植被和土壤是陆地生态系统的重要组成部分，土壤质量和植被演替相互影响，土壤质量特性的变化规律对揭示植被演替方向和空间分布具有非常重要的参考价值，同时植物群落的演替也影响土壤性状出现曲线变化^[1-2]。土壤理化性质与微生物生物量是决定土壤肥力、反映生境变化的重要指标，通过研究土壤理化性质与微生物生物量可以描绘土壤环境的状况^[3-4]。植被类型、地表凋落物储量与构成、凋落物分解速率、林木根系生长发育以及环境因子等各项差异均会在一定程度上影响土壤理化性质与微生物生物量^[5-6]。钟芳等^[7]研究发现人工林的建植能够改善土壤理化性质及微生物生物量，但在短期内恢复不到天然林地的自然水平。蒲洁等^[8]对农牧交错带草灌乔3种典型植被土壤研究表明，植被恢复可以明显提高表层土壤理化性质及微生物生物量，且以灌木林地水平最高。林权虹等^[9]研究指出退耕还林还草后，不同植被恢复类型下土壤养分含量无显著差异，但草地土壤微生物生物量碳氮含量均高于林地、灌丛和耕地。可以看出不同植被类型下土壤理化性状与微生物生物量之间密切相关，且具有不同的耦合关系，因此研究不同植被恢复过程中土壤理化性质与微生物生物量的变化规律，能更好地揭示植被状况的差异和变化^[10]。

新银合欢(Leucaena leucocephala)原产于中美洲，属豆科银合欢属，抗旱耐瘠薄，生长能力极强且成林周期短^[11]。干热河谷的造林实践证明其具有广泛的适应性和很强的抗逆性，具有良好的水土保持功能，是边坡恢复先锋物种的优先选择^[12]。近几十年，在向家坝等大型水利工程施工扰动区边坡以及废弃矿山边坡修复中应用广泛^[11]。前人通过研究新银合欢不同生长阶段对农耕地^[13]和人工林^[14]土壤理化性质的影响，发现新银合欢林在植被恢复过程中具有良好的固碳作用^[13]和固土效应^[15]，在提高土壤抗蚀性^[16]和降雨截流^[17]功能等方面也具有良好效应。但新银合欢林建植多年后会侵占当地生长资源，形成单一优势种群，并不断向四周蔓延扩散，对植被恢复及土壤性质造成很大影响^[18]。

因此，本研究选取向家坝工程扰动区6种不同龄级的新银合欢林地为研究对象，通过建立不同龄级新银合欢林土壤理化性质–微生物生物量耦合协调模型，探讨土壤理化性质及微生物生物量的变化特征，阐明土壤理化性质与微生物生物量的响应关系，可为现有新银合欢林植被恢复效果的可持续性调控提供科学参考，并为提高同类植被生态恢复工程科学管理水平提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于四川省宜宾县金沙江干流下游的向家坝水电站左岸坝肩出口处，是横江与金沙江交汇的三角地带，坐标为28°22'15″N ~ 28°39'16″N、104°3'27″E ~ 104°25'25″E。地属亚热带湿润季风气候区，河谷地带则带有南亚热带的气候特点。该区热量充沛，多年平均气温17.8 ℃，雨量充沛但分布不均，年降水量介于1 300 ~ 1 700 mm，主要集中于5—10月。年均蒸发量在1 500 ~ 1 800 mm，年均相对湿度为82%。日照充沛，年日照总时数为950 ~ 1 180 h。

1.2 样地选择与植被调查

2019年8月对2007年向家坝水电站修建所产生的工程扰动区边坡进行野外植被调查。通过调查发现自2009年起对该工程扰动区边坡实施生态修复时，在边坡加入新银合欢作为生态修复的先锋物种，历经多年的生长后形成新银合欢纯林。根据新银合欢树龄变化、林地分布情况，采用时空替代法将新银合欢林划分为：无新银合欢群落、新银合欢1 a群落、新银合欢2 a群落、新银合欢3 ~ 4 a群落、新银合欢5 ~ 6 a群落以及新银合欢7 ~ 8 a群落，分别用A1、A2、A3、A4、A5、A6表示。所选样地海拔均在288.9 ~ 502.7 m，由于在设置样方时，从A6到A1群落是沿着山坡自上而下进行，A5、A6群落对应山坡上坡位，A4群落对应山坡中上坡位，A3群落对应山坡中坡位，A2群落对应山坡中下坡位，A1群落对应山坡下坡位。不同龄级新银合欢林沿箭头方向，呈条带状分布，样地分布见图 1。

在不同龄级新银合欢群落随机设置3个标准样方(5 m × 5 m)，在每个样方内充分调查其物种组成以及新银合欢的树高和冠幅。按照新银合欢生长不同树龄和平均高度，将林地内不同生长时期的新银合欢划分成3个生活型：草本(< 1 m)、灌木(< 5 m)、乔木(5 ~ 10 m)。A1群落中有植物种数21种，绝大多数为草本，藤本1种，无灌木和乔木，仅以草本植物为主。A2群落中新银合欢仅以幼苗形态出现，群落的物种组成依旧以草本植物为主。A3群落中新银合欢生长发育为灌木，群落物种数出现明显变化，其中草本植物13 ~ 21种，灌木1种，藤本植物退出植被演替序列，群落结构由原来以草本植物为主的单层结构过渡到草-灌双层结构，群落层片增加。A4群落中新银合欢幼树生长发育为小乔木，物种数出现骤降，为6 ~ 10种，群落物种组成以乔木为主，草-灌为辅，形成明显的草-灌-乔3层结构。新银合欢生长5 a以后成长为中型乔木，灌木层为新银合欢树苗，草本层为新银合欢幼苗和落葵薯两种植物，原有稗草、龙葵、灰绿藜、马齿苋、香附子、鬼针草等植物消失退出植被演替序列。A5、A6群落的植物种数为1 ~ 2种，是为新银合欢纯林群落。样地的基本情况见表 1。

1.3 研究方法

完成植被情况调查后，在每个样方内进行土壤采集，因人工植被恢复措施覆土层厚度约为10 cm，故在每个样方内用取土铲按“S”形采集0 ~ 10 cm表层土壤5份，后将同一样地内15个土样均匀混合。剔除石块、根系、凋落物、动植物残体等，过2 mm筛后将样品一分为二。一部分低温保存带回实验室，置于–20 ℃冰箱保存，用于测定土壤微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)含量；另一部分用塑封袋装好，常温带回实验室，自然风干后，用于测定其他土壤理化性质。

土壤理化性质测定方法参照文献[19]：土壤含水率(θg)采用烘干法(105 ℃)测定；土壤pH测定采用玻璃电极法；土壤有机碳(SOC)含量测定采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法；全氮(TN)含量测定采用凯氏消解-蒸馏滴定法；全磷(TP)含量测定采用钼锑抗比色法；MBC和MBN测定采用氯仿熏蒸浸提法。土壤微生物熵(qMB)是MBC与SOC的比值，也可揭示土壤质量的变化状况^[20]。

采用耦合协调度模型^[21]对不同龄级新银合欢林土壤理化性质与微生物生物量关系进行计算分析(公式1 ~ 5)，对耦合度^[22]与协调度^[23]等级划分如表 2所示。

$ C = \sqrt {\left[ {\frac{{{U_1}{U_2}}}{{{{\left( {\frac{{{U_1} + {U_2}}}{2}} \right)}^2}}}} \right]} $

(1)

$ {U_1} = \sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}{x_i}} $

(2)

$ {U_2} = \sum\limits_{j = 1}^m {{b_j}{y_j}} $

(3)

式中：C是土壤理化性质微生物生物量的耦合度，取值范围为[0, 1]，C越大，说明两系统相互作用越强；$ {a_i} $、$ {b_j} $为第$ i $个土壤理化指标和第$ j $个土壤微生物指标的权重值；$ {b_j} $、$ {y_j} $为第$ i $个土壤理化指标和第$ j $个土壤微生物指标的标准化值；U₁为土壤理化性质综合评价函数，U₂为土壤微生物生物量综合评价函数。

$ T = \alpha {U_1} + \beta {U_2} $

(4)

$ D = \sqrt {CT} $

(5)

式中：T为土壤理化性质–微生物生物量的综合协调指数；$ \alpha 、\beta $为土壤理化性质和土壤微生物生物量的贡献率，在土壤质量系统中，土壤理化性质和土壤微生物生物量二者重要性系数相同，故$ \alpha 、\beta $取均值0.5；D是土壤理化性质–微生物生物量的协调度，取值范围为[0, 1]，D越大，说明两系统协调程度越好。

1.4 数据分析与处理

采用Excel 2016、Origin 2021进行常规数据的统计以及作图。用SPSS 22.0对不同龄级新银合欢林土壤理化性质和微生物生物量指标进行单因素方差ANOVA分析，并用SPSS 22.0对土壤理化性质和微生物生物量各指标间进行Pearson相关分析。以上统计分析显著性水平均设定为$ \alpha $=0.05。采用R(4.0.0)中的“plspm”包进行偏最小二乘路径回归分析(PLS-PM)。在耦合协调度模型中为了消除指标单位不同所带来的误差，使其数据具有可比性，采用极差法对数据进行标准化处理。土壤指标权重计算采用主成分分析方法(PCA)。

2 结果与分析 2.1 不同龄级新银合欢林土壤理化性质

由表 3可知，A1群落土壤含水率远高于其余群落且差异显著(P < 0.05)，土壤含水率随新银合欢林龄增加呈减少趋势，当新银合欢成为灌木时A3群落土壤含水率下降至A1群落的51.2%。各群落土壤pH为8.01 ~ 8.49，呈偏弱碱性，这主要是由于新银合欢根系分泌物的介导下土壤环境状况会发生变化，导致根际土和非根际土均呈弱碱性^[24]。

各群落土壤SOC、TN以及TP含量分别为8.55 ~ 25.20、0.18 ~ 0.57和0.54 ~ 1.99 g/kg，均低于蒋家沟干热河谷区9 a生新银合欢人工林0 ~ 10 cm土壤养分含量^[12]。并且土壤SOC、TN和TP含量变化规律均表现为在新银合欢草灌阶段快速减少，分别下降至A1群落的33.9%、31.6% 和27.1%；当新银合欢成林后缓慢增加，并且土壤SOC和TN含量基本恢复到A1群落水平。表明在新银合欢生长发育初期会通过种间竞争大量吸收土壤养分，造成土壤养分含量迅速减少，而当新银合欢生长成为优势物种后，引起的群落结构改变，造成微生物数量及分解转化能力发生变化，使得后期土壤养分缓慢增加，但是总体含量仍然较低^[12]。

土壤碳氮比(C/N)被作为土壤氮矿化能力的标志之一，低的C/N可以加速微生物在有机质分解过程中的养分释放速率以及氮的矿化速率，促进土壤中有效氮的增加^[25]。各群落土壤C/N整体在24.71 ~ 47.50，除了A1群落为24.71之外，其他群落土壤C/N均远大于30，均高于微生物分解的最佳值范围。说明A1群落土壤腐殖化程度较高，氮矿化能力强，而其他群落土壤腐殖化程度较低，不利于氮矿化作用。

2.2 不同龄级新银合欢林土壤微生物生物量

由图 2可知，各群落土壤MBC、MBN含量以及MBC/MBN、qMB变化范围分别为127.14 ~ 437.78 mg/kg、45.14 ~ 107.06 mg/kg、1.87 ~ 4.84和0.83 ~ 6.42，其中A1群落土壤MBC、MBN含量和A3群落土壤MBC/MBN和qMB明显高于其他群落

且差异显著(P < 0.05)。整体来说，土壤MBC和MBN含量初期最高，随着新银合欢林龄增加使得土壤MBC和MBN有所降低，MBC出现先上升后回落趋于平缓的分布格局，而MBN出现先骤降后缓慢上升的趋势，当新银合欢成为灌木时A3群落土壤MBC和MBN含量分别下降至A1群落的72.8% 和61.5%。除A3群落外，各样地MBC/MBN和qMB相较于A1群落均下降，土壤养分转化速率显著降低。这可能是因为不同龄级新银合欢林植被群落不同，其坡面凋落物层的厚度也不同，导致土壤微生物数量和结构差异也较大^[26]。人工边坡修复时间短，植被演替时间也较短，会影响其土壤微生物的繁衍周期。此外，新银合欢持续生长改变植物群落结构也可能不利于土壤微生物的生长和繁殖，导致其土壤微生物生物量降低。

2.3 土壤理化性质与微生物生物量相关性及PLS- PM分析

不同龄级新银合欢林土壤理化性质和微生物生物量相关性分析(图 3)表明，θg与TP呈极显著正相关(P < 0.01)，与C/N呈极显著负相关(P < 0.01)，与MBC呈显著正相关(P < 0.05)；pH与MBC/MBN呈显著负相关(P < 0.05)；SOC与TN呈极显著正相关(P < 0.01)；TP与C/N呈极显著负相关(P < 0.01)；qMB与MBC和MBC/MBN均呈显著正相关(P < 0.05)。

在前述分析的基础上，进一步通过偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析了土壤理化性质与微生物生物量之间的关系，结果如图 4所示。在PLS-PM计算中，物理性质系统的R²=1.000，化学性质系统的R²=0.930，微生物生物量系统的R²=0.662，均大于模型的拟合优度0.650，故该模型中自变量解释因变量变异的程度良好。土壤化学性质对pH、TP和C/N的路径系数分别为0.830、–0.992和0.935，达到显著水平，但对SOC和TN的影响不显著。土壤微生物生物量对MBC、MBN、MBC/MBN和qMB的路径系数分别为0.992、0.710、0.797和0.911，均达到显著水平。土壤物理性质对化学性质和微生物生物量的路径系数分别为–0.964和1.969，达到显著水平，足可见在不同龄级新银合欢林中土壤含水率对土壤养分与微生物生物量的影响较大。化学性质对土壤微生物生物量的路径系数为1.275，表明土壤养分促进了土壤微生物生物量积累，且作用显著。

2.4 土壤理化性质–微生物生物量耦合协调特征分析

构建能够反映向家坝工程扰动区新银合欢林恢复效果的高敏感性评价指标体系，形成包括θg、pH、SOC、TN、TP和C/N等6个指标在内的土壤理化性质子系统，以及包括MBC、MBN、MBC/MBN和qMB等4个指标在内的土壤微生物生物量子系统。各指标权重结果如图 5所示。

对向家坝工程扰动区不同龄级新银合欢林的土壤理化性质–微生物生物量耦合协调度计算结果如表 4所示。不同龄级新银合欢林土壤理化性质–微生物生物量耦合关系不同，协调类型也存在一定差异，6种不同龄级新银合欢林土壤理化性质–微生物生物量耦合度C介于0.572 1 ~ 0.975 5，其顺序具体表现为A2 > A5 > A3 > A1 > A4 > A6；协调度D的变化范围为0.501 2 ~ 0.716 2，其顺序具体表现为A1 > A3 > A6 > A2 > A5 > A4。扰动区不同龄级新银合欢林土壤理化性质–微生物生物量协调度总体表现为随新银合欢林龄增大呈现波动下降，直到A4群落新银合欢成林时协调度从A1群落的0.716 2下降至最小值0.501 2，之后协调度缓慢上升，到新银合欢成为纯林时协调度上升至0.555 7，最终稳定趋于勉强协调发展类型。

3 讨论 3.1 不同龄级新银合欢林对土壤理化性质的影响

新银合欢生长初期对土壤水分以及养分吸收速率快，不利于土壤养分的存在和转化，这主要是由于新银合欢具有较强的资源竞争能力和较广的生境适应性^[27]。拜得珍等^[28]研究发现新银合欢根系有较强的抗逆生长能力，不仅主根发达，侧根也生长旺盛，吸收水分和养分的能力极强，这样不仅耗费地力，而且在雨季和旱季分明的情况下，极易造成林地土壤干化。同时新银合欢生长和繁殖能力极强，会使林分密度不断增大，林内个体之间竞争激烈，更是使得土壤养分急剧减少^[11]。随着新银合欢发育为灌木，有明显的木质化结构后，在林地环境条件下新银合欢幼苗更新良好，破坏了物种多样性，使得土壤碱化，影响了微生物的分解速率，限制了土壤养分的积累，这主要是由于土壤养分积累与物种多样性以及群落结构有关。刘方炎等^[29]和陈金凤等^[30]均发现新银合欢纯林林下物种贫乏，生物量极低，植被群落结构相对单一，导致土壤有机质、碱解氮、速效钾等养分均低于台湾相思林地和天然次生植被。李彬等^[31]发现，混交林中新银合欢根系分布比纯林更趋于表层土壤，可以更快地吸收土壤养分促进自身生长，而林木混交可以改变林地空间结构，增加物种的多样性，抑制新银合欢生长，促进土壤养分积累^[32]。此外刘洁等^[33]发现新银合欢纯林土壤持水贮水能力低于乔草结合的恢复林地，淋溶作用使土壤养分向下迁移，也会造成表土养分枯竭。

当新银合欢成林后，土壤养分缓慢增加，这与郭灵辉等^[14]研究发现土壤养分随新银合欢林龄的增长呈先减小后缓慢增大的趋势一致。这主要是随着种间竞争，物种数急剧减少，对土壤养分耗量减小，使得土壤养分能够逐渐积累。另一方面新银合欢作为入侵物种属于豆科植物，可以在温度不高的季节进行固氮，在碱性土壤中土壤硝化作用可以顺利进行，促进养分积累^[34]。罗明没等^[34]也同样发现新银合欢入侵早期阶段土壤SOC、TN并无显著变化，而随着林龄增加土壤SOC与TN含量逐渐增加，并且SOC与TN呈显著正相关。方海东等^[35]在金沙江干热河谷对新银合欢人工林土壤养分的研究中表明，新银合欢林具有很好的土壤改良效应，可以降低土壤的pH。本文研究结果与此有所不同，可能是由于本研究中对照组选取的是人工修复后的草地群落，而方海东等选用的对照组是流域未治理区的光板地。未治理区土壤不论是理化性质或是团聚体结构等本身就很差，植物对该土壤有良好的改良效果。本研究中对照组为人工修复后的草地，群落具有较好的植被覆盖，生态环境良好，植被已然对土壤有了处于峰值的改良效果^[35]。而新银合欢生长多年形成纯林之后，植被类型单一，导致改良效果下降。

3.2 不同龄级新银合欢林对土壤微生物生物量的影响

植被演替过程中新银合欢的持续生长，不利于其他物种的生存，也会影响微生物群落的活性。研究表明植被、成土母质、降水和温度是影响土壤微生物的关键因素^[36]。Liu等^[37]发现土地利用方式会影响植物群落组成和结构以及植物–土壤的相互作用，从而改变土壤微生物生物量。吴晓玲等^[38]发现草地土壤微生物生物量碳氮磷均高于林地、水田和旱地，这主要是因为草地物种丰富度高，枯落物增加了有机质向土壤的输入，为微生物提供了充足的碳源和氮源^[32]。在本研究区A1群落是人工修复后的草地群落，草地群落物种数丰富，土壤表层根系分布密集，其分泌物促进微生物活动，相比于木质化的灌木和乔木，草本纤维素含量较低，可以增加微生物基质的有效性，导致土壤微生物生物量较高^[39]。qMB能够有效反映土壤有机质的活性变化，qMB值越高代表土壤有机质活性越强，越容易被土壤微生物利用，qMB作为评价土壤有效性的指标之一，可以在早期对土壤的退化提供预警^[20]。随着新银合欢林龄增加，除A3外各样地qMB均显著下降，说明在新银合欢林生长发育过程中土壤养分转化速率显著降低。这可能是由于随着新银合欢入侵，群落物种数不断减少，群落片层不断增加，林下植被趋于单一影响了土壤动植物的生长发育，降低了土壤微生物活性，造成土壤碳元素难以有效分解，使得土壤养分和微生物生物量处于较低水平。

通过PLS-PM分析可见土壤微生物生物量直接受到土壤含水率影响，其中土壤微生物生物量碳氮变化趋势与土壤含水率随新银合欢林龄增加的变化趋势较为一致。因为水作为养分运移的载体，能够直接影响土壤养分与微生物生物量的分布特征^[40]。赵春梅等^[41]发现土壤含水率和温度是影响橡胶林土壤微生物生物量的主要物理指标，本文研究发现土壤含水率是土壤微生物生物量的关键因子结果与此相似。此外，新银合欢在0 ~ 20 cm土层中细根分布最多，有明显的表聚现象^[14]。而树龄是影响地下根径及空间分布的关键因素，植物根系发达程度与树龄呈正相关，树龄越长，根径越大，粗根所占比例也越大^[42]。新银合欢树龄越大，植物根系越发达，其生长发育所需水量和养分含量也越多，所以新银合欢林的发育程度也会间接影响土壤微生物生物量。

3.3 土壤理化性质–微生物生物量耦合协调关系

土壤理化性质与微生物生物量相关性分析表明，土壤微生物生物量碳与土壤含水率之间呈显著正相关。同时通过PLS-PM分析可见土壤含水率、养分水平和微生物生物量三者之间相互影响且作用显著。表明土壤理化性质与微生物生物量之间关系密切，具有协同效应，微生物生物量可表征土壤质量和土壤肥力^[3]。耦合协调度模型结果表明，不同龄级新银合欢林土壤理化性质–微生物生物量耦合关系不同，协调类型也存在一定差异。在所有群落中A1群落协调度D最高，是为中级协调发展类。新银合欢入侵后，协调度随着新银合欢林龄增大呈现波动下降，最终稳定趋于勉强协调发展类型。这主要是因为A1群落是无新银合欢的草地群落，优势物种主要是对环境适应性较好的草本植物，输入到土壤中的有机质和凋落物较多，周期短，土壤微生物活性和微生物生物量高，加速了土壤有机质和地表凋落物的分解和转化速率^[43]，与新银合欢入侵后相比更容易形成稳定结构，所以其协调度较高，为中级协调发展类。A2群落中新银合欢入侵与原有物种形成激烈的种间竞争，造成土壤水分、养分和微生物生物量急剧减少，使协调度下降。A3群落中新银合欢成为优势物种，群落演替为草–灌双层结构，可改变林下微环境，与原有环境形成良好适应关系^[44]，协调度有所回升。

其后新银合欢幼树生长发育为小乔木，新银合欢种群达到一定数量时会因资源争夺而排斥抑制本地物种，群落物种数出现骤降，最终排挤其他植物从而形成单种优势群落^[27]。当新银合欢成为垂直纯林群落后，会发生激烈的种间竞争，为了降低竞争态势物种间会出现一定的分离，从而使群落达到稳态^[27]，为勉强协调发展类。但是新银合欢林土壤养分及微生物生物量的可利用程度仍然不高，这一方面是由于土壤养分的有效性在pH为6 ~ 7的微酸条件下最高^[45]，而新银合欢的不断生长发育造成土壤碱化、含水量减少，抑制了土壤酶的活性，降低了碳素循环速率，减少了土壤养分的积累^[46]。另一方面群落结构发展为草–灌–乔3层结构后，新银合欢乔木层会通过化感作用以及对光、水、营养等的竞争减少林下植物的生长、生产力和多样性，间接地影响进入土壤中的林下植被凋落物和分泌物以及土壤微生物群落^[47]，最终导致新银合欢林土壤养分及微生物生物量较低。

4 结论

不同龄级新银合欢林土壤理化性质与微生物生物量存在明显差异，且耦合协调关系有所不同。原生草地群落结构稳定，土壤含水量、养分水平和微生物生物量最高，并且耦合协调度也最高，为中级协调发展类。新银合欢入侵后在草灌阶段土壤含水率、养分水平和微生物生物量显著下降，土壤pH上升使得土壤更为碱化，协调度也有所降低。新银合欢林在乔木阶段土壤养分与微生物生物量缓慢增加且趋于稳定，协调度缓慢上升，最终在新银合欢纯林时稳定趋于勉强协调发展类型。因此，针对不同龄级新银合欢林，要根据不同恢复阶段的土壤生境条件采取不同调控措施，在植被恢复的物种搭配选择上应注重草灌结合，促进土壤以及整个生态系统的健康发展。