Geometric distribution， formation， and topological structure of soil aggregates after introduction of Caragana korshinskii on the desert steppe

doi:10.11686/cyxb2023011

Abstract

Abstract:

The aims of this work were to understand the distribution， formation， and topological structure of soil aggregates after the artificial establishment of Caragana korshinskii shrubland， and to understand changes in soil ecology and function after the introduction and growth of C. korshinskii. Ultimately， the goal is to guide the formulation of strategies to manage C. korshinskii shrubland and soil resources. C. korshinskii shrublands of five different ages （0， 9， 14， 24， and 35 years old） in the desert steppe area of Yanchi County， Ningxia， were selected as the study sites. The geometric distribution and topology of soil aggregates in C. korshinskii shrubland of different ages were studied by CT scanning and image analyses. With increasing time after the introduction of C. korshinskii， the number， length， volume， surface area， and average equivalent diameter of soil aggregates showed increasing trends， while the average sphericity of aggregates decreased. The number of soil aggregates increased with greater soil depth， but the average equivalent diameter and average sphericity of aggregates decreased with greater soil depth. The introduction and continuous restoration of C. korshinskii were conducive to the formation of surface soil aggregates （especially large aggregates）， but led to a decrease in the average sphericity of aggregates. The morphology and stability of aggregates formed in the soil after the introduction of C. korshinskii shrubland differed from those of grassland soil aggregates. Further studies should focus on which morphological characteristics are related to aggregate stability， as this is of great significance for understanding the formation of soil aggregates and their ecological functions.

Key words: aggregates, geometric distribution, topology, Caragana korshinskii, CT scanning

Zhi-hao ZHU, Chen MENG, Xing WANG, Nai-ping SONG, Li WANG, Miao-miao XU, Ling-tong DU. Geometric distribution， formation， and topological structure of soil aggregates after introduction of Caragana korshinskii on the desert steppe[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(11): 53-64.

Figures/Tables 10

References 44

1	Zhang Y H， Weng B S， Yan D H. Research progress of soil aggregates based on literature visualization analysis. Advances in Earth Science， 2022， 37（4）： 429-438.
	张彧行，翁白莎，严登华. 基于文献可视化分析的土壤团聚体研究进展. 地球科学进展， 2022， 37（4）： 429-438.
2	Zhang X R， Zhang W Q. Research progress of soil aggregates. Northern Horticulture， 2020， 468（21）： 131-137.
	张旭冉，张卫青. 土壤团聚体研究进展. 北方园艺， 2020， 468（21）： 131-137.
3	Li Z H， Zhang Q H， Tian H W， et al. Study on the structure of topsoil aggregates for Mu Us sandy land in China. Institute of Physics Conference Series： Earth and Environmental Science， 2016， 41（1）： 012021.
4	Liang A， McLaughlin N B， Zhang X， et al. Short-term effects of tillage practices on soil aggregate fractions in a Chinese Mollisol. Acta Agriculturae Scandinavia， Section B-Soil & Plant Science， 2011， 61（6）： 535-542.
5	Huang Y， Zhang F B， Gao J X， et al. Progress in research on structural stability of soil aggregates based on high energy moisture characteristic method. Research of Soil and Water Conservation， 2022， 29（6）： 431-437， 443.
	黄悦，张风宝，高晶霞，等. 基于高能水分特性法的土壤团聚体结构稳定性研究进展. 水土保持研究， 2022， 29（6）： 431-437， 443.
6	Li N， Han X Z， You M Y， et al. Research review on soil aggregates and microbes. Ecology and Environmental Sciences， 2013， 22（9）： 1625-1632.
	李娜，韩晓增，尤孟阳，等. 土壤团聚体与微生物相互作用研究. 生态环境学报， 2013， 22（9）： 1625-1632.
7	Rong H， Fang H， Zhang Z B， et al. Effects of aggregate size distribution on soil pore structure and soil organic carbon mineralization. Acta Pedologica Sinica， 2022， 59（2）： 476-485.
	荣慧，房焕，张中彬，等. 团聚体大小分布对孔隙结构和土壤有机碳矿化的影响. 土壤学报， 2022， 59（2）： 476-485.
8	Six J， Elliott E T， Paustian K. Soil macroaggregate turnover and microaggregate formation： A mechanism for C sequestration under no-tillage agriculture. Soil Biology and Biochemistry， 2000， 32（14）： 2099-2103.
9	Nadian H， Hashemi M， Herbert S J. Soil aggregate size and mycorrhizal colonization effect on root growth and phosphorus accumulation by berseem clover. Communications in Soil Science and Plant Analysis， 2009， 40（15/16）： 2413-2425.
10	Mawodza T， Menon M， Brooks H， et al. Preferential wheat （Triticum aestivum. L. cv. Fielder） root growth in different sized aggregates. Soil and Tillage Research， 2021， 212： 105054.
11	Wang X， Whalley W R， Miller A J， et al. Sustainable cropping requires adaptation to a heterogeneous rhizosphere. Trends in Plant Science， 2020， 25（12）： 1194-1202.
12	Rabot E， Wiesmeier M， Schlüter S， et al. Soil structure as an indicator of soil functions： A review. Geoderma， 2018， 314： 122-137.
13	Garcia L， Damour G， Gary C， et al. Trait-based approach for agroecology： contribution of service crop root traits to explain soil aggregate stability in vineyards. Plant and Soil， 2019， 435（1）： 1-14.
14	Le Bissonnais Y， Prieto I， Roumet C， et al. Soil aggregate stability in Mediterranean and tropical agro-ecosystems： effect of plant roots and soil characteristics. Plant and Soil， 2018， 424（1）： 303-317.
15	Song R， Liu L， Ma L Y， et al. Effect of crop root exudates on the size and stability of soil aggregate. Journal of Nanjing Agricultural University， 2009， 32（3）： 93-97.
	宋日，刘利，马丽艳，等. 作物根系分泌物对土壤团聚体大小及其稳定性的影响. 南京农业大学学报， 2009， 32（3）： 93-97.
16	Zhang Z， Huang Y Z， Zhang C， et al. Distribution of soil phosphorus fractions in aggregates in Chinese fir plantations with different stand ages. Chinese Journal of Applied Ecology， 2022， 33（4）： 939-948.
	张喆，黄永珍，张超，等. 不同林龄杉木人工林土壤团聚体磷素分布特征. 应用生态学报， 2022， 33（4）： 939-948.
17	Zhang H O， Shi C D， Li J. Changes of aggregates in soft rock improved sandy soil after years of corn plantation. Journal of Arid Land Resources and Environment， 2022， 36（2）： 110-115.
	张海欧，师晨迪，李娟. 砒砂岩改良风沙土后玉米不同种植年限下土壤团聚体变化特征. 干旱区资源与环境， 2022， 36（2）： 110-115.
18	Zhuang Z， Zhang Y， Zhang Y， et al. Study on distribution characteristics and stability of soil aggregate in Chinese fir plantation at different developmental stages. Journal of Soil and Water Conservation， 2017， 31（6）： 183-188.
	庄正，张芸，张颖，等. 不同发育阶段杉木人工林土壤团聚体分布特征及其稳定性研究. 水土保持学报， 2017， 31（6）： 183-188.
19	Gao R， Zhao Y G， Liu X F， et al. Effects of stand age and slope position of Caragana korshinskii plantations on soil aggregate stability in the loess hilly region. Acta Ecologica Sinica， 2020， 40（9）： 2964-2974.
	高冉，赵勇钢，刘小芳，等. 黄土丘陵区人工柠条种植年限和坡位对土壤团聚体稳定性的影响. 生态学报， 2020， 40（9）： 2964-2974.
20	Zhang F， Chen Y M， Wang Y F， et al. Effects of Caragana korshinskii plantation on soil physical properties and organic matter in semi-arid loess hilly region. Research of Soil and Water Conservation， 2010， 17（3）： 105-109.
	张飞，陈云明，王耀凤，等. 黄土丘陵半干旱区柠条林对土壤物理性质及有机质的影响. 水土保持研究， 2010， 17（3）： 105-109.
21	Zhu Q L， Cheng M， An S S， et al. Effects of re-vegetation on characteristics of soil aggregates and humus in soil aggregate in loess hilly region of southern Ningxia. Journal of Soil and Water Conservation， 2013， 27（4）： 247-251， 257.
	朱秋莲，程曼，安韶山，等. 宁南山区植被恢复对土壤团聚体特征及腐殖质分布的影响. 水土保持学报， 2013， 27（4）： 247-251， 257.
22	Xue S， Liu G B， Zhang C， et al. Change of soil-erodibility of artificial shrubs in loess hilly area. Scientia Agricultura Sinica， 2010， 43（15）： 3143-3150.
	薛萐，刘国彬，张超，等. 黄土丘陵区人工灌木林土壤抗蚀性演变特征. 中国农业科学， 2010， 43（15）： 3143-3150.
23	Shi Y， Chen X， Shen S M. Stable mechanisms of soil aggregate and effects of human activities. Chinese Journal of Applied Ecology， 2002， 13（11）： 1491-1494.
	史奕，陈欣，沈善敏. 土壤团聚体的稳定机制及人类活动的影响. 应用生态学报， 2002，13（11）： 1491-1494.
24	Liu J Y， Zhou Z C， Su X M. A review of the mechanism of root system on the formation of soil aggregates. Journal of Soil and Water Conservation， 2020， 34（3）： 267-273， 298.
	刘均阳，周正朝，苏雪萌. 植物根系对土壤团聚体形成作用机制研究回顾. 水土保持学报， 2020， 34（3）： 267-273， 298.
25	Liu D H， Li Y. Mechanism of plant roots improving resistance of soil to concentrated flow erosion. Journal of Soil and Water Conservation， 2003， 17（3）： 34-37， 117.
	刘定辉，李勇. 植物根系提高土壤抗侵蚀性机理研究. 水土保持学报， 2003， 17（3）： 34-37， 117.
26	Yang Q， Zhu D Y， Chen J， et al. Effects of vegetation restoration models on soil aggregate and organic carbon stock. Journal of Forest and Environment， 2022， 42（6）： 631-639.
	杨倩，朱大运，陈静，等. 植被恢复模式对土壤团聚体和有机碳储量的影响. 森林与环境学报， 2022， 42（6）： 631-639.
27	Xiao T Q， Liu Y Q， Liu X J， et al. Effects of six vegetation restoration models on the physicochemical properties and aggregate stability of degraded red soil in Jiangxi Province. Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensis， 2022， 44（5）： 1292-1304.
	肖廷琦，刘苑秋，刘晓君，等. 六种植被恢复模式对江西退化红壤理化性质及团聚体稳定性的影响. 江西农业大学学报， 2022， 44（5）： 1292-1304.
28	Fang X， Li J， Xiong Y， et al. Responses of Caragana korshinskii Kom. to shoot removal： mechanisms underlying regrowth. Ecological Research， 2008， 23（5）： 863-871.
29	Wang S， Li L， Zhou D W. Root morphological responses to population density vary with soil conditions and growth stages： The complexity of density effects. Ecology and Evolution， 2021， 11（15）： 10590-10599.
30	Liang H B， Shi J W， Li Z S， et al. Evaluation of soil desiccation intensity in different ages of Caragana korshinskii Kom. in loess hilly region， northwestern Shanxi. Research of Soil and Water Conservation， 2018， 25（2）： 87-93.
	梁海斌，史建伟，李宗善，等. 晋西北黄土丘陵区不同林龄柠条林地土壤干燥化效应. 水土保持研究， 2018， 25（2）： 87-93.
31	Wang W， Kravchenko A N， Smucker A J M， et al. Comparison of image segmentation methods in simulated 2D and 3D microtomographic images of soil aggregates. Geoderma， 2011， 162（3/4）： 231-241.
32	Kravchenko A N， Wang A N W， Smucker A J M， et al. Long-term differences in tillage and land use affect intra-aggregate pore heterogeneity. Soil Science Society of America Journal， 2011， 75（5）： 1658-1666.
33	Wang W， Kravchenko A N， Smucker A J M， et al. Intra-aggregate pore characteristics： X-ray computed microtomography analysis. Soil Science Society of America Journal， 2012， 76（4）： 1159-1171.
34	Zhou H， Peng X， Peth S， et al. Effects of vegetation restoration on soil aggregate microstructure quantified with synchrotron-based micro-computed tomography. Soil and Tillage Research， 2012， 124： 17-23.
35	Cho G C， Dodds J， Santamarina J C. Particle shape effects on packing density， stiffness， and strength： natural and crushed sands. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2006， 132（5）： 591-602.
36	Li Z K， Li X Y， Zhou S， et al. A comprehensive review on coupled processes and mechanisms of soil-vegetation-hydrology， and recent research advances. Science China Earth Sciences， 2022， 52（11）： 2105-2138.
	李中恺，李小雁，周沙，等. 土壤-植被-水文耦合过程与机制研究进展. 中国科学：地球科学， 2022， 52（11）： 2105-2138.
37	Xiao L， Yao K， Li P， et al. Increased soil aggregate stability is strongly correlated with root and soil properties along a gradient of secondary succession on the Loess Plateau. Ecological Engineering， 2020， 143： 105671.
38	Tan X J， Mu X M， Gao P， et al. Effects of vegetation restoration on changes to soil physical properties on the Loess Plateau. China Environmental Science， 2019， 39（2）： 713-722.
	谭学进，穆兴民，高鹏，等. 黄土区植被恢复对土壤物理性质的影响. 中国环境科学， 2019， 39（2）： 713-722.
39	Wang Y， Liu S， Guo J L， et al. Influence of different vegetation types on soil nutrients， enzyme activities and microbial diversities in loess plateau. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2018， 38（1）： 62-68.
	王雅，刘爽，郭晋丽，等. 黄土高原不同植被类型对土壤养分、酶活性及微生物的影响. 水土保持通报， 2018， 38（1）： 62-68.
40	Liu M Y， Chang Q R， An S S， et al. Features of soil aggregate and tiny aggregate under different land use. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2005（11）： 247-250.
	刘梦云，常庆瑞，安韶山，等. 土地利用方式对土壤团聚体及微团聚体的影响. 中国农学通报， 2005（11）： 247-250.
41	Ma Y， Meng C， Yue J M， et al. Study on preferential flow of soil of artificially planted Caragana korshinskii shrubland in different years of desert grassland in Ningxia. Acta Ecologica Sinica， 2022， 42（3）： 895-903.
	马昀，孟晨，岳健敏，等. 宁夏荒漠草原不同林龄人工柠条林地土壤优先流研究. 生态学报， 2022， 42（3）： 895-903.
42	Zhao F W， Wang N， Su X M， et al. Effects of main plant roots on soil organic matter and aggregates in loess hilly region. Journal of Soil and Water Conservation， 2019， 33（5）： 105-113.
	赵富王，王宁，苏雪萌，等. 黄土丘陵区主要植物根系对土壤有机质和团聚体的影响. 水土保持学报， 2019， 33（5）： 105-113.
43	Cui X R， Zhang J L， Wang Y Q， et al. Effect of different forests on the soil aggregate stability in Xiaolongshan forest region of Gansu Province. Journal of Soil and Water Conservation， 2021， 35（4）： 275-281.
	崔芯蕊，张嘉良，王云琦，等. 甘肃小陇山林区不同林分对土壤团聚体稳定性的影响. 水土保持学报， 2021， 35（4）： 275-281.
44	Jiang C X， Wang B， Wang Y J， et al. Soil aggregate stability of typical forest stands in the Jinyun Mountain based on Le Bissonnais method. Science of Soil and Water Conservation， 2020， 18（2）： 52-61.
	蒋春晓，王彬，王玉杰，等. 基于LB法的缙云山典型林分土壤团聚体的稳定性. 中国水土保持科学， 2020， 18（2）： 52-61.

样地 Plot	柠条引入情况 C. korshinskii introduction situation	草本情况 Herbaceous condition	坐标 Coordinate	海拔 Altitude （m）
M₁	引入35年Introduced for 35 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.2152′， E 107°30.3382′	1519
M₂	引入24年Introduced for 24 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.0330′， E 107°29.7485′	1491
M₃	引入14年Introduced for 14 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.1854′， E 107°30.1312′	1489
M₄	引入9年Introduced for 9 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.3001′， E 107°29.6180′	1497
CK	─	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.4154′， E 107°29.7912′	1511

样地 Plot	柠条引入情况 C. korshinskii introduction situation	草本情况 Herbaceous condition	坐标 Coordinate	海拔 Altitude （m）
M₁	引入35年Introduced for 35 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.2152′， E 107°30.3382′	1519
M₂	引入24年Introduced for 24 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.0330′， E 107°29.7485′	1491
M₃	引入14年Introduced for 14 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.1854′， E 107°30.1312′	1489
M₄	引入9年Introduced for 9 years	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.3001′， E 107°29.6180′	1497
CK	─	猪毛蒿+狗尾草A. scoparia+S. viridis	N 37°49.4154′， E 107°29.7912′	1511

样地 Plot	土壤深度 Soil depth （cm）	孔隙度 Porosity （%）	土壤密度 Soil bulk density （g·m^-3）	稳渗速率 Stable infiltration rate （mm·min^-1）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	土壤颗粒组成 Soil particle composition （%）
样地 Plot	土壤深度 Soil depth （cm）	孔隙度 Porosity （%）	土壤密度 Soil bulk density （g·m^-3）	稳渗速率 Stable infiltration rate （mm·min^-1）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	<0.05 mm	0.05~0.25 mm	>0.25 mm
M₁	0~10	0.028±0.016	1.307±0.067	3.533±0.252	11.650±1.876	9.53	76.28	14.19
M₁	10~20	0.042±0.058	1.317±0.051	3.367±0.322	10.053±1.962	6.30	70.12	23.58
M₂	0~10	0.022±0.010	1.317±0.012	2.667±0.153	6.600±4.555	9.81	68.32	21.87
M₂	10~20	0.018±0.007	1.273±0.032	3.000±0.265	7.577±1.746	6.12	63.15	30.73
M₃	0~10	0.018±0.006	1.290±0.072	2.733±0.058	8.853±1.365	6.58	55.35	21.87
M₃	10~20	0.014±0.003	1.337±0.012	3.000±0.100	12.230±2.983	7.88	59.16	30.73
M₄	0~10	0.158±0.006	1.440±0.017	2.233±0.058	9.470±0.259	5.35	58.32	36.33
M₄	10~20	0.013±0.002	1.477±0.006	2.567±0.208	8.837±0.652	1.85	58.24	39.91
CK	0~10	0.016±0.002	1.310±0.030	2.700±0.200	7.980±1.112	0.98	61.67	37.35
CK	10~20	0.013±0.013	1.360±0.010	3.200±0.300	7.803±0.352	1.25	50.36	48.39

样地 Plot	土壤深度 Soil depth （cm）	孔隙度 Porosity （%）	土壤密度 Soil bulk density （g·m^-3）	稳渗速率 Stable infiltration rate （mm·min^-1）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	土壤颗粒组成 Soil particle composition （%）
样地 Plot	土壤深度 Soil depth （cm）	孔隙度 Porosity （%）	土壤密度 Soil bulk density （g·m^-3）	稳渗速率 Stable infiltration rate （mm·min^-1）	土壤含水量 Soil moisture content （%）	<0.05 mm	0.05~0.25 mm	>0.25 mm
M₁	0~10	0.028±0.016	1.307±0.067	3.533±0.252	11.650±1.876	9.53	76.28	14.19
M₁	10~20	0.042±0.058	1.317±0.051	3.367±0.322	10.053±1.962	6.30	70.12	23.58
M₂	0~10	0.022±0.010	1.317±0.012	2.667±0.153	6.600±4.555	9.81	68.32	21.87
M₂	10~20	0.018±0.007	1.273±0.032	3.000±0.265	7.577±1.746	6.12	63.15	30.73
M₃	0~10	0.018±0.006	1.290±0.072	2.733±0.058	8.853±1.365	6.58	55.35	21.87
M₃	10~20	0.014±0.003	1.337±0.012	3.000±0.100	12.230±2.983	7.88	59.16	30.73
M₄	0~10	0.158±0.006	1.440±0.017	2.233±0.058	9.470±0.259	5.35	58.32	36.33
M₄	10~20	0.013±0.002	1.477±0.006	2.567±0.208	8.837±0.652	1.85	58.24	39.91
CK	0~10	0.016±0.002	1.310±0.030	2.700±0.200	7.980±1.112	0.98	61.67	37.35
CK	10~20	0.013±0.013	1.360±0.010	3.200±0.300	7.803±0.352	1.25	50.36	48.39

林龄 Years	土壤深度 Soil depth （cm）	数量密度 Number density （No.·mm^-3）	长度密度 Length density （mm·mm^-3）	体积密度 Volume density （mm³·mm^-3）	表面积密度 Surface area density （mm²·mm^-3）	平均等效直径 Average equivalent diameter （mm）	平均球度 Average sphericity
9	0~10	0.635±0.002a	0.309±0.001c	0.008±0.000e	0.202±0.001d	0.309±0.003e	3.214±0.465a
9	10~20	0.935±0.003a	0.446±0.001b	0.016±0.000c	0.310±0.001b	0.342±0.005c	2.649±0.313a
14	0~10	0.359±0.001c	0.261±0.000d	0.017±0.000c	0.265±0.000b	0.382±0.006b	2.613±0.183c
14	10~20	0.336±0.001d	0.235±0.001d	0.012±0.000d	0.213±0.000c	0.365±0.005a	2.536±0.122b
24	0~10	0.514±0.001b	0.359±0.000b	0.023±0.000a	0.364±0.001a	0.389±0.005a	2.168±0.204d
24	10~20	0.748±0.002b	0.345±0.001c	0.010±0.000e	0.218±0.000c	0.314±0.003d	2.543±0.305b
35	0~10	0.513±0.001b	0.376±0.000a	0.021±0.000b	0.371±0.000a	0.378±0.004c	2.743±0.127b
35	10~20	0.972±0.002a	0.510±0.001a	0.024±0.000a	0.410±0.000a	0.341±0.003c	2.064±0.165c
CK	0~10	0.323±0.001d	0.225±0.000e	0.012±0.000d	0.222±0.001c	0.358±0.006d	2.791±0.313b
CK	10~20	0.667±0.001c	0.460±0.001b	0.020±0.000b	0.400±0.001a	0.360±0.003b	2.569±0.134b