朱志昊，孟晨*，王興，宋乃平，王麗，徐苗苗，杜靈通

（1. 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；4. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

土壤團(tuán)聚體是土壤的重要組成部分，是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位［1-2］，其結(jié)構(gòu)、分布及穩(wěn)定性對(duì)植被的恢復(fù)與生長有著重要影響，對(duì)區(qū)域生態(tài)恢復(fù)和防止表土沙化具有重要意義［3］。量化異質(zhì)性土壤中團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是評(píng)價(jià)土壤和植被管理措施時(shí)必須考慮的一個(gè)重要因素［4］，大量研究證明了團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對(duì)水土保持、土壤功能、植物生長的重要作用［5-10］，尤其是團(tuán)聚體拓?fù)鋷缀谓Y(jié)構(gòu)及分布，其會(huì)對(duì)孔隙網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生重要影響，從而影響水分、養(yǎng)分等資源的儲(chǔ)存與運(yùn)移［11-12］。然而，以往對(duì)土壤團(tuán)聚體的研究局限于對(duì)水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量及大小的量化分析［13-22］，而對(duì)異質(zhì)性原狀土壤中團(tuán)聚體幾何分布情況及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的認(rèn)識(shí)不夠，阻礙了對(duì)土壤團(tuán)聚體形成過程、機(jī)制及其生態(tài)功能的充分認(rèn)識(shí)。

團(tuán)聚體的形成是一個(gè)自然過程，但其會(huì)受到土地利用、耕作干擾、施肥和種植制度等人類活動(dòng)的影響［23］，同時(shí)，土壤管理策略、土壤性質(zhì)和植物根系性狀復(fù)雜的相互作用共同決定著土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性［13］。人工植被的引入及持續(xù)恢復(fù)，會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性發(fā)生變化［14］，植物生長也可以改變土壤的力學(xué)以及水文特征，以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定［15，24］，并最終增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量［25］。例如，＞2 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體含量會(huì)隨著杉木（Cunninghumia lanceolata）人工林林齡的增長呈先增后減趨勢(shì)［16］；＞0.25 mm 粒徑團(tuán)聚體會(huì)隨著玉米（Zea mays）種植年限的增加呈持續(xù)穩(wěn)定增加趨勢(shì)［17］；而杉木人工林的中齡林和成熟林土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)優(yōu)于幼齡林［18］。通過以往研究也可發(fā)現(xiàn)，不同植物種在引入、恢復(fù)中其土壤團(tuán)聚體演變過程具有差異性［26-27］，因此需要針對(duì)典型植物開展研究。檸條（Caragana korshinskii）生態(tài)恢復(fù)功能強(qiáng)，是我國西北荒漠地區(qū)的主要人工營造樹種［28］。但是，在檸條生長至一定年限后土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生再退化現(xiàn)象，影響表層土壤根系生物量，從而影響表層土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育及演變［29］。例如，隨著檸條林齡的增長，土壤逐漸干化形成干層，且干層厚度及深度均呈增加趨勢(shì)［30］，降低了水土保持、生物多樣性，影響了生態(tài)恢復(fù)的可持續(xù)性。因此，有必要關(guān)注檸條引入后表層土壤中團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的演變過程。本研究將利用計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed tomography，下文稱CT 掃描）［31-34］結(jié)合圖像處理分析，對(duì)荒漠草原不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體幾何分布及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征進(jìn)行量化分析，以期為明晰荒漠草原區(qū)檸條林在不同生長階段的水土資源利用策略、維持檸條林生態(tài)效益提供重要的科學(xué)依據(jù)，并為今后土壤團(tuán)聚體形態(tài)與功能等方面的深入研究提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣內(nèi)（37°57′23″-37°83′47″ N， 106°77′99″-107°50′70″ E），平均海拔1600 m，主要的土壤類型是灰鈣土和風(fēng)沙土。研究區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，年平均氣溫?.1 ℃，無霜期為150 d。年均降水量為280 mm，80%以上的降水量集中在5-9 月，其中全年60%以上的降水又集中在7-9月，年均蒸發(fā)量為2710 mm。西風(fēng)和西北風(fēng)為全年主要風(fēng)向，主要發(fā)生在春季。研究區(qū)植被多以牛枝子（Lespedeza potaninii）、老瓜頭（Cynanchum komarovii）、草木樨狀黃耆（Astragalus melilotoides）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、狗尾草（Setaria viridis）、短花針茅（Stipa breviflora）、苦豆子（Sophora alopecuroides）、綿蓬（Corispermum hyssopifolium）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等植被為主。

1.2 樣地選取與取樣方法

試驗(yàn)于2021 年5 月開始，共設(shè)置5 個(gè)樣地，根據(jù)檸條不同種植年份選取4 個(gè)試驗(yàn)樣地，另選取未種植檸條的草本樣地為對(duì)照組。檸條林地未引入檸條前均為放牧草地，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Plot fundamental information

在4 種檸條引入（9、14、24、35 年生）樣地中，每種選取2 個(gè)樣地重復(fù)，每個(gè)樣地選取2 個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)，草地樣地選取2 個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)，在每個(gè)樣點(diǎn)的0～10 cm、10～20 cm 土層利用自制超薄鋼材環(huán)刀（高65 mm，內(nèi)徑50 mm，厚度小于0.5 mm，為了保障根系構(gòu)型分析精度，單個(gè)掃描樣品高度控制在65 mm）取樣后利用nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統(tǒng)（三英精密有限公司）掃描分析根-土原狀結(jié)構(gòu)，即有（4 種林齡樣地×2 個(gè)樣地重復(fù)×2 個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)+1 個(gè)草地×2 個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)）×2 層土壤共計(jì)36 個(gè)環(huán)刀樣用于CT 掃描。采樣過程中，首先去除土壤表面的枯落物層，再將環(huán)刀底部平放在土壤，利用反鏟小心地鏟開環(huán)刀外圍的土壤，并同時(shí)令環(huán)刀緩慢地垂直深入。為了避免土壤被破壞，在每根環(huán)刀的上下兩端各固定一塊鐵板，為了防止土壤移動(dòng)和滲漏，在鐵板外用保鮮膜包裹，在固定鐵板的同時(shí)，減少了土壤水分的蒸發(fā)。土柱采集完畢立即送往實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行CT 掃描，運(yùn)輸?shù)倪^程中需要將土柱固定，避免運(yùn)輸途中顛簸造成的土體破壞，減少運(yùn)輸過程導(dǎo)致的誤差。最后利用鋁盒、自封袋、普通環(huán)刀取得土壤樣品（各3 個(gè)重復(fù)）帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定。樣地土壤基本性質(zhì)見表2。

表2 樣地土壤基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of the soil in the plot

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 CT 掃描與圖像處理 利用nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統(tǒng)（圖1，三英精密有限公司生產(chǎn)，像素細(xì)節(jié)分辨能力200 nm，空間分辨率200 nm，可測樣品尺寸直徑×高度不高于600 mm×600 mm）對(duì)36 個(gè)原狀土樣進(jìn)行掃描。經(jīng)CT 掃描后，每個(gè)原狀土柱將得到2094 張橫向切層圖像。首先利用ImageJ軟件對(duì)所有橫切圖進(jìn)行預(yù)處理，再使用圖像處理軟件Avizo 2019.1（圖2）對(duì)每個(gè)土柱的所有橫切圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，得到各原狀土樣的幾何分布圖像。三維重建方法如下：首先導(dǎo)入二值化圖像，依次進(jìn)行整合處理、閾值分割，再通過剪裁功能修改單位，使重構(gòu)模型接近真實(shí)試件，利用Volume-edit 模塊截取圓柱并生成mask，最終得到體素為0.137 mm/pixel（X 方向）×0.137 mm/pixel（Y 方向）×0.2 mm/pixel（Z 方向）的三維立體圖像。

圖1 nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統(tǒng)Fig.1 nanoVoxel-5000 series dual ray source CT system

圖2 圖像處理軟件Avizo 2019.1 使用界面Fig.2 Image processing software Avizo 2019.1

1.3.2 根-土結(jié)構(gòu)參數(shù)分析 在幾何分布圖像重建后，由于取樣時(shí)土管邊緣會(huì)反向給予土壤壓力，從而使得邊緣處土壤結(jié)構(gòu)變化，因此需要去除這種邊緣效應(yīng)帶來的誤差。經(jīng)過觀察及分析，決定去除圓周1 mm、上下兩端各1 mm 的數(shù)據(jù)，利用Avizo 2019.1 圖形軟件的ROI 工具將邊緣1 mm 及上下兩端1 mm 的圖像數(shù)據(jù)去除。最終得到X、Y 軸-24～24 mm，Z 軸-32～32 mm 的土柱三維立體圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行下一步的計(jì)算。

利用Avizo 2019.1 進(jìn)一步對(duì)圖像進(jìn)行解析，構(gòu)建土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)分布特征。提取所有粒徑＞0.25 mm 的團(tuán)聚體，并計(jì)算相關(guān)參數(shù)及其在圖像中的位置。最終將土壤團(tuán)聚體數(shù)據(jù)整合成為Excel 文件格式，準(zhǔn)備進(jìn)行下一步計(jì)算與處理。土壤團(tuán)聚體的閾值選取方法及各特征參數(shù)的具體計(jì)算方法如下：首先預(yù)制一個(gè)水穩(wěn)性團(tuán)聚體，同時(shí)結(jié)合土柱拆解后肉眼識(shí)別的方法，將確定為團(tuán)聚體閾值范圍內(nèi)的土團(tuán)確定為團(tuán)聚體。勾畫出土柱三維結(jié)構(gòu)中的團(tuán)聚體，使得土柱團(tuán)聚體三維可視化，利用Avizo 2019.1 軟件分析得到每個(gè)團(tuán)聚體的長度、體積、表面積、等效直徑、球度，并統(tǒng)計(jì)團(tuán)聚體數(shù)量。統(tǒng)計(jì)得到各土柱中每1 mm 土層的團(tuán)聚體數(shù)量密度、長度密度、體積密度、表面積密度、平均等效直徑及平均球度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，采用SPSS 26 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)不符合方差齊性，選擇韋爾奇方差分析法（Welch’s anova）分析檸條種植年限對(duì)團(tuán)聚體的影響，并用Games-Howell 法進(jìn)行多重比較（α=0.05）；采用R 4.1.2 中“vegan”包的“cor”函數(shù)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析，使用“vegan”包的“rda”函數(shù)進(jìn)行主成分分析（principal component analysis， PCA）；采用Origin 2021 和R 4.1.2 制圖，結(jié)果中數(shù)值采用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體幾何分布特征

土壤團(tuán)聚體幾何分布結(jié)果見圖3，不同林齡下的團(tuán)聚體幾何分布特征差異明顯：相較之下，35 年生檸條林地及草地對(duì)照樣地土壤團(tuán)聚體分布更為均勻，且分布密度高，而9 和14 年生林地土壤中團(tuán)聚體分布的均勻性較差，土壤團(tuán)聚體集中于部分區(qū)域，而在部分區(qū)域的分布密度較低。

圖3 土壤團(tuán)聚體幾何分布特征Fig.3 Geometric distribution characteristics of soil aggregates

2.2 檸條林土壤團(tuán)聚體數(shù)量及長度分布演變特征

對(duì)檸條灌叢引入后的土壤團(tuán)聚體數(shù)量及長度特征演變規(guī)律進(jìn)行分析（表3），可見，檸條種植后，除了14 年生檸條林地，其他林齡土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度整體上顯著高于草地（P＜0.05）；0～10 cm 土層土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度表現(xiàn)為9 年生＞24 年生＞35 年生＞14 年生＞CK，10～20 cm 土層土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度隨著林齡增加呈先增后減再增的趨勢(shì)，總體上，0～20 cm 土層土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度表現(xiàn)為9 年生＞35 年生＞24 年生＞14 年生。林齡與團(tuán)聚體數(shù)量密度的相關(guān)系數(shù)為0.262（P＜0.001）（圖4），可見團(tuán)聚體數(shù)量密度整體上與林齡成正比。通過圖5a 可見，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，9 年生團(tuán)聚體數(shù)量密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體數(shù)量密度總體呈平緩的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團(tuán)聚體數(shù)量密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體數(shù)量密度總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，14 年生團(tuán)聚體數(shù)量密度總體呈平緩增加的趨勢(shì)。

圖4 檸條林齡與土壤團(tuán)聚體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征相關(guān)關(guān)系Fig.4 Correlation between different years of C. korshinskii and topological characteristics of soil aggregates

圖5 不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征隨土壤深度變化情況Fig.5 Topological characteristics of soil aggregates in C. korshinskii shrubland of different years vary with soil depth

表3 不同林齡檸條林地不同深度土層土壤團(tuán)聚體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征Table 3 Topological characteristics of soil aggregates in soil layers at different depths in C. korshinskii shrubland of different years

由表3 可見，9 年生至35 年生土壤團(tuán)聚體長度密度呈先減后增的趨勢(shì)；在地下0～10 cm，團(tuán)聚體長度密度整體上顯著高于草地（P＜0.05）。林齡與團(tuán)聚體長度密度的相關(guān)系數(shù)為0.309（P＜0.001）（圖4），可見團(tuán)聚體長度密度整體上與林齡成正比。由圖5b 可以看出，在0～10 cm 土層 ，隨著土壤深入，團(tuán)聚體長度密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團(tuán)聚體長度密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體長度密度總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，14 年生團(tuán)聚體長度密度總體呈平緩增加的趨勢(shì)。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度及長度密度存在顯著差異，結(jié)合圖6 可得，總體表現(xiàn)為隨著林齡的增加，團(tuán)聚體數(shù)量密度及長度密度隨之增加；相比于表層土壤，深層土壤具有更大的團(tuán)聚體數(shù)量密度及長度密度。

圖6 檸條林齡與土壤團(tuán)聚體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of topological characteristics of different years of C. korshinskii and soil aggregates

2.3 檸條林土壤團(tuán)聚體體積及表面積分布演變特征

分析檸條灌叢引入后的土壤團(tuán)聚體體積及表面積特征演變規(guī)律（表3）可知，草地至9 年生檸條林的團(tuán)聚體體積密度下降；在地下0～10 cm，團(tuán)聚體體積密度在9 年生至24 年生增加，而到35 年生減少；在地下10～20 cm，團(tuán)聚體體積密度在9 年生至24 年生減少，而到35 年生增加。林齡與團(tuán)聚體體積密度的相關(guān)系數(shù)為0.482（P＜0.001）（圖4），可知團(tuán)聚體體積密度整體上與林齡呈正相關(guān)關(guān)系。由圖5c 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，9 年生團(tuán)聚體體積密度總體呈增加的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體體積密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、35 年生團(tuán)聚體體積密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，14 年生和草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體體積密度總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，24 年生團(tuán)聚體體積密度總體呈增加的趨勢(shì)。

由表3 可得，草地至9 年生檸條林的土壤團(tuán)聚體表面積密度下降；在0～10 cm 土層，14、24、35 年生和草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體表面積密度分別是9 年生的1.31、1.80、1.84、1.10 倍，9 年生至35 年生呈增加趨勢(shì)；在10～20 cm 土層，9、24、35 年生和草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體表面積密度分別是14 年生的1.46、1.02、1.92、1.88 倍，14年生至35 年生呈增加趨勢(shì)。林齡與團(tuán)聚體表面積密度的相關(guān)系數(shù)為0.368（P＜0.001）（圖4），可知團(tuán)聚體表面積密度整體上與林齡呈正相關(guān)關(guān)系。團(tuán)聚體體積密度與表面積密度相關(guān)性極強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.948（P＜0.001） （圖4）。由圖5d 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，團(tuán)聚體表面積密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團(tuán)聚體表面積密度總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體表面積密度總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，14 年生團(tuán)聚體表面積密度總體呈增加的趨勢(shì)。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體體積密度及表面積密度存在顯著差異，總體表現(xiàn)為隨著林齡的增加，團(tuán)聚體體積密度及表面積密度隨之增加；相比于表層土壤，深層土壤具有更大的團(tuán)聚體體積密度及表面積密度。

2.4 檸條林土壤團(tuán)聚體平均等效直徑及平均球度分布演變特征

對(duì)不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體平均等效直徑及平均球度特征進(jìn)行分析（表3）可知，草地至9 年生檸條林的團(tuán)聚體平均等效直徑下降；在地下0～10 cm，9年生至24 年生團(tuán)聚體平均等效直徑呈增加趨勢(shì)；在地下10～20 cm，9 年生至35 年生團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈先增后減再增趨勢(shì)。林齡與團(tuán)聚體平均等效直徑的相關(guān)系數(shù)為0.108（P＜0.01）（圖4），可見整體上，團(tuán)聚體平均等效直徑隨林齡增加而增加。由圖5e 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，14 年生和草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體平均等效直徑總體呈增加的趨勢(shì)，24 年生團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈減少的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈平緩的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9 年生團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈先增加后減少的趨勢(shì)，14 年生團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體平均等效直徑總體呈平緩的趨勢(shì)。由圖7 可以看出，不論是不同林齡的檸條林地，還是草地對(duì)照，平均等效直徑在0.25～0.30 mm 的團(tuán)聚體最多，并且隨著團(tuán)聚體平均等效直徑增大，團(tuán)聚體的占比逐漸變少，在0.35～0.40 mm 急劇減少。

圖7 不同林齡土壤團(tuán)聚體平均等效直徑分布Fig. 7 Average equivalent diameter distribution of soil aggregates of different years

土壤團(tuán)聚體球度越大，代表團(tuán)聚體越規(guī)則，穩(wěn)定性越強(qiáng)［35］。草地至9 年生檸條林的土壤團(tuán)聚體平均球度增加（表3）；在地下0～10 cm，9 年生至35 年生團(tuán)聚體平均球度呈先減后增的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，9 年生至35 年生團(tuán)聚體平均球度總體呈減少趨勢(shì)。林齡與團(tuán)聚體平均球度的相關(guān)系數(shù)為-0.384（P＜0.001）（圖4），可見整體上，林齡對(duì)團(tuán)聚體平均球度有重要的負(fù)相關(guān)影響。由圖5f 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，14 年生團(tuán)聚體平均球度總體呈先減少后增加的趨勢(shì)，草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體平均球度總體呈增加的趨勢(shì)，35 年生團(tuán)聚體平均球度總體呈平緩的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體平均球度總體呈減少的趨勢(shì)；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9 年生團(tuán)聚體平均球度總體呈增加的趨勢(shì)，14 年生和草地對(duì)照?qǐng)F(tuán)聚體平均球度總體呈增加的趨勢(shì)，其他組團(tuán)聚體平均球度總體呈減少的趨勢(shì)。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體平均等效直徑及平均球度存在顯著差異，總體趨勢(shì)表現(xiàn)為隨著林齡的增加，團(tuán)聚體平均等效直徑有所增加，團(tuán)聚體平均球度有所減少；相比于深層土壤，淺層土壤具有更大的團(tuán)聚體平均等效直徑及平均球度。

3 討論

相比以往研究中對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量、團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑（mean weight diameter， MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter， GMD）和質(zhì)量分形維數(shù)（fractal dimension， D）等指標(biāo)的測量分析［13-22］，本研究利用CT 掃描結(jié)合圖像處理解析方法，獲取了荒漠草原不同林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體的幾何分布特征，并量化了原狀土壤中團(tuán)聚體的數(shù)量、長度、體積、表面積、平均等效直徑、平均球度等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征參數(shù)，這有利于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤團(tuán)聚體的發(fā)育過程、機(jī)制及其生態(tài)功能。同時(shí)，利用CT 掃描及圖像處理技術(shù)獲取土壤團(tuán)聚體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)指標(biāo)，可為今后土壤團(tuán)聚體水文效應(yīng)［36］、根系與土壤團(tuán)聚體互作關(guān)系［37］等方面的研究提供技術(shù)支撐。

檸條林地土壤團(tuán)聚體數(shù)量密度表現(xiàn)為9 年生＞35 年生＞24 年生＞14 年生，可見，剛種植檸條的一定年限內(nèi)，土壤團(tuán)聚體含量會(huì)隨著林齡增加先減少后增加。以往研究發(fā)現(xiàn)土壤大團(tuán)聚體（＞0.25 mm）含量總體表現(xiàn)為35年生檸條＞25 年生＞15 年生［19］，而＞0.25 mm 水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量隨著檸條種植年限增加出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象［20］，本研究結(jié)果與其基本一致。在0～10 cm 土層，團(tuán)聚體體積密度在林齡為14 年生時(shí)開始增加，而在10～20 cm 土層，體積密度在35 年生時(shí)才開始增加，可見，雖然大團(tuán)聚體在深層含量多于淺層，但大團(tuán)聚體在表層形成快于深層，檸條在該地區(qū)的表層恢復(fù)效果強(qiáng)于深層。以往研究發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)可顯著改善土壤理化性質(zhì)，但隨著土層深度增加，土壤物理性質(zhì)改善效果會(huì)減弱［38］，土壤酶活性、土壤養(yǎng)分和土壤微生物多樣性均呈降低趨勢(shì)［39］，本研究結(jié)果與其基本一致。本研究中土壤團(tuán)聚體平均等效直徑表現(xiàn)為CK＞9 年生＞35 年生＞24 年生，可見大林齡檸條林地土壤團(tuán)聚體平均等效直徑要低于未種植檸條的草地，這與以往研究結(jié)果一致［21］?？梢娙斯ぴ炝謺?huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體平均直徑降低，可能是因?yàn)闄帡l的引入提高了地下生態(tài)系統(tǒng)功能，促進(jìn)了小直徑土壤團(tuán)聚體的形成，導(dǎo)致微團(tuán)聚體數(shù)量增多，從而使得檸條林地土壤團(tuán)聚體平均直徑降低［40］。

對(duì)比近35 年檸條林地土壤團(tuán)聚體幾何分布特征發(fā)現(xiàn)，隨著檸條林齡增加，土壤團(tuán)聚體密度逐漸增大且分布逐漸均勻，土壤結(jié)構(gòu)改善效果良好，可見檸條的種植可以很好地改善土壤的結(jié)構(gòu)，這與以往的研究結(jié)果基本一致［22，41-42］。雖然林地表層土壤團(tuán)聚體數(shù)量、體積少于深層土壤，但表層團(tuán)聚體的平均球度大、平均等效直徑大，因此可以認(rèn)為表層土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性更強(qiáng)，這與以往的研究結(jié)果一致［43-44］，因此，在對(duì)土地資源利用及檸條林管理時(shí)不能僅考慮團(tuán)聚體數(shù)量、大小而忽略土壤團(tuán)聚體分布及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變帶來的重要影響。此外，今后研究中需要充分考慮人工林生長過程中林地土壤團(tuán)聚體幾何分布與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征演變引起的生態(tài)功能改變，從而進(jìn)行針對(duì)性、精細(xì)化管理，以提高人工林生態(tài)恢復(fù)的高效性及可持續(xù)性。

4 結(jié)論

1）利用CT 掃描及圖像處理技術(shù)可以量化土壤團(tuán)聚體幾何分布及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，可為今后土壤團(tuán)聚體水文效應(yīng)、根系與土壤團(tuán)聚體互作關(guān)系等方面的研究提供技術(shù)支撐。

2）人工檸條引入及林齡增加會(huì)導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體數(shù)量增加、表層大團(tuán)聚體形成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，需要關(guān)注人工林生長過程中林地土壤團(tuán)聚體幾何分布與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征演變引起的生態(tài)功能改變。

3）在人工檸條林地，雖然0～10 cm 土層土壤團(tuán)聚體數(shù)量、體積小于10～20 cm 土層土壤，但0～10 cm 土層土壤團(tuán)聚體平均粒徑及球度更大，可見林地表層土壤具有更少但更穩(wěn)定的團(tuán)聚體，在今后相關(guān)研究中，不僅需要分析團(tuán)聚體數(shù)量及大小，同時(shí)不能忽略可表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)的特征與變化。