不同土地利用方式对盐碱地土壤团聚体及碳氮含量的影响

王敬宽，吕鹏超，张楷悦，高枫舒，张强，柳新伟

(1. 青岛农业大学资源与环境学院，山东 青岛 266109；2. 威海市农业农村事务服务中心，山东 威海 264200；3. 乳山市农业农村事务服务中心，山东 乳山 264500)

土壤团聚体是土壤结构的基本单位，也是土壤的重要组成部分，其组成和稳定性与土壤碳氮含量、土地利用方式、土壤生物活性、土壤侵蚀和植被覆盖等因素密切相关，其数量和质量可反映土壤养分供储能力，是评价土壤质量的重要指标之一[1-3]。 稳定的团聚体和良好的土壤结构有利于提高土地生产力，改善土壤透气、透水性，增强土壤的抗侵蚀能力，促进土壤结构稳定[4]。 为了分析和评价土壤团聚体的稳定性和结构特征，一般采用平均质量直径(mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(geometry mean diameter，GMD)和分形维数(fractal dimension， D) 来表征[5]。 已有研究表明[3-4]，MWD 和GMD 值越大，表示团聚度越高，土壤稳定性越强；D 值越小，土壤水稳性团聚体含量越高，土壤结构愈加松散，通透性更好。 研究表明，土壤表层中的有机碳(soil organic carbon， SOC)约90%储存在团聚体中[6]。稳定的团聚体对存储于其中的有机碳氮提供物理保护作用，通过调节其内外氧气和水分的流通情况来降低微生物对有机碳氮的矿化分解，进而提高土壤有机碳氮的固持；相应地有机碳氮作为重要的胶结物质可促进团聚体的形成，对团聚体的稳定性具有显著影响[7-8]。

不同土地利用方式可以通过改变田间管理方式和植被覆盖类型来影响土壤地表凋落物含量、微生物丰度等土壤环境使土壤养分发生改变，进而导致土壤肥力和结构稳定性发生变化[9-10]。 土地利用方式的变化对土壤碳氮含量、水稳性团聚体、渗透性等土壤动态质量指标的变异性起主导作用[11]，因而合理的土地利用方式可促进土壤团聚体的形成和提高团聚体结合有机碳氮的能力，进而增强土壤的碳、氮汇功能，为缓解全球气候变化发挥关键作用[3]。 近年来，国内外有关土地利用方式对土壤团聚体稳定性及SOC 含量影响的研究较多。 罗晓虹等[12]通过对比6 种土地利用方式发现，竹林和荒草地各土层中的土壤团聚体稳定性较好，且竹林土壤各土层中各粒径团聚体的有机碳含量最高；Tang 等[13]研究南方亚热带地区不同土地利用类型发现，油松和马尾松林地土壤团聚体稳定性及SOC、全氮(total nitrogen， TN)含量最高；李鉴霖等[1]对比发现果园地比农耕地土壤团聚体稳定性及SOC 含量高。

山东省盐碱地主要分布在黄河三角洲地区，该类土壤盐分含量高、养分低、土壤结构差，严重制约了黄河三角洲地区的农业生产[14]。 因此，通过不同土地利用方式合理开发利用黄河三角洲盐碱地，对坚守耕地红线、促进农业经济发展具有重要意义。 目前，针对黄河三角洲盐碱地区不同土地利用方式对土壤性质影响的研究主要集中在养分变化、水盐运动和碳库储存等方面[15-16]，而对盐碱地在不同土地利用方式下的土壤团聚体组成、稳定性及团聚体碳氮含量、贡献率的研究较少。

本试验以黄河三角洲农业高新技术产业示范区荒地、草地、园地和耕地4 种土地利用方式为研究对象，探讨不同土地利用方式对盐碱地土壤团聚体在0～20、20～40 cm 土层中的分布、稳定性及团聚体SOC、TN 含量的影响，以期为黄河三角洲盐碱土壤结构改善和土地利用方式合理规划提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区与采样点概况

研究区位于山东省东营市黄河三角洲农业高新技术产业示范区(118°38＇E，37°18＇N)，处于黄河三角洲的核心区域。 该地区属暖温带大陆性季风气候，多年日平均气温12.8 ℃，年均降水量555.9 mm，降水季节分布不均，多集中在夏季，易造成旱涝灾害，无霜期年均206 d。

采样点土壤类型以滨海盐渍土为主，土壤基本理化性质为有机质含量14.58 g/kg、全氮1.12 g/kg、碱解氮45.97 mg/kg、有效磷4.25 mg/kg、速效钾164.93 mg/kg，pH 值8.75、盐分1.28 g/kg。

本研究设置荒地、草地、园地和耕地4 种不同土地利用方式(表1)。 其中荒地为撂荒3 年；草地为3 年生苜蓿地，一年刈割3 次；园地种植苹果，至采样时为3 年；耕地种植模式为3 年的小麦-玉米轮作。

1.2 样品采集与处理

于2021 年4 月采用五点取样法在每个划定的区域分别采集0～20、20 ～40 cm 两个土层的土壤样品，装入硬质塑料盒(避免运输过程中挤压和扰动，以免破坏团聚体)。 带回实验室后将土样剔除石块、植物根系等杂物，沿其自然裂隙掰成直径约1 cm 土块混合后于通风干燥处自然风干，用于土壤团聚体测定。

1.3 测定方法

土壤水稳性团聚体的测定按照Cambardella[17]的方法进行。 将100 g 混合土样均匀放置于2、0.25、0.053 mm 的套筛上，调整套筛水面高度，保证水没过筛底部，且振动时不没过其顶部，使土样充分湿润后启动土壤团聚体分析仪(TTF-100型)，以上下振幅4 cm、30 次/min 的频率振动20 min。 用清水将各粒级水稳性团聚体冲入烧杯中，60 ℃烘干至恒重(约12 h)，计算各粒级水稳性团聚体质量。

全土和各级团聚体磨碎过0.25 mm 筛后采用常规农化分析方法测定有机碳(SOC)、全氮(TN)含量[18]。

1.4 数据处理与分析

土壤团聚体平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)分别采用公式(1)(2)计算；＞0.25 mm 稳定性团聚体的含量(R0.25)采用公式(3)计算；分维形数(D)采用公式(4)两边取以10 为底的对数得公式(5)求出；团聚体有机碳、全氮贡献率(CR)采用公式(6)计算[3]。

式中，Ri为各粒级水稳性团聚体平均直径(mm)；Wi为各粒级水稳性团聚体质量百分比(%)；Mr＞0.25为粒径＞0.25 mm 水稳性团聚体质量(g)；MT为水稳性团聚体总质量(g)；M(r＜Ri)为粒径小于Ri的团聚体质量；Rmax为团聚体最大粒径；Ci为各粒级团聚体的有机碳(全氮)含量；CT为土壤总有机碳(全氮)含量。

本研究所列结果为3 次重复测定值的平均值，试验数据采用Microsoft Excel 2019 整理，SPSS 22.0 软件进行统计分析，用LSD 法进行差异显著性检验(P＜0.05)，Origin 2018 软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下各土层土壤团聚体组成

由图1 可知，不同土地利用方式下0 ～20、20～40 cm 土层中水稳性团聚体含量随粒级的减小呈现先增加后降低趋势，中间团聚体含量所占比例较多，＞2 mm 及＜0.053 mm 团聚体含量较少。

图1 不同土地利用方式下不同土层土壤水稳性团聚体组成

0～20 cm 土层中，＞2 mm 团聚体含量，不同土地利用方式之间均存在显著差异，表现为草地最高，耕地最低；0.25 ～2 mm 团聚体含量，园地、荒地和草地均显著高于耕地，分别高出60.93%、55.51%和46.48%；0.053 ～0.25 mm 团聚体含量，耕地显著高于园地、草地和荒地，分别高出26.75%、31.80%和47.99%；＜0.053 mm 团聚体含量高低排序为耕地＞荒地＞园地＞草地，且耕地和荒地显著高于园地和草地。

20～40 cm 土层中，＞2 mm 团聚体含量，不同土地利用方式之间均存在显著差异，表现为草地最高，园地最低；0.25 ～2 mm 团聚体含量，不同土地利用方式之间均存在显著差异，表现为荒地最高，耕地最低；0.053～0.25 mm 团聚体含量高低排序为园地＞耕地＞草地＞荒地，且园地和耕地显著高于草地和荒地；＜0.053 mm 团聚体含量，耕地、草地和荒地均显著高于园地，分别高出92.79%、57.32%和55.44%。综上结果表明，不同土地利用方式下不同土层各粒级水稳性团聚体含量均有差异。

2.2 不同土地利用方式下各土层土壤团聚体稳定性分析

由表2 看出，0 ～20 cm 土层中团聚体MWD排序为草地＞荒地＞园地＞耕地，不同土地利用方式之间均存在显著差异；20～40 cm 土层中团聚体MWD 排序与0～20 cm 土层一致，均以草地最大，耕地最小。 0 ～20 cm 土层中团聚体GMD 值在0.21～0.37 mm 之间，草地、园地和荒地均显著高于耕地；20～40 cm 土层中团聚体GMD 值在0.23～0.36 mm 之间，荒地和草地显著高于园地和耕地。0～20 cm 土层中团聚体R0.25的大小顺序为草地＞荒地＞园地＞耕地，与耕地相比，草地、荒地和园地分别显著高出64.39%、59.10%和57.25%；20～40 cm 土层中团聚体R0.25的大小顺序为荒地＞草地＞园地＞耕地，与耕地相比，荒地、草地和园地分别显著高出72.64%、60.84%和32.50%。 0 ～20 cm土层中团聚体D 值大小顺序为耕地＞荒地＞草地、园地，园地和草地显著低于荒地和耕地；20 ～40 cm土层中团聚体D值大小顺序为耕地＞草地＞荒地＞园地，园地显著低于荒地、草地和耕地。 对不同土地利用方式下水稳性团聚体MWD、GWD、R0.25和D 值的分析表明，耕地的土壤稳定性最差，这与人为扰动影响密切有关。

表2 不同土地利用方式下各土层土壤团聚体稳定性指标

2.3 不同土地利用方式下各土层SOC、TN 含量

由图2 可以看出，SOC 和TN 含量均随土层加深而降低。 0～20 cm 土层中，SOC 含量以园地土壤最高，其次为草地和耕地，荒地最低，三者较荒地分别显著提高26.36%、12.58%和10.68%；20～40 cm 土层中，SOC 含量变化与0 ～20 cm 土层一致，与荒地相比，园地、草地和耕地分别显著提高34.69%、14.65%和8.43%。 0 ～20 cm 土层中，TN 含量以草地土壤最高，其次为园地和耕地，荒地最低，三者较荒地分别显著提高11.73%、8.21%和4.40%；20～40 cm 土层中TN 含量变化与0～20 cm 土层一致，与荒地相比，草地、园地和耕地分别提高17.48%、12.94%和8.39%。 其中，两个土层园地SOC 含量较耕地有显著差异，草地TN 含量较耕地也有显著差异。 综上表明，园地(种植苹果)对盐碱地土壤SOC 积累有显著的促进作用，草地(种植苜蓿)对盐碱地土壤TN 积累促进作用显著。

图2 不同土地利用方式下土壤有机碳(A)、全氮(B)含量

2.4 不同土地利用方式下各土层土壤团聚体SOC、TN 分布及贡献率

2.4.1 土壤团聚体SOC、TN 含量 不同土地利用方式下不同土层各粒级团聚体SOC(图3)和TN 含量(图4)存在显著差异。 整体而言，团聚体SOC 含量表现为园地＞草地＞耕地＞荒地，TN 含量表现为草地＞园地＞耕地＞荒地；随土层加深，各粒级团聚体SOC 和TN 含量相对减少；随粒级减小，团聚体SOC 和TN 含量总体呈下降趋势，说明大团聚体可以促进土壤碳氮积累。

图3 不同土地利用方式下不同土层土壤团聚体有机碳含量

图4 不同土地利用方式下不同土层土壤团聚体全氮含量

由图3A 可知，0 ～20 cm 土层中，园地土壤中各粒级团聚体SOC 含量均显著高于其他3 种土地利用方式，分别高出6.75%～26.09%(＞2 mm)、13.32%～31.53%(0.25 ～2 mm)、15.54%～22.68%(0.053～0.25 mm)和15.13%～21.85%(＜0.053 mm)。 由图3B 可知，20 ～40 cm 土层中，园地土壤中各粒级团聚体SOC 含量也均显著高于其他3种土地利用方式，分别高出23.17%～50.71%(＞2 mm)、9.89%～34.96%(0.25 ～2 mm)、28.85%～42.70%(0.053 ～0.25 mm)和20.26% ～40.49%(＜0.053 mm)。

由图4A 可知，0 ～20 cm 土层中，草地土壤中各粒级团聚体TN 含量均高于其他3 种土地利用方式，分别高出2.53%～12.66%(＞2 mm)、2.07%～8.83%(0.25 ～2 mm)、4.36%～15.92%(0.053 ～0.25 mm)和3.50%～7.25%(＜0.053 mm)。 由图4B 可知，20～40 cm 土层中，草地土壤中各粒级团聚体TN 含量均显著高于其他3 种土地利用方式，分别高出23.17%～50.71%(＞2 mm)、9.89%～34.96%(0.25～2 mm)、28.85%～42.70%(0.053 ～0.25 mm)和20.26%～40.49%(＜0.053 mm)。

综上结果表明，园地土壤团聚体对SOC 有较好的固持作用，而草地土壤团聚体对TN 有较好的固持作用。

2.4.2 土壤团聚体SOC、TN 贡献率 由表3 和表4 可知，不同土地利用方式下不同土层各粒级团聚体SOC 和TN 贡献率有所差异。 0～20 cm 土层中，园地、草地和荒地均以0.25 ～2 mm 团聚体SOC 和TN 贡献率最高，而耕地以0.053～0.25 mm团聚体SOC 和TN 贡献率最高。 20 ～40 cm 土层中，荒地和草地以0.25～2 mm 团聚体SOC 贡献率最高，而园地和耕地以0.053 ～0.25mm团聚体SOC 贡献率最高；荒地以0.25 ～2 mm 团聚体TN贡献率最高，而耕地、园地和草地均以0.053 ～0.25 mm 团聚体TN 贡献率最高。 综上结果表明，各土层中＞2 mm 团聚体SOC 和TN 含量最高，而在0～20 cm 土层中＞2 mm 团聚体SOC 和TN 贡献率反而最低，这可能是由于该粒级团聚体所占比例低所导致的。 与耕地相比，草地、园地和荒地均降低了0～20、20～40 cm 土层中＜0.25 mm 团聚体SOC 和TN 贡献率，说明草地和园地可以促进微团聚体及粉粒黏粒团聚体向大团聚体转化，而荒地可能由于受人为活动影响较小有利于大团聚体的形成。

表3 不同土地利用方式下不同粒级团聚体有机碳贡献率

表4 不同土地利用方式下不同粒级团聚体全氮贡献率

3 讨论

3.1 不同土地利用方式对各土层土壤团聚体组成及稳定性的影响

人为活动通过土地利用、耕作方式变化及不同农业管理措施等深刻影响着土壤团聚体的组成、稳定性及粒级变化[19]。 土壤团聚体的组成及含量是土壤物理性质的敏感性指标，不同粒级团聚体对土壤孔隙度、养分供应和固持等具有不同作用，因此团聚体大小分布状况对土壤质量有显著影响[20]。 本研究表明，在0 ～20 cm 土层中，园地、荒地和草地土壤0.25 ～2 mm 团聚体含量最高，耕地土壤0.053～0.25 mm 团聚体含量最高；而20～40 cm 土层中，荒地土壤0.25 ～2 mm 团聚体含量最高，园地、耕地和草地土壤0.053 ～0.25 mm团聚体含量最高。 产生该现象的原因是荒地土壤受到的人为扰动少，地表荒草每年几乎全部死亡凋落进入土壤，其植物残体及深层根茎有利于土壤有机物积累[21]，使土壤颗粒间胶结作用增强[12]，进而增加了各土层＞0.25 mm 团聚体含量；而对于耕地、园地和草地来说，土壤易受到较为剧烈的人为扰动，耕地、园地翻耕和草地刈割都会导致土壤大团聚体破碎化，由于园地、草地地表凋落物和覆盖物较多，土壤抗侵蚀能力较强，有利于增加表层土壤＞0.25 mm 团聚体含量，而耕地各土层大团聚体含量均为最低，这与姜敏等[22]的研究结果相似。

不同土地利用方式对不同土层团聚体稳定性具有不同影响。 本研究中，各土层中水稳性团聚体的MWD 和GMD 均以草地最大，耕地最小，说明草地土壤稳定性最强，耕地土壤稳定性最差。稳定性团聚体的含量(R0.25)被认为是土壤中最好的结构体，可以用来衡量土壤结构的优劣，其含量越高，表明土壤抗蚀能力越好[7]。 各土层R0.25均以耕地最低，说明耕地土壤抗侵蚀能力最差。 通过对比各土层中水稳性团聚体的D 值同样可以发现耕地土壤结构易遭到破坏，稳定性较差。 研究发现，在表征土壤团聚体稳定性指标之间存在着相互不吻合的现象，尤其是在20 ～40 cm 土层中，这可能与盐碱土壤本身结构差、地下水位高、高盐导致的土壤黏重等因素有关[23]，同时加上剧烈的人为扰动，二者综合作用，就使得盐碱地土壤团聚体的稳定性更为复杂。 整体而言，在盐碱条件下草地表现出更好的土壤结构和团聚体稳定性，这是由于苜蓿可以产生大量的须状不定根，随着老根死亡和不断被分解，产生大量有机物质促进土壤团聚体形成[20]，且土壤全年覆盖度极高，说明苜蓿对盐碱地土壤团聚体改良起重要作用。

3.2 不同土地利用方式对各土层SOC、TN 和团聚体SOC、TN 的影响

土壤碳、氮含量与土壤肥力和有机物料输入输出紧密相关，是陆地土壤碳库和氮库的重要组成部分，同时土壤性质、土地利用方式、农业管理、地覆植被等均会影响SOC、TN 的含量及分布[24]。尤其土地利用方式的不同对土壤碳、氮含量影响很大，特别是在生态比较脆弱的黄河三角洲地区。本研究中，不同土地利用方式下SOC、TN 含量随土层加深均呈逐渐降低趋势。 究其原因主要是由于表层土壤优先获得植物凋落物、根系分泌物、外源添加物等有机物料的输入，并逐步传导至深层土壤，因此表现为表层SOC 和TN 含量高于深层土壤[24]，这与乔鑫鑫等[25]的研究结果相似。 不同土地利用方式下，各土层SOC 含量表现为园地＞草地＞耕地＞荒地，TN 含量表现为草地＞园地＞耕地＞荒地，说明盐碱土壤在人为开发利用后，通过其植物凋落物、根系分泌物和外源肥料等形式提供的碳源和氮源被植物吸收或者分解外，有更多的碳、氮在土壤中积累[26]。 园地和草地的SOC、TN 含量均高于耕地，这是因为园地和草地有较多植物凋落物和根系分泌物，且苜蓿属于豆科植物，与根瘤菌结合具有生物固氮作用，而耕地中生长的作物大部分被收获，只有少量植物体残留在土壤中，且耕作会加快土壤碳、氮元素的分解转化、淋溶和迁移[23]。 总的来说，园地和草地均能有效提高盐碱地土壤碳、氮含量，具有良好的生产潜能，而耕地则需増施有机物料以提高土壤碳、氮含量，维持土壤碳氮库平衡。

土壤团聚体碳、氮含量影响着团聚体的形成，团聚体的组成与稳定性又深刻影响着团聚体碳、氮的利用、固持与矿化[27]。 本研究结果表明，对于团聚体SOC、TN 含量，不同土地利用方式下随土层深度的变化与各土层SOC 和TN 含量的变化一致，各土层＞0.25 mm 粒级的大团聚体均高于＜0.25 mm粒级的微团聚体，这与胥佳忆等[3]的研究结果一致，说明土壤团聚体SOC、TN 含量与土层深度和团聚体粒级均密切相关。 研究发现，土壤团聚体SOC 与TN 含量变化趋于一致，原因可能是土壤碳、氮变化通常相辅相成，各粒级团聚体内氮元素含量随碳元素含量的变化而变化[28]。从各粒级团聚体SOC、TN 贡献率可知，不同土地利用方式下各土层均表现为0.25～2 mm 和0.053～0.25 mm 粒级贡献率较高，分别为59.50%～78.00%和59.34%～75.34%，主要原因是这两个粒级团聚体所占比例较高。 总的来看，草地土壤＞0.25 mm粒级的大团聚体SOC、TN 贡献率最高，而耕地土壤＜0.25 mm 粒级的微团聚体SOC、TN 贡献率最高，究其原因是耕地受人为翻耕影响导致土壤中大团聚体破碎形成微团聚体，而草地根系纵横且覆盖度高，能够较好地保护土壤中大团聚体不被破坏[23]，从而提高土壤大团聚体中SOC、TN 的贡献率。

综上所述，本研究中不同土地利用方式对黄河三角洲盐碱地土壤团聚体组成、稳定性及SOC、TN 含量及其内在机理均产生了一定影响。 不同土地利用方式因人为扰动、农田管理和地表植被不同而异，土壤外源碳、氮的输入量明显不同，进而引起土壤团聚体和碳氮含量的差异。 另外，土壤微生物是形成土壤团聚体最活跃的生物因素[29]，因此进一步研究不同土地利用方式下盐碱地土壤团聚体稳定性及碳氮含量差异，还需监测土壤微生物的响应和变化过程，同时盐碱地土壤pH 值和盐分含量等指标的变化对团聚体的影响也需进一步探究，进而更全面揭示不同土地利用方式下黄河三角洲盐碱地土壤团聚体结构特征、碳氮含量及影响机制。

4 结论

本研究以黄河三角洲农业高新技术产业示范区为研究区域，分析了4 种不同土地利用方式对盐碱地土壤团聚体分布、稳定性及相关碳氮含量的影响。 主要研究结论如下:

(1)不同土地利用方式下，各土层水稳性团聚体组分的百分含量随粒级的减小呈先增加后降低的趋势，均以0.25～2 mm 和0.053～0.25 mm 粒级为主，＞2 mm 粒级团聚体占比最低，且不同粒级均以草地土壤占比最高。

(2)不同土地利用方式下，各土层水稳性团聚体MWD、GMD 和R0.25均以草地和荒地较大、耕地最小，D 值均以园地和草地较小、耕地最大。 总体来看，草地更有利于维持或提高土壤团聚体稳定性，耕地由于受人为干扰导致土壤团聚体稳定性差，进而造成土壤结构退化。

(3)不同土地利用方式下，各土层SOC 含量排序为园地＞草地＞耕地＞荒地，TN 含量排序为草地＞园地＞耕地＞荒地，均随土层加深而降低；各粒级土壤团聚体SOC、TN 含量与各土层SOC 和TN含量排序一致，且均随粒级减小而降低。 各土层0.25～2 mm 和0.053 ～0.25 mm 粒级团聚体对土壤碳、氮贡献率高达59.50%～78.00%和59.34%～75.34%，以园地土壤贡献率最高。 综合来说，草地和园地更有利于黄河三角洲盐碱地土壤团聚体稳定性提高和碳氮养分固持。