Effect of Biological Crust Mulching on Distribution Characteristics and Stability of Soil Aggregates in Loess Hilly Region
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摘要:目的 以吕梁离石区结皮覆盖（藻结皮、藓结皮、藓草混生结皮，裸地为对照）下土壤为研究对象，研究结皮种类对其下层土壤有机碳及土壤团聚体稳定性的影响。方法 通过干筛和湿筛法对土壤团聚体分级，探究土壤容重、土壤有机碳含量和土壤静水崩解速率与团聚体稳定的相关性。结果 在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm深度，3种结皮下土壤容重与裸地间均达到显著差异；土壤有机碳含量表现为藓草混生结皮和藓结皮分别比裸地显著增加。不同深度土层，团聚体破坏率、分形维数表现为裸地 > 藻结皮 > 苔藓结皮 > 藓草混生结皮；平均重量直径和几何平均直径变化规律正好相反。相关性分析表明，> 0.25 mm土壤团聚体含量与土壤容重呈显著负相关关系；团聚体破坏率、分形维数与土壤容重、土壤静水崩解速率呈极显著正相关关系，与土壤有机碳含量呈极显著负相关关系；平均重量直径、几何平均直径与土壤容重呈极显著负相关关系，与土壤静水崩解速率呈显著负相关关系，与土壤有机碳含量呈极显著正相关关系。结论 黄土丘陵吕梁随结皮层次提高，土壤团聚体形成能力和土壤团聚体水稳定性逐渐增高，对土壤水稳定性起主导作用的是土壤有机碳含量。Abstract:Objective The effects of soil crusts types on the soil organic carbon and the stability of soil aggregates were studied under the soil crust mulching (algal crust, moss crust, mixed soil crust and bare soil) in the rocky area of Lüliang.Method The relationships between soil bulk density (SBD) , soil organic carbon (SOC) and soil static water disintegration rate (B) and the stability of soil aggregates were investigated by dry and wet sieving methods.Result The results showed that there were significant differences between SBD and bare land at the depth of 0 ~ 5 cm and 5 ~ 10 cm. The SOC of Moss mixed crust and Moss crust increased significantly than that of bare soil. In different depth of soil layers, the aggregate broken rate (PAD) and fractal dimension (D) were Bare Land > Algal Crust > Moss Crust > Moss Mixed Crust, but the mean weight diameter (MWD) and geometric mean diameter (GMD) were opposite. The correlation analysis showed that the contents of soil aggregate (R0.25) were negatively correlated with SBD, and the contents of PAD, D were positively correlated with SBD and B, and negatively correlated with SOC. MWD, GMD and SBD showed a significant negative correlation, a significant negative correlation with B, and a significant positive correlation with SOC.Conclusion With the increase of soil crust succession, the ability of soil aggregate formation and the water stability of soil aggregate increase gradually in Lüliang Loess Hilly region, and the content of soil organic carbon plays a dominant role in soil water stability.
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【研究意义】土壤团聚体是由微生物菌丝、细根、土壤有机碳与土壤颗粒胶结而成的土壤结构单元，其粒径大小及组成比例对土壤肥力、土壤孔隙度和水、肥、气、热等平衡有重要影响，是衡量土壤物理质量的重要指标[1-2]。土壤团聚体的稳定性与降雨入渗和土壤侵蚀关系密切，因此土壤水稳性团聚体的数量和特征反映了土壤结构的稳定性和抗侵蚀能力。目前公认的土壤团聚体稳定性评价指标主要有大团聚体含量、土壤平均直径、几何平均直径、分形维数和土壤静水崩解速率。土壤团聚体稳定性受土壤质地、有机及无机胶结、植被类型、土壤侵蚀以及人为活动等影响[3-4]。生物结皮作为干旱和半干旱地区重要地表覆被，是由土壤微生物、藻类、地衣和苔藓等孢子植物类群与土壤形成的有机复合体，是黄土丘陵区的先锋植物。在干旱、半干旱生态系统中，生物结皮的发育和演替是土壤形成和质量演变的关键因素[5]。黄土高原是世界黄土分布最典型的区域，其沟壑地貌极易发生侵蚀，是世界上水土流失最为严重和生态环境最脆弱的地区，是我国水土保持和生态建设的重点地区[6]。因此，研究生物结皮条件下黄土高原土壤团聚体组成及其稳定性，对解决黄土高原土壤营养与水土流失问题，防治土壤侵蚀，提高土壤抗侵蚀能力具有重要意义。【研究进展】随着近年来国家的退耕还林（草）工程、淤地坝建设和坡耕地整治等大型生态工程，生物结皮分布越来越广泛，所发挥的生态作用也越显突出。对黄土丘陵区生物结皮土壤抗蚀性的研究发现，生物结皮通过本身分泌的有机凝胶体和多聚糖等胶结物质及菌丝之间的缠绕、包裹等作用，增强了松散土粒间的黏结力，且认为黏结力随结皮盖度的增加而增加[7-8]。随结皮年限增长和盖度，土壤水稳定团聚体含量逐渐增加，土壤抗冲能力提高，到一定年限后趋于稳定[9-10]。生物结皮覆盖的提高加快土壤有机质转化速度，影响着水分的再分配过程，对脆弱生态系统内养分循环及土壤的形成具有积极意义，反过来这种土壤生态效应又促进生物结皮的形成、演变及其生态功能[11-13]。【本研究切入点】在水分缺乏的干旱半干旱地区，高等维管植物生长受水分的影响而成斑块状，斑块之间的裸地为生物土壤结皮提供了空间，形成了结皮与草混生的状态，成为一种特殊的结皮形式[14]。【拟解决的关键问题】本研究以黄土丘陵藻结皮、藓结皮、藓草混生结皮覆盖下土壤为研究对象，以裸地为对照，应用干筛和湿筛法分析土壤团聚体分布特征、团聚体稳定性及其变化趋势，并结合深度分析了土壤有机碳含量、土壤静水崩解速率与团聚体稳定性的相关性，探讨结皮覆盖对该区域土壤质量的影响，以期为结皮在黄土丘陵土壤质量提升提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 研究区概况
吕梁市（36º43′ ~ 38º43′ N，110º22′ ~ 112º19′ E）位于山西省中部西侧，因吕梁山脉由北向南纵贯全境而得名。吕梁属黄土丘陵沟壑区，山区、半山区面积占92%。属半干旱暖温带大陆性季风气候，春季干燥，雨少风多；夏季炎热，雨量集中。多年平均降水量502.5 mm左右，年平均气温约8 ~ 9 ℃，年平均日照时数2351.7 ~ 2871.7 h，无霜期一般为133 ~ 178 d。试验地土壤以褐土为主。
1.2 样地选择和样品采集
采样时间为2021年5月初到9月，共分3次。在野外实地调查的基础上选择吕梁市离石区周边有10年以上退耕还林时间的如意湖、千年里撂荒地，以裸地为对照，选取藻类（盖度不小于60%）、苔藓（主要为真藓、对齿藓和葫芦藓、芦荟藓）、苔藓和杂草混生结皮（杂草和苔藓总盖度不低于60%）覆盖下的土壤作为研究对象，在取样地分别布设面积为15 m × 15 m的4个典型样方。通过S布点法进行采样，用环刀分别采集土壤剖面0 ~ 5 cm、5 ~ 10 cm土壤，3次重复，记录样品的采集地点和深度等信息后用自封袋带回实验室用于测定分析。采集样地具体信息见表1，结皮类型示意图见图1。
表 1 研究区样地基础信息Table 1. Basic information of sample plots in study area研究区
Research area位置
Location中心点坐标
Center point coordinate主要植被
Major vegetation样品类型
Sample type样地结皮盖度
Crust
coverage样地结皮厚度（cm）
Crust Thickness结皮年限
Age of crust如意湖上游 大武镇 111º10′13.08″ E，
37º38′45.6″ N油松、侧柏、高羊茅、早熟禾、
车前、紫菀、抱茎苦荬菜BG 0 0 13 a ZL 72% < 0.5 TX 65% > 3 MG 70% > 4 千年里 信义镇 111º18′9.36″ E，
37º33′24.24″ N野山桃、黄刺玫、高羊茅、
早熟禾、三叶草BG 0 0 11 a ZL 68% < 0.5 TX 62% > 2.5 MG 65% > 4 注：BG代表裸地，ZL代表藻结皮，TX代表藓结皮，MG代表藓草混生结皮，下同 1.3 测定项目与方法
机械稳定性团聚体：风干的土壤样品掰成不大于5 cm的小块（去掉小石子与枝根），使用土壤团粒结构分析仪（TPF-100）依次通过5、2、1、0.5和0.25 mm孔径的套筛进行干筛（振幅2.0 mm，时长10 min）并称重，记录数据。
水稳定性团聚体[15]：按干筛后各粒级团聚体百分比配置50 g土样，置于套筛最上层，把筛子放入装有蒸馏水的桶中浸泡10 min后进行湿筛，上下震荡振幅为4 cm，频率为30次 min–1，时长10 min，将筛分后各级筛层上土壤团聚体收集于铝盒，烘干称重，计算各级团聚体的百分比，并通过干筛和湿筛数据计算土壤团聚体破坏率（PAD，%）。
土壤崩解速率[16]（B，g min–1）：每个样方分别采集10 cm × 10 cm × 10 cm原状土，用保鲜膜包好带回实验室，将土壤样品放置在10 mm × 10 mm网眼的金属网架，将金属网架挂在推拉力计下（艾德堡HP-20型）缓慢下移完全浸入水中，开始记录拉力计读数并计时，计算崩解时间（每个样品连续测定不超过30 min）。用于土壤崩解速率的测定。
供试土壤容重（SBD，g cm–3）用环刀法测定[17]、土壤有机碳（SOC，g kg–1）含量采用硫酸－重铬酸钾外加热法测定[18]。
1.4 数据处理与统计分析
土壤崩解速率计算公式为
$$ B=\frac{W_{1}-W_{2}}{t_{1}-t_{2}} $$ (1) 式中，W1、W2 分别表示崩解开始和结束时拉力计读数（g），t1、t2分别为崩解开始、结束时刻计时器读数（min）。
土壤团聚体平均重量直径（MWD，mm）、几何平均直径（GMD，mm）、 > 0.25mm团聚体百分比（R0.25，%）计算公式为：
$$ M W D=\sum_{i}^{n} X_{i}\cdot W_{i} $$ (2) $$ GMD = \exp \left(\sum {{W_i}} \cdot \ln {X_i}\right) $$ (3) $$ R_{0.25}=\frac{M_{0.25}}{M_T} \cdot 100 \% $$ (4) 式中，Wi表示i级团聚体重量百分含量，Xi为第i级团聚体平均直径（mm），R0.25表示 > 0.25 mm团聚体百分含量，M0.25为 > 0.25 mm团聚体重量（g），MT表示土壤筛分前总重量（g）。
分形维数（D）计算公式为：
$$ D=3-\frac{\lg \left(W_i-W_0\right)}{\lg \left(d_i-d_{\max }\right)} $$ (5) 式中，dmax为最大粒径团聚体的平均直径（mm）；di 为两筛分粒级的平均粒径（mm）；Wi（δ < di）是直径di累积的团聚体平均重量（g）；δ为团聚体直径（mm）；W0为全部各粒级团聚体的重量和（g）。
采用Origin8.5和SPSS19.0进行数据处理和作图，采用单因素方差分析和邓肯检验法检验在0.05水平上不同结皮的SBD、SOC、土壤团聚体组成、MWD、GMD和D等指标的差异显著性；对结皮土壤物理性状及土壤团聚体稳定性指标间进行Pearson相关性分析。
2. 结果与分析
2.1 不同结皮覆盖对土壤容重和有机碳的影响
土壤容重可以反映土壤质地、结构、透气透水性，也是土壤熟化程度的主要指标之一。土壤容重越小，土壤结构、透气透水性和熟化程度就越高。由图2可明显看出，所有结皮及裸地均为深层土壤（5 ~ 10 cm）土壤比浅层土壤（0 ~ 5 cm）的土壤容重大。在同样土壤深度下，土壤容重由大到小依次均为裸地 > 藻结皮 > 苔藓结皮 > 藓草混生结皮。0 ~ 5 cm的土壤，藻结皮、苔藓结皮与藓草混生结皮容重分别为裸地的88.44%、82、31%和78.91%。5 ~ 10 cm的土壤，藻结皮、苔藓结皮与藓草混生结皮容重分别为裸地的88.67%、82.67%和78.67%。同一深度，不同结皮下土壤容重差异显著。随结皮层次提高，土壤熟化程度越高，透气性越好。
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图 2 不同结皮覆盖对土壤容重的影响不同小写字母表示同一土壤深度不同处理间差异显著。下同。Figure 2. Effects of different crusts on soil bulk density土壤的固碳能力是影响土壤团聚体发育程度的重要因素之一，团聚体的形成又可以减少有机碳的损失。由图3可知，所有结皮土壤有机碳含量在同一深度均大于裸地。同一类型土地利用方式下，土壤浅层有机碳含量均大于深层。这与尹瑞平[19]和姚宏佳[20]关于结皮下浅层土壤微生物数量远大于深层土壤，结皮层产生的分泌物和残体被微生物分解形成有机质，有机质作为微生物的底物，提高了微生物的数量和活性，促使土壤胞外酶活性显著增加，造成不同深度养分差异的研究结果一致。0 ~ 5 cm的土壤，藻结皮、藓结皮与藓草混生结皮有机碳含量分别为裸地的1.42、2.77和5.59倍。5 ~ 10 cm的土壤，藻结皮、苔藓结皮与藓草混生结皮容重分别为裸地的1.30、2.59和6.01倍。同一深度，与裸地相比，藻结皮土壤有机碳含量变化差异不显著，藓结皮和藓草混生结皮与裸地和藻结皮土壤差异显著。这一结果与王芳芳[21]关于生物结皮能固持更多的养分，减少养分随水土流失，增加土壤肥力的研究结果一致。
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图 3 不同结皮覆盖对土壤有机碳含量的影响Figure 3. Effects of different crusts on soil organic carbon content2.2 不同结皮覆盖对土壤团聚体组成及结构破坏率的影响
> 0.25 mm的团聚体称为土壤团粒结构体，是维持土壤结构稳定的基础，其含量越高，土壤结构的稳定性越大。> 0.25 mm土壤团聚体破坏率（PAD）值越低，土壤结构稳定性越好。表2的干筛数据，表示不同结皮土壤机械稳定性团聚体含量百分比，同时作为平均重量直径、几何平均直径和分形维数计算数据源。湿筛数据表示土壤水稳定性团聚体含量百分比，土壤干筛与湿筛数据相结合用于分析对应土层PAD。由表1可知，干筛条件下土壤团聚体以 > 1 mm的为主，在0 ~ 5 cm土层中，> 0.25 mm土壤团聚体含量由高到低依次为：藻结皮 > 藓草混生结皮 > 藓结皮 > 裸地，在5 ~ 10 cm土层中，> 0.25 mm土壤团聚体含量由高到低依次为：藓草混生结皮 > 藓结皮 > 裸地 > 藻结皮。湿筛条件下，0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm土层中，> 0.25 mm土壤团聚体含量由高到低依次均为：藓草混生结皮 > 藓结皮 > 藻结皮 > 裸地。 > 0.25 mm土壤团聚体破坏率均为裸地 > 藻结皮 > 藓结皮 > 藓草混生结皮。其中，0 ~ 5 cm深度的土壤，藓草混生结皮对土壤团聚体破坏的缓解效果与其他三种有显著差异。5 ~ 10 cm的土壤，藓草混生结皮对土壤团聚体破坏的缓解效果与裸地差异显著，与藻结皮和藓结皮差异不显著。说明结皮生长有利于土壤团粒结构体的形成，有利于土壤结构稳定性的增强。
表 2 不同结皮覆盖下土壤团聚体及结构破坏率Table 2. Soil aggregates and structural broken rates under different soil crusts结皮
类型
Crust type土壤深度
Soil depth方法
Method土壤团聚体粒径分布 (%)
Composition of soil aggregatePAD
(%)> 5 mm 5 ~ 2 mm 2 ~ 1 mm 1 ~ 0.5 mm 0.5 ~ 0.25 mm > 0.25 mm 裸地 0 ~ 5 cm 干筛 13.96 c 27.33 a 22.15 a 18.65 a 4.74 a 86.84 b 80.43 a 湿筛 2.48 b 1.88 b 2.37 b 43.96 a 5.54 ab 17.22 c 5 ~ 10 cm 干筛 15.96 d 34.58 a 18.07 a 11.13 a 3.74 a 83.47 a 82.11 a 湿筛 1.58 b 2.39 b 2.01 b 3.81 b 4.67 b 14.45 b 藻结皮 0 ~ 5 cm 干筛 35.89 bc 30.43 a 17.20 b 10.45 a 2.89 a 96.87 a 72.75 a 湿筛 3.70 b 2.97 b 4.19 b 7.13 a 8.40 ab 26.39 bc 5 ~ 10 cm 干筛 27.74 c 26.10 a 14.16 a 9.91 ab 3.43 a 81.33 a 78.13 ab 湿筛 2.63 b 1.66 ab 2.53 b 5.07 ab 5.52 ab 17.40 b 藓结皮 0 ~ 5 cm 干筛 39.24 ab 28.25 a 12.56 bc 12.66 a 1.72 a 94.43 a 65.70 a 湿筛 8.74 b 2.97 b 3.45 ab 7.30 a 9.91 a 32.37 b 5 ~ 10 cm 干筛 37.00 b 28.86 a 12.95 a 8.48 ab 2.69 a 89.99 a 74.72 ab 湿筛 4.80 a 2.51 ab 2.98 b 5.54 ab 6.80 a 22.64 ab 藓草混合结皮 0 ~ 5 cm 干筛 60.00 a 20.98 a 8.34 c 4.57 a 1.34 a 95.24 a 43.51 b 湿筛 23.81 a 8.67 a 1.84 a 9.92 a 4.49 b 53.73 a 5 ~ 10 cm 干筛 63.85 a 18.85 a 5.06 b 4.80 b 1.54 a 94.10 a 67.83 b 湿筛 6.28 a 4.37 ab 5.52 a 7.71 a 6.02 ab 29.91 a 注：不同小写字母表示同一土壤深度不同处理间差异显著。下同。 2.3 不同结皮覆盖对土壤团聚体稳定性指标的影响
平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和分形维数(D)可以反映团聚体的团聚程度。其中MWD、GMD值越大，D值越小，表征土壤团聚体团聚程度越好。由表3可以看出，土壤团聚体稳定性明显受到了结皮种类的影响。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm深度土层，MWD和GMD变化规律均为裸地 < 藻结皮 < 藓结皮 < 藓草混生结皮。在0 ~ 5 cm和5 ~ 10 cm深度土层中，D的变化规律均为裸地 > 藻结皮 > 藓结皮 > 藓草混生结皮。说明藓草混生结皮土壤团聚体稳定性最好。无论在0 ~ 5 cm还是5 ~ 10 cm土层，藓草混生结皮、藓结皮、藻结皮MWD均与裸地差异显著。在0 ~ 5 cm土层，藓草混生结皮、藓结皮、藻结皮间GMD差异不显著，三者与裸地相比差异显著（P < 0.05），5 ~ 10 cm土层，藻结皮与藓结皮GMD差异不显著，藓草混生结皮与其它差异显著。在0 ~ 5 cm土层，藓草混生结皮与其它处理分形维数差异显著，5 ~ 10 cm土层，藓结皮、藻结皮与裸地间分形维数差异不显著，三者与藓草混合结皮相比差异显著（P < 0.05）,且随着土壤深度增加，分形维数均呈降低趋势。即随着结皮下土壤深度增加，土壤的团聚稳定性下降；随着结皮层次的提高，土壤团聚稳定性增强。
表 3 不同结皮覆盖对土壤团聚体稳定性指标的影响Table 3. Effects of different soil crusts on the stability index of soil aggregates结皮类型
Crust type土壤深度
Soil depth平均重量直径
Mean weight diameter
（mm）几何平均直径
Geometric mean diameter
（mm）分形维数
Fractal dimension裸地 0 ~ 5 cm 2.49 c 0.61 b 2.21 a 5 ~ 10 cm 2.78 c 0.76 c 1.89 a 藻结皮 0 ~ 5 cm 4.10 b 1.11 a 1.81 b 5 ~ 10 cm 3.29 bc 0.88 bc 1.72 a 藓结皮 0 ~ 5 cm 4.22 b 1.14 a 1.64 ab 5 ~ 10 cm 4.05 b 1.11 b 1.49 a 藓草混合结皮 0 ~ 5 c m 5.40 a 1.48 a 1.07 c 5 ~ 10 cm 5.57 a 1.51 a 0.86 b 2.4 不同结皮土壤物理性状及土壤团聚体稳定性指标间相关性
表4可知，> 0.25 mm团聚体含量与MWD呈显著正相关关系（r = 0.672*），与几何平均直径呈极显著正相关关系（r = 0.742**），与土壤容重呈显著负相关关系（r = −0.621*）。团聚体破坏率与MWD、GMD、SOC呈极显著负相关，与D、SBD和B呈极显著正相关关系。MWD、GMD与D、SBD呈极显著负相关，与B呈显著负相关，与SOC呈极显著正相关关系。D与SBD和B呈极显著正相关，与SOC呈显著负相关关系。SBD与SOC呈极显著负相关，与B呈极显著正相关。SOC与B呈极显著负相关关系。也就是 > 0.25 mm团聚体含量越高，平均重量直径、几何平均直径越大，土壤有机碳含量越高，土壤的静水崩解速率就越低，土壤稳定性越好。
表 4 不同结皮覆盖下土壤物理性状及土壤团聚体稳定性指标间相关性Table 4. Correlation of physical properties and stability of soil aggregates under different soil crusts指标
IndexR0.25
（%）PAD
(%)MWD
（mm）GMD
（mm）D SBD
（g cm–3）SOC
（g kg–1）B
(g min–1)R0.25（%） 1 −0.443 0.672* 0.742** −0.554 −0.621* 0.391 −0.444 PAD (%) 1 −0.719** −0.713** 0.791** 0.820** −0.914** 0.839** MWD（mm） 1 0.098** −0.925** −0.877** 0.766** −0.657* GMD（mm） 1 −0.939** −0.869** 0.758** −0.673* D 1 0.854** −0.869** 0.749** SBD（g cm–3） 1 −0.854** 0.712** SOC（g kg–1） 1 −0.901** B (g min–1) 1 注：“*”表示在0.05水平（双侧）上显著相关，“**”表示在0.01水平（双侧）上显著相关。R0.25代表 > 0.25 mm团聚体百分比，PAD代表土壤团聚体破坏率，MWD代表平均重量直径， GMD代表几何平均直径，D代表分形维数，SBD代表土壤容重， SOC代表土壤有机碳， B代表土壤崩解速率 3. 讨论
3.1 不同结皮下土壤容重与土壤有机碳特征
土壤容重指田间自然垒结状态下单位容积土体的质量或重量。疏松多孔，有机质含量高、结构性好的土壤容重就越小。本研究中，随土壤深度增加，对照和各种结皮覆盖下土壤容重均呈增加的趋势，土壤有机碳含量均呈减小的趋势，土壤容重与土壤有机碳含量呈极显著负相关关系。该结果与孟杰对陕北水蚀风蚀交错区生物结皮土壤有机质研究的变化规律一致，即生物结皮的发育能不同程度提高结皮层下土壤酶活性，土壤酶活性的增强使得土壤中物质循环和转化加速，有机物逐渐积累，土层变得疏松，大孔隙随之增加，容重逐步下降。本研究中发现在同一深度下，土壤有机碳含量表现为藓草混生结皮 > 藓结皮 > 藻结皮 > 裸地。藓草混生结皮受杂草光合固定和死亡根系积累有机碳能力较高有关。结皮层藓类植物能在干旱和半干旱环境中捕捉大气中包括降雨、露、雾气等有限的水分，提高光合能力，增强光合固碳作用，增加土壤碳素累积量[22]。藻结皮中蓝藻的光合固碳及其次生代谢物多糖、微生物残体均为土壤碳素的来源，但受生物量本身较少和水分影响较大。该研究结果与郑智恒[23]关于石漠化地区生物结皮对养分影响的变化规律以及与张国秀对黄土丘陵区生物结皮营养素研究中得出的随着生物结皮生物量的提高，土壤有机质含量会显著增加的结论一致，因为随着结皮层次的提高，生物体积增大，生物量会明显增大。
3.2 不同结皮水稳定性团聚体粒级分布与团聚体破坏率差异
水稳定性团聚体越多，土壤结构越稳定。在受到降雨的径流冲刷时，水稳定性团聚体数量可以表征土壤结构的稳定性和抗蚀能力[24]。本研究中，> 0.25 mm水稳定性团聚体含量由高到低依次为藓草混合结皮、藓结皮、藻结皮，最低为裸地。该结果与丁倩[25]关于土壤颗粒组成对生物结皮稳定性的影响及机理中得出的生物结皮类型对土壤粘结力的影响规律一致。究其原因，主要是裸地表面无植被保护，受降雨或风蚀影响，表层土壤受径流冲刷或溅蚀作用，土壤团聚体遭到破坏。蓝藻在光合与固氮过程中会增加土壤有机物的含量，藻类分泌的胞外多糖、粘液和丝状蓝藻，将松散的土壤颗粒胶结、缠绕、捆绑在一起，稳定和保护土壤免受侵蚀影响[26-27]。苔藓植物贮水量可以达到自身重量的10 ~ 20倍，入渗土壤的降水为结皮层下土壤微生物的活动创造条件，加速土壤中养料的分解，提高土壤有机质含量，与苔藓的假根共同促进土壤颗粒间的胶结作用，同时微生物细胞带有负电荷，其静电引力促使土壤颗粒彼此连接[28]。苔藓结皮层的致密结构还在一定程度上堵塞土壤孔隙，阻碍结皮下层土壤与大气的交换，进而降低土壤呼吸过程有机质的损失[29]。藓草混生结皮，杂草有真正的根系，其活根能分泌高分子胶结物，死根及地表植物凋落物能提供有机质，作为土壤团粒的胶结剂[30]。丰富的有机质结合根系的穿插挤压缠绕作用，对提高土壤团聚体颗粒大小、增加土壤水稳定性提供了良好的保证。该结果与李宁宁对黄土丘陵结皮对土壤抗蚀性的研究结果一致，即发育后期的苔藓结皮提升土壤团聚体稳定性的功能明显大于发育初期的藻结皮。同时，土壤团聚体稳定性可以通过MWD、GMD与D等指标来评估。本研究发现，不同结皮覆盖改变了上述指标，MWD、GMD随结皮层次的提高逐渐增大，D随结皮层次提高逐渐减小。且相同深度情况下，结皮覆盖与裸地相比，这些稳定性指标均达到显著水平。
3.3 土壤物理性状及土壤团聚体稳定性指标间相关性
土壤崩解性是指土壤在静水中发生分散破碎塌落或强度减弱的现象。土壤崩解速率能够反映土壤抵抗水体分散快慢程度，是评价土壤抗侵蚀能力的重要指标。本研究发现，土壤容重与土壤崩解速率呈极显著正相关关系（r = 0.762**），该研究结果与曾光等等[31]的研究结果不一致。曾光对黄土丘陵沟壑区林地、农地、草地等不同土地利用类型的研究中得出，不同土地利用类型的土壤容重变化与土壤崩解速率并无严格的相关性。主要原因是结皮覆盖土壤与林地、耕地等属于不同的土地利用类型。与李敬王等[32]在对三峡库区紫色土的研究中指出的容重越大，有机碳含量越高，土壤崩解速率越小的结果也不完全一致。李敬王认为在同一含水率条件下，土样崩解速率随土样容重的增大而减小。原因是容重增加后，土样结构变得密实，孔隙度减小，甚至部分是封闭孔隙，使得土样渗透性降低，水分渗入困难，从而降低土样的崩解性。但是紫色土有机质含量低，因此，对土壤崩解性速率起主导作用的是土壤容重。本研究中，结皮覆盖下土壤的容重与土壤有机碳含量呈显著负相关关系，与土壤崩解速率呈极显著正相关。即土壤容重越大，有机质含量越小，崩解速率越快。说明黄土丘陵区在结皮覆盖下，对黄土土壤水稳定性起主导作用的是土壤有机碳的含量,而李保国[33]的研究指出，土壤有机碳除了增加土壤粘性，促使团粒结构的形成外，同时，作为亲水胶体，其吸收水分后，巨大的表面能可以增加土壤稳定性。本研究结果与海龙等[34]对黄土丘陵苜蓿地土壤水稳定性团聚体的研究结果也一致，即黄土丘陵区有机质是土壤团聚体有效的胶结物质，在增强水稳定性团聚体形成、增强土壤抗蚀能力方面发挥着重要作用。
4. 结论
（1）黄土丘陵区随结皮层次提高，结皮覆盖对结皮下土壤容重和土壤有机碳含量有显著影响，> 0.25 mm水稳定性团聚体含量依次增加，团聚体破坏率依次下降。
（2）结皮覆盖下，土壤容重、土壤有机碳含量、土壤水稳定性均为0 ~ 5 cm的改善效果大于5 ~ 10 cm，即结皮对土壤质量的改善在深度上有一定局限性。
（3）黄土丘陵结皮覆盖能减缓结皮下土壤的静水崩解速率，增强土壤水稳定性，对土壤水稳定性起主导作用的是土壤有机质含量。而有机质通过影响土壤理化性质和对土壤土壤养分的固持，为结皮植物生长提供养分。
（4）结皮质量随形成年限、坡度、覆盖度会有不同，因此，系统的分析结皮年限、不同坡度、覆盖度对土壤质量的影响是我们下一步研究的方向。
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图 2 不同结皮覆盖对土壤容重的影响
不同小写字母表示同一土壤深度不同处理间差异显著。下同。
Figure 2. Effects of different crusts on soil bulk density
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图 3 不同结皮覆盖对土壤有机碳含量的影响
Figure 3. Effects of different crusts on soil organic carbon content
表 1 研究区样地基础信息
Table 1 Basic information of sample plots in study area
研究区
Research area位置
Location中心点坐标
Center point coordinate主要植被
Major vegetation样品类型
Sample type样地结皮盖度
Crust
coverage样地结皮厚度（cm）
Crust Thickness结皮年限
Age of crust如意湖上游 大武镇 111º10′13.08″ E，
37º38′45.6″ N油松、侧柏、高羊茅、早熟禾、
车前、紫菀、抱茎苦荬菜BG 0 0 13 a ZL 72% < 0.5 TX 65% > 3 MG 70% > 4 千年里 信义镇 111º18′9.36″ E，
37º33′24.24″ N野山桃、黄刺玫、高羊茅、
早熟禾、三叶草BG 0 0 11 a ZL 68% < 0.5 TX 62% > 2.5 MG 65% > 4 注：BG代表裸地，ZL代表藻结皮，TX代表藓结皮，MG代表藓草混生结皮，下同 
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表 2 不同结皮覆盖下土壤团聚体及结构破坏率
Table 2 Soil aggregates and structural broken rates under different soil crusts
结皮
类型
Crust type土壤深度
Soil depth方法
Method土壤团聚体粒径分布 (%)
Composition of soil aggregatePAD
(%)> 5 mm 5 ~ 2 mm 2 ~ 1 mm 1 ~ 0.5 mm 0.5 ~ 0.25 mm > 0.25 mm 裸地 0 ~ 5 cm 干筛 13.96 c 27.33 a 22.15 a 18.65 a 4.74 a 86.84 b 80.43 a 湿筛 2.48 b 1.88 b 2.37 b 43.96 a 5.54 ab 17.22 c 5 ~ 10 cm 干筛 15.96 d 34.58 a 18.07 a 11.13 a 3.74 a 83.47 a 82.11 a 湿筛 1.58 b 2.39 b 2.01 b 3.81 b 4.67 b 14.45 b 藻结皮 0 ~ 5 cm 干筛 35.89 bc 30.43 a 17.20 b 10.45 a 2.89 a 96.87 a 72.75 a 湿筛 3.70 b 2.97 b 4.19 b 7.13 a 8.40 ab 26.39 bc 5 ~ 10 cm 干筛 27.74 c 26.10 a 14.16 a 9.91 ab 3.43 a 81.33 a 78.13 ab 湿筛 2.63 b 1.66 ab 2.53 b 5.07 ab 5.52 ab 17.40 b 藓结皮 0 ~ 5 cm 干筛 39.24 ab 28.25 a 12.56 bc 12.66 a 1.72 a 94.43 a 65.70 a 湿筛 8.74 b 2.97 b 3.45 ab 7.30 a 9.91 a 32.37 b 5 ~ 10 cm 干筛 37.00 b 28.86 a 12.95 a 8.48 ab 2.69 a 89.99 a 74.72 ab 湿筛 4.80 a 2.51 ab 2.98 b 5.54 ab 6.80 a 22.64 ab 藓草混合结皮 0 ~ 5 cm 干筛 60.00 a 20.98 a 8.34 c 4.57 a 1.34 a 95.24 a 43.51 b 湿筛 23.81 a 8.67 a 1.84 a 9.92 a 4.49 b 53.73 a 5 ~ 10 cm 干筛 63.85 a 18.85 a 5.06 b 4.80 b 1.54 a 94.10 a 67.83 b 湿筛 6.28 a 4.37 ab 5.52 a 7.71 a 6.02 ab 29.91 a 注：不同小写字母表示同一土壤深度不同处理间差异显著。下同。
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表 3 不同结皮覆盖对土壤团聚体稳定性指标的影响
Table 3 Effects of different soil crusts on the stability index of soil aggregates
结皮类型
Crust type土壤深度
Soil depth平均重量直径
Mean weight diameter
（mm）几何平均直径
Geometric mean diameter
（mm）分形维数
Fractal dimension裸地 0 ~ 5 cm 2.49 c 0.61 b 2.21 a 5 ~ 10 cm 2.78 c 0.76 c 1.89 a 藻结皮 0 ~ 5 cm 4.10 b 1.11 a 1.81 b 5 ~ 10 cm 3.29 bc 0.88 bc 1.72 a 藓结皮 0 ~ 5 cm 4.22 b 1.14 a 1.64 ab 5 ~ 10 cm 4.05 b 1.11 b 1.49 a 藓草混合结皮 0 ~ 5 c m 5.40 a 1.48 a 1.07 c 5 ~ 10 cm 5.57 a 1.51 a 0.86 b
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表 4 不同结皮覆盖下土壤物理性状及土壤团聚体稳定性指标间相关性
Table 4 Correlation of physical properties and stability of soil aggregates under different soil crusts
指标
IndexR0.25
（%）PAD
(%)MWD
（mm）GMD
（mm）D SBD
（g cm–3）SOC
（g kg–1）B
(g min–1)R0.25（%） 1 −0.443 0.672* 0.742** −0.554 −0.621* 0.391 −0.444 PAD (%) 1 −0.719** −0.713** 0.791** 0.820** −0.914** 0.839** MWD（mm） 1 0.098** −0.925** −0.877** 0.766** −0.657* GMD（mm） 1 −0.939** −0.869** 0.758** −0.673* D 1 0.854** −0.869** 0.749** SBD（g cm–3） 1 −0.854** 0.712** SOC（g kg–1） 1 −0.901** B (g min–1) 1 注：“*”表示在0.05水平（双侧）上显著相关，“**”表示在0.01水平（双侧）上显著相关。R0.25代表 > 0.25 mm团聚体百分比，PAD代表土壤团聚体破坏率，MWD代表平均重量直径， GMD代表几何平均直径，D代表分形维数，SBD代表土壤容重， SOC代表土壤有机碳， B代表土壤崩解速率
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