植被恢復(fù)下土壤結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

尚應(yīng)妮,趙世偉,,王子龍,黃菁華,霍 娜,常聞謙

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

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植被恢復(fù)下土壤結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

尚應(yīng)妮1,趙世偉1,2,王子龍2,黃菁華2,霍 娜1,常聞謙1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

通過查閱有關(guān)土壤結(jié)構(gòu)和土壤功能的國內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和土壤功能的研究進(jìn)展、土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)以及土壤結(jié)構(gòu)的研究方法進(jìn)行了闡述；討論了土壤結(jié)構(gòu)與土壤的作物生產(chǎn)功能、土壤水庫功能、土壤碳庫功能、土壤基因庫功能等的關(guān)系；并對(duì)激光共聚焦掃描技術(shù)在土壤結(jié)構(gòu)與孔隙特征分析中的應(yīng)用及數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用如何反映土壤孔隙的真實(shí)狀況，加強(qiáng)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其功能的定量關(guān)系研究等方面提出了展望。

土壤結(jié)構(gòu); 孔隙特征; 土壤功能; 土壤水庫; 土壤碳庫

土壤結(jié)構(gòu)是土壤功能發(fā)揮的基礎(chǔ)，不同學(xué)者從不同的角度對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解釋。從宏觀角度來說，Amézketa[1]認(rèn)為土壤中的黏粒、粉粒、砂粒與有機(jī)質(zhì)相互作用，膠結(jié)為不同粒徑大小的團(tuán)聚體，并在三維空間進(jìn)一步組織排列為一定的結(jié)構(gòu)形式，即為土壤結(jié)構(gòu)。從形成角度來說，Dexter[2]認(rèn)為土壤結(jié)構(gòu)是由礦物顆粒和有機(jī)物等在干濕凍融交替等自然物理過程作用下形成的不同尺度大小的多孔單元。從土壤結(jié)構(gòu)功能角度出發(fā)，彭新華[3]、趙其國[4]等指出土壤結(jié)構(gòu)是維持土壤功能的基礎(chǔ)，直接影響著土壤的通氣、透水性能。土壤退化其核心是土壤結(jié)構(gòu)體的退化。土壤結(jié)構(gòu)的好壞主要取決于土壤孔隙結(jié)構(gòu)、土壤團(tuán)聚體以及土壤膠結(jié)物質(zhì)的作用方式和強(qiáng)度。植被恢復(fù)與重建產(chǎn)生的土壤環(huán)境效應(yīng)將直接影響土壤結(jié)構(gòu)，而不同的土壤結(jié)構(gòu)決定了土壤功能的強(qiáng)弱。各種土壤的不同功能有其空間分異、歷史演替和強(qiáng)弱序列的特征[5]。結(jié)合國內(nèi)外土壤功能分類，可以看出，土壤功能主要包括：作物生長、緩沖過濾、棲息地和基因庫、自然景觀和文化遺產(chǎn)、原材料生產(chǎn)、建設(shè)承載等幾個(gè)方面。土壤功能的變化也在深刻影響著各個(gè)國家的社會(huì)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境持續(xù)發(fā)展。1982年聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和國際土壤學(xué)會(huì)擬定了《世界土壤憲章》，強(qiáng)調(diào)了土壤資源與糧食安全、土壤圈與全球變化的相關(guān)性。其中指出，土地資源是有限的，土地生產(chǎn)糧食的能力也是有限的，呼吁各國政府和民眾參與土壤保護(hù)活動(dòng)，并根據(jù)土壤功能考慮合理的土地利用方式和社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素[6]。良好的土壤結(jié)構(gòu)的培育是提高土壤功能的根本途徑。因此，為了資源的合理利用與社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，加強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)與功能領(lǐng)域的研究十分必要。通過研究植被恢復(fù)下土壤結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，有助于土地規(guī)劃者了解土壤不同功能的運(yùn)用，為土壤資源保護(hù)和土地利用合理規(guī)劃提供科學(xué)參考依據(jù)。

1　土壤結(jié)構(gòu)與功能的概念

土壤結(jié)構(gòu)是由土壤顆粒通過不同的堆積方式相互粘結(jié)而形成的。土壤結(jié)構(gòu)一詞實(shí)際上包含兩方面的含義，一是指各種不同的結(jié)構(gòu)體的形態(tài)特性，即土壤結(jié)構(gòu)體；二是泛指具有調(diào)節(jié)土壤物理性質(zhì)的“結(jié)構(gòu)性”，即土壤結(jié)構(gòu)性。土壤結(jié)構(gòu)體是各級(jí)土粒由于不同原因相互團(tuán)聚成大小、形狀和性質(zhì)不同的土團(tuán)、土塊、土片等土壤實(shí)體。土壤中單粒和復(fù)粒(包括團(tuán)聚體)的數(shù)量、大小、形狀、性質(zhì)及其相互排列、組合形式以及相應(yīng)的孔隙狀況[7]，土壤結(jié)構(gòu)體實(shí)際上是土壤顆粒按照不同的排列方式堆積、復(fù)合而形成的土壤團(tuán)聚體。不同的排列方式往往形成不同的結(jié)構(gòu)體。這些不同形態(tài)的結(jié)構(gòu)體在土壤中的存在狀況影響土壤的孔隙狀況，進(jìn)而影響土壤的肥力和耕性，也會(huì)影響土壤不同功能的發(fā)揮。土壤結(jié)構(gòu)性表征土壤是一種重要的物理性質(zhì)的狀態(tài)，土壤結(jié)構(gòu)的好壞主要是指土壤結(jié)構(gòu)性的好壞。

土壤功能是由土壤自身的物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)、生物演替和信息傳遞特征決定的，是土壤的固有屬性[8]。同時(shí)，土壤也是一個(gè)多重功能的載體，角度不同，對(duì)其理解也有所差異。

1992年在美國召開的土壤質(zhì)量會(huì)議[9]，認(rèn)為土壤的主要功能包括三個(gè)方面：一是生產(chǎn)力；二是環(huán)境質(zhì)量；三是動(dòng)物健康。即土壤在生態(tài)系統(tǒng)的范圍內(nèi)，具有維持生物的生產(chǎn)力、保護(hù)環(huán)境質(zhì)量以及促進(jìn)動(dòng)植物健康的能力。2002年歐洲委員會(huì)[10]將土壤功能分為糧食和其他生物的生產(chǎn)功能、存儲(chǔ)過濾和轉(zhuǎn)換功能、棲息地和基因庫功能、自然和文化景觀功能以及原材料來源功能。而在英國的第一部土壤行動(dòng)計(jì)劃[11]中，則將土壤主要功能分為六個(gè)，即生產(chǎn)功能、土壤對(duì)水和空氣的環(huán)境交互功能、生物多樣性保留功能、發(fā)展平臺(tái)功能、提供原料功能和文化遺產(chǎn)保護(hù)功能。土壤也同樣有直接的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，例如土壤能夠吸附塵埃，產(chǎn)出新鮮的空氣，也能產(chǎn)出經(jīng)濟(jì)作物，并凈化飲用水。此外，土壤作為基因庫被廣泛認(rèn)可，土壤中某些微生物還具有生物制藥的潛力。土壤作為一種有生命的動(dòng)態(tài)資源，同時(shí)也有維持全球生態(tài)平衡的功能。在《歐盟土壤保護(hù)修復(fù)指導(dǎo)框架》[12]中，碳存儲(chǔ)作為土壤功能之一，首次被列入指導(dǎo)框架。從相關(guān)的表述中可以發(fā)現(xiàn)人們對(duì)土壤功能的認(rèn)識(shí)在不斷深化。

相比而言，國內(nèi)關(guān)于土壤功能的分類及其相關(guān)研究相對(duì)較少。趙其國等[9]在探討土壤質(zhì)量時(shí)指出，土壤質(zhì)量與土壤的基本功能有關(guān)，土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)對(duì)土壤的5個(gè)特定的功能因子進(jìn)行評(píng)價(jià)。姜明[13]、崔巍等[14]針對(duì)濕地土壤，進(jìn)行了土壤環(huán)境功能劃分與歸納。此外，為探討城市化過程中人為活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，何躍等[15]在研究中在國內(nèi)首次關(guān)注了土壤的記錄功能。蔣端生等[5]認(rèn)為土壤質(zhì)量及其評(píng)價(jià)建立在土壤功能之上，各種土壤的不同功能有其空間分異、歷史演替和強(qiáng)弱序列。梁思源等[16]歸納總結(jié)了土壤的不同功能，認(rèn)為土壤不但具有作物生產(chǎn)功能，還是環(huán)境交互媒介、動(dòng)植物棲息地，同時(shí)為人類提供居住環(huán)境和原材料。

2　土壤結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)指標(biāo)與研究方法

土壤結(jié)構(gòu)的好壞不僅與土壤結(jié)構(gòu)的大小、形狀和肥力特征有關(guān)，也與土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有密切的關(guān)系。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通常包括土壤團(tuán)聚體的水穩(wěn)性和土壤機(jī)械穩(wěn)定性。土壤團(tuán)聚體數(shù)量和質(zhì)量評(píng)價(jià)是土壤結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的重要組成部分，常用>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體質(zhì)量，不僅要重視各級(jí)別團(tuán)聚體的數(shù)量，還應(yīng)當(dāng)重視團(tuán)聚體的直徑[17]。Van Bavel[18]采用加權(quán)求和方法提出了結(jié)構(gòu)體平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter，MWD)的概念；Gardener[19]在此基礎(chǔ)上提出了幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)的概念。MWD和GMD作為土壤團(tuán)聚體狀況綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)已被廣泛應(yīng)用。近年來，也有人借鑒分形理論，將其應(yīng)用到土壤顆粒和團(tuán)聚體的組成等研究方面，提出用分形維數(shù)(fractal dimension)作為指標(biāo)表征土壤團(tuán)聚體的分布狀況[20-22]。此外，祁迎春等[17]嘗試將矩法應(yīng)用于土壤團(tuán)聚體質(zhì)量評(píng)價(jià)方面，結(jié)果表明理論和其中的偏倚系數(shù)Cs能夠較為靈敏地表征各類土壤的團(tuán)聚水平。

由于土壤結(jié)構(gòu)揭示了土壤各個(gè)組分和特性的空間異質(zhì)性。更復(fù)雜的是土壤結(jié)構(gòu)固有的不穩(wěn)定性，因而產(chǎn)生了它們?cè)跁r(shí)間上的易變性和在空間上的不均勻性。再加上土壤結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈地受氣候、生物活動(dòng)以及土壤管理的影響，并且也易遭到機(jī)械的和物理化學(xué)性質(zhì)的破壞力的作用?；谶@些原因，還沒有真正客觀的、通用的方法來測定土壤結(jié)構(gòu)本身，所以土壤結(jié)構(gòu)一詞還是一個(gè)定性的概念，而非數(shù)量化了的性質(zhì)。學(xué)者們盡管已經(jīng)提出很多測定土壤結(jié)構(gòu)的方法，但事實(shí)上都是間接的方法，只是測定認(rèn)為和結(jié)構(gòu)相依存的這個(gè)或那個(gè)土壤屬性，并非結(jié)構(gòu)本身。

干篩法是將一系列套篩放于振蕩架上，放入一定量的土壤樣品，振動(dòng)后測定留在各級(jí)篩子上團(tuán)聚體的重量百分含量。干篩法一般不單獨(dú)使用，常常與濕篩法結(jié)合起來應(yīng)用。濕篩法是約得1936年提出來的，是衡量土壤中團(tuán)聚體的水穩(wěn)性方法。濕篩法是目前土壤團(tuán)聚體研究中應(yīng)用最廣泛的方法。

土壤微形態(tài)法是應(yīng)用偏光電鏡或掃描電鏡等顯微鏡法(α)來代替肉眼研究土壤團(tuán)聚體的方法。與常規(guī)土壤物理分析方法相比，CT可以在不擾動(dòng)分析對(duì)象內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況下直接對(duì)原狀土壤樣本進(jìn)行分析，且成像及分析速度快，可以進(jìn)行三維立體分析等。近年來，應(yīng)用X射線CT掃描技術(shù)分析土壤的孔隙度、孔隙分形維數(shù)[23-24]和孔隙空間分布狀況等已經(jīng)成為土壤孔隙特征研究的新方法[25-28]。Rachman等[29]發(fā)現(xiàn)利用CT掃描方法和利用傳統(tǒng)的土壤持水量推算法所測定的土壤大孔隙度數(shù)據(jù)結(jié)果十分接近。趙世偉等[30]利用CT掃描和圖像處理技術(shù)對(duì)植被自然恢復(fù)演替過程中的土壤孔隙特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明土壤孔隙數(shù)、孔隙度、孔隙成圓率和分形維數(shù)等孔隙參數(shù)均得到極顯著的提高。

現(xiàn)在，隨著超聲技術(shù)的發(fā)展，已有研究人員提出了一套新的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)估系統(tǒng)[31-32]：利用功率超聲粉碎土水中土壤團(tuán)聚體，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測土水溶液溫度和超聲系統(tǒng)輸入功率的變化，計(jì)算出土壤超聲分散能量，進(jìn)而確定土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。土壤分散能量可以勾畫出土壤物理分散過程，即隨時(shí)間變化，土壤超聲分散功率遞減，分散能量遞增，充分體現(xiàn)了超聲激勵(lì)下土壤團(tuán)聚體從初始團(tuán)聚狀態(tài)到完全分散狀態(tài)的逐漸分解過程。這種方法與以往的土壤團(tuán)聚體研究相比，能定量地分析團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3　土壤結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

以下僅從土壤的作物生產(chǎn)功能、土壤水庫功能、土壤碳庫功能、土壤基因庫功能等幾方面對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系加以闡述。

3.1土壤結(jié)構(gòu)對(duì)土地生產(chǎn)力的影響

Blum和Santelises[33]認(rèn)為土壤是植物生長的介質(zhì)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基地。即土壤的生產(chǎn)力(提高植物和生物生產(chǎn)力的能力)功能[9]。在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，水、肥、氣、熱等因素決定著土壤肥力，而水、肥、氣、熱的合理調(diào)控又與土壤結(jié)構(gòu)有著直接關(guān)系。土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)既在保持土壤肥力、增加通氣性、透水性、抗蝕性方面發(fā)揮重要作用，又與單粒一起成為構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的骨架顆粒，共同維持著土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。有良好團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的土壤在作物生長期間能很好地調(diào)節(jié)植物對(duì)水分、養(yǎng)分、空氣和溫度的需要，從而促進(jìn)作物獲得高產(chǎn)[34]。近年來，國內(nèi)外有關(guān)于土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明[35-37]：土壤有機(jī)質(zhì)在土壤結(jié)構(gòu)的形成過程中起關(guān)鍵作用，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)能夠影響土壤水熱狀況；土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性對(duì)土壤肥力、質(zhì)量和土壤的可持續(xù)利用具有重要影響。在保持土壤良好結(jié)構(gòu)的同時(shí)，也要科學(xué)合理地利用土地，因土種植，如基本農(nóng)田的園林化建設(shè)和坡耕地的梯田建設(shè)等，從而最大限度地提高土地生產(chǎn)力，充分發(fā)揮土壤的基本功能。

土壤團(tuán)聚體是衡量土壤肥力的指標(biāo)之一，土壤有機(jī)碳的數(shù)量和質(zhì)量在很大程度上也與維持和提高土壤肥力密切相關(guān)。良好的土壤結(jié)構(gòu)有助于土壤肥力的提高，進(jìn)而幫助作物獲得高產(chǎn)。但是目前關(guān)于土壤結(jié)構(gòu)與土地生產(chǎn)力的直接關(guān)系尚不清楚，缺乏對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與作物產(chǎn)量的定量關(guān)系的討論。如何通過調(diào)控土壤結(jié)構(gòu)使得土壤肥力得以充分發(fā)揮，從而提高土地生產(chǎn)力，定量指示土壤結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)力功能的關(guān)系，將成為今后研究的重點(diǎn)。

3.2土壤結(jié)構(gòu)與土壤水庫功能的關(guān)系

土壤是布滿孔隙的疏松多孔體，具有明顯的存蓄、調(diào)節(jié)水分的功能，滿足植被生長的需要，稱之為土壤水庫。土壤水庫受植被、土壤、地形和氣候等因子的影響，各因子通過作用于土壤水庫庫容、瓶頸和蒸發(fā)性能，對(duì)土壤水庫的功能進(jìn)行調(diào)控。植被因子是影響土壤水庫功能最活躍、最積極的因素[38]，同時(shí)通過植被—土壤復(fù)合體改善土壤結(jié)構(gòu)，提高涵蓄降水，控制水土流失。

合理的植被措施可以改善土壤結(jié)構(gòu)和水力特性[39]。土壤結(jié)構(gòu)決定了土壤水分動(dòng)態(tài)變化，通過對(duì)土壤孔隙狀況的影響，進(jìn)一步影響土壤的入滲能力。土壤的入滲性能就直接決定了土壤水庫的調(diào)蓄能力和功能發(fā)揮。因此，維持高入滲性能，才能發(fā)揮土壤水庫的功能。根據(jù)蔣定生等[40]的研究，目前黃土地區(qū)不同植被覆蓋下土壤穩(wěn)定入滲率常高達(dá)0.5～12 mm/min，其中以坡耕地最低，有時(shí)可下降到0.2 mm/min以下，一經(jīng)丟荒，3～5 a后便會(huì)隨著植被的恢復(fù)而不斷提高。勃海鋒等[41]的研究說明隨著退耕地上植被的恢復(fù)，土壤中有效孔隙數(shù)量不斷增加，土壤飽和導(dǎo)水率和入滲性能得到提高。植被自然演替過程中，土壤的物理性質(zhì)得到改善，土壤的田間持水量逐步提高[42]。劉娜娜等[43-44]等通過對(duì)草地和檸條土壤持水性的研究得出，植被恢復(fù)通過提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，顯著提高土壤水庫的蓄水能力和持水能力。楊永輝等[45]對(duì)不同植被下土壤入滲性能的研究也表明土壤中有機(jī)碳含量的增加是提高土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因子，改善了降雨入滲過程及入滲率，恢復(fù)了土壤水庫功能。

植被恢復(fù)與重建條件下，土壤的入滲性能、持水和供水性能均得到明顯提高，而土壤有機(jī)碳含量的增加、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高，改善了土壤的物理學(xué)特性，從而驅(qū)動(dòng)了上述土壤水庫特征和功能的改善。良好土壤水庫功能的發(fā)揮對(duì)于防治水土流失有重要作用，促進(jìn)了水土保持功能的發(fā)揮。土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和孔隙狀況決定了水庫功能的發(fā)揮，但是目前土壤結(jié)構(gòu)與土壤水庫功能的定量關(guān)系并不清楚，需進(jìn)一步探索。

3.3土壤結(jié)構(gòu)與土壤碳庫功能

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)一個(gè)容量很大的碳庫，如果可以將大氣中的CO2固定在土壤中，既可以緩解溫室效應(yīng)給人類帶來的災(zāi)難，又可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。全球土壤中儲(chǔ)存的有機(jī)碳高達(dá)1 500 Pg[46]，是大氣CO2總量的3倍、陸地生物碳量的2.5倍。土壤通過呼吸產(chǎn)生的CO2排放量是決定陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡的主要因子[47]。

土壤固碳是當(dāng)今土壤學(xué)的新興研究領(lǐng)域，許多學(xué)者對(duì)土壤固碳都比較重視并開展了相應(yīng)的工作，而認(rèn)識(shí)土壤固碳的過程和機(jī)理是這種研究的基礎(chǔ)依據(jù)。植被類型可直接影響土壤有機(jī)碳含量，因?yàn)橹脖坏母捣置谖锖蜌埪湮锸峭寥烙袡C(jī)碳的主要來源。另外，氣候?qū)ν寥烙袡C(jī)碳的影響主要是通過影響植被而起作用的[48]。有機(jī)質(zhì)是團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，土壤有機(jī)質(zhì)含量的提高可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改良土壤結(jié)構(gòu)；土壤團(tuán)聚體的形成又可以保護(hù)土壤有機(jī)碳免受微生物分解。這種物理保護(hù)機(jī)制使得土壤有機(jī)碳通過形成土壤團(tuán)聚體或被包裹在團(tuán)聚體內(nèi)部，形成團(tuán)聚體結(jié)合態(tài)有機(jī)碳，從而減少礦化分解、提高穩(wěn)定性。由于土壤固碳的物理機(jī)制與土壤管理密切相關(guān)，所以團(tuán)聚體形成作用被認(rèn)為是土壤碳固定的最重要機(jī)制[49]。我國耕地土壤碳密度僅為歐洲土壤的2/3，為自然植被下土壤碳密度的3/4[50]，具有更大的固碳潛力與碳庫容量。許多研究已顯示退化農(nóng)田或其他土地利用轉(zhuǎn)變?yōu)榱值兀瑢?huì)提高土壤有機(jī)碳的含量。Johnston等[51]報(bào)道，在退化農(nóng)田上造林40 a，土壤有機(jī)碳平均每年提高0.8 mg。Conant等[52]報(bào)道從農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)椴莸睾螅寥烙袡C(jī)碳固定速率為0.11～3.04 mg/h2。Guo等[53]研究表明，從草地變?yōu)槿斯ち?，土壤碳?chǔ)量下降10%，而從農(nóng)田轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ち?，土壤碳?chǔ)量增加18%。植被恢復(fù)措施能顯著提高土壤的總有機(jī)碳含量和有機(jī)碳密度，能顯著提高土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有機(jī)碳組分含量，研究表明植被的天然恢復(fù)更有利于提高穩(wěn)定性有機(jī)碳庫容[54]。我國學(xué)者也對(duì)不同土地利用方式下的土壤固碳潛力進(jìn)行了研究。吳慶標(biāo)等[55]對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)植被固碳潛力進(jìn)行了估算，郭然[56]、段曉男[57]、韓冰[58]等分別對(duì)草地、濕地、農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)的固碳潛力進(jìn)行了估算。

目前土壤固碳的機(jī)理已經(jīng)清楚，但對(duì)于土壤固碳的強(qiáng)度、土壤碳庫容量的研究還不清晰。另外，土壤固碳潛力與土壤結(jié)構(gòu)有何定量化關(guān)系有待研究，如何通過合理的土地利用和管理方式使我國退化嚴(yán)重的農(nóng)田土壤發(fā)揮巨大的固碳潛力也有待進(jìn)一步研究。

3.4土壤結(jié)構(gòu)與土壤的基因庫功能

土壤的基因庫功能主要表現(xiàn)在土壤生物多樣性方面。土壤生物由土壤微生物、土壤動(dòng)物和土壤低等植物三部分組成，植被恢復(fù)使得土壤生物多樣性更加豐富。土壤是一個(gè)豐富的種子庫和基因庫，土壤中保存了不同年代、不同植物的種子以及許多動(dòng)物的卵、蛹、幼蟲及越冬態(tài)等不活動(dòng)狀態(tài)，它們?cè)谕寥乐心鼙４孑^長的時(shí)間，而且一般多具有生物活性。土壤種子庫的存在使許多物種基因得以保存和延續(xù)，這對(duì)保護(hù)生物多樣性和恢復(fù)地球上已經(jīng)滅絕的植物物種具有十分重要的意義。

土壤中微生物、動(dòng)物的活動(dòng)有助于土壤孔隙的形成，蚯蚓等的活動(dòng)也促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，土壤中的動(dòng)植物殘?bào)w及它們的分泌物和代謝物也為土壤提供了有機(jī)物質(zhì)，幫助形成更好的土壤結(jié)構(gòu)。目前土壤的基因庫功能缺乏深入的研究，已有的研究多集中在土壤種子庫方面，相對(duì)單一，土壤的生物基因在土壤結(jié)構(gòu)體中的分布和保護(hù)狀態(tài)的研究鮮有報(bào)道。

4　存在問題與研究展望

(1)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)本身的研究相對(duì)較少，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)與土壤功能的關(guān)系更是鮮有提及，對(duì)土壤功能的認(rèn)識(shí)還不夠全面。

(2)植被恢復(fù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)影響方面的研究還比較單一，缺乏系統(tǒng)的、全面的、有建設(shè)性的全方位研究，難以為土壤的可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

(3)對(duì)于土壤水庫的研究大多停留在對(duì)土壤的蓄水量方面的描述，而土壤水庫在不同影響因子或多個(gè)影響因子共同作用下，潛在庫容和實(shí)際庫容、總庫容和分庫容的變化研究較少。而土壤水庫效應(yīng)及機(jī)理的研究現(xiàn)在還處在描述性階段。

(4)目前仍通用的一些水文模型多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢⑼寥雷鳛橐粋€(gè)黑箱或灰色系統(tǒng)來對(duì)待，沒有將土壤本身的基本性質(zhì)(如有機(jī)碳含量、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、孔隙度、容重、持水性能等)和土壤水分過程(如土壤入滲過程、植物根系吸水過程、土面蒸法過程等)引入模型中，不能很好地模擬土壤水庫形成過程、功能及機(jī)理。

在今后的研究中，隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用二值圖像、多光譜圖像來定量提取土壤孔隙度、彎曲度、孔隙分布等土壤物象信息，利用立體測量學(xué)、計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)、激光共聚焦掃描技術(shù)等研究土壤孔隙的三維信息將更加普遍，從而全方位研究植被恢復(fù)過程中土壤孔隙結(jié)構(gòu)、土壤團(tuán)聚體以及土壤膠結(jié)物質(zhì)等對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)，要加強(qiáng)對(duì)植被恢復(fù)下土壤結(jié)構(gòu)及其功能關(guān)系的定量研究，建立統(tǒng)一的土壤功能分類系統(tǒng)以及評(píng)價(jià)指標(biāo)，為定向培育土壤功能所需的土壤結(jié)構(gòu)及其技術(shù)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

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Relationship of Soil Structures and Functions Under Vegetation Restoration

SHANG Yingni1,ZHAO Shiwei1,2,WANG Zilong2,HUANG Jinghua2,HUO Na1,CHANG Wenqian1

(1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling, Shaanxi 712100， China; 2.Institute of Soil and Water Conservation,CAS&MWR,Yangling,Shaanxi 712100,China)

Through consulting literature about soil structures and functions,we reviewed the research progress in soil structures and functions,soil structure stability indicators and research methods of soil structure,discussed the relationships between soil structure and the soil functions of crop production,soil reservoir,soil carbon pool and soil gene pool,and presented the prospects of developing confocal laser scanning technology in the analysis of the soil structure and pore characteristics,applying digital image processing techniques to reflect the real situation of the soil porosity and strengthening the research about the quantitative relationship between soil structure and function in the future.

soil structure; pore characteristics; soil function; soil reservoir; soil carbon pool

2015-12-02

2016-01-05

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“膠結(jié)物質(zhì)驅(qū)動(dòng)的土壤團(tuán)聚體形成過程與穩(wěn)定機(jī)制”(41330852)

尚應(yīng)妮(1990—),女,陜西榆林人,在讀碩士,主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail:shangyn@nwsuaf.edu.cn

趙世偉(1962—),男,四川榮縣人,博士,研究員,主要從事土壤結(jié)構(gòu)及固碳機(jī)理研究。E-mail:swzhao@ms.iswc.ac.cn

S152.4

A

1005-3409(2016)05-0370-06