吳 際， 楊 光， 韓雪瑩， 溫雅琴，楊溢文， 李文龍， 劉 一

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學沙漠治理學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.呼和浩特市水資源與河湖保護中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；4.中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；5.呼倫貝爾市水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021100）

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元［1］，它的形成過程非常復雜，主要受膠結(jié)物質(zhì)數(shù)量和性質(zhì)的影響。土壤團聚體的數(shù)量和質(zhì)量影響著土壤的保水保肥和透氣能力，良好的土壤團聚體可以提升土壤生產(chǎn)力，提高土壤抗蝕性，降低水土流失的風險［2］，因此通常把土壤團聚體的穩(wěn)定性作為評價土壤質(zhì)量的關(guān)鍵性指標［3］。土壤團聚體的穩(wěn)定性是指團聚體抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有形態(tài)的能力［4］，主要包含機械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。目前，評價團聚體穩(wěn)定性的指標主要有＞0.25 mm團聚體的含量（R＞0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、分形維數(shù)（D）［5］、土壤結(jié)構(gòu)體破碎率（PAD）等。

近年來，穩(wěn)定團聚體保持對土壤結(jié)構(gòu)退化、土壤水分保持和植被動態(tài)之間的相互影響得到了廣泛的關(guān)注［6］。研究結(jié)果表明，在生態(tài)脆弱的干旱半干旱地區(qū)，水分利用和土壤風蝕是影響表層土壤團聚體穩(wěn)定性的重要因素，土壤團聚性差、水穩(wěn)定性差導致土壤結(jié)構(gòu)退化，風蝕會進一步降低結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，形成惡性循環(huán)［7］。因此，如何高效管理和利用土壤，促進優(yōu)質(zhì)團聚體的形成和保持，已成為干旱半干旱地區(qū)亟待解決的問題。

科爾沁沙地是中國面積最大的沙地，其土壤含水量較低，養(yǎng)分貧瘠，生態(tài)環(huán)境惡劣［8］，受自然因素和人為因素影響，土地調(diào)控能力低，土壤水穩(wěn)定性團聚體收支失衡，導致土壤的蓄水保墑能力嚴重不足［9］。近年來，人工植被恢復對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響逐漸成為研究熱點［10］，貧瘠的沙地土壤經(jīng)過人工植被的種植及管理措施，使得地上生物量增加、生物根系固定作用增強，土壤狀況得到一定的改善［11］。奈曼旗為科爾沁沙地的核心區(qū)，是科爾沁沙地沙漠化發(fā)生、發(fā)展最典型的區(qū)域之一，無論是20世紀70年代的沙漠化速度還是90年代的沙漠化逆轉(zhuǎn)速度都具有代表性［12］。全旗沙漠化土地面積占到土地總面積的一半以上，不同程度的沙漠化土地在境內(nèi)均有分布［13］，故本文將奈曼旗全境作為沙漠化研究地區(qū)，稱為奈曼沙區(qū)。土地沙化、植被退化，一直是制約沙區(qū)發(fā)展的主要因素，強烈的風蝕帶走了土壤中大量的細顆粒物質(zhì)，土壤養(yǎng)分流失、穩(wěn)定性破壞，人工植被建設(shè)是沙區(qū)治理土地沙化、水土流失最常見和最有效的方法之一，不僅可以減小風蝕、固定流沙，還可以促進土壤顆粒通過有機質(zhì)膠結(jié)作用形成大團聚體，增加土壤穩(wěn)定性。研究表明，不同樹種因根系作用、枯落物性質(zhì)和林下植被狀況不同而導致土壤性質(zhì)具有較大差異，土壤團聚體特征集中反映了這種綜合作用的結(jié)果［14-16］。由此可見，研究不同人工林林下土壤團聚體的組成及穩(wěn)定性對揭示奈曼沙區(qū)植被恢復過程中土壤與植被發(fā)育過程的相互關(guān)系、土壤穩(wěn)定性團聚體形成與轉(zhuǎn)化規(guī)律具有重要意義。本文選取的楊樹、油松、樟子松人工林因其良好的耐寒、耐旱性，自70 年代開始在奈曼沙區(qū)作為主要的防風固沙樹種進行集中大量種植，并且取得了較好的成果，成為目前最適宜的沙地造林樹種［17-19］。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地南緣的奈曼旗（圖1），地理位置為42°14′175″～43°32′14″N，120°20′35″～121°36′00″E，氣候類型為北溫帶大陸性季風干旱氣候，年平均氣溫6.0～6.5 ℃，年平均降水量約360 mm，年平均蒸發(fā)量1935 mm，干燥度為1.4～1.8，年平均風速3.5 m·s-1，冬春季盛行西北風，春季風蝕活動強烈，全年平均風速可達4.3 m·s-1，吹沙日20～30 d［20］。研究區(qū)地帶性土壤為栗鈣土，由于地質(zhì)歷史年代沉積了豐富而松散的地表沙質(zhì)沉積物，在風力吹揚作用下形成了沙地，受風蝕作用的影響，部分變?yōu)楣潭L沙土和栗鈣型風沙土［21］，特點是養(yǎng)分含量低，保水保肥性能差［22］。沙質(zhì)屬性決定了土壤易遭受風蝕，儲存雨水及營養(yǎng)物質(zhì)能力差，土壤有機質(zhì)含量為5.6～9.86 g·kg-1，土壤pH為7.25。

圖1 研究區(qū)位置示意圖Fig.1 Diagram of the study area

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

對沙區(qū)進行全面考察，了解造林時段、政策以及林木價格等歷史背景后，并對多個林場進行對比，以人工林種植規(guī)模大且存活率較高、可供試驗研究的新鎮(zhèn)林場、青龍山林場以及興隆昭林場3 個國有林場為采樣點，分別選取了分布比較集中、林齡成熟的楊樹、油松及樟子松人工純林為研究對象，起始立地條件均為相對一致的流動沙地地段，常見經(jīng)營規(guī)格為株距2～3 m、帶寬5～7 m，帶間土地均為未經(jīng)開墾的天然植被恢復狀態(tài)，并且將沙地完全固定，土壤類型為栗鈣型風沙土。試驗設(shè)置3 個處理，每個處理設(shè)置3次重復，通過干篩和濕篩土壤團聚體，對比分析不同植被恢復人工林土壤穩(wěn)定性，從而為篩選最佳的固沙人工林提供依據(jù)。

2.2 土壤取樣

于2021年6月在每塊林地中設(shè)置30 m×30 m的喬木樣方，同一樣地沿對角線選取3 個代表性樣點（即重復），每樣點分別挖取剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm的土層自下而上分別采集原狀土壤樣品1 kg 置于塑料盒，原狀土壤在采集和運輸過程中避免擠壓和顛倒，以免破壞團聚體，用硬質(zhì)塑料盒帶回實驗室。在室溫條件下進行風干，并且剔除植物根系和石礫等雜質(zhì)，風干后沿自然裂縫將大塊土掰開，過孔徑10 mm篩，并進行土壤團聚體的測定。

2.3 團聚體處理

干篩處理：按照四分法原則取土樣100 g，置于孔徑自上而下為：2 mm、0.25 mm、0.053 mm 的電動振篩機，以固定頻率震蕩篩分（300 次?min-1）5 min，分 別 得 到＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm、＜0.053 mm 的4 種粒級的團聚體，并計算其百分比［23］。

濕篩處理：將50 g風干土樣用純水浸泡12 h，然后自上而下放入3 個不同粒級（2 mm、0.25 mm、0.053 mm）的篩子中。利用土壤團聚體分析儀（XY-100）在純水環(huán)境中（振幅4 cm，頻率30次?min-1）上下?lián)u動進行濕篩，以獲得＞2 mm、2～0.25 mm、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm的4種粒級的團聚體，將獲得的不同粒級的團聚體進行干燥處理（50 ℃）并稱重［24］。

2.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

＞0.25 mm團聚體的含量（R＞0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、土壤結(jié)構(gòu)體破碎率（PAD）和分形維數(shù)（D）計算公式如下［25］：

式中：MT表示團聚體總重量；M＞0.25表示粒級＞0.25 mm的團聚體的重量［26］。

式中：n表示團聚體粒級的分組數(shù)；-xi表示第i粒級團聚體的平均直徑；ωi表示第i粒級團聚體質(zhì)量百分比；r表示測量團聚體直徑大小的碼尺。

數(shù)據(jù)的處理采用Excel 2016軟件計算平均值及標準差，數(shù)據(jù)表達形式為平均值±標準差，利用SAS 9.4軟件對不同數(shù)據(jù)組進行方差分析（One-way ANO?VA）、趨勢檢驗，用Pearson法進行相關(guān)性分析，運用Excel 2016軟件繪制分析圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同人工林土壤團聚體組成分析

由干篩法獲得的機械穩(wěn)定性團聚體組成見圖2。3 塊人工林不同土層粒級含量的變化趨勢一致。楊樹人工林隨著粒級的減小團聚體含量呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，其中含量最多的是0.25～0.053 mm粒級團聚體，顯著高于其他粒級；油松人工林隨著粒級的減小團聚體含量呈現(xiàn)遞減的趨勢，＞2 mm粒級團聚體含量顯著高于其他粒級；樟子松人工林則是隨著粒級的減小團聚體含量先增加后減少，最小的粒級含量最少，為3%，0.25～0.053 mm粒級團聚體含量最高。整體上，＞2 mm粒級團聚體表現(xiàn)為：油松＞楊樹＞樟子松，2～0.25 mm粒級團聚體表現(xiàn)為：樟子松＞油松＞楊樹。由此可知，干篩條件下，機械穩(wěn)定性大團聚體的形成與保持能力表現(xiàn)為：油松＞樟子松＞楊樹。

圖2 土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成Fig.2 Soil mechanical stability of the aggregate composition

由圖3可知，與干篩相比，＞2 mm和＜0.053 mm 2個粒級的團聚體含量有了明顯的變化。3塊人工林＞2 mm粒級的團聚體含量隨著土層的加深顯著性減小，4個粒級團聚體含量中最大的為＜0.053 mm粒級團聚體。整體上，＞2 mm粒級團聚體含量表現(xiàn)為：樟子松＞楊樹＞油松，2～0.25 mm 粒級團聚體含量表現(xiàn)為：樟子松＞油松＞楊樹，水穩(wěn)定性大團聚體的形成與保持能力表現(xiàn)為：樟子松＞油松＞楊樹。

圖3 土壤水穩(wěn)定性團聚體組成Fig.3 Soil water stability aggregate composition

3.2 不同人工林土壤團聚體穩(wěn)定性分析

分析不同人工林土壤機械穩(wěn)定性的特征指標發(fā)現(xiàn)（表1），對于不同土層的MWD和GMD值來說，0～20 cm 土層的楊樹顯著高于其他2 個土層，20～40 cm土層的油松顯著高于其他2個土層，樟子松則無顯著差異，不受土層的影響；利用回歸分析計算不同人工林土壤團聚體的分形維數(shù)（D）值可以看出，不同林型及土層均無明顯差異；＞0.25 mm團聚體的含量（R＞0.25）作為重要指標可定量評價土壤團聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性［27］，其值越大，說明土壤的抗蝕性越好，在干篩條件下其土層變化趨勢與MWD 和GMD 一致，各個土層中R＞0.25值表現(xiàn)為：油松＞樟子松＞楊樹。整體上看，在各個土層中，油松的MWD和GMD值最高，樟子松與楊樹之間則無顯著差異，D值無明顯差異，油松的R＞0.25值最高。

表1 不同人工林土壤機械穩(wěn)定性參數(shù)Tab.1 Different plantation soil mechanical stability parameters

分析不同人工林土壤團聚體水穩(wěn)定性的特征指標發(fā)現(xiàn)（表2），0～20 cm 土層的3 個林型的GMD、MWD、R＞0.25值顯著高于20～40 cm 和40～60 cm 土層，D和PAD值顯著低于20～40 cm和40～60 cm土層，說明這5 個指標受土層影響顯著；3 個林型的GMD、MWD 值表現(xiàn)為：樟子松＞油松=楊樹；在0～20 cm 土層處R＞0.25值最高，表現(xiàn)為：樟子松＞油松＞楊樹；從分形維數(shù)D的數(shù)據(jù)可以看出，0～20 cm土層樟子松的D值最低，與其他2個樹種有顯著差異；破碎率PAD是濕篩后破碎的團聚體比率，其數(shù)值越小，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定［28］，從表2可以看出，不同人工林的PAD值表現(xiàn)為：楊樹＞油松＞樟子松，說明樟子松人工林土壤團聚體最穩(wěn)定。

表2 不同人工林土壤水穩(wěn)定性參數(shù)Tab.2 Soil water stability parameters of different plantations

3.3 土壤團聚體組成與穩(wěn)定性參數(shù)的相關(guān)性

由表3 和表4 可知，機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體的直徑指標MWD、GMD 與分形維數(shù)D的相關(guān)性系數(shù)分別在-0.33～-0.32、-0.97～-0.80 之間，呈顯著負相關(guān)關(guān)系，說明土壤團聚體的MWD和GMD 值越大，D 值越小。對于機械穩(wěn)定性團聚體，＜0.053 mm、0.25～0.053 mm、2～0.25 mm 3 個粒級的機械穩(wěn)定性團聚體與直徑指標均呈負相關(guān)(除＜0.053 mm粒級外，其他均達到顯著相關(guān))，＞2 mm粒級的機械穩(wěn)定性團聚體與MWD 值的相關(guān)系數(shù)為0.99，與GMD 值的相關(guān)系數(shù)為0.72，呈極顯著相關(guān)，正負相關(guān)性以2 mm為界。對于水穩(wěn)定性團聚體，＜0.053 mm 與0.25～0.053 mm 2 個粒級的土壤團聚體與直徑指標均呈負相關(guān)，且相關(guān)性極顯著，而2～0.25 mm 與＞2 mm 2 個粒級的水穩(wěn)定性團聚體與直徑指標均呈顯著正相關(guān)，正負相關(guān)性以0.25 mm 粒級團聚體為界。

表3 機械穩(wěn)定性團聚體組成與穩(wěn)定性參數(shù)的相關(guān)性Tab.3 Correlation between mechanical stability aggregate composition and stability parameters

表4 水穩(wěn)定性團聚體組成與穩(wěn)定性參數(shù)的相關(guān)性Tab.4 Correlation between water stability aggregate composition and stability parameters

對于機械穩(wěn)定性團聚體，其D 值與＜0.053 mm粒級機械穩(wěn)定性團聚體呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性顯著，與0.25～0.053 mm、2～0.25 mm、＞2 mm 3 個粒級機械穩(wěn)定性團聚體無顯著相關(guān)關(guān)系，其正負以2 mm為界。對于水穩(wěn)定性團聚體，D 值與＜0.053 mm、0.25～0.053 mm 粒級水穩(wěn)定性團聚體呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而與2～0.25 mm、＞2 mm 粒級水穩(wěn)定性團聚體呈顯著負相關(guān)關(guān)系，正負以0.25 mm 粒級團聚體為界。

4 討論

良好的土壤結(jié)構(gòu)需要有較高質(zhì)量的土壤團聚體和適當?shù)牧椒峙洌绕涫撬€(wěn)定性團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性［29］。本研究采用干、濕篩法，對科爾沁沙地奈曼沙區(qū)不同人工林土壤團聚體進行分析，2種篩分方法在土壤團聚體處理過程中各有優(yōu)缺點，2 種方法測定土壤團聚體的組成和穩(wěn)定性不同，這主要是因為干篩法反映了原狀土中非水穩(wěn)定團聚體和水穩(wěn)定團聚體的總體情況，體現(xiàn)的是土壤團聚體抵抗機械外營力破壞的能力［30］，而濕篩法反映了土壤中水穩(wěn)性團聚體的分布，濕篩后土壤中的非水穩(wěn)定團聚體容易通過外力（水）的擠壓而破碎成較小的團聚體。因此，水穩(wěn)定性團聚體在反映科爾沁沙地奈曼沙區(qū)人工林團聚體穩(wěn)定性中更具有代表性。

通過干篩法獲得＞2 mm及2～0.25 mm粒級土壤機械團聚體的百分含量能夠達到50%以上，變化依次是：油松＞樟子松＞楊樹，而經(jīng)過水篩后＞2 mm 及2～0.25 mm粒級大團聚體遇到水分會使土壤團聚體崩解，導致水穩(wěn)定性團聚體含量集中在＜0.053 mm粒級范圍內(nèi)，水穩(wěn)定性大團聚體表現(xiàn)為：樟子松＞油松＞楊樹。總體來說，楊樹林下土壤團聚體的穩(wěn)定性最差，楊樹本身是喜光、喜濕的樹種，在干旱的沙地環(huán)境下生長發(fā)育無法滿足自身水肥等需求，導致林下土壤質(zhì)量較差；干篩條件下油松林下土壤大團聚體較多，在沙質(zhì)地表植物根系及降雨作用下，土壤結(jié)構(gòu)疏松，土壤顆粒是分散的，干燥后由于其黏聚作用，土壤表面變得堅硬，導致土壤硬化、板結(jié)，經(jīng)過濕篩后大團聚體大幅度減小，說明其抗雨水浸泡、破壞能力差，在蘇永中等［31］研究中也表明，即使是干旱地區(qū)的沙質(zhì)土壤，也會在碳酸鈣的表面聚集作用下結(jié)塊，遇水沖擊后又易分散。由此可見，固定沙地樟子松林下土壤穩(wěn)定性較好，能夠有效富集土壤水分和養(yǎng)分。綜合干篩、濕篩2個結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樟子松和楊樹0～20 cm土層＞0.25 mm粒級團聚體含量最高，油松20～40 cm 土層機械穩(wěn)定性大團聚體最多，但0～20 cm水穩(wěn)定性大團聚體含量最高，這說明沙地表層土壤有機質(zhì)來源豐富且穩(wěn)定，有利于表層土壤大團聚體的形成與保持，隨著土層加深，腐殖質(zhì)減少，進而影響有機質(zhì)的含量和微生物的活性，降低了土壤團聚體的膠結(jié)效能，不利于形成團粒結(jié)構(gòu)。PAD 值與水穩(wěn)定性大團聚體變化趨勢基本一致，均表現(xiàn)為樟子松土壤抗蝕性及穩(wěn)定性更好，其主要機制是干旱地區(qū)樟子松根系強壯發(fā)達、抗旱能力較強，根系對土壤有改良和固結(jié)作用，相比其他2個林型，樟子松有強壯發(fā)達的垂直水平根，根系的分泌物可以對土壤起到很好的膠結(jié)作用。水分是影響大團聚體形成的重要因子，適量的水分能夠較好地促進土壤團聚體的形成和保持［32］，然而在地下水埋深較淺的地方，干旱少雨的自然條件不會影響樟子松的生長和存活［33］，奈曼沙區(qū)當年降水除了滿足樟子松的水分需求外，還對樟子松提供后續(xù)1～2 a生長的水分和養(yǎng)分供應(yīng)［34］。

眾多研究結(jié)果表明，土壤團聚體直徑指標MWD和GMD值越大、分形維數(shù)D值越小，說明團聚體穩(wěn)定性越好，團聚度越高［35］。通過本研究可以發(fā)現(xiàn)，干篩條件下，油松林下土壤中絕大多數(shù)是＞2 mm粒級的團聚體，其MWD 和GMD 值最大，相關(guān)性也表明MWD和GMD值與＞2 mm粒級的團聚體含量有顯著關(guān)系，但是濕篩條件下則是樟子松MWD 和GMD值最大，這是因為油松＞2 mm粒級的團聚體中包含大多數(shù)＞5 mm 粒級的土塊，雖然這種大團聚體具有良好的抗土壤風蝕性，但它的穩(wěn)定性并不高，從濕篩結(jié)果可以看出，這種大塊團聚體遇水后的團聚體破壞率很高，且分形維數(shù)D＞2.88，表現(xiàn)為保水保肥性差，遇水土壤板結(jié)，通透性差［36］。

相關(guān)性結(jié)果表明，機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體的直徑值和D值與各粒徑團聚體含量之間均呈明顯的線性關(guān)系，且正負分別以2 mm、0.25 mm粒級團聚體為界，說明土壤團聚化過程中尤為重要的分界線是2 mm和0.25 mm。＞2 mm粒級團聚體所占比例越多，MWD、GMD 越高，D 值越小，機械穩(wěn)定性越高；＞0.25 mm 粒級團聚體比例越多，MWD、GMD越高，D值越小，水穩(wěn)定性越高，在沙漠化過程中伴隨土壤表層細顆粒物質(zhì)的損失，損失的是易蝕或者是可蝕部分，此分界線很好地反映土壤顆粒物質(zhì)的損失情況，從而反映土地沙質(zhì)荒漠化程度［37］。由此可見，土壤機械穩(wěn)定性主要由2 mm粒級團聚體含量決定，土壤水穩(wěn)定性主要由0.25 mm 粒級團聚體含量決定，這與劉毅等［38］的研究結(jié)果相似，說明2 mm 和0.25 mm 粒級團聚體的構(gòu)建在土壤團聚化過程中較敏感地影響了土壤團聚體的分形維數(shù)及結(jié)構(gòu)特征，可分別作為表征土壤機械、水穩(wěn)定性的直觀參數(shù)。

5 結(jié)論

（1）3 塊人工林林下土壤大團聚體的含量在干篩和濕篩結(jié)果中差異較大，其PAD值進一步說明水穩(wěn)定性團聚體在反映科爾沁沙地奈曼沙區(qū)人工林土壤團聚體穩(wěn)定性中更具有代表性，且2 種篩分條件下，0～20 cm土層土壤＞0.25 mm團聚體的含量（R＞0.25）顯著高于40～60 cm土層。

（2）綜合不同人工林對土壤團聚體R＞0.25、MWD、GMD、D 值的表現(xiàn)，樟子松土壤結(jié)構(gòu)性最好，其水穩(wěn)定性最高，D值相對較低。

（3）機械穩(wěn)定性團聚體和水穩(wěn)定性團聚體的直徑值、分形維數(shù)D 值與各粒級含量呈明顯的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)正負分別以2 mm、0.25 mm 為界，說明2個粒級在土壤團聚化過程中是尤為重要的分界線，可分別作為表征土壤機械穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性的直觀參數(shù)。