黃土高原呂梁山不同撂荒年限土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布特征①

陳 曦，王改玲*，劉煥煥，殷海善，樊文華

(1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟(jì)研究所，太原 030006)

呂梁山區(qū)處于黃河中游晉陜峽谷地帶，水土流失狀況嚴(yán)重，是國家和省級(jí)限制開發(fā)的黃土高原丘陵溝壑水土保持生態(tài)功能區(qū)。多年以來，呂梁山晉陜峽谷沿黃河兩岸發(fā)展了約400萬畝的紅棗經(jīng)濟(jì)林，為呂梁山區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)[1]。然而當(dāng)?shù)貤棃@清耕管理制度使地表裸露，土壤受雨水沖刷后更易流失，土壤結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破環(huán)。自20世紀(jì)90年代退耕還林還草工程實(shí)施以來，該地區(qū)植被覆蓋度增加，水土流失狀況明顯改善[2]，對(duì)推動(dòng)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展起到了積極作用。因此，在黃土高原地區(qū)推行退耕還林還草是提高土壤質(zhì)量與水土保持能力的有效方法。

團(tuán)聚體是土壤組成的基本結(jié)構(gòu)單元[3]，其數(shù)量與質(zhì)量不僅反映土壤結(jié)構(gòu)狀況，而且影響著土壤的肥力、抗蝕性以及土壤有機(jī)碳的固持和分解[4]。撂荒恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體粒級(jí)分布及穩(wěn)定性有重要影響，同一類型土壤的團(tuán)聚體特征會(huì)因恢復(fù)方式與植被類型不同而產(chǎn)生不同效果。如，張超等[5]研究認(rèn)為，黃土丘陵區(qū)天然草地恢復(fù)對(duì)土壤團(tuán)聚體團(tuán)聚能力的改善作用優(yōu)于人工灌木和人工草地；徐紅偉等[6]研究表明，植被恢復(fù)后土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm團(tuán)聚體)含量及團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)均表現(xiàn)為：森林帶>森林草原帶>草原帶。植被恢復(fù)年限對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響同樣顯著，如，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳含量會(huì)隨著植被恢復(fù)年限的延長不斷增加[7]，團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞率(PAD)則不斷減小[8]。因此，研究植被恢復(fù)年限對(duì)增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與抗蝕性有重要意義。

關(guān)于黃土高原區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性影響的研究表明，長期植被恢復(fù)能增強(qiáng)土壤固碳能力，增加土壤大團(tuán)聚體含量。然而目前該研究大多集中于人工林地、草地恢復(fù)土壤團(tuán)聚體的研究[9]，而對(duì)于自然撂荒草地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳分布特征研究較少。因此對(duì)上述問題提出假設(shè)：自然撂荒后植被的演替能改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)土壤的抗侵蝕能力。為驗(yàn)證該假設(shè)，本研究選取黃土高原呂梁山不同撂荒年限土壤為研究對(duì)象，探討不同撂荒年限對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及有機(jī)碳分布的影響，旨在為該地區(qū)撂荒恢復(fù)工程對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及質(zhì)量的影響過程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于山西省呂梁市臨縣呂梁山區(qū)，地處黃河中游山西省西部，是典型的黃土丘陵溝壑區(qū)，地理坐標(biāo)為38.0180° ~ 38.0867° N，110.5320° ~ 111.1680° E，屬于溫帶半干旱大陸性氣候區(qū)。年平均氣溫8.8 ℃，年均無霜期160 d，年均降水量518.8 mm，主要集中于夏季，年均蒸發(fā)量2 149.8 mm，是降水的4倍。研究區(qū)土壤是由黃土母質(zhì)發(fā)育而成的黃綿土，土壤貧瘠，抗侵蝕能力較差。研究區(qū)自實(shí)行撂荒恢復(fù)之后，植被類型均由清耕棗園轉(zhuǎn)化為撂荒棗園，撂荒初期主導(dǎo)草本類型主要以狗尾巴草、地錦草、牽牛花等葉鞘松弛、根莖細(xì)小的一年生草本植物為主，在撂荒3 a后開始出現(xiàn)黃蒿、迷迭香、艾草、尖草等主根明顯、根莖粗壯、多分枝的多年生草本植物(表1)。

1.2 樣地選擇及土壤樣品采集

經(jīng)過查閱資料、野外走訪和調(diào)查詢問，于2019年8月在山西省呂梁市臨縣呂梁山區(qū)選擇土壤及質(zhì)地類型相同、坡度相近、管理模式相似的地塊，選取撂荒年限分別為1、2、3、5、10、20 a(分別記作AL1、AL2、AL3、AL5、AL10、AL15、AL20)的棗園土壤作為研究樣地，以清耕作業(yè)下的棗園土壤為對(duì)照(CK)，樣地基本情況見表1。清耕區(qū)一年3 ~ 4次耕作，去除地表雜草及其他覆蓋物；撂荒區(qū)自撂荒之后，無人為耕作及其他管理措施，任野生植被自然生長。在各撂荒年限草地以及清耕對(duì)照區(qū)分別布設(shè)3個(gè)采樣小區(qū)(20 m×20 m)，每個(gè)采樣小區(qū)內(nèi)隨機(jī)取3個(gè)采樣點(diǎn)，在3個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)分別采集0 ~ 20 cm土層的原狀土壤保存至已標(biāo)記好的大鋁盒(22.5 cm×13 cm×7 cm)與容積為200 cm3的環(huán)刀中，防止土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂；同時(shí)在3個(gè)采樣小區(qū)中按“S”型5點(diǎn)采樣法采集0 ~ 20 cm土層的混合土樣保存至自封袋中。其中，大鋁盒中土樣用于團(tuán)聚體相關(guān)指標(biāo)測定；環(huán)刀內(nèi)土樣用于測定土壤容重及孔隙度；自封袋中混合土樣用于測定土壤總養(yǎng)分含量。將大鋁盒中原狀土樣在陰涼處自然風(fēng)干，風(fēng)干過程中沿其自然斷裂面輕輕掰成直徑為1 cm左右的小土塊，并去除植物根系殘?bào)w與小石塊。將自封袋中混合土樣除去石塊、根系等，風(fēng)干、磨細(xì)、過篩(0.149 mm)后備用。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic information of sampling plots

1.3 測定指標(biāo)及方法

土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量測定采用干篩法[10]。將大鋁盒中風(fēng)干土樣置于一套孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩上，沿套篩水平方向用手搖動(dòng)進(jìn)行篩分，將土樣分成 >5、5 ~ 2、2 ~ 1、1 ~ 0.25、<0.25 mm五個(gè)粒級(jí)，收集各粒徑土壤，稱重，并計(jì)算機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量(>0.25 mm團(tuán)聚體含量，R>0.25)、團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)[11]。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量測定采用濕篩法[10]。按照干篩后的粒徑分布比例，配取50 g干土土樣。將套篩(由上至下為5、2、1、0.5、0.25 mm)放入TPF-100土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)分析儀的沉降桶中，給桶內(nèi)加水至套篩內(nèi)最大粒徑篩子的中心位置。將已稱好的50 g土樣放入套篩內(nèi)，水中靜置3 min，啟動(dòng)馬達(dá)，使套篩在水中上下振蕩5 min，振蕩速度為每分鐘30次，上下移動(dòng)距離為3 ~ 4 cm。振蕩完成后將套篩小心拿出，待水稍干后，將留在各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體用蒸餾水洗至已編號(hào)的蒸發(fā)皿中，將土樣按照套篩粒級(jí)分為 >5、5 ~ 2、2 ~ 1、1 ~ 0.25、<0.25 mm五個(gè)粒級(jí)，隨后烘干、稱重，并計(jì)算水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量(R>0.25)、團(tuán)聚體MWD和GMD[11]。

取部分混合土樣用于測定土壤總有機(jī)碳含量，取干篩后各粒級(jí)土樣用于測定機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，取濕篩后各粒級(jí)土樣用于測定水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，并計(jì)算各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率[12]。以上土樣均過0.149 mm篩后采用重鉻酸鉀容量法–外加熱法測定[13]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)初步整理與繪制圖形，采用SPSS 22軟件進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，不同參數(shù)之間多重比較采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同撂荒年限對(duì)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒級(jí)分布的影響

由表2可知，隨撂荒年限的增加，土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體數(shù)量由大到小表現(xiàn)為AL20>AL1>AL15>AL3>AL5>AL2>AL10>CK，各 撂 荒 樣 地>5、5 ~ 2、2 ~ 1、1 ~ 0.25 mm團(tuán)聚體所占比例較CK均顯著增加，提高范圍分別為15.6 ~ 51.3、6.6 ~14.0、2.7 ~ 6.8、0.1 ~ 5.3個(gè)百分點(diǎn)。除撂荒10 a樣地外，其余撂荒樣地均以大團(tuán)聚體在土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，且在撂荒初期(1 ~ 5 a)以及撂荒15 a后效果較顯著。顯著性分析表明，CK與各撂荒樣地機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量之間在5個(gè)粒徑中均表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。

由表3可知，撂荒恢復(fù)后，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD隨撂荒年限的增加均表現(xiàn)出先降低后增加的特點(diǎn)，在AL20下達(dá)到最高值；與CK相比，撂荒恢復(fù)后機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD提高范圍分別為0.98 ~ 2.69 mm和0.21 ~ 1.23 mm。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的MWD與GMD 除撂荒2、5 a樣地間差異性不顯著外，其余撂荒年限樣地間MWD、GMD差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表2 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒級(jí)分布Table 2 The distribution of different size of soil mechanical-stable aggregates

表3 不同撂荒年限土壤團(tuán)聚體MWD與GMDTable 3 MWDs and GMDs of aggregates with different fallow years

2.2 不同撂荒年限對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布的影響

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體既是保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素，也是評(píng)估土壤抗蝕能力的重要指標(biāo)。土壤經(jīng)過濕篩后，不穩(wěn)定的大團(tuán)聚體遇水后分散，形成大量<0.25 mm的微團(tuán)聚體。由表4可知，隨撂荒年限的增加，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量表現(xiàn)為AL20>AL15>AL10>AL5>AL1>AL2>CK>AL3。除AL3樣地外，其他撂荒年限樣地水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例較CK均顯著增加，其中 >5、5 ~ 2、2 ~ 1 mm團(tuán)聚體較CK增加范圍分別為0.1 ~ 44.0、0.6 ~ 9.1、0.5 ~ 3.4個(gè)百分點(diǎn)，而1 ~ 0.25 mm與<0.25 mm團(tuán)聚體之和所占比例較CK均顯著降低，降低范圍為1.1 ~ 56.4個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)5 ~ 2 mm團(tuán)聚體，AL2和AL10樣地差異性不顯著，其余撂荒年限樣地均呈現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)。>5、2 ~ 1、1 ~ 0.25與<0.25 mm各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量各撂荒年限樣地間差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

由表3可知，撂荒3 a后，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、GMD值隨撂荒年限延長均呈逐步增加的趨勢；與CK相比，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、GMD值在撂荒3 a時(shí)顯著下降；而在其他撂荒年限中均顯著提高。各撂荒年限樣地水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD均顯示出差異顯著性(P<0.05)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD中，除了撂荒1、2 a樣地間差異性不顯著外，其余撂荒年限樣地GMD的差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.3 不同撂荒年限對(duì)土壤有機(jī)碳含量和分布的影響

2.3.1 對(duì)土壤總有機(jī)碳含量的影響 如圖1所示，撂荒恢復(fù)后土壤總有機(jī)碳含量較CK均顯著增加，增加范圍為1.72 ~ 7.12 g/kg。不同撂荒年限中，土壤總有機(jī)碳含量隨撂荒年限的延長呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，其中在AL3樣地達(dá)最小值2.48 g/kg，在AL20樣地達(dá)最大值7.88 g/kg。不同樣地間差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

表4 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體粒級(jí)分布Table 4 The distribution of different size of soil water-stable aggregates

2.3.2 對(duì)土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響 由圖2可知，不同撂荒年限土壤 >5、5 ~ 2、2 ~ 1、1 ~0.25、<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化范圍分別為1.55 ~ 8.13、1.75 ~ 9.26、2.12 ~ 9.19、3.57 ~ 21.38、2.05 ~ 9.79 g/kg，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨著撂荒年限的增加呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢。其中，AL3樣地在大團(tuán)聚體各粒徑中有機(jī)碳含量均為最小值，撂荒3 a后，土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量逐年遞增，各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在AL20樣地中均達(dá)最大值，變化范圍為8.13 ~21.38 g/kg。隨團(tuán)聚體粒徑的逐漸減小，各撂荒年限土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，以1 ~ 0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，平均達(dá)8.43 g/kg，而 >5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最低，平均為3.33 g/kg。除 >5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在AL2與AL5樣地間差異不顯著外，其余粒徑團(tuán)聚體在CK及各撂荒年限樣地間差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.3.3 對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的影響 由圖3可知，土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨撂荒年限的延長均呈現(xiàn)出先增后減再逐步增加的趨勢，其中AL2樣地水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較CK 和AL1樣地顯著增加，而AL3與CK相比顯著降低，除 AL2樣地 >5 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于AL20樣地外，其余粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均以AL20樣地最高。各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化范圍分別為1.27 ~ 6.93、1.66 ~ 8.56、1.53 ~ 10.19、2.67 ~ 19.46、0.23 ~ 8.24 g/kg。各樣地水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒徑的減小呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢，以1 ~0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，其中AL20樣地達(dá)最大值19.46 g/kg。除了1 ~ 0.25 mm與 <0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在CK與AL10樣地間差異不顯著，其余粒徑團(tuán)聚體在CK及各撂荒年限樣地間差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.3.4 不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 由表5可知，撂荒恢復(fù)后，各粒徑機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均隨撂荒年限的延長呈現(xiàn)出先減后增的特點(diǎn)，且主要集中于大團(tuán)聚體中，為54.3% ~ 82.2%，較CK提高了25.0 ~ 52.9個(gè)百分點(diǎn)。除AL20樣地外，其他撂荒年限樣地水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率主要集中于微團(tuán)聚體中，為50.7% ~ 81.1%，且隨撂荒年限的增加表現(xiàn)出先增后減的趨勢，撂荒3 a后，水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率逐步向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移，在撂荒20 a后達(dá)到最大值71.8%。不同粒徑團(tuán)聚體中，各樣地機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率的差異性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，在 >5 mm團(tuán)聚體中CK和AL1樣地間差異不顯著，其余樣地間差異性均達(dá)顯著水平；在2 ~ 1 mm團(tuán)聚體中AL1和AL5、AL2和AL15樣地間差異不顯著，其余樣地間差異性均達(dá)顯著水平；在5 ~ 2、1 ~ 0.25、<0.25 mm團(tuán)聚體中各樣地間差異性均達(dá)顯著水平。

2.4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性

由表6可知，各樣地土壤機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與其穩(wěn)定性指標(biāo)MWD、GMD間有極顯著相關(guān)性(P<0.01)。土壤總有機(jī)碳含量與>5、5 ~ 2、2 ~ 1、<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均有顯著相關(guān)性(P<0.05)，與1 ~ 0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有極顯著相關(guān)性。機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量和土壤總有機(jī)碳含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)。水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD與5 ~ 2、2 ~ 1 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，與1 ~0.25、<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)；水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD與5 ~ 2、2 ~1、1 ~ 0.25和<0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)；水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與2 ~ 1、1 ~0.25和<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)，與5 ~ 2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)；5 ~ 2、2 ~ 1、1 ~ 0.25和<0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與土壤總有機(jī)碳含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)。水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、大團(tuán)聚體含量與土壤總有機(jī)碳含量均呈極顯著相關(guān)性(P<0.01)，水穩(wěn)性團(tuán)聚體GMD與土壤總有機(jī)碳含量間存在顯著相關(guān)性(P<0.05)。

表5 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率Table 5 Contribution rates of organic carbon in aggregates to soil total organic carbon

表6 團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)與團(tuán)聚體有機(jī)碳及土壤總有機(jī)碳含量的相關(guān)性Table 6 Correlation coefficients of aggregate stability parameters with organic carbon contents in soil and aggregates

3 討論

3.1 不同撂荒年限對(duì)土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體大小與數(shù)量影響土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通常認(rèn)為，>0.25 mm粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量與土壤穩(wěn)定性呈正相關(guān)[14]。已有研究表明，撂荒恢復(fù)能顯著提高 >0.25 mm團(tuán)聚體數(shù)量，且撂荒年限越長，改善效果越好[15-16]。本研究結(jié)果表明，自然撂荒恢復(fù)后，土壤機(jī)械穩(wěn)定性與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例顯著高于對(duì)照，且隨撂荒年限的延長均呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，這與王月玲等[15]對(duì)寧南黃土丘陵區(qū)棄耕撂荒地的研究結(jié)果相似。說明撂荒恢復(fù)后，植被覆蓋率增加，其根系分泌出大量有機(jī)物質(zhì)使微團(tuán)聚體相互膠結(jié)從而形成大團(tuán)聚體。本研究還發(fā)現(xiàn)，撂荒1 a后機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性顯著高于對(duì)照且僅次于撂荒20 a樣地的最大值，但其水穩(wěn)性大團(tuán)聚體所占比例非常低，這可能是由于撂荒1 a后土壤表層生長出較多短莖、根細(xì)小的1 ~ 2 a生草本植物，使機(jī)械穩(wěn)定性微團(tuán)聚體聚合膠結(jié)為大團(tuán)聚體，但由于1 ~ 2 a生草本植物質(zhì)脆、莖細(xì)的特點(diǎn)，還未形成較強(qiáng)的抗水蝕能力，因此大團(tuán)聚體遇水后發(fā)生分散，形成大量微團(tuán)聚體。

MWD、GMD是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)表明，機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體MWD、GMD隨撂荒年限的延長呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、GMD在撂荒前3 a較低，之后隨撂荒年限的延長而顯著增加，較對(duì)照顯著提高了土壤穩(wěn)定性，與前人研究結(jié)果相似[17-18]。說明長期撂荒有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的增強(qiáng)。本試驗(yàn)中撂荒3 a土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量及其MWD、GMD最低，可能與1 ~ 2 a生草本植物生長周期結(jié)束，而多年生草本植物還未生長成熟有關(guān)。而撂荒3 a后，隨地表植被恢復(fù)，土壤中根系密度增加，根系的穿插積壓使土壤的團(tuán)聚能力增強(qiáng)；逐漸增加的植物殘?bào)w及凋落物增加了土壤有機(jī)物質(zhì)輸入，加速了土壤腐殖質(zhì)及腐殖酸的形成，有機(jī)膠體的膠結(jié)作用增強(qiáng)。同時(shí)，人為耕作對(duì)表層土壤大團(tuán)聚體的擾動(dòng)降低，土壤團(tuán)聚體顆粒逐漸形成大團(tuán)聚體[19]，土壤的穩(wěn)定性與抗蝕能力逐漸增強(qiáng)。

3.2 不同撂荒年限對(duì)土壤有機(jī)碳含量及分布的影響

土壤中的有機(jī)碳通過有機(jī)無機(jī)膠結(jié)作用參與團(tuán)聚體形成，團(tuán)聚體則為土壤有機(jī)碳提供物理保護(hù)[20]。已有研究發(fā)現(xiàn)，撂荒恢復(fù)能提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量[21-22]。本研究表明，土壤總有機(jī)碳含量隨撂荒年限的延長呈先減后增的特點(diǎn)，且均顯著高于對(duì)照，與前人研究結(jié)果相似[23]，即土壤有機(jī)碳含量相對(duì)于植物生長具有一定遲滯性，本研究中撂荒3 a后土壤有機(jī)碳含量顯著降低，可能是由于撂荒初期1 ~ 2 a生植物生長周期結(jié)束，而多年生植物剛進(jìn)入生長初期，覆蓋率還較低。土壤機(jī)械穩(wěn)定性與水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨撂荒恢復(fù)年限的延長呈現(xiàn)出先增后減然后再逐步增加的趨勢，且撂荒20 a時(shí)達(dá)最大值；各撂荒年限的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均主要集中于大團(tuán)聚體內(nèi)，且以1 ~ 0.25 mm團(tuán)聚體含量為最高，這與王興等[18]、程曼等[24]研究結(jié)果相似。撂荒恢復(fù)后，地表植被恢復(fù)，植物在成長發(fā)育過程中產(chǎn)生大量的枯枝落葉，這些植物殘?bào)w進(jìn)入土壤后形成腐殖質(zhì)，從而使有機(jī)碳含量增加[25]，同時(shí)由于表層覆蓋物增加，有效防止了外力對(duì)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的沖擊，利于形成大團(tuán)聚體[26]，為大團(tuán)聚體中有機(jī)碳提供了穩(wěn)定的積碳空間。

團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率由團(tuán)聚體有機(jī)碳含量和團(tuán)聚體粒級(jí)組成共同決定[27]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，各撂荒年限下土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率主要集中于大團(tuán)聚體中，除撂荒20 a樣地外，水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳貢獻(xiàn)率主要集中于微團(tuán)聚體中，這與濕篩后大團(tuán)聚體遇水崩解形成大量微團(tuán)聚體有關(guān)。在撂荒20 a樣地中，機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均達(dá)到最大值，分別為82.2% 和71.8%，這與長期撂荒后植物覆蓋度增加，大團(tuán)聚體含量比例增加有關(guān)。

3.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤有機(jī)碳含量的相關(guān)性

研究發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體特別是水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量的多少可反映土壤結(jié)構(gòu)的好壞以及團(tuán)聚能力的強(qiáng)弱，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[28]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與團(tuán)聚體MWD、GMD間均存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。撂荒恢復(fù)后，植物覆蓋率增加，根系密度和面積也逐步增大，根系分泌出黏性易膠結(jié)物質(zhì)，將土壤中微團(tuán)聚體聚合為比表面積大的團(tuán)聚體，從而提高了團(tuán)聚體穩(wěn)定性[29]。機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量與土壤總有機(jī)碳含量存在顯著相關(guān)性(P<0.05)，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量與土壤總有機(jī)碳含量存在極顯著相關(guān)性(P<0.01)。說明土壤有機(jī)碳能夠增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[30]，這是因?yàn)楦涤袡C(jī)物不僅能提高土壤團(tuán)聚能力，還能在團(tuán)聚體外層形成疏水層，因而提高團(tuán)聚體抗侵蝕能力，提高其穩(wěn)定性[31]。

4 結(jié)論

1)撂荒恢復(fù)年限明顯影響了各粒級(jí)土壤團(tuán)聚體數(shù)量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性。撂荒初期，土壤團(tuán)聚體含量呈波動(dòng)變化趨勢；3 a后，土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性隨撂荒年限的增加逐步提高。

2)隨著撂荒年限增加，土壤總有機(jī)碳和各級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈先降低后增加的趨勢。不同撂荒年限機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為54.3% ~ 82.2%；水穩(wěn)性大團(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為17.7% ~ 71.8%，且呈現(xiàn)隨撂荒年限延長向大團(tuán)聚體分配的特點(diǎn)。

3)水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD、大團(tuán)聚體含量與土壤總有機(jī)碳含量極顯著相關(guān)，GMD與土壤總有機(jī)碳顯著相關(guān)，土壤有機(jī)碳含量提高對(duì)提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有重要作用。