土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，对土壤持水、抗蚀性有极大影响，其稳定性是决定土壤抗侵蚀能力的重要指标^[1]。土壤团聚体的形成及其稳定性不仅由土壤本身的质地类别、结构特征和物理性质所决定,在一定程度上也受土壤环境变化、植被类型以及人为活动的影响^[2−3]。有研究表明，退耕还林还草后不同植被恢复阶段土壤团聚体稳定性指标均高于耕地，随草本植物恢复年限的增加，土壤团聚体稳定性逐渐增强^[4−5]。物种多样性通过增加根类别的多样性间接作用于土壤的稳定性^[6]。土壤根系通过在土壤内部穿插缠绕以及分泌代谢物和有机质作为“胶结物质”来影响土壤团聚体数量及稳定性。不同植被类型因自身形态特征、地表凋落物和根系返还不同，导致土壤有机质输入、微生物活性和理化性质存在差异，进而影响土壤团聚体形成和稳定^[7−8]。

土壤水力性质是影响土壤水分运动过程的土壤属性，土壤持水与导水性能决定着土壤水循环的强度与速度，是土壤水文功能的重要组成部分与影响因素^[9−10]。有研究^[11]表明，灌木入侵会造成植被盖度下降，引起土壤水分入渗减少。不同土地利用形式通过大小孔隙的形成与结构比率影响土壤水力性质的变化^[12]。黄土丘陵是我国黄土高原的主要黄土地貌形态。质地疏松，植被覆盖低、降水少而集中，受地表降水冲刷及重力侵蚀，边坡路段水土流失严重，生态环境极其脆弱，抵抗自然灾害能力降低。林草植被覆盖可在减小雨滴打击溅蚀的同时对于水形成的地表径流起到再分配的作用，植被枯枝落叶和根系缠绕固结的持水能力延缓地表径流速度，增加水分入渗，提高土壤的抗蚀能力，有效防止水土流失。笔者以黄土丘陵边坡灌木、草本土壤为研究对象，分析不同植被下土壤团聚体稳定性、土壤田间持水量和饱和导水率，探讨边坡植被对土壤团聚体和水力性质的影响，以及团聚体稳定性与土壤水力性质的相关性，以期为植被在边坡路段水土保持方面的影响提供科学参考。

1 研究区概况

吕梁市地处吕梁山脉中段，位于山西省中部西侧（E 110º22′～112º19′，N 36º43′～38º43′），吕梁山脉自北至南贯穿全境。吕梁境内沟壑纵横，是典型黄土丘陵沟壑区，其中山区、半山区占92%，水土流失严重。土壤类型为黄绵土，砂粒、粉粒和黏粒的质量分数分别为24.5%、62.9%和12.6%。属于半干旱暖温带大陆性季风气候，四季分明，降水量季节分布不均，夏季最多。年均降雨量467 ~ 700 mm之间，年均气温7 ~ 9℃，该区垦殖过度，水土流失严重。样地概况见表1。

2 材料与方法 2.1 样地选择和样品采集

野外调查基础上，笔者选择吕梁市周边（西属巴，大武机场附近、信义）人为扰动较少的典型边坡植被区域，以裸地为对照，草本和灌木土壤作为研究对象，于2023年5月，在3类样地中心区域，分别随机布设3个典型样方（5 m × 5 m）。每个样方设置3个采样点，用标准环刀（高5 cm，体积100 cm³）分别采集0 ~ 10 、> 10 ~ 20 和> 20 ~ 30 cm原状土壤样品,测定土壤密度、土壤机械和水稳定团聚体含量、土壤饱和导水率K_s（saturated hydraulic conductivity）与土壤田间持水量F_c（field water-holding capacity），每层 3个重复，共135份土样。

2.2 样品理化性质测定

土壤密度（ρ_b）：环刀法，土壤总孔隙度按密度换算法计算^[13]。土壤机械和水稳定团聚体含量用TPF−100土壤团聚体分析仪通过干湿筛法测定。

土壤团聚体平均质量直径（mean weight diameter，MWD）、几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）、分形维数D（fractal dimension）按照文献[14]测定计算，土壤团聚体破坏率（percentage of soil aggregate destruction，PAD）：

$ P_{\text{AD}}=100\times（D_{\mathrm{R}0.25}-W_{\mathrm{R}0.25}）/D_{\mathrm{R}0.25}\ 。$

(1)

式中：P_AD为土壤团聚体破坏率，%；D_R0.25和W_R0.25 分别为干筛和湿筛> 0.25 mm团聚体比例。

土壤田间持水量^[15]：

$ F_{\text{c}}=（m_1-m_2）/m_2\times100\ 。$

(2)

式中：F_c为土壤田间持水量，%；m₁和m₂分别为湿土和干土质量,g。

土壤饱和导水率^[16]：

$ K_{\text{s}}=QL/S\Delta t（h+L）（0.7+0.03T）。$

(3)

式中：K_s为土壤饱和导水率，mm/min；Q为出流量，mm³；L为土壤厚度，mm；S为出流横截面积，mm²；Δt为出流时间，min；h为水层高度，mm；T为试验过程的平均水温，℃。

使用Excel 2016和Origin 2021软件进行数据处理、作图，用SPSS 2021软件,多重比较采用Duncan检验法；Pearson法分析相关性。

3 结果与分析 3.1 不同植被土壤密度和总孔隙度变化

土壤密度反映土壤颗粒间排列的紧实度，其大小与土壤质地、耕作措施等有关。由图1可知，0 ~ 10 cm土层中，土壤密度为灌木 < 草本 < 裸地。> 10 ~ 20和> 20 ~ 30 cm土层，草本土壤密度均最小，＞10 ~ 20 cm土层，裸地与灌木土壤密度差异显著；裸地0 ~ 10 与> 10 ~ 20 cm土层密度差异显著。

土壤总孔隙度关系着土壤的透水、透气性和紧实度。由图2可知，0 ~ 10 cm土层，土壤总孔隙度为：灌木 > 草本 > 裸地；> 10 ~ 20 cm土层为草本 > 灌木 > 裸地，> 20 ~ 30 cm土层为草本 > 裸地 > 灌木。> 10 ~ 20 cm土层，灌木与裸地土壤孔隙度差异显著；裸地0 ~ 10 与> 10 ~ 20 cm间存在显著差异（P < 0.05），草本随土壤深度增加，总孔隙度先增后降，灌木呈连续降低趋势。

3.2 不同植被土壤机械团聚体和水稳定团聚体粒径分布

土壤团聚体包括机械和水稳定性团聚体，表2干湿筛数据分别为土壤机械和水稳定团聚体所占比例。3种深度下，> 0.25 mm机械团聚体质量分数为灌木 > 裸地 > 草本，且均随土壤加深逐渐增高。> 0.25 mm水稳定性团聚体质量分数在0 ~ 20 cm为灌木 > 草本 > 裸地，> 20 ~ 30 cm裸地最大。

3.3 不同植被土壤团聚体指标和团聚体破坏率

PAD由 > 0.25 mm机械与水稳定团聚体质量分数演算得来。团聚体稳定性用水稳定团聚体MWD、GMD和D来表示。

0 ~ 10 cm土层，PAD由大到小依次为：裸地，灌木、草本（图3）。灌木和草本PAD仅为裸地的75.03%和70.58%。> 10 ~ 20 cm土层，PAD裸地 > 草本 > 灌木。> 20 ~ 30 cm土层，PAD灌木 > 草本 > 裸地。裸地随土壤加深PAD改变差异显著（P < 0.05）。

0 ~ 20 cm土层，灌木土壤水稳定团聚体MWD最大（图4），> 20 ~ 30 cm土层，裸地水稳性团聚体MWD显著大于灌木和草本土壤。

3种深度下，3种植被GMD由大到小均为灌木、裸地、草本（图5）。> 10 ~ 20 cm土层，灌木GMD与裸地和草本差异显著。裸地> 20 ~ 30 与0 ~ 20 cm土层 GMD差异显著。

> 10 ~ 30 cm土层，分形维数D依次均为草本 > 裸地 > 灌木（图6），且灌木与草本间差异显著。0 ~ 10 cm土层中，分形维数D为灌木 > 裸地 > 草本。裸地在> 10 ~ 20和> 20 ~ 30 cm土层间D差异显著，灌木在0 ~ 10 和> 20 ~ 30 cm土层间差异显著（P < 0.05）。

3.4 不同植被土壤田间持水量和饱和导水率变化

同等深度，土层F_c均为草本 > 灌木 > 裸地（图7）。0 ~ 10 cm土层，草本和灌木F_c达裸地的1.40和1.32倍。不同植被类型均为0 ~ 10 cm的浅层F_c最高。草本0 ~ 10是> 10 ~ 20 cm土层间F_c的1.27倍，差异显著。

同一深度，K_s均为灌木 > 草本 > 裸地（图8），> 10 ~ 30 cm土层，灌木和草本与裸地均差异显著，> 10 ~ 20 cm，灌木和草本分别达裸地的2.75和2.17倍；> 20 ~ 30 cm，灌木和草本分别达裸地的2.66和2.14倍。

3.5 不同植被土壤物理性状、土壤团聚体稳定性、土壤水力性质相关性

由表3 ~ 5可知，3种植被下，土壤密度与总孔隙度呈极显著负相关。裸地中，PAD与MWD、GMD呈极显著负相关。灌木土壤密度与PAD呈极显著正相关，与GMD呈显著正相关，与MWD、D呈显著负相关，PAD与MWD、D分别呈显著和极显著负相关，与GMD极显著正相关。草本植被下F_c与PAD呈极显著负相关，与MWD呈显著正相关，MWD与PAD极显著负相关，与D呈显著正相关。

4 讨论 4.1 植被类型对土壤物理性质和土壤团聚体稳定性影响

土壤密度大小主要取决于土壤结构和垒结状况，土壤孔隙的大小、数量及其分配是土壤物理性质的基础，二者反映土壤透水、通气性和根系伸展时的阻力状况^[17]。本研究发现，灌木和草本可降低土壤密度，增加土壤孔隙度。这是由于土壤凋落物增加土壤有机质和腐殖质，也增加小动物活动数量和频率，以及细根生物量，从而使土壤大孔隙数量增加，密度降低^[18]。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤良好结构的基础。水稳定团聚体是由有机质胶结而成的土壤有机−无机复合体，具有较高的稳定性，可以改善土壤结构。> 0.25 mm水稳定团聚体具有更好的结构稳定性，其含量可以反映土壤结构稳定性与质量^[19]。本研究发现 > 0.25 mm水稳定团聚体含量在0 ~ 20 cm土层灌木和草本大于裸地，> 20 ~ 30 cm土层裸地 > 草本，孙娇^[20]在黄土丘陵区研究发现 > 0.25 mm水稳定团聚体含量总为灌木 > 草本 > 耕地。可能与裸地深层土壤在干燥状况下质地坚硬，在短时间小幅度振幅下不容易粉碎；而灌木植株郁闭度高，生物量大，植物残体增加土壤有机物输入 的同时降低雨水动能，增加土壤大团聚体的形成^[21]。

土壤团聚体稳定性表征土壤结构在外力及环境变化下维持原有状态的能力，土壤质量指标MWD 和 GMD值越大，分形维数D越小，反映土壤团聚体稳定性越好。本研究中，不同深度下，灌木土壤MWD 和 GMD值均大于裸地，草本比裸地低，万欣等^[22]发现，> 2 ~ 5 mm土层, > 5 mm粒径的团聚体与 MWD, GMD均呈显著正相关，本研究中灌木和裸地中这2种大粒径团聚体含量偏高。相比于裸地易被降雨冲蚀造成表面水土流失不同，草本受根系与降雨、露水、太阳风干等干湿交替的综合影响，导致团聚体破碎增加，颗粒度减小，MWD在> 10 ~ 30 cm土层低于裸地^[23]。PAD在0 ~ 20 cm土层均为裸地 > 灌木 > 草本，即裸地土壤的水稳定性最差，该结果与杨振奇等^[24]对裸露砒砂岩区不同植被类型土壤团聚体稳定性研究结论一致。

4.2 植被类型对土壤水力性质的影响

田间持水量F_c指土壤不受地下水影响条件下土壤所能保持悬着水的最大量。能反映土壤持水和水分的再分配能力，并影响到凋零物分解与土壤表层的物质和能量循环，对生态群落的恢复和重建影响重大^[25]。土体孔隙度越大，土壤持水能力就越强。笔者发现，F_c依次为草本 > 灌木 > 裸地，与尹霞等^[26]重度灌丛化F_c低于草本一致。这可能是灌木的重度灌丛化部分根坏死和木质部空化现象加重，影响到根系的正常生长，总孔隙度下降，持水性能减弱，即F_c除受土壤密度和孔隙度影响外，还受灌丛大小和根系活性的间接影响；而草本植物受干湿交替影响使得土壤团聚体粒径降低，因此草本土壤受降雨、露水、太阳、风等干湿交替的综合影响，水稳定性降低，水稳定团聚体MWD在 > 10 ~ 30 cm 土层均小于灌木和裸地。但土壤粒径的减小增加土壤对水分的吸附和滞留，增大土壤的田间持水量。

土壤饱和导水率K_s是反映土壤入渗性能的一个重要指标，植物残体降解程度、生物量密度、土壤密度和孔隙度是影响土壤导水性能的重要参数。本研究发现，灌木和草本表层土壤K_s均小于深层，是由于土壤表层半降解的植物残体具有一定的斥水性，透水性较差，一定程度上阻碍土壤水分入渗，使表层土壤饱和导水率下降。植物根系发达的灌木植被K_s大于草本，裸地最小，与根系活动造成土壤含有更多孔隙和土壤大颗粒的影响，更有利于土壤导水有关^[27]。

5 结论

1）相比于裸地，灌木和草本增加浅层土壤（0 ~ 20 cm）水稳定团聚体含量，降低土壤团聚体破坏率。

2）草本土壤团聚体MWD因受根系和降雨、露水、太阳、风等造成的干湿交替的综合影响，导致土壤团聚体破碎增加，在> 10 ~ 30 cm土层深度，MWD均小于灌木和裸地。土壤粒径的减小增加土壤对水分的吸附和滞留，增大土壤的田间持水量。

3）灌木受表层枯枝落叶残体和根系的综合影响，土壤团聚体MWD和K_s均为最大，受团聚体粒径较大的影响，F_c大于裸地，小于草本土壤。

因此，黄土丘陵区边坡路段，灌木和草本植被能降低土壤团聚体破坏率，不同程度的提高土壤饱和导水和持水能力，提升水源涵养能力，减少水土流失。