目前，在我国工业化与城镇化快速推进的背景下，农村劳动力减少，大量的耕地被撂荒^[1-2]；因此，研究耕地撂荒前后土壤质量的变化，对我国土地资源保护和撂荒耕地的再利用非常重要。其中土壤结构影响着土壤的孔隙性、持水性、透水性和抗蚀性^[3]，是评价土壤质量的重要指标，而土壤结构的好坏又可以用团聚体稳定性来表示^[4-5]，通过测定土壤的团聚体稳定性可间接地定量化土壤可蚀性^[3]。同时，土壤团聚体稳定性与土壤有机碳含量、组成等特性密切相关^[6-8]；因此，深入研究耕地撂荒后土壤团聚体稳定性和有机碳特性的变化对撂荒地土壤质量的保护以及其水土流失的防治都具有一定的现实意义。

团聚体是各种胶结物质将土壤中的单粒或者复粒聚集形成的。其中有机质是团聚体形成过程中主要的胶结物质，促进团聚体的形成与稳定^[6-9]；Abiven等^[9]表明向土壤中投入秸秆、猪粪等新鲜的有机物料会促进团聚体的形成。同时，SOC被封存于团聚体中，将其与微生物和分解酶等隔开可使SOC减缓或免受矿化分解^[10-13]，从而促进SOC的积累^[11]。由团聚体层次理论可知，不同粒径的团聚体稳定性不同^[14]，对SOC的保护作用也不同，研究表明微团聚体对SOC的保护作用小于粉黏粒，但大于大团聚体^[12-15]。但大团聚体对SOC的封存作用是SOC之后被固定在微团聚体中和粉黏粒中重要的途径^[12]。除此之外，SOC是化学、物理和生物性质上的混合物，不同组分的SOC的抗分解性及其对团聚体稳定性的影响不同。一般来说，SOC分子量越大、结构越复杂，其抗分解性越强^[15]。

为了研究耕地撂荒前后，土壤质量的变化，笔者从团聚体稳定性和有机碳特性入手，利用湿筛法对现有农田和撂荒地团聚体的稳定性进行评价。将土壤有机碳进行团聚体分组和腐殖质分组研究，明确耕地撂荒前后SOC特性的变化及其与团聚体稳定性之间的关系。

在我国南方地区，红壤是主要的农业区域之一，耕地撂荒现象严重。本试验选取第四纪红黏土母质发育的红壤进行研究。试验点是位于湖南省长沙市的长期定位监测点(E 112°54′、N 28°29′)，处于中亚热带湿热气候，年降水量为1 428 mm，年平均气温为17.4 ℃，地形为丘陵。选取其中的耕地和撂荒地为实验样地。在撂荒前各采样点的均是小麦-玉米轮作的利用模式，每年栽种两茬旱地作物，其施肥管理措施一致，属重复样地。而撂荒地是其中一块样地退耕后自然恢复的样地，退耕时间为6年。在每块样地内采取4个环刀样作为重复，确定其密度、孔隙度等。同时，用S型采样法在各样地内分别采集6个点的表层(0~15 cm)和表下层(15~30 cm)土壤的原状土，将同一样地内、相同土层的原状土混合为一个土样，带回实验室，自然风干。

用常规法测定土壤的基本理化性质^[16-17]。供试土壤黏粒质量分数均＞50%，质地较为黏重，为粉黏土；pH值在4.26~4.40之间，表下层土壤pH值均高于表层土壤；土壤密度为1.16~1.33 g/cm³，除耕地表下层的土壤密度显著高于其他土壤外，其他土壤间没有显著差异；其中土壤孔隙主要由毛管孔隙组成(42.82%~44.26%)。

团聚体稳定性的测定参考Yoder法^[18]，将干筛和湿筛法结合起来。首先将风干土样干筛过5、2、1、0.5和0.25 mm套筛，得到各粒径团聚体的比例。然后再按比例配置成50 g土样，进行湿筛，过5、2、1、0.5、0.25和0.05 mm的套筛。计算出平均质量直径(mean weight diameter, MWD)、团聚体分散度(percentage of aggregate disruption, PAD)和>0.25 mm水稳性团聚体含量(waterstable aggregate content, WAS)表示土壤的团聚体稳性。

式中：MWD为平均质量直径，mm；M_i为第i粒级团聚体的质量比例，%；(r_i-1+r_i)/2为相邻2级团聚体的平均粒径，mm；n为筛子数。

式中：PAD为团聚体分散度，%；m_d、m_w分别为干筛法和湿筛法测定>0.25 mm(或>2 mm)团聚体的质量，g。

土壤有机碳的团聚体分组：用重铬酸钾外加热法测定湿筛法得到的大团聚体(>0.25 mm)、微团聚体(0.05~0.25 mm)和粉黏粒(< 0.05 mm)中SOC的含量，各粒径团聚体中SOC占全土SOC的比例按式(3)计算

式中：C为各粒径团聚体中SOC占全土SOC的比例，%；M_i为第i粒级团聚体的质量比例，%；C_i为第i粒径团聚体中SOC的质量分数，g/kg；SOC为全土中SOC的质量分数，g/kg。

土壤有机碳的腐殖质分组：首先，利用富啡酸(fulvic acids，FA)溶于酸碱、胡敏酸(humic acids，HA)溶于碱、胡敏素(humin，HM)不溶于酸碱的特性将全土或者团聚体(>0.25 mm、0.05~0.25 mm、< 0.05 mm)中的有机碳分为FA、HA和HM。然会再将HM续分为铁结合态胡敏素(iron-linked humin，HMi)、黏粒结合态胡敏素(clay-combined humin，HMc)和不溶性胡敏素(insoluble humin residue，HMr)。具体操作如下：向胡敏素残渣中加入50 mL 0.5 mol/LH₂SO₄，水浴加热后离心，用蒸馏水洗，弃去洗液。然后加入50 mL 0.1 mol/LNaOH和10 mL饱和Na₂SO₄溶液，振荡后离心，上清液即为HMi。向上述剩余残渣中加入50 mL 1 mol/L (HF+HCl)，水浴后离心，用该溶液洗涤残渣，弃去洗液。后再加入50 mL 1 mol/L HF水浴加热后离心，用蒸馏水洗，弃去洗液。最后在用50 mL 0.1 mol/LNaOH和10 mL饱和Na₂SO₄溶液浸提出HMc，剩余的腐殖质组分即为HMr。计算出PQ值和[(HA+FA)/HM]来表示有机碳组成特性，其中HM是指HMi、HMc和HMr之和^[19]。

式中：HA为胡敏酸的质量分数, g/kg；FA为富啡酸的质量分数，g/kg。

笔者采用Excel 2013和SPSS 20.0软件对数据进行统计分析，用origin 2018软件进行作图。

由图 1可知，干筛后大团聚体所占比例较大，微团聚体比例＜6%，各粒径团聚体的质量分数按(>5 mm)>(5~2 mm)>(0.5~1 mm)>(1~2 mm)>(0.25~0.5 mm)> (< 0.25 mm)的顺序减小，大体上表现为随着粒径的减小，团聚体所占的比例减小。而湿筛后，微团聚体的含量明显增加，各粒径团聚体的质量分数按(0.05~0.25 mm)>(1~2 mm)>(0.5~1 mm)>(2~5 mm)>(>5 mm)>(0.25~0.5 mm)>(< 0.05 mm)的顺序减小，团聚体主要分布在0.05~0.25和1~2 mm粒径范围内，所占比例分别为30.21%和23.43%。土壤层次和耕地撂荒都会对团聚体水稳性产生显著影响(P < 0.05)。在表层土壤中撂荒地0.5~5 mm粒径的团聚体含量和WAS要显著高于耕地，而 < 0.25 mm粒径的团聚体含量和PAD_0.25显著低于耕地(表 1和图 1)。而在表下层土壤(F>8.09)中，撂荒地和耕地的团聚体稳定性差异没有表层土壤(F>24.63)明显。同时表层土壤的团聚体稳定性指标MWD、WAS和PAD_0.25、PAD₂分别显著高于和低于表下层土壤(表 1)。

图 1(Fig. 1)

不同小写字母表示供试土壤间差异显著(P < 0.05)。 The different lowercase letters indicate significant differences between the tested soils (P < 0.05) 图 1 供试土壤的团聚体组成 Fig. 1 Aggregate composition of tested soil

表 1(Tab. 1)

表 1 供试土壤团聚体稳定性指标 Tab. 1 Aggregates stability index of tested soil 采样点 Sampling site 层次 Soil depth/cm 平均质量 直径 MWD/mm >0.25 mm团聚体 分散度 PAD0.25 /% >2 mm团聚体 分散度 PAD2 /% >0.25 mm水稳性 团聚体含量 WAS/% 耕地Arable land 0~15 1.71±0.09a 30.57±2.64c 48.95±3.65c 69.47±2.52b 15~30 1.20±0.10b 40.4±1.45a 61.34±5.25b 58.96±1.23d 撂荒地Abandoned cultivated land 0~15 1.75±0.03a 23.62±0.92d 45.03±1.04c 77.00±0.83a 15~30 1.17±0.05b 37.71±1.22b 72.46±1.92a 62.49±0.96c 注：不同的小写字母表示供试土壤间差异显著(P < 0.05)。Notes: The different lowercase letters indicate significant differences between the tested soils (P < 0.05). MWD stands for mean weight diameter. PAD0.25 stands for percentage of aggregate disruption of >0.25 mm. PAD2 stands for percentage of aggregate disruption of >2 mm. PAD2 stands for percentage of aggregate disruption of >2 mm. WAS stands for waters-table aggregate content.

表 1 供试土壤团聚体稳定性指标 Tab. 1 Aggregates stability index of tested soil

由图 2可知，在表层土壤中，撂荒地的SOC含量显著高于耕地，而在表下层土壤中则表现为耕地高于撂荒地，但其差异不显著。表层土壤中SOC的含量及其变异(F=47.01)均大于表下层土壤(F=5.93)(图 2)。土壤层次和耕地撂荒都会对SOC产生显著影响(P < 0.01)。将SOC进行腐殖质分组，各组分的碳含量与SOC的含量密切相关，且按HMr>FA>HA>HMc>HMi的顺序减小，其中HMr与SOC关系最为密切(P < 0.05)(图 3)。因此，腐殖质各组分的碳含量在供试土壤中的变化与SOC的变化趋势一致，都表现为在表层土壤中撂荒地显著高于耕地表层土壤，而在表下层土壤中没有显著差异，表层土壤显著高于表下层土壤(图 2)。对于腐殖质各组分所占比例，表现为撂荒地土壤中FA、HA、HMi和HMc的比例要高于耕地土壤，而HMr的比例低于耕地土壤(表 2)。计算可得，在表层土壤中撂荒地的(HA+FA)/HM值显著高于耕地，表下层土壤中则没有显著差异，且都表现为表层高于表下层(图 4)，说明耕地土壤、表下层土壤中的HM成分相对较多。

图 2(Fig. 2)

FA、HA、HMi、HMc和HMr分别表示富啡酸、胡敏酸、铁结合态胡敏素、黏粒结合态胡敏素和不溶性胡敏素. >0.25 mm、0.05~0.25 mm和 < 0.05 mm分别表示大团聚体、微团聚体和粉黏粒，柱状图上不同的小写字母表示供试土壤间差异显著(P < 0.05)，横线上不同的小写字母表示不同粒径团聚体之间的差异显著(P < 0.05)。下同。 FA, HA, HMi, HMc, and HMr refer to fulvic acids, humic acids, iron-linked humin, clay-combined humin, and insoluble humin residues, respectively. >0.25 mm, 0.05-0.25 mm and < 0.05 mm refers to macro-aggregate, micro-aggregate, and silt + clay, respectively. The different lowercase letters above the histogram indicate significant differences between the tested soils (P < 0.05). The different lowercase letters above the horizontal line indicate significant differences between the different size aggregates (P < 0.05). The same below 图 2 全土和不同粒径团聚体中有机碳及其各化学组分的质量分数 Fig. 2 Content of SOC(soil organic carbon) and its chemical component in bulk soil and different size aggregates

图 3(Fig. 3)

图 3 各组分的碳质量分数和各粒径团聚体中的碳质量分数与全土SOC质量分数间的关系 Fig. 3 Relationships between SOC content in the bulk soil and organic carbon (OC) content of every component as well as OC different size aggregate.

表 2(Tab. 2)

表 2 有机质各组分占全土SOC的比例 Tab. 2 Percentage of each component of SOC (soil organic carbon) in the bulk soil  % 采样点 Sampling site 层次 Soil depth/ cm 腐殖质分组Humus grouping of SOC 团聚体分组Aggregate grouping of SOC 富啡酸 FA 胡敏酸 HA 铁结合态 胡敏素 HMi 黏粒结合 态胡敏素 HMc 不溶性 胡敏素 HMr 大团聚体 Macro- aggregate 微团聚体 Micro- aggregate 粉黏粒 Silt+clay 耕地 Arable land 0~15 24.96±0.25ab 6.62±0.29ab 1.94±0.16b 3.55±0.08b 62.93±0.15ab 71.76±0.77b 25.74±0.71c 2.49±0.05c 15~30 23.21±0.95b 6.68±0.16ab 1.93±0.05b 3.47±0.82ab 64.71±1.10a 61.22±0.81d 36.1±0.67a 2.68±0.14b 撂荒地 Abandoned cultivated land 0~15 26.00±0.77a 7.08±0.49a 2.25±0.18ab 4.23±0.21ab 60.43±0.50c 75.3±0.09a 22.83±0.1d 1.87±0.02d 15~30 24.87±1.45ab 5.92±0.70b 2.45±0.30a 4.60±0.73a 62.15±1.54ab 64.51±0.73c 32.44±0.65b 3.04±0.08a 注：不同的小写字母表示供试土壤间差异显著(P < 0.05)。Notes: The different lowercase letters indicate significant differences between the tested soils (P < 0.05).

表 2 有机质各组分占全土SOC的比例 Tab. 2 Percentage of each component of SOC (soil organic carbon) in the bulk soil  %

图 4(Fig. 4)

柱状图上不同的小写字母表示供试土壤间差异显著(P < 0.05)，横线上不同的小写字母表示不同粒径团聚体之间的差异(P < 0.05)。 The different lowercase letters above the histogram indicate significant differences between the tested soils (P < 0.05);and the different lowercase letters above the horizontal line indicate significant differences between the different size aggregates (P < 0.05). 图 4 供试土壤和团聚体中的PQ值和[(HA+FA)/HM]值 Fig. 4 Value of PQ and [(HA+FA)/HM] in the tested soil and aggregates

土壤层次、团聚体粒径和耕地撂荒显著影响团聚体中SOC的含量(P < 0.05)。不同粒径团聚体中的SOC含量按(>0.25 mm)>(0.05~0.25 mm)>(< 0.05 mm)的顺序减小，且差异显著(图 2)。回归分析表明，团聚体中SOC的含量与全土中SOC的含量呈正相关，且根据R²可知，大团聚体中SOC的含量与其关系最为密切(图 3)。同一粒级团聚体中SOC的含量在供试土壤中的分布规律与全土中SOC的分布规律一致(图 2)。计算出供试土壤各粒径团聚体中SOC占全土SOC的比例，发现按(>0.25 mm)>(0.05~0.25 mm)>(0.05 mm)的顺序减小，SOC主要储存于大团聚体中(>0.25 mm)(表 2)。且撂荒地SOC在大团聚体(>0.25 mm)中的比例要高于耕地，而在小粒径团聚体(< 0.25 mm)中的比例小于耕地。同时表层土壤中的SOC在大团聚体的比例也要高于表下层土壤(表 2)。

将团聚体中的SOC进行腐殖质分组，各粒径团聚体中腐殖质各组分碳含量的变化规律与全土中的一致，都表现为HMr>FA>HA>HMc>HMi，撂荒地表层土壤显著高于耕地表层土壤，表层土壤均显著高于表下层土壤(图 2)。其中大粒径团聚体(>0.25 mm)中的FA、HMi、HMc和HMr含量显著高于小粒径团聚体(< 0.25 mm)中的含量，而HA的规律相反(图 2)。计算可得，大团聚体(>0.25 mm)中的PQ要小于其他粒径，而微团聚体中的(0.05~0.25 mm)(HA+FA)/HM值显著小于其他粒径团聚体中(图 4)，说明微团聚体中HM的比例较高，而大团聚体中的FA的比例较高。

供试土壤团聚体稳定性与SOC各组分的相关性分析结果表明(图 5)，全土和团聚体中的SOC及各组分的碳含量与>0.5 mm团聚体含量、MWD和WAS与呈正相关关系，而与 < 0.5 mm团聚体含量、PAD_0.25和PAD呈负相关关系。其中部分有机碳组分与5~2 mm和 < 0.5 mm团聚体含量、PAD_0.25和WAD相关性显著(P < 0.05)。土壤有机碳对5~2 mm和0.5~0.25 mm粒级团聚体含量的影响大于对其他粒径团聚体含量的影响。不同组分的SOC对团聚体稳定性的影响不同，其中微团聚体中的有机质对5~2 mm团聚体含量影响较大，粉黏粒中的有机质对 < 0.5 mm团聚体含量影响较大。FA对团聚体稳定性的影响大于腐殖质其他组分对团聚体稳定性的影响。

图 5(Fig. 5)

SOC1、SOC2、SOC3分别表示大团聚体、微团聚体和粉黏粒中的有机碳，有机碳各组分的表示方法一样。>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、1~0.5 mm、0.5~0.25 mm和 < 0.25 mm分别表示各粒径团聚体的含量。*表示相关性显著(P < 0.05), **表示相关性极显著(P < 0.01). SOC1, SOC2, and SOC3 represent organic matter in macro-aggregate, micro-aggregate, and silt + clay, respectively, and the organic matter components are expressed in the same way. >5 mm, 2-5 mm, 1-2 mm, 1-0.5 mm, 0.5-0.25 mm and < 0.25 mm represent the percentage of aggregate at each particle size, respectively. * and ** indicate significant correlation at P < 0.05 and P < 0.01, respectively. 图 5 团聚体稳定性的影响因素 Fig. 5 Factors affecting the stability of aggregates

在本研究中，撂荒地表层土壤的团聚体稳定性较耕地表层土壤好，其大团聚体(0.5~5 mm)含量和团聚体稳定性指标WAS均显著高于耕地表层土壤(图 1和表 1)，与李鉴霖等^[20]和董莉丽^[21]的研究结果一致，说明耕地撂荒后团聚体稳定性增加。而在表下层土壤中，耕地和撂荒地土壤的团聚体稳定性的差异没有表层土壤明显(表层F>24.63，表下层F>8.09)，说明相较于表下层土壤，表层土壤的团聚体稳定性更高，但却更易受到影响^[20](图 1和表 1)。这是因为表层土壤中的有机质更易受到外界环境的影响，可接受新输入的有机质，为微生物活动提供了能量，增加其生物活性，从而有助于土壤团聚体的形成^[22]。这与笔者的研究结果一致，图 5结果表明，全土和团聚体中SOC及各组分的碳含量与大粒径团聚体含量呈正相关，而与小粒径团聚体含量呈负相关，因此可以推测SOC可将微团聚体聚集成大团聚体，促进水稳性大团聚体的形成和稳定^[6-7]。且SOC不同组分对团聚体稳定性的作用不同，FA与团聚体稳定性的相关性要大于HA(图 5)，这与董雪等^[8]的研究结果不一致，可能是因为本研究的土壤中HA的含量较低，对团聚体稳定性的作用较小。

SOC的腐殖质分组表明，大部分的SOC都是以HMr的形式存在，这与前人的研究结果^[19]一致。且从FA到HA，再到HM，其分子的腐殖化程度逐渐增加，相应的分子量也逐渐增加，使其抵抗微生物分解的能力也逐渐增加^[19]。在本研究中，相比于耕地，撂荒地土壤中HM的比例较少(表 2和图 4)，说明撂荒地的SOC腐殖化程度较低，有机质较为新鲜。这可能是因为耕地撂荒后，SOC含量会增加^{[11, 20]}，但由于新增加的SOC较为年轻，造成了撂荒地表层土壤SOC的含量虽高，但其腐殖化程度较低，从而撂荒地SOC抵抗微生物分解的能力较低，稳定性较差。

与Qiu等^[23]的研究结果一致，SOC主要储存于大团聚体中，其含量也主要受大团聚体中SOC含量的影响(表 2和图 3)。但大团聚体对SOC的保护作用表现小于微团聚体和粉黏粒^[12-15]。同时，本研究结果也表明大团聚体中HM比例较低(图 4)，说明大团聚体中的SOC腐殖化程度和抵抗分解的能力也较弱。由此可知，当土壤中的SOC主要集中于大团聚体中时，其SOC稳定性较低。本研究中，大团聚体中SOC的比例表现为撂荒地高于耕地，表层土壤高于表下层土壤(表 2)。这说明撂荒地土壤和表层土壤的有机质稳定性较低，应加强对撂荒地土壤和表层土壤的保护，以免造成团聚体的破碎，使其中SOC被分解利用，进一步又造成土壤结构的恶化。但O"Brien等^[11]表明但随着撂荒时间的延长，自然植被逐渐恢复，SOC在土壤中的固定机制会发生变化。因此，在后续研究中还需跟踪研究不同撂荒年限的撂荒地，以确定SOC和土壤结构恢复至稳定性状态的年限。

1) 耕地撂荒后，表层土壤有机碳含量增加，撂荒地表层土壤中的SOC显著高于耕地表层土壤；而表下层土壤SOC受外界环境影响较小，所以在表下层土壤中撂荒地SOC的含量与耕地没有显著差异。

2) 团聚体稳定性与SOC呈正相关关系，受SOC的影响，在表层土壤中，撂荒地的团聚体稳定性高于耕地，而在表下层土壤中无明显差异。

3) SOC的分组研究发现，相比于耕地，撂荒地土壤中腐殖化程度和抗分解性较强的胡敏素(HM)所占比例较低，而物理保护作用较弱和自身稳定性较差的大团聚体中SOC的比例较高，因此，说明撂荒地土壤中的SOC含量虽高，但其稳定性较低，易受到外界环境的干扰。

4) 由于撂荒地土壤中SOC的稳定性较差，耕作利用会导致土壤结构的破坏，造成团聚体中SOC的释放和矿化分解，SOC含量的减少，进一步又造成土壤结构的退化。因此为了减少撂荒地再次利用时的土壤质量的恶化，需确定耕地撂荒后土壤结构和SOC恢复至稳定状态时的年限。