红壤侵蚀区芒萁覆盖对土壤团聚体稳定性的影响

黄俊，吕茂奎，李晓杰，阮超越，付作琴，张浩，谢锦升

(福建师范大学 a.地理科学学院，b.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州 350007)

0 引言

土壤侵蚀和退化与土壤结构的变化有着紧密联系，土壤退化一般会伴随着土壤团聚体结构的破坏和稳定性的降低[1]。土壤团聚体作为土壤结构的基本单位，是土壤养分元素的存储及转化场所，其不仅能调节土壤的水、肥、气、热以影响植被的生长，还能增强土壤肥力，降低土壤侵蚀，因此其组成及比例特征也是反映土壤结构的稳定性和土壤抗蚀能力的重要指标[2-3]。土壤团聚体的稳定性受土壤有机质含量和根系的影响，因为土壤有机质是土壤团聚体形成的重要胶结物质，植物根系能够有效地连接不同团聚体，从而增加团聚体稳定性[4]。有研究发现，侵蚀退化地通过植被恢复提高了土壤有机质含量并显著促进土壤团聚体结构的形成与稳定，而且红壤侵蚀区通过植被恢复后，其土壤水稳性团聚体，土壤有机质以及土壤孔隙度等均得到明显提高[5]。同时发现林地退化成耕地后>0.25 mm团聚体含量及团聚体平均重量直径(MWD)的显著下降与土壤有机质含量的减少有关[6]。

南方红壤侵蚀区曾由于植被破坏殆尽，严重的水土流失致使该区土壤退化严重，一度成为中国仅次于黄土高原的水土流失区。20世纪80年代以来，通过大力的水土保持生态修复工作，植被覆盖率明显得到明显提高，但恢复后的森林仍缺乏林下植被，依然分布着不少的裸露地，水土流失现象也依然存在，形成植被覆盖增加面积和水土流失减少面积不相符合的现象。本研究区的芒萁(Dicranopterisdichotoma)是马尾松林最重要的林下植被，目前的研究主要集中在芒萁的群落生长特性[7]、生物量分配[8]、化感作用[9]、养分循环[10]以及对凋落物分解速率[11]的影响等方面。植被恢复过程中芒萁能够提供更多底物参与土壤物质养分循环，为马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源[12]。芒萁覆盖能够显著提高微生物生物量和改变微生物群落结构，提高土壤养分的有效性[13]，降低硝态氮的淋溶损失，促进土壤氮的保持与积累，从而有利于退化红壤的恢复[14]。但是芒萁如何影响侵蚀退化地土壤团聚体的结构与稳定性则有待于进一步研究。因此，选取南方典型红壤侵蚀地恢复后的马尾松林为研究对象，探讨芒萁覆盖对退化红壤团聚体稳定性的影响，分析影响团聚体稳定性的主导因子，进而为红壤侵蚀区的生态修复工作提供科学依据。

图 1 样地位置示意Figure 1 Location of the plots

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省的西南部长汀县河田镇(116°18′～116°31′E，25°33′～25°48′N),属河谷盆地，平均海拔为400 m，属于典型的中亚热带季风气候区。其中年蒸发量与年降雨量分别为1 403 mm和1 737 mm，多年平均气温为18.2 ℃。多年平均日照时数1 925 h，平均无霜期为260 d，≥10 ℃的积温为4 100～4 650 ℃。该区的地带性土壤主要为燕山运动早起形成的中粗粒花岗岩发育的红壤，风化壳深厚，抗蚀抗冲能力较弱，原有常绿阔叶林被大面积地破坏，现存植被主要是马尾松(Pinusmassoniana)次生林和人工林，林下植被则以芒萁为主，该地区一度成为全国南方红壤区水土流失最严重的区域。

1.2 样地设置

研究利用“时空代换”法，于2014年8月上旬在长汀县河田镇选取不同恢复年限且土壤母岩均为花岗岩的马尾松林地(图1)，在未治理地(Y0)、治理过后植被恢复13年(Y13)和恢复31年(Y31)的马尾松林下设置3种处理：保留芒萁覆盖(NRd)、去除芒萁覆盖(Rd)以及与之相邻的林下裸地作为对照(CK)。其中，3片马尾松林地在治理前均为土壤A层流失殆尽，土壤B层裸露，本底条件基本一致。在每个样地内选择3个20 m×20 m的标准样地，将每个标准样地分成4个10 m×10 m亚样方，随机选取1个亚样方作为保留芒萁覆盖处理，1个亚样方作为去除芒萁覆盖处理，与之相邻的林下裸地作为林下裸地对照处理。

1.3 样品采集与处理

于2015年8月上旬，按植被恢复年限的序列，按照上、中、下坡位和随机多点(每个亚样方5个点)的原则，以直径为5 cm，深度为10 cm的土钻采集表层0～10 cm的原状土壤，将每个样方内的土壤混合成一个样品，放置于做好标记的塑料盒带回实验室。在清除可见石砾、植物根系与碎屑后，放置于室内阴凉处自然风干。当土块含水量达到塑限时，用手把大土块沿土壤自然裂隙轻轻掰开成直径约1 cm的小土块，继续风干。湿筛分离出>2 mm、0.25～2 mm、0.053～0.25 mm、<0.053 mm的团聚体径级。另外，用土钻(内径5 cm、深度10 cm)对每个林分不同处理进行根系采集。其中保留芒萁覆盖地和去除芒萁覆盖地随机选取6个点，裸地随机选取5个点。仔细挑出根系，放水中浸泡0.5～1 h左右，清洗干净后称其鲜重，烘干，称重，计算其根系生物量。

1.4 计算方法

团聚体去除砂粒矫正后的各粒级团聚体重量比(%)公式[15]：

(1)

式(1)中：WSC(%)为去砂砾后团聚体的重量比，W0为某粒径团聚体初始重量，WS为某粒径团聚体所含砂砾重量，W(all)sc为去砂砾后各粒径团聚体的重量之和。 团聚体平均重量直径(MWD)与几何平均直径(GMD)的计算[16]：

(2)

(3)

式(2～3)中：Ri为某粒级团聚体平均直径(mm)，Wi为湿筛后某粒级团聚体的重量(g)。

团聚体分形维数(D)的计算[17]：

(4)

式(4)中：δ表示土粒的直径，di表示团聚体的筛分粒级，W(δ

1.5 数据分析

数据采用Excel 2013和SPSS 19.0软件进行统计分析，采用Origin 9.0软件作图，主要运用单因素最小显著差数法(LSD)进行显著性比较，运用Pearson进行相关性分析。

2 结果

2.1 芒萁对土壤有机质和根系生物量的影响

植被恢复显著提高了土壤有机质含量(P<0.05)(图2)。在恢复13年和31年的样地中，不管是保留芒萁覆盖(NRd)还是林下裸露地(CK)，其有机质含量均显著高于未治理地(P<0.05)。其中芒萁覆盖地分别比未治理地的高41.7%和45.0%，林下裸露地分别比未治理地的高80.2%和69.9%。同样，芒萁恢复也显著提高了土壤有机质含量(P<0.05)(图2)。在未治理地、恢复13年和31年样地中，NRd的土壤有机质含量显著高于CK (P<0.05)，分别比CK的高74.8%、25.9%、54.0%；去除芒萁覆盖(Rd)1年后，未治理地Rd处理土壤有机质含量显著下降，比NRd处理下降46.3%，但仍显著高于CK处理(P<0.05)；而在恢复13年和31年的样地中，Rd处理的土壤有机质含量均显著增加了，分别比NRd处理高9.2%和18.7%(P<0.05)，这与去除芒萁覆盖后大量根系死亡有关。以上结果表明，在植被恢复的过程中芒萁覆盖显著增加了土壤有机质的积累。

植被恢复后NRd和CK的根系生物量均得到显著提高(P<0.05)。在未治理地、恢复13年和31年中，NRd处理的根系生物量分别比CK的高915.18%、595.19%和829.81%。去除芒萁覆盖一年后，与NRd处理相比，所有样地Rd处理的根系生物量分别下降了35.79%、35.57%和7.46%，但在恢复31年的样地中没有显著差异。所有样地Rd处理一年后的根系生物量仍显著高于CK的根系生物量。

注：(a)有机质；(b)根系；Y0为未治理地；Y13为恢复13年样地；Y31为恢复31年样地；NRd为保留芒萁处理；Rd为去除芒萁处理；CK为林下裸地；不同小写字母表示同一年限处理间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示同一处理恢复年限间存在显著性差异(P<0.05)。图 2 不同恢复年限中芒萁覆盖对土壤有机质和根系的影响Figure 2 Effects of Dicranopteris dichotoma cover on soil organic matter and root in different restoration years

2.2 芒萁覆盖对土壤团聚体结构的影响

不同植被恢复时期芒萁覆盖显著影响土壤团聚体各粒径分布(表1)。在未治理地、恢复13年和31年中，土壤团聚体粒径均以0.25～2 mm的团聚体含量最高，占全土重的30.63%～49.04%，其次为>2 mm粒级的团聚体，占全土重的22.42%～33.34%，0.053～0.25 mm与<0.053 mm粒级的团聚体含量则相对较少，分别为9.57%～22.27%、7.47%～19.77%。与未治理地相比，植被恢复后大团聚体比例呈增加趋势，而粉粒和黏粒(<0.053 mm)比例呈下降趋势，这一趋势表明，植被恢复后粉粒和黏粒逐渐胶结从而形成更大的团聚体，有利于土壤结构的稳定。

表 1 芒萁覆盖对土壤团聚体组成的影响/%Table 1 Effects of Dicranopteris dichotoma cover on composition of soil aggregates

注：表中数据为3次重复平均值±标准差。小写字母表示该粒级团聚体含量在同一年限处理间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示该粒级团聚体含量在同一处理恢复年限间差异显著(P<0.05)。

在未治理地(Y0)中，芒萁覆盖地(NRd)和裸露地(CK)不同粒径团聚体的比例没有显著差异，而芒萁覆盖地去除芒萁1年后，粉粒和黏粒(<0.053 mm)的比例下降了61.1%(P<0.05)，而大团聚体(>0.25 mm)比例则增加了19.5%(P<0.05)，微团聚(0.053～0.25 mm)比例则没有显著变化。而在恢复13年和31年样地中，NRd处理的大团聚体(>0.25 mm)比例分别比CK处理的高18.0%和16.8%(P<0.05)，Rd处理则与NRd处理无显著差异，说明芒萁覆盖下的大团聚体比例更多，土壤结构更为稳定；NRd处理的微团聚体(0.053～0.25 mm)比例与CK处理没有显著差异，Rd处理则已表现出下降趋势，并已显著低于CK处理(P<0.05)。粉粒和黏粒(<0.053 mm)的比例在恢复13年与31年样地中呈现不同的规律，其中Y13样地中NRd处理的粉粒和黏粒(<0.053 mm)的比例低于CK处理，但没有显著差异，Rd处理降低了粉粒和黏粒的比例，并显著低于CK处理；而在Y31样地中，NRd的粉粒和黏粒的比例显著低于CK处理，Rd处理增加了粉粒和黏粒的比例，并与CK处理没有显著差异，表明随着植被恢复年限的增加，保留芒萁覆盖下的细颗粒在更多有机质的保护下逐渐向大团聚体转化。而去除芒萁后，由于表层土壤失去保护，表层细颗粒开始逐渐流失。

2.3 芒萁覆盖对土壤团聚体稳定性的影响

2.3.1几何平均直径(GMD)和平均重量直径(MWD)的差异

芒萁覆盖提高了侵蚀红壤的平均重量直径和几何平均直径(图3)。在未治理地、恢复13年和31年样地中，NRd处理土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径均大于CK(图3)。其中，在恢复13年和31年样地中，NRd处理的平均重量直径和几何平均直径均显著大于CK处理(P<0.05)，而在未治理地，二者则无显著差异，说明芒萁覆盖度的时间将影响土壤团聚体的稳定性。与NRd处理相比，Rd处理土壤团聚体的几何平均直径均无显著变化；在恢复31年样地中，Rd处理土壤团聚体的平均重量直径显著大于NRd(P<0.05)，在未治理地和恢复13年样地中，则无显著差异。

表 2 分形维数(D)的差异Table 2 Difference in fractal dimensions

注：表中数据为3次重复平均值±标准差。小写字母表示分形维数相对量数值的比较，字母不同则有显著差异(P<0.05)。

2.3.2分形维数的差异

团聚体粒径分布的分型维数越小，意味着土壤越具有良好的土壤结构和稳定性[17]。植被恢复过程中马尾松林下各处理的分形维数如表2所示。未治理地、恢复13年和31年的马尾松林土壤团聚体的分形维数均在2.50～2.67(线性回归的R2>0.97)，并且不同恢复年限的马尾松林NRd、Rd和CK处理下土壤的分形维数尽管没有显著差异，但NRd和Rd处理的分形维数均小于CK。说明CK处理下土壤结构更为紧实，稳定性相对较差。

2.4 土壤团聚体稳定性与土壤有机质及根系之间的相关性

几何平均直径与其他各参数之间均有显著关系(表3)，其中几何平均直径、平均重量直径以及根系三者之间呈极显著正相关关系(P<0.01)，而几何平均直径则与分型维数呈极显著负相关关系(P<0.01),同时几何平均直径也与土壤有机质以及>0.25 mm粒级团聚体含量呈显著正相关关系(P<0.05)。平均重量直径与土壤有机质呈显著正相关关系(P<0.05)。分型维数与>0.25 mm粒级团聚体含量及根系呈显著负相关关系(P<0.05)。土壤有机质与根系呈极显著正相关关系(P<0.01)。说明了几何平均直径与平均重量直径、分型维数、土壤有机质、>0.25 mm粒级团聚体含量以及根系之间关系密切。

注：不同小写字母表示在同一年限处理间差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示在同一处理恢复年限间差异显著(P<0.05)。图 3 几何平均直径和土壤平均重量直径的变化Figure 3 Variation in soil geometric weight diameter and mean average diameter

表 3 土壤水稳性团聚体各参数之间的相关性Table 3 The correlation between the parameters of water stable aggregates

注：**在 0.01 水平(双侧)上显著相关；*在 0.05 水平(双侧)上显著相关。

3 讨论

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，影响着土壤的物理、化学和生物过程以及有机质的分解[2]，而土壤水稳性团聚体作为土壤结构稳定性的主要指标，其形成与土壤有机质关系密切[18]。研究结果表明，红壤侵蚀地在植被恢复后不同处理(NRd、Rd与CK)的土壤有机质含量均得到显著提高，这主要是因为通过植被恢复，凋落物输入逐渐增加，土壤养分条件改善，微生物活性也得到提高[13]；此外地上植被覆盖(如芒萁)增加，在降雨过程中产生大量的可溶性有机质输入到土壤[12]，从而被微生物转化与固定，提高了土壤有机质含量的积累[19]。特别是植被恢复过程中芒萁覆盖大量增加了根系生物量(图2)，有利于提升土壤有机质含量。而土壤有机质含量与土壤团聚体平均重量直径和几何平均直径均显著正相关(表3)，表明植被恢复通过提升土壤有机质提高了土壤团聚体稳定性。一些研究表明，去除林下植被降低了土壤有机碳库[20]，而在本研究恢复13年和31年的马尾松林，去除芒萁1年后的土壤有机质含量则显著提高，这主要是去除芒萁后大量的根系死亡形成土壤有机质，尽管去除地表芒萁降低了地上凋落物输入。而且也有研究表明根系碳输入大于凋落物输入和可溶性有机质输入[21]。

不同粒径的团聚体对于土壤水分和养分的供应和保持作用以及土壤孔隙和水力特征是不同的[15]，土壤团聚体的组成及其稳定性是评价土壤质量和土壤侵蚀的关键指标之一[3]。其中，>0.25 mm粒级的团聚体是土壤团粒结构体，维持着土壤团粒结构的稳定，也反映出土壤抗侵蚀能力的强弱，其含量越多，则土壤结构越稳定，其抗蚀能力也就越强[23]。本研究中，各恢复年限马尾松林保留芒萁覆盖(NRd)下土壤>0.25 mm(占全土重量比例：60.98%～74.05%)或0.25～2 mm粒级的团聚体在全土中的比例显著高于CK(表1)。芒萁覆盖在促进土壤有机质积累的同时，也保护地表使其不易被破坏，加之芒萁覆盖提高了土壤有机碳和氮素的积累[24]，有助于大团聚体的形成，从而增强了土壤的抗蚀性。同时随着芒萁覆盖时间的增加，大团聚体比例逐渐上升，土壤稳定性也逐渐增强。江仁涛等[25]也认为随着植被恢复年限的增加，微团聚体不断汇聚形成大团聚体，土壤结构更为稳定。但也有研究表明，耕作后的草地植被恢复并不能有效增加土壤水稳性大团聚体的含量，土壤结构松散，通透性增加[26]。在未治理地中，马尾松林NRd下土壤> 0.25 mm粒级的团聚体在全土中的比例与CK无显著差别，但去除芒萁一年后，Rd显著高于NRd与CK,说明在未治理地芒萁对该粒级团聚体含量变化的响应比较敏感。而在恢复13年和31年马尾松林NRd下土壤>0.25 mm粒级的团聚体在全土中的比例均显著高于CK，去除芒萁一年后，Rd仍显著高于CK，但与NRd差异不明显，表明去除芒萁后，其地下许多根系依然存活，芒萁根系通过挤压、缠绕等物理作用，加上其分泌物对土壤颗粒的强黏着力，维持着土壤团聚体结构[23]，从而保持着对土壤的固持作用和土壤承载力以及土壤的抗冲抗蚀性。在恢复31年中，NRd下粉粒和黏粒的比例显著低于CK，Rd增加了粉粒和黏粒的比例，并与CK没有显著差异，表明随着植被恢复年限的增加，保留芒萁覆盖下的细颗粒在更多有机质的保护下逐渐向大团聚体转化[27]。而去除芒萁后，由于表层土壤失去芒萁覆盖保护，表层细颗粒开始逐渐流失。曹丹妮等[28]研究结果也表明，侵蚀过程中，土壤大团聚体被降雨击打转化为细颗粒，细颗粒在径流作用下选择搬运。表层土壤在芒萁覆盖的保护下，消除了雨滴击溅对团聚体的破坏作用，也削弱了径流作用搬运破坏团聚体的能力，去除芒萁则削弱了这种能力[29]。

在评价团聚体稳定性的过程中，平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)与分形维数(D)作为常用指标，能够较好地反映土壤团聚体的稳定性。一般情况下，平均重量直径和几何平均直径的值越大，意味着团聚体评价粒径团聚性越高，稳定性越强[17]，而分形维数的值越小，土壤越具有良好的结构和稳定性[18]。在恢复13年和31年马尾松林NRd土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径均明显大于CK，去除芒萁一年后，Rd和NRd之间并未见明显差异(Y31例外)(图3)，这一趋势与大团聚体含量变化相一致，表明在芒萁覆盖下，其根系生物量和有机质更多，大团聚体含量也更多，平均重量直径和几何平均直径更大(表3)，土壤团聚体稳定性更强。张芸等[30]也认为，由于表层土壤有机质含量更高，其平均重量直径和几何平均直径更大。此外，植被恢复提高了侵蚀红壤的平均重量直径和几何平均直径，植被恢复后马尾松林Rd的平均重量直径和几何平均直径均显著高于Y0，这一趋势与其有机质含量更高相一致(图2)，表明随着芒萁覆盖时间的增加，团聚体稳定性也更强，去除芒萁使得土壤得到更多养分，有机质含量更多，平均重量直径和几何平均直径更大。同时NRd和Rd土壤的分形维数均小于CK，这表明随着植被恢复土壤团聚体的稳定性在不断增强。由此可见，与林下裸地相比，保留芒萁覆盖地的土壤团聚体更为稳定，能更好地维持土壤结构，更有利于土壤中养分与水分的供给与保持，以此改善土壤的空隙结构与水文特征。所以芒萁覆盖对土壤团聚体稳定性有着非常深刻的影响，但同时其又是一个长期持久的过程。

4 结论

芒萁是南方红壤侵蚀区马尾松林中最重要的林下植被，对减少水土流失、维持土壤结构和提高土壤肥力具有重要意义。在红壤侵蚀地马尾松林植被恢复过程中，随着芒萁覆盖增加，地下根系生物量和土壤有机质含量分别显著增加了595.19%～915.18%和25.9%～74.8%，大团聚体比例、MWD和GMD也随之增加，表明植被恢复和芒萁覆盖提高了土壤团聚体稳定性和土壤抗侵蚀能力；而缺乏芒萁覆盖时，不仅雨滴直接打击地表影响团聚体的组成和稳定性，而且水土流失加强，特别是导致土壤细颗粒容易流失。芒萁覆盖地去除芒萁一年后，一方面芒萁地下根系死亡增加了土壤有机质来源，另一方面则减少了地上有机物的输入和降低了地表覆盖。因此尽管土壤大团聚体比例、MWD和GMD等团聚体稳定性指标尚无显著差异,但从长期来看，由于降雨对土壤表层的溅蚀以及地下残留芒萁根系的死亡，土壤团聚体稳定性将可能显著下降。因此在侵蚀地植被恢复过程中，林下植被芒萁对土壤团聚体形成和维持土壤结构具有重要作用，在水土保持生态修复实践中需要更加重视林下植被的恢复。