环境科学  2019, Vol. 40 Issue (7): 3361-3368   PDF    
引用本文
刘杰, 马艳婷, 王宪玲, Sompouviset Thongsouk, 李利敏, 秦亚旭, 赵志远, 郑伟, 翟丙年. 渭北旱塬土地利用方式对土壤团聚体稳定性及其有机碳的影响[J]. 环境科学, 2019, 40(7): 3361-3368.
LIU Jie, MA Yan-ting, WANG Xian-ling, Sompouviset Thongsouk, LI Li-min, QIN Ya-xu, ZHAO Zhi-yuan, ZHENG Wei, ZHAI Bing-nian. Impact of Land Use Type on the Stability and Organic Carbon Content of Soil Aggregates in the Weibei Dryland[J]. Environmental Science, 2019, 40(7): 3361-3368.
渭北旱塬土地利用方式对土壤团聚体稳定性及其有机碳的影响
刘杰1,2, 马艳婷1,2, 王宪玲1,2, Sompouviset Thongsouk1,2, 李利敏1, 秦亚旭1,2, 赵志远1,2, 郑伟1,2, 翟丙年1,2,3     
1. 西北农林科技大学资源环境学院, 杨凌 712100;
2. 农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室, 杨凌 712100;
3. 西北农林科技大学苹果试验站, 白水 715600
收稿日期: 2018-11-24; 修订日期: 2019-01-17
基金项目: 公益性行业（农业）科研专项（201303104）；陕西省农业科技创新转化项目（NYKJ-2015-17）；杨凌示范区农业科技示范推广能力提升项目（2015-TS-18）；西北农林科技大学试验示范基地科技成果推广项目（TGZX2014-16）
作者简介: 刘杰(1992~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤质量与环境, E-mail:gaibangxiaohunhun@126.com
通信作者: 翟丙年, E-mail:zhaibingnian@nwafu.edu.cn
摘要: 揭示果园、农耕地两种土地利用方式对土壤团聚体分布、稳定性及有机碳含量的影响，为渭北旱塬乃至黄土高原区土壤碳库的优化管理提供科学依据.通过同步采样及湿筛法将果园和农耕地这2种土地利用方式进行土壤粒径分组，得到大团聚体（>2 mm）、中间团聚体（0.25~2 mm）、微团聚体（0.053~0.25 mm）及粉黏粒（< 0.053 mm）组分质量分数，测定各组分团聚体有机碳含量，并计算出0~40 cm土层各组分有机碳储量.结果表明，在0~20 cm土层，农业土地利用方式对土壤团聚体含量分布、稳定性具有显著影响.果园不同粒级团聚体（>2、0.25~2、0.053~0.25和 < 0.053 mm）含量均值分别为12.9%、51.3%、28.8%和7.0%，农耕地土壤各粒级团聚体含量分别为8.3%、49.7%、33.6%和8.4%，>0.25 mm团聚体含量显著高于农耕地.在0~40 cm土层，农耕地土壤平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）均显著低于果园（P < 0.05）.不同土地利用方式对土壤各团聚体内有机碳含量影响主要在0~10 cm土层，与农耕地相比，果园大团聚体、中间团聚体、微团聚体和粉黏粒内有机碳含量分别提高了56.0%（P < 0.05）、57.1%（P < 0.05）、40.8%（P>0.05）、13.0%（P>0.05）.各粒径团聚体内有机碳（粉黏粒除外）储量均为果园高于农耕地.果园增加了>0.25 mm大团聚体及其有机碳含量，缓解了农耕地对土壤团聚体的破坏，并提高了有机碳的稳定性.因此，与农耕地相比，果园土壤团聚体稳定性及有机碳含量较高，提高了团聚体对土壤有机碳的物理保护作用，有利于土壤有机碳积累，促进了土壤固碳.
关键词: 渭北旱塬      土地利用方式      团聚体      稳定性      土壤有机碳     
Impact of Land Use Type on the Stability and Organic Carbon Content of Soil Aggregates in the Weibei Dryland
LIU Jie1,2 , MA Yan-ting1,2 , WANG Xian-ling1,2 , Sompouviset Thongsouk1,2 , LI Li-min1 , QIN Ya-xu1,2 , ZHAO Zhi-yuan1,2 , ZHENG Wei1,2 , ZHAI Bing-nian1,2,3     
1. College of Natural Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China;
2. Key Laboratory of Plant Nutrition and Agri-environment of Northwest, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Yangling 712100, China;
3. Apple Experiment Station, Northwest A & F University, Baishui 715600, China
Abstract: Soil aggregates are important indicators of soil quality and sustainable land utilization, and impact the retention abilities of water and fertilizers and the release of nutrients in soil. This study aimed to understand the effects of two land use types (an orchard and farmland) on the distribution, stability, and organic carbon content of soil aggregates, and provides a theoretical basis for the optimal management of the soil carbon pool in the Weibei Dryland of the Loess Plateau. We examined the soils from an orchard and from farmland by simultaneous sampling and wet sieving; the proportions of large macroaggregates (>2 mm), small macroaggregates (0.25-2 mm), microaggregates (0.053-0.25 mm), and silt and clay (< 0.053 mm) were then determined; the content of organic carbon in each aggregate fraction at soil depths of 0-40 cm were also measured, and the total organic carbon content of all aggregates fractions was determined for each soil. The results showed that the type of agricultural land use had a significant effect on the distribution and stability of soil aggregates in the 0-20 cm soil layer, with the relative proportions of the different sized aggregates (>2, 0.25-2, 0.053-0.25, and < 0.053 mm) being 12.9%, 51.3%, 28.8%, and 7.0% in the orchards, respectively, and 8.3%, 49.7%, 33.6%, and 8.4% on the farmland, respectively. The proportion of macro-aggregates (>0.25 mm) was significantly higher in the orchard soils than in the farmland soils. Mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) are important indicators of the soil aggregate stability; the MWD and GWD of the farmland soils were significantly lower than the orchard soils in the 0-40 cm depth zone (P < 0.05). The effects of different land use types on the organic carbon content of soil aggregates was most marked in the 0-10 cm layer. Compared with farmland, the organic carbon content in the large aggregates, intermediate aggregates, micro-aggregates, and the silt and clay fraction of orchard soils were relatively increased by 56.0% (P < 0.05), 57.1% (P < 0.05), 40.8% (P>0.05), and 13.0% (P>0.05), respectively. Organic carbon storage in each aggregate class (excluding the < 0.053 mm fraction) in the orchard soils was higher than in the farmland soils. In the orchard soils, the proportion of soil macro-aggregates (>0.25 mm) and the associated organic carbon content was elevated, damage to aggregates was reduced, and the organic carbon stability was enhanced. In general, the soil aggregate stability and organic carbon content of orchard soils were higher than for the farmland soils. Orchards appear to enhance the physical stability of aggregates with respect to soil organic carbon, contribute to soil organic carbon accumulation, and thus promote soil carbon sequestration.
Key words: Weibei Dryland      land use type      soil aggregates      stability      soil organic carbon     

土壤有机碳的截留及稳定是生态系统属性的问题, 而不是有机质分子结构问题[1].然而土壤团聚体是土壤结构的基本单元[2], 可反映一定的生态属性, 体现土壤团粒结构优劣的关键指标即土壤团聚体结构组成及大小分布.土壤团聚体的大小分布及稳定性差异造成微生物活动及土壤养分循环的改变, 进而影响着土壤的生物地球化学反应[3].团聚体是有机碳的主要存在场所, 有机碳是团聚体的重要胶结物质[4].有机碳数量提高有利于土壤团聚体的形成及稳定性的增加, 而土壤团聚体对有机碳的物理保护作用被认为是土壤碳固定的主要机制[5].纵观人类历史, 土壤有机碳损失了133 Gt, 空气中增加近500 Gt CO2[6].团聚体的形成有利于提高土壤碳库, 进而有效缓解温室效应[7].因此, 促进土壤团聚体的形成与提升土壤对有机碳固持具有重要意义[8].不同粒径团聚体对协调土壤养分保持与供应、生物学性质及土壤固碳等具有不同作用[9].

农田土壤是受人类活动影响较频繁的土壤类型之一, 近年来国内外对土壤团聚体稳定性及其有机碳的研究开展得较多, 主要集中于农田管理措施(包括保护性耕作、施肥和秸秆覆盖等[10~13])、植被恢复及不同林龄方面, 而关于农田土地利用变化对土壤团聚体稳定性及其有机碳的研究报道还相对较少.在已开展研究中, 主要集中在我国南方红壤、黄壤区和西北黄土高原地区[14~17], 且主要是农田、林地与撂荒地之间的比较, 关于农田之间不同土地利用方式转变(如农田转变为果园等)方面却鲜见报道.已有研究表明, 土地利用方式可影响土壤团聚体稳定性及其有机碳组分.农机具使用及人为活动将导致水稳性大团聚体破坏, 进而使土壤团聚体稳定性下降.在我国西北黄土高原、西南岷江流域及西南紫色土壤地区, 土壤大团聚体含量均表现为林地大于耕地[18~20]; 在东北黑土带, 大团聚体有机碳含量草地>农田>裸地[21]; 在亚热带山地红壤区, 林地开垦造成土壤团聚体中有机碳损失, 转化为农业用地后造成含碳量较高的大团聚体有机碳含量迅速降低[22].

我国陕西渭北旱塬分布面积广, 地处生态脆弱带, 且是我国苹果主产区之一, 人为土地利用方式主要为果园和农耕地, 人为活动较为强烈, 但目前关于该地区农田土地利用方式对土壤团聚体及其有机碳影响方面的研究还很欠缺.本文以渭北旱塬为研究对象, 探讨不同农业土地利用方式对渭北旱塬土壤团聚体及其有机碳的影响, 以期为渭北旱塬乃至西北黄土高原土壤培肥与固碳减排提供一定的理论支撑.

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

试验地位于渭北旱塬东部的陕西省白水县, 属黄土高原沟壑区, 是典型的旱地雨养农业.平均海拔850 m, 暖温带大陆性季风气候, 年均气温11.4℃, 年均降水量为550 mm.主要农田利用方式为果园和农耕地, 土壤类型为黄墡土.农耕地0~20 cm土壤有机碳含量为8.4 g ·kg-1, 硝铵态氮为10.3 mg ·kg-1, 全氮为0.8 g ·kg-1, 有效磷为9.1 mg ·kg-1, 速效钾为168.4 mg ·kg-1, pH为8.3, 土壤容重为1.45 g ·cm-3.

1.2 样品采集与测定

土壤样品于2018年4月采集于渭北旱塬白水县.其中果园为苹果园(由农耕地转变而来), 农耕地为小麦、玉米轮作地.在果园和农耕地采用同步采样方法分别选择3个地貌特征相似的样地, 每组果园和农耕地相距 < 50 m, 详细信息见表 1.每个样地3个重复, 利用挖剖面取样法在各采样点分层取0~10、10~20和20~40 cm未扰动原状土壤, 用保鲜盒带回实验室用于测定分析.风干过程中沿自然裂隙掰成直径1 cm左右的土块.风干后采用Elliott团聚体湿筛法[23]进行分级.大致步骤为, 称取50 g风干土样, 用13 mL纯水缓慢浸润4℃环境过夜, 然后过一套3个不同粒径筛子(2、0.25和0.053 mm), 在纯水环境中进行湿筛上下振荡(振幅3 cm, 频率50次·min-1), 进而得到>2、0.25~2、0.053~0.25和 < 0.053 mm这4个粒径组分, 即大团聚体、中间团聚体、微团聚体和粉黏粒[24].得到的不同粒径团聚体烘干并称重, 用于各组分质量分数计算及团聚体有机碳含量测定.

表 1 试验区信息 Table 1 Information for the experimental area

土壤有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化法; 全氮采用凯氏法消解-AA3型连续流动分析仪测定; 速效磷采用碳酸氢钠法测定; 土壤容重采用环刀法测定[25]; 硝、铵态氮采用流动分析仪(AA3)测定.

1.3 数据处理

土壤团聚体稳定性的评价指标采用平均重量直径(mean weight diameter, MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter, GMD).其计算公式如下：

(1)
(2)

式中, n为粒径分组数; X i为该组分的平均直径(mm); Wi为该组分质量分数(%).

不同团聚体组分的有机碳储量均采用等质量法计算[26], 计算公式如下：

(3)
(4)
(5)
(6)

式中, Msoil为单位面积的土壤质量(mg ·hm-2); ρb为土壤容重(g ·cm-3); H为土层厚度(m); Tadd为需要达到等质量土壤额外增加的亚表层土层厚度(m); Msoil, equiv为最大的土壤质量(mg ·hm-2); Msoil, surf为质量小于Msoil, equiv的其他处理的表层土壤质量之和(mg ·hm-2); ρb, subsurface为亚表层土壤容重(g ·cm-3), 在试验中为50~60 cm土层的土壤容重; Melement为SOC储量(mg ·hm-2); Cconc为有机碳占全土的含量(g ·kg-1), 即某一粒径团聚体占全土的质量分数乘以该粒径团聚体有机碳含量; Melement, equiv为单位面积等质量土体的SOC储量(mg ·hm-2), Melement, surf为单位面积表层土体的SOC储量(mg ·hm-2), Melement, Tadd为单位面积上需要达到等质量额外增加的亚表层土体的SOC储量(mg ·hm-2).

本试验中农耕田和果园2种土地利用方式相同土层不同粒径间的团聚体质量分数、SOC含量及储量均采用SPSS 21.0进行方差齐性检验(P>0.05), 如通过则采用LSD检验; 否则(P < 0.05), 采用Tamhane's T2进行差异显著性检验.农耕田和果园这2种土地利用方式下各指标之间差异性分析采用独立样本t检验。

2 结果与分析 2.1 2种土地利用方式对土壤团聚体分布的影响

不同土地利用方式下土壤各粒径团聚体组分的含量分布均为中间团聚体(0.25~2 mm)>微团聚体(0.053~0.25 mm)>大团聚体(>2 mm)>粉黏粒(< 0.053 mm)(图 1).通过湿筛得到的果园、农耕地两种不同土地利用方式下0~20 cm土壤大团聚体(>2 mm)和微团聚体(0.053~0.25 mm)分布存在差异[图 1(a)和图 1(b)].在0~10 cm、10~20 cm土层, 与农耕地相比, 果园土壤中大团聚体含量分别增加了55.9%和54.9%(P < 0.05), >0.25 mm团聚体含量分别增加了6.1%和15.9%(P < 0.05), 微团聚体含量分别降低了8.4%和2.0%(P < 0.05), 中间团聚体和粉黏粒含量差异性不显著.

图中不同大写字母表示同一粒径团聚体不同土地利用方式在5%水平有差异; 不同小写字母表示同一土地利用方式不同粒径团聚体在5%水平有差异, 下同 图 1 2种土地利用方式下土壤各粒径团聚体质量分数 Fig. 1 Proportion of each soil aggregate size class under the two land use types

通过图 1(c)可以看出, 在20~40 cm土层, 果园、农耕地土壤大团聚体(>2 mm)和粉黏粒(< 0.053 mm)含量存在显著差异, 中间团聚体(0.25~2 mm)和微团聚体(0.053~0.25 mm)含量差异不显著.相比农耕地, 在20~40 cm土层, 果园、农耕地土壤大团聚体(>2 mm)和粉黏粒(< 0.053 mm)含量分别降低了3.4%和3.7%(P < 0.05), 但>0.25 mm土壤团聚体提高了2.4%(P>0.05).

由图 1可知, 对于土壤大团聚体(>2 mm), 随土层深度增加, 果园中其含量呈下降趋势, 农耕地则变化不显著; 中间团聚体(0.25~2 mm)随土层深度增加, 则均表现为先降低后升高的趋势; 微团聚体(0.053~0.25 mm)随土层深度增加, 果园中其含量呈上升趋势, 农耕地则为先升高后降低趋势; 关于粉黏粒(< 0.053 mm)随土层深度增加, 果园和农耕地均表现为有一定的上升趋势; 对于>0.25 mm土壤团聚体随土层深度增加, 果园中含量呈下降趋势, 农耕地为先降低后上升的趋势.

数据表明, 果园和农耕地2种土地利用方式对土壤团聚体组成的影响较为显著.如图 2所示, 在0~40 cm的土壤深度内, 不同土地利用方式下土壤各粒径团聚体组分的含量分布趋势一致, 均为中间团聚体(0.25~2 mm)>微团聚体(0.053~0.25 mm)>大团聚体(>2 mm)>粉黏粒(< 0.053 mm), 但对于>0.25 mm团聚体而言, 果园、农耕地分别为63.2%和59.3%. >0.25 mm土壤团聚体被认为是土壤结构中最佳的结构体(土壤团粒结构体), 在维持土壤结构稳定中起关键作用, 其分布含量越高, 说明土壤结构稳定性越好.与农耕地相比, 果园>0.25 mm团聚体提高了6.5%(P < 0.05), 说明果园比农耕地土壤结构更加合理.

图 2 2种土地利用方式土壤0~40 cm土层各粒径团聚体质量分数平均值 Fig. 2 Mean proportion of soil aggregate size classes at 0 -40 cm soil depths under the two land use types

2.2 2种土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

果园、农耕地两种不同土地利用方式下MWD和GMD如图 3所示.在0~10 cm和10~20 cm土层, 果园团聚体MWD和GMD值均显著高于农耕地.而在20~40 cm土层, 差异变小(P>0.05), 由此说明果园与农耕地两种不同土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响主要在上面两个土层的表层土壤.总的来看, 随土壤深度的增加, 果园土壤稳定性逐渐减弱, 而农耕地则呈先降低后上升的趋势.在0~40 cm土壤深度内, MWD为果园(0.64 mm)>农耕地(0.61 mm) (P < 0.05), GMD为果园(0.37 mm)>农耕地(0.33 mm)(P < 0.05).与农耕地相比, 果园MWD和GMD均有显著提高(P < 0.05), 表明农耕地长期种植团聚体稳定性处于较低水平, 易被水分散, 而果园则会增强团聚体稳定性, 改善土壤结构, 进而提高抵抗外力破坏的能力.

图中不同小写字母表示同一土层不同土地利用方式在5%水平上有差异 图 3 2种土地利用方式土壤团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD) Fig. 3 Mean weight diameter and geometric mean diameter of soil aggregates under the two land use types

2.3 2种土地利用方式对团聚体有机碳的影响

果园和农耕地这2种不同土地利用方式下土壤各粒径团聚体有机碳含量, 参见图 4.整体来看, 果园和农耕地不同粒径团聚体内有机碳含量趋势一致, 均为大团聚体(>2 mm)>中间团聚体(0.25~2 mm)>微团聚体(0.053~0.25 mm)>粉黏粒(< 0.053 mm). 0~40 cm土层, 不同粒径土壤团聚体内有机碳含量均随土壤深度增加呈下降趋势, 果园随土壤深度增加, 有机碳含量变化较大, 农耕地变化相对较缓慢(图 4).果园、农耕地两种不同土地利用方式在0~10 cm土层土壤大团聚体、微团聚体内有机碳含量影响较显著[图 4(a)].在0~10 cm土层, 果园和农耕地两种土地利用方式下大团聚体内有机碳含量为果园(13.8 g ·kg-1)>农耕地(8.9 g ·kg-1) (P < 0.05), 中间团聚体内有机碳含量为果园(13.6 g ·kg-1)>农耕地(8.7 g ·kg-1) (P < 0.05), 微团聚体内有机碳含量为果园(10.8 g ·kg-1)>农耕地(7.7 g ·kg-1) (P < 0.05), 粉黏粒内有机碳含量为果园(7.1 g ·kg-1)>农耕地(6.3 g ·kg-1) (P>0.05).与农耕地相比, 果园大团聚体内、中间团聚体内、微团聚体内和粉黏粒内有机碳含量分别提高了56.0%(P < 0.05)、57.1%(P < 0.05)、40.8%(P>0.05)和13.0%(P>0.05), 说明种植果树会导致0~10 cm土层团聚体内有机碳含量的提高, 尤其是大团聚体和中间团聚体.

图 4 2种土地利用方式下土壤各粒径团聚体有机碳含量 Fig. 4 Organic carbon content of each aggregate size class under the two land use types

果园、农耕地两种不同土地利用方式在10~20 cm土层土壤不同粒径土壤团聚体内有机碳含量有变化, 但差异不显著[图 4(b)].在10~20 cm土层, 果园和农耕地两种土地利用方式下大团聚体内有机碳含量为果园(8.4 g ·kg-1)>农耕地(8.0 g ·kg-1), 中间团聚体内有机碳含量为果园(8.5 g ·kg-1)>农耕地(8.0 g ·kg-1), 微团聚体内有机碳含量为果园(7.2 g ·kg-1)>农耕地(6.8 g ·kg-1), 粉黏粒内有机碳含量为果园(5.6 g ·kg-1)=农耕地(5.6 g ·kg-1).与农耕地相比, 果园大团聚体内、中间团聚体内、微团聚体内有机碳含量分别提高了5.4%(P>0.05)、5.9%(P>0.05)、6.9%(P>0.05), 说明虽然相对农耕地, 果园大团聚体、中间团聚体及微团聚体内有机碳含量有一定提高, 但是差异并不明显. 10~20 cm土层, 果园、农耕地不同团聚体内有机碳含量大致相似.

果园、农耕地两种不同土地利用方式在20~40 cm土层不同粒径土壤团聚体内有机碳含量有变化, 但差异不显著[图 4(c)].在20~40 cm土层, 果园和农耕地两种土地利用方式下大团聚体内有机碳含量为果园(6.8 g ·kg-1) < 农耕地(7.6 g ·kg-1), 中间团聚体内有机碳含量为果园(6.0 g ·kg-1)<农耕地(7.4 g ·kg-1), 微团聚体内有机碳含量为果园(5.4 g ·kg-1)<农耕地(6.8 g ·kg-1), 粉黏粒内有机碳含量为果园(4.5 g ·kg-1) < 农耕地(5.1 g ·kg-1).与农耕地相比, 果园大团聚体内、中间团聚体内、微团聚体内和粉黏粒内有机碳含量分别降低了11.3%(P>0.05)、17.9%(P>0.05)、20.8%(P>0.05)和10.8%(P>0.05), 说明虽然相对农耕地, 果园大团聚体、中间团聚体及微团聚体内有机碳含量有一定下降, 但是差异并不明显. 20~40 cm土层, 果园、农耕地不同团聚体内有机碳含量大致相似.

图 5体现了果园、农耕地两种土地利用方式下0~40 cm土壤深度内不同粒径团聚体内有机碳的储量.大团聚体内有机碳储量为果园(5.68 mg ·hm-2)>农耕地(4.65 mg ·hm-2), 中间团聚体内有机碳储量为果园(26.67 mg ·hm-2)>农耕地(22.58 mg ·hm-2), 微团聚体内有机碳储量为果园(12.71 mg ·hm-2)>农耕地(12.56 mg ·hm-2), 粉黏粒内有机碳储量为农耕地(3.06 mg ·hm-2)>果园(2.20 mg ·hm-2).可知, 果园>0.25 mm团聚体内有机碳储量均显著高于农耕地, 表明果园比农耕地更能提高团聚体组分内有机碳含量, 有利于土壤有机碳的积累.

图 5 2种土地利用方式下土壤各粒径团聚体有机碳储量 Fig. 5 Storage of organic carbon in each soil aggregate size class under the two land use types

从图 5可知, 同一土地利用方式下各粒径团聚体内有机碳储量存在显著差异.果园、农耕地各粒径有机碳储量分别为中间团聚体>微团聚体>大团聚体>粉黏粒, 且大团聚体、中间团聚体内有机碳储量果园>农耕地.与农耕地相比, 果园有机碳含量随粒径增大而上升：其大团聚体、中间团聚体、微团聚体及粉黏粒的增加量分别为22.0%、18.1%、1.2%和28%.对于>0.25 mm的大团聚体内有机碳储量而言, 果园(32.3 mg ·hm-2)>农耕地(27.2 mg ·hm-2), 相比农耕地增加18.8%(P < 0.05); < 0.25 mm的微团聚体而言, 农耕地(15.6 mg ·hm-2)>果园(14.9 mg ·hm-2), 但差异并不显著.因此, 果园与农耕地相比, 粒径较大的团聚体更容易积累有机碳.

3 讨论 3.1 2种土地利用方式对土壤团聚体稳定性的影响

团聚体是有机质的存在空间, 有机质是团聚体的重要胶结物质.团聚体几何平均直径(GMD)和平均重量直径(MWD)作为体现土壤中团聚体稳定性的关键指标, GMD和MWD值越大, 团聚度越高, 稳定性越强.果园、农耕地2种土地利用方式显著影响土壤有机质含量, 从而对土壤团聚体稳定性起到间接作用.本研究通过测定0~40 cm土层有机质发现, 有机质平均含量为果园(15.1 g ·kg-1)>农耕地(13.8 g ·kg-1) (P < 0.05).与农耕地相比, 果园土壤有机质提高了9.9%(P < 0.05), >0.25 mm的大团聚体含量增加了6.5%(P < 0.05), GMD和MWD值也均有显著提高(P < 0.05), 果园土壤有机质含量增加, 有效避免了土壤大团聚体的破坏, 进而提高了土壤团聚体的稳定性.农耕地土壤耕作频率高, 耕作后大团聚体(>2 mm)相对更容易破裂, 耕作优先降低了大团聚体含量.与农耕地相比, 果园土壤粉黏粒(< 0.053 mm)含量相对较低, 分析可能是由于耕作频率高的农耕地转化为耕作频率低、凋落物归还较大的林地果园, 有机质含量及微生物活性提高, 胶结物质上升, 进而将部分小的团聚体(粉黏粒)聚合为较大的团聚体——微团聚体(0.053~0.25 mm)和中间团聚体(0.25~2 mm), 从而使土壤团聚体稳定性得到提高, 这与在其它区域研究的规律性基本一致[15, 27~29].

3.2 2种土地利用方式对土壤团聚体内有机碳含量及储量的影响

本研究表明, 果园、农耕地不同粒径团聚体内有机碳含量趋势一致, 有机碳含量均为大团聚体(>0.25 mm)高于微团聚体(< 0.25 mm), 与谢锦升等[30]的研究结果一致.因为相对全土总有机碳来说, 大团聚体对有机碳有一定的富集功能[31, 32], 另外, 有机质作为团聚体形成中重要的胶结物质, 微团聚体通过与周围微团聚体或基本粒子在有机物质的胶结作用下形成大团聚体[33].其次, 大团聚体内部颗粒有机质分解, 导致大团聚体破散, 从而让微团聚体被分离出[34], 进而导致微团聚体内有机碳含量降低.在0~40 cm土层, 不同粒径土壤团聚体内有机碳含量均随土壤深度增加呈减少趋势, 果园随土壤深度增加, 有机碳含量变化较大, 农田变化相对较缓慢, 与李鉴霖等[15]的研究结果一致.由于植物残体等凋落物主要在土壤表层积累, 为微生物活动提供能量, 进而促进土壤表层的生物活性, 即植物根、土壤动物区系以及真菌生长, 从而为土壤各粒径团聚体内部胶结形成为微粒有机质创造了良好条件[35].农耕地主要种植小麦, 收获后秸秆会移走, 导致作物中的碳不能归还土壤, 以致于土壤表层有机碳含量低, 随土层深度增加, 并未出现明显的下降趋势.

有研究发现, 与农耕地相比, 果园土壤中粒径较大的团聚体内增加的有机碳较多, 粒径较小团聚体增加量较少甚至会出现损失现象.这一现象符合Tisdall等[33]和Six等[36]学者关于土壤团聚体形成的经典模型, 他们均认为新鲜输入的有机物质进入土壤后, 首先与土壤中粒径相对较小的微团聚体通过胶结作用聚合为大团聚体, 其内部形成微团聚体, 通过大团聚体内部粗颗粒有机质(coarse intra-aggregate particulate organic matter, iPOM)分解或大团聚体破碎形成微团聚体[34, 37], 然后在耕作扰动等破坏作用下从大团聚体中释放出微团聚体.果园相对农耕地耕作等土地干扰行为较少, 导致微团聚体在大团聚体内聚集, 自由微团聚体相对农耕地减少.由于微团聚体内有机碳受物理保护作用, 因此, 相对于大团聚体内新鲜有机质稳定性更高, 进而导致微团聚体内有机碳含量变化较小.

4 结论

(1) 渭北旱塬果园和农耕地土壤团聚体组分均以中间团聚体和微团聚体为主, 不同农业土地利用方式并未直接影响土壤团聚体主要组分的分布.但对于>0.25 mm团聚体、MWD和GMD而言, 果园明显高于农耕地, 在表层土壤尤为明显.农耕地易导致大团聚体破碎, 进而造成土壤结构退化, 因此果园更有利于维持或提高土壤团聚体的稳定性, 维系土壤良好结构.

(2) 与农耕地相比, 果园将导致各团聚体组分内有机碳的增加, 有利于土壤有机碳的恢复与固持, 尤其在0~10 cm土层.

(3) 农耕地转变为果园后, >0.25 mm的大团聚体有机碳储量升高了5.11 mg ·hm-2, < 0.25 mm的微团聚体有机碳储量降低了0.71 mg ·hm-2, 表明在改变土地利用的过程中, 粒径较大的团聚体与有机碳变化较为密切.

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