林草恢復對熱水河小流域侵蝕區(qū)土壤團聚體穩(wěn)定性與有機碳氮特征的影響

張劍雄，谷 豐，朱 波，周明華

（1. 中國科學院 水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國科學院大學，北京 100049）

土壤侵蝕是導致土地退化、農(nóng)業(yè)減產(chǎn)和生態(tài)功能退化的全球性環(huán)境問題[1]。泥石流作為一種高強度的土壤侵蝕，危害性大且易對人類社會造成巨大損失，因此，對泥石流等高強度土壤侵蝕的研究與防治更為迫切。泥石流治理的主要方式包括巖土工程和生態(tài)工程兩類，前者減災效果顯著，但成本較高；而后者不僅可以從源頭防治土壤侵蝕，降低泥石流發(fā)生概率，還能改善流域生態(tài)環(huán)境。研究表明，植被恢復不僅能夠改善土壤性質(zhì)，還能有助于減緩水土流失，以及防治泥石流發(fā)生[2-4]。

土壤團聚體是影響土壤侵蝕的一個關(guān)鍵指標，其穩(wěn)定性直接影響土壤表層的水土界面行為[5]，不同粒級的團聚體對改善土壤孔隙度、提高水土保持能力、促進土壤生物活動等具有不同的作用[6]。土壤團聚體是土壤顆粒通過有機質(zhì)膠結(jié)而成的團塊，土壤有機碳氮與團聚體穩(wěn)定性密切相關(guān)[7-8]。土壤有機碳和全氮的數(shù)量和質(zhì)量是表征土壤質(zhì)量的重要指標，直接影響植物養(yǎng)分的供應，從而影響植被恢復的效果。近年來，植被恢復對土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳氮特征的影響研究逐漸成為研究熱點[5-6,9-11]。謝錦升等[12]對退化紅壤的研究表明，草地轉(zhuǎn)化為林地后，大團聚體含量增加，土壤地力提高，而天然林轉(zhuǎn)化為人工林會導致土壤大團聚體含量減少、土壤團聚體穩(wěn)定性減弱，并導致土壤團聚體有機碳含量下降。馬東方等[13]通過研究華南地區(qū)典型花崗巖侵蝕區(qū)荒草地、桉樹林、松林和木荷林4 種植被類型發(fā)現(xiàn)，林下生物量較高的木荷林土壤團聚體平均重量直徑(mean weight diameter, MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)顯著高于其他植被類型(P＜ 0.05)，林地空間結(jié)構(gòu)較好的林草模式有利于土壤有機碳的積累和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

干熱河谷區(qū)氣候干燥炎熱，水熱矛盾突出，植被覆蓋程度低，土壤侵蝕嚴重，是中國西南地區(qū)特殊的脆弱生態(tài)環(huán)境類型區(qū)，屬于泥石流高發(fā)區(qū)域[14]。為防治泥石流，自20 世紀以來我國在西南干熱河谷實行多種植被恢復措施。但植被恢復措施對土壤團聚體穩(wěn)定性及碳氮分布特征影響的評估較少?；诖耍x取位于西南干熱河谷典型小流域中草地、灌木和林地3 種植被恢復措施作為研究對象，研究干熱河谷區(qū)植被恢復措施對土壤團聚體含量、穩(wěn)定性及碳氮含量的影響，并分析其主控因素，旨為該地區(qū)可持續(xù)性的生態(tài)工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山州喜德縣紅莫鎮(zhèn)熱水河小流域(28°06′ N，102°12′ E)，是發(fā)育于安寧河中游左岸的一級支流，其由東北向西南徑流，流域面積163.22 km2，主溝長度28.08 km，主溝平均縱比降67‰，流域最高點高程3 442 m，最低點高程1 550 m，相對高差達1 892 m。該流域為典型干熱河谷區(qū)域，年平均氣溫14.1 ℃，年最低氣溫0 ℃，最高氣溫達33 ℃，年均蒸發(fā)量達802 mm，降水量1 075 mm，集中于6 月 - 9 月，占全年的76%，相對濕度73%。區(qū)域降雨較豐沛且雨量集中，其雨強可以激發(fā)泥石流等嚴重土壤侵蝕，暴雨是泥石流等土壤侵蝕的主要誘發(fā)因素，頻發(fā)的土壤侵蝕導致大面積的地帶性植被及生態(tài)環(huán)境的破壞。為防治泥石流等土壤侵蝕，流域侵蝕源區(qū)內(nèi)主要分布有3 種林草恢復措施土壤：草地、灌叢、林地。研究區(qū)概況如圖1 所示，3 種林草恢復樣地的基本情況如表1 所列。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic overview of the sample site

圖1 研究區(qū)概況圖Figure 1 Overview of the study area

1.2 供試土壤

供試土壤于2019 年10 月采自熱水河小流域內(nèi)，根據(jù)植被恢復類型(草地、灌叢和林地)不同，分別隨機選取3 塊相似樣地，按照剖面采樣法，分層(0 - 10、10 - 30、30 - 60 和60 - 100 cm)采集土壤樣品。每層用鐵鏟小心地采集2 kg 原狀土壤樣品裝入鋁質(zhì)樣品盒，用于測定土壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量；采集土壤混合樣品，用于測定土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)；用100 cm3環(huán)刀采集土壤樣品，用于測定土壤容重和田間持水量等，根據(jù)美國制土壤質(zhì)地分類表，林地為砂質(zhì)黏壤土，草地和灌叢為粘壤土，供試土壤的基礎(chǔ)理化性質(zhì)如表2 所列。

表2 供試土壤樣品基本理化性質(zhì)Table 2 Basic physical and chemical properties of tested soil samples

采集的土壤樣品帶回實驗室在陰涼處自然風干，仔細挑出土樣中混入的碎石、凋落物及植物根系。將原狀土壤樣品中的大塊土沿紋理輕輕掰成直徑8 mm 大小土塊。混合土壤樣品分別過2 mm 和0.053 mm 篩以供分析測定。

1.3 測定方法

本研究分析指標包括土壤pH、土壤容重、田間持水量、土壤顆粒組成、有機碳、全氮、水穩(wěn)定性團聚體等。具體方法：土壤pH 采用土水比1 ∶ 2.5 比例浸提后，使用pH 測定儀(PHS-3C，上海儀電公司)測定；土壤容重通過烘干法測定[15]；土壤田間持水量通過離心機法測定[16]；土壤機械組成采用吸管法測定[17]；有機碳(SOC)和全氮(TN)使用元素分析儀(vario TOC cube，Elementar，德國)測定。水穩(wěn)定性團聚體通過濕篩法測得：稱取過8 mm 篩風干土樣150 g于2 mm 篩上，依次下置0.25 mm、0.053 mm 孔徑篩，將套篩緩慢置入裝有純水的桶中，保持最上部套篩始終高于水面，使其浸泡5 min，保證土樣充分濕潤，在純水環(huán)境中上下震蕩5 min，振幅為3 cm，振頻為每分鐘30 次，將各篩上的殘留土樣用純水洗入已知重量燒杯中，并將桶中土樣充分沉淀后洗入已知重量燒杯中，并置于60 ℃烘箱中烘至恒重，取出冷卻后稱重，并進行土壤團聚體含量測算，即得到 ＞ 2 mm，0.25～2 mm，0.053～0.25 mm，＜ 0.053 mm共4 個粒級團聚體，其中 ＜ 0.053 mm 粒級團聚體按照差減法求得。

1.4 團聚體穩(wěn)定性評價指標

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、幾何平均直徑(geometric mean diameter，GMD)和＞ 0.25mm 粒級團聚體含量[the ratio of large aggregate(＞ 0.25 mm)，R0.25]是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要參考指標[18-19]。一般認為，MWD、GMD 和R0.25越大，土壤團聚體穩(wěn)定性越強。各指標計算公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)分析

本研究利用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)的整理，在SPSS 26.0 軟件中使用單因素方差分析分析不同植被恢復類型和不同深度土壤指標之間差異的顯著性(P＜ 0.05)，并用最小顯著性差異法(LSD)進行多重比較；用Person 相關(guān)分析衡量土壤參數(shù)之間的相關(guān)性。應用Origin 2020b 軟件進行圖件繪制。文中所有結(jié)果均為3 個樣本測定結(jié)果的平均值 ± 標準差。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林草恢復土壤團聚體含量

通過濕篩法測得的土壤水穩(wěn)性團聚體含量結(jié)果如表3 所列。3 種林草恢復措施下土壤團聚體粒級分布趨勢類似，在不同土層深度均表現(xiàn)為 ＞ 2 mm粒級團聚體含量比重最大，達到47.13%～73.11%。團聚體含量隨團聚體粒級減小而不斷減少，＜ 0.053 mm粒級團聚體含量最低，僅為0.99%～5.52%。

表3 不同林草恢復土壤團聚體含量分布情況Table 3 Distribution of soil aggregate content in different forest and grass restoration areas%

在各土層深度中，不同林草恢復土壤團聚體含量的差異表現(xiàn)不同。在0 - 10 cm 土層中，草地 ＞2 mm 粒級團聚體含量(59.43%)最大，灌叢(55.29%)次之，兩者均顯著高于林地(49.26%) (P＜ 0.05)；而0.25～2 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為林地最大，為42.95%，顯著大于灌叢和草地(P＜ 0.05)，但灌叢和草地之間無顯著差異(P＞ 0.05)；隨團聚體粒級的減小，灌叢 ＜ 0.25 mm 粒級團聚體含量增加；其中灌叢0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量(8.34%)顯著大于草地和林地(P＜ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量為5.52%，顯著大于草地(3.13%)和林地(2.31%) (P＜0.05)。在10 - 30 cm 土層中，草地 ＞ 2 mm 粒級團聚體含量在3 種林草恢復土壤中最大，為65.58%，顯著大于灌叢(48.06%)和林地(47.13%)；而草地0.25～2 mm 粒級團聚體含量(27.76%)則顯著小于林地(42.25%)和灌叢(40.21%) (P＜ 0.05)；0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量表現(xiàn)為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(P＜ 0.05)，且隨土層加深，在30 - 60 和60 - 100 cm土層中0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量的這一分布趨勢不變；而 ＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為林地 ＞ 草地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)。在30 - 60 cm 土層中，＞ 2 mm粒級團聚體含量表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜0.05)；0.25～2 mm 粒級團聚體含量草地最小(22.18%)；＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量與0.25～2 mm 粒級團聚體含量分布趨勢相似。在60 - 100 cm土層中，草地＞ 2 mm 粒級團聚體含量最小(56.15%)，呈現(xiàn)灌叢 ＞林地 ＞ 草地的分布趨勢(P＜ 0.05)；0.25～2 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而 ＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為林地(2.67%)最大，草地和灌叢則無顯著差異(P＞ 0.05)。

同一林草恢復措施下土壤各級團聚體在不同土層深度上也表現(xiàn)出一定的差異性(表3)。草地 ＞2 mm 粒級團聚體含量在0 - 60 cm 土層中表現(xiàn)出隨土層加深，團聚體含量分布增加的趨勢，在30 - 60 cm土層中分布最多(73.11%)，而在60 - 100 cm 土層中分布最少(56.15%)，比其在30 - 60 cm 土層中分布少23.20%；0.25～2 mm 粒級團聚體含量在0 - 60 cm土層中則表現(xiàn)為隨土層加深，含量不斷減少的趨勢，在30 - 60 cm 土層中最少(22.18%)，但在60 -100 cm 土層中最高，比在30 - 60 cm 土層中的含量多73.85% (P＜ 0.05)。草地隨土層深度變化在0.053～0.25 mm 及 ＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量上的分布趨勢相似，其中，0.053～0.25 mm 粒級團聚體在10 - 10 cm 土層中分布最多(5.98%)，而隨土層加深，在0 - 100 cm 土層該粒級團聚體分布含量則無顯著差異(P＞ 0.05)；而 ＜ 0.053 mm 粒級團聚體隨土層變化則表現(xiàn)為0 - 10 cm土層中分布最多(3.13%)，10 -30 cm 土層中分布次之(2.19%)，而在30 - 60 及60 -100 cm 土層中的分布含量顯著小于0 - 10 和10 -30 cm 土壤(P＜ 0.05)。

灌叢在 ＞ 2 mm 粒級團聚體含量上表現(xiàn)為60 -100 cm 土層中最大，達70.34%，顯著大于其在30 -60 (61.67%)、0 - 10 (55.29%)和10 - 30 cm (48.06%)土層的含量(P＜ 0.05)；0.25～2 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)出隨土層加深先增后減的趨勢；0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為10 - 30 cm 土層中最大，為10.12%，而在其他土層中，無顯著差異(P＞ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量則表現(xiàn)為0 -10 cm 土層中分布最多(5.52%)，隨土層加深，分布無顯著差異(P＞ 0.05)。

林地 ＞ 2 mm 粒級團聚體分布表現(xiàn)為在30 -60 和60 - 100 cm 土壤中顯著大于在0 - 10 和10 -30 cm 土層中的含量(P＜ 0.05)；而0.25～2 mm 粒級團聚體在0 - 10 和10 - 30 cm 土層中的分布含量顯著大于在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中的含量(P＜0.05)；0.053～0.25 mm 粒級團聚體在10 - 30 cm 土層中分布最多(7.34%)，而在其他土層中無顯著差異(P＞ 0.05)；＜ 0.053 mm 粒級團聚體含量分布趨勢與0.053～0.25 mm 粒級團聚體含量相似，但在30 -60 cm 土層中的分布(1.57%)顯著小于其他土層(P＜ 0.05)。

2.2 不同林草恢復土壤團聚體穩(wěn)定性特征

不同植被恢復下土壤團聚體穩(wěn)定性特征如表4所列。團聚體MWD 值在0 - 10 cm 土層中表現(xiàn)為草地 ＞ 灌叢 ＞ 林地(P＜ 0.05)；在10 - 30 cm 土層中，草地團聚體MWD 值最大，為3.64 mm，灌叢和林地無顯著差異(P＞ 0.05)；在30 - 60 cm 土層中，團聚體MWD 值表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而在60 - 100 cm 土層中，團聚體MWD 值則表現(xiàn)為灌叢 ＞林地 ＞ 草地(P＜ 0.05)。團聚體GMD 值在0 - 10 cm土層中表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；而在10 - 30 cm 土層中，團聚體GMD 值表現(xiàn)為草地 ＞ 灌叢 ＞ 林地(P＜ 0.05)；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中與MWD 值分布趨勢相似。土壤團聚體R0.25在0 -10 cm 土層中表現(xiàn)為草地和林地顯著大于灌叢(P＜0.05)；在10 - 30 cm 和30 - 60 cm 土層中，團聚體R0.25表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)；在60 -100 cm 土層中，草地團聚體R0.25最大，灌叢和林地無顯著差異(P＞ 0.05)。

土壤團聚體穩(wěn)定性隨土層深度也呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律(表4)。草地土壤MWD 值在0 - 60 cm 土層中表現(xiàn)為隨土層加深不斷增大的趨勢，在30 -60 cm 土層中最大，為3.94 mm，但在60 - 100 cm 土層中最小(3.30 mm)；草地團聚體GMD 值分布隨土層加深先增后減，與土壤團聚體R0.25分布趨勢相似，在30 - 60 cm 土壤中分布最大。灌叢土壤團聚體MWD 值在60 - 100 cm 土層中最大(3.80 mm)，顯著大于0 - 10、10 - 30 和30 - 60 cm 土壤(P＜ 0.05)；灌叢GMD 值和R0.25值均表現(xiàn)為在0 - 10 cm 土層中最小，隨土層加深，特征數(shù)值不斷增大。林地團聚體MWD 值在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中最大，顯著大于0 - 10 和10 - 30 cm 土壤；而土壤團聚體GMD 值也表現(xiàn)出同樣的規(guī)律；土壤團聚體R0.25值在10 - 30 cm 土層中分布最少(89.38%)，而在其他土層中無顯著差異(P＞ 0.05)。

表4 不同林草恢復土壤團聚體穩(wěn)定性分布情況Table 4 Stability distribution of soil aggregates in different forest and grass restoration areas

2.3 不同林草恢復土壤碳氮含量分布特征

土壤全氮、有機碳含量及碳氮計量比測定結(jié)果如圖2 所示。在0 - 10 cm 土層中，土壤全氮含量的大小順序為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢，且差異顯著(P＜0.05)；在10 - 30 cm 土層中，土壤總氮含量也表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢，其中草地(4.01 g·kg-1)顯著大于灌叢和林地(P＜ 0.05)，而灌叢和林地土壤之間無顯著差異(P＞ 0.05)；在30 - 60 cm 土層中，土壤總氮含量分布特征為灌叢顯著大于林地和草地(P＜ 0.05)；60 - 100 cm 土壤全氮含量大小順序為灌叢 ＞ 林地 ＞草地(P＜ 0.05)，與30 - 60 cm 土層分布特征相似。在不同土層中土壤有機碳含量的分布與總氮含量分布特征相似，在0 - 10 cm 土層中，草地土壤有機碳含量顯著大于林地和灌叢(P＜ 0.05)；在10 -30 cm 土層中，土壤有機碳含量表現(xiàn)為草地顯著大于林地和灌叢(P＜ 0.05)，其中草地有機碳含量為49.04 g·kg-1；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中，土壤有機碳含量大小順序均為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(P＜0.05)。土壤碳氮計量比在0 - 10 cm 土層表現(xiàn)為林地顯著大于灌叢和草地(P＜ 0.05)；在10 - 30 cm 土層中，土壤碳氮計量比大小順序表現(xiàn)為林地 ＞ 灌叢 ＞草地(P＜ 0.05)；在30 - 60 和60 - 100 cm 土層中，土壤碳氮計量比均表現(xiàn)為灌叢和林地顯著大于草地(P＜ 0.05)。

圖2 不同林草恢復土壤總氮、有機碳含量及碳氮計量比Figure 2 Soil total nitrogen, organic carbon content, and carbon nitrogen stoichiometric ratio of different forest and grass restoration areas

不同土地利用土壤全氮及有機碳含量均呈現(xiàn)隨土層加深含量不斷減小的趨勢(圖2)。灌叢土壤在0 - 10 cm 土層中總氮含量最高，為3.66 g·kg-1，大于在10 - 30 cm 土壤中的總氮含量，但無顯著性差異(P＞ 0.05)，顯著大于30 - 60 和60 - 100 cm 土層土壤總氮含量(P＜ 0.05)；草地和林地隨土層加深，土壤總氮含量顯著減少(P＜ 0.05)。不同土地利用條件下土壤有機碳含量在土壤剖面上的分布特征與總氮含量相似，灌叢土壤有機碳含量在0 - 10 cm 土層中最高，為45.62 g·kg-1，在10 - 100 cm 隨土層加深，有機碳含量減少，但無顯著性差異(P＞ 0.05)；草地和林地土壤隨土層深度的加深，有機碳含量顯著減少(P＜ 0.05)。不同林草恢復下土壤碳氮計量比在不同土壤剖面表現(xiàn)為：灌叢隨土層深度變化，碳氮計量比無顯著變化(P＞ 0.05)；草地0 - 10、10 - 30 和30 - 60 cm 土壤碳氮計量比顯著大于60 - 100 cm 土壤(9.20) (P＜ 0.05)；林地土壤碳氮計量比大致表現(xiàn)為隨土層加深逐漸減小的趨勢，60 - 100 cm 土壤碳氮計量比最小，為12.56，顯著小于0 - 10 和10 - 30 cm土層土壤(P＜ 0.05)。

2.4 土壤指標之間的相關(guān)性

相關(guān)性分析表明，土壤碳氮含量及土壤團聚體穩(wěn)定值指標與其他多種土壤理化性質(zhì)之間相關(guān)性顯著，但具體表現(xiàn)不同(表5)。土壤總氮含量與土壤pH 和粉粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與團聚體R0.25呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤砂粒含量、有機碳含量和碳氮計量比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；土壤有機碳含量與土壤pH 和粉粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與團聚體GMD 和R0.25呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤砂粒含量和碳氮計量比呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)；土壤碳氮計量比與土壤砂粒和粘粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與粉粒含量和團聚體R0.25呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；團聚體MWD值與土壤pH、GMD 和R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)；團聚體GMD 值與土壤pH 和粉粒含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與R0.25呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與砂粒含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)；團聚體R0.25與土壤砂粒和粘粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，與土壤容重呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與土壤粉粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)。

表5 研究區(qū)土壤指標之間的相關(guān)性Table 5 Correlation between soil indicators in the study area

3 討論

植被恢復通過多種因素影響土壤生態(tài)環(huán)境，從而影響土壤理化性質(zhì)，進而對土壤碳氮分布及團聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響[20]。土壤團聚體是土壤的基本結(jié)構(gòu)單元，對維持和穩(wěn)定土壤系統(tǒng)功能具有重要的作用，土壤團聚體的組成和特性不僅是評估土壤侵蝕、板結(jié)等物理過程的一個關(guān)鍵指標，也被作為評價土壤質(zhì)量的重要指標之一，是保持土壤健康的基礎(chǔ)[21-23]。大團聚體是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，大團聚體含量較高的土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定[24]。土壤有機質(zhì)是土壤團聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì)，不同林草恢復對土壤有機質(zhì)含量具有一定影響，進而對土壤團聚體的形成產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在研究區(qū)域0 -10 cm 土層中，土壤有機碳含量為草地(58.38 g·kg-1) ＞林地(54.14 g·kg-1) ＞ 灌叢(45.62 g·kg-1) (P＜ 0.05)，與草地相比，灌叢有機碳含量減少了21.86%，林地有機碳含量減少了7.26%。在該土層3 種土地利用方式下，＞ 2 mm 粒級團聚體含量和MWD 值大小順序與有機碳含量分布一致，這可能是因為相較于較深土壤，表層土壤受草本植物的根系作用強于深根的木本植物，表層根系的固結(jié)纏繞增強了土壤抗侵蝕能力，從而增強了土壤大團聚體的分布。但相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，有機碳含量與團聚體GMD 和R0.25呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，林地和草地隨土層加深有機碳含量不斷減少，而GMD 和R0.25呈現(xiàn)增加趨勢，這與前人的研究結(jié)果不完全一致[25-26]，這可能與采樣區(qū)位于土壤侵蝕源區(qū)，而各土壤剖面有機碳含量均處在較高水平，對土壤團聚體穩(wěn)定性作用影響減弱有關(guān)，而表層土壤在侵蝕過程中，最先遭受侵蝕，因而團聚體穩(wěn)定性與侵蝕先后有一定關(guān)系。已有研究表明，土地利用影響團聚體含量的分布，然而土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性還受到土壤侵蝕強度、坡位、氣候以及土壤微生物活性等多因素的影響[27-30]。因此，針對多種復雜土壤狀況對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響仍需要進一步研究。

土壤碳氮含量的分布還受土壤質(zhì)地和pH 的影響，研究區(qū)土壤總氮和有機碳含量與pH 和粉粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)。本研究0 - 10 cm 土層土壤pH 草地 ＜林地 ＜ 灌叢(P＜ 0.05)，而在總氮和有機碳含量的分布上則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)，這可能與研究區(qū)草地植被覆蓋度高，且草地植物根系主要分布在表層，地下根系的數(shù)量比林地和灌叢多，同等條件下根系分泌物釋放比林地和灌叢多，因而土壤pH 較低。植物根系分泌物主要是指植物生長過程中通過根系向根際環(huán)境分泌的有機化合物[31]，該類化合物為土壤微生物生長繁殖提供充足碳源，從而起到增加碳氮的作用，此外根系分泌物對穩(wěn)定性高的團聚體形成具有促進作用[32]。土壤顆粒的不同排列和形成的空隙決定土壤的基本結(jié)構(gòu)，是影響有機碳含量水平的重要因素。在30 - 60 和60 - 100 cm土層土壤中，砂粒含量灌叢顯著大于林地，大于草地，粉粒含量則表現(xiàn)為草地 ＞ 林地 ＞ 灌叢(P＜ 0.05)(表2)；在這兩層土壤剖面中，土壤全氮和有機碳含量均表現(xiàn)為灌叢 ＞ 林地 ＞ 草地(圖2)。前人研究發(fā)現(xiàn)，土壤粘粒含量和有機碳的有效固存呈正相關(guān)關(guān)系，土壤中粘粒和粉粒含量越高，有機碳的有效固存量越高[33]。此外，馬文明等[34]在對高寒草地灌叢化對土壤團聚體穩(wěn)定性和有機碳分布特征的研究中發(fā)現(xiàn)，有機碳含量與粘粒含量呈顯著性負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.05)，與砂粒和粉粒含量沒有顯著相關(guān)性(P＞ 0.05)，而總氮含量與砂粒含量成正比(P=0.05)，與粘粒含量呈顯著負相關(guān)(P＜ 0.05)，這與本研究結(jié)果不完全一致，這可能是因為本研究區(qū)域位于土壤侵蝕區(qū)域，與其他土壤不同，侵蝕區(qū)土壤受侵蝕影響，粘粒、粉粒等質(zhì)量較輕的物質(zhì)更容易被帶走，而砂粒由于質(zhì)量較重，容易在原位及附近沉積。不同成土母巖也會影響土壤機械組成，研究區(qū)土壤母巖多為砂頁巖，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)砂頁巖砂粒含量較高且不同成土母巖的風化程度差異會引起砂粒含量的差異，進而影響到土壤機械組成，成土母質(zhì)對機械組成的解釋程度隨土層加深而增大[35]，此外，林草恢復在一定程度上減輕了土壤侵蝕強度，植物的生態(tài)補償也彌補了因侵蝕而流失的碳氮。相比土壤全氮和有機碳含量對土壤質(zhì)量的直接反映，土壤碳氮比在一定程度上也能反映有機質(zhì)的分解速率[36]。Tian 等[37]對中國全國范圍內(nèi)的土壤碳氮比進行分析發(fā)現(xiàn)，全國土壤碳氮比平均水平為11.9，草地60 - 100 cm 土層碳氮比為9.20，低于該平均值，這可能與草地深層土壤有機碳代謝和養(yǎng)分循環(huán)有關(guān)[38]。

4 結(jié)論

本研究分析了干熱河谷區(qū)典型小流域3 種不同林草恢復措施對土壤團聚體及碳氮穩(wěn)定性特征的影響。主要結(jié)論有：

1)不同林草恢復措施對不同土層的土壤團聚體及碳氮特征的影響不同。在0 - 60 cm 土層，草地的土壤團聚體以及碳氮含量均高于灌叢和林地，然而灌叢與林地底層土壤(60 - 100 cm)的土壤團聚體及碳氮含量卻顯著高于草地。

2)不同林草恢復模式下土壤總氮含量以及有機碳含量均與土壤pH 和土壤粉粒含量呈極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)，但與砂粒含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜ 0.01)。

3)總體而言，草地上層(0 - 60 cm)土壤的土壤大團聚體比例及其碳氮含量均顯著高于灌叢和林地，具有較好的土壤結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性，對該區(qū)域退化土地進行草地恢復與重建亦是值得推行的生態(tài)恢復模式。