馬占龍，肖 雁，黃 娟，韋 慧，楊鈣仁，何鐵光，鄧羽松,3*

電解質(zhì)對(duì)喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響①

馬占龍1，肖 雁1，黃 娟1，韋 慧1，楊鈣仁1，何鐵光2，鄧羽松1,3*

(1 廣西大學(xué)林學(xué)院，廣西森林生態(tài)與保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；2 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530007；3 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410125)

為研究電解質(zhì)對(duì)喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，選取廣西南寧馬山縣3種土地利用石灰土作為研究對(duì)象，分析土壤團(tuán)聚體在不同濃度(0、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 mol/L)電解質(zhì)(NaCl、KCl、MgCl2)溶液中的穩(wěn)定性和破碎過程。結(jié)果表明：①隨著電解質(zhì)溶液濃度增加，團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，團(tuán)聚體粒徑分布中3 ～ 5 mm的粒徑組分減少，<0.25 mm粒徑組分增加，電解質(zhì)濃度>0.10 mol/L后團(tuán)聚體穩(wěn)定性緩慢降低，不同電解質(zhì)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響表現(xiàn)為：NaCl>KCl>MgCl2。②在破碎試驗(yàn)中的第1 min內(nèi)大部分團(tuán)聚體產(chǎn)生破碎，電解質(zhì)溶液中的團(tuán)聚體破碎速率明顯快于純水中。③基于MWD值引入的“團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)”研究表明，土壤團(tuán)聚體在受電解質(zhì)干擾下動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性高低在不同用地類型中依次表現(xiàn)為：柑橘園、桉樹林、坡耕地。綜上，電解質(zhì)顯著影響喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，且隨著電解質(zhì)濃度的增加團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸降低。該研究結(jié)果可為喀斯特地區(qū)土壤侵蝕防治提供理論依據(jù)。

電解質(zhì)；團(tuán)聚體穩(wěn)定性；石灰土；喀斯特

西南地區(qū)是我國(guó)喀斯特分布面積最大以及生態(tài)最脆弱區(qū)之一。由于該地區(qū)位于溫暖潮濕的熱帶、亞熱帶，強(qiáng)烈的喀斯特作用使該地區(qū)廣泛發(fā)育形成典型的峰叢、峰林等地貌[1-3]?？λ固氐貐^(qū)地貌環(huán)境的崎嶇破碎和土壤的淺薄且不連續(xù)等因素，導(dǎo)致該地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱[4-5]。并且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)土地不合理的開發(fā)利用造成喀斯特地區(qū)人地矛盾愈發(fā)突出[6-7]，各種不科學(xué)的耕作模式和非可持續(xù)性的經(jīng)營(yíng)管理方式并存，進(jìn)而使該地區(qū)產(chǎn)生嚴(yán)重的水土流失、石漠化等問題[8]。

團(tuán)聚體作為土壤的基本單元，對(duì)于維持土壤質(zhì)量、優(yōu)化土壤結(jié)構(gòu)等具有重要意義[9]。團(tuán)聚體穩(wěn)定性作為評(píng)價(jià)土壤侵蝕的重要指標(biāo)，微觀上與土壤機(jī)械組成、有機(jī)碳、土壤溶質(zhì)等因素密切相關(guān)，宏觀上則受土地利用方式、植被類型、氣候環(huán)境等因素的影響[10-11]。土壤溶質(zhì)組成及其濃度是對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的重要因素。Le Bissonnais[12]研究表明，多價(jià)陽離子對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，單價(jià)陽離子則有很強(qiáng)的消散作用。電解質(zhì)中陽離子濃度是控制黏粒分散或絮凝的主要因素之一[13-14]。陳忠柳等[15]研究發(fā)現(xiàn)，Na+、K+、Ca2+、Mg2+是喀斯特地區(qū)土壤中存在的主要陽離子類型，其中Ca2+的含量遠(yuǎn)高于Mg2+。石灰性土壤中Ca2+和Mg2+對(duì)土壤的消散作用相近[13]。根據(jù)電解質(zhì)與團(tuán)聚體相關(guān)的理論，土壤在高濃度的Ca2+條件下，Ca2+含量發(fā)生少量的變化不易對(duì)團(tuán)聚體產(chǎn)生顯著影響[15]。土壤中適量K+、Mg2+等離子的存在有助于植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量提升，但過量使用各種化肥、農(nóng)藥和用鹽堿水灌溉等，導(dǎo)致的土壤電解質(zhì)種類和濃度大幅增加會(huì)破壞土壤溶液中的電解質(zhì)平衡，進(jìn)而影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，甚至?xí)斐煽λ固氐貐^(qū)土壤侵蝕和退化的加劇[15]?？λ固赝寥乐蠳a+、K+、Mg2+等主要電解質(zhì)的類型及濃度變化，對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響以及團(tuán)聚體穩(wěn)定性的具體變化規(guī)律尚不明確。由于電解質(zhì)本身的微觀性和作用的隱蔽性，加之喀斯特石灰土地區(qū)農(nóng)林耕作用地的碎片化，使得該地區(qū)農(nóng)林生產(chǎn)中電解質(zhì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的影響常被忽視，同時(shí)該地區(qū)土壤侵蝕的防治措施也缺乏該方面的理論支持。

因此，本研究以喀斯特地區(qū)石灰土為研究對(duì)象，以不同濃度的3種電解質(zhì)溶液(NaCl、KCl、MgCl2)處理土壤團(tuán)聚體，研究電解質(zhì)類型和濃度對(duì)喀斯特土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，以明確電解質(zhì)溶液條件下喀斯特土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，為喀斯特石灰土地區(qū)農(nóng)林生產(chǎn)和水土保持工作提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

供試土樣于2021年6月采自廣西南寧馬山縣典型的喀斯特地貌區(qū)(108°27′ E ～ 108°31′ E，23°62′ N ～ 23°64′ N)，本研究選擇縣內(nèi)3種典型的石灰土用地類型(坡耕地、柑橘園、桉樹林)進(jìn)行采樣。該縣位于南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫21.2 ℃，年平均無霜期362 d，年均日照時(shí)長(zhǎng)約1 479 h，雨熱同期，年均降水量約1 693 mm，降水多集中在夏季。在各樣地選擇有代表性的區(qū)域設(shè)置3個(gè)面積為20 m × 20 m樣方，采集表層土壤(0 ～ 20 cm土層)作為樣品，每種用地類型設(shè)置3個(gè)重復(fù)。土樣自然風(fēng)干去除雜物后，研磨過篩，裝自封袋儲(chǔ)藏備用。同時(shí)采集原狀土樣用于團(tuán)聚體穩(wěn)定性分析，并用塑料盒盛裝運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，風(fēng)干后沿自然裂縫掰開為10 mm 左右土塊，儲(chǔ)藏備用。

1.2 土壤基本性質(zhì)測(cè)定

采用常規(guī)分析方法測(cè)定土壤基本性質(zhì)[16]。土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定，并按美國(guó)農(nóng)部制劃分標(biāo)準(zhǔn)分為砂粒(0.05 ～ 2 mm)、粉粒(0.002 ～ 0.05 mm)和黏粒(<0.002 mm)3個(gè)粒級(jí)；有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；pH測(cè)定采用電極法，土水質(zhì)量比為1∶2.5。供試土壤的部分基本性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

注：同列不同小寫字母表示不同用地類型間差異顯著(0.05)，下同。

1.3 Le Bissonnais法測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

采用Le Bissonais法(下文中簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)B法)中的快速濕潤(rùn)法(FW)、慢速濕潤(rùn)法(SW)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩法(WS)測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性[12]。將掰開的原狀土樣進(jìn)行篩分獲取粒徑3 ～ 5 mm的團(tuán)聚體并風(fēng)干，然后將團(tuán)聚體置于40 ℃的烘箱中烘24 h至恒重，分別采用上述3種濕潤(rùn)方法進(jìn)行處理。快速濕潤(rùn)法：稱取5 g團(tuán)聚體，在燒杯中用純水浸沒10 min；慢速濕潤(rùn)法：稱取10 g團(tuán)聚體并均勻鋪于張力–0.3 kPa的濾紙上靜置并完全濕潤(rùn)30 min；預(yù)濕潤(rùn)振蕩法：稱取5 g團(tuán)聚體，加入盛有酒精的燒杯中浸沒并靜置10 min后，吸出酒精，并轉(zhuǎn)移至盛有純水的錐形瓶中，塞緊瓶塞上下顛倒20次后靜置30 min并去除水。3種處理后的團(tuán)聚體用95% 的酒精洗入50 μm篩孔的篩子中，在酒精中上下均勻振蕩20次(振幅約2 cm)，將篩網(wǎng)上的團(tuán)聚體顆粒用酒精沖洗至鋁盒，吸出上清液后，在40 ℃的烘箱中烘干至恒重，再用3、2、1、0.5、0.25 mm的套篩進(jìn)行干篩分篩，稱取各粒級(jí)破碎團(tuán)聚體的質(zhì)量，再分別計(jì)算平均重量直徑(MWD)，每個(gè)處理重復(fù)3個(gè)平行。通過相對(duì)消散指數(shù)(RSI)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)(RMI)[12,17]評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體對(duì)消散作用和機(jī)械破碎作用的敏感程度。

式中：MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑，mm；為篩子個(gè)數(shù)；為篩分出來第級(jí)團(tuán)聚體的平均直徑，mm；為第級(jí)粒徑范圍團(tuán)聚體質(zhì)量占土壤樣品干重的百分?jǐn)?shù)，%。

式中：MWDFW、MWDSW和MWDWS分別為快速濕潤(rùn)、慢速濕潤(rùn)和預(yù)濕潤(rùn)振蕩3種處理的MWD值，RSI、RMI為相對(duì)消散指數(shù)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)，%。

1.4 電解質(zhì)溶液條件下測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

參考LB法中的快速濕潤(rùn)法，采用不同濃度(0、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 mol/L)的電解質(zhì)(NaCl、KCl、MgCl2)溶液對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行處理。該試驗(yàn)具體操作中，除浸泡團(tuán)聚體的液體由純水換成不同類型和不同濃度的電解質(zhì)溶液外，其他操作與LB法中的快速濕潤(rùn)法相同，最后稱取各粒級(jí)破碎團(tuán)聚體的質(zhì)量，并分別計(jì)算MWD值。

對(duì)于團(tuán)聚體隨時(shí)間的破碎情況進(jìn)行電解質(zhì)溶液中的團(tuán)聚體破碎試驗(yàn)。具體過程為：取10粒(3 ～ 5 mm)均勻的團(tuán)聚體置于3 mm孔徑的篩子上方，緩慢浸沒于各濃度(0、0.05、0.10、0.20 mol/L)的3種電解質(zhì)溶液中，根據(jù)團(tuán)聚體破碎情況隨時(shí)間變化記錄不同時(shí)長(zhǎng)(5、10、30 s，1、2、5、10 min)中團(tuán)聚體的破碎數(shù)量。團(tuán)聚體穩(wěn)定度采用指標(biāo)AS表示，即濕潤(rùn)過程中完整團(tuán)聚體的個(gè)數(shù)占試驗(yàn)團(tuán)聚體總數(shù)的比值。

1.5 基于MWD值的團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算

本研究在MWD值的基礎(chǔ)上引入“團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)(dynamic stability index for aggregates，DSIA)”這一概念：在進(jìn)行基于某一影響因子的分組梯度的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究時(shí)，通過各梯度分組團(tuán)聚體的MWD值的平均值、極值及極差之間的關(guān)系來反映其整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的指標(biāo)，即團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)。

即

式中：DSIA為團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)；1、2…為各分組處理的MWD值，mm；max為分組處理中最大MWD值，mm；min為分組處理中最小MWD值，mm；為分組處理的組數(shù)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和IBM SPSS Statistics 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin 8.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 LB法下團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

采用LB法測(cè)定的各用地類型土壤團(tuán)聚體MWD值均表現(xiàn)為：MWDSW>MWDWS>MWDFW，其中1.05 mm

表2 LB法下團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

注：表中MWDFW、MWDSW和MWDWS分別為快速濕潤(rùn)法、慢速濕潤(rùn)法和預(yù)濕潤(rùn)振蕩法處理?xiàng)l件下的團(tuán)聚體平均重量直徑；RSI和RMI分別為相對(duì)消散指數(shù)和相對(duì)機(jī)械破碎指數(shù)。

2.2 電解質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

2.2.1 土壤團(tuán)聚體MWD變化特征 如圖1所示，坡耕地、柑橘園和桉樹林3種石灰土用地類型的土壤團(tuán)聚體MWD值對(duì)3種電解質(zhì)溶液濃度變化的響應(yīng)規(guī)律相似，均表現(xiàn)為隨電解質(zhì)溶液濃度的增加而減小，當(dāng)電解質(zhì)溶液濃度增加到一定值后MWD值的變化逐漸減小。其中，受電解質(zhì)溶液濃度變化影響最強(qiáng)烈的坡耕地土壤團(tuán)聚體，在0 ～ 0.10、0.10 ～ 0.20、0.20 ～ 1.00 mol/L的NaCl溶液濃度變化范圍內(nèi)，MWD值隨濃度的變化率分別為：2.52、0.86、0.15(MWD的變化率：在電解質(zhì)溶液某個(gè)濃度變化范圍內(nèi)，MWD值在電解質(zhì)的單位濃度內(nèi)的變化量)。從MWD值在電解質(zhì)溶液不同濃度范圍內(nèi)的變化率可以看出，土壤團(tuán)聚體在0 ～ 0.10 mol/L的電解質(zhì)溶液中MWD變化率是在0.20 ～ 1.00 mol/L的電解質(zhì)溶液中的10倍以上。坡耕地土壤團(tuán)聚體在其他電解質(zhì)溶液中也有相似的規(guī)律，表明團(tuán)聚體穩(wěn)定性的減弱主要發(fā)生在電解質(zhì)溶液0 ～ 0.10 mol/L濃度范圍內(nèi)?？傮w上電解質(zhì)溶液濃度小于0.10 mol/L時(shí)，濃度變化對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性影響非常顯著(0.05)，大于0.10 mol/L時(shí)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響大幅減弱，最終隨濃度增加而逐漸趨向緩慢。在各電解質(zhì)溶液中，從3種用地類型土壤團(tuán)聚體MWD值的下降幅度可以看出，電解質(zhì)溶液的濃度變化對(duì)坡耕地土壤團(tuán)聚體的作用最明顯，柑橘園和桉樹林土壤團(tuán)聚體MWD值隨電解質(zhì)濃度變化較小，同時(shí)各用地類型土壤團(tuán)聚體均在NaCl溶液中MWD值降幅最大，在MgCl2溶液中MWD值降幅最小。說明3種用地類型土壤團(tuán)聚體中柑橘園和桉樹林土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性較好，而坡耕地土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較差。

圖1 電解質(zhì)溶液中團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.2.2 土壤團(tuán)聚體粒徑分布特征 如圖2所示，電解質(zhì)溶液濃度變化對(duì)土壤團(tuán)聚體破碎后的粒徑分布具有顯著影響。在0 ～ 0.10 mol/L的濃度變化范圍內(nèi)，經(jīng)過不同電解質(zhì)處理，各用地類型土壤團(tuán)聚體的粒徑分布隨濃度的變化最為劇烈；在0.10 ～ 0.20 mol/L的濃度變化范圍內(nèi)，團(tuán)聚體粒徑分布的變化趨于緩慢；而在大于0.20 mol/L的濃度變化范圍內(nèi)團(tuán)聚體粒徑分布趨向穩(wěn)定。不同電解質(zhì)對(duì)同一用地類型團(tuán)聚體粒徑分布的作用大致相似，同一電解質(zhì)對(duì)不同用地類型的土壤團(tuán)聚體粒徑分布的作用差異較大。

坡耕地土壤團(tuán)聚體破碎后，在不同濃度的各電解質(zhì)中表現(xiàn)為，0.5 ～ 5 mm粒徑組分整體上隨電解質(zhì)濃度的增加而減小，而<0.5 mm粒徑組分隨電解質(zhì)濃度的增加而增加，其中3 ～ 5、2 ～ 3 mm粒徑組分含量顯著低于其他粒徑組分(<0.05)，0.25 ～ 0.5、<0.25 mm粒徑組分含量在電解質(zhì)濃度>0.10 mol/L時(shí)明顯高于其他粒徑組分，<0.25 mm微團(tuán)聚體組分含量隨電解質(zhì)濃度變化最顯著；當(dāng)各電解質(zhì)濃度從0增加到1.00 mol/L時(shí)，<0.25、0.25 ～ 0.5 mm粒徑組分含量顯著增加(<0.05)，可見坡耕地土壤團(tuán)聚體對(duì)電解質(zhì)濃度變化非常敏感。柑橘園和桉樹林土壤團(tuán)聚體破碎后，3 ～ 5 mm粒徑組分隨電解質(zhì)濃度的增加而減少，0.25 ～ 0.5、<0.25 mm粒徑組分隨電解質(zhì)濃度的增加而增加。其中，柑橘園土壤團(tuán)聚體3 ～ 5 mm粒徑組分在各電解質(zhì)濃度<0.10 mol/L時(shí)含量最大，且在該濃度范圍內(nèi)該粒徑組分隨著電解質(zhì)濃度的增加而減少，<0.25 mm的微團(tuán)聚體含量隨電解質(zhì)濃度的增加而增加，但整體上均處于較低水平；桉樹林土壤團(tuán)聚體3 ～ 5、2 ～ 3 mm粒徑組分含量顯著低于其他粒徑組分(<0.05)，可見桉樹林土壤大團(tuán)聚體含量相對(duì)較少?？傮w上，隨著電解質(zhì)濃度的增大，3種用地類型中3 ～ 5 mm粒徑組分的大團(tuán)聚體含量均顯著降低(<0.05)，而<0.25 mm的微團(tuán)聚體組分含量均顯著增加(<0.05)。

圖2 土壤團(tuán)聚體破碎粒徑分布

2.2.3 電解質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體破碎過程的影響 電解質(zhì)不僅影響土壤團(tuán)聚體MWD和粒徑分布，同時(shí)對(duì)團(tuán)聚體的破碎過程也存在顯著影響。土壤團(tuán)聚體在電解質(zhì)溶液中的破碎量及破碎速率均顯著大于純水中(圖3)，如桉樹林土壤團(tuán)聚體浸潤(rùn)于純水和3種濃度(0.05、0.10和0.20 mol/L)的KCl溶液中，在試驗(yàn)開始后的1 min內(nèi)團(tuán)聚體穩(wěn)定度分別下降到73.3%、53.3%、60.0% 和60.0%，從第2 min開始團(tuán)聚體的破碎量逐漸趨緩，10 min后團(tuán)聚體穩(wěn)定度最終分別保持在50.0%、37.7%、33.3% 和37.7%。土壤團(tuán)聚體在純水中的破碎速率明顯慢于電解質(zhì)溶液中，且穩(wěn)定度也高于電解質(zhì)溶液中。柑橘園土壤團(tuán)聚體浸潤(rùn)于純水和不同濃度電解質(zhì)溶液后，團(tuán)聚體的穩(wěn)定度和破碎速率與桉樹林土壤團(tuán)聚體規(guī)律相近。坡耕地土壤團(tuán)聚體浸潤(rùn)于各電解質(zhì)溶液后，在浸潤(rùn)前期團(tuán)聚體穩(wěn)定度隨浸潤(rùn)時(shí)間迅速降低，在浸潤(rùn)于純水、KCl、NaCl和MgCl2各濃度溶液的1 min內(nèi)團(tuán)聚體穩(wěn)定度平均值分別下降到26.7%、12.2%、21.1% 和16.5%，可見坡耕地土壤團(tuán)聚體的破碎量絕大部分基本在浸潤(rùn)后的第1 min內(nèi)發(fā)生，從第2 min開始團(tuán)聚體穩(wěn)定度基本不再發(fā)生明顯變化，10 min后團(tuán)聚體穩(wěn)定度分別保持在13.3%、4.4%、8.8% 和4.4%。總體而言，加入電解質(zhì)溶液的各用地類型土壤團(tuán)聚體基本均在第1 min內(nèi)完成大部分團(tuán)聚體的破碎，而純水中的團(tuán)聚體破碎速率明顯慢于電解質(zhì)溶液，且達(dá)到穩(wěn)定后的破碎量也明顯小于電解質(zhì)溶液中的團(tuán)聚體，但在本研究涵蓋的0.05 ～ 1.00 mol/L電解質(zhì)溶液濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)濃度的變化對(duì)團(tuán)聚體的破碎量和破碎速率的作用不明顯。

圖3 團(tuán)聚體穩(wěn)定度隨時(shí)間變化規(guī)律

2.2.4 基于MWD值的團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià) 在研究團(tuán)聚體穩(wěn)定性中，通過對(duì)團(tuán)聚體進(jìn)行同一方法的不同分組處理，可以得到在不同處理?xiàng)l件下的團(tuán)聚體穩(wěn)定性和變化趨勢(shì)，如隨著電解質(zhì)溶液濃度的增大或減小，團(tuán)聚體MWD值也表現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢(shì)[14-15]，從而反映出團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律。但目前在研究團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨某個(gè)影響因素的變化而動(dòng)態(tài)變化過程中的穩(wěn)定性時(shí)，并沒有一個(gè)可以定量化的評(píng)判指標(biāo)，同時(shí)對(duì)不同土壤團(tuán)聚體采取相同分組處理時(shí)，不同土壤團(tuán)聚體之間整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性優(yōu)劣也缺乏用以定量評(píng)判的指標(biāo)。團(tuán)聚體分組處理后，對(duì)于該土壤團(tuán)聚體在不同處理下的整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，各分組處理?xiàng)l件下的MWD值可以很好地反映團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的優(yōu)劣和抗干擾能力。在分組處理?xiàng)l件下的MWD值其平均值越大，則團(tuán)聚體在該分組處理?xiàng)l件下的整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好。本研究中，柑橘園土壤團(tuán)聚體各分組MWD值的平均值高于其他兩種土壤，則表明柑橘園土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性也相對(duì)較高(圖4)。同時(shí)各分組處理之間MWD值的極差值與團(tuán)聚體的整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性呈負(fù)相關(guān)(在純水中同一土壤團(tuán)聚體的MWD值相同，因此本研究中極差的相關(guān)計(jì)算從除去純水外的最低濃度，即0.05 mol/L的濃度開始算起)，兩個(gè)極值的平均值與團(tuán)聚體的整體穩(wěn)定性呈正相關(guān)。

圖4 各用地類型土壤團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)

基于上述分析，本研究在MWD值的基礎(chǔ)上引入“團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)”(DSIA)來反映其整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。通過對(duì)不同用地類型團(tuán)聚體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定指數(shù)計(jì)算可以得出，電解質(zhì)溶液對(duì)不同土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響存在顯著差異，各土壤團(tuán)聚體的整體動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性指數(shù)表現(xiàn)為：柑橘園>桉樹林>坡耕地，各土壤團(tuán)聚體對(duì)NaCl及其濃度變化敏感性最強(qiáng)，對(duì)KCl敏感性次之，對(duì)MgCl2及其濃度變化的敏感性最弱。

3 討論

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中的施肥和灌溉等活動(dòng)，會(huì)直接或間接改變土壤中的電解質(zhì)種類和濃度，進(jìn)而改變團(tuán)聚體穩(wěn)定性[14]。Le Bissonnais[12]在有關(guān)團(tuán)聚體崩解理論中認(rèn)為，團(tuán)聚體在溶液中的破壞形式主要有4種：消散作用、機(jī)械外力作用、土壤礦物濕潤(rùn)后非均勻膨脹作用和物理化學(xué)驅(qū)散作用。土壤團(tuán)聚體快速濕潤(rùn)時(shí)的消散作用，比慢速濕潤(rùn)的膨脹作用對(duì)土壤團(tuán)聚體的破壞作用更強(qiáng)[18]，消散作用產(chǎn)生的破碎顆粒粒徑相對(duì)較小，破碎粒徑的尺寸隨著黏粒含量減少而減小[12]。本研究中，石灰土團(tuán)聚體進(jìn)行快速濕潤(rùn)時(shí)，在無外力作用下，團(tuán)聚體在溶液中產(chǎn)生的破壞形式主要為消散作用，即在濕潤(rùn)過程中，團(tuán)聚體內(nèi)的閉蓄空氣被壓縮并爆破外逸而導(dǎo)致團(tuán)聚體的分解[19-20]。研究表明，NaCl等無機(jī)鹽溶液隨濃度增加其表面張力也會(huì)隨之增大[21]，說明溶液表面張力對(duì)溶液浸入團(tuán)聚體的動(dòng)力特征產(chǎn)生重要影響。隨著電解質(zhì)溶液濃度增大，溶液浸入團(tuán)聚體的速率也加快[22]，并在團(tuán)聚體內(nèi)的閉蓄空氣被壓縮而爆破的作用下使團(tuán)聚體快速破碎，所以快速濕潤(rùn)時(shí)電解質(zhì)溶液濃度的增加，會(huì)從溶液入滲速率和團(tuán)聚體內(nèi)閉蓄空氣的壓縮爆破等方面加劇團(tuán)聚體的消散作用，并使團(tuán)聚體破碎為更小粒徑的團(tuán)聚體[22]，從而降低團(tuán)聚體穩(wěn)定性。但從MWD值的變化中可以發(fā)現(xiàn)，破碎團(tuán)聚體的粒徑并不會(huì)無限制地減小，在電解質(zhì)溶液濃度增加到0.10 mol/L后破碎團(tuán)聚體的粒徑變化逐漸減弱，這可能是由于大團(tuán)聚體局部相對(duì)松散、凝聚不緊密，破碎后的微小團(tuán)聚體顆粒內(nèi)的閉蓄空氣占比減小，微小團(tuán)聚體內(nèi)的有機(jī)質(zhì)、黏粒含量等因子對(duì)團(tuán)聚體的保護(hù)作用減弱或抵消了消散作用，從而使團(tuán)聚體不再繼續(xù)破碎。電解質(zhì)溶液對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用存在一個(gè)臨界點(diǎn)，有研究認(rèn)為該臨界點(diǎn)濃度為0.10 mol/L[12]，本研究結(jié)果與該結(jié)論基本相似。眾多研究表明，pH和有機(jī)質(zhì)含量同樣是影響團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要因素[23-25]，土壤pH過高或過低均對(duì)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響[23]。本研究中，在相同處理?xiàng)l件下，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤，其團(tuán)聚體MWD值也越高；土壤pH呈弱堿性的柑橘園和桉樹林團(tuán)聚體MWD值高于pH值呈弱酸性的坡耕地土壤團(tuán)聚體。桉樹林土壤有機(jī)質(zhì)含量略高于柑橘園土壤，但桉樹林土壤團(tuán)聚體MWD值小于柑橘園土壤團(tuán)聚體，這可能是由于桉樹林土壤pH偏高，同時(shí)土壤黏粒含量偏低所導(dǎo)致。總體上，在其他條件或因素相同或相近的情況下，有機(jī)質(zhì)含量高的土壤團(tuán)聚體，其在電解質(zhì)溶液中的消散作用相對(duì)較弱，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性也較高，如柑橘園和桉樹林土壤有機(jī)質(zhì)含量明顯高于坡耕地，在相同電解質(zhì)溶液濃度條件下其MWD值也大于坡耕地。

研究表明，電解質(zhì)溶液對(duì)坡耕地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響最為顯著，對(duì)柑橘園土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的作用最微弱，產(chǎn)生這種結(jié)果主要在于柑橘園土壤受干擾相對(duì)較少，枯枝落葉等有機(jī)物的大量存在和微生物活動(dòng)改善了土壤質(zhì)量，因?yàn)橛袡C(jī)碳和黏粒等可以顯著提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性[24]。有研究表明，桉樹對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收明顯大于其他樹種，并隨著樹齡增長(zhǎng)其對(duì)土壤有機(jī)碳等的消耗也越大[25]，造成桉樹林地力減退，從而使團(tuán)聚體穩(wěn)定性也受到影響；而喀斯特地區(qū)的坡耕地由于土壤自身抗干擾能力弱等特性，和過度開發(fā)利用等因素使土壤越發(fā)貧瘠[2]，使其團(tuán)聚體更為脆弱和不穩(wěn)定，這種脆弱性導(dǎo)致坡耕地土壤團(tuán)聚體對(duì)各種電解質(zhì)的敏感度也遠(yuǎn)高于其他用地類型。

各用地類型土壤團(tuán)聚體對(duì)NaCl的敏感度最強(qiáng)，其次對(duì)KCl敏感度相對(duì)較強(qiáng)，而對(duì)MgCl2敏感度最弱。Na+、K+、Mg2+等陽離子在灌溉、施肥等生產(chǎn)活動(dòng)中被大量引入土壤中，使土壤中的電解質(zhì)溶液濃度被改變，從而對(duì)團(tuán)聚體以及土壤質(zhì)量產(chǎn)生影響[23,26]。土壤中的電解質(zhì)濃度增加而引起的團(tuán)聚體穩(wěn)定性的降低和黏粒分散性的增加，容易造成土壤有機(jī)質(zhì)含量降低[26-28]，同時(shí)也會(huì)使土壤孔隙度和土壤持水能力受不良影響[29]，進(jìn)而降低土壤質(zhì)量和生產(chǎn)力。隨著電解質(zhì)濃度升高，團(tuán)聚體破碎為更小粒徑的顆粒，在坡耕地等石灰土地表上，灌溉或降雨使大團(tuán)聚體破碎為更細(xì)小的顆粒，并導(dǎo)致地表滲透率降低形成徑流而增加土壤侵蝕[30]，所以Na+等陽離子的富集會(huì)促進(jìn)或加劇土壤侵蝕的發(fā)生，尤其在生態(tài)脆弱的喀斯特石灰土地區(qū)，電解質(zhì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響更應(yīng)該引起高度重視。在農(nóng)林生產(chǎn)中，首先應(yīng)科學(xué)合理且有節(jié)制地使用化肥、農(nóng)藥等物品，避免濫用引起的各類電解質(zhì)在土壤中過度富集造成土壤結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)應(yīng)提高灌溉水的水質(zhì)，減少甚至避免使用鹽堿水或受污染的水源，減輕土地鹽堿化的風(fēng)險(xiǎn)，以實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)與作物收獲的平衡與可持續(xù)。

4 結(jié)論

電解質(zhì)溶液濃度顯著影響石灰土團(tuán)聚體穩(wěn)定性，隨著電解質(zhì)溶液濃度增加，團(tuán)聚體MWD值先快速減小，電解質(zhì)溶液濃度大于0.10 mol/L后，MWD值緩慢減小。隨著電解質(zhì)溶液濃度的增大，3種用地類型的團(tuán)聚體粒徑分布中，3 ～ 5 mm粒徑組分的大團(tuán)聚體含量均顯著降低，<0.25 mm粒徑組分的微團(tuán)聚體含量均顯著增加。加入電解質(zhì)溶液的各用地類型土壤團(tuán)聚體基本在第1 min內(nèi)完成大部分團(tuán)聚體的破碎，純水中的團(tuán)聚體破碎速率明顯慢于電解質(zhì)溶液中，達(dá)到穩(wěn)定后的破碎量也明顯少于電解質(zhì)溶液中。在一定濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)溶液濃度的變化對(duì)團(tuán)聚體的破碎量和破碎速率的作用不明顯?？刂齐娊赓|(zhì)在土壤中的過量富集，可以促進(jìn)喀斯特地區(qū)農(nóng)林發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)與可持續(xù)。

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Effects of Electrolytes on Stability of Soil Aggregates in Karstic Limestone Areas

MA Zhanlong1, XIAO Yan1, HUANG Juan1, WEI Hui1, YANG Gairen1, HE Tieguang2, DENG Yusong1,3*

(1 Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology and Conservation, College of Forestry, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2 Guangxi Key Laboratory of Arable Land Conservation, Agricultural Resources and Environment Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, China; 3 Key Laboratory of Agro-ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China)

In order to explore the effects of electrolytes on the stability of soil aggregates in karst areas, limestone soils under three land-use types (citrus groves, eucalyptus plantations and sloping cultivated land) from Mashan County, Nanning, Guangxi, were selected as research objects to analyze the stability and fragmentation process of soil aggregates at various concentrations of (0, 0.05, 0.10, 0.20, 0.50, 1.00 mol/L) electrolyte (NaCl, KCl, MgCl2) solutions. The results showed that: 1) The stability of the aggregates decreased as the concentration of the electrolyte solution increased. The particle size distribution of the aggregates decreased in the range of 3–5 mm and increased in the range of <0.25 mm. The stability of the aggregates decreased slowly after the electrolyte concentration >0.10 mol/L. The influences of different electrolytes on the stability of aggregates were: NaCl>KCl>MgCl2. 2) Most of soil aggregates in the fragmentation experiment were fragmented within the first minute, and the rate of aggregate breaking in electrolyte solutions was significantly faster than in pure water. 3) The study of the “Dynamic Stability Index of Aggregates” based on MWD values showed that the dynamic stability of soil aggregates when disturbed by electrolytes was higher or lower in the following order for different land types: citrus groves, eucalyptus forests and sloping arable land. In summary, electrolytes significantly affected the stability of karst soil aggregates, and the stability of soil aggregates gradually was decreased with the increase of electrolytes concentration. The results of the study can provide a theoretical basis for soil erosion control in karst areas.

Electrolytes; Aggregate stability; Limestone soils; Karst

S157

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.03.017

馬占龍, 肖雁, 黃娟, 等. 電解質(zhì)對(duì)喀斯特地區(qū)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響. 土壤, 2023, 55(3): 596–604.

中央引導(dǎo)地方發(fā)展資金項(xiàng)目(桂科 ZY21195016)，中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2021 M703473)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(32160284)資助。

(denny2018@gxu.edu.cn)

馬占龍(1994—)，男，甘肅東鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗帘３峙c生態(tài)恢復(fù)。E-mail: mind12589@163.com