袁 瀛 肖 列

(1. 陕西省水土保持勘测规划研究所，陕西 西安 710004;2. 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室, 陕西 西安 710048)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，影响着土壤孔隙性、抗侵蚀能力和营养元素循环，是土壤水、肥保持和供给功能的重要基础[1-2]。土壤团聚体的形成和周转过程是土壤颗粒在多种团聚体胶结物质共同作用下的影响结果[3-5]。深入研究土壤团聚体稳定性与不同团聚体胶结物质之间的内在联系，对于揭示团聚体的形成过程和促进退化生态系统的恢复具有重要的指导意义[3,6-7]。

土壤团聚体的形成和土壤有机碳 (SOC) 的积累有很大的关系，SOC的积累促进团聚体的形成，而土壤团聚体反过来又能保护SOC[8-10]，减弱微生物的分解矿化作用，因此，SOC是土壤团聚体形成的重要胶结物质。近年来，大量研究证实，菌根真菌分泌的球囊霉素相关土壤蛋白 (GRSP) 与土壤团聚体的稳定性有显著关系，是土壤团聚体形成的重要胶结物质[5,11]。同时，土壤团聚体稳定性与SOC和GRSP含量均有显著的正相关关系[3,6,12]。但是，对于不同类型团聚体胶结物质对土壤团聚体稳定性相对贡献大小研究还鲜见报道。

黄土丘陵区地处干旱半干旱区，生态环境脆弱，由于人类不合理的土地利用，生态环境显著恶化，水土流失严重。为改善该区生态环境，促进生态系统良性循环，我国政府实施了大面积的退耕还林还草工程，其中，坡耕地退耕撂荒自然演替是生态恢复的一种重要举措[13]。目前，针对退耕地植被自然演替过程中土壤物理、化学及微生物学特征的响应规律进行了大量的研究[12,14-15]，但是对于植被自然演替过程中土壤团聚体恢复机理研究还很少涉及。因此，本研究以黄土丘陵区坡耕地退耕植被自然演替序列为研究对象，系统分析退耕植被演替过程中土壤团聚体稳定性和团聚体胶结物质变化规律及其内在联系，探究不同种类团聚体胶结物质与团聚体稳定性的协同响应关系，以期为黄土丘陵区的植被恢复和生态建设提供参考。

1 研究区概况

研究区位于陕西省绥德县的王茂沟流域 (东经110°20′26″～110°22′46″，北纬37°34′13″～37°36′03″)，流域面积5.97 km2。流域内地质构造比较简单，表层多被质地均匀、组织疏松的黄绵土所覆盖，厚度20～30 m。该区属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温10.2 ℃，多年平均降水量513 mm，60%的降水集中在7—9月，且多以暴雨形式出现。该区生态环境脆弱，人为活动造成严重的水土流失，生态环境显著恶化。自1953年开始，该区开始进行生态恢复建设，尤其是1999年，国家实施退耕还林还草工程，大量坡耕地转变为林地、草地或者退耕撂荒进行植被自然恢复。目前，该区植被主要类型为茵陈蒿 (Artemisiacapillaris)、铁杆蒿 (Artemisiasacrorum)、白羊草 (Bothriochloaischaemum)、油松 (Pinustabulaeformis) 林和苹果 (Maluspumila) 树等。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集

以往研究结果表明，该区退耕撂荒植被自然演替序列为茵陈蒿-铁杆蒿-白羊草[16]。本研究选择该区植被自然演替序列中的这3种典型草本植被群落为研究对象，探究退耕植被自然演替过程中团聚体稳定性与团聚体胶结物质的协同响应关系。2016年8月，选取海拔、坡度、坡向基本一致的3种典型草本植被群落样地各3个作为研究对象，样地基本情况信息见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Description of the sampling plots

在每个样地内设置3个1 m × 1 m的样方，调查植被群落组成及盖度等。在每个样地内按 “S” 型多点采样，采集0～20 cm土层原状土样品，混合密封于硬质保鲜盒中。将采集的土壤样品尽快运回实验室中，运输过程中避免剧烈震动。在实验室中，将原状土样品按其自然结构层理轻轻剥开成直径10 mm左右的土块，去除植物根系、枯落物等，风干后采用湿筛法将风干土壤依次过5、2、0.25 mm筛，分别收集 >5 mm、2～5 mm、0.25～2 mm和 <0.25 mm粒级的团聚体样品，在60 ℃烘箱中烘干至恒质量，然后称量，计算不同粒级水稳性团聚体的百分含量。将不同粒级的团聚体分别过0.149 mm和1 mm筛，用于土壤有机碳和球囊霉素相关土壤蛋白含量的测定。

2.2 SOC和GRSP含量的测定方法

SOC含量采用有机碳分析仪 (multi N/C 3100，耶拿，德国) 测定。GRSP的提取和测定采用改进的考马斯亮蓝法[17]。易提取性球囊霉素相关土壤蛋白 (EE-GRSP) 的提取：称取1.000 g过筛土样，加入8 mL柠檬酸钠提取剂 (20 mmol/L，pH=7.0)，摇匀后在高压灭菌锅中121 ℃下提取30 min，在15 000 r/min下离心10 min，收集上清液，置于4 ℃下保存。总球囊霉素相关土壤蛋白 (T-GRSP) 的提取：称取1.000 g过筛土样，加入8 mL柠檬酸钠提取剂 (50 mmol/L，pH=8.0)，摇匀后在高压灭菌锅中121 ℃下提取1 h，在15 000 r/min下离心10 min，收集上清液，每个样品重复提取几次，直至离心管内上清液不再有红棕色。将收集的上清液置于4 ℃冰箱中保存。GRSP的测定：吸取0.5 mL上清液，加入5 mL考马斯亮蓝G-250染色剂，加盖、摇匀，显色10 min后，于595 nm波长下比色。用牛血清蛋白作为标准液，绘制标准曲线，以1.000 g土样中蛋白质的毫克数表示GRSP含量。

2.3 团聚体稳定性指标

采用团聚体平均质量直径 (MWD) 作为团聚体稳定性指标[4]，计算公式如下：

(1)

式中：Wi为不同粒级土壤团聚体占团聚体总量的比例；Xi为不同粒级土壤团聚体的平均直径 (mm)。

2.4 数据分析方法

采用单因素方差分析 (one-way ANOVA) 和Duncan法比较植被演替过程中不同粒级水稳性团聚体百分含量、MWD、胶结物质含量的差异，采用Pearson相关分析检验不同团聚体胶结物质之间以及团聚体胶结物质和MWD的相关性，采用Origin 9.0软件绘图。

3 结果与分析

3.1 土壤团聚体分布特征

由图1可知，不同退耕演替阶段土壤团聚体均以 >5 mm、0.25～2 mm和 <0.25 mm粒级团聚体为主。随着退耕演替进行，>5 mm团聚体含量显著增加 (P< 0.05)，0.25～2 mm团聚体含量显著减少 (P< 0.05)，而2～5 mm和 <0.25 mm团聚体含量无显著变化。不同演替阶段团聚体MWD发生了显著变化，随着退耕演替进行，团聚体MWD显著增大 (P< 0.05)，表明团聚体稳定性增强。

图1土壤团聚体分布和团聚体平均质量直径
Fig.1 Soil aggregate distribution and MWD

3.2 团聚体胶结物质分布特征

不同演替阶段团聚体SOC含量如图2所示。可以看出，随退耕演替的进行，不同粒级团聚体SOC含量均呈增加趋势，但只有 >5 mm粒径团聚体SOC含量的增加达到显著水平 (P< 0.05)。

随着退耕演替的进行，不同粒径团聚体EE-GRSP和T-GRSP含量均呈增加趋势，但只有2～5 mm团聚体EE-GRSP含量增加达到显著水平 (P< 0.05)。各粒级水稳性团聚体T-GRSP含量随退耕植被演替均呈显著增加趋势 (P< 0.05)。

3.3 土壤团聚体稳定性与胶结物质相关性分析

不同种类团聚体胶结物质之间的相关性见图3。

图2团聚体胶结物质分布
Fig.2 Soil aggregate binding agents distribution

图3不同团聚体胶结物质的相关性
Fig.3 Correlations among different aggregate binding agents

由图3可知，>5 mm、2～5 mm和 <0.25 mm团聚体SOC和EE-GRSP含量均呈显著正相关 (R2=0.420，P< 0.05；R2=0.608，P< 0.05；R2=0.433，P< 0.05)。>5 mm团聚体SOC和T-GRSP含量呈显著正相关 (R2=0.537，P< 0.05)，0.25～2 mm和 <0.25 mm团聚体SOC和T-GRSP含量均呈极显著正相关 (R2=0.683，P< 0.01；R2=0.634，P< 0.01)。各粒级土壤团聚体EE-GRSP和T-GRSP均呈极显著正相关 (P< 0.01)。

团聚体稳定性与团聚体胶结物质之间的相关性见图4。

图4团聚体胶结物质含量与平均质量直径的相关性
Fig.4 Correlations between aggregate binding agents and MWD

从图4可以看出，>5 mm团聚体SOC和MWD呈极显著正相关 (R2=0.658，P< 0.01)。2～5 mm团聚体EE-GRSP和MWD呈显著正相关 (R2=0.545，P< 0.05)。2～5 mm团聚体T-GRSP与MWD呈极显著正相关 (R2=0.839，P< 0.01)，0.25～2 mm和 <0.25 mm团聚体T-GRSP与MWD呈显著正相关 (R2=0.428，P< 0.05；R2=0.389，P< 0.05)。

4 结论与讨论

4.1 退耕植被恢复对团聚体分布及稳定性的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本组成单元，与土壤的物理、化学及生物学性质显著相关，其含量和粒径的分布影响着土壤养分的固持和周转[18-19]。植被恢复是改善土壤结构，促进土壤团聚体形成的重要措施[2,12]。本研究中，坡耕地退耕植被演替显著提高了>5 mm粒径土壤团聚体，降低了0.25～2 mm粒径土壤团聚体，提高了团聚体MWD，显著改善了土壤结构。

4.2 退耕植被恢复对团聚体胶结物质的影响

土壤团聚体的形成和稳定主要是通过土壤中的各种胶结物质的胶结作用实现的。土壤有机质是土壤具有结构和生物学性质的基本物质，它既是生命活动的条件，也是生命活动的产物[20]。大量研究表明，土壤有机碳是土壤团聚体形成的重要胶结物质[21-22]。本研究结果表明，随着退耕植被演替，不同粒径团聚体有机碳含量均呈增加趋势，而不同粒径团聚体有机碳含量无显著差异。安韶山等[23]研究发现黄土丘陵区植被恢复过程中0.25～0.5 mm和0.5～1 mm团聚体有机碳含量最高，>1 mm团聚体有机碳含量随粒级增大呈减小趋势。这可能是由不同研究中植被类型、土壤特性以及团聚体分级方法不同等造成的。

球囊霉素相关土壤蛋白是丛枝菌根真菌分泌的一种糖蛋白。研究表明，GRSP比其他碳水化合物的黏附能力强3～10倍，被称为超级胶水[17]，它能够将细小的土壤颗粒粘结成较大的土壤团粒结构，促进土壤稳定性的提高[24]，是土壤团聚体形成的重要胶结物质。退耕植被恢复显著改善了土壤微生物群落结构，提高了菌根真菌生物量，从而促进了土壤中GRSP的积累。本研究结果表明，退耕植被恢复后期，尤其是白羊草阶段，EE-GRSP含量和T-GRSP含量均显著提高。以往研究表明，黄土丘陵区退耕植被演替过程中，土壤真菌生物量显著增大[13]。与茵陈蒿和铁杆蒿群落相比，白羊草是多年生草本植被群落，且根系生物量大，更有利于与菌根真菌形成共生体，促进GRSP的分泌和积累。

4.3 植被恢复过程中团聚体胶结物质对团聚体稳定性的影响

大量研究表明，团聚体稳定性与土壤有机碳、球囊霉素相关土壤蛋白含量等团聚体胶结物质显著相关[25-26]。在这些胶结物质中，SOC是促进团聚体稳定性提高的最重要的胶结物质[25]。本研究发现，退耕植被演替过程中团聚体MWD与大团聚体SOC含量显著相关，与T-GRSP含量相关性高于EE-GRSP。这主要是由于不同GRSP库在土壤中的存留时间不一样[27]。与T-GRSP相比，EE-GRSP是新近沉积的蛋白质，是土壤团聚体形成的临时性胶结物质[28]。退耕植被演替过程中团聚体稳定性的改善主要取决于T-GRSP含量的提高。黄土丘陵区退耕植被恢复过程中，SOC和GRSP含量的提高协同改善了土壤团聚体稳定性。

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