚀和径流产生重要影响(Li et al., 2005), 在维持土壤孔隙和防治土壤侵蚀方面起到重要作用。土壤团聚体受土地利用类型的影响显著, 有研究认为灌丛地土壤团聚体稳定性是农地的2.23倍(Cerdá, 2000)。Pinheiro等(2004)认为在传统耕作系统下, 草场转变为农地后土壤团聚体含量下降, 土壤易受到侵蚀。Cerdá (2000)研究认为农业耕作是破坏土壤结构的主要因素, 并认为土壤有机质对团聚体稳定性起决定性因素。Caravaca等(2004)研究认为农地土壤团聚体稳定性显著小于林地土壤的。许多学者(Li et al., 2005; Pirmoradia et al., 2005; Zhou et al., 2007)利用土壤团聚体平均质量直径(mean weight diameter, MWD, mm)和几何平均直径(geometrical mean diameter, GMD, mm)研究土壤团聚体特征。20世纪80年代初发展起来的分形几何学理论与方法为研究土壤特性的不规则性提供有效工具, 许多学者应用分形几何学研究土壤团聚体分布状态, 其中Zhou等(2007)研究认为分形维数D是评价土壤团聚体特征的更敏感且更准确的参数, 并认为土壤扰动越大, 团聚体的分形维数越高。Zhang等(2008)研究认为分形理论是反映土壤团聚体分布的有效方法, 分形维数对土地利用变化敏感。李阳兵等(2006)研究认为土壤团聚结构分形维数与土壤性质之间存在显著定量关系。

Le Bissonnais (1996)在系统总结土壤团聚体稳定性的物理学机制和测定方法基础上, 提出新的测定团聚体稳定性的方法(LB法), 包括快速湿润、预湿后扰动和慢速湿润法, 依据降雨过程中团聚体不同破碎机制设计试验, 以区分团聚体的抗糊化和抗机械破碎作用。LB法获得的结果与传统湿筛法具有高度可比性(卢升高等, 2004)。Ojeda等(2008)利用LB法研究不同污泥处理对地中海石灰性土壤团聚体稳定性的影响。郑晓萍等(2005)和Li等(2005)利用LB法测定我国南方富铁土土壤团聚体分布特征。Rohošková等(2004)研究认为LB法更适于分析土壤团聚体的稳定性; 目前还未见该方法应用于我国黄土丘陵区的报道。

黄土丘陵区水土流失严重, 生态环境恶劣。我国政府在该区域投入大量的人力和物力进行大面积的植树造林种草, 期间, 许多坡耕地转变为草地或人工林地。但有关该区域由于土地利用类型转变引起的土壤结构的变化研究较少。本文应用LB法中的快速和慢速湿润处理测定米脂县桥河岔乡泉家沟和艾家峁玉米地和退耕地土壤水稳定性团聚体含量, 并计算土壤水稳性团聚体质量平均直径、几何平均直径和各粒级分布的质量分形维数, 分析不同湿润速度和土地利用类型对土壤团聚体水稳性的影响。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于陕北榆林米脂县桥河岔乡的泉家沟和艾家峁2个自然村, 地理位置37°46′04″—37°46′37″ N, 110°15′50″—110°17′34″ E, 海拔1 003~1 030 m。属典型的黄土丘陵区, 土壤类型为黄绵土。多年平均降水422 mm, 全年降水分布极不均匀, 年最大降水量达704.8 mm, 最小降水量186.1 mm。7—9月平均降水量为291.1 mm, 占全年总降水量的69.0%。年平均气温8.4 ℃, 年平均蒸发量1 557 mm, 干燥度3.74。

1.2 团聚体测定

本试验采用LB法(Le Bissonnais et al., 1996)快速湿润(fast wetting, fw)和慢速湿润(slow wetting, sw)测定土壤团聚体的稳定性。快速湿润模拟土壤在快速湿润(如中国北方夏天的暴雨等)下的团聚体崩解作用, 主要反映团聚体崩解的消散机制; 慢速湿润反映土壤慢速湿润过程中土壤粘粒膨胀引起的团聚体崩解作用。2007年9月底至10月初进行土壤样品的采集工作, 选取10种典型土地利用类型为样地, 每个样地挖取3个剖面, 并用饭盒分别于0~10, 10~20和20~40 cm采集样品。

1.3 计算方法

土壤是由各种母质风化而成, 风化引起最初的固体岩石或沉积物分裂, 可通过分形的概念描述自然界中这种分裂的产物。对于不同物体, 其数量和尺寸之间存在幂律关系(Mandelbrot, 1982)。

(1)

式中:D—分形维数, N(r>R)—单位体积粒径r大于某一给定粒径R的总数量, C—常数。

Tyler等(1992)在此基础上建立三维空间的体积分维模型。

(2)

式中:V—尺寸(r)大于某一特征尺寸(R_i)的土壤颗粒累积体积分数, C_v, λ_v—描述形状和尺度的常量。

杨培岭等(1993)假定不同粒径土壤密度相等, 提出质量分形维数。计算公式如下：

两边取以10为底的对数：

(3)

式中：D—土壤团聚体粒级分布的分形维数, W—直径小于R_i累积质量, W_T—总质量, R_i—两相邻粒级R_i与R_i+1间土粒平均直径, R_max—最大粒级土粒平均直径。

土壤平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)由以下公式计算：

(4)

式中：x_i—土壤粒级的平均直径(mm), w_i—不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例。

2 结果与分析

利用公式(3)和(4)计算的土壤团聚体稳定性参数见表 2。其中, 平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体稳定性的2个重要指标。MWD和GMD越大, 土壤团聚体稳定性越大, 土壤抗侵蚀能力越强。

2.1 土壤水稳性团聚体的平均质量直径和几何平均直径

在快速湿润下, MWD在小叶杨地、杏地、侧柏地和油松地的0~10 cm最大, 相对农地, 分别增加5.01, 3.29, 3.28和3.19倍。LSD检验表明, 4种林地之间的差异性不显著, 在土壤剖面上, 除MWD在荒地和农地的20~40 cm大于10~20 cm外, MWD在其余各样地的0~10, 10~20和20~40 cm依次减小。在慢速湿润下, 表层土壤MWD在油松地、杏地和小叶杨地最大, 相对农地分别增加5.08, 3.58和3.28倍, LSD检验表明, MWD在这3个样地之间差异性不显著, 但显著大于其余各样地, 在土壤剖面上, 除在农地、苜蓿地和荒地的20~40 cm大于10~20 cm, 在小叶杨地的10~20 cm大于0~10 cm外, MWD在其余各样地的0~10, 10~20和20~40 cm依次减小。

在快速湿润条件下, GMD在小叶杨地、侧柏地、杏地和油松地比较大, 相对农地分别增加4.74, 3.52, 3.15和2.40倍。在慢速湿润条件下, GMD在油松地、侧柏地、杏地和小叶杨地比较大, 相对农地分别增加5.89, 3.27, 3.16和2.90倍。GMD除在农地、苹果地和荒地外, 在其余各样地的0~10, 10~20和20~40 cm依次减小。

2.2 土壤水稳性团聚体粒径分布的质量分形维数

不同样地和同一样地不同层位土壤团聚体的分形维数D及其相关系数见表 2, 回归分析所得相关系数在0.715~0.971, 线性相关显著。D_fw在2.669~2.869, D_sw在2.661~2.818。这与安韶山等(2008)研究云雾山草原自然保护区土壤团聚体分形维数在2.75~2.89的结论接近。D_fw在苹果地的0~10 cm最高, 为2.869, 在农地的3个土层也比较高, 平均为2.828, 在小叶杨地的0~10 cm最小, 为2.669。D_sw在油松地的0~10 cm最小, 为2.661;在小叶杨地的0~10和10~20 cm也比较小, 分别为2.674和2.670;在苹果地的20~40 cm最大, 为2.818;在农地和苜蓿地的3个土层也比较高, 分别为2.806和2.805。

2.3 土壤水稳性团聚体各粒级含量及其各参数之间相关性

利用相关分析评价土壤水稳性团聚体各粒级含量及其各参数之间的关系, 见表 3。其中, MWD和GMD之间的相关系数为0.95, Zhou等(2007)研究不同耕作类型不同层位土壤团聚体MWD和GMD之间的相关系数也为0.95。土壤有机质含量与MWD, GMD和＞0.2 mm呈极显著正相关, 与D值呈极显著负相关。＞0.2 mm与MWD和GMD呈极显著正相关, 相关系数分别为0.94和0.88, 说明＞0.2 mm越多, MWD和GMD越大, 土壤结构越稳定。D值与＞0.2 mm之间为负相关, 相关系数为-0.88, 说明＞0.2 mm的团粒含量越低, 其团聚体粒级分布的分形维数越高, 土壤抗侵蚀性越差。D值与> 2, 1~2, 0.5~1, 0.2~0.5和0.1~0.2 mm水稳性团聚体含量呈极显著负相关, 相关系数分别为-0.73, -0.82, -0.74, -0.62, -0.32, 与 < 0.1 mm的呈极显著正相关, 相关系数为0.94。张保华等(2006)研究也认为土壤团聚体分形维数与较大粒级团聚体含量呈负相关、与较小团聚体呈正相关。说明分形维数能客观反映团粒结构的性状, 从而为土壤的通透性及抗蚀性提供新指标。D与MWD, GMD, 有机质之间的相关系数分别为-0.79, -0.80, -0.88, -0.59, 均达到极显著水平。

3 讨论

土壤有机质含量与土壤MWD和GMD以及＞0.2 mm呈极显著正相关, 与D值呈极显著负相关, 表明土壤有机质影响土壤团聚体形成和稳定性。黏团理论现在仍然认为有机质在黏团的外表面之间起连接作用(赵京考等, 2003)。Six等(2000)认为微团聚体通过有机质的黏合形成大团聚体, 并认为耕种减少含碳量丰富的大团聚体含量而增加含碳量少的小团聚体含量, 这一结论支持土壤团聚体的分级构建理论。而Li等(2005)研究中国南方红土团聚体稳定性与土壤化学属性关系时, 认为快速湿润条件下MWD与土壤有机碳呈显著负相关关系(r=-0.815), 而与速效Fe和Al含量呈显著正相关, 相关系数分别为0.831和0.860, 这主要是由于在富铁(铝)土壤中, 有机质对土壤团聚体的影响作用减弱, 而氧化物是土壤团聚体形成中主要的黏合剂(Li et al., 2005)。本项研究中, 表层(0~10 cm)土壤MWD和GMD以及＞0.2 mm一般较大, 而D值一般较小, 这主要是由于表层土壤有机质含量高(董莉丽等, 2008)且位于团聚体的内部, 其不易和微生物接触, 进而不易被矿化(Wei et al., 2006)。因此, 增加土壤有机质是促进团聚体稳定性, 防止土壤侵蚀的基本途径。

同一母质发育的土壤因利用类型不同, 团聚体的组成和数量都可能发生很大的变化, 说明土地利用类型对土壤团聚体的形成具有较大的影响(史弈等, 2002)。表层土壤MWD和GMD在侧柏、杏、油松和小叶杨4种林地较高, 在苹果地和农地最小, 在荒地、柠条锦鸡儿地、刺槐地和苜蓿地居中, LSD检验表明, 4种林地之间的差异性不显著。且4种林地土壤的团粒结构的粒径分布分形维数最小, 这主要是由于林地土壤中有大量的枯枝落叶和植物根系, 其一方面作为土壤微生物碳源, 使土壤微生物含量增加, 进而产生引起土壤团聚体形成的黏合剂(Six et al., 2004), 使团聚体数量和稳定性增加; 另一方面, 林地土壤中大量的死根在分解过程中, 也改善土壤结构(Six et al., 2004)。另外, 由于林地凋落物数量大, 土壤累积有机质含量较多, 可促进土壤团聚体的形成, 因此土壤团聚体MWD和GMD较大, D值较小。这与以农地为对照, 计算的几种林地土壤恢复指数高, 对土壤恢复作用明显相一致(董莉丽等, 2008)。刺槐林地土壤团聚体稳定性低, 这主要是由于刺槐林地位于坡的最上方, 坡度较大(30°), 林木稀疏, 部分已枯梢, 且林下植被稀少等所致。

农地和苹果地土壤团聚体粒级分布的D值高, 一方面可以解释为人类活动对土壤结构的影响强(Zhang et al., 2008), 另一方面, 林地被开垦为农地后, 减少地表土壤中天然有机质来源, 导致土壤中大团聚体减少(李阳兵等, 2006), 另外, 农地和苹果地地表光秃, 致使地表土壤入渗率和吸水量降低, 一旦有降雨发生, 雨滴不仅将较大的团聚体溅散, 而且地表产生的超渗径流还会进一步冲蚀表土, 导致土壤大团聚体破坏, 使团聚体内部的有机质矿化, 这也是土壤有机质减少的原因之一。另外耕作影响到作物根系的生长和土壤有机质的氧化, 进而也会影响团聚体的形成(赵京考等, 2003)。

有研究(郑晓萍等, 2005)表明, 快速湿润对团聚体破坏最大, 预湿后扰动的破坏性最小。本文仅测定慢速和快速湿润条件下土壤团聚体稳定性特征。图 1为快速和慢速2种湿润速度下所有土壤团聚体MWD和D值的平均值, MWD_sw高于MWD_fw的44.7%, D_fw高于D_sw的8%, t检验认为MWD_sw和MWD_fw以及D_fw和D_sw之间差异显著。快速湿润对团聚体破坏大于慢速湿润的, 根据Le Bissonnais的团聚体崩解理论, 慢速湿润时主要是黏粒膨胀起作用, 而快速湿润时主要是消散作用。可见团聚体内部压缩空气的压力是土壤团聚体崩解的主要机制, 其次是黏粒的膨胀作用(卢升高等, 2004), 因为通过毛细管进行的慢速湿润允许团聚体内部的空气逃逸, 进而减少其破坏性。

4 结论

小叶杨、侧柏、油松和杏4种林地土壤＞0.2 mm团聚体含量, MWD和GMD较高, 土壤团聚体粒级分布的分形维数D较低, 说明人工林地可促进表层土壤团聚体的形成, 增大土壤团聚体水稳性, 有效减少土壤侵蚀。农地和苹果地土壤由于有扰动作用, 其土壤大团聚体的数量较低, 直径较小, 分形维数较高。MWD, GMD和D能够较好地描述土壤团聚体的分布。土壤有机质与>0.2 mm团聚体含量, MWD和GMD呈极显著正相关关系, 与D呈极显著负相关关系, 说明土壤有机质是影响土壤团聚体形成和稳定的主要机制, 水稳性大团聚体形成主要靠有机质的胶结作用。团聚体内部压缩空气的压力是土壤团聚体崩解的主要机制, 其次是黏粒的膨胀作用。