土壤结构是准确描述土壤肥力和耕地土壤环境状况的重要参数，具有调控土壤中物理、化学和生物过程的功能^[1]。良好的果园土壤结构一般具有较好的持水性、孔隙度和通透性，在果树生长期间起到调节果树根系，提供水、肥、气、热等多方面因素需求的作用^[2-3]。作为土壤结构的基本组成单元，土壤团聚体的含量、分布及稳定性决定土壤侵蚀、压实、板结等物理过程的速度和幅度^[4]。土壤团聚体是由矿物颗粒和有机物在土壤成分的参与下形成的不同尺度大小的多孔结构单元，而有机碳是土壤团聚体形成过程中的主要胶结物质，能提高团聚体之间的团聚度^[5]。稳定的团聚体可对其可矿化有机质进行有效保护，从而免受微生物的分解，但不同粒径团聚体有机碳含量存在明显差异^[6]。有研究表明，团聚体有机碳含量随着粒径的增加而降低，大团聚体比微团聚体含有更多初期不稳定新形成的有机物质^[7-8]。通过减缓大团聚体的破坏或转化有利于大团聚体中更多微团聚体的产生，从而提高团聚体的稳定性和土壤碳的固定^[9]。

成土母质作为土壤形成的物质基础，对土壤的养分状况和物理化学性质产生主要影响，并调控土壤有机碳转化的物理、化学及生物化学过程，导致不同母质土壤中有机碳数量和性质的差异^[10]。Barré等^[11] 研究推测石灰岩、第四纪红土、玄武岩和花岗岩 4 种母质发育的土壤其物理性质和组成的差异不仅会直接对有机碳的矿化过程产生影响，而且还可能通过改变团聚体的粒径分布及有机碳的分布影响土壤对有机物质的保持。王艳玲等^[12]在江西省鹰潭农田生态系统国家野外科学观测站研究指出，成土母质和土地利用方式等外部因素通过改变土壤质地、有机质含量间接影响土壤团聚体的稳定性。果园作为经济林用地，踩踏、翻耕等频繁干扰行为往往会破坏土壤的团聚体结构^[2-3]。随着果园集约化经营水平的逐步提高，弄清不同母质类型发育果园土壤的团粒结构组成和土壤碳库变化特征，对水果产业的可持续发展具有重要的现实指导意义。前人的研究主要集中于果园土壤理化性质、微生物群落结构和凋落物特征等方面^[13-15]，但有关不同成土母质发育的柑橘园土壤团聚体分布及有机碳变化方面研究甚少。因此，选取湖南省永兴县不同成土母质发育的柑橘园旱地土壤作为研究对象，分析土壤团聚体粒径分布和有机碳累积过程，探讨现行果园管理措施下土壤团聚体稳定性及土壤固碳机制，以期为果园生态系统的可持续发展和农业土壤固碳减排研究提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省郴州市永兴县柑橘园种植区 （25°58′—26°29′N，112°43′—113°35′E），属亚热带湿润季风气候，年均气温为 17.6℃，年均降水量为 1417 mm。该县是湖南冰糖橙主产区，现有甜橙种植面积 10733 hm²。2021 年 12 月，选择种植年限相同、地理位置相对集中且施肥情况相似的 5 个柑橘园进行定点调查和采样，土壤类型主要包括板页岩风化物发育的黄泥土、第四纪红色黏土发育的红黄泥、河流沉积物发育的河砂泥、砂砾岩风化物发育的红砂土和石灰岩风化物发育的灰红土。

1.2 土壤样品

在各果园中设置 3 个典型样方（20 m×20 m），每个样区按“S”形布设 5 个采样点，距树冠滴水线内侧 10 cm 的位置采集 0～20 cm 原状土样，大小约为 20 cm×20 cm。在室内将采集的原状土样按土壤自然裂隙掰成直径约 10 mm 的小土团，混合均匀后按四分法采集各层次的混合样。果园土壤基本理化性质见表1。

注：同列数据后不同小写字母表示在 P<0.05 水平上差异显著。下同。

1.3 测定指标与方法

参照 Elliott^[16] 描述的湿筛法分离 <0.053、 0.053～0.25、0.25～2、>2 mm 4 个粒径土壤水稳性团聚体；重铬酸钾容量法测定土壤总有机碳和各粒径团聚体有机碳含量；环刀法测定土壤容重； TYD-2 硬度计测定土壤硬度；吸管法测定土壤机械组成；电位法测定土壤 pH 值，土水比为 1∶2.5^[17]。

1.4 数据处理

利用各粒径团聚体质量数据，计算各粒径团聚体质量百分含量、>0.25 mm 大团聚体含量 （R_0.25）。采用平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、团聚体分形维数（D）和土壤可蚀性 （K）来衡量土壤团聚体稳定性^[2]，计算公式如下：

（1）～（6）式中：m_i 为 i 粒径团聚体质量（g）；$m_{\left(i<{\stackrel{-}{x}}_i\right)}$为粒径小于${\stackrel{-}{x}}_i$的团聚体质量（g）；m_i>0.25 为 >0.25 mm 粒径团聚体质量（g）；m_t 为团聚体总质量（g）；w_i 为 i 粒径团聚体百分含量（%）；${\stackrel{-}{x}}_i$为 i 粒径团聚体的平均直径（mm）；x_max 为最大粒径团聚体的平均直径（mm）。

土壤团聚体有机碳储量和某粒径团聚体有机碳贡献率计算公式如下^[4，18]：

（7）～（8）式中：S_i 为 i 粒径土壤团聚体有机碳储量（t/hm²）；P_i 为 i 粒径土壤团聚体对有机碳贡献率（%）；C_i 为 i 粒径土壤团聚体有机碳含量 （g/kg）；T 为土壤总有机碳含量（g/kg）；Bd 为土壤容重（g/cm³）；H 为土层厚度（20 cm）。

采用 Excel 2013 和 SPSS 24.0 进行数据处理与统计分析，Origin 2019 制图，多重比较采用最小显著差异（LSD）检验。

2 结果与分析

2.1 不同母质发育柑橘园土壤团聚体组成和稳定性特征

2.1.1 土壤团聚体分布特征

一般将 >0.25 mm 团聚体称为土壤大团聚体，其数量与土壤肥力水平呈正相关^[19]。由表2可以看出，不同母质发育的柑橘园土壤团聚体均以 >0.25 mm 的大团聚体为主，介于 85.94%～95.89%； 土壤大团聚体含量从大到小依次为黄泥土 >红黄泥 >灰红土 >红砂土 >河砂泥。其次是 0.25～0.053 mm 微团聚体，在 3.07%～10.09%；微团聚体含量排序依次为红砂土 >河砂泥 >灰红土 >红黄泥 >黄泥土。<0.053 mm 粉粘粒含量均低于 5%，变化趋势为河砂泥 >红砂土 >灰红土 >红黄泥 >黄泥土。表明随着团聚体粒径的减小，柑橘园土壤团聚体含量呈现显著减小的趋势。

注：不同小写字母表示不同土壤类型间存在显著性差异（P<0.05）。下同。

2.1.2 土壤团聚体稳定性分析

由表3 可知，柑橘园土壤团聚体的 MWD 和 GMD 值分布范围为 1.39～1.67 和 1.08～1.52 mm，不同母质发育土壤团聚体的 MWD 排序为：黄泥土 >红黄泥 >灰红土 >红砂土 >河砂泥，其中黄泥土的 MWD 是河砂泥的 1.20 倍。GMD 排序为黄泥土>红黄泥>灰红土>红砂土>河砂泥，这与 MWD 的顺序完全一致，表明平均重量直径和几何平均直径表征的土壤团聚体的稳定性特征具有一致性。不同母质发育柑橘园土壤团聚体的 D 值范围介于 2.38～2.62 mm，排序为：河砂泥 >红砂土 >灰红土 >红黄泥 >黄泥土，差异显著（P<0.05）。果园不同母质发育 K 值的排序为：河砂泥 >红砂土 >灰红土 >红黄泥 >黄泥土。综上可知，黄泥土的平均重量直径和几何平均直径最高，分形维数和土壤可蚀性最低，表明板页岩风化物发育的土壤稳定性最好；河砂泥平均重量直径和几何平均直径最低，分形维数和土壤可蚀性最高，表明河流沉积物发育的土壤稳定性较差。

2.2 不同母质发育柑橘园土壤团聚体有机碳分布特征

2.2.1 土壤团聚体有机碳含量

由表4 可知，成土母质类型对土壤总有机碳含量有显著影响，其中黄泥土的土壤总有机碳含量最高，其次为红黄泥、灰红土、红砂土、河砂泥。在黄泥土、红黄泥和灰红土 3 个土壤中，均以 >2 mm 粒径团聚体中有机碳含量最高；而河砂泥和红砂土两个土壤中，有机碳含量最高的是 0.25～2 mm 粒径团聚体。团聚体中有机碳的积累和分布受成土母质类型的影响显著，除 >2 mm 粒径外，其他粒径都是以红黄泥的团聚体有机碳含量最高，而河砂泥最低。

2.2.2 土壤团聚体有机碳储量

柑橘园土壤团聚体有机碳储量在不同成土母质发育的柑橘园土壤中存在差异（表5）。5 种成土母质发育的土壤总有机碳储量表现为红黄泥 >黄泥土 >河砂泥 >红砂土 >灰红土，灰红土相比红黄泥减少了 15.67%。土壤团聚体中有机碳储量及其比例均随粒径的减小而降低，但各粒径团聚体的有机碳储量及其比例在不同土壤类型中呈现的变化趋势各异，在 >2 mm 团聚体的有机碳储量及其比例中，黄泥土 >红黄泥 >红砂土 >灰红土 >河砂泥，黄泥土中 >2 mm 团聚体有机碳储量的比例提高了 10.27%～26.15%。在 2～0.25 mm 团聚体的有机碳储量中，河砂泥的团聚体有机碳储量是黄泥土的 1.68 倍，且有机碳储量比例提高了 16.44%。在 0.25～0.053 mm 团聚体有机碳储量中，河砂泥 >红砂土 >红黄泥 >灰红土 >黄泥土，各成土母质的有机碳储量比例均低于 10%。在 <0.053 mm 团聚体有机碳储量中，河砂泥最高，黄泥土最低，各土壤之间差异显著。对于各粒径土壤团聚体的有机碳储量比例而言， >0.25 mm 粒径团聚体是土壤团聚体有机碳的主要载体。

2.2.3 土壤团聚体对有机碳的贡献率

由图1 可知，5 种类型土壤中均以 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率最大，<0.053 mm 的贡献率最小，整体表现为团聚体有机碳的贡献率随着团聚体粒径的减小而明显降低，这与团聚体含量分布特征相似。在黄泥土中，与 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率相比，分别高出 2～0.25、0.25～0.053 和 <0.053 mm 粒径 43.76%、63.78% 和 65.07%。在红黄泥中，与 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率相比，分别高出其他 3 个粒径 30.00%、56.20% 和 58.16%。在河砂泥中，与 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率相比，分别高出其他 3 个粒径 5.29%、35.21% 和 38.76%。在红砂土中，与 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率相比，分别高出其他 3 个粒径 31.03%、49.36% 和 53.42%。在灰红土中，与 >2 mm 粒径团聚体有机碳的贡献率相比，分别高出其他 3 个粒径 27.27%、51.54% 和 54.26%。团聚体有机碳的贡献率在不同粒径中差距显著，其中 >2 mm 团聚体在不同类型土壤之间的变化幅度最大，这与各成土母质的团聚体大小分布和各粒径团聚体的有机碳含量有关。

注：不同小写字母表示不同土壤类型间差异显著（P<0.05）。

2.3 柑橘园土壤团聚体与有机碳的关系

2.3.1 土壤团聚体分布与稳定性的相关性

土壤各粒径团聚体质量百分含量与团聚体稳定性指标之间的相关系数如图2 所示。土壤 MWD、GMD 与 >2 mm 团聚体含量呈极显著正相关，与 2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm 的团聚体含量呈极显著负相关。说明 >2 mm 团聚体所占比例越高，MWD 和 GMD 值也越大，而 2～0.25、 0.25～0.053、<0.053 mm 的团聚体含量越高，MWD 和 GMD 值反之越低。土壤 D 值和土壤 K 值与>2 mm 的团聚体含量呈极显著负相关，与 2～0.25、 0.25～0.053、<0.053 mm 团聚体含量成极显著正相关。表明 >2 mm 团聚体含量越大，D 和 K 值越低，2～0.25、0.25～0.053、<0.053 mm 粒径团聚体含量越大，D 和 K 值越大。并且各粒径团聚体含量与团聚体稳定性指标的相关性分析中，均是 >2 mm 团聚体含量的相关系数最大，表明 >2 mm 团聚体含量对团聚体稳定性组成的影响最显著。

注：图中 * 表示相关性显著，** 表示相关性极显著。下同。

2.3.2 土壤团聚体有机碳贡献率与稳定性的相关性

土壤各粒径团聚体有机碳贡献率与团聚体稳定性指标之间的相关系数如图3 所示。>2 mm 团聚体有机碳贡献率与土壤团聚体 MWD（0.95^*）和 GMD （0.90^*）呈显著正相关，与土壤 K 值（-0.92^*）呈显著负相关。0.25～0.053 mm 团聚体有机碳贡献率与土壤团聚体 MWD（-0.99^**）和 GMD（-0.99^**） 呈极显著负相关，与土壤 D 值（0.97^**）和土壤 K 值（0.99^**）呈极显著正相关。<0.053 mm 团聚体有机碳贡献率与土壤团聚体 MWD（-0.97^**）呈极显著负相关，与 GMD（-0.94^*）呈显著负相关，与土壤 D（0.91^*）和土壤 K 值（0.95^*）呈显著正相关。以上结果表明，>2 mm 团聚体有机碳贡献率越高，则土壤 MWD 和 GMD 值越大，土壤 K 值越小，土壤团聚体的稳定性越高，土壤结构越合理，土壤抗侵蚀能力越强；而≤ 0.25 mm 团聚体有机碳贡献率越高，则土壤 MWD 和 GMD 值越小，土壤 D 和土壤 K 值越大，土壤团粒结构稳定性越差，果园土壤潜在的受侵蚀风险越高，水土流失越容易。

2.3.3 土壤团聚体组成、稳定性与有机碳的主成分分析

主成分分析是一种通过降维将多个复杂指标归类划分为少数几个综合指标的一种多元数理统计方法，可以实现对各指标及主成分得分的综合变异分析。结果（图4）显示，前 3 个主成分方差贡献率分别占 61.58%、15.39% 和 10.34%，累计方差贡献率达到 87.31%（>85%）。PCs 计算得分表明，PC1 分别解释了 PC2、PC3 解释方差的 4.00、5.96 倍，并且解释了调查柑橘园土壤团聚体组成和团聚体有机碳分布的关键差异。由 12 个土壤结构变量表示的载荷矢量在 Axis1、Axis2 和 Axis3 上的投影结果表明了各变量对主成分的贡献率。土壤 MWD 和 GMD 随 >2 mm 粒径团聚体含量和团聚体有机碳含量的增加而呈增加趋势，而土壤 D 和 K 则呈相反趋势。因此，增加柑橘园土壤大团聚体和有机碳含量可以有效提高土壤团聚体的稳定性，降低土壤侵蚀风险。

注：SOC 为有机碳。

3 讨论

土壤团聚体组成决定着土壤结构的优劣，尤其是 >0.25 mm 团聚体含量越高，土壤团聚体越稳定，结构越好；<0.25 mm 微团聚体含量过多则会影响土壤的通气透水性和微生物活性^[4]。本研究中，湿筛法获得 >0.25 mm 粒径团聚体占 85.94%～95.89%，说明研究区内果园土壤结构良好，有利于柑橘树的正常生长。不同成土母质发育土壤的大团聚体占比顺序为黄泥土 >红黄泥 >灰红土 >红砂土 >河砂泥。土壤团聚体 D 值越小，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤含蓄水分和水土保持的功能越强。土壤团聚体 MWD 和 GMD 值越大，土壤结构越稳定，土壤抗侵蚀能力越强^[2]。本研究中不同成土母质发育的土壤中，板页岩风化物发育的黄泥土团聚体稳定性最好，而河流沉积物发育的河砂泥稳定性较差，有可能是因为河流沉积物发育的土壤有机质和游离氧化物含量较低，造成土壤结构稳定性差^[20]。而谷忠元等^[21]研究表明，土壤质地越黏重，团聚体稳定性越强，本研究中板页岩风化物发育的黄泥土结构稳定性较好的原因可能是团聚体稳定性不仅受土壤质地影响，还与该研究区域管理过程中每年通过玉米大豆间作种植和开沟施肥翻耕果园提高土壤大团聚体含量，增强了对土壤中原有的和新输入的有机碳的保护作用有关。

土壤各粒径团聚体有机碳含量是土壤有机质平衡和矿化速率的微观表征，对土壤肥力和土壤碳汇具有双重意义^[22]。已有研究发现，土壤团聚体内有机碳含量随粒径增大而增大，而大团聚体的有机碳含量高，一方面是由于微团聚体通过有机质胶结形成大团聚体，另一方面，大团聚体中处于分解状态的根系和菌丝可以提升其中的有机碳含量^[23]。王艳玲等^[12]研究认为无机胶体（黏粒和游离氧化物）主要形成粒径较小的水稳性团聚体，而粒径较大的（>2 mm）水稳性团聚体主要依赖于有机质含量。本研究结果表明，不同成土母质类型柑橘园土壤 >2 mm 团聚体中有机碳含量均高于其他粒径团聚体，说明有机碳是团聚体形成的主要胶结物质，通过其胶结作用可将土壤颗粒和小级别团聚体胶结成大团聚体。不同母质土壤中有机碳含量的变化趋势表现为：黄泥土 >红黄泥 >灰红土 >红砂土 >河砂泥。这与成土母质本身的性质有关，板页岩风化物和第四纪红色黏土富含铁铝氧化物，土壤黏粒表面的电荷具有吸附作用，在黏粒表面易积累有机养分，而土壤黏粒及其吸附的有机质所形成的团粒结构有利于有机质的长期积累^[24]。河流冲积物和砂砾岩风化物发育的土壤质地相对较砂，有机质易分解、保水保肥力较弱，故土壤有机碳含量较黏性土壤低^[25]。李忠武等^[26]研究也发现，质地较黏的第四纪红色黏土发育土壤中有机碳含量较高，而质地较砂的河湖冲沉积物发育土壤中有机碳含量较低。本研究中，不同成土母质发育土壤的有机碳储量由高到低依次为红黄泥 >黄泥土 >河砂泥 >红砂土 >灰红土，这与有机碳含量变化趋势不一致的原因是有机碳储量不只与有机碳含量有关，还受土壤容重等方面的影响。

土壤团聚体是稳定和保护土壤有机碳的载体，是土壤有机碳的储存场所，土壤有机碳的数量和质量与团聚体密切相关^[27]。我国南方柑橘种植地土壤母质多样，母质对团聚体的影响归纳为两个方面：一是直接影响无机胶体（黏粒和游离氧化物）数量；二是通过无机胶体对有机质的保持，影响有机质数量而间接影响团聚体组成。本研究中，不同成土母质类型柑橘园土壤各粒径团聚体有机碳的贡献率差异显著，>2 mm 团聚体的变化幅度最大，这是由于外界条件首先会影响 >2 mm 团聚体中有机碳的积累与分布，使 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率变化最为敏感。>2 mm 团聚体有机碳的贡献率在不同成土母质下有一定的区别，板页岩风化物发育的黄泥土最高，河流沉积物发育的河砂泥最低，这与 >2 mm 团聚体本身的含量和其中的有机碳含量两个因素均有关系。Pearson 相关分析结果表明，>2 mm 团聚体质量百分含量和有机碳贡献率对团聚体稳定性组成的影响最显著，其值越高则土壤团聚体 MWD 和 GMD 值越大，土壤团聚体 D 和 K 值越小，土壤团聚体的稳定性就越高，土壤结构就越合理，土壤抗侵蚀能力就越强。主成分分析结果表明，3 个主成分的贡献率分别为 61.58%、15.39% 和 10.34%，累计贡献率超过 85% 以上，所以土壤团聚体分布、土壤稳定性和团聚体有机碳含量关系密切。果园常年施用化肥和有机肥，特别是有机肥施入土壤后，增加的有机碳先进入微团聚体中，并逐渐向大团聚体转移并被储存^[28]。土壤团聚体对有机碳有着一定的物理保护作用，通过耕作提高土壤大团聚体含量，促进了土壤中不同粒级下有机碳的积累^[29]。 >2 mm 粒径团聚体可促进物质和氧气的传输，提高土壤中微生物活性来加快有机碳的矿化分解^[4]。

4 结论

（1） 柑橘园土壤团聚体分布以大团聚体 （>0.25 mm）为主，且各粒径的团聚体含量呈现随粒径减小而减小的趋势。成土母质类型对柑橘园土壤大团聚体分布的影响显著，大团聚体最不稳定，易受到外界环境条件的影响。

（2）不同成土母质发育柑橘园土壤中，团聚体的 MWD、GMD 由高到低的排序为黄泥土 >红黄泥 >灰红土 >红砂土 >河砂泥，土壤团聚体 D 和 K 值由高到低的排序为河砂泥 >红砂土 >灰红土 >红黄泥 >黄泥土。板页岩风化物发育的黄泥土团聚体稳定性最强，河流沉积物发育的河砂泥团聚体稳定性最差。

（3）不同成土母质类型柑橘园土壤均以 >2 mm 粒径团聚体中有机碳含量最高，团聚体有机碳的储量随粒径的减小而减小。各粒径土壤团聚体有机碳贡献率随粒径的减小而减小，且 >2 mm 团聚体有机碳的贡献率最大。

（4）土壤结构稳定性指标与土壤各粒径团聚体质量百分含量和有机碳贡献率的多元分析结果显示， >2 mm 的团聚体是影响土壤团聚体稳定性特征的主要载体，表明增加土壤有机碳含量，土壤团聚体的结构稳定性越强，能降低柑橘园土壤水土流失的风险。

参考文献