多年凍土區(qū)“黑土灘”土壤團(tuán)聚體對人工建植的響應(yīng)

賈映蘭， 魏培潔， 吳明輝， 趙建中， 高雅月， 陳生云1,2, *

(1.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院 冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/疏勒河源冰凍圈與生態(tài)環(huán)境綜合監(jiān)測研究站，甘肅 蘭州 730000； 2.青海師范大學(xué) 高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院/地理科學(xué)學(xué)院， 青海 西寧 810008； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 4.青海農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院， 青海 西寧 812100； 5.祁連山國家公園國家長期科研基地， 青海 西寧 810000)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤養(yǎng)分的貯存庫和微生物的良好生境，在調(diào)節(jié)土壤孔隙結(jié)構(gòu)、土壤水分保持及抗侵蝕等方面發(fā)揮重要作用[1-2]。土壤團(tuán)聚體組成(數(shù)量和大小分布)及穩(wěn)定性影響著土壤質(zhì)量[2]，良好的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)能有效地增強(qiáng)有機(jī)碳的物理固持，減少養(yǎng)分流失，進(jìn)而改善土壤功能[3]。根據(jù)粒級大小，團(tuán)聚體大致可分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)等類型[4]。大團(tuán)聚體作為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體，對土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起決定作用，其含量越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，土壤質(zhì)量也越好[4]。通常利用干篩法和濕篩法測定團(tuán)聚體粒級組成，其中干篩法反映團(tuán)聚體的力學(xué)穩(wěn)定性，表征原狀土中非水穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的總體狀況，而濕篩法反映團(tuán)聚體的水穩(wěn)定性，表征水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分布特征，因而其分析的結(jié)果不盡相同[5-6]。諸多研究也利用團(tuán)聚體的組成變化來評價土壤退化或生態(tài)恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量的轉(zhuǎn)變。李裕元等[7]研究發(fā)現(xiàn)，植被恢復(fù)降低土壤容重、增加總孔隙度及大粒級團(tuán)聚體含量，進(jìn)而團(tuán)聚體平均重量直徑增大，明顯改善了土壤物理結(jié)構(gòu)。另外，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是由小粒級團(tuán)聚體通過向大粒級團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)變而提高的[8]。任榮秀等[9]研究表示，植被恢復(fù)提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵作用因素是根系影響土壤有機(jī)質(zhì)的累積，增強(qiáng)其的膠結(jié)作用?？梢姡脖换謴?fù)是增強(qiáng)團(tuán)聚體穩(wěn)定性、改善退化生態(tài)系統(tǒng)土壤結(jié)構(gòu)的有效途徑[10]，研究團(tuán)聚體的粒級組成是有效反映土壤結(jié)構(gòu)以及土壤功能的重要手段和方法。

青藏高原作為全球中、低緯度地區(qū)高海拔多年凍土主要分布區(qū)[11]，高寒草地是其主要植被類型(約占高原總面積的60%)[12]。近幾十年來，受氣候變暖、人類活動干擾及多年凍土退化影響，高原高寒草地發(fā)生不同程度的退化[13-14]，甚至出現(xiàn)大面積次生裸地—“黑土灘”[15]。其中，高原約90%的高寒草地已退化，黑土灘約占其35%[16]?！昂谕翞彼鸬纳鷳B(tài)負(fù)面效應(yīng)尤為嚴(yán)重，如土壤愈加緊實(shí)、畜牧業(yè)生產(chǎn)力和土壤肥力下降、土壤可侵蝕性增強(qiáng)、水土流失加劇[17-18]。其中，大粒級的土壤團(tuán)聚體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾×＜増F(tuán)聚體，且團(tuán)聚體穩(wěn)定性逐漸下降[19]。高原高寒地區(qū)苛刻的氣候條件使得“黑土灘”難以在短時間內(nèi)自然恢復(fù)，需通過人工建植的方式促進(jìn)其生態(tài)恢復(fù)[15]。當(dāng)前，對“黑土灘”人工恢復(fù)的研究多集中在季節(jié)凍土區(qū)，且研究發(fā)現(xiàn)，建植人工草地使得地上、地下生物量顯著提升[20]，長期恢復(fù)提高土壤碳庫的穩(wěn)定性[21]，人工植被重建22年后，真菌群落的多樣性同天然草地相比基本得以恢復(fù)[22]。草地恢復(fù)過程中生物與非生物因子顯著的改變，可能對土壤團(tuán)聚體也產(chǎn)生影響。然而，很少有研究從土壤團(tuán)聚體的角度評價“黑土灘”人工恢復(fù)后土壤結(jié)構(gòu)的改善情況，尤其是在多年凍土區(qū)。

近些年來，位于青藏高原東北緣疏勒河多年凍土區(qū)的高寒草地也發(fā)生著不同程度的退化，“黑土灘”面積不斷增加，群落蓋度降低、生物量減少[23]，水土流失，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降[24]。為此，本研究以疏勒河源多年凍土區(qū)自然狀態(tài)“黑土灘”和4齡人工建植草地為研究對象，分析人工建植后土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性的變化特征，并探討土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響因素，以期為高原多年凍土區(qū)退化草地恢復(fù)評估提供科學(xué)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河源區(qū)位于青藏高原東北緣祁連山西段(96.2°～99.0°E，38.2°～40.0°N，海拔3 405～5 782 m)(圖1)，面積約4 932.76 km2。該區(qū)域氣候類型為大陸性干旱荒漠氣候，干冷多風(fēng)[25]。土壤類型為冷鈣土[26]，多年凍土類型為阿爾金山-祁連山高寒帶山地多年凍土[23]。據(jù)2018年監(jiān)測資料顯示，研究區(qū)年平均氣溫為—4.16℃，年均空氣相對濕度為59.03%，年降水量為474.71 mm。高寒草地退化形成了以海乳草(GlauxmaritimaL)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng)、婆婆納(VeronicadidymaTenore)、昆侖蒿(A.nanschanicaKrasch)、鐵棒錘(AconitumpendulumBusch)、西伯利亞蓼(PolyygomumsibiricumLaxm.)為優(yōu)勢種的“黑土灘”，覆蓋度約13%。

圖1 研究區(qū)樣地位置Fig.1 Locations of the sampling plot in the study area注：本圖基于自然資源部標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2019)1822號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作，底圖無修改Note:This map was made based on the standard map downloaded from the standard map service website of the Ministry of Natural Resources of China with the approval number GS (2019) 1822. The base map has not been modified

1.2 樣地設(shè)置及取樣

2014年在研究區(qū)“黑土灘”型退化草地上建立生態(tài)系統(tǒng)綜合觀測場(98°22′08′′E，38°25′35′′N，海拔3 859 m)，選擇近500畝“黑土灘”以單播和混播的方式種植垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、青海草地早熟禾(PoapratensisL. ‘Qinghai’)、青海冷地早熟禾(P.crymophilaKeng ‘Qinghai’)和中華羊茅(FestucasinensisKeng)，并進(jìn)行施肥、滅鼠和鐵絲圍欄的綜合措施，至2018年植被覆蓋達(dá)65%。

2018年7月底在人工建植草地隨機(jī)設(shè)置7個0.5 m×0.5 m樣方，“黑土灘”設(shè)置3個同樣大小的樣方，各樣方間距10 m以上。樣品采集前，收集各樣方內(nèi)的凋落物和地上生物量后，利用鐵鏟采集原狀土，用手將大塊狀的土樣沿自然破碎面掰開，去除粗根及碎石塊后過10 mm篩，待其室內(nèi)自然風(fēng)干后用于測定土壤團(tuán)聚體粒級組成；利用土鉆(內(nèi)半徑為2.75 cm)取樣3次混合后分為2份：1份4℃冷藏，用于測定土壤pH值、氧化還原電位、土壤微生物生物量碳、微生物量氮；1份自然風(fēng)干，磨碎并過篩用于測定土壤機(jī)械組成、有機(jī)碳含量、土壤比重及地下生物量；利用環(huán)刀(100 g·cm-3)采集土壤容重樣品。上述均采集0～10 cm和10～20 cm 2層土壤樣品。需要注意的是，土壤團(tuán)聚體樣品在采集和運(yùn)輸過程中避免擠壓和擾動，保持土壤的原狀結(jié)構(gòu)。兩樣地環(huán)境因子情況見表1。

表1 樣地環(huán)境因子概況Table 1 Environmental factors of the sampling plots

1.3 室內(nèi)分析

土壤團(tuán)聚體測定采用常規(guī)干篩和濕篩法測定[27]。干篩法：稱取120 g風(fēng)干土樣置于不同孔徑(3 mm，1 mm和0.25 mm)土壤篩的頂部，在團(tuán)粒分析儀上振蕩5分鐘(IPF-100；轉(zhuǎn)速1 400 r·min-1)，分離出>3 mm，1～3 mm，0.25～1 mm和<0.25 mm土壤團(tuán)聚體，稱重并計(jì)算出各級團(tuán)聚體所占百分比。濕篩法：根據(jù)干篩法所得的各級團(tuán)聚體的百分含量，按比例配成50 g(精確到0.01 g)風(fēng)干土樣，將配好的土樣放入1 000 ml沉降筒內(nèi)，加水，使其由下部逐漸濕潤至表層，浸泡10 min。然后用水灌滿沉降筒后用橡皮塞塞住筒口，倒轉(zhuǎn)沉降筒，直至筒中大部分樣品沉下去，再倒轉(zhuǎn)沉降筒，重復(fù)倒轉(zhuǎn)10次。將塞好的沉降筒倒放在桶內(nèi)的篩子上(孔徑同干篩法一致)，此時，迅速打開倒置的沉降筒，以不接觸篩子底部和露出水面的前提下，緩緩移動量筒，當(dāng)大于0.25 mm的團(tuán)聚體全部沉到篩子上后取出沉降筒。篩子放在振蕩機(jī)上，震蕩30次，然后從水中取出篩子，傾去上清液，用純水將各粒級團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒中放入烘箱烘干稱重(精確至0.01 g)。每個樣品測定2次。

環(huán)境因子采用常規(guī)測定方法：pH值和氧化還原電位用PHBJ-260 pH計(jì)測量，水土比為1:5；土壤有機(jī)碳采用Walkley-Black重鉻酸鹽氧化法測定，所得結(jié)果乘以1.724得到土壤有機(jī)質(zhì)含量[28]；土壤微生物生物量碳和生物量氮采用氯仿熏蒸法測定；土壤比重和土壤機(jī)械組成分別用比重瓶法和濕篩法測定；土壤容重利用環(huán)刀法將采集的土樣置于烘箱105℃烘至恒重稱量得到；地下生物量是土壤樣品去除雜質(zhì)后經(jīng)過2 mm篩并清洗干凈，連同地上生物量、凋落物放在烘箱內(nèi)，在80℃下烘至恒重稱量所得[26,29]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

基于各粒級團(tuán)聚體含量，選用平均重量直徑(Mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(Geometric mean diameter，GMD)表征干篩團(tuán)聚體穩(wěn)定性，破壞率(Percentage of aggregate destruction，PAD)、土壤抗蝕性因子(Resistance to soil erosion，1/K)表征濕篩團(tuán)聚體穩(wěn)定性。各指標(biāo)計(jì)算方法參考韓貞貴等[1]和Dong等[30]，公式如下：

(1)

(2)

式中：Xi為各粒級土壤團(tuán)聚體的平均直徑(mm)；Wi為對應(yīng)于Xi的干篩土壤團(tuán)聚體質(zhì)量百分比(%)；

(3)

(4)

式中：Wd為干篩后>0.25 mm大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)；Ww為濕篩后>0.25 mm的大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)，該處GMD為濕篩團(tuán)聚體計(jì)算結(jié)果。

采用Excel 2019和SPSS 22進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計(jì)分析。利用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)(Independent samplet-test)比較土壤環(huán)境因子在不同處理、土壤團(tuán)聚體組成和穩(wěn)定性在不同處理和土層之間的差異，雙因素方差分析(Two-way ANOVA)檢驗(yàn)不同處理和土層變化對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，Pearson相關(guān)系數(shù)和逐步回歸法檢驗(yàn)土壤環(huán)境因子與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)之間的相關(guān)性及其影響因素。采用R.3.6.3繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體變化

2.1.1干篩土壤團(tuán)聚體組成變化特征 人工建植草地0～20 cm層大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量顯著高于“黑土灘”，微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量低于“黑土灘”，且兩樣地均以>3 mm團(tuán)聚體為主(占比介于68.38%～82.81%)(圖2 c)。不同土層，1～3 mm，0.25～1 mm和微團(tuán)聚體含量分布相對均勻，且各粒級在樣地間的差異程度不同。其中，0～10 cm，10～20 cm層較“黑土灘”而言(圖2a和b)，人工建植草地>3 mm團(tuán)聚體分別顯著增加30.55%，13.14%(P<0.05)；1～3 mm粒級團(tuán)聚體分別顯著降低60.21%，50.60%(P<0.05)；0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體分別顯著降低60.55%，48.75%(P<0.05)；而<0.25 mm團(tuán)聚體分別降低16.94%和增加4.34%。

圖2 干篩土壤團(tuán)聚體組成Fig.2 Composition of soil aggregates by dry sieving method注：BSL表示“黑土灘”，APG表示人工建植草地；*和**分別表示在0.05和0.01水平顯著性；下同Note:BSL indicates “black soil land”,APG indicates artificially planted grassland:* and ** indicate a significant different at the 0.05 and 0.01 lever;similarly for the following tables

2.1.2濕篩土壤團(tuán)聚體組成變化特征 相較于“黑土灘”，人工建植草地0～20 cm層大團(tuán)聚體含量顯著增加26.88%，微團(tuán)聚體含量顯著降低26.51%(P<0.05)，且兩樣地均以微團(tuán)聚體含量最大(介于36.99%～50.34%)(圖3 c)。隨粒級逐漸減小，0～10 cm“黑土灘”團(tuán)聚體含量逐漸增加，人工建植草地則先降低(1～3 mm粒級最少)后增加(圖3 a)，但10～20 cm其均呈逐漸增加趨勢(圖3 b)。此外，0～10 cm層(圖3 a)，人工建植草地>3 mm，0.25～1 mm及<0.25 mm粒級團(tuán)聚體比“黑土灘”分別高286.67%、低29.05%和低30.68%(P<0.05)，1～3 mm粒級在兩樣地?zé)o明顯差異。10～20 cm層(圖3 b)，人工建植草地>3 mm，<0.25 mm粒級團(tuán)聚體比“黑土灘”分別高163.68%、低23.04%(P<0.05)，0.25～1 mm和1～3 mm粒級差異不顯著。

圖3 濕篩土壤團(tuán)聚體組成Fig.3 Composition of soil aggregates by wet sieving method

2.2 干篩和濕篩土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性變化特征

如圖4(a和b)所示，整體上人工建植草地干篩團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)均顯著高于“黑土灘”(P<0.05)，其分別高16.94%和28.29%。其中，0～10 cm層，“黑土灘”MWD和GMD的均值分別為3.35 mm和2.28 mm，人工建植草地的分別是4.15 mm和3.22 mm，且各指標(biāo)樣地間差異均顯著(P<0.05)；10～20 cm土層，“黑土灘”的MWD和GMD均值分別為3.85 mm和2.88 mm，人工建植草地的分別是4.26 mm和3.40 mm，但僅MWD在樣地間顯著差異(P<0.05)。

由圖4(c和d)知，人工建植草地0～20 cm層濕篩團(tuán)聚體抗侵蝕性因子(1/K)顯著高于“黑土灘”(高102.25%)，而團(tuán)聚體破壞率(PAD)顯著低于“黑土灘”(低29.83%)。就各層變化來看，0～10 cm層“黑土灘”和人工建植草地的1/K分別為8.34和19.52，PAD分別為40.98%和26.79%，且樣地間各指標(biāo)差異均顯著(P<0.05)；10～20 cm層，“黑土灘”的1/K和PAD均值分別為5.90和52.22%，人工建植草地的其值分別為9.29和38.61%，且樣地間差異顯著(P<0.05)。此外，1/K、PAD在“黑土灘”和人工建植草地各層間差異均顯著(P<0.05)。

圖4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)變化特征Fig.4 Characteristics of stability indexes of soil aggregates注：不同小寫字母表示相同土層不同樣地間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同樣地不同土層間差異顯著(P<0.05)Note:Different lowercase letters indicate significant differences in the sampling plots at the 0.05 level;different capital letters indicate significant differences between different soil layers at the 0.05 levels

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響因素

人工建植對MWD、GMD、PAD和1/K有顯著的影響(表2)，而土層變化僅對PAD和1/K影響顯著(P<0.05)，未對MWD、GMD有顯著影響，且他們的交互作用也對團(tuán)聚體穩(wěn)定性各指標(biāo)未產(chǎn)生顯著影響。

表2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的雙因素方差分析Table 2 Two-Way ANOVA for stability indexes of soil aggregates

由表3知，0～10 cm層，PAD與pH值和土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；1/K與土壤比重和粘粒顯著正相關(guān)(P<0.05)，但MWD和GMD與各因子無明顯相關(guān)性；10～20 cm層，MWD和GMD均與氧化還原電位呈顯著和極顯著相關(guān)(P<0.01)，PAD和1/K與各因子無明顯相關(guān)；0～20 cm層，MWD和GMD均與砂粒呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與粉粒和氧化還原電位呈正相關(guān)性(P<0.05)；PAD僅與土壤有機(jī)質(zhì)含量極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；1/K與土壤比重和土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis between stability indexes of soil aggregates and environmental factors

不同土層中團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響因子略有不同(表4)。其中，0～10 cm層，土壤有機(jī)質(zhì)含量和比重分別驅(qū)動了PAD和1/K的變化，解釋率分別可達(dá)45.0%，48.7%；10～20 cm層，氧化還原電位驅(qū)動著MWD和GMD的變化，解釋率分別為47.7%，59.9%；0～20 cm層，砂粒、氧化還原電位及地下生物量共同影響著MWD的變化，解釋率為66.3%，氧化還原電位和砂粒共同影響著GMD的變化，解釋率為65.0%，PAD主要受土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響，解釋率為36.6%，土壤有機(jī)質(zhì)和比重共同驅(qū)動1/K的變化，解釋率為49.2%，均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

表4 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與環(huán)境因子的回歸分析Table 4 The regression analyses between stability indexes of soil aggregates and environmental actors

3 討論

3.1 人工建植對土壤團(tuán)聚體粒級組成的影響

土壤團(tuán)聚體是土壤顆粒在外力或者菌絲、根毛及分泌物的團(tuán)聚、膠結(jié)作用下形成，其粒級配比是表征土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要標(biāo)志[1]。藺芳等[31]研究表明，種植人工草地能顯著增加土壤干篩大粒級團(tuán)聚體含量，這與本文的研究結(jié)果一致。本研究中，人工建植顯著增加了>3 mm粒級干篩團(tuán)聚體含量，降低1～3 mm和0.25～1 mm粒級團(tuán)聚體，表明人工建植在一定程度上促進(jìn)了小粒級團(tuán)聚體向大粒級團(tuán)聚體的轉(zhuǎn)變，原因可能在于人工建植措施對植被和土壤微生物生態(tài)恢復(fù)具有積極效應(yīng)，同時降低了大型動物干擾。首先，人工建植后地上植物及凋落物生物量顯著增加(表1)，是土壤有機(jī)質(zhì)的主要來源之一，其有利于小團(tuán)聚體通過有機(jī)質(zhì)膠結(jié)形成大團(tuán)聚體[32]；其次，土壤微生物活性(微生物生物量碳氮)顯著提高(表1)，促進(jìn)微生物利用生物菌絲、分泌的多糖類物質(zhì)等在纏繞、粘結(jié)機(jī)制下促進(jìn)土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定[33]；最后，人工建植區(qū)圍欄措施規(guī)避了動物踩踏，降低對大粒級團(tuán)聚體的破壞[34]。

土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)是土壤生態(tài)效應(yīng)的重要表征，其含量越高土壤結(jié)構(gòu)越好[31]。本研究發(fā)現(xiàn)，人工建植草地濕篩土壤大團(tuán)聚體含量顯著增加，其中以>3 mm粒級團(tuán)聚體增加最為顯著，這與馬盼盼等[19]在青藏高原高寒草原和草甸的研究結(jié)果一致。這可能得益于植被恢復(fù)改善了土壤持水性和滲透性[7]，促使降雨引起的地表徑流和地下滲流對大粒級團(tuán)聚體的沖刷和破壞作用弱，而對小粒級團(tuán)聚體的影響更加嚴(yán)重[31]。此外，不穩(wěn)定的干團(tuán)聚體受到水分浸泡會崩解為小單元，本研究中，“黑土灘”平均有46.60%的大團(tuán)聚體(>0.25 mm)遭破碎，人工建植草地有32.70%大團(tuán)聚體受到破碎，蘇永中等[35]表示，盡管大粒級團(tuán)聚體具有很強(qiáng)的抗張力，但遇水后很快分散，這在生產(chǎn)上表現(xiàn)為保水保肥性能差，說明人工建植能顯著增強(qiáng)大團(tuán)聚體的抗破碎能力，進(jìn)而改善“黑土灘”淺層的土壤結(jié)構(gòu)。

3.2 人工建植對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤干篩法反映土壤力穩(wěn)性，即抗機(jī)械損傷的能力，濕篩法反映土壤水穩(wěn)性，即抗水分浸泡和降雨擊打能力[31,36]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是評價土壤質(zhì)量優(yōu)良的指標(biāo)，穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)能承受外界環(huán)境干擾并保持平衡[1]。一般認(rèn)為，團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑和抗蝕性因子值越大，團(tuán)聚體破壞率越小，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng)，則土壤結(jié)構(gòu)越好[1,30]。本研究中，人工建植草地干篩團(tuán)聚體的平均重量直徑、幾何平均直徑和濕篩團(tuán)聚體抗蝕性因子均顯著高于“黑土灘”，濕篩團(tuán)聚體破壞率明顯低于“黑土灘”，各團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與環(huán)境因子的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，其與地下生物量、土壤質(zhì)地及土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著相關(guān)，這和前人的研究結(jié)果相同[35,37-38]。人工建植草地地表形成生物結(jié)皮，促使生物將根系或其分泌的物質(zhì)等與土壤顆粒纏繞、粘結(jié)[39]，增強(qiáng)顆粒間的團(tuán)聚效應(yīng)，提高土壤穩(wěn)定性。另外，發(fā)達(dá)的根系穿插、扎根土壤中并與周圍物質(zhì)頻繁交換，疏松土質(zhì)且透氣[40]，所以土壤比重及孔隙度的增加[7]，有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)產(chǎn)生更多。此外，土壤氧化還原電位是反應(yīng)土壤氧化性和還原性的指標(biāo)，其值越大代表土壤氧化性越強(qiáng)，反之，土壤還原性越強(qiáng)。人工建植后草地土壤氧化還原電位略微升高，由于土壤膠結(jié)物質(zhì)(如粘粒礦物、鐵錳氧化物及有機(jī)質(zhì)等)的活性深受氧化還原電位變化的影響，如高的電位會促進(jìn)鐵錳氧化物的形成[41-42]，且對土壤團(tuán)聚體形成具有重要貢獻(xiàn)的土壤微生物也具有相似影響[40]，即高的電位增強(qiáng)其活性，以此產(chǎn)生更多菌絲[43]。

本研究發(fā)現(xiàn)，“黑土灘”和人工建植草地干篩團(tuán)聚體平均重量直徑、幾何平均直徑隨土層深度增加呈增加趨勢，這與王國會等[34]的研究結(jié)果一致。從干篩團(tuán)聚體組成和分布來看，>0.25 mm團(tuán)聚體含量隨土層加深而遞增，土壤結(jié)構(gòu)更趨穩(wěn)定，在風(fēng)蝕影響下表層更易受到破壞，大團(tuán)聚體被分散，土壤穩(wěn)定性減弱。Dong等[30]和韓貞貴等[1]人的研究表明，隨土層增加，濕篩團(tuán)聚體抗蝕性因子減弱、團(tuán)聚體破壞率增加，這在本研究中也得到相同結(jié)果，說明10～20 cm層土壤團(tuán)聚體較0～10 cm層團(tuán)聚體而言，受水力作用的影響更大，這主要與土壤有機(jī)質(zhì)含量和孔隙有關(guān)。邢云飛等[44]在三江源人工草地的研究表示，0～10 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于10～20 cm層；再加上下層土壤緊實(shí)，直接或間接影響土壤孔隙大小、分布及顆粒組分，大粒級團(tuán)聚體形成受阻，進(jìn)而土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低[45]。此外，逐步回歸結(jié)果表明，0～10 cm土層的團(tuán)聚體平均重量直徑和幾何平均直徑，10～20 cm層的團(tuán)聚體破壞率和土壤抗蝕性因子均與各環(huán)境因子不顯著相關(guān)，可能該研究區(qū)影響他們的主要因子是其他有機(jī)膠結(jié)劑(如多糖、胡敏酸)以及無機(jī)膠結(jié)劑(如碳酸鈣、鐵錳氧化物)[46]。

4 結(jié)論

疏勒河源多年凍土區(qū)“黑土灘”和人工建植草地干篩土壤團(tuán)聚體均以>3 mm粒級為主，濕篩團(tuán)聚體均以微團(tuán)聚體(<0.25 mm)含量最大。人工建植4年后顯著提高大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量且明顯降低微團(tuán)聚體含量。相較于“黑土灘”，人工建植草地團(tuán)聚體的平均重量直徑、幾何平均直徑和土壤抗侵蝕因子均顯著增加，而團(tuán)聚體破壞率顯著下降。人工建植能顯著促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性，進(jìn)而改善“黑土灘”淺層土壤結(jié)構(gòu)。本研究區(qū)土壤砂粒含量降低、氧化還原電位及土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加會促進(jìn)淺層土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的提高，而人工建植后上述指標(biāo)均朝向促進(jìn)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的方向變化。