六种植被恢复模式对江西退化红壤理化性质及团聚体稳定性的影响

肖廷琦，刘苑秋*，刘晓君，高 盼，温林生

（1.江西农业大学 林学院/鄱阳湖流域森林生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室，江西 南昌 330045；2.江西农业大学 江西省森林培育重点实验室，江西 南昌 330045）

【研究意义】我国红壤丘陵区主要处在亚热带气候区，降雨量丰富且表现为季节性分布，产生的地表径流对土壤侵蚀造成严重影响[1]，加上人为原因造成的土地破坏，导致土壤侵蚀和水土流失的现象愈发严重，进而引发生态系统功能的急剧减弱[2]。有研究[3]表明，南方红壤丘陵区的水土流失面积已经达到了13.12 万km2，约占全国水土流失面积的15.1%。作为我国粮食和经济作物的重要生产地区，占国土面积22%的南方红壤区流失土壤量超过全国一半[4]，因此南方红壤地区的水土流失急需治理。【前人研究进展】作为生态系统的重要组成部分，植被和土壤都是植物群落更新和演替过程中非常重要的研究内容[5]，通过采取植被措施可以有效改善退化红壤区的土壤质量[6]。土壤作为生态过程的重要载体，总是会伴随着植被的演替不断变化[7]。在植物群落的更新演替过程中，土壤和植被互相影响，不同植被恢复模式会导致土壤的粒径分布、理化性质产生不同的变化，而不同的土壤粒径分布、理化性质又会作用于森林植被的恢复演替[8]。森林植被的恢复演替是土壤养分不断积累和结构稳定性不断增强的过程[9]，而团聚体作为土壤结构的基本单元，显著影响土壤的养分等理化性质，也是研究土壤结构的重要对象[10]。通过对不同植被恢复的土壤理化性质、团聚体粒径分布变化以及稳定性特征的研究，进而为实现人工调控植被恢复模式以改善土壤结构提供科学依据。水稳性团聚体指的是抗水力分散的团聚体，其稳定性对防治土壤侵蚀有着重要影响，是衡量土壤质量的重要标志，在养分循环和维持土壤养分等方面有着重要的促进作用[11]。水稳性团聚体可以保护土壤肥力，由于不同的植被恢复模式对水稳定性团聚体的影响存在不同差异[12]，所以土壤养分在不同植被恢复模式下有显著区别。陈国靖等[13]研究发现，混交林对水稳性团聚体的改善比纯林好，更有利于土壤结构的恢复；柴旭光[14]研究表明，针阔混交林的大团聚体分布比例较纯林高；袁俊吉等[15]研究表明，不同植被覆盖的变化对于土壤养分在水稳性团聚体中的分布有显著影响。【本研究切入点】泰和县位于江西省吉安市，属于典型的亚热带湿润季风气候区[16]，年均降雨量充沛，人为破坏是导致该地区水土流失的主要原因。近些年来通过植被恢复措施，该地区的森林植被得到了切实有效的保护。但是该地区的不同植被恢复模式在经过一段时间后，团聚体分布及稳定性特征是否发生变化，以及构建何种恢复模式达到改善土壤结构的最佳效果，在该方面尚缺乏足够的研究。【拟解决的关键问题】针对退化红壤区的土地治理[17]，本文以马尾松纯林（PM）、木荷纯林（SS）、马尾松补植木荷林（RMS）、湿地松纯林（PE）、湿地松补植木荷林（RES）以及湿地松木荷混交林（MES）等6 种恢复模式为研究对象，探讨不同植被恢复模式对团聚体稳定性差异的影响，以期为南方退化红壤区的植被恢复与重建提供决策依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区隶属江西省吉安市泰和县（26°54′～26°55′N，114°48′～114°49′E），年均气温18.6 ℃，年均降雨量1 726 mm，四季分明、降雨量充沛，且降雨主要在春季和夏季。境内地形以山地、丘陵为主，最高海拔1 200 m。由于该地区的水土流失比较严重，土壤呈现沙质化且抗蚀性极差。长期人为活动对该地区植被的破坏，导致该地区的植被覆盖比较少，土壤表层的腐殖质几乎没有。植被恢复措施前该地区遍布裸地和侵蚀沟，20 世纪80 年代实施飞播造林未能成功。鉴于该地区的植被破坏严重，江西省于1991 年在该地区选择不同植被模式的修复措施，主要以马尾松（Pinus massoniana）、木荷（Schima superba）和湿地松（Slash pine）等树种进行植被恢复。各植被恢复模式采取的管护措施相同，实施不同植被恢复模式研究区土壤理化性质见表1。

表1 实施不同植被恢复模式研究区土壤理化性质Tab.1 Soil physicochemical properties in the study area with different vegetation restoration models

1.2 样地设置与土壤样品采集

野外调查及土壤样品的采集在2019 年8 月，选取马尾松纯林（PM）、木荷纯林（SS）、马尾松补植木荷林（RMS）、湿地松纯林（PE）、湿地松补植木荷林（RES）以及湿地松木荷混交林（MES）6 种植被恢复模式。在每种恢复模式选取5个样地作为重复，每个样地设置20 m×20 m的样方，土壤取样分为0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm的3个土层，并在样方内布置5个采样点，按照等量、随机的原则采集土壤样品，带回实验室进行试验分析。

1.3 土壤样品处理与测定

将土壤样品的砾石、凋落物等杂物取出，采用pH 酸度计测定土壤pH 值。用环刀取100 cm3原状土在100 ℃下烘干，测定土壤容重并计算孔隙度。采用全自动间断分析仪测定土壤全磷（TP）、全氮（TN）含量，重铬酸钾氧化—外加热法测定有机质（SOM）含量[18]。

去除杂物的土样用干筛法分离出＜0.053 mm，0.053～0.25 mm，0.25～2 mm，＞2 mm 4 个粒级的土壤，按照各粒级所占比例进行配比。然后称取100 g 土壤样品进行湿筛，分离出＜0.053 mm，0.053～0.25 mm，0.25～2 mm，＞2 mm 4个粒级，结束后洗入铝盒烘干称量，记录并计算各粒级团聚体百分比。

1.4 数据处理与统计

利用各粒级团聚体数据，计算＞0.25 mm 团聚体R0.25、平均重量直径（MWD）、平均几何直径（GWD）、分形维数（D）和土壤团聚体破坏率（PAD）等参数指标[19]。

分形维数（D）的计算采用杨培岭等[20]推导的公式：

对公式两边取对数可得：

式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）和（6）中：R0.25为直径大于0.25 mm团聚体的含量（%），PAD为团聚体破坏率（%），DR0.25为直径大于0.25 mm 的机械稳定性团聚体含量（%），WR0.25为直径大于0.25 mm 的水稳定性团聚体含量（%），MWD 为平均重量直径（mm），GMD 为几何平均直径（mm），xi为任一级别范围内团聚体的平均直径（mm），wi为各粒径范围团聚体质量所占的比例（%），Mt为土壤团聚体总质量，M（r≤xi）为粒径小于xi的土壤团聚体质量，xmax为土壤团聚体的最大粒径。

通过Excel 2018 整理试验数据，使用SPSS 25 单因素方差分析（One-Way ANOVA）进行不同数据的差异比较，采用Pearson 相关性分析研究不同植被恢复模式的土壤理化性质和稳定性特征，使用Smart-PLS软件进行路径分析，图形制作采用Origin 2018软件。

2 结果与分析

2.1 不同植被恢复模式的土壤理化性质

通过表2可以看出，退化红壤区的理化性质在不同的恢复模式有着显著的差异（P＜0.05）。随着土层深度的增加，土壤容重表现为逐渐增大的趋势，且湿地松补植木荷林的土壤容重最大，而含水量和孔隙度表现为最小。湿地松补植木荷林的pH 值最高，湿地松纯林在土壤表层的pH 值显著小于其它恢复模式，各恢复模式的不同土层pH 值范围在4.92～5.31。在不同的恢复模式下，各土层的SOM 含量均表现为0～10 cm＞20～40 cm＞10～20 cm，尤其以湿地松补植木荷林的土壤表层SOM 最大（76.11 g/kg）。木荷纯林的土壤TN 含量显著高于其它恢复模式，且各恢复模式的土壤表层TN 含量均大于其它土层。湿地松纯林的土壤TP含量显著大于其它恢复模式，木荷纯林的TP含量显著小于其它恢复模式。

表2 不同植被恢复模式的土壤理化性质Tab.2 Soil physical and chemical properties of different vegetation restoration models

2.2 不同植被恢复模式的水稳性团聚体分布

不同的植被恢复模式对团聚体粒径分布有一定影响，通过湿筛法得到的土壤水稳性团聚体分布比例如表3 所示。各粒级范围的水稳性团聚体含量具有显著差异，随着水稳性团聚体粒级的增大，水稳性团聚体含量逐渐增加。0～10 cm 土层中，＞2 mm 粒级的马尾松补植木荷林水稳性团聚体含量显著高于木荷纯林（P＜0.05），2～0.25 mm 粒级的木荷纯林团聚体含量与马尾松补植木荷林存在显著差异；10～20 cm 土层中，马尾松补植木荷林的0.25～0.053 mm 粒级团聚体含量显著大于湿地松木荷混交林（P＜0.05），湿地松补植木荷林的＜0.053 mm 粒级团聚体含量显著小于湿地松木荷混交林（P＜0.05）；20～40 cm 土层中，木荷纯林的0.25～0.053 mm 粒级团聚体含量显著小于马尾松补植木荷林（P＜0.05），马尾松纯林的＜0.053 mm 粒级团聚体含量显著高于木荷纯林（P＜0.05）。

表3 不同植被恢复模式下0～40 cm土层水稳性团聚体分布Tab.3 Distribution of water-stable aggregates in 0-40 cm soil layer under different vegetation restoration models

2.3 实施不同植被恢复模式的土壤动态变化

植被恢复实施前后的土壤动态变化见表4，在1991年的土壤有机质（SOM）、全氮（TN）含量以及大于0.25 mm 团聚体含量显著小于2019年，湿地松纯林在1991年的土壤全磷（TP）含量显著小于2019年。马尾松纯林和湿地松木荷混交林的容重在2019年显著小于1991年，而孔隙度显著大于1991年。这说明实施植被恢复的土壤（2019 年）比恢复前的土壤（1991 年）显著增加了有机质和全氮的含量，并且有利于大团聚体的含量增加。通过分析不同植被恢复模式的土壤动态变化，可以发现长期植被恢复对于土壤养分和结构改善具有显著的促进作用。

表4 不同植被恢复模式土壤动态变化Tab.4 Soil dynamic changes in different vegetation restoration models

2.4 不同植被恢复模式的团聚体稳定性特征

2.4.1 团聚体平均直径和分形维数6 种植被恢复模式的水稳性团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数（D）如图1 所示。马尾松补植木荷林和湿地松木荷混交林的平均重量直径（MWD）显著大于马尾松纯林、湿地松纯林以及木荷纯林（P＜0.05），马尾松纯林和湿地松纯林的几何平均直径（GMD）显著小于马尾松补植木荷林、湿地松补植木荷林以及湿地松木荷混交林（P＜0.05）。各植被恢复模式土壤分形维数（D）由大到小依次为马尾松纯林、湿地松木荷混交林、马尾松补植木荷林、湿地松纯林、木荷纯林和湿地松补植木荷林，分布范围在2.42～2.50。

图1 不同植被恢复模式的水稳性团聚体MWD、GMD和DFig.1 Water-stable aggregates MWD，GMD，D of different vegetation restoration models

2.4.2 团聚体R0.25和破坏率各植被恢复模式在干筛法和湿筛法得到的＞0.25 mm 团聚体含量（R0.25）和破坏率（PAD）如图2 所示。马尾松纯林、马尾松补植木荷林、湿地松木荷混交林在干筛得到的＞0.25 mm团聚体含量（DR0.25）显著大于湿地松纯林和木荷纯林（P＜0.05），马尾松纯林、湿地松纯林以及马尾松补植木荷林在湿筛得到的＞0.25 mm 团聚体含量（WR0.25）显著小于其它恢复模式（P＜0.05）。土壤团聚体破坏率（PAD）表示土壤团聚体的分散程度，土壤团聚体破坏率（PAD）值越小，表示土壤团聚体的稳定性越高。木荷纯林的土壤团聚体破坏率（PAD）为1.8%，在各恢复模式中处于最小，破坏率（PAD）的由大到小依次为马尾松纯林、马尾松补植木荷林、湿地松木荷混交林、湿地松纯林、湿地松补植木荷林和木荷纯林。马尾松纯林的团聚体破坏率（PAD）最大，并且在湿筛得到的＞0.25 mm 团聚体含量（WR0.25）最小，相对其它恢复模式的团聚体稳定性最差。

图2 不同植被恢复模式的DR0.25、WR0.25和PADFig.2 DR0.25，WR0.25 and PAD of different vegetation restoration models

2.5 土壤理化性质及团聚体稳定性特征相关性分析

本研究区土壤的理化性质相关性分析表明（表5），容重与含水量、孔隙度、全氮（TN）呈极显著负相关关系（P＜0.01），与有机质（SOM）呈显著负相关关系（P＜0.05），与pH 呈极显著正相关关系（P＜0.01），含水量与孔隙度呈极显著正相关关系（P＜0.01），pH 与孔隙度呈极显著负相关关系（P＜0.01），与有机质（SOM）呈显著正相关关系（P＜0.05），与全氮（TN）含量呈极显著正相关关系（P＜0.01），pH 与全氮（TN）含量呈显著负相关关系（P＜0.05），有机质（SOM）与全氮（TN）含量呈极显著正相关关系（P＜0.01）。由相关性分析可以看出，土壤的容重、孔隙度与除全磷（TP）之外的理化特征均表现出显著的相关性。

表5 土壤团聚体理化性质各参数之间的相关性Tab.5 The correlation between the physical and chemical properties of soil aggregates

平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、分形维数（D）、大于0.25 mm 团聚体含量（R0.25）和破坏率（PAD）均可以表示土壤团聚体的稳定性。为进一步深入了解各稳定性指标的联系，利用相关性分析法分析了各指标之间的相关性，结果如表6 所示。湿筛处理下，MWD 与GMD、R0.25呈极显著正相关关系（P＜0.01），与PAD 呈极显著负相关关系（P＜0.01），GMD 与D、PAD 呈极显著负相关关系（P＜0.01），与R0.25呈极显著正相关关系（P＜0.01），D与R0.25呈极显著负相关关系（P＜0.01），与PAD呈极显著正相关关系（P＜0.01），R0.25与PAD 呈极显著负相关关系（P＜0.01）。土壤中水稳性大团聚体含量越多，PAD 和D 越小，MWD 和GMD 值越大，说明水稳性团聚体越稳定，土壤质量越好，反之，则土壤水稳性团聚体越不稳定，土壤结构越不稳定。

表6 水稳性团聚体稳定性特征各参数之间的相关性Tab.6 Correlation between parameters of stability characteristics of water-stable aggregates

2.6 PLS路径分析

基于偏最小二乘法使用Smart-PLS软件计算出模型的路径系数和显著性水平（图3），可以看出不同土层深度对土壤有机碳（SOC）和全氮（TN）含量具有显著影响，路径系数分别为-0.355 和-0.504，说明随着土层深度的增加，有机碳和全氮含量逐渐减小，且土壤有机碳可以显著促进全氮含量增大。＞0.25 mm水稳性团聚体含量（WR0.25）能够显著增大平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD），路径系数分别是0.805 和0.929，而对于分形维数的路径系数是-0.562。分形维数和MWD 对GMD 的路径系数分别是-0.202 和0.697，这也说明MWD和GMD的增大有利于分形维数的减小。

图3 PLS路径分析计算结果Fig.3 PLS path analysis calculation results

3 讨论

3.1 不同植被恢复模式及土层对土壤理化性质的影响

采用植被恢复措施可以显著改善土壤的理化性质，对提高土壤质量有着重要意义[21]。通过不同土层的分析，可以看出除湿地松纯林，各恢复模式在表层的容重均小于更深的土层。土壤容重作为土壤的基本物理性质，对土壤的入渗性能、透气性、溶质迁移特征、持水能力和土壤的抗侵蚀能力都有重要的影响[22]，能够有效地反映土壤生产力和土壤质量[23]。本研究表明，随着土层深度增加，表现为土壤容重的增加，含水量和孔隙度相应减小，这与魏强等[24]和吕殿青等[25]的研究结果相同，木荷纯林和马尾松补植木荷林恢复模式在降低土壤容重、增大含水量和孔隙度等方面要优于其它恢复模式。作为土壤的一项重要化学性质，pH 值对微生物活动、植物生长、以及土壤的肥力状况等性质有着直接影响[26]。根据我国的土壤酸度分级，本研究区的土壤属于强酸性土壤，湿地松补植木荷林较其它恢复模式减弱土壤酸性的功能更为突出。土壤表层的有机质含量主要来自凋落物，凋落物的分布和数量是影响土壤有机质含量的主要因素[27]。本研究表明，随着土层深度的增加，土壤有机质呈现出逐渐减小的趋势，这与刘鸿雁等[28]和程瑞梅等[29]的研究结果一致，并且湿地松补植木荷林和湿地松木荷混交林在土壤表层0～10 cm 的有机质含量要超过10～40 cm 的总和。这是由于植物根系和凋落物分解形成的有机质首先进入土壤表层，所以导致土壤表层的有机质含量显著高于深层土。本研究区的不同植被恢复模式土壤有机质含量差异显著，且马尾松、湿地松在补植木荷的模式下比纯林的有机质含量更高，这说明补植木荷的植被恢复模式有助于提高土壤的有机质含量。在不同土层的全N 含量表现出和有机质含量相似的趋势，均为土壤表层0～10 cm 的含量大于更深的土层，呈现出明显的表聚效应，这与耿玉清等[30]和刘兴诏等[31]的研究结果相同。森林土壤的氮含量主要来自凋落物归还，氮首先在土壤表层聚集，然后随着水分等其它介质逐渐向深层土迁移，进而产生土壤中的全N 从表层到深层总体减少的分布趋势；另一方面地表凋落物及阔叶能够有效降低雨滴溅蚀造成的土壤养分流失，呈现出较强的表层富集作用[32]。综上所述，在今后该地区的退化红壤区植被恢复改造过程中，木荷纯林和湿地松纯林对于提高土壤的全N和全P有着积极的作用，并且通过补植木荷营造混交林进行抚育措施可以有效提高土壤有机质含量，对于增强退化红壤区的森林植被稳定性以及肥力状况、碳库稳定起着良好的作用。

3.2 不同植被恢复模式对团聚体分布及稳定性的影响

植被恢复措施对土壤团聚体的粒级分布有显著影响[33]，研究发现在各种植被恢复模式下，各粒级范围的水稳性团聚体含量具有显著差异，随着水稳性团聚体粒级的增大，水稳性团聚体含量逐渐增加，且＞2 mm 的水稳定性团聚体比例显著大于其它粒径范围。本研究表明马尾松补植木荷林、湿地松补植木荷林、湿地松木荷混交林的＞2 mm 粒级水稳性团聚体含量要高于马尾松纯林、湿地松纯林以及木荷纯林，由此可见在混交模式下更有利于大团聚体产生。＞0.25 mm 的团聚体含量是一个定量评价土壤结构性质的重要特征，其指标通常与土壤结构的稳定性和土壤肥力的状况呈现正相关的关系，＞0.25 mm的土壤团聚体含量越高则说明土壤的稳定性和抗蚀性越好[34]。湿地松木荷混交林的＞0.25 mm 水稳性团聚体比例要大于其它恢复模式，且马尾松和湿地松在补植木荷和混交木荷的模式下表现出大于纯林的趋势，分析原因是补植和混交木荷后，地表凋落物增多，增加了土壤表层的有机质来源，有效促进了土壤颗粒的胶结作用，使土壤中的大于0.25 mm 团聚体含量显著增加；另一方面，由于森林地表覆盖物的增加，有效避免了降雨对团聚体的打击和冲刷，进而有利于大团聚体的形成和保护[35-37]。已有研究表明，土壤团聚体的几何平均直径（GMD）和平均重量直径（MWD）越大，团聚体越稳定[38]。本研究发现马尾松补植木荷林和湿地松木荷混交林的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）要显著大于马尾松纯林、湿地松纯林以及木荷纯林，在补植木荷的恢复模式下平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）呈现出比纯林模式增大的趋势，说明补植木荷的恢复模式比纯林模式更有利于土壤团聚体的稳定。王晓峰等[39]研究表明，混交林可以合理地占据生存空间，发挥种间互补的优势，充分利用太阳光照、温度、水分和土壤养分等生态因子，进而显著提高生长量，混交林枯枝落叶的土壤培肥作用优于纯林，土壤结构更加稳定、合理，平均重量直径MWD 和几何平均直径GMD 也是要大于纯林，这和本研究的结果是一致的。同时，作为反映土壤结构几何性状的重要参数，土壤分形维数D可以表明土壤物理性质的好坏和稳定性[40]。刘梦云等[41]研究表明，分形维数D 越小，团聚体破坏率PAD 越小，平均重量直径MWD、几何平均直径GMD、＞0.25 mm 团聚体含量越大，团聚体的稳定性越强，反之则是团聚体的稳定性越差，越容易遭到破坏。这与本研究进行的水稳性团聚体相关分析所呈现出的结果相同。

4 结论

（1）湿地松补植木荷林的pH 值最高，湿地松纯林在土壤表层的pH 值显著小于其它恢复模式（P＜0.05），湿地松补植木荷林在土壤表层的有机质含量最高，各恢复模式的土壤表层TN 含量显著大于其它土层（P＜0.05），木荷纯林的TP含量显著小于其它恢复模式（P＜0.05）。

（2）不同植被恢复模式的团聚体稳定性特征分析表明，0～10 cm 表层土中＞2 mm 粒级的马尾松补植木荷林水稳性团聚体含量显著高于木荷纯林（P＜0.05），马尾松补植木荷林和湿地松木荷混交林的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）显著大于马尾松纯林、湿地松纯林以及木荷纯林（P＜0.05），马尾松纯林的破坏率（PAD）大于其它恢复模式。

（3）本研究表明容重和孔隙度在改善土壤的理化性质和保护土壤养分等方面起着重要的作用，并且土壤中水稳性大团聚体含量越多，分形维数（D）和破坏率（PAD）越小，几何平均直径（GMD）和平均重量直径（MWD）越大，土壤中的水稳性团聚体越稳定，土壤质量越好。

（4）马尾松补植木荷林、湿地松补植木荷林、湿地松木荷混交林的＞2 mm 粒级水稳性团聚体含量高于马尾松纯林、湿地松纯林以及木荷纯林，说明混交林对土壤团聚体结构的改善效果比纯林更好，在江西退化红壤区选择混交林恢复模式比纯林模式更有利于土壤团聚体稳定性的提高。

致谢：江西省研究生创新专项资金项目（YC2021-S339）同时对本研究给予了资助，谨致谢意！