土壤团聚体组成及其稳定性在土壤质量和抗蚀性评价中具有重要意义(张治伟等，2009)。土壤退化首先表现出团粒结构的破坏与消失(王晓娟等，2012)，在黄土高原常将大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量作为土壤抗蚀性指标。Barthès等(2002)认为在模拟降雨条件下，30 min后径流深度和土壤流失量与表层土壤稳定大团聚体(＞0.2 mm)含量负相关(P<0.01); 在径流小区，3年径流量和土壤流失量与表层土壤团聚体稳定性，尤其是大团聚体含量负相关(P<0.01)。有学者(Zhou et al.，2007; Tang et al.，2013; 张大鹏等，2013)利用土壤团聚体平均质量直径(mean weight diameter，MWD)研究土壤结构特征，霍琳等(2008)认为各级水稳性团聚体的比例可较好地反映土壤团聚体的质量。20世纪80年代初发展起来的分形几何学理论与方法为研究土壤特性的不规则性提供了有效工具，有学者(Tang et al.，2013; 张大鹏等，2013; Tripathi et al.，2012)应用分形几何学研究土壤团聚体分布状态。有机质影响土壤结构、养分储量及生物活性，与土壤质量密切相关(Roldan et al.，2005)。土壤团聚体和有机质是不可分割的，前者是后者存在的场所，后者是前者存在的胶结物质(刘中良等，2011)。Tang等(2013)认为土壤团聚体分形维数与土壤有机质含量显著负相关，但张大鹏等(2013)认为分形维数和有机质含量无显著相关关系。另外，有学者(郑顺安等，2006;刘艳等，2013)研究不同类型人工林对土壤属性的影响，但土壤属性往往受到多个环境因子的共同作用，目前综合考虑多个环境因子，进行土壤与环境之间关系的研究较少。本研究在分析陕西省吴起县退耕还林工程对土壤水稳性团聚体特征和养分影响的基础上，进一步分析土壤水稳性团聚体各指标指示土壤质量变化的作用及不同立地条件对土壤各属性的影响，说明我国干旱半干旱区退耕还林工程在提高土壤养分和改善土壤结构方面的效益和机制，同时阐述土壤有机质在提高土壤结构稳定性方面以及土壤团粒结构在降低土壤有机质矿化方面的作用。

研究区位于陕西省吴起县(107°38'57″— 108°32'49″E，36°33'33″—37°24'27″N)，海拔1 233~1 809 m，气候属暖温带大陆性干旱季风气候，年均气温7.8 ℃，全年无霜期96~146天，多年平均降水量478.3 mm，年际变化大、季节分配不均，64%以上集中在7—9月。土壤类型为黄绵土，质地为轻壤。经过多年退耕还林还草，境内林草覆盖面积明显增长，逐步形成以落叶阔叶及灌木草丛为主的次生植被类型，林草覆盖率达49.6 %。在野外踏查的基础上，选择典型退耕还林样地10个，并选择农用地玉米和马铃薯2块样地作为对照，样地情况见表 1。

表 1 样地概况 Tab.1 Survey of sample plots

表 1 样地概况 Tab.1 Survey of sample plots 编号Serial number 样地Sample plot 经度/纬度Longitude/latitude 海拔Elevation/m 坡向Aspect 坡度Gradient 林龄Stand age/a 面积Area/hm2 盖度Coverage(%) 1 柠条林 Caragana korshinskii forest 108°07'20″E/37°04'23″N 1 392 南偏东15°South by east 15° 16° 50 0.2 80 2 杏林①Prunus armeniaca forest① 108°07'11″E/37°04'12″N 1 400 北偏东33°North by east 33° 35° 50 0.3 30 3 杏林② Prunus armeniaca forest② 108°07'19″E/37°04'24″N 1 389 西偏南16°West by south 16° 21° 50 0.2 50 4 小叶杨林 Populus simonii forest 108°07'14″E/37°04'14″N 1 369 东偏北15°East by north 15° 13° 30 0.2 55 5 荒地Uncultivated land 108°07'12″E/37°03'58″N 1 474 北偏西30°North by west 30° 28° 50 0.07 80 6 油松林Pinus tabulaeformis forest 108°07'23″E/37°04'13″N 1 368 东偏北35°East by north 35° 19° 10 0.7 30 7 甘肃桃林Amygdalus kansuensis forest 108°07'14″E/37°03'59″N 1 476 北偏西22°North by west 22° 26° 10 0.2 75 8 沙棘林①Hippophae rhamnoides forest① 108°07'19″E/37°04'04″N 1 444 北偏西8°North by west 8° 20° 15 0.2 85 9 沙棘林②Hippophae rhamnoides forest② 108°07'14″E/37°04'08″N 1 454 北偏西7°North by west 7° 26° 10 0.3 80 10 沙棘林③ Hippophae rhamnoides forest③ 108°07'15″E/37°04'10″N 1 420 东偏北40°East by north 40° 20° 15 0.2 90 11 玉米地Zea mays land 108°07'16″E/37°04'09″N 1 359 — 0° 0 0.5 0 12 马铃薯地Solanum tuberosum land 108°07'20″E/37°04'39″N 1 439 北偏东28°North by east 28° 21° 0 0.3 0

杨培岭等(1993) 假定不同粒径土壤密度相等，提出了质量分形维数。计算公式如下:

式中:D为土壤团聚体分形维数; W为直径小于R_i累积土壤团聚体质量; W_T为总质量; R_i为两相邻粒级R_i与R_{i + 1}间土粒的平均直径; R_max为最大粒级平均直径。

平均质量直径(MWD)由以下公式计算:

式中: X_i为任一级别范围内团聚体的平均直径(mm); W_i为对应于X_i的团聚体百分含量。

每一样地以S形采集5个原状土样品，混合后以四分法取样，测定土壤水稳性团聚体百分含量。另取2份土样研磨，并分别过1和0.25 mm筛，过1 mm筛的土样用于测定土壤速效磷和速效钾含量，过0.25 mm筛的土样用于测定土壤有机质含量。

取原状土放入孔径5和3 mm的土壤套筛中，手动左右摇筛，各30下。首先注入50 mL蒸馏水于250 mL烧杯中，将5 g过3 和5 mm套筛的土壤颗粒轻轻地浸没在烧杯中，静置 10 min，后用吸管将多余液体取出，用装有酒精的洗瓶将土样冲入0.05 mm筛子中，并左右螺旋振动各5次。将大于0.05 mm的土样收集到烧杯中，于40 ℃温度干燥48 h，并干筛，套筛直径分别为2，1.2，0.5，0.25和0.075 mm。分别称量>2，1.2~2，0.5~1.2，0.25~0.5，0.075~0.25和 <0.075 mm土壤团聚体的质量，计算不同粒级土壤水稳性团聚体的质量百分含量。每个样地的土壤样品作3个重复。

将各样地同一粒级土壤水稳性团聚体样品混合后研磨，过0.25 mm筛，用于测定不同粒级土壤团聚体中的有机质含量。采用重铬酸钾容量法(外加热法)测定土壤有机质含量，采用NaHCO₃浸提，紫外-可见分光光度计(Cary60)比色法测定土壤速效磷含量，采用醋酸铵浸提，火焰光度计(FP640)法测定土壤速效钾含量。利用Excel 2003和SPSS13.0软件进行统计分析。

多元统计方法: 将表 1中的各样地信息作为环境变量，将土壤各属性作为因子变量，采用CANOCO FOR WINDOWS4.5软件，基于线性RDA方法，获取土壤属性、立地条件和样地三维排序图。图中各箭头长短表示该因子对排序的相对作用大小，箭头所指的方向表示该变量增加最快，箭头之间夹角的余弦表示相关性大小，小圈表示样地编号。环境变量包括土地利用类型(人工林地为3，荒地为2，农地为1)，植被类型(农地为1，沙棘和甘肃桃2个经济林为2，针叶林为3，荒地为4，阔叶林为5)、坡度、坡向(阳坡为4，半阳坡为3，半阴坡为2，阴坡为1)、海拔、林龄和盖度。

水稳性团聚体平均质量直径是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。MWD越大，表示团聚体的平均粒径越高，稳定性越强。从表 2可以看出，MWD在玉米和马铃薯样地中最小，且差异不显著; 在柠条林地和杏林②样地中最大，分别为2.63和2.35 mm，差异也不显著，且分别是马铃薯样地的18.79和16.79倍; 在小叶杨、荒地和杏林①中也比较大，分别为1.48，1.20和1.13 mm，且在小叶杨和荒地之间及荒地和杏林①之间差异不显著。相对其他退耕样地，MWD在3个沙棘林和甘肃桃林地中较小(0.42~0.55 mm)，且差异不显著。

从表 2可以看出，大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量(>0.25 mm)在玉米和马铃薯样地中最小，分别为7.71 %和1.30 %，差异显著; 在柠条林地和杏林②样地中最大，分别为86.15 %和82.95 %，差异不显著，相对于在马铃薯样地分别增加了65.27和62.81倍; 在小叶杨、杏林①、荒地和油松林地中，分别为52.04 %，37.49 %，39.60 %和27.16 %，相对于马铃薯样地分别增加了39.03，27.84，29.46和19.89倍; 在甘肃桃林和沙棘林中较小(13.41 %~16.14 %)，且差异不显著。

水稳性团聚体粒级分布的分形维数(D)及lgW(r <R_i)/W_T与lgR_i/R_max之间线性回归的相关系数R见表 2，R为0.853~0.97，线性相关显著(α=0.05)，说明利用公式(3)计算所得的分形维数较准确。D变化较大(2.440~2.996)，平均值为2.65，标准偏差为0.19。D在柠条林地和杏林②中最小，分别为2.440和2.448; 而在杏林①、小叶杨和荒地较小，分别为2.878，2.803和2.871; 在玉米和马铃薯地最大，分别为2.978和2.996。

不同植被类型下的土壤有机质含量见表 2。由表 2可知，土壤有机质含量在柠条林地最高，为79.12 g·kg^-1，相对马铃薯地增加了13.84倍; 在小叶杨林地较高，为60.03 g·kg^-1，相对马铃薯地增加了10.26倍，杏林②、杏林①、荒地、沙棘林③、沙棘林①、沙棘林、甘肃桃林和油松林地次之，相对马铃薯地分别增加了7.59，6.85，6.43，5.92，4.58，3.82，2.68和1.61倍。土壤有机质含量在玉米地和马铃薯地最小，分别为6.61和5.33 g·kg^-1。差异性分析表明，除沙棘林③和荒地土壤有机质含量差异不显著外，在其他各样地差异均显著。

根据全国1:400万土壤有机质肥力质量分布图及质量评判标准: 玉米和马铃薯2个农用地土壤肥力质量分别为2级和1级，属于较差和差水平; 油松林、甘肃桃林、沙棘林①和沙棘林②肥力质量为3级，属一般水平; 荒地和沙棘林③肥力质量为4级，属较好水平; 柠条林、杏林和小叶杨林地表层土壤肥力质量为5级，肥力质量好。可见，在陕北地区，通过退耕还林，可不同程度地提高土壤有机质含量。

不同样地土壤速效磷(AP)和速效钾(AK)含量见表 2。由表 2可知，表层土壤速效磷在柠条林地最高，为22.90 mg·kg^-1，在玉米地最低，为2.45 mg·kg^-1，前者相对后者增加了8.35倍; 在小叶杨林地较高，为16.37 mg·kg^-1，相对玉米地增加了5.68倍。表层土壤速效钾在杏林②地最高，为672.23 mg·kg^-1，在玉米和马铃薯样地最低，均为 65.65 mg·kg^-1，前者相对后者增加了9.24倍; 在柠条林和小叶杨林地较高，均为409.00 mg·kg^-1，相对玉米和马铃薯地增加了5.23倍。

不同粒级土壤团聚体中的有机质含量见图 1，土壤有机质含量和土壤团聚体粒级之间的关系可利用函数y=1.155x³ - 14.238x² + 55.737x - 29.665很好地拟合，R²=0.992 6。由图 1可知，粒级小于0.075 mm团聚体中有机质含量最小，为12.70 g·kg^-1，并显著小于其他各粒级土壤团聚体中的有机质含量。粒级0.25~0.5，0.5~1.2，1.2~2和>2 mm的土壤团聚体有机质含量较高，分别为40.51，38.08，38.80和41.25 g·kg^-1，且差异不显著。可见土壤有机质主要包含在较大粒级的水稳性团聚体中。

	图 1 不同粒级水稳性团聚体中的土壤有机质含量 Fig. 1 Content of soil organic matter in water stable aggregates with different sizes

土壤各指标间的相关性分析见表 3。由表 3可知，除速效钾含量与其他各指标间的相关性在0.01水平上不显著外，其他各指标间均显著相关。土壤有机质含量与水稳性团聚体平均质量直径MWD和大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量极显著正相关，相关系数分别为0.890和0.881;速效磷含量与土壤有机质含量、水稳性团聚体平均质量直径MWD和大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量也呈极显著正相关，相关系数分别为0.985，0.840和0.824;水稳性团聚体粒级分布的分形维数D与速效磷含量、土壤有机质含量、水稳性团聚体平均质量直径MWD和大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量呈极显著负相关，说明D可以作为反映土壤质量变化的指标。

表 3 土壤各指标间的相关性分析^① Tab.3 Correlation analysis between various soil indexes

表 3 土壤各指标间的相关性分析① Tab.3 Correlation analysis between various soil indexes 指标Index 大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量Percentage content of water stable soil aggregate with a diameter larger than 0.25 mm MWD 土壤有机质含量Content of soil organic matter 速效磷含量Content of available phosphorus 速效钾含量Content of available potassium ①**:α=0.01. MWD 0.998** 土壤有机质含量Content of soil organic matter 0.881** 0.890** 速效磷含量Content of available phosphorus 0.824** 0.840** 0.985** 速效钾含量Content of available potassium 0.526 0.494 0.360 0.298 分形维数Fractal dimensions -0.899** -0.908** -0.816** -0.794** -0.191

基于多元统计分析方法，探讨样地立地条件对土壤各指标的影响(图 2)，从图 2可以看出，对土壤各指标影响较大的生境因子为土地利用、植被类型、林龄和坡向，而盖度和海拔的影响较小，坡度影响最小。土地利用、植被类型、林龄和坡向与水稳性团聚体平均质量直径MWD、大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量、土壤有机质含量、速效磷含量和速效钾含量箭头方向一致，且夹角较小，而与水稳性团聚体粒级分布的分形维数D箭头方向相反，且夹角大于90°。表明林龄较长，向阳的林地土壤养分含量更高，土壤结构更稳定。

	图 2 土壤性质、立地条件和样地三维排序 Fig. 2 Three-dimension ordination map of soil properties, site conditions and sample sites

水稳性团聚体平均质量直径MWD、大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量、土壤有机质含量和速效磷含量在柠条林地最高，水稳性团聚体粒级分布的分形维数D在该样地最小，这主要是由于柠条林龄长达50年，且样地坡度较小，植被盖度大，加之柠条枝叶茂盛，枯落物多，可以增加土壤有机质含量。虽然柠条林地和杏林①，杏林②林龄相同，但相对杏林地，柠条林地土壤养分含量更高，且土壤结构更稳定。因此，相对杏林，柠条林水土保持功能更强，土壤质量更高。小叶杨林地水稳性团聚体平均质量直径MWD、大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量、速效磷含量、速效钾含量和有机质含量也较高，这主要由于小叶杨每年有大量的枯枝落叶凋落，覆盖在土壤表面，加之该样地坡度较小，这既增加土壤有机质的输入，又可降低有机质流失。几种乔木林地中，油松林地土壤有机质含量、大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量及水稳性团聚体平均质量直径MWD最小，这主要由于该样地退耕时间较短，且油松为针叶林，枯枝落叶数量少，单宁含量高，纤维比重大，分解比较困难。可见，不同植被类型有机质输入的数量和质量不同，根系分布以及根系分泌物的性质也不相同，从而影响土壤的团聚过程及团聚体的稳定性(罗友进等，2010)。

玉米和马铃薯样地表层土壤团聚体分形维数D值最大，分别为2.978和2.996。这主要是由于农耕地常年翻耕，容易对土壤团聚体造成破坏，使其分形维数增加(张大鹏等，2013)。可见，土壤扰动越大，团聚体的分形维数越高。Six等(2002)研究也认为耕作强烈地影响土壤团聚体和与土壤团聚体有关的微粒状有机质的数量和类型，并认为耕作破坏了土壤团聚体，并阻止了有机质包裹黏粒后形成稳定的团聚体。玉米和马铃薯样地中土壤养分含量最小，这主要与农地土壤植被盖度和生物量较少，而有机质矿化速率较高有关。张伟等(2012)研究也认为有机碳与NDVI(归一化植被指数)指数呈显著正相关，说明有机碳含量越高的地段，植被覆盖度和生物量相应也较大。另外，玉米和马铃薯虽都为农用地，但前者土壤有机质含量和团粒结构水稳性均大于后者，且大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量在二者之间的差异达显著水平，这主要是由于玉米地为梯田，而马铃薯地是坡耕地，且玉米地每年有较多植物残体归还土壤，人为扰动也低于马铃薯样地。以上分析表明土地利用方式和植被类型是土壤属性变化的最主要环境制约因子(岳跃民等，2008)。较强的耕作活动，促进农地土壤有机质循环，减少了大的水稳性团聚体比例，而增加了不稳定团聚体比例(Tang et al.，2013)，因此，在该地区进行退耕还林是提高土壤养分，增加土壤结构稳定性，增加水分入渗，减少土壤流失的有效措施。

杏林①和杏林②植被类型相同，林龄相同，但由于2者坡向、坡度以及植被盖度差异较大，因此，表层大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量、水稳性团聚体平均质量直径MWD、水稳性团聚体粒级分布的分形维数D、土壤有机质含量和速效钾含量均差异显著。卢凌霄等(2012)在研究喀斯特地区不同植物群落土壤团聚体的分布特征时也认为地表植被覆盖对团聚体粒径分布有很大的影响。另外，杏林①坡度较大，易造成土壤有机质的流失，而杏林②坡度较小，且植被盖度大，因此土壤结构更稳定，土壤有机质含量更高。

沙棘林①、沙棘林②、沙棘林③的大于0.25 mm水稳性团聚体的质量百分含量和水稳性团聚体平均质量直径MWD差异不大，但土壤有机质含量差异显著，可见，相对土壤结构特征，土壤有机质变化更敏感。3块沙棘林土壤有机质含量表现为沙棘林③>沙棘林①>沙棘林②，这主要与林龄有关，前2者林龄15年，而后者林龄为10年，另外，沙棘林③土壤有机质含量大于沙棘林①，主要是由坡向与盖度的差异引起。可见，当植被类型、林龄和坡度条件相同时，半阴坡植被对土壤的改良作用大于阴坡。

土壤有机质含量与土壤水稳性团聚体MWD呈线性相关，并可以用函数y=0.318 8x-0.086 3进行较好地拟合(R²=0.726 8)。这与王晓娟等(2012)得出的有机肥处理显著提高了>0. 25 mm土壤水稳性团聚体含量、团聚体平均质量直径和团聚体稳定率的结论一致。张治伟等(2009)研究石灰岩土壤结构稳定性及影响因素时也认为土壤有机质含量及腐殖质组成是影响石灰岩土壤结构及其稳定性的主要因素。另外，<0.075 mm水稳性团聚体中所含的土壤有机质较少，而较大粒级水稳性团聚体中土壤有机质含量较高，这一方面说明土壤有机质为土壤大团聚体的形成提供了良好的物质基础，从而降低了土壤的不稳定团粒指数(王海霞，2012)，另一方面说明大部分土壤有机碳储存在大粒径团聚体中，即土壤有机质的分解程度是随着团聚体粒径的减小而逐渐增大的(檀文炳，2013)。