土壤团聚体是由矿物颗粒和有机物等形成的土壤基本单元^[1], 其数量的多少在一定程度上反映了土壤持水性、通透性和供蓄养分等能力的高低^[2], 其组成和稳定性不仅影响着土壤肥力, 而且对土壤的物理和化学性状, 土壤微生物的活性起重要的作用^[3], 良好的土壤结构依赖于稳定的土壤团聚体^[4].土壤团聚体稳定性还是土壤抗侵蚀能力的重要指标, 团聚体稳定性越强, 土壤对抗地表径流和土壤侵蚀的能力越强^[5].土壤中的碳、氮和磷是构成植物体和促进植物生长的重要元素, 对土壤碳、氮和磷等元素的供应、转化和保存能力等方面起着不同的作用^{[6, 7]}.土壤化学计量揭示了土壤有机碳和养分的分配状况, 反映了土壤养分循环状态^[8].研究不同植被带土壤团聚体稳定性及其对土壤碳氮磷等化学元素转化分配等化学计量特征的影响, 具有重要的现实意义.

人工刺槐林是黄土高原主要造林树种之一, 在黄土高原植被恢复, 生态环境重建以及经济发展中发挥着重要作用^[9].研究黄土高原不同植被带刺槐林土壤团聚体稳定性及团聚体化学计量特征, 对揭示不同植被带间土壤结构差异受何因素影响具有重要意义.土壤团聚体稳定性和团聚体化学计量与土壤的内在理化性质(母质、有机质和微生物)关系密切^[10], 同时也受植被带的影响^{[11, 12]}.已有研究表明, 森林带土壤大团聚体稳定性, 土壤有机碳、全氮含量和土壤化学计量比显著高于森林草原带和草原带^{[11, 13, 14]}.但已有对土壤团聚体稳定性和化学计量的研究主要集中于大团聚体和土壤化学计量, 而对于不同植被带微团聚体含量, 团聚体稳定性, 不同粒径化学计量以及相互关系还认识不足.因此, 本文选取黄土高原3个植被带人工刺槐林下的土壤为实验对象, 重点研究：①不同植被带土壤团聚体稳定性变化特征; ②不同植被带各粒径土壤团聚体化学计量变化特征和差异性分析.通过丰富黄土高原地区乃至全国的土壤团聚体碳、氮、磷化学计量和稳定性特征数据库, 以期为黄土丘陵区人工刺槐林规划和管理工作提供一定的指导.

本文沿黄土高原纬度梯度从南至北选择森林带(淳化县)、森林草原带(安塞县和绥德县)和草原带(神木县)这3个植被带的4个地区(图 1)为研究区域(从东南至西北, 降雨和温度降低, 植被类型具有明显的梯度变化特征, 从南向北依次为森林带、森林草原带和草原带^[16]).淳化县位于陕西省中部偏西, 东经108°18′~108°50′, 北纬34°43′~37°03′, 属暖温带大陆性季风气候, 海拔630~1 809 m, 年均温9.3℃, 年降水量610 mm.安塞县位于陕西省北部东经108°5′~109°26′, 北纬36°30′~37°19′, 属温带大陆性半干旱季风气候, 海拔1 013~1 309 m, 年均温8.8℃, 年降水量505.3 mm.绥德县位于陕西省北部东经110°04′~110°41′, 北纬37°16′~37° 45′, 属温带半干旱大陆性季风气候, 海拔608~1 287 m, 年均温9.7℃, 年降水量486 mm.神木县位于陕西省北部东经109°40′~110°54′, 北纬38°13′~39°27′, 属温带半干旱大陆性季风气候, 海拔738.7~1 448.7 m, 年均温8.9℃, 年降水量422.7 mm.研究区域地形地貌复杂, 主要为黄土丘陵沟壑区, 该区的典型特征为高温和干旱.研究区基本情况见表 1.

图 1

Fig. 1

图 1 样地地理位置示意 Fig. 1 Location of sample sites on the Loess Plateau, China

表 1 (Table 1)

表 1 研究区基本概况 Table 1 Basic information for the study areas 研究区 地区 坡度/(°) 坡向 乔木平均胸径/cm 乔木平均树高/m 土壤类型 森林带 淳化 36 阳 18.18 6.88 黄绵土 森林草原带 安塞 32 阳 16.34 7.44 黄绵土 绥德 28 阳 17.39 12.40 黄绵土 草原带 神木 33 阳 15.94 9.28 绵砂土

表 1 研究区基本概况 Table 1 Basic information for the study areas

土壤样品于2017年9月采集, 根据每个研究区地形和植被特征, 在3个研究区选取具有典型性和代表性的样地共20个, 每个地区分别设置5个10 m×10 m样地, 样地之间间隔10 m以上, 在每个样地用铝盒采用多点法采集0~20 cm深度的原状土样密封带回实验室, 去除粗根及小石块, 然后沿土壤自然结构面轻轻掰开直径约1 cm的小团块.自然风干, 用于测定土壤团聚体.

各粒径团聚体含量采用干筛法^[17], 分别筛出粒径为>2、0.25~2、0.053~0.25和 < 0.053 mm的土壤团聚体; 有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化外加热法^[18], 全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法^[18], 全磷含量测定采用钼锑抗比色法^[18].

利用各粒级团聚体数据, 计算机械团聚体的平均重量直径(E_MWD)(mm)^[19], 机械团聚体的几何平均直径(E_GMD)(mm)^[20]和可蚀性因子K^[21], 计算公式如下：

式中, X_i为第i级的团聚体平均直径, mm; W_i为第i级的团聚体组分的质量, g.

各粒径土壤团聚体碳氮比(C:N)、碳磷比(C:P)和氮磷比(N:P)均采用有机碳、全氮和全磷的含量比.采用Excel 2016和SPSS 23.0软件对数据进行整理和统计分析, 用Duncan法进行相同粒径不同植被带间各粒径团聚体含量、稳定性指标和各粒径碳氮磷化学计量、相同植被带不同粒径间各粒径团聚体含量和碳氮磷化学计量差异显著性检验(P < 0.05).利用Pearson相关系数法进行各粒径土壤团聚体含量与其粒径碳氮磷含量之间相关程度比较.冗余分析用CANOCO 5.0软件完成.运用Origin 9.0对数据进行绘图, 各图表中数据均以平均值±标准误来表示.

各粒径土壤团聚体含量在不同植被带间存在较大差异[图 2(a)].其中森林草原带和森林带>2 mm粒径团聚体含量分别是草原带的4.74和3.61倍; 0.25~2 mm粒径团聚体含量表现为森林带>森林草原带>草原带, 其中森林带分别是森林草带和草原带的1.96和5.93倍; 0.053~0.25 mm粒径团聚体含量表现为草原带>森林草原带>森林带, 其中森林带分别占森林草原带和草原带的23.26%和16.64%;而 < 0.053 mm团聚体含量在3个植被带无显著差异[图 2(a)]. 0.25~2 mm和>2 mm团聚体质量分数表现为森林带>森林草原带>草原带; 0.053~0.25 mm粒径团聚体质量分数表现为草原带>森林草原带>森林带; 而 < 0.053 mm粒径团聚体质量分数在3个植被带间无显著差异[图 2(b)].

图 2

Fig. 2

小写字母表示不同植被带相同粒径团聚体含量在P < 0.05水平上差异显著, 大写字母表示相同植被带不同粒径团聚体含量在P < 0.05水平上差异显著 图 2 不同植被带不同粒径土壤团聚体含量及质量分数变化 Fig. 2 Changes of the weight and fraction of different aggregate fractions among different vegetation zones

草原带和森林草原带中0.053~0.25 mm粒径团聚体含量显著高于其余粒径, 其中草原带0.053~0.25 mm粒径团聚体含量分别是 < 0.053, 0.25~2和>2 mm的35.82, 10.27和6.61倍, 而森林草原带0.053~0.25 mm粒径团聚体含量分别是 < 0.053, 0.25~2和>2 mm的11.25, 2.43和1.31倍.森林带表现为0.25~2 mm(494.80 g)和>2 mm(615.77 g)粒径团聚体含量显著高于 < 0.053 mm(142.79 g)和0.053~0.25 mm(33.49 g)粒径[图 2(a)].

植被带对土壤团聚体稳定性指标影响较显著[图 3(a)]. E_MWD表现为森林带显著高于森林草原带和草原带, 其中森林带分别是森林草原带和草原带的1.41和2.54倍[图 3(a)], E_GMD与E_MWD具有相同变化特点, 即森林带(1.18 mm)>森林草原带(0.68 mm)>草原带(0.41 mm)[图 3(b)]; 而K则表现为草原带(0.16 mm)>森林草原带(0.13 mm)>森林带(0.12 mm)[图 3(c)].

图 3

Fig. 3

小写字母表示不同植被带, EMWD、EGMD和K在P < 0.05水平上差异显著 图 3 不同植被带土壤团聚体稳定性指标变化特征 Fig. 3 Stability parameters for soil aggregate fractions among the different vegetation zones

植被带对各粒径土壤团聚体有机碳, 全氮和全磷含量影响显著(表 2).各粒径有机碳和全氮含量在3个植被带表现为森林带显著高于森林草原带和草原带, 而各粒径全磷含量在不同植被带间规律性较差(表 2).

表 2 (Table 2)

表 2 不同植被带各粒径土壤机械稳定性团聚体碳氮磷含量1)/g·kg-1 Table 2 C, N, and P contents of different aggregate fractions among the different vegetation zones/g·kg-1 项目 研究区 < 0.053 mm 0.053~0.25 mm 0.25~2 mm >2 mm 草原带 9.38±0.92bA 7.28±0.90bB 9.64±1.17bA 6.65±0.77bB 有机碳 森林草原带 5.71±0.60bB 7.63±0.56bA 7.48±0.86bA 5.99±0.53bB 森林带 11.99±2.40aA 17.84±3.68aA 18.62±4.33aA 13.76±2.91aA 草原带 0.47±0.03bAB 0.37±0.05bB 0.55±0.08bA 0.37±0.03bB 全氮 森林草原带 0.32±0.02bB 0.41±0.03bA 0.40±0.03bA 0.34±0.02bB 森林带 0.76±0.16aA 1.35±0.37aA 1.05±0.23aA 0.86±0.19aA 草原带 0.87±0.01aA 0.52±0.03bB 0.54±0.01bB 0.60±0.05aB 全磷 森林草原带 0.72±0.01bA 0.62±0.01aB 0.66±0.01aB 0.63±0.01aB 森林带 0.66±0.01cA 0.62±0.03aA 0.64±0.02aA 0.63±0.02aA 1)同一列不同小写字母表示不同植被带相同粒径团聚体碳氮磷含量在P < 0.05水平上差异显著; 同一行不同大写字母表示相同植被带不同粒径团聚体碳氮磷含量在P < 0.05水平上差异显著

表 2 不同植被带各粒径土壤机械稳定性团聚体碳氮磷含量1)/g·kg-1 Table 2 C, N, and P contents of different aggregate fractions among the different vegetation zones/g·kg-1

草原带中, < 0.053 mm和0.25~2 mm粒径有机碳含量显著高于0.053~0.25 mm和>2 mm粒径, 0.25~2 mm粒径全氮含量最高, < 0.053 mm粒径全磷含量最高; 森林草原带中0.053~0.25 mm和0.25~2 mm粒径有机碳和全氮含量显著高于 < 0.053 mm和>2 mm粒径, < 0.053 mm粒径全磷含量最高; 森林带中, 不同粒径间有机碳、全氮和全磷含量无显著差异.

各粒径土壤团聚体C:N, C:P和N:P在不同植被带有较显著差异(表 3). < 0.053 mm和0.053~0.25 mm粒径团聚体C:N在森林草原带和草原带高于森林带, 0.25~2 mm和>2 mm粒径C:N在3个植被带间无显著差异; 而各粒径团聚体C:P和N:P均表现为森林带显著高于草原带和森林草原带.

表 3 (Table 3)

表 3 不同植被带各粒径土壤机械稳定性团聚体化学计量1) Table 3 C, N, and P ratios of different aggregate fractions among the different vegetation zones 草原带 20.08±1.55aA 19.52±0.33aA 17.56±0.33aA 17.65±0.98aA C:N 森林草原带 16.19±0.72abA 17.24±0.61aA 16.48±0.55aA 16.06±0.87aA 森林带 16.16±0.50bA 14.32±1.11bB 17.61±1.33aA 16.10±0.19aAB 草原带 10.77±1.08bB 14.24±2.00bAB 17.58±1.83bA 11.50±1.69bB C:P 森林草原带 7.07±0.55bC 11.25±0.87bA 10.01±1.05bAB 8.59±0.77bBC 森林带 17.83±3.30aA 27.88±4.83aA 28.39±5.83aA 21.47±4.05aA 草原带 0.54±0.04bB 0.73±0.11bAB 1.01±0.12bA 0.65±0.08bB N:P 森林草原带 0.44±0.02bB 0.65±0.04bA 0.61±0.05bA 0.53±0.03bB 森林带 1.12±0.22aA 2.09±0.50aA 1.61±0.31aA 1.34±0.26aA 1)同一列小写字母表示不同植被带相同粒径团聚体化学计量在P < 0.05水平上差异显著; 同一行不同大写字母表示相同植被带不同粒径化学计量在P < 0.05水平上差异显著

表 3 不同植被带各粒径土壤机械稳定性团聚体化学计量1) Table 3 C, N, and P ratios of different aggregate fractions among the different vegetation zones

草原带中, 不同粒径间C:N无显著差异, 0.25~2 mm粒径C:P和N:P最大; 森林草原带中, 不同粒径间C:N无显著差异, 0.053~0.25 mm粒径C:P最大, 0.053~0.25和0.25~2 mm粒径N:P最大; 森林带中, 0.25~2 mm粒径C:N最大, 不同粒径间C:P和N:P无显著差异.

一般把>0.25 mm粒径团聚体称为大团聚体, 大团聚体被看作是结构性最好, 抗蚀能力最强的团聚体, 其数量和土壤的抗侵蚀能力和稳定性呈正相关关系^[22], 而 < 0.25 mm粒径团聚体被称作微团聚体^[23].同时, 土壤团聚体形成与土壤有机碳关系密切, 其在团聚体的形成中发挥着重要的作用^[24].本研究表明草原带以微团聚体为主, 而森林带以大团聚体为主, 森林带林地土壤结构性最好, 主要是因为森林带林地较草原带和森林草原带凋落物含量、枯死的根系归还量大, 使得土壤中有机质的来源增加^[25], 为土壤团粒结构的形成提供了有机胶结物质, 且有研究发现森林带有机碳含量显著高于草原带^[26], 从而有效地改善了森林带的土壤结构^[27], 而草原带有机碳含量相对较低, 导致土壤大团聚体分散.本研究还发现植被带对团聚体稳定性影响显著(图 4).土壤团聚体稳定性在3个植被带整体表现为森林带>森林草原带>草原带, 与前人研究结果相同^[11].本研究发现各粒径有机碳和全氮含量均与团聚体的稳定性具有较强的相关性, 且其均受年均降雨和年均气温的影响较大(图 4).首先, 黄土高原地区随纬度增加, 温度和降雨量逐渐降低^[28], 同时, 微生物活动受水热条件影响较大, 低温和少雨不利于土壤微生物的活动^[29], 导致土壤团聚体凝结力减小, 团聚体稳定性降低.其次, 随纬度增加, 植被覆盖度增加, 土壤抗蚀性能力增强, 同时由植物凋落物、根系分泌物增加导致归还到土壤中的有机质含量增加^{[29, 30]}, 土壤黏结作用增强, 进而土壤团聚化作用在增强, 使得土壤团聚体稳定性增强, 从而导致森林带团聚体稳定性显著高于森林草原带和草原带.

图 4

Fig. 4

图 4 环境因子与团聚体稳定性指标和团聚体化学计量的RDA排序 Fig. 4 RDA sorting graph of environmental factors, aggregate stability and stoichiometric ratios

此外, 由表 2可看出, 团聚体稳定性与大团聚体含量有相同的变化特点, 即森林带显著高于森林草原带和草原带.进一步说明团聚体的稳定性与大团聚体含量显著相关, 在团聚体稳定性中大团聚体含量起主要作用.土壤团聚体中有机碳、全氮和全磷含量反映了土壤有机碳和养分含量的分布状况, 其化学计量特征

本研究中森林带各粒径团聚体有机碳和全氮含量显著高于森林草原带和草原带, 可能原因是森林带中植物生物量和输入土壤的有机物数量较多, 再加上归还土壤的动植物残体和腐殖化物质较多, 表现出较高的土壤养分含量^[29], 从而导致森林带各粒径团聚体有机碳和全氮含量较高.而各粒径全磷含量在3个植被带规律性较差, 主要是由于磷是一种沉积性元素, 主要受母质的影响^[31].本研究还发现大团聚体含量与该粒径有机碳, 全氮和全磷含量呈正相关关系, 而微团聚体含量与该粒径有机碳, 全氮和全磷含量呈负相关关系(图 5), 说明大团聚体有利于团聚体中土壤养分的积累, 从而反过来有利于团聚体稳定性的提高.此结果与前人研究结果相符^[32].

图 5

Fig. 5

图 5 各粒径团聚体含量与有机碳、全氮、全磷含量的相关分析 Fig. 5 Correlation between the soil aggregate fraction content and soil organic carbon, total nitrogen and total phosphorous content

此外, 本研究发现0.25~2 mm和>2 mm粒径团聚体C:N在3个植被带无显著差异, 可能与该粒径团聚体有机碳和全氮含量变化一致性有关; 而 < 0.053 mm和0.053~0.25 mm粒径团聚体C:N均表现为草原带和森林草原带高于森林带.一般认为土壤有机质的分解速率与C:N呈负相关关系^[33], 说明森林带 < 0.053 mm和0.053~0.25 mm粒径土壤有机质分解速率最高, 而0.25~2 mm和>2 mm粒径的土壤有机质分解速率在3个植被带间无显著差异.同时, 各粒径团聚体C:P和N:P均表现为森林带显著高于森林草原带和草原带.

冗余分析(RDA)结果显示, C:P和N:P与有机碳和全氮含量具有较强的正相关性, 本研究中, 森林带各粒径有机碳和全氮含量显著高于森林草原带和草原带, 而全磷含量无明显变化特点, 从而森林带C:P和N:P较高.同时, 土壤C:P是衡量微生物矿化土壤有机物质释放磷或从环境中吸收固持磷素潜力的一种指标^[34], 说明森林带各粒径团聚体土壤固磷能力、土壤微生物对土壤有效磷同化作用最强, 微生物在矿化土壤有机质中释放磷的潜力最低.此外, 氮磷为植物生长的必需矿质营养元素和生态系统常见的限制性元素土壤, 是养分限制类型的预测指标^[35], 说明黄土高原草原带和森林草原带受N限制强于森林带, 因此在管理的过程中需要对草原带和森林草原带土壤全氮进行改善和保护, 如施用氮肥等.

冗余分析(RDA)结果显示, 粒径对团聚体含量也有较强的正相关性(图 4), 草原带以0.053~0.25 mm粒径团聚体含量占绝对优势, 而森林带以0.25~2 mm和>2 mm粒径团聚体为主[图 2(a)和图 2(b)].已有研究表明有机质的增加提高了土壤大团聚体(>0.25 mm)含量^[36].本研究中森林带林下凋落物层较厚, 可以有效地降低降雨的溅蚀, 从而降低了对土壤大团聚体的破坏作用, 同时林下植被生长旺盛, 根系组织发达, 可以有效地减少地表雨水的径流作用^[37], 从而有效地保护土壤大团聚体.另外, 根系分泌的高分子黏质是土壤团聚体形成的重要黏结物质^[27], 森林带根系发达^[26], 导致分泌的高分子黏质较多, 可以有效地粘结土壤颗粒和微团聚体, 从而提高了大团聚体的含量.而相反, 草原带地表层凋落物层薄, 根系较浅, 降雨导致的溅蚀和地表径流较大, 从而破坏土壤大团聚体结构, 使得微团聚体含量较高.同时, 本研究发现草原带中 < 0.053 mm和0.25~2 mm粒径对有机碳和全氮含量有富集作用, 且 < 0.053 mm粒径对全磷也有富集作用; 森林草原带0.053~0.25 mm和0.25~2 mm粒径对有机碳和全氮有富集作用, 而 < 0.053 mm粒径对全磷有富集作用.

(1) 植被带显著影响团聚体稳定性和团聚体化学计量变化特征.团聚体稳定性整体表现为森林带>森林草原带>草原带, 而这种稳定性的变化主要是由>0.25 mm粒径团聚体引起.各粒径团聚体有机碳和全氮含量表现为森林带显著高于森林草原带和草原带, 而不同粒径全磷含量在3个植被带间存在较大差异.不同植被带主要影响 < 0.25 mm粒径团聚体C:N, 且在3个植被带整体表现为森林带低于草原带和森林草原带.而各粒径C:P和N:P均表现为森林带显著高于森林草原带和草原带.

(2) 团聚体有机碳、全氮和全磷含量在不同粒径间存在较大差异.在草原带, < 0.053 mm和0.25~2 mm粒径的有机碳和全氮含量显著高于其余粒径, 而全磷含量以 < 0.053 mm粒径为主; 在森林草原带, 有机碳和全氮含量以0.053~0.25 mm和0.25~2 mm粒径占绝对优势, 而 < 0.053 mm粒径全磷含量显著高于其余粒径; 在森林带, 有机碳、全氮和全磷含量在不同粒径间均无显著差异.