穩定性土壤團聚體可維持較好的土壤結構，進而改善土壤通氣性，增加水分入滲，減少地表徑流和侵蝕〔1〕。土壤有機質對土壤結構穩定性和土壤養分狀況有多重影響，對土壤資源的可持續利用非常重要〔2〕。具有較多穩定大團聚體的土壤質量較高〔3〕。土壤有機質與土壤團聚體的形成和穩定性密切相關，土壤團聚體保護有機質，進而影響有機質的轉化和提高土壤肥力〔4〕。同時，有機質作為膠結劑，有利于水穩性團聚體的形成。許多學者〔5 －7〕就土壤團聚體和有機質之間的關系進行了研究，其中，張大鵬等〔5〕認為，水穩性團聚體粒級分布分形維數與土壤有機質含量無顯著相關性; 盧凌霄等〔6〕認為，＞2 mm 團聚體對土壤有機碳的貢獻率約 70%。
陜西省渭北旱塬區溝壑縱橫、植被稀少，水土流失嚴重，各級政府在該區域進行了大面積的退耕還林工程。田義超等〔8〕對咸陽臺塬區土地利用/覆被變化進行定量研究時認為，2000—2010 年，該區森林面積增加了 69． 26%。但未見有關該區域退耕還林對土壤有機質和水穩性團聚體影響的研究。本文計算了禮泉縣北部叱干鎮不同土地利用類型下及不同植被類型下土壤水穩性團聚體 ＞0． 25 mm 的百分含量\\( ＞0． 25 mm\\) 、平均質量直徑\\( MWD\\) 、分形維數\\( D\\) 和偏倚系數\\( Cs\\) ，并測定不同樣地及不同粒級水穩性團聚體中的有機質含量，研究在該區域進行的退耕還林工程對提高土壤質量，減少土壤侵蝕，增加土壤碳儲量方面的功能，說明土壤有機質和水穩性團聚體之間的相關性，并對幾個水穩性團聚體指標進行比較。
1 研究區與研究方法
1． 1 研究區概況
研究區位于陜西省禮泉縣北部的叱干鎮，屬低山丘陵溝壑區，年平均氣溫12． 96 ℃，無霜期214 d，年降水 550 mm。選擇油松林地、刺槐林地、荒地和農地為研究對象\\( 表 1\\) 。其中，土壤 pH 利用賽多利斯 PB －10pH 計測定，黏粒百分含量利用馬爾文2000 粒度分析儀測定?！颈?】
1． 2 計算方法
楊培嶺等〔9〕假定不同粒徑土壤密度相等，提出了質量分形維數。計算公式如下：【3】
式中: D 為土壤團聚體分形維數; W 為直徑小于 Ri累積土壤團聚體質量; r 為土壤團聚體粒徑; WT為總質量; Ri為兩相鄰粒級 Ri與 Ri + 1間土粒平均直徑; Rmax為最大粒級平均直徑。
土壤水穩性團聚體平均質量直徑 \\( MWD\\) 由以下公式計算:【4】
式中: Xi為任一級別范圍內團聚體的平均直徑\\( mm\\) ; Wi為對應于 Xi的團聚體百分含量。
土壤水穩性團聚體組成的偏倚系數\\( Cs\\) 計算方法見文獻〔10〕。當 Cs ＞0 時，團聚體組成的分布特征屬于正偏態，意味著含量占優勢的團聚體直徑較大，土壤團聚作用強，分散性弱; Cs ＜0 時，團聚體分布是負偏態，意味著含量占優勢的團聚體直徑較小，土壤分散性強〔10〕。
1． 3 分析方法
每個樣地按“S”型布設 5 個樣點，每個樣點取0 ～ 5 cm土層的土壤樣品，將采集的 5 個樣點土壤樣品混合均勻，按四分法分 3 袋裝，帶回實驗室，自然風干后過 0． 25 mm 篩，用于測定土壤有機質。同時采集表層\\( 0 ～ 5 cm\\) 原狀土樣品，帶回實驗室自然風干后，放入孔徑為 5 mm 和 3 mm 的土壤套篩中，手動左右搖篩各 30 下。取 2 ～5 g 過 3 ～5 mm 篩的團聚體放入水穩性團聚體測定儀\\( 型號: 08． 13，產地: 荷蘭\\) 孔徑為 0． 25 mm 的篩網中，加去離子水淹沒，震蕩 10 min 后，用無水乙醇將土壤團聚體沖洗到 100 mL 燒杯中，并于40 ℃干燥48 h。最后，用套篩直徑分別為 2 mm、1． 2 mm、0． 5 mm、0． 25 mm 進行干篩。計算 ＞ 2 mm、1． 2 ～ 2 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm、0． 25 ～ 0． 5 mm 和 ＜ 0． 25 mm 質量百分含量，并利用式\\( 3\\) 和式\\( 4\\) 計算土壤水穩性團聚體的分形維數和平均質量直徑。每個樣品作 3 個平行。
另外，將除農地和一年荒地外的其他樣地同一粒級 水 穩 性 土 壤 團 聚 體 樣 品 混 合 后 研 磨，過0． 25 mm 篩，用于測定不同粒級\\( ＜ 0． 25 mm、0． 25 ～0． 5 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm 和 1． 2 ～ 2 mm\\) 土壤水穩性團聚體中的有機質含量。土壤有機質的測定采用重鉻酸鉀容量法\\( 外加熱法\\) 。利用 Excel 2003 和SPSS 13． 0 軟件進行統計分析，并利用方差分析\\( ANOVA\\) 中的最小顯著差異\\( LSD\\) 進行差異顯著性檢驗。
2 結果與分析
2． 1 ＞ 0． 25 mm 水穩性團聚體含量
由圖 1 可知，植被類型對土壤水穩性團聚體的百分含量有顯著影響。林地和永久性荒地表層土壤團聚體在濕篩后，仍以較大粒級團聚體為主，而在農地和一年荒地中，則以 ＜0． 25 mm 的為主，說明農地和一年荒地中較大團聚體被更多地分散為小團聚體，土壤團聚體水穩性差。在黃土高原地區，一般以＞ 0． 25 mm 水穩定性團聚體含量為土壤可蝕性的重要指標。 ＞0． 25 mm 水穩性團聚體含量在油松地③最大，為 95． 25%，在蘋果地最小，為 24． 07%。各樣地表層土壤 ＞0． 25 mm 水穩性團聚體百分含量的順序為: 油松地③ ＞荒地② ＞荒地① ＞ 油松地② ＞ 油松地① ＞刺槐地 ＞麥地 ＞一年荒地 ＞蘋果地?！緢D1】
2． 2 土壤水穩性團聚體平均質量直徑、分形維數和偏倚系數
平均質量直徑常作為土壤團聚體狀況的指標，其值越大，表示土壤團聚度越高，團聚體穩定性越強。分形維數越高，則土壤團粒結構越不穩定。偏倚系數表示各級團聚體分布的偏倚性，正值表示大于平均直徑的多于小于平均直徑的，負值則相反。
由表 2 可知，水穩性團聚體平均質量直徑和分形維數在各樣地之間的變化趨勢基本相反。其中，平均質量直徑在油松地③中最大，為 2． 90 mm，在農地和一年荒地中最小，在 0． 50 ～0． 58 mm。表層土壤水穩性團聚體平均質量直徑在各樣地順序為: 油松地③ ＞ 荒地② ＞ 油松地① ＞ 荒地① ＞ 油松地② ＞刺槐地 ＞ 蘋果地 ＞ 一年荒地 ＞ 麥地。表層土壤水穩性團聚體分形維數為 2． 16 ～2． 92，平均值為 2． 55，在一年荒地和農地為 2． 80 ～2． 92，而在林地和永久性荒地為 2． 16 ～ 2． 60。在計算分形維數時，lgW\\( r ＜ Ri\\) /WT與 lgRi/ Rmax之間線性回歸的相關系數在 0． 80 ～0． 99，線性相關顯著，說明利用式\\( 3\\) 計算所得的分形維數較準確。偏倚系數在林地和永久性荒地大于零，而在一年荒地和農地小于零?！颈?】
2． 3 土壤有機質含量
由表 2 可知，表層土壤有機質含量在油松地③最高，為 10． 76%，相對麥地增加了 4． 88 倍; 在刺槐林地較高，為 9． 21%，相對麥地增加了 4． 03 倍?；牡丌?、油松地①、油松地②和荒地①表層土壤有機質次之，相對麥地分別增加了 3． 64、3． 10、2． 76 倍和2． 56 倍。麥地、一年荒地和蘋果地土壤有機質含量較小，分別為 1． 86%、2． 11% 和 2． 33%。差異性分析表明，除一年荒地和麥地表層土壤有機質含量差異不顯著外，其他各樣地表層土壤有機質差異均顯著。
根據全國 1∶ 4 000 000 土壤有機質肥力質量分布圖及質量評判標準，麥地、一年荒地和蘋果地土壤肥力質量為 3 級，屬于一般水平，而其他各樣地土壤肥力質量為 5 級，肥力質量好?？梢?，在該區域通過退耕還林，可顯著提高土壤質量水平。
2． 4 不同粒級團聚體土壤有機質含量
不同粒級水穩性團聚體中的有機質含量和粒級之間的關系可利用函數 y = 0． 529x +4． 810 1\\( R2=0． 952 1\\) 很好擬合。由圖 2 可知，粒級 ＜ 0． 25 mm團聚體中有機質含量最小，為 5． 23%，并顯著小于其他各粒級土壤團聚體中的有機質含量。粒級為0． 25 ～ 0． 5 mm、0． 5 ～ 1． 2 mm、1． 2 ～ 2 mm 和 ＞ 2 mm的土 壤 團 聚 體 有 機 質 含 量 依 次 增 高，分 別 為6． 03% 、6． 26% 、7． 17% 和 7． 30% ，其中 1． 2 ～ 2 mm和 ＞2 mm的土壤團聚體有機質含量差異不顯著?！緢D2】
可見，土壤有機質主要包含在較大粒級的水穩性團聚體中。
2． 5 相關性分析
由圖3a 可知，大于 0． 25 mm 的水穩性團聚體百分含量與分形維數呈極顯著負相關\\( R2= － 0． 98\\) 。由圖 3b 可知，平均質量直徑和分形維數呈極顯著線性負相關\\( R2= － 0． 94\\) 。由圖 3c 可知，土壤有機質、平均質量直徑與分形維數之間可用線性關系進行很好擬合，決定系數分別為 0． 97 和 －0． 90?！緢D3】
3 討 論
3． 1 不同土地利用類型對土壤結構和有機質含量的影響
本研究涉及的土地利用類型為林地、荒地和農地，其中，荒地包括永久性荒地和一年荒地，后者由于退耕時間短，土壤有機質及水穩性團聚體含量和麥地無顯著差異。而荒地①和荒地②為永久性荒地，植被蓋度較高，但二者土壤有機質卻有顯著差異，這主要是由于荒地①和荒地②的坡度分別為30°和 20°。秦偉等〔11〕認為，坡度 15° ～25°和 25° ～35°土壤侵蝕量分別為 23 474． 47 t·a－ 1和 53 321． 11t·a－ 1，荒地①由于較強的土壤侵蝕而不利于土壤有機質的積累。另外，15 a 油松地土壤有機質含量顯著小于 15 a 刺槐地，表明刺槐林有利于土壤有機質的積累。董莉麗等〔12〕研究也認為，31 a 刺槐地與30 a 油松地退耕時間僅限差 1 a，但前者土壤質量指數高于后者的 32． 89%。15 a 油松地水穩性團聚體平均質量直徑大于 15 a 刺槐地，這主要由于前者枯枝落葉中多含樹脂和蠟脂等疏水性物質，阻礙了水的潤濕速度，導致團聚體內部空氣緩慢釋放，從而增加了其抗破碎能力〔13〕。油松地①、油松地②和油松地③為同一植被類型，水穩性團聚體平均質量直徑、大于 0． 25 mm 水穩性團聚體質量百分含量和土壤有機質含量在油松地③最高，分形維數在該樣地最小，這是由于油松地③退耕時間長達 30 a，且林下有6 cm 厚的枯枝落葉層和 8 cm 厚的腐殖質層。油松地①與油松地②相比，前者有機質含量和平均質量直徑都大于后者，這與前者退耕時間較長，且樣地坡度較小有關。將油松林 3 個樣地土壤有機質含量\\( SOM\\) 和油松的平均周長\\( c\\) 及栽植年限\\( a\\) 進行回歸分析，可以用二次多項式進行擬合，分別為:SOM = 0． 003 1c2－ 0． 228 4c + 11． 158 和 SOM =0． 013 4a2－ 0． 346 3a + 9． 067 6。
相對于林地和永久性荒地，麥地和蘋果地表層土壤團聚體分形維數\\( D\\) 最大，分別為 2． 80 和2． 92，而平均質量直徑和土壤有機質含量最小。
Lobe 等〔14〕認為，農地長期的耕種活動促進土壤有機質分解，會顯著影響區域土壤碳庫。林地和永久性荒地表層土壤有機質及水穩性團聚體含量顯著高于農地。Nichols 等〔3〕研究耕作措施對土壤結構影響時也認為，無耕作的土壤水穩性大團聚體含量較多，這表明較少地擾動有利于大團聚體的形成。Su等〔2〕研究也認為，農地轉變為草地后，土壤有機碳增加，并伴隨團聚體的形成和土壤團聚體穩定性的增強。林地水穩性團聚體 D 小于農地和一年荒地，這表明，在該區域實施的退耕還林有效降低了土壤水穩性團聚體分形維數，提高土壤結構穩定性，進而提高土壤抗侵蝕能力。在該區域，油松和刺槐屬于優良的水土保持樹種。
3． 2 土壤有機質與穩定性團粒結構形成的關系
由圖 3 可以看出，土壤有機質和水穩性團聚體平均質量直徑及分形維數呈線性相關。另外，對不同粒級水穩性團聚體土壤有機質含量與粒級進行回歸分析，以說明有機質在促進大團粒結構形成及水穩性團聚體在減少有機質礦化方面的作用。 ＜0． 25mm 水穩性團聚體中所含的土壤有機質較小，而較大粒級水穩性團聚體中土壤有機質含量較高。這與Schwendenmann 等〔15〕和楊瑩瑩等〔16〕研究結果一致，前者測定林地和草地土壤有機質含量在 0． 25 ～2 mm、0． 053 ～ 0． 25 mm 和 ＜ 0． 53 mm 的水穩性團聚體中分別為 5． 02%、4． 73%和 4． 37%; 后者表明，隨著團聚體粒徑減小，水穩性團聚體中有機質含量逐漸降低?？梢?，土壤有機質的輸入有利于穩定性團聚體的形成，穩定性團聚體可保護有機質以免礦化，這進一步促進了團聚體的穩定性〔7〕。植被恢復穩定土層結構、促進土壤水穩性大團聚體中有機碳的形成，可能在黃土丘陵侵蝕景觀土壤固碳過程中起重要作用〔17〕?？傊?，退耕還林通過增加有機物質的輸入，有利于水穩性團聚體的形成，而水穩性團聚體可增加水分入滲，減少侵蝕，增加土壤碳固定。
3． 3 幾種土壤水穩性團聚體指標比較
無論采用哪個指標，基本上都能夠表征土地利用類型引起的土壤團聚體水穩性的變化。偏倚系數Cs 能夠較為靈敏地表征各類土壤的團聚水平〔10〕。
一年荒地和農用地 Cs 為負值，而林地和永久性荒地Cs 為正值。但是，卻難以比較同一土地利用類型下的土壤團聚化水平。而大于 0． 25 mm 的水穩性團聚體質量百分含量、平均質量直徑和分形維數可用于比較各樣地土壤水穩性團聚體的含量，且三者之間及三者與土壤有機質呈極顯著正相關。
4 結 論
植被類型對土壤水穩性團聚體及有機質有顯著影響，退耕還林還草能夠顯著提高表層土壤質量。
退耕年限相同條件下，刺槐林地和油松林地相比，前者土壤有機質含量高于后者，而后者土壤水穩性團聚體含量高于前者。 ＜0． 25 mm 水穩性團聚體中所含的土壤有機質最小，而較大粒級水穩性團聚體中土壤有機質含量較高，這說明土壤有機質為土壤大團聚體的形成提供了良好的物質基礎，另一方面說明大部分土壤有機碳儲存在大粒級團聚體中。
