張劍雄，谷 豐，朱 波，周明華

（1. 中國(guó)科學(xué)院 水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

土壤侵蝕是導(dǎo)致土地退化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)和生態(tài)功能退化的全球性環(huán)境問(wèn)題[1]。泥石流作為一種高強(qiáng)度的土壤侵蝕，危害性大且易對(duì)人類社會(huì)造成巨大損失，因此，對(duì)泥石流等高強(qiáng)度土壤侵蝕的研究與防治更為迫切。泥石流治理的主要方式包括巖土工程和生態(tài)工程兩類，前者減災(zāi)效果顯著，但成本較高；而后者不僅可以從源頭防治土壤侵蝕，降低泥石流發(fā)生概率，還能改善流域生態(tài)環(huán)境。研究表明，植被恢復(fù)不僅能夠改善土壤性質(zhì)，還能有助于減緩水土流失，以及防治泥石流發(fā)生[2-4]。

土壤團(tuán)聚體是影響土壤侵蝕的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，其穩(wěn)定性直接影響土壤表層的水土界面行為[5]，不同粒級(jí)的團(tuán)聚體對(duì)改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促進(jìn)土壤生物活動(dòng)等具有不同的作用[6]。土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒通過(guò)有機(jī)質(zhì)膠結(jié)而成的團(tuán)塊，土壤有機(jī)碳氮與團(tuán)聚體穩(wěn)定性密切相關(guān)[7-8]。土壤有機(jī)碳和全氮的數(shù)量和質(zhì)量是表征土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接影響植物養(yǎng)分的供應(yīng)，從而影響植被恢復(fù)的效果。近年來(lái)，植被恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳氮特征的影響研究逐漸成為研究熱點(diǎn)[5-6,9-11]。謝錦升等[12]對(duì)退化紅壤的研究表明，草地轉(zhuǎn)化為林地后，大團(tuán)聚體含量增加，土壤地力提高，而天然林轉(zhuǎn)化為人工林會(huì)導(dǎo)致土壤大團(tuán)聚體含量減少、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性減弱，并導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量下降。馬東方等[13]通過(guò)研究華南地區(qū)典型花崗巖侵蝕區(qū)荒草地、桉樹(shù)林、松林和木荷林4 種植被類型發(fā)現(xiàn)，林下生物量較高的木荷林土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)顯著高于其他植被類型(P＜ 0.05)，林地空間結(jié)構(gòu)較好的林草模式有利于土壤有機(jī)碳的積累和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

干熱河谷區(qū)氣候干燥炎熱，水熱矛盾突出，植被覆蓋程度低，土壤侵蝕嚴(yán)重，是中國(guó)西南地區(qū)特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)，屬于泥石流高發(fā)區(qū)域[14]。為防治泥石流，自20 世紀(jì)以來(lái)我國(guó)在西南干熱河谷實(shí)行多種植被恢復(fù)措施。但植被恢復(fù)措施對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及碳氮分布特征影響的評(píng)估較少?；诖?，選取位于西南干熱河谷典型小流域中草地、灌木和林地3 種植被恢復(fù)措施作為研究對(duì)象，研究干熱河谷區(qū)植被恢復(fù)措施對(duì)土壤團(tuán)聚體含量、穩(wěn)定性及碳氮含量的影響，并分析其主控因素，旨為該地區(qū)可持續(xù)性的生態(tài)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山州喜德縣紅莫鎮(zhèn)熱水河小流域(28°06′ N，102°12′ E)，是發(fā)育于安寧河中游左岸的一級(jí)支流，其由東北向西南徑流，流域面積163.22 km2，主溝長(zhǎng)度28.08 km，主溝平均縱比降67‰，流域最高點(diǎn)高程3 442 m，最低點(diǎn)高程1 550 m，相對(duì)高差達(dá)1 892 m。該流域?yàn)榈湫透蔁岷庸葏^(qū)域，年平均氣溫14.1 ℃，年最低氣溫0 ℃，最高氣溫達(dá)33 ℃，年均蒸發(fā)量達(dá)802 mm，降水量1 075 mm，集中于6 月 - 9 月，占全年的76%，相對(duì)濕度73%。區(qū)域降雨較豐沛且雨量集中，其雨強(qiáng)可以激發(fā)泥石流等嚴(yán)重土壤侵蝕，暴雨是泥石流等土壤侵蝕的主要誘發(fā)因素，頻發(fā)的土壤侵蝕導(dǎo)致大面積的地帶性植被及生態(tài)環(huán)境的破壞。為防治泥石流等土壤侵蝕，流域侵蝕源區(qū)內(nèi)主要分布有3 種林草恢復(fù)措施土壤：草地、灌叢、林地。研究區(qū)概況如圖1 所示，3 種林草恢復(fù)樣地的基本情況如表1 所列。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic overview of the sample site

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

1.2 供試土壤

供試土壤于2019 年10 月采自熱水河小流域內(nèi)，根據(jù)植被恢復(fù)類型(草地、灌叢和林地)不同，分別隨機(jī)選取3 塊相似樣地，按照剖面采樣法，分層(0 - 10、10 - 30、30 - 60 和60 - 100 cm)采集土壤樣品。每層用鐵鏟小心地采集2 kg 原狀土壤樣品裝入鋁質(zhì)樣品盒，用于測(cè)定土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量；采集土壤混合樣品，用于測(cè)定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)；用100 cm3環(huán)刀采集土壤樣品，用于測(cè)定土壤容重和田間持水量等，根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分類表，林地為砂質(zhì)黏壤土，草地和灌叢為粘壤土，供試土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表2 所列。

表2 供試土壤樣品基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of tested soil samples

采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室在陰涼處自然風(fēng)干，仔細(xì)挑出土樣中混入的碎石、凋落物及植物根系。將原狀土壤樣品中的大塊土沿紋理輕輕掰成直徑8 mm 大小土塊?；旌贤寥罉悠贩謩e過(guò)2 mm 和0.053 mm 篩以供分析測(cè)定。

1.3 測(cè)定方法

本研究分析指標(biāo)包括土壤pH、土壤容重、田間持水量、土壤顆粒組成、有機(jī)碳、全氮、水穩(wěn)定性團(tuán)聚體等。具體方法：土壤pH 采用土水比1 ∶ 2.5 比例浸提后，使用pH 測(cè)定儀(PHS-3C，上海儀電公司)測(cè)定；土壤容重通過(guò)烘干法測(cè)定[15]；土壤田間持水量通過(guò)離心機(jī)法測(cè)定[16]；土壤機(jī)械組成采用吸管法測(cè)定[17]；有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)使用元素分析儀(vario TOC cube，Elementar，德國(guó))測(cè)定。水穩(wěn)定性團(tuán)聚體通過(guò)濕篩法測(cè)得：稱取過(guò)8 mm 篩風(fēng)干土樣150 g于2 mm 篩上，依次下置0.25 mm、0.053 mm 孔徑篩，將套篩緩慢置入裝有純水的桶中，保持最上部套篩始終高于水面，使其浸泡5 min，保證土樣充分濕潤(rùn)，在純水環(huán)境中上下震蕩5 min，振幅為3 cm，振頻為每分鐘30 次，將各篩上的殘留土樣用純水洗入已知重量燒杯中，并將桶中土樣充分沉淀后洗入已知重量燒杯中，并置于60 ℃烘箱中烘至恒重，取出冷卻后稱重，并進(jìn)行土壤團(tuán)聚體含量測(cè)算，即得到 ＞ 2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm，＜ 0.053 mm共4 個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體，其中 ＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體按照差減法求得。

1.4 團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)和＞ 0.25mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量[the ratio of large aggregate(＞ 0.25 mm)，R0.25]是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要參考指標(biāo)[18-19]。一般認(rèn)為，MWD、GMD 和R0.25越大，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究利用Excel 2016 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理，在SPSS 26.0 軟件中使用單因素方差分析分析不同植被恢復(fù)類型和不同深度土壤指標(biāo)之間差異的顯著性(P＜ 0.05)，并用最小顯著性差異法(LSD)進(jìn)行多重比較；用Person 相關(guān)分析衡量土壤參數(shù)之間的相關(guān)性。應(yīng)用Origin 2020b 軟件進(jìn)行圖件繪制。文中所有結(jié)果均為3 個(gè)樣本測(cè)定結(jié)果的平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林草恢復(fù)土壤團(tuán)聚體含量

通過(guò)濕篩法測(cè)得的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量結(jié)果如表3 所列。3 種林草恢復(fù)措施下土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布趨勢(shì)類似，在不同土層深度均表現(xiàn)為 ＞ 2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量比重最大，達(dá)到47.13%～73.11%。團(tuán)聚體含量隨團(tuán)聚體粒級(jí)減小而不斷減少，＜ 0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量最低，僅為0.99%～5.52%。

表3 不同林草恢復(fù)土壤團(tuán)聚體含量分布情況Table 3 Distribution of soil aggregate content in different forest and grass restoration areas%

在各土層深度中，不同林草恢復(fù)土壤團(tuán)聚體含量的差異表現(xiàn)不同。在0 - 10 cm 土層中，草地 ＞2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量(59.43%)最大，灌叢(55.29%)次之，兩者均顯著高于林地(49.26%) (P＜ 0.05)；而0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為林地最大，為42.95%，顯著大于灌叢和草地(P＜ 0.05)，但灌叢和草地之間無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)；隨團(tuán)聚體粒級(jí)的減小，灌叢 ＜ 0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量增加；其中灌叢0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量(8.34%)顯著大于草地和林地(P＜ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量為5.52%，顯著大于草地(3.13%)和林地(2.31%) (P＜0.05)。在10 - 30 cm 土層中，草地 ＞ 2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量在3 種林草恢復(fù)土壤中最大，為65.58%，顯著大于灌叢(48.06%)和林地(47.13%)；而草地0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量(27.76%)則顯著小于林地(42.25%)和灌叢(40.21%) (P＜ 0.05)；0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(P＜ 0.05)，且隨土層加深，在30 - 60 和60 - 100 cm土層中0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量的這一分布趨勢(shì)不變；而 ＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為林地 ＞ 草地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)。在30 - 60 cm 土層中，＞ 2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜0.05)；0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量草地最小(22.18%)；＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量與0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量分布趨勢(shì)相似。在60 - 100 cm土層中，草地＞ 2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量最小(56.15%)，呈現(xiàn)灌叢 ＞林地 ＞ 草地的分布趨勢(shì)(P＜ 0.05)；0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而 ＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為林地(2.67%)最大，草地和灌叢則無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)。

同一林草恢復(fù)措施下土壤各級(jí)團(tuán)聚體在不同土層深度上也表現(xiàn)出一定的差異性(表3)。草地 ＞2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量在0 - 60 cm 土層中表現(xiàn)出隨土層加深，團(tuán)聚體含量分布增加的趨勢(shì)，在30 - 60 cm土層中分布最多(73.11%)，而在60 - 100 cm 土層中分布最少(56.15%)，比其在30 - 60 cm 土層中分布少23.20%；0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量在0 - 60 cm土層中則表現(xiàn)為隨土層加深，含量不斷減少的趨勢(shì)，在30 - 60 cm 土層中最少(22.18%)，但在60 -100 cm 土層中最高，比在30 - 60 cm 土層中的含量多73.85% (P＜ 0.05)。草地隨土層深度變化在0.053～0.25 mm 及 ＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量上的分布趨勢(shì)相似，其中，0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體在10 - 10 cm 土層中分布最多(5.98%)，而隨土層加深，在0 - 100 cm 土層該粒級(jí)團(tuán)聚體分布含量則無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)；而 ＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體隨土層變化則表現(xiàn)為0 - 10 cm土層中分布最多(3.13%)，10 -30 cm 土層中分布次之(2.19%)，而在30 - 60 及60 -100 cm 土層中的分布含量顯著小于0 - 10 和10 -30 cm 土壤(P＜ 0.05)。

灌叢在 ＞ 2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量上表現(xiàn)為60 -100 cm 土層中最大，達(dá)70.34%，顯著大于其在30 -60 (61.67%)、0 - 10 (55.29%)和10 - 30 cm (48.06%)土層的含量(P＜ 0.05)；0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)出隨土層加深先增后減的趨勢(shì)；0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為10 - 30 cm 土層中最大，為10.12%，而在其他土層中，無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量則表現(xiàn)為0 -10 cm 土層中分布最多(5.52%)，隨土層加深，分布無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)。

林地 ＞ 2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體分布表現(xiàn)為在30 -60 和60 - 100 cm 土壤中顯著大于在0 - 10 和10 -30 cm 土層中的含量(P＜ 0.05)；而0.25～2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體在0 - 10 和10 - 30 cm 土層中的分布含量顯著大于在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中的含量(P＜0.05)；0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體在10 - 30 cm 土層中分布最多(7.34%)，而在其他土層中無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量分布趨勢(shì)與0.053～0.25 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量相似，但在30 -60 cm 土層中的分布(1.57%)顯著小于其他土層(P＜ 0.05)。

2.2 不同林草恢復(fù)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征

不同植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性特征如表4所列。團(tuán)聚體MWD 值在0 - 10 cm 土層中表現(xiàn)為草地 ＞ 灌叢 ＞ 林地(P＜ 0.05)；在10 - 30 cm 土層中，草地團(tuán)聚體MWD 值最大，為3.64 mm，灌叢和林地?zé)o顯著差異(P＞ 0.05)；在30 - 60 cm 土層中，團(tuán)聚體MWD 值表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而在60 - 100 cm 土層中，團(tuán)聚體MWD 值則表現(xiàn)為灌叢 ＞林地 ＞ 草地(P＜ 0.05)。團(tuán)聚體GMD 值在0 - 10 cm土層中表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而在10 - 30 cm 土層中，團(tuán)聚體GMD 值表現(xiàn)為草地 ＞ 灌叢 ＞ 林地(P＜ 0.05)；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中與MWD 值分布趨勢(shì)相似。土壤團(tuán)聚體R0.25在0 -10 cm 土層中表現(xiàn)為草地和林地顯著大于灌叢(P＜0.05)；在10 - 30 cm 和30 - 60 cm 土層中，團(tuán)聚體R0.25表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；在60 -100 cm 土層中，草地團(tuán)聚體R0.25最大，灌叢和林地?zé)o顯著差異(P＞ 0.05)。

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性隨土層深度也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律(表4)。草地土壤MWD 值在0 - 60 cm 土層中表現(xiàn)為隨土層加深不斷增大的趨勢(shì)，在30 -60 cm 土層中最大，為3.94 mm，但在60 - 100 cm 土層中最小(3.30 mm)；草地團(tuán)聚體GMD 值分布隨土層加深先增后減，與土壤團(tuán)聚體R0.25分布趨勢(shì)相似，在30 - 60 cm 土壤中分布最大。灌叢土壤團(tuán)聚體MWD 值在60 - 100 cm 土層中最大(3.80 mm)，顯著大于0 - 10、10 - 30 和30 - 60 cm 土壤(P＜ 0.05)；灌叢GMD 值和R0.25值均表現(xiàn)為在0 - 10 cm 土層中最小，隨土層加深，特征數(shù)值不斷增大。林地團(tuán)聚體MWD 值在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中最大，顯著大于0 - 10 和10 - 30 cm 土壤；而土壤團(tuán)聚體GMD 值也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律；土壤團(tuán)聚體R0.25值在10 - 30 cm 土層中分布最少(89.38%)，而在其他土層中無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)。

表4 不同林草恢復(fù)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性分布情況Table 4 Stability distribution of soil aggregates in different forest and grass restoration areas

2.3 不同林草恢復(fù)土壤碳氮含量分布特征

土壤全氮、有機(jī)碳含量及碳氮計(jì)量比測(cè)定結(jié)果如圖2 所示。在0 - 10 cm 土層中，土壤全氮含量的大小順序?yàn)椴莸?＞ 林地 ＞ 灌叢，且差異顯著(P＜0.05)；在10 - 30 cm 土層中，土壤總氮含量也表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢，其中草地(4.01 g·kg-1)顯著大于灌叢和林地(P＜ 0.05)，而灌叢和林地土壤之間無(wú)顯著差異(P＞ 0.05)；在30 - 60 cm 土層中，土壤總氮含量分布特征為灌叢顯著大于林地和草地(P＜ 0.05)；60 - 100 cm 土壤全氮含量大小順序?yàn)楣鄥?＞ 林地 ＞草地(P＜ 0.05)，與30 - 60 cm 土層分布特征相似。在不同土層中土壤有機(jī)碳含量的分布與總氮含量分布特征相似，在0 - 10 cm 土層中，草地土壤有機(jī)碳含量顯著大于林地和灌叢(P＜ 0.05)；在10 -30 cm 土層中，土壤有機(jī)碳含量表現(xiàn)為草地顯著大于林地和灌叢(P＜ 0.05)，其中草地有機(jī)碳含量為49.04 g·kg-1；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中，土壤有機(jī)碳含量大小順序均為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(P＜0.05)。土壤碳氮計(jì)量比在0 - 10 cm 土層表現(xiàn)為林地顯著大于灌叢和草地(P＜ 0.05)；在10 - 30 cm 土層中，土壤碳氮計(jì)量比大小順序表現(xiàn)為林地 ＞ 灌叢 ＞草地(P＜ 0.05)；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中，土壤碳氮計(jì)量比均表現(xiàn)為灌叢和林地顯著大于草地(P＜ 0.05)。

圖2 不同林草恢復(fù)土壤總氮、有機(jī)碳含量及碳氮計(jì)量比Figure 2 Soil total nitrogen, organic carbon content, and carbon nitrogen stoichiometric ratio of different forest and grass restoration areas

不同土地利用土壤全氮及有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)隨土層加深含量不斷減小的趨勢(shì)(圖2)。灌叢土壤在0 - 10 cm 土層中總氮含量最高，為3.66 g·kg-1，大于在10 - 30 cm 土壤中的總氮含量，但無(wú)顯著性差異(P＞ 0.05)，顯著大于30 - 60 和60 - 100 cm 土層土壤總氮含量(P＜ 0.05)；草地和林地隨土層加深，土壤總氮含量顯著減少(P＜ 0.05)。不同土地利用條件下土壤有機(jī)碳含量在土壤剖面上的分布特征與總氮含量相似，灌叢土壤有機(jī)碳含量在0 - 10 cm 土層中最高，為45.62 g·kg-1，在10 - 100 cm 隨土層加深，有機(jī)碳含量減少，但無(wú)顯著性差異(P＞ 0.05)；草地和林地土壤隨土層深度的加深，有機(jī)碳含量顯著減少(P＜ 0.05)。不同林草恢復(fù)下土壤碳氮計(jì)量比在不同土壤剖面表現(xiàn)為：灌叢隨土層深度變化，碳氮計(jì)量比無(wú)顯著變化(P＞ 0.05)；草地0 - 10、10 - 30 和30 - 60 cm 土壤碳氮計(jì)量比顯著大于60 - 100 cm 土壤(9.20) (P＜ 0.05)；林地土壤碳氮計(jì)量比大致表現(xiàn)為隨土層加深逐漸減小的趨勢(shì)，60 - 100 cm 土壤碳氮計(jì)量比最小，為12.56，顯著小于0 - 10 和10 - 30 cm土層土壤(P＜ 0.05)。

2.4 土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，土壤碳氮含量及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定值指標(biāo)與其他多種土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性顯著，但具體表現(xiàn)不同(表5)。土壤總氮含量與土壤pH 和粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與團(tuán)聚體R0.25呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤砂粒含量、有機(jī)碳含量和碳氮計(jì)量比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；土壤有機(jī)碳含量與土壤pH 和粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與團(tuán)聚體GMD 和R0.25呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤砂粒含量和碳氮計(jì)量比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)；土壤碳氮計(jì)量比與土壤砂粒和粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與粉粒含量和團(tuán)聚體R0.25呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；團(tuán)聚體MWD值與土壤pH、GMD 和R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；團(tuán)聚體GMD 值與土壤pH 和粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與砂粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)；團(tuán)聚體R0.25與土壤砂粒和粘粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤粉粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)。

表5 研究區(qū)土壤指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between soil indicators in the study area

3 討論

植被恢復(fù)通過(guò)多種因素影響土壤生態(tài)環(huán)境，從而影響土壤理化性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤碳氮分布及團(tuán)聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[20]。土壤團(tuán)聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，對(duì)維持和穩(wěn)定土壤系統(tǒng)功能具有重要的作用，土壤團(tuán)聚體的組成和特性不僅是評(píng)估土壤侵蝕、板結(jié)等物理過(guò)程的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，也被作為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，是保持土壤健康的基礎(chǔ)[21-23]。大團(tuán)聚體是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，大團(tuán)聚體含量較高的土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[24]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，不同林草恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量具有一定影響，進(jìn)而對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域0 -10 cm 土層中，土壤有機(jī)碳含量為草地(58.38 g·kg-1) ＞林地(54.14 g·kg-1) ＞ 灌叢(45.62 g·kg-1) (P＜ 0.05)，與草地相比，灌叢有機(jī)碳含量減少了21.86%，林地有機(jī)碳含量減少了7.26%。在該土層3 種土地利用方式下，＞ 2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量和MWD 值大小順序與有機(jī)碳含量分布一致，這可能是因?yàn)橄噍^于較深土壤，表層土壤受草本植物的根系作用強(qiáng)于深根的木本植物，表層根系的固結(jié)纏繞增強(qiáng)了土壤抗侵蝕能力，從而增強(qiáng)了土壤大團(tuán)聚體的分布。但相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體GMD 和R0.25呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，林地和草地隨土層加深有機(jī)碳含量不斷減少，而GMD 和R0.25呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這與前人的研究結(jié)果不完全一致[25-26]，這可能與采樣區(qū)位于土壤侵蝕源區(qū)，而各土壤剖面有機(jī)碳含量均處在較高水平，對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性作用影響減弱有關(guān)，而表層土壤在侵蝕過(guò)程中，最先遭受侵蝕，因而團(tuán)聚體穩(wěn)定性與侵蝕先后有一定關(guān)系。已有研究表明，土地利用影響團(tuán)聚體含量的分布，然而土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性還受到土壤侵蝕強(qiáng)度、坡位、氣候以及土壤微生物活性等多因素的影響[27-30]。因此，針對(duì)多種復(fù)雜土壤狀況對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響仍需要進(jìn)一步研究。

土壤碳氮含量的分布還受土壤質(zhì)地和pH 的影響，研究區(qū)土壤總氮和有機(jī)碳含量與pH 和粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。本研究0 - 10 cm 土層土壤pH 草地 ＜林地 ＜ 灌叢(P＜ 0.05)，而在總氮和有機(jī)碳含量的分布上則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)，這可能與研究區(qū)草地植被覆蓋度高，且草地植物根系主要分布在表層，地下根系的數(shù)量比林地和灌叢多，同等條件下根系分泌物釋放比林地和灌叢多，因而土壤pH 較低。植物根系分泌物主要是指植物生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)根系向根際環(huán)境分泌的有機(jī)化合物[31]，該類化合物為土壤微生物生長(zhǎng)繁殖提供充足碳源，從而起到增加碳氮的作用，此外根系分泌物對(duì)穩(wěn)定性高的團(tuán)聚體形成具有促進(jìn)作用[32]。土壤顆粒的不同排列和形成的空隙決定土壤的基本結(jié)構(gòu)，是影響有機(jī)碳含量水平的重要因素。在30 - 60 和60 - 100 cm土層土壤中，砂粒含量灌叢顯著大于林地，大于草地，粉粒含量則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)(表2)；在這兩層土壤剖面中，土壤全氮和有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(圖2)。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒含量和有機(jī)碳的有效固存呈正相關(guān)關(guān)系，土壤中粘粒和粉粒含量越高，有機(jī)碳的有效固存量越高[33]。此外，馬文明等[34]在對(duì)高寒草地灌叢化對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)碳分布特征的研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)碳含量與粘粒含量呈顯著性負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與砂粒和粉粒含量沒(méi)有顯著相關(guān)性(P＞ 0.05)，而總氮含量與砂粒含量成正比(P=0.05)，與粘粒含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P＜ 0.05)，這與本研究結(jié)果不完全一致，這可能是因?yàn)楸狙芯繀^(qū)域位于土壤侵蝕區(qū)域，與其他土壤不同，侵蝕區(qū)土壤受侵蝕影響，粘粒、粉粒等質(zhì)量較輕的物質(zhì)更容易被帶走，而砂粒由于質(zhì)量較重，容易在原位及附近沉積。不同成土母巖也會(huì)影響土壤機(jī)械組成，研究區(qū)土壤母巖多為砂頁(yè)巖，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)砂頁(yè)巖砂粒含量較高且不同成土母巖的風(fēng)化程度差異會(huì)引起砂粒含量的差異，進(jìn)而影響到土壤機(jī)械組成，成土母質(zhì)對(duì)機(jī)械組成的解釋程度隨土層加深而增大[35]，此外，林草恢復(fù)在一定程度上減輕了土壤侵蝕強(qiáng)度，植物的生態(tài)補(bǔ)償也彌補(bǔ)了因侵蝕而流失的碳氮。相比土壤全氮和有機(jī)碳含量對(duì)土壤質(zhì)量的直接反映，土壤碳氮比在一定程度上也能反映有機(jī)質(zhì)的分解速率[36]。Tian 等[37]對(duì)中國(guó)全國(guó)范圍內(nèi)的土壤碳氮比進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，全國(guó)土壤碳氮比平均水平為11.9，草地60 - 100 cm 土層碳氮比為9.20，低于該平均值，這可能與草地深層土壤有機(jī)碳代謝和養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)[38]。

4 結(jié)論

本研究分析了干熱河谷區(qū)典型小流域3 種不同林草恢復(fù)措施對(duì)土壤團(tuán)聚體及碳氮穩(wěn)定性特征的影響。主要結(jié)論有：

1)不同林草恢復(fù)措施對(duì)不同土層的土壤團(tuán)聚體及碳氮特征的影響不同。在0 - 60 cm 土層，草地的土壤團(tuán)聚體以及碳氮含量均高于灌叢和林地，然而灌叢與林地底層土壤(60 - 100 cm)的土壤團(tuán)聚體及碳氮含量卻顯著高于草地。

2)不同林草恢復(fù)模式下土壤總氮含量以及有機(jī)碳含量均與土壤pH 和土壤粉粒含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，但與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)。

3)總體而言，草地上層(0 - 60 cm)土壤的土壤大團(tuán)聚體比例及其碳氮含量均顯著高于灌叢和林地，具有較好的土壤結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，對(duì)該區(qū)域退化土地進(jìn)行草地恢復(fù)與重建亦是值得推行的生態(tài)恢復(fù)模式。