喀斯特槽谷顺/逆向坡不同植被恢复下土壤微团聚体特征

曾江敏，何丙辉，苏 锋，李少华，冯梦蝶，毕赟斐，谢荣仙，黎俊敏

（1.西南大学资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715； 2.重庆市合川区水利工程质量监督站，重庆 401520）

土壤微团聚体作为土壤结构的重要基本单元，是土壤颗粒絮凝、胶结和排列形成大团聚体的物质基础[1]，对调节土壤水、肥、气、热条件，增强土壤稳定性和改善土壤肥力等具有重要作用[2]。其含量和组成不仅影响土壤养分的固定和释放[3]，而且还影响土壤的抗蚀性[4]。植被和土壤作为相互协调发展的统一体，土壤理化性质往往随地表植被的变化而变化[5]。喀斯特地区植被破坏加剧了土壤侵蚀作用，导致薄土层水土流失，生态系统退化以及植被的难恢复性[6]。人类对土壤的利用直接干扰了土壤的自然过程，对土壤养分状况、水分径流、土壤侵蚀潜力和生物等生态环境因素具有重要影响[7]。而土壤颗粒组成的变化是土壤结构变化的直观表现。因此，分析喀斯特地区不同植被恢复下土壤微团聚体粒径特征对提高喀斯特土壤结构的稳定性和生态修复意义重大。

不同的植被恢复对土壤微团聚体稳定性造成不同程度的影响[8]，而土壤的优势团聚体决定了土壤养分的分布[9]。王佩将等[4]研究中土壤微团聚体以1～0.02 mm 为优势粒径，且土壤抗蚀性为灌草丛最好，坡耕地最差。代文才等[10]研究发现林地、花椒地、旱地、水田和柑橘园土壤微团聚体以0.25～0.05 mm 粒径为优势粒级。也有研究表明土壤分形维数越小，土壤结构稳定性越好，旱地土壤分形维数在2.11～2.48 之间[11]，天然草地、灌木林地、果园、农地、人工草地的土壤团粒结构分形维数在2.36～2.84 之间[12]。灌丛草地转为旱地后，土壤微团聚体总量和粗粒径微团聚体含量显著降低，细粒径微团聚体含量上升[13]。在植被恢复过程中，植被根系对土壤挤压、穿插形成的裂隙以及根系死亡形成的孔道对土壤结构的改善和养分的输入具有重要影响[14]。土壤微团聚体组成受自身颗粒和土壤养分含量的影响[15]，但结果不尽相同[16]。尽管关于不同植被条件下土壤微团聚体结构特征和分形特征的研究已有很多[17]，但关于喀斯特槽谷区植被恢复下土壤微团聚体结构特征的研究还较少，尤其对喀斯特槽谷顺、逆向坡土壤微团聚体组成对植被恢复的响应机制尚不明确。因此，本研究以喀斯特顺、逆向坡3 种植被恢复（林地、花椒地和灌草地）土壤为研究对象，探讨喀斯特顺、逆向坡植被恢复对土壤微团聚体的影响，阐明影响该区土壤微团聚体的影响因素，为喀斯特地区土壤抗蚀性研究和土壤结构改良提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区（108°57′14″～108°57′37″ E，29°22″～ 29°45″ N）海拔高度382～548 m，位于重庆市酉阳县龙潭槽谷内，龙潭槽谷位于酉阳县桐麻岭背斜的东南翼，呈东北-西南走向，全长约35 km，槽谷流域面积为1 677 km2，其中喀斯特面积为1273 km2，石漠化面积为183 km2，分别占流域面积的76%和11%。槽谷两侧岩层倾向一致，坡向相反，出现坡向与岩层倾向一致的顺向坡（位于龙潭槽谷的西侧）和坡向与岩层倾向不一致的逆向坡（位于龙潭槽谷的东侧）（图1），为典型的喀斯特槽谷区。研究区属亚热带湿润季风气候区，地形性气候独特，全年雨量充沛，冬暖夏凉，多年平均气温14.4 ℃，平均降水量1 250 mm。槽谷两侧区域土层较薄，土壤为黄色石灰土，呈微酸性或中性，坡面岗地多为石质坡地且断续分布，基岩裸露率较高，逆向坡土壤在岩层的阻挡下土层相对较厚。区域内原生植被破坏严重，植被以次生灌木、蕨类和人工花椒林及乔木疏林为主。母岩主要有二叠、三叠系的灰质砂页岩，志留系页岩、白垩系紫红色页岩。

2 研究方法

2.1 土壤样品采集

在研究区内选择顺向坡和逆向坡两种坡面，采样时间为2018年6月。在各坡面上分别选择林地、花椒地和灌草地3 种恢复模式土地，再在各植被恢复模式土地上选定植被盖度相似的3 个10 m×10 m 的样地，并用 GPS 定位，记录采样点经纬度和海拔，同时进行样地调查并记录环境因子。按照“S”形5 点法采集0～20 cm 混合土样，用四分法收集1 kg 左右土样，装入密封袋，编号后带回实验室，弃除草根砾石等杂物，风干、过筛后备用。据调查，当地农民每年会给花椒树施用两次以上的水溶性高浓度硫酸钾复合肥料。

图1 研究区位置Fig.1 Location of study area

表1 不同植被恢复模式采样点基本情况Table1 Basic information of sampling points for different forest and grass restoration modes

2.2 测试指标与方法

将所有混合土样带回实验室内风干过1 mm 和0.25 mm 筛后测定土壤全量养分和有机质及土壤机械组成和微团聚体含量。土壤机械组成和微团聚体含量采用吸管法。土壤全氮、全磷、全钾及有机质含量测定采用农化分析常规方法[18]（表2）。为保证实验数据的可靠性，所有样品均设置3 个平行。

土壤平均重量直径MWD和平均几何直径GMD是表达土壤团聚体稳定性的重要指标，土壤MWD和GMD值越大，表明土壤团聚体的团聚度越高，稳定性越强。计算公式如下[19]：

土壤团聚体平均重量比表面积MWSSA是在比表面积和计算平均重量直径的方法的基础上构建的[20]。土壤MWSSA值越大，团聚体外界面越大，呈大团聚体含量下降，小团聚体含量增大的趋势。其计算公式如下：

表2 土壤基本理化性质†Table2 Basic physicochemical properties of soil

土壤分形维数D可以表征土壤结构的几何形体，能够反映土壤粒径的大小组成和颗粒质地的粗细程度。分形维数越小，土壤质地越粗。运用杨培玲[21]的推导公式计算土壤颗粒体积分形维数D：

式中：r为土壤粒径；xi为相邻两粒级微团聚体的平均粒径，mm；xmax为粒径分级最大的粒级值，mm；yi为i粒级微团聚体平均直径，mm；wi为平均直径为xi的团聚体质量，g；W(r＜xi)代表粒径小于xi的累计粒级质量，g；WT为各级粒径质量之和，g。

采用Excel 2010 软件对数据进行处理和绘图，SPSS 19.0 软件进行单因素方差分析（P＜0.05）、Pearson 相关分析（95%水平下）及回归模型建立。

3 结果与分析

3.1 不同植被恢复模式下土壤微团聚体组成

由表2可知，在喀斯特槽谷区，顺向坡和逆向坡土壤微团聚体各粒级含量有所不同。顺向坡土壤微团聚体以1～0.25 mm 为优势粒级，含量在21.10%～30.08%，平均值为24.31%；其次是0.05～0.01 mm 粒径，含量在21.31%～25.95%，平均值为23.64%；含量最小的是＜0.001mm 粒级含量，仅为6.82%。顺向坡土壤微团聚体粒径含量从大到小排序为M1～0.25mm＞M0.05～0.01mm＞M0.25～0.05mm＞M0.005～0.001mm＞M0.01～0.005mm＞M＜0.001mm。逆向坡土壤微团聚体以0.05～0.01 mm为优势粒级，含量在25.05%～26.54%，平均值为25.78%；其次是0.25～0.05 mm 粒径，含量在19.97%～23.46%，平均值为21.32%；含量最小的是＜0.001 mm 粒级含量，为8.02%。逆向坡土壤微团聚体粒径含量从大到小排序为M0.05～0.01mm＞M0.25～0.05mm＞M0.005～0.001mm＞M1～0.25mm＞M0.01～0.005mm＞M＜0.001mm。顺、逆向坡土壤微团聚体的优势粒径有所不同，但均以＜0.001 mm粒径微团聚体含量最小。顺向坡1～0.25 mm 粒径微团聚体含量是逆向坡的2.04 倍，除了1～ 0.25 mm 粒径微团聚体外，其余粒径微团聚体含量均为逆向坡大于顺向坡，且差异显著（P＜0.05）。

表3 不同植被恢复模式下土壤微团组成特征Table3 Composition of soil micro-aggregates under different forest and grass restoration modes

顺向坡林地土壤微团聚体以1～0.25 mm 为优势粒级，含量为30.08%，显著大于花椒地和灌草地（P＜0.05），其次是0.05～0.01 mm 粒径，含量为21.31%。花椒地和灌草地土壤微团聚体均以0.05～0.01 mm 为优势粒级，含量分别为25.95%和23.66%，且0.05～0.01 mm 粒径微团聚体含量大小为花椒地＞灌草地＞林地（P＜0.05）。3 种植被恢复下土壤微团聚体均以＜0.001 mm 粒径微团聚体含量最小，且灌草地显著大于林地和花椒地。逆向坡3 种植被恢复下土壤微团聚体均以0.05～0.01 mm 为优势粒级，且灌草地＞花椒地＞林地，但差异不显著（P＞0.05）。其中林地和花椒地土壤微团聚体以0.005～0.001 mm 粒径含量次之，且差异不显著（P＞0.05），而灌草地以0.25～0.05 mm 粒径含量次之，为23.46%，显著地大于林地和花椒地。3 种植被恢复下土壤微团聚体均以＜0.001 mm 粒径微团聚体含量最小，且花椒地显著大于林地和灌草地。

3.2 不同植被恢复模式下土壤微团聚体结构特征

从表4可以看出，顺向坡土壤微团聚体MWD（0.031 mm）和GMD（7.22 mm）均显著大于逆向坡土壤微团聚体MWD（0.019 mm）和GMD（5.50 mm）（P＜0.05），且顺向坡的MWD和GMD分别是逆向坡的1.60 倍和1.31 倍，表明顺向坡土壤微团聚体结构稳定性比逆向坡好。顺向坡林地的MWD（0.036 mm）和GMD（8.13 mm）均显著大于花椒地和灌草地（P＜0.05），而逆向坡林地的MWD（0.021 mm）和GMD（5.77 mm）略大于花椒地和灌草地，但差异不显著（P＞0.05）。说明林地土壤微团聚体稳定性优于花椒地和灌草地。

表4 不同植被恢复模式下土壤微团结构特征Table4 Characteristics of soil micro-aggregation under different forest and grass restoration patterns

顺向坡土壤微团聚体平均重量比表面积MWSSA（82.14 cm2/g）显著小于逆向坡MWSSA（96.86 cm2/g）（P＜0.05），说明逆向坡土壤比顺向坡土壤质地更细，土壤分散性越强，抗蚀能力越弱。顺向坡灌草地土壤微团聚体平均重量比表面积MWSSA（87.47 cm2/g）显著大于林地 （79.68 cm2/g）和花椒地（79.28 cm2/g）（P＜0.05），初步说明顺向坡灌草地土壤分散性较林地和花椒地强。逆向坡林地土壤微团聚体平均重量比表面积MWSSA（93.32 cm2/g）小于花椒地（100.63 cm2/g）和灌草地（96.62 cm2/g），与花椒地差异显著 （P＜0.05），而与灌草地差异不显著（P＞0.05），说明逆向坡花椒地土壤分散性较林地和灌草地强。

3.3 不同植被恢复下土壤微团聚体分形特征

从表4可以看出，顺向坡土壤微团聚体分形维数D范围为2.62～2.64，平均值为2.63，R2范围为0.917 8～0.932 6，平均值0.923 8；逆向坡土壤微团聚体分形维数D范围为2.64～2.66，平均值为2.65，R2范围为0.894 3～0.901 5，平均值0.898 3。顺向坡D值小于逆向坡，但差异不显著（P＞0.05），进一步表明顺向坡土壤微团聚体结构稳定性比逆向坡好。顺向坡花椒地土壤微团聚体分形维数D（2.62）显著小于林地（2.63）和灌草地（2.64）（P＜0.05）。逆向坡花椒地土壤微团聚体分形维数D（2.66）显著大于林地（2.64）和灌草地（2.65）（P＜0.05）。表明顺向坡花椒地土壤微团聚体结构稳定性较好，而逆向坡花椒地土壤微团聚体结构稳定性较弱。

3.4 土壤微团聚体分形维数的影响因素

由表5可知，土壤微团聚体分形维数与土壤各粒级微团聚体含量的回归模型拟合度各不相同，R2范围为0.124～0.974，拟合度最好的是＜0.001 mm 粒径，最差的是0.05～0.01 mm粒径。土壤微团聚体分形维数与1～0.25 mm 粒级微团聚体含量的回归方程为y=-0.001x1+2.664，模型拟合度R2为0.498，斜率小于0，呈负相关关系，但不显著（P＞0.05），即1～0.25 mm粒级微团聚体含量越高，分形维数D越小，表明土壤结构稳定性越好。除此之外，其余回归方程斜率均大于0，其中土壤分形维数与＜0.001 mm粒级微团聚体的模型拟合度高达0.974，呈极显著正相关关系（P＜0.01）；与0.005～0.001 mm 粒级微团聚体呈显著正相关关系（P＜0.05）；而与0.25～0.05 mm、0.05～0.01 mm 以及0.01～ 0.005 mm 呈不显著正相关关系（P＞0.05），即分形维数D随＜0.001 mm 和0.005～0.001 mm粒级微团聚体含量的增加而显著增大。

表5 土壤微团聚体分形维数与粒径的回归模型Table5 Regression model of fractal dimension and particle size of soil micro-aggregates

本研究将表2中土壤基本理化性质与土壤微团聚体分形维数及团聚体结构指标在置信度95%水平下作Pearson 相关分析，结果见表6。土壤微团聚体分形维数D、平均重量直径MWD、平均重量比表面积MWWSA以及平均几何直径GMD与土壤全磷、pH值、砂粒和黏粒含量的相关性均不显著。土壤微团聚体分形维数D与土壤全钾、土壤有机质、土壤粉粒含量显著负相关（P＜0.05），与MWWSA极显著正相关（P＜0.01），而与MWD和GMD负相关，但不显著（P＞0.05）。平均重量直径MWD与土壤全氮、全钾含量显著正相关 （P＜0.05），与土壤有机质含量及GMD极显著正相关（P＜0.01），与MWWSA显著负相关（P＜0.05）。MWWSA与土壤全氮、全钾、粉粒含量以及MWD和GMD 均显著负相关（P＜0.05），而与土壤有机质含量极显著负相关（P＜0.01）。GMD与土壤全氮、全钾显著正相关（P＜0.05），与土壤有机质极显著正相关（P＜0.01）。

表6 土壤微团聚体分形维数与土壤理化性质及团聚结构的相关性†Table6 The correlation between fractal dimension of soil micro-aggregates and soil physical and chemical properties and aggregation structure

4 讨 论

土壤微团聚体分形维数D是反映土壤团粒结构的几何形状参数，其值的大小能够反映土壤结构稳定性的强弱，D值越小，表明土壤结构稳定性越强。有研究表明，土壤微团聚体的分形维数与各级粒径含量息息相关，单一粒径的集中程度对分形维数存在重要影响，土壤微团聚体较大粒级含量越高，分形维数越低，土壤微团粒结构越好[12]。本研究结果表明顺向坡土壤微团聚体以1～0.25 mm粒径为优势粒级，逆向坡土壤则以0.05～0.01 mm粒径为优势粒级，且顺向坡1～0.25 mm 粒径微团聚体含量是逆向坡的2.04 倍，说明顺向坡土壤微团粒结构比逆向坡好。可能是因为顺向坡土壤黏粒在降水作用下容易顺着岩层走向滑动，而逆向坡土壤由于岩层的阻碍而不易随坡面流失[22]。有研究指出土壤砂粒含量越高，分形维数越小，土壤质地越松散，黏粒含量越高，分形维数越大，质地越细，土壤越紧实[23]。顺向坡土壤微团聚体1～0.25 mm 粒径含量大小为林地＞灌草地＞花椒地，＜0.01 mm 粒径为灌草地＞花椒地＞林地，因为花椒地和灌草地表层土壤受到扰动，导致土壤大粒级微团聚体破碎，数量减少，小粒级含量增加，这与代文才[10]等的研究结果相似。不同植被的枯枝落叶成分、根系的大小和分布以及土壤微生物分解等差异[24]，造成了不同植被覆盖下土壤质地、碳循环以及微团聚体结构不同[25]。研究显示顺向坡土壤微团聚体分形维数D大小为灌草地＞林地＞花椒地；逆向坡为花椒地＞灌草地＞林地。周萍等[17]研究表明土壤微团结构的分形维数越小，土壤越具有良好的结构与稳定性。即顺向坡花椒地土壤结构和稳定性较好，而逆向坡反之，这与花椒地人为施肥和不同植被恢复下土壤理化性质差异[26]有关。

有研究指出用平均重量直径MWD、平均几何直径GMD、平均重量比表面积MWSSA和分形维数D等定量化的结构参数比仅用容重、孔隙度等指标能更好地反映土壤结构的变化[27]。土壤微团聚体分形维数受诸多因素影响，相关分析表明，土壤微团聚体分形维数与1～0.25 mm 粒径微团聚体含量负相关，与其余粒径含量正相关，这与闫建梅等研究结果一致[15]。另外，土壤微团聚体分形维数D还随土壤全钾、有机质、粉粒含量的增加而显著减小，随MWWSA的增大而显著增大。这是因为土壤有机质含量越高，土壤分形维数越小[28]，有机质对于较大团聚体的形成有明显的促进作用[13]。微团聚体的平均质量直径MWD越大，颗粒就越大，而平均质量比表面积MWSSA就越小[29]。以上分析表明，土壤微团聚体分形维数与土壤理化性质紧密联系，可以有效地表征土壤理化性质的变化趋势[16]，同时也能表征土壤结构稳定性[10]，可以作为评价土壤通透性、抗蚀性 、稳定性及土壤肥力的理想指标[17]。但在植被恢复过程中，凋落物和土壤微生物对土壤微团聚体结构的影响有待进一步研究。

5 结 论

1）该区土壤微团聚体结构稳定性为顺向坡优于逆向坡，且顺向坡为花椒地较好，而逆向坡为林地较好。顺、逆向坡土壤微团聚体优势粒级分别为1～0.25 mm、0.05～0.01 mm，且1～0.25 mm粒径微团聚体含量为顺向坡显著大于逆向坡，其余粒径含量均为顺向坡小于逆向坡（P＜0.05）。

2）该区土壤微团聚体分形维数D与＜ 0.001 mm粒径拟合度最好（R2=0.974）， 与0.05～0.01 mm 粒径拟合最差。土壤微团聚体分形维数D与＜0.001 mm、0.005～0.001 mm 粒径微团聚体含量及MWWSA 显著正相关，而与土壤全钾、有机质、粉粒含量显著负相关（P＜0.05），与1～0.25 mm 粒径微团聚体含量负相关（P＞0.05）。这对该区土壤微团聚体分形维数与土壤理化性质之间关系模型的建立具有重要指导意义。