长期耕作对喀斯特坡耕地土壤团聚体稳定性及迁移机制的影响研究

《International Soil and Water Conservation Research》：Effects of Long-Term Cultivation on Soil Aggregate Stability and Transport processes in Karst Sloping Cropland of Southwest China

本研究针对西南喀斯特地区坡耕地因长期耕作导致的土壤结构退化与侵蚀加剧问题，系统探讨了不同耕作年限（2-30年）下土壤团聚体稳定性、迁移特性及其与土壤理化性质的关系。结果表明，长期耕作显著降低土壤有机碳（SOC）、阳离子交换容量（CEC）和黏粒含量，导致>2 mm团聚体比例下降41.10%，平均重量直径（MWD）降低50.70%，土壤可蚀性（K因子）增加5.20%。集中水流冲刷实验进一步揭示团聚体在迁移过程中发生显著破碎，>5 mm团聚体含量最大降幅达58.38%。随机森林和结构方程模型证实SOC、pH、CEC和黏粒含量是调控团聚体稳定性的关键因子。该研究为喀斯特坡耕地水土流失治理提供了科学依据。

　　

在我国西南喀斯特地区，坡耕地是重要的农业生产资源，但脆弱的生态环境和独特的地质背景使其极易发生水土流失和石漠化。长期耕作活动会破坏土壤结构，加速养分流失，导致土地生产力下降。这一区域土壤形成速率极低，生态系统恢复缓慢，使得土壤成为极其珍贵且易受损的资源。随着人口增长和耕地资源压力加大，农民不断开垦坡地用于农业，使得坡耕地耕作成为普遍现象。然而，耕作在保障作物产量的同时，也会破坏土壤结构，改变植物生长的生物物理环境，加速土壤退化。这些影响在喀斯特景观中尤为突出，其独特的"双三维"地质框架和高土壤异质性形成了复杂的空间配置，加剧了生态脆弱性和敏感性。因此，研究长期耕作对喀斯特坡耕地土壤团聚体稳定性和迁移机制的影响，对于控制该地区水土流失、维护生态安全具有重要意义。

近日，发表在《International Soil and Water Conservation Research》上的一项研究，通过系统分析不同耕作年限下喀斯特坡耕地土壤的理化性质、团聚体稳定性及其迁移特征，揭示了长期耕作对土壤结构的负面影响机制。该研究由广西大学亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室的团队完成，为喀斯特地区坡耕地可持续管理提供了重要科学支撑。

研究人员采用了多种实验方法开展此项研究。通过湿筛法和Le Bissonnais（LB）法测定土壤团聚体稳定性，使用集中水流冲刷模拟装置研究团聚体迁移破碎特性，结合傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析土壤有机碳功能组成，运用随机森林模型和结构方程模型（SEM）解析各因子对团聚体稳定性的影响权重和路径。研究选取了连续耕作2、8、13、18、25和30年的喀斯特坡耕地土壤样品（钙质雏形土），系统监测了土壤理化性质、团聚体分布特征及其在径流作用下的迁移破碎过程。

土壤理化性质变化特征

随着耕作年限增加，土壤有机碳（SOC）从37.33 g·kg^-1降至17.02 g·kg^-1，阳离子交换容量（CEC）降低39.04%，黏粒含量从44.89%降至35.53%，砂粒含量从19.37%增至28.90%。土壤pH在6.57-7.06之间，呈弱酸性。容重最高出现在13年耕作地块（1.23 g·cm^-3），最低为30年地块（1.16 g·cm^-3）。游离铁氧化物（Fe_d）含量随耕作年限增加而下降，表明土壤胶结物质减少。FTIR分析显示，随着耕作年限延长，土壤有机碳中多糖类成分比例下降，酚醛碳和芳香碳比例上升，有机碳化学稳定性降低。

土壤团聚体稳定性特征

湿筛法结果表明，长期耕作导致>2 mm团聚体比例显著下降（降幅41.10%），而0.25-0.1 mm和<0.1 mm组分增加。平均重量直径（MWD）从2.27 mm降至1.12 mm，几何平均直径（GMD）总体下降0.28 mm，土壤可蚀性（K因子）值从0.0319增至0.0335。LB法分析显示，快速湿润（FW）处理对团聚体破坏最严重，MWD_FW从2.17 mm降至1.24 mm；慢速湿润（SW）处理影响最小，MWD_SW仅降低0.58 mm。相对消散指数（RSI）从13.55增至35.59，相对机械破碎指数（RMI）从2.49增至7.81，表明长期耕作加剧了团聚体对消散和机械作用的敏感性。

团聚体迁移破碎特性

集中水流冲刷实验表明，随着迁移距离增加，>5 mm团聚体含量持续下降，5-2 mm组分显著增加，呈现"双峰分布"特征。在20°坡度下，30年耕作土壤的>5 mm团聚体比例最大降幅达58.38%。MWD随迁移距离增加而降低，在72 m迁移距离时，30年耕作土壤的MWD降幅最大（2.04 mm）。团聚体残留质量比（W_r/W_i）随耕作年限和迁移距离增加而降低，剥离系数（α）随迁移距离呈抛物线变化，在20°坡度下α值显著高于10°坡度。

影响因素机制分析

相关性分析表明，MWD、GMD与pH、SOC、CEC、黏粒含量和Fe_d呈显著正相关，与非毛管孔隙度（NCP）和砂粒含量呈显著负相关。随机森林模型显示，对W_r/W_i影响最大的因素是黏粒含量，其次是pH和SOC；对α值影响最大的是SOC、CEC、砂粒含量和pH；对团聚体稳定性（MWD）影响最大的是砂粒含量、pH和Fe_d。结构方程模型揭示，耕作年限通过改变土壤理化性质间接影响团聚体稳定性，其中SOC是最关键的调控因子。

研究表明，长期耕作通过降低土壤有机碳、阳离子交换容量、黏粒含量和铁氧化物等胶结物质，破坏团聚体结构，增加其对水力侵蚀的敏感性。集中水流作用下，团聚体经历滚动、滑动等迁移方式，与坡面碰撞破碎，形成更小粒径的颗粒。这一过程不仅导致土壤结构退化，还加剧养分流失和水土流失风险。该研究明确了喀斯特坡耕地土壤团聚体稳定性对耕作年限的响应规律，揭示了团聚体迁移破碎的动力学机制，为区域水土保持和土地可持续利用提供了理论依据和实践指导。

未来研究可进一步结合多区域采样和长期定位观测，深入探讨"气候-耕作-团聚体"互作机制，为喀斯特地区生态恢复和农业可持续发展提供更全面的科学支撑。