荒漠草原人工檸條引入后土壤團聚體幾何分布及拓撲結構演變特征

朱志昊，孟晨*，王興，宋乃平，王麗，徐苗苗，杜靈通

（1. 寧夏大學西北土地退化與生態系統恢復國家重點實驗室培養基地，寧夏 銀川 750021；2. 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏銀川 750021；3. 寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021；4. 寧夏大學農學院，寧夏 銀川 750021）

土壤團聚體是土壤的重要組成部分，是土壤結構的基本單位［1-2］，其結構、分布及穩定性對植被的恢復與生長有著重要影響，對區域生態恢復和防止表土沙化具有重要意義［3］。量化異質性土壤中團聚體結構是評價土壤和植被管理措施時必須考慮的一個重要因素［4］，大量研究證明了團聚體結構對水土保持、土壤功能、植物生長的重要作用［5-10］，尤其是團聚體拓撲幾何結構及分布，其會對孔隙網絡產生重要影響，從而影響水分、養分等資源的儲存與運移［11-12］。然而，以往對土壤團聚體的研究局限于對水穩性團聚體數量及大小的量化分析［13-22］，而對異質性原狀土壤中團聚體幾何分布情況及拓撲結構特征的認識不夠，阻礙了對土壤團聚體形成過程、機制及其生態功能的充分認識。

團聚體的形成是一個自然過程，但其會受到土地利用、耕作干擾、施肥和種植制度等人類活動的影響［23］，同時，土壤管理策略、土壤性質和植物根系性狀復雜的相互作用共同決定著土壤團聚體的穩定性［13］。人工植被的引入及持續恢復，會導致團聚體穩定性發生變化［14］，植物生長也可以改變土壤的力學以及水文特征，以促進土壤團聚體的形成和穩定［15，24］，并最終增加水穩性團聚體的含量［25］。例如，＞2 mm 粒級團聚體含量會隨著杉木（Cunninghumia lanceolata）人工林林齡的增長呈先增后減趨勢［16］；＞0.25 mm 粒徑團聚體會隨著玉米（Zea mays）種植年限的增加呈持續穩定增加趨勢［17］；而杉木人工林的中齡林和成熟林土壤團聚體結構優于幼齡林［18］。通過以往研究也可發現，不同植物種在引入、恢復中其土壤團聚體演變過程具有差異性［26-27］，因此需要針對典型植物開展研究。檸條（Caragana korshinskii）生態恢復功能強，是我國西北荒漠地區的主要人工營造樹種［28］。但是，在檸條生長至一定年限后土壤結構性質會產生再退化現象，影響表層土壤根系生物量，從而影響表層土壤結構發育及演變［29］。例如，隨著檸條林齡的增長，土壤逐漸干化形成干層，且干層厚度及深度均呈增加趨勢［30］，降低了水土保持、生物多樣性，影響了生態恢復的可持續性。因此，有必要關注檸條引入后表層土壤中團聚體結構的演變過程。本研究將利用計算機斷層掃描（computed tomography，下文稱CT 掃描）［31-34］結合圖像處理分析，對荒漠草原不同林齡檸條林地土壤團聚體幾何分布及拓撲結構特征進行量化分析，以期為明晰荒漠草原區檸條林在不同生長階段的水土資源利用策略、維持檸條林生態效益提供重要的科學依據，并為今后土壤團聚體形態與功能等方面的深入研究提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于寧夏回族自治區吳忠市鹽池縣內（37°57′23″-37°83′47″ N， 106°77′99″-107°50′70″ E），平均海拔1600 m，主要的土壤類型是灰鈣土和風沙土。研究區域屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為8.1 ℃，無霜期為150 d。年均降水量為280 mm，80%以上的降水量集中在5-9 月，其中全年60%以上的降水又集中在7-9月，年均蒸發量為2710 mm。西風和西北風為全年主要風向，主要發生在春季。研究區植被多以牛枝子（Lespedeza potaninii）、老瓜頭（Cynanchum komarovii）、草木樨狀黃耆（Astragalus melilotoides）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、狗尾草（Setaria viridis）、短花針茅（Stipa breviflora）、苦豆子（Sophora alopecuroides）、綿蓬（Corispermum hyssopifolium）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等植被為主。

1.2 樣地選取與取樣方法

試驗于2021 年5 月開始，共設置5 個樣地，根據檸條不同種植年份選取4 個試驗樣地，另選取未種植檸條的草本樣地為對照組。檸條林地未引入檸條前均為放牧草地，樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Plot fundamental information

在4 種檸條引入（9、14、24、35 年生）樣地中，每種選取2 個樣地重復，每個樣地選取2 個樣點重復，草地樣地選取2 個樣點重復，在每個樣點的0～10 cm、10～20 cm 土層利用自制超薄鋼材環刀（高65 mm，內徑50 mm，厚度小于0.5 mm，為了保障根系構型分析精度，單個掃描樣品高度控制在65 mm）取樣后利用nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統（三英精密有限公司）掃描分析根-土原狀結構，即有（4 種林齡樣地×2 個樣地重復×2 個樣點重復+1 個草地×2 個樣點重復）×2 層土壤共計36 個環刀樣用于CT 掃描。采樣過程中，首先去除土壤表面的枯落物層，再將環刀底部平放在土壤，利用反鏟小心地鏟開環刀外圍的土壤，并同時令環刀緩慢地垂直深入。為了避免土壤被破壞，在每根環刀的上下兩端各固定一塊鐵板，為了防止土壤移動和滲漏，在鐵板外用保鮮膜包裹，在固定鐵板的同時，減少了土壤水分的蒸發。土柱采集完畢立即送往實驗室進行CT 掃描，運輸的過程中需要將土柱固定，避免運輸途中顛簸造成的土體破壞，減少運輸過程導致的誤差。最后利用鋁盒、自封袋、普通環刀取得土壤樣品（各3 個重復）帶回實驗室進行測定。樣地土壤基本性質見表2。

表2 樣地土壤基本性質Table 2 Basic properties of the soil in the plot

1.3 數據分析

1.3.1 CT 掃描與圖像處理 利用nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統（圖1，三英精密有限公司生產，像素細節分辨能力200 nm，空間分辨率200 nm，可測樣品尺寸直徑×高度不高于600 mm×600 mm）對36 個原狀土樣進行掃描。經CT 掃描后，每個原狀土柱將得到2094 張橫向切層圖像。首先利用ImageJ軟件對所有橫切圖進行預處理，再使用圖像處理軟件Avizo 2019.1（圖2）對每個土柱的所有橫切圖像進行三維重構，得到各原狀土樣的幾何分布圖像。三維重建方法如下：首先導入二值化圖像，依次進行整合處理、閾值分割，再通過剪裁功能修改單位，使重構模型接近真實試件，利用Volume-edit 模塊截取圓柱并生成mask，最終得到體素為0.137 mm/pixel（X 方向）×0.137 mm/pixel（Y 方向）×0.2 mm/pixel（Z 方向）的三維立體圖像。

圖1 nanoVoxel-5000 系列雙射線源CT 系統Fig.1 nanoVoxel-5000 series dual ray source CT system

圖2 圖像處理軟件Avizo 2019.1 使用界面Fig.2 Image processing software Avizo 2019.1

1.3.2 根-土結構參數分析 在幾何分布圖像重建后，由于取樣時土管邊緣會反向給予土壤壓力，從而使得邊緣處土壤結構變化，因此需要去除這種邊緣效應帶來的誤差。經過觀察及分析，決定去除圓周1 mm、上下兩端各1 mm 的數據，利用Avizo 2019.1 圖形軟件的ROI 工具將邊緣1 mm 及上下兩端1 mm 的圖像數據去除。最終得到X、Y 軸-24～24 mm，Z 軸-32～32 mm 的土柱三維立體圖像數據，并進行下一步的計算。

利用Avizo 2019.1 進一步對圖像進行解析，構建土壤團聚體結構分布特征。提取所有粒徑＞0.25 mm 的團聚體，并計算相關參數及其在圖像中的位置。最終將土壤團聚體數據整合成為Excel 文件格式，準備進行下一步計算與處理。土壤團聚體的閾值選取方法及各特征參數的具體計算方法如下：首先預制一個水穩性團聚體，同時結合土柱拆解后肉眼識別的方法，將確定為團聚體閾值范圍內的土團確定為團聚體。勾畫出土柱三維結構中的團聚體，使得土柱團聚體三維可視化，利用Avizo 2019.1 軟件分析得到每個團聚體的長度、體積、表面積、等效直徑、球度，并統計團聚體數量。統計得到各土柱中每1 mm 土層的團聚體數量密度、長度密度、體積密度、表面積密度、平均等效直徑及平均球度。

1.4 統計分析

采用Excel 2016 對試驗數據進行整理，采用SPSS 26 對數據進行方差齊性檢驗，數據不符合方差齊性，選擇韋爾奇方差分析法（Welch’s anova）分析檸條種植年限對團聚體的影響，并用Games-Howell 法進行多重比較（α=0.05）；采用R 4.1.2 中“vegan”包的“cor”函數進行Pearson 相關性分析，使用“vegan”包的“rda”函數進行主成分分析（principal component analysis， PCA）；采用Origin 2021 和R 4.1.2 制圖，結果中數值采用“平均值±標準誤”表示。

2 結果與分析

2.1 不同林齡檸條林地土壤團聚體幾何分布特征

土壤團聚體幾何分布結果見圖3，不同林齡下的團聚體幾何分布特征差異明顯：相較之下，35 年生檸條林地及草地對照樣地土壤團聚體分布更為均勻，且分布密度高，而9 和14 年生林地土壤中團聚體分布的均勻性較差，土壤團聚體集中于部分區域，而在部分區域的分布密度較低。

圖3 土壤團聚體幾何分布特征Fig.3 Geometric distribution characteristics of soil aggregates

2.2 檸條林土壤團聚體數量及長度分布演變特征

對檸條灌叢引入后的土壤團聚體數量及長度特征演變規律進行分析（表3），可見，檸條種植后，除了14 年生檸條林地，其他林齡土壤團聚體數量密度整體上顯著高于草地（P＜0.05）；0～10 cm 土層土壤團聚體數量密度表現為9 年生＞24 年生＞35 年生＞14 年生＞CK，10～20 cm 土層土壤團聚體數量密度隨著林齡增加呈先增后減再增的趨勢，總體上，0～20 cm 土層土壤團聚體數量密度表現為9 年生＞35 年生＞24 年生＞14 年生。林齡與團聚體數量密度的相關系數為0.262（P＜0.001）（圖4），可見團聚體數量密度整體上與林齡成正比。通過圖5a 可見，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，9 年生團聚體數量密度總體呈先增加后減少的趨勢，其他組團聚體數量密度總體呈平緩的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團聚體數量密度總體呈先增加后減少的趨勢，草地對照團聚體數量密度總體呈先減少后增加的趨勢，14 年生團聚體數量密度總體呈平緩增加的趨勢。

圖4 檸條林齡與土壤團聚體拓撲結構特征相關關系Fig.4 Correlation between different years of C. korshinskii and topological characteristics of soil aggregates

圖5 不同林齡檸條林地土壤團聚體拓撲結構特征隨土壤深度變化情況Fig.5 Topological characteristics of soil aggregates in C. korshinskii shrubland of different years vary with soil depth

表3 不同林齡檸條林地不同深度土層土壤團聚體拓撲結構特征Table 3 Topological characteristics of soil aggregates in soil layers at different depths in C. korshinskii shrubland of different years

由表3 可見，9 年生至35 年生土壤團聚體長度密度呈先減后增的趨勢；在地下0～10 cm，團聚體長度密度整體上顯著高于草地（P＜0.05）。林齡與團聚體長度密度的相關系數為0.309（P＜0.001）（圖4），可見團聚體長度密度整體上與林齡成正比。由圖5b 可以看出，在0～10 cm 土層 ，隨著土壤深入，團聚體長度密度總體呈先增加后減少的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團聚體長度密度總體呈先增加后減少的趨勢，草地對照團聚體長度密度總體呈先減少后增加的趨勢，14 年生團聚體長度密度總體呈平緩增加的趨勢。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團聚體數量密度及長度密度存在顯著差異，結合圖6 可得，總體表現為隨著林齡的增加，團聚體數量密度及長度密度隨之增加；相比于表層土壤，深層土壤具有更大的團聚體數量密度及長度密度。

圖6 檸條林齡與土壤團聚體拓撲結構特征主成分分析Fig. 6 Principal component analysis of topological characteristics of different years of C. korshinskii and soil aggregates

2.3 檸條林土壤團聚體體積及表面積分布演變特征

分析檸條灌叢引入后的土壤團聚體體積及表面積特征演變規律（表3）可知，草地至9 年生檸條林的團聚體體積密度下降；在地下0～10 cm，團聚體體積密度在9 年生至24 年生增加，而到35 年生減少；在地下10～20 cm，團聚體體積密度在9 年生至24 年生減少，而到35 年生增加。林齡與團聚體體積密度的相關系數為0.482（P＜0.001）（圖4），可知團聚體體積密度整體上與林齡呈正相關關系。由圖5c 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，9 年生團聚體體積密度總體呈增加的趨勢，其他組團聚體體積密度總體呈先增加后減少的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、35 年生團聚體體積密度總體呈先增加后減少的趨勢，14 年生和草地對照團聚體體積密度總體呈先減少后增加的趨勢，24 年生團聚體體積密度總體呈增加的趨勢。

由表3 可得，草地至9 年生檸條林的土壤團聚體表面積密度下降；在0～10 cm 土層，14、24、35 年生和草地對照團聚體表面積密度分別是9 年生的1.31、1.80、1.84、1.10 倍，9 年生至35 年生呈增加趨勢；在10～20 cm 土層，9、24、35 年生和草地對照團聚體表面積密度分別是14 年生的1.46、1.02、1.92、1.88 倍，14年生至35 年生呈增加趨勢。林齡與團聚體表面積密度的相關系數為0.368（P＜0.001）（圖4），可知團聚體表面積密度整體上與林齡呈正相關關系。團聚體體積密度與表面積密度相關性極強，相關系數達到0.948（P＜0.001） （圖4）。由圖5d 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，團聚體表面積密度總體呈先增加后減少的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9、24、35 年生團聚體表面積密度總體呈先增加后減少的趨勢，草地對照團聚體表面積密度總體呈先減少后增加的趨勢，14 年生團聚體表面積密度總體呈增加的趨勢。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團聚體體積密度及表面積密度存在顯著差異，總體表現為隨著林齡的增加，團聚體體積密度及表面積密度隨之增加；相比于表層土壤，深層土壤具有更大的團聚體體積密度及表面積密度。

2.4 檸條林土壤團聚體平均等效直徑及平均球度分布演變特征

對不同林齡檸條林地土壤團聚體平均等效直徑及平均球度特征進行分析（表3）可知，草地至9 年生檸條林的團聚體平均等效直徑下降；在地下0～10 cm，9年生至24 年生團聚體平均等效直徑呈增加趨勢；在地下10～20 cm，9 年生至35 年生團聚體平均等效直徑總體呈先增后減再增趨勢。林齡與團聚體平均等效直徑的相關系數為0.108（P＜0.01）（圖4），可見整體上，團聚體平均等效直徑隨林齡增加而增加。由圖5e 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，14 年生和草地對照團聚體平均等效直徑總體呈增加的趨勢，24 年生團聚體平均等效直徑總體呈減少的趨勢，其他組團聚體平均等效直徑總體呈平緩的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9 年生團聚體平均等效直徑總體呈先增加后減少的趨勢，14 年生團聚體平均等效直徑總體呈先減少后增加的趨勢，其他組團聚體平均等效直徑總體呈平緩的趨勢。由圖7 可以看出，不論是不同林齡的檸條林地，還是草地對照，平均等效直徑在0.25～0.30 mm 的團聚體最多，并且隨著團聚體平均等效直徑增大，團聚體的占比逐漸變少，在0.35～0.40 mm 急劇減少。

圖7 不同林齡土壤團聚體平均等效直徑分布Fig. 7 Average equivalent diameter distribution of soil aggregates of different years

土壤團聚體球度越大，代表團聚體越規則，穩定性越強［35］。草地至9 年生檸條林的土壤團聚體平均球度增加（表3）；在地下0～10 cm，9 年生至35 年生團聚體平均球度呈先減后增的趨勢；在地下10～20 cm，9 年生至35 年生團聚體平均球度總體呈減少趨勢。林齡與團聚體平均球度的相關系數為-0.384（P＜0.001）（圖4），可見整體上，林齡對團聚體平均球度有重要的負相關影響。由圖5f 可以看出，在地下0～10 cm，隨著土壤深入，14 年生團聚體平均球度總體呈先減少后增加的趨勢，草地對照團聚體平均球度總體呈增加的趨勢，35 年生團聚體平均球度總體呈平緩的趨勢，其他組團聚體平均球度總體呈減少的趨勢；在地下10～20 cm，隨著土壤深入，9 年生團聚體平均球度總體呈增加的趨勢，14 年生和草地對照團聚體平均球度總體呈增加的趨勢，其他組團聚體平均球度總體呈減少的趨勢。

綜上，不同林齡檸條林地土壤團聚體平均等效直徑及平均球度存在顯著差異，總體趨勢表現為隨著林齡的增加，團聚體平均等效直徑有所增加，團聚體平均球度有所減少；相比于深層土壤，淺層土壤具有更大的團聚體平均等效直徑及平均球度。

3 討論

相比以往研究中對土壤水穩性團聚體含量、團聚體平均質量直徑（mean weight diameter， MWD）、幾何平均直徑（geometric mean diameter， GMD）和質量分形維數（fractal dimension， D）等指標的測量分析［13-22］，本研究利用CT 掃描結合圖像處理解析方法，獲取了荒漠草原不同林齡檸條林地土壤團聚體的幾何分布特征，并量化了原狀土壤中團聚體的數量、長度、體積、表面積、平均等效直徑、平均球度等拓撲結構特征參數，這有利于進一步認識土壤團聚體的發育過程、機制及其生態功能。同時，利用CT 掃描及圖像處理技術獲取土壤團聚體拓撲結構指標，可為今后土壤團聚體水文效應［36］、根系與土壤團聚體互作關系［37］等方面的研究提供技術支撐。

檸條林地土壤團聚體數量密度表現為9 年生＞35 年生＞24 年生＞14 年生，可見，剛種植檸條的一定年限內，土壤團聚體含量會隨著林齡增加先減少后增加。以往研究發現土壤大團聚體（＞0.25 mm）含量總體表現為35年生檸條＞25 年生＞15 年生［19］，而＞0.25 mm 水穩性團聚體數量隨著檸條種植年限增加出現先減小后增大的現象［20］，本研究結果與其基本一致。在0～10 cm 土層，團聚體體積密度在林齡為14 年生時開始增加，而在10～20 cm 土層，體積密度在35 年生時才開始增加，可見，雖然大團聚體在深層含量多于淺層，但大團聚體在表層形成快于深層，檸條在該地區的表層恢復效果強于深層。以往研究發現植被恢復可顯著改善土壤理化性質，但隨著土層深度增加，土壤物理性質改善效果會減弱［38］，土壤酶活性、土壤養分和土壤微生物多樣性均呈降低趨勢［39］，本研究結果與其基本一致。本研究中土壤團聚體平均等效直徑表現為CK＞9 年生＞35 年生＞24 年生，可見大林齡檸條林地土壤團聚體平均等效直徑要低于未種植檸條的草地，這與以往研究結果一致［21］?？梢娙斯ぴ炝謺е峦寥缊F聚體平均直徑降低，可能是因為檸條的引入提高了地下生態系統功能，促進了小直徑土壤團聚體的形成，導致微團聚體數量增多，從而使得檸條林地土壤團聚體平均直徑降低［40］。

對比近35 年檸條林地土壤團聚體幾何分布特征發現，隨著檸條林齡增加，土壤團聚體密度逐漸增大且分布逐漸均勻，土壤結構改善效果良好，可見檸條的種植可以很好地改善土壤的結構，這與以往的研究結果基本一致［22，41-42］。雖然林地表層土壤團聚體數量、體積少于深層土壤，但表層團聚體的平均球度大、平均等效直徑大，因此可以認為表層土壤的團聚體穩定性更強，這與以往的研究結果一致［43-44］，因此，在對土地資源利用及檸條林管理時不能僅考慮團聚體數量、大小而忽略土壤團聚體分布及拓撲結構改變帶來的重要影響。此外，今后研究中需要充分考慮人工林生長過程中林地土壤團聚體幾何分布與拓撲結構特征演變引起的生態功能改變，從而進行針對性、精細化管理，以提高人工林生態恢復的高效性及可持續性。

4 結論

1）利用CT 掃描及圖像處理技術可以量化土壤團聚體幾何分布及拓撲結構特征，可為今后土壤團聚體水文效應、根系與土壤團聚體互作關系等方面的研究提供技術支撐。

2）人工檸條引入及林齡增加會導致土壤團聚體數量增加、表層大團聚體形成、拓撲結構優化，需要關注人工林生長過程中林地土壤團聚體幾何分布與拓撲結構特征演變引起的生態功能改變。

3）在人工檸條林地，雖然0～10 cm 土層土壤團聚體數量、體積小于10～20 cm 土層土壤，但0～10 cm 土層土壤團聚體平均粒徑及球度更大，可見林地表層土壤具有更少但更穩定的團聚體，在今后相關研究中，不僅需要分析團聚體數量及大小，同時不能忽略可表征團聚體穩定性的拓撲結構參數的特征與變化。