應(yīng)用Le Bissonnais法研究不同植被類(lèi)型下紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性*

程 諒，秦嘉惠，張利超，曹丹妮，郝好鑫，郭忠錄?

應(yīng)用Le Bissonnais法研究不同植被類(lèi)型下紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性*

程 諒1，秦嘉惠1，張利超2，曹丹妮1，郝好鑫1，郭忠錄1?

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)水土保持研究中心，武漢 430070；2. 江西省水土保持科學(xué)研究院，南昌 330029）

土壤團(tuán)聚體是影響土壤質(zhì)量和抗侵蝕能力的關(guān)鍵因素之一，而植被恢復(fù)可以幫助提升土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性。以4種恢復(fù)種植5a的南方紅壤區(qū)常用生態(tài)恢復(fù)和水土保持植物（馬尼拉、香根草、多花木藍(lán)、紫穗槐）為研究對(duì)象，使用Le Bissonnais法對(duì)其不同土層（0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm）的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行研究，包括3種破壞試驗(yàn)：快速濕潤(rùn)（FW）、預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)（WS）和慢速濕潤(rùn)（SW）。結(jié)果表明：草本植物（馬尼拉、香根草）覆蓋下的土壤相較于灌木（多花木藍(lán)、紫穗槐）具有更高的有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度以及更發(fā)達(dá)的根系，同時(shí)在3種破壞試驗(yàn)中，其團(tuán)聚體穩(wěn)定性在不同土層亦要顯著高于灌木。有機(jī)質(zhì)、容重、砂粒和根系等均對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響，其中0.5～2 mm粒徑的細(xì)根系作用最為關(guān)鍵。FW試驗(yàn)中>0.25 mm團(tuán)聚體含量為50.45%～79.59%，團(tuán)聚體平均重量直徑（MWD）為0.39～1.21 mm，皆要顯著低于WS和SW試驗(yàn)，說(shuō)明區(qū)域內(nèi)土壤團(tuán)聚體分解的主要機(jī)制是消散作用，F(xiàn)W是測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性的較優(yōu)方法。結(jié)果可為區(qū)域內(nèi)團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究以及植被恢復(fù)工作中的物種選擇提供參考。

植被恢復(fù)；土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性；Le Bissonnais法；根系性狀

土壤侵蝕會(huì)導(dǎo)致土壤嚴(yán)重退化，惡化水土資源，破壞生態(tài)環(huán)境，是長(zhǎng)期困擾全球生態(tài)發(fā)展的首要問(wèn)題之一，而該現(xiàn)象在很大程度上歸因于不良的耕作方法、毀林、道路和水壩建設(shè)[1-2]，南方紅壤區(qū)是中國(guó)僅次于黃土高原的嚴(yán)重水土流失區(qū)[3]。植物可以通過(guò)截留雨滴、增強(qiáng)土壤水分入滲以及增加土壤有機(jī)物質(zhì)來(lái)降低土壤侵蝕率[4]，因此植被恢復(fù)是改善土壤質(zhì)量和控制土壤侵蝕的有效途徑，而土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體可以敏感地反映生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程以及植被恢復(fù)過(guò)程中土壤抵抗侵蝕的能力[5]，穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體可幫助土壤具有更好的抗剝落和侵蝕的能力[6]。植被對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響主要包括植被地表覆蓋、凋落物的生成、土壤有機(jī)質(zhì)和真菌菌絲等結(jié)合劑以及發(fā)達(dá)的地下根系等[7-8]。

不同的植被覆蓋下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有不同的表現(xiàn)。已有研究表明，植物種類(lèi)對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有顯著影響[9-10]，Caravaca等[11]研究指出農(nóng)地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性顯著小于林地土壤，Zeng等[9]研究也表明不同降雨條件下林地土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定性均高于草地和林草地，而An等[12]在同一地區(qū)的研究則具有相反的結(jié)論，說(shuō)明同一地區(qū)植被恢復(fù)對(duì)土壤穩(wěn)定性的研究具有較大差異，還需考慮其他影響因素。植物多樣性、禾本科和豆科植物的存在，均會(huì)通過(guò)植物多樣性、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤微生物生物量和蚯蚓生物量的變化而顯著影響土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[13]。目前相關(guān)研究對(duì)象集中于自然條件下演替的植物群落，而關(guān)于人工種植下的植被恢復(fù)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究還較缺乏。

目前測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的方法主要包括Yoder的濕篩法和Le Bissonnais（LB）法，LB法涉及土壤團(tuán)聚體分解的幾種機(jī)制（消散作用、機(jī)械擾動(dòng)和差異性黏粒膨脹），其3種試驗(yàn)包括快速濕潤(rùn)（FW）、預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)（WS）和慢速濕潤(rùn)（SW），分別代表了不同的降雨條件（暴雨、外力擾動(dòng)和溫和降雨）。LB 法中包含了濕篩法的基本原理，可準(zhǔn)確且全面地從團(tuán)聚體崩解機(jī)理方面對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性進(jìn)行區(qū)別評(píng)價(jià)并且提供更多具體的信息，可很好地適用于南方紅壤區(qū)，便于了解植被類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響[9，14]。因此，本研究使用LB法對(duì)4種南方紅壤丘陵區(qū)常用生態(tài)恢復(fù)和水土保持植被的土壤團(tuán)聚體進(jìn)行研究，探討了在不同植被覆蓋和不同的破壞機(jī)制下的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性差異，對(duì)理解區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)功能的演變具有重要意義，有助于生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與保護(hù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖北省武漢市東南部（114°21′47″E，30°28′24″N），區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫16.3℃，年平均降水量為1 210 mm，降雨主要集中于春季和夏季（3月至8月），占全年降雨量70％。試驗(yàn)區(qū)由于施工導(dǎo)致表層土壤剝離，土壤結(jié)構(gòu)遭到破壞，植被覆蓋差，因此選擇種植4種中國(guó)南方紅壤區(qū)常用生態(tài)恢復(fù)和水土保持植物進(jìn)行植被恢復(fù)試驗(yàn)，包括馬尼拉（）和香根草（）2種禾本科草本，以及多花木藍(lán)（）和紫穗槐（）2種豆科灌木（表1）。馬尼拉主要分布于熱帶、亞熱帶地區(qū)，分蘗能力強(qiáng)，草層覆蓋度高，抗干旱、耐踐踏；香根草抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、速生快長(zhǎng)、生物量大、根系發(fā)達(dá)，具有優(yōu)良的力學(xué)特性；多花木藍(lán)少分枝，適應(yīng)性強(qiáng)，根系發(fā)達(dá)，支根須根多，具有良好的水土保持功能；紫穗槐枝葉茂密，側(cè)根發(fā)達(dá)，耐寒性強(qiáng)、耐干旱能力強(qiáng)，具有防風(fēng)固沙能力。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育的老成土（美國(guó)土壤系統(tǒng)分類(lèi)）。

2012年3月，在研究區(qū)內(nèi)建立16個(gè)面積為20 m2（4 m×5 m）的種植區(qū)域，隨機(jī)區(qū)組分為4組，每種植被重復(fù)種植于4個(gè)小區(qū)內(nèi)，小區(qū)相互間隔1 m，中間溝道深約20 cm。用溝耕機(jī)將16個(gè)小區(qū)的土壤翻耕至20～30 cm深度，然后在表層土壤中均勻種植了馬尼拉、香根草和多花木藍(lán)的種子以及紫穗槐的幼苗。第一年期間對(duì)16個(gè)小區(qū)使用相同的灌溉及除草管理措施，之后植被自然生長(zhǎng)。

1.2 樣品采集

在2017年10月，調(diào)查植被覆蓋狀況（表1），使用全稱(chēng)重法測(cè)定地上生物量，目估法測(cè)定覆蓋度。之后在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選擇3個(gè)面積1 m2（1 m×1 m）區(qū)域，清除地表覆蓋后，使用鋁盒在每個(gè)區(qū)域內(nèi)采集0～10 cm、10～20 cm和20～30 cm三個(gè)土層的原狀土，將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干后，過(guò)10目篩子用于測(cè)定土壤機(jī)械組成，過(guò)5目和3目篩子獲得3~5 mm 團(tuán)聚體用于測(cè)定團(tuán)聚體穩(wěn)定性，過(guò)100目篩子用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量；同時(shí)使用容積100 cm3（直徑5 cm，高5 cm）的環(huán)刀取土樣測(cè)定土壤容重；容積500 cm3（直徑10 cm，高6.37 cm）的環(huán)刀取土樣測(cè)定根系性狀，每層取樣均設(shè)置兩個(gè)重復(fù)。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)植被覆蓋狀況

1.3 土壤理化性質(zhì)及團(tuán)聚體測(cè)定

使用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)；吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成（根據(jù)美國(guó)土壤質(zhì)地分類(lèi)制，黏粒，<0.002 mm；粉粒，0.002～0.05 mm；砂粒，0.05～2 mm）；環(huán)刀法測(cè)定土壤容重；LB法[15]測(cè)定土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，試驗(yàn)前，將干篩獲得的3～5 mm團(tuán)聚體放在40℃烘箱內(nèi)烘干24 h至恒重備用。該方法包括三個(gè)試驗(yàn)：（1）快速濕潤(rùn)（Fast Wetting，F(xiàn)W）：將5 g團(tuán)聚體迅速浸沒(méi)于去離子水中，10 min后移除多余水分；（2）預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)（Wet Stirring，WS）：將5 g團(tuán)聚體浸沒(méi)于酒精中，30 min后移除多余酒精，再加入50 mL去離子水，加水至200 mL，將錐形瓶震蕩20次，靜置沉淀后去除多余水分；（3）慢速潤(rùn)濕（Slow Wetting，SW）：將5 g團(tuán)聚體放置于張力為–0.3 kPa的濾紙上，待團(tuán)聚體完全濕潤(rùn)。將上述每次試驗(yàn)后的團(tuán)聚體轉(zhuǎn)入鋁盒收集起來(lái)，在40℃下烘干，過(guò)6只套篩：2，1，0.5，0.2，0.1和0.05 mm。稱(chēng)量各粒徑團(tuán)聚體的質(zhì)量，并采用以下方程計(jì)算MWD：

式中：MWD為團(tuán)聚體平均重量直徑（Mean Weight Diameters，mm）；在7個(gè)粒級(jí)中（i=1-7），為每個(gè)粒級(jí)下的團(tuán)聚體平均直徑（mm）；w為每個(gè)粒級(jí)下的團(tuán)聚體質(zhì)量百分比（%）。

1.4 根系參數(shù)測(cè)定

將采集好的根系土樣置于孔徑0.25 mm篩子中，將根系洗出，采用EPSONLA在400 dpi下對(duì)根系進(jìn)行灰度掃描，并使用winRHIZO 2000軟件分析圖像，掃描結(jié)束后，將根系置于105℃的烘箱中烘干至恒重，測(cè)定其烘干重，將獲得參數(shù)除以取樣環(huán)刀體積，獲得根系參數(shù)包括：根長(zhǎng)密度（Root Length Density，RLD，cm·cm–3）、根表面積密度（Root Surface Area Density，RSAD，cm2·cm–3）、根重密度（Root Mass Density，RMD，g·cm–3），同時(shí)計(jì)算4種不同徑級(jí)（0～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm和>2 mm）的RLD，選擇RLD表征不同徑級(jí)根系指標(biāo)是由于RLD與團(tuán)聚體穩(wěn)定性較強(qiáng)的相關(guān)性[16]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 20.0軟件對(duì)不同植被覆蓋下的土壤和根系參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），對(duì)團(tuán)聚體指標(biāo)與土壤性質(zhì)和根系參數(shù)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，使用Origin 2017軟件繪制圖表。

2 結(jié)果

2.1 不同植被下土壤理化性質(zhì)

4種植被土壤有機(jī)質(zhì)含量介于3.66～10.66 g·kg–1，其中馬尼拉和香根草的有機(jī)質(zhì)含量在0～10 cm土層內(nèi)要顯著高于多花木藍(lán)和紫穗槐，而在10～30 cm兩個(gè)土層也表現(xiàn)為馬尼拉和香根草更優(yōu)，此外，4種植被的土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨土壤深度的增加明顯降低。土壤容重在3個(gè)土層內(nèi)均表現(xiàn)為馬尼拉、香根草<多花木藍(lán)、紫穗槐，容重隨土層的增加均表現(xiàn)出增高的趨勢(shì)。土壤砂粒含量在不同土層均為馬尼拉最大，紫穗槐最小，總體看來(lái)0～10 cm土層砂粒含量均要高于10～30 cm土層（表2）。根據(jù)美國(guó)土壤質(zhì)地分類(lèi)制，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地屬于粉質(zhì)黏土。

2.2 不同植被的根系特征

在0～10 cm土層內(nèi)，4種植被的RLD、RSAD和RMD均表現(xiàn)為馬尼拉>香根草>多花木藍(lán)>紫穗槐，且在3個(gè)土層內(nèi)，馬尼拉和香根草的RLD、RSAD均要顯著高于多花木藍(lán)和紫穗槐，RMD在10～20 cm和20～30 cm土層也表現(xiàn)出類(lèi)似趨勢(shì)，但是顯著性沒(méi)有RLD及RSAD強(qiáng)。RLD、RSAD和RMD均隨土壤深度增加而減小，4種植被的RLD在不同土層均差異顯著，RSAD表現(xiàn)為：除馬尼拉外，其他植物在不同土層差異顯著，RMD表現(xiàn)為：除香根草外，其他植被在不同土層差異顯著（圖1）?？傮w看來(lái)，RLD在不同土層及不同植被間差異性均為顯著，因此選擇不同徑級(jí)RLD對(duì)不同徑級(jí)根系做進(jìn)一步分析。

在0～0.5 mm和0.5～1 mm徑級(jí)內(nèi)，馬尼拉和香根草的RLD要顯著大于多花木藍(lán)和紫穗槐，不同土層內(nèi)直徑<2 mm的細(xì)根系占了總根系的絕大部分，在4種植物中占比分別為99.53%～99.81%、98.83%～99.39%、95.56%～98.99%以及86.26%～94.85%，其中直徑<0.5 mm根系貢獻(xiàn)最大，且土層越深，占比越大，此外，馬尼拉和香根草在3個(gè)土層均未發(fā)現(xiàn)直徑>5 mm的根系。除個(gè)別指標(biāo)外，不同徑級(jí)RLD在不同土層間均表現(xiàn)出顯著差異，且隨土壤深度的增加RLD顯著降低（圖2）。

表2 不同植被覆蓋下的土壤性質(zhì)

注：不同小寫(xiě)字母表示不同植被類(lèi)型間差異顯著（<0.05）Note：Different lowercase letters indicate significant differences between soils under different types of vegetation at the level of 0.05

注：圖中不同大寫(xiě)字母表示不同土層間差異顯著；不同小寫(xiě)字母表示同一土層內(nèi)不同植被類(lèi)型間差異顯著（P<0.05）。下同Note：Different capital letters indicate significant between differences soil layers at the level of 0.05；different lowercase letters indicate significant differences between types of the overlying vegetation at the level of 0.05. The same as below

圖2 不同徑級(jí)內(nèi)的根長(zhǎng)密度

2.3 不同植被下土壤團(tuán)聚體狀況

4種植被類(lèi)型土壤的快速濕潤(rùn)（FW）試驗(yàn)中，3個(gè)土層中團(tuán)聚體含量最高的部分均出現(xiàn)在0.25～0.5 mm，預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)（WS）試驗(yàn)均出現(xiàn)在1～2 mm，慢速濕潤(rùn)（SW）試驗(yàn)出現(xiàn)在2～5 mm。同時(shí)可以觀察到不同植被下不同土層中的土壤團(tuán)聚體的主要成分均為直徑>0.25 mm的團(tuán)聚體，占土壤總重量的50.45%～98.71%（圖3）。

3個(gè)土層的FW試驗(yàn)中，馬尼拉和香根草中>0.25 mm團(tuán)聚體含量均顯著高于多花木藍(lán)和紫穗槐，在0～10 cm土層中WS和SW試驗(yàn)也有類(lèi)似的趨勢(shì)，但差異不顯著。4種植被相比，WS和SW試驗(yàn)中>0.25 mm團(tuán)聚體含量在香根草中均為最高（在0～10 cm土層分別為99.41%和92.63%，在10～20 cm土層分別為98.72%和92.07%，在20～30 cm土層分別為96.9%和90.02%），F(xiàn)W試驗(yàn)中，0～10 cm土層>0.25 mm團(tuán)聚體含量最高的為馬尼拉，10～30 cm土層中最高為香根草。馬尼拉和紫穗槐在3次試驗(yàn)中>0.25 mm團(tuán)聚體含量均表現(xiàn)為FW0.25 mm團(tuán)聚體含量均為最低。3次試驗(yàn)的>0.25 mm團(tuán)聚體含量按以下順序增加：香根草>馬尼拉>多花木藍(lán)>紫穗槐。

在FW和WS試驗(yàn)中，馬尼拉和香根草在3個(gè)土層的MWD均要大于多花木藍(lán)和紫穗槐，且在0～10 cm土層中差異顯著。在WS試驗(yàn)中MWD均表現(xiàn)為馬尼拉>香根草>多花木藍(lán)>紫穗槐，在FW試驗(yàn)中，0～10 cm土層MWD為馬尼拉最高，10～30 cm土層均為香根草最高。在3個(gè)土層內(nèi)，F(xiàn)W試驗(yàn)測(cè)得的MWD范圍為0.39～1.21 mm，WS為1.21～1.83 mm，SW為1.81～2.36 mm，在同一土層內(nèi)不同植被下的MWD均表現(xiàn)為FW

2.4 團(tuán)聚體與土壤及根系性質(zhì)的相關(guān)性

有機(jī)質(zhì)、RLD、RSAD、RMD以及<2 mm RLD與FW試驗(yàn)中<0.05 mm和0.105～0.25 mm徑級(jí)團(tuán)聚體含量均具有顯著（<0.05）負(fù)相關(guān)關(guān)系，與FW試驗(yàn)中的1～2 mm和>2 mm徑級(jí)團(tuán)聚體以及WS試驗(yàn)中的>2 mm徑級(jí)團(tuán)聚體具有極顯著（<0.01）正相關(guān)關(guān)系，此外在SW試驗(yàn)中，0.25～0.5 mm團(tuán)聚體與上述指標(biāo)具有顯著（<0.05）負(fù)相關(guān)關(guān)系，而>2 mm RLD與3種試驗(yàn)的團(tuán)聚體指標(biāo)均無(wú)相關(guān)性。總體看來(lái)，土壤性質(zhì)和根系參數(shù)與FW試驗(yàn)中的團(tuán)聚體指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng)，與WS和SW試驗(yàn)的相關(guān)性較弱。而黏粒、粉粒以及直徑<0.5 mm RLD與MWD在3種試驗(yàn)中相關(guān)性均不顯著，與MWD相關(guān)性較高的指標(biāo)包括有機(jī)質(zhì)、容重、砂粒以及RMD等，從不同徑級(jí)來(lái)看，0.5～1 mm和1～2 mm 徑級(jí)的細(xì)根系是影響MWD最為關(guān)鍵的因素（圖5）。

3 討 論

3.1 不同植被類(lèi)型下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異

植被恢復(fù)是改善土壤質(zhì)量和防止水土流失的有效途徑[17]，植被對(duì)土壤性質(zhì)會(huì)產(chǎn)生很大的影響，其主要表現(xiàn)在植物根系對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的擠壓、穿插和分割作用，以及死亡根系和枯枝落葉產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)、根際分泌物影響到土壤理化性質(zhì)[14]。植被的年齡和類(lèi)型均對(duì)土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育具有顯著影響，而植被類(lèi)型對(duì)土壤結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響更大[11]，本研究中土壤質(zhì)地較黏重，屬于粉質(zhì)黏土，但在不同植被類(lèi)型下，土壤理化性狀具有顯著差異，尤其是草本植物與灌木之間的差異，草本植物具有更高的有機(jī)質(zhì)和砂粒含量，以及較低的容重，說(shuō)明草本植物根系對(duì)于改善土壤黏重質(zhì)地的作用要強(qiáng)于灌木，這與前人關(guān)于黃土高原植被恢復(fù)[8，11]的研究結(jié)果一致。

注：FW，快速濕潤(rùn)；WS，預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)；SW，慢速濕潤(rùn)。Note：FW，fast wetting；WS，wet stirring；SW，slow wetting.

土壤團(tuán)聚體狀況是影響土壤肥力的重要因素，其在很大程度上影響到土壤通氣性與抗蝕性，而>0.25 mm團(tuán)聚體是提升土壤抗侵蝕能力的關(guān)鍵[18]。本研究中馬尼拉和香根草覆蓋下>0.25 mm團(tuán)聚體含量均要明顯高于多花木藍(lán)和紫穗槐，尤其是在FW和WS處理中，草本植物的大團(tuán)聚體比例要更高。根據(jù)Amézketa等[19]研究，在LB法的FW和WS試驗(yàn)中，MWD等團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)與侵蝕量、侵蝕率、入滲率和濺蝕率等土壤侵蝕指標(biāo)顯著相關(guān)，閆峰陵等[20]針對(duì)紅壤的研究也指出濕篩法中的MWD與侵蝕量和徑流強(qiáng)度相關(guān)程度最高，因此使用MWD來(lái)表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性是可行的，本研究在MWD方面表現(xiàn)為馬尼拉>香根草>多花木藍(lán)>紫穗槐，這意味著草本植物覆蓋土壤結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，抗蝕性更強(qiáng)。綜上所述，草本植物在改良土壤孔隙狀況和團(tuán)聚體穩(wěn)定性等方面較灌木更有效。

注：圖中不同的大寫(xiě)字母表示不同處理（FW，快速濕潤(rùn)；WS，預(yù)濕潤(rùn)后擾動(dòng)；SW，慢速濕潤(rùn)）的差異顯著（P<0.05）；不同的小寫(xiě)字母表示不同植被類(lèi)型的差異顯著（P<0.05）。Note：Different capital letters indicate significant differences between treatments（FW，fast wetting；WS，wet stirring；SW，slow wetting）at the level of 0.05；different lowercase letters indicate significant differences between types of the overlying vegetation types at the level of 0.05.

注：<0.5 mm RLD為直徑<0.5 mm根系的根長(zhǎng)密度；0.5～1 mm RLD為直徑0.5～1 mm根系的根長(zhǎng)密度；1～2 mm RLD為直徑1～2 mm根系的根長(zhǎng)密度；>2 mm RLD為直徑>2 mm根系的根長(zhǎng)密度；* P<0.05；** P<0.01。下同。Note：<0.5 mm RLD means root length density of the roots less than 0.5 mm in diameter；0.5～1 mm RLD，root length density of the roots 0.5～1 mm in diameter；1～2 mm RLD，root length density of the roots 1～2 mm in diameter；2 mm RLD，root length density of the roots more than 2 mm in diameter；* P<0.05；** P<0.01. The same below.

3.2 土壤性質(zhì)及根系性狀對(duì)團(tuán)聚體的影響

有機(jī)質(zhì)含量和FW、WS中的MWD具有極顯著正相關(guān)關(guān)系，有研究[21]指出植被恢復(fù)過(guò)程中土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量主要集中在大團(tuán)聚體中，而較高的有機(jī)質(zhì)含量和碳水化合物含量能通過(guò)黏土顆粒之間的橋聯(lián)作用促進(jìn)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定[22]，Chenu等[23]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)是通過(guò)降低團(tuán)聚體的潤(rùn)濕性和增強(qiáng)團(tuán)聚體的凝聚力來(lái)提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。而容重與FW、WS中的MWD具有極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Udawatta等[24]將樹(shù)木和草本覆蓋之間的土壤容重差異歸因于根系活動(dòng)的差異和有機(jī)物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)增加土壤生物活性，從而進(jìn)一步促進(jìn)孔隙發(fā)育，從而影響到團(tuán)聚體的形成[8]。此外，本研究砂粒含量與MWD有顯著正相關(guān)，而黏粒和粉粒相關(guān)性不強(qiáng)，這是由于本研究中砂粒含量與土壤孔隙度呈相同變化趨勢(shì)，砂粒含量高的土壤孔隙度大，增強(qiáng)了土壤的透水、通氣性，水熱養(yǎng)分條件一致時(shí)更有利于植物根系發(fā)育，這與高傳友等[25]、王雅瓊等[26]的研究結(jié)果相似。不同植被類(lèi)型下的砂粒含量的差異可能與土壤細(xì)顆粒物質(zhì)的流失有關(guān)，而植被恢復(fù)過(guò)程中地上部分對(duì)地表徑流的截留作用具有明顯差異，其具體機(jī)制還需今后進(jìn)一步分析。

根據(jù)相關(guān)性分析，在FW和WS中，RLD、RSAD和RMD等根系參數(shù)與MWD和>2 mm的大顆粒團(tuán)聚體含量均具有極顯著正相關(guān)性，其中直徑0.5～2 mm細(xì)根系是影響MWD的關(guān)鍵因素，而土壤性質(zhì)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性的相關(guān)性要低于根系特征，植物根系是間接影響土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的主要因素，與已有相關(guān)研究[27-28]結(jié)果一致。根系不僅能通過(guò)穿插作用來(lái)疏松土壤，而且可通過(guò)生物和化學(xué)作用來(lái)改善土壤結(jié)構(gòu)[29]，其中細(xì)根對(duì)土壤團(tuán)聚體的增強(qiáng)是通過(guò)與菌根和真菌的相互作用，產(chǎn)生滲出物和結(jié)合劑，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成[28]，有研究表明根長(zhǎng)與菌絲化程度之間的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.86[30]，同時(shí)真菌豐度對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性也有顯著的正向影響，此外菌根可能影響MWD，同時(shí)影響寄主植物的根系性狀[10]。此外細(xì)根的生理活性強(qiáng)，具有較高的生長(zhǎng)速率和死亡分解率，活根分泌有機(jī)酸，死根提供有機(jī)質(zhì)，二者作為土粒團(tuán)聚體的膠結(jié)劑，配合須根的穿插和纏結(jié)，促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體的形成，從而增強(qiáng)土壤抗分散、抗懸浮的能力[31]。本研究中草本植物的細(xì)根系含量均要顯著高于灌木，因而具有更強(qiáng)的團(tuán)聚體穩(wěn)定性。

3.3 不同破壞機(jī)制下土壤團(tuán)聚體的差異

LB法使用的3種試驗(yàn)方法是根據(jù)團(tuán)聚體的不同破壞機(jī)制制定，其中FW是模擬夏季暴雨條件下的團(tuán)聚體破裂機(jī)制，強(qiáng)調(diào)的是濕潤(rùn)破壞機(jī)制的消散作用；WS模擬的是雨滴的打擊破壞作用，強(qiáng)調(diào)的是機(jī)械破壞；SW對(duì)應(yīng)于溫和降雨下的田間濕潤(rùn)條件，體現(xiàn)的是土壤黏粒膨脹作用[15]，而消散和機(jī)械外力是降雨條件下團(tuán)聚體的兩種主要破壞機(jī)制[32]。本研究在同一植被類(lèi)型下，F(xiàn)W試驗(yàn)中的MWD要顯著低于其他試驗(yàn)，根據(jù)Le Bissonnais的分類(lèi)[15]對(duì)MWD劃分等級(jí)，本研究使用WS和SW方法測(cè)得的MWD介于1.21～2.36 mm，均相當(dāng)于穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，F(xiàn)W測(cè)得MWD介于0.39～1.21 mm，屬于不穩(wěn)定團(tuán)聚體，且3種試驗(yàn)之后均以直徑>0.25 mm團(tuán)聚體為主，總體表現(xiàn)為WS占比最大，SW次之，F(xiàn)W最小。同時(shí)FW中的團(tuán)聚體指標(biāo)與土壤性質(zhì)、根系參數(shù)等相關(guān)性要明顯強(qiáng)于SW和WS，說(shuō)明暴雨是破壞研究區(qū)內(nèi)土壤團(tuán)聚體的最主要因素，而雨滴擊打和慢速濕潤(rùn)的破壞作用不大，由于暴雨中也有水分潤(rùn)濕的作用存在，F(xiàn)W試驗(yàn)對(duì)團(tuán)聚體穩(wěn)定性的破壞作用實(shí)際也包含了SW的貢獻(xiàn)，同時(shí)WS強(qiáng)調(diào)的雨滴擊濺力實(shí)際上是比較弱的[33]，因此FW試驗(yàn)是評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土壤團(tuán)聚體能力的一種較好方法，這與已有相關(guān)研究結(jié)論一致[9，19]，也有研究[34]指出SW試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)黃土高原草地植被帶的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，說(shuō)明在選擇評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的方法時(shí)，需考慮不同土壤和土地利用類(lèi)型的差異。

4 結(jié) 論

植被恢復(fù)是提高南方紅壤區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)量和團(tuán)聚體穩(wěn)定性的有效措施，草本（馬尼拉、香根草）覆蓋下的土壤有機(jī)質(zhì)含量、砂粒含量和孔隙度要高于灌木（多花木藍(lán)、紫穗槐），且具有更高的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，說(shuō)明草本植物改良土壤結(jié)構(gòu)的作用要優(yōu)于灌木，這主要是由于草本植物具有更為發(fā)達(dá)的根系，其中0.5～2 mm徑級(jí)細(xì)根系的作用最為關(guān)鍵。使用LB法測(cè)定了在不同破壞機(jī)制下的團(tuán)聚體穩(wěn)定性，研究區(qū)內(nèi)不同植被下土壤團(tuán)聚體的最主要破壞機(jī)制均為消散作用，同時(shí)由于區(qū)域內(nèi)夏季暴雨較頻繁，而FW能較全面地模擬自然條件下土壤團(tuán)聚體的破壞機(jī)制，是評(píng)價(jià)區(qū)域內(nèi)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的較優(yōu)方法。

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Application of Le Bissonnais Method to Study Soil Aggregate Stability in Red Soils under Different Types of Vegetation

CHENG Liang1, QIN Jiahui1, ZHANG Lichao2, CAO Danni1, HAO Haoxin1, GUO Zhonglu1?

(1. Research Center of Water and Soil Conservation, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Jiangxi Institute of Soil and Water Conservation, Nanchang 330029, China)

【】Revegetation can improve stability of soil aggregates, whih are one of the key factors affecting soil quality and soil erosion resistance. In order to explore differences in aggregate stability in soils under different types of revegetation, and main mechanisms of aggregate destruction in red soil, a field experiment was carried out in the red soil region of South China. 【】 Based on a long-term field experiment, which consisted of four plots under different typs of vegetation (,,, and) planted 5 years ago for revegetation, this experiment was oriented to explore soil aggregate stability in different soil layers(0-10 cm, 10-20 cm and 20-30 cm), with the Le Bissonnais (LB) method, including three treatments, i.e., fast wetting (FW), wet stirring (WS), and slow wetting(SW), and mechanisms of soil aggregate decomposition(dispersing, mechanical disturbing and clay swelling).【】Results show: 1)the plots underandwere higher in organic matter content, porosity, owing to their better developed root systems, than the other two in different soil layers compared withand. The difference between the four platns was especially significant in the section of fine roots (diameter less than 2 mm), which made up the majority of the root system, accounting for 99.53%-99.81%, 98.83%-99.39%, 95.56%-98.99%, and 86.26%-94.85% in the plots under,,, and, respectively; 2)in terms of mean weighted diameter(MWD)and percentage of >0.25 mm aggregates in the soils after three aggregate destructive tests, the four plots exhibited an order of>>>, which suggests that the soil aggregates in the plots under herbs (and) were higher in stability than the plots under shrubs (and). It is therefore assumed that type of vegetation has a significant impact on soil aggregate stability; 3) organic matter, bulk density, sand content and root parameters all had significant influences on soil aggregate stability, especially fine roots with diameter ranging from 0.5 to 2 mm, which is key to soil aggregate stability; and 4) in terms of percentage of >0.25 mm aggregates in the plots subjected to destructive tests, an order of FW < WS < SW was observed in the plots of Zoysia matrella andand one of FW < SW < WS in the plots ofandThe percentages of >0.25 mm aggregates varied in the range of 50.45%-79.59% in the four plots subjected to FW test, lower than that in the plots subjected to WS or SW tests. The MWD of soil aggregates ranged from 1.21 mm to 1.83 mm in the soils subjected to WS test and from 1.81 mm to 2.36 mm in the soils subjected to SW test, indicating the aggregates in the soils were stable ones, while it ranged from 0.39 mm to 1.21 mm in the soil subjected to FW test, much lower than that in the former two, indicating that the aggregates were unstable ones. Therefore it could be assumed that FW is the most destructive to soil aggregates and that dispersion is the primary mechanism of soil aggregate decomposition. 【】Herbs are more effective than shrubs in improving soil structure stability, and FW test is a better method to evaluate soil aggregate stability in this region. All the findings in this experiment may serve as reference for researches on soil aggregate stability and choices of plant species selection for revegetation in this region.

Revegetation; Soil aggregate stability; Le Bissonnais method; Root trait

S157.1

A

10.11766/trxb201905090099

程諒，秦嘉惠，張利超，曹丹妮，郝好鑫，郭忠錄. 應(yīng)用Le Bissonnais法研究不同植被類(lèi)型下紅壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[J]. 土壤學(xué)報(bào)，2020，57（4）：855–866.

CHENG Liang，QIN Jiahui，ZHANG Lichao，CAO Danni，HAO Haoxin，GUO Zhonglu. Application of Le Bissonnais Method to Study Soil Aggregate Stability in Red Soils under Different Types of Vegetation[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（4）：855–866.

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41671273）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（No.41671273）

，E-mail：zlguohzau@163.com

程 諒（1995—），男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事水土保持與生態(tài)恢復(fù)研究。E-mail：1601558599@qq.com

2019–05–09；

2019–07–22；

2019–08–20

（責(zé)任編輯：檀滿(mǎn)枝）