多年冻土区“黑土滩”土壤团聚体对人工建植的响应

贾映兰， 魏培洁， 吴明辉， 赵建中， 高雅月， 陈生云1,2, *

(1.中国科学院西北生态环境资源研究院 冰冻圈科学国家重点实验室/疏勒河源冰冻圈与生态环境综合监测研究站，甘肃 兰州 730000； 2.青海师范大学 高原科学与可持续发展研究院/地理科学学院， 青海 西宁 810008； 3.中国科学院大学，北京 100049； 4.青海农牧科技职业学院， 青海 西宁 812100； 5.祁连山国家公园国家长期科研基地， 青海 西宁 810000)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤养分的贮存库和微生物的良好生境，在调节土壤孔隙结构、土壤水分保持及抗侵蚀等方面发挥重要作用[1-2]。土壤团聚体组成(数量和大小分布)及稳定性影响着土壤质量[2]，良好的团粒结构能有效地增强有机碳的物理固持，减少养分流失，进而改善土壤功能[3]。根据粒级大小，团聚体大致可分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)等类型[4]。大团聚体作为土壤团粒结构体，对土壤结构稳定性起决定作用，其含量越高，土壤团聚体稳定性越强，土壤质量也越好[4]。通常利用干筛法和湿筛法测定团聚体粒级组成，其中干筛法反映团聚体的力学稳定性，表征原状土中非水稳定性和水稳定性团聚体的总体状况，而湿筛法反映团聚体的水稳定性，表征水稳定性团聚体的分布特征，因而其分析的结果不尽相同[5-6]。诸多研究也利用团聚体的组成变化来评价土壤退化或生态恢复过程中土壤质量的转变。李裕元等[7]研究发现，植被恢复降低土壤容重、增加总孔隙度及大粒级团聚体含量，进而团聚体平均重量直径增大，明显改善了土壤物理结构。另外，土壤团聚体稳定性是由小粒级团聚体通过向大粒级团聚体的转变而提高的[8]。任荣秀等[9]研究表示，植被恢复提高团聚体稳定性的关键作用因素是根系影响土壤有机质的累积，增强其的胶结作用。可见，植被恢复是增强团聚体稳定性、改善退化生态系统土壤结构的有效途径[10]，研究团聚体的粒级组成是有效反映土壤结构以及土壤功能的重要手段和方法。

青藏高原作为全球中、低纬度地区高海拔多年冻土主要分布区[11]，高寒草地是其主要植被类型(约占高原总面积的60%)[12]。近几十年来，受气候变暖、人类活动干扰及多年冻土退化影响，高原高寒草地发生不同程度的退化[13-14]，甚至出现大面积次生裸地—“黑土滩”[15]。其中，高原约90%的高寒草地已退化，黑土滩约占其35%[16]。“黑土滩”所引起的生态负面效应尤为严重，如土壤愈加紧实、畜牧业生产力和土壤肥力下降、土壤可侵蚀性增强、水土流失加剧[17-18]。其中，大粒级的土壤团聚体逐渐转变为小粒级团聚体，且团聚体稳定性逐渐下降[19]。高原高寒地区苛刻的气候条件使得“黑土滩”难以在短时间内自然恢复，需通过人工建植的方式促进其生态恢复[15]。当前，对“黑土滩”人工恢复的研究多集中在季节冻土区，且研究发现，建植人工草地使得地上、地下生物量显著提升[20]，长期恢复提高土壤碳库的稳定性[21]，人工植被重建22年后，真菌群落的多样性同天然草地相比基本得以恢复[22]。草地恢复过程中生物与非生物因子显著的改变，可能对土壤团聚体也产生影响。然而，很少有研究从土壤团聚体的角度评价“黑土滩”人工恢复后土壤结构的改善情况，尤其是在多年冻土区。

近些年来，位于青藏高原东北缘疏勒河多年冻土区的高寒草地也发生着不同程度的退化，“黑土滩”面积不断增加，群落盖度降低、生物量减少[23]，水土流失，生态环境质量下降[24]。为此，本研究以疏勒河源多年冻土区自然状态“黑土滩”和4龄人工建植草地为研究对象，分析人工建植后土壤团聚体组成及稳定性的变化特征，并探讨土壤团聚体稳定性的影响因素，以期为高原多年冻土区退化草地恢复评估提供科学数据和理论参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

疏勒河源区位于青藏高原东北缘祁连山西段(96.2°～99.0°E，38.2°～40.0°N，海拔3 405～5 782 m)(图1)，面积约4 932.76 km2。该区域气候类型为大陆性干旱荒漠气候，干冷多风[25]。土壤类型为冷钙土[26]，多年冻土类型为阿尔金山-祁连山高寒带山地多年冻土[23]。据2018年监测资料显示，研究区年平均气温为—4.16℃，年均空气相对湿度为59.03%，年降水量为474.71 mm。高寒草地退化形成了以海乳草(GlauxmaritimaL)、沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng)、婆婆纳(VeronicadidymaTenore)、昆仑蒿(A.nanschanicaKrasch)、铁棒锤(AconitumpendulumBusch)、西伯利亚蓼(PolyygomumsibiricumLaxm.)为优势种的“黑土滩”，覆盖度约13%。

图1 研究区样地位置Fig.1 Locations of the sampling plot in the study area注：本图基于自然资源部标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1822号的标准地图制作，底图无修改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 样地设置及取样

2014年在研究区“黑土滩”型退化草地上建立生态系统综合观测场(98°22′08′′E，38°25′35′′N，海拔3 859 m)，选择近500亩“黑土滩”以单播和混播的方式种植垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb.)、青海草地早熟禾(PoapratensisL. ‘Qinghai’)、青海冷地早熟禾(P.crymophilaKeng ‘Qinghai’)和中华羊茅(FestucasinensisKeng)，并进行施肥、灭鼠和铁丝围栏的综合措施，至2018年植被覆盖达65%。

2018年7月底在人工建植草地随机设置7个0.5 m×0.5 m样方，“黑土滩”设置3个同样大小的样方，各样方间距10 m以上。样品采集前，收集各样方内的凋落物和地上生物量后，利用铁铲采集原状土，用手将大块状的土样沿自然破碎面掰开，去除粗根及碎石块后过10 mm筛，待其室内自然风干后用于测定土壤团聚体粒级组成；利用土钻(内半径为2.75 cm)取样3次混合后分为2份：1份4℃冷藏，用于测定土壤pH值、氧化还原电位、土壤微生物生物量碳、微生物量氮；1份自然风干，磨碎并过筛用于测定土壤机械组成、有机碳含量、土壤比重及地下生物量；利用环刀(100 g·cm-3)采集土壤容重样品。上述均采集0～10 cm和10～20 cm 2层土壤样品。需要注意的是，土壤团聚体样品在采集和运输过程中避免挤压和扰动，保持土壤的原状结构。两样地环境因子情况见表1。

表1 样地环境因子概况Table 1 Environmental factors of the sampling plots

1.3 室内分析

土壤团聚体测定采用常规干筛和湿筛法测定[27]。干筛法：称取120 g风干土样置于不同孔径(3 mm，1 mm和0.25 mm)土壤筛的顶部，在团粒分析仪上振荡5分钟(IPF-100；转速1 400 r·min-1)，分离出>3 mm，1～3 mm，0.25～1 mm和<0.25 mm土壤团聚体，称重并计算出各级团聚体所占百分比。湿筛法：根据干筛法所得的各级团聚体的百分含量，按比例配成50 g(精确到0.01 g)风干土样，将配好的土样放入1 000 ml沉降筒内，加水，使其由下部逐渐湿润至表层，浸泡10 min。然后用水灌满沉降筒后用橡皮塞塞住筒口，倒转沉降筒，直至筒中大部分样品沉下去，再倒转沉降筒，重复倒转10次。将塞好的沉降筒倒放在桶内的筛子上(孔径同干筛法一致)，此时，迅速打开倒置的沉降筒，以不接触筛子底部和露出水面的前提下，缓缓移动量筒，当大于0.25 mm的团聚体全部沉到筛子上后取出沉降筒。筛子放在振荡机上，震荡30次，然后从水中取出筛子，倾去上清液，用纯水将各粒级团聚体转移至铝盒中放入烘箱烘干称重(精确至0.01 g)。每个样品测定2次。

环境因子采用常规测定方法：pH值和氧化还原电位用PHBJ-260 pH计测量，水土比为1:5；土壤有机碳采用Walkley-Black重铬酸盐氧化法测定，所得结果乘以1.724得到土壤有机质含量[28]；土壤微生物生物量碳和生物量氮采用氯仿熏蒸法测定；土壤比重和土壤机械组成分别用比重瓶法和湿筛法测定；土壤容重利用环刀法将采集的土样置于烘箱105℃烘至恒重称量得到；地下生物量是土壤样品去除杂质后经过2 mm筛并清洗干净，连同地上生物量、凋落物放在烘箱内，在80℃下烘至恒重称量所得[26,29]。

1.4 数据处理与统计分析

基于各粒级团聚体含量，选用平均重量直径(Mean weight diameter，MWD)、几何平均直径(Geometric mean diameter，GMD)表征干筛团聚体稳定性，破坏率(Percentage of aggregate destruction，PAD)、土壤抗蚀性因子(Resistance to soil erosion，1/K)表征湿筛团聚体稳定性。各指标计算方法参考韩贞贵等[1]和Dong等[30]，公式如下：

(1)

(2)

式中：Xi为各粒级土壤团聚体的平均直径(mm)；Wi为对应于Xi的干筛土壤团聚体质量百分比(%)；

(3)

(4)

式中：Wd为干筛后>0.25 mm大团聚体质量分数(%)；Ww为湿筛后>0.25 mm的大团聚体质量分数(%)，该处GMD为湿筛团聚体计算结果。

采用Excel 2019和SPSS 22进行数据整理及统计分析。利用独立样本t检验(Independent samplet-test)比较土壤环境因子在不同处理、土壤团聚体组成和稳定性在不同处理和土层之间的差异，双因素方差分析(Two-way ANOVA)检验不同处理和土层变化对土壤团聚体稳定性的影响，Pearson相关系数和逐步回归法检验土壤环境因子与土壤团聚体稳定性指标之间的相关性及其影响因素。采用R.3.6.3绘图。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体变化

2.1.1干筛土壤团聚体组成变化特征 人工建植草地0～20 cm层大团聚体(>0.25 mm)含量显著高于“黑土滩”，微团聚体(<0.25 mm)含量低于“黑土滩”，且两样地均以>3 mm团聚体为主(占比介于68.38%～82.81%)(图2 c)。不同土层，1～3 mm，0.25～1 mm和微团聚体含量分布相对均匀，且各粒级在样地间的差异程度不同。其中，0～10 cm，10～20 cm层较“黑土滩”而言(图2a和b)，人工建植草地>3 mm团聚体分别显著增加30.55%，13.14%(P<0.05)；1～3 mm粒级团聚体分别显著降低60.21%，50.60%(P<0.05)；0.25～1 mm粒级团聚体分别显著降低60.55%，48.75%(P<0.05)；而<0.25 mm团聚体分别降低16.94%和增加4.34%。

图2 干筛土壤团聚体组成Fig.2 Composition of soil aggregates by dry sieving method注：BSL表示“黑土滩”，APG表示人工建植草地；*和**分别表示在0.05和0.01水平显著性；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湿筛土壤团聚体组成变化特征 相较于“黑土滩”，人工建植草地0～20 cm层大团聚体含量显著增加26.88%，微团聚体含量显著降低26.51%(P<0.05)，且两样地均以微团聚体含量最大(介于36.99%～50.34%)(图3 c)。随粒级逐渐减小，0～10 cm“黑土滩”团聚体含量逐渐增加，人工建植草地则先降低(1～3 mm粒级最少)后增加(图3 a)，但10～20 cm其均呈逐渐增加趋势(图3 b)。此外，0～10 cm层(图3 a)，人工建植草地>3 mm，0.25～1 mm及<0.25 mm粒级团聚体比“黑土滩”分别高286.67%、低29.05%和低30.68%(P<0.05)，1～3 mm粒级在两样地无明显差异。10～20 cm层(图3 b)，人工建植草地>3 mm，<0.25 mm粒级团聚体比“黑土滩”分别高163.68%、低23.04%(P<0.05)，0.25～1 mm和1～3 mm粒级差异不显著。

图3 湿筛土壤团聚体组成Fig.3 Composition of soil aggregates by wet sieving method

2.2 干筛和湿筛土壤团聚体稳定性变化特征

如图4(a和b)所示，整体上人工建植草地干筛团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)均显著高于“黑土滩”(P<0.05)，其分别高16.94%和28.29%。其中，0～10 cm层，“黑土滩”MWD和GMD的均值分别为3.35 mm和2.28 mm，人工建植草地的分别是4.15 mm和3.22 mm，且各指标样地间差异均显著(P<0.05)；10～20 cm土层，“黑土滩”的MWD和GMD均值分别为3.85 mm和2.88 mm，人工建植草地的分别是4.26 mm和3.40 mm，但仅MWD在样地间显著差异(P<0.05)。

由图4(c和d)知，人工建植草地0～20 cm层湿筛团聚体抗侵蚀性因子(1/K)显著高于“黑土滩”(高102.25%)，而团聚体破坏率(PAD)显著低于“黑土滩”(低29.83%)。就各层变化来看，0～10 cm层“黑土滩”和人工建植草地的1/K分别为8.34和19.52，PAD分别为40.98%和26.79%，且样地间各指标差异均显著(P<0.05)；10～20 cm层，“黑土滩”的1/K和PAD均值分别为5.90和52.22%，人工建植草地的其值分别为9.29和38.61%，且样地间差异显著(P<0.05)。此外，1/K、PAD在“黑土滩”和人工建植草地各层间差异均显著(P<0.05)。

图4 土壤团聚体稳定性指标变化特征Fig.4 Characteristics of stability indexes of soil aggregates注：不同小写字母表示相同土层不同样地间差异显著(P<0.05)，不同大写字母表示相同样地不同土层间差异显著(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 土壤团聚体稳定性的影响因素

人工建植对MWD、GMD、PAD和1/K有显著的影响(表2)，而土层变化仅对PAD和1/K影响显著(P<0.05)，未对MWD、GMD有显著影响，且他们的交互作用也对团聚体稳定性各指标未产生显著影响。

表2 土壤团聚体稳定性指标的双因素方差分析Table 2 Two-Way ANOVA for stability indexes of soil aggregates

由表3知，0～10 cm层，PAD与pH值和土壤有机质含量显著负相关(P<0.05)；1/K与土壤比重和粘粒显著正相关(P<0.05)，但MWD和GMD与各因子无明显相关性；10～20 cm层，MWD和GMD均与氧化还原电位呈显著和极显著相关(P<0.01)，PAD和1/K与各因子无明显相关；0～20 cm层，MWD和GMD均与砂粒呈负相关关系，与粉粒和氧化还原电位呈正相关性(P<0.05)；PAD仅与土壤有机质含量极显著负相关(P<0.01)；1/K与土壤比重和土壤有机质含量显著正相关(P<0.05)。

表3 土壤团聚体稳定性指标与环境因子的相关性分析Table 3 The correlation analysis between stability indexes of soil aggregates and environmental factors

不同土层中团聚体稳定性的影响因子略有不同(表4)。其中，0～10 cm层，土壤有机质含量和比重分别驱动了PAD和1/K的变化，解释率分别可达45.0%，48.7%；10～20 cm层，氧化还原电位驱动着MWD和GMD的变化，解释率分别为47.7%，59.9%；0～20 cm层，砂粒、氧化还原电位及地下生物量共同影响着MWD的变化，解释率为66.3%，氧化还原电位和砂粒共同影响着GMD的变化，解释率为65.0%，PAD主要受土壤有机质含量的影响，解释率为36.6%，土壤有机质和比重共同驱动1/K的变化，解释率为49.2%，均达到显著水平(P<0.05)。

表4 土壤团聚体稳定性指标与环境因子的回归分析Table 4 The regression analyses between stability indexes of soil aggregates and environmental actors

3 讨论

3.1 人工建植对土壤团聚体粒级组成的影响

土壤团聚体是土壤颗粒在外力或者菌丝、根毛及分泌物的团聚、胶结作用下形成，其粒级配比是表征土壤结构好坏的重要标志[1]。蔺芳等[31]研究表明，种植人工草地能显著增加土壤干筛大粒级团聚体含量，这与本文的研究结果一致。本研究中，人工建植显著增加了>3 mm粒级干筛团聚体含量，降低1～3 mm和0.25～1 mm粒级团聚体，表明人工建植在一定程度上促进了小粒级团聚体向大粒级团聚体的转变，原因可能在于人工建植措施对植被和土壤微生物生态恢复具有积极效应，同时降低了大型动物干扰。首先，人工建植后地上植物及凋落物生物量显著增加(表1)，是土壤有机质的主要来源之一，其有利于小团聚体通过有机质胶结形成大团聚体[32]；其次，土壤微生物活性(微生物生物量碳氮)显著提高(表1)，促进微生物利用生物菌丝、分泌的多糖类物质等在缠绕、粘结机制下促进土壤团聚结构的形成与稳定[33]；最后，人工建植区围栏措施规避了动物踩踏，降低对大粒级团聚体的破坏[34]。

土壤大团聚体(>0.25 mm)是土壤生态效应的重要表征，其含量越高土壤结构越好[31]。本研究发现，人工建植草地湿筛土壤大团聚体含量显著增加，其中以>3 mm粒级团聚体增加最为显著，这与马盼盼等[19]在青藏高原高寒草原和草甸的研究结果一致。这可能得益于植被恢复改善了土壤持水性和渗透性[7]，促使降雨引起的地表径流和地下渗流对大粒级团聚体的冲刷和破坏作用弱，而对小粒级团聚体的影响更加严重[31]。此外，不稳定的干团聚体受到水分浸泡会崩解为小单元，本研究中，“黑土滩”平均有46.60%的大团聚体(>0.25 mm)遭破碎，人工建植草地有32.70%大团聚体受到破碎，苏永中等[35]表示，尽管大粒级团聚体具有很强的抗张力，但遇水后很快分散，这在生产上表现为保水保肥性能差，说明人工建植能显著增强大团聚体的抗破碎能力，进而改善“黑土滩”浅层的土壤结构。

3.2 人工建植对土壤团聚体稳定性的影响

土壤干筛法反映土壤力稳性，即抗机械损伤的能力，湿筛法反映土壤水稳性，即抗水分浸泡和降雨击打能力[31,36]。土壤团聚体稳定性是评价土壤质量优良的指标，稳定的土壤结构能承受外界环境干扰并保持平衡[1]。一般认为，团聚体平均重量直径、几何平均直径和抗蚀性因子值越大，团聚体破坏率越小，土壤团聚体稳定性越强，则土壤结构越好[1,30]。本研究中，人工建植草地干筛团聚体的平均重量直径、几何平均直径和湿筛团聚体抗蚀性因子均显著高于“黑土滩”，湿筛团聚体破坏率明显低于“黑土滩”，各团聚体稳定性指标与环境因子的相关性发现，其与地下生物量、土壤质地及土壤有机质含量显著相关，这和前人的研究结果相同[35,37-38]。人工建植草地地表形成生物结皮，促使生物将根系或其分泌的物质等与土壤颗粒缠绕、粘结[39]，增强颗粒间的团聚效应，提高土壤稳定性。另外，发达的根系穿插、扎根土壤中并与周围物质频繁交换，疏松土质且透气[40]，所以土壤比重及孔隙度的增加[7]，有机胶结物质产生更多。此外，土壤氧化还原电位是反应土壤氧化性和还原性的指标，其值越大代表土壤氧化性越强，反之，土壤还原性越强。人工建植后草地土壤氧化还原电位略微升高，由于土壤胶结物质(如粘粒矿物、铁锰氧化物及有机质等)的活性深受氧化还原电位变化的影响，如高的电位会促进铁锰氧化物的形成[41-42]，且对土壤团聚体形成具有重要贡献的土壤微生物也具有相似影响[40]，即高的电位增强其活性，以此产生更多菌丝[43]。

本研究发现，“黑土滩”和人工建植草地干筛团聚体平均重量直径、几何平均直径随土层深度增加呈增加趋势，这与王国会等[34]的研究结果一致。从干筛团聚体组成和分布来看，>0.25 mm团聚体含量随土层加深而递增，土壤结构更趋稳定，在风蚀影响下表层更易受到破坏，大团聚体被分散，土壤稳定性减弱。Dong等[30]和韩贞贵等[1]人的研究表明，随土层增加，湿筛团聚体抗蚀性因子减弱、团聚体破坏率增加，这在本研究中也得到相同结果，说明10～20 cm层土壤团聚体较0～10 cm层团聚体而言，受水力作用的影响更大，这主要与土壤有机质含量和孔隙有关。邢云飞等[44]在三江源人工草地的研究表示，0～10 cm土壤有机质含量显著高于10～20 cm层；再加上下层土壤紧实，直接或间接影响土壤孔隙大小、分布及颗粒组分，大粒级团聚体形成受阻，进而土壤团聚体稳定性降低[45]。此外，逐步回归结果表明，0～10 cm土层的团聚体平均重量直径和几何平均直径，10～20 cm层的团聚体破坏率和土壤抗蚀性因子均与各环境因子不显著相关，可能该研究区影响他们的主要因子是其他有机胶结剂(如多糖、胡敏酸)以及无机胶结剂(如碳酸钙、铁锰氧化物)[46]。

4 结论

疏勒河源多年冻土区“黑土滩”和人工建植草地干筛土壤团聚体均以>3 mm粒级为主，湿筛团聚体均以微团聚体(<0.25 mm)含量最大。人工建植4年后显著提高大团聚体(>0.25 mm)含量且明显降低微团聚体含量。相较于“黑土滩”，人工建植草地团聚体的平均重量直径、几何平均直径和土壤抗侵蚀因子均显著增加，而团聚体破坏率显著下降。人工建植能显著促进大团聚体的形成，提高团聚体稳定性，进而改善“黑土滩”浅层土壤结构。本研究区土壤砂粒含量降低、氧化还原电位及土壤有机质含量的增加会促进浅层土壤团聚体稳定性的提高，而人工建植后上述指标均朝向促进团聚体稳定性的方向变化。