刺槐林和檸條林土壤剖面理化性質(zhì)對比及相關(guān)性分析

呂海波，梁宗鎖

(1．中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;2．渭南師范學(xué)院，陜西渭南714000;3．西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院，陜西楊凌712100)

土地利用方式的改變不僅改變著生態(tài)環(huán)境，而且通過土壤碳庫的改變影響著植物—土壤—大氣這一碳循環(huán)過程，進(jìn)而影響著全球變暖現(xiàn)象。土壤碳庫是陸地生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)活躍的成分，其內(nèi)在的轉(zhuǎn)化與外在的交換過程同時(shí)進(jìn)行［1］。目前，土地利用方式改變對土壤環(huán)境及土壤碳庫的影響是國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，農(nóng)地轉(zhuǎn)化為林地能夠改善土壤溫度和濕度、土壤團(tuán)聚體含量、土壤微生物含量，進(jìn)而影響土壤碳庫的動態(tài)變化特征［2－3］。目前的研究主要是針對土壤表層理化性質(zhì)對土地利用方式改變的響應(yīng)，對于深層土壤的相關(guān)研究并不多見。相對于表層土壤，深層土壤有機(jī)碳(SOC)具有很高的穩(wěn)定性，能夠長期儲存在土壤碳庫中［4］，因此對深層土壤理化性質(zhì)的研究能夠有助于進(jìn)一步理解有機(jī)碳動態(tài)變化機(jī)制，增強(qiáng)對深層土壤碳庫演變的預(yù)判能力。當(dāng)前黃土高原的植被恢復(fù)研究已經(jīng)證明對表層土壤理化性質(zhì)及SOC 產(chǎn)生了深刻影響［5－6］。本研究選擇黃土高原紙坊溝流域退耕后的人工檸條林和刺槐林，通過對兩種退耕林地土壤理化性質(zhì)各指標(biāo)的相關(guān)性進(jìn)行分析和對比研究，探索了不同退耕林下土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)機(jī)制，以期為退耕還林及其土壤碳庫效應(yīng)的評價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜西省安塞縣紙坊溝流域是中科院安塞水土保持試驗(yàn)站生態(tài)恢復(fù)定位試驗(yàn)研究小流域，研究區(qū)自1974年開始在局部地域退耕還林，經(jīng)過30 多年的水土保持治理，林地面積從1980年的不足5%增加到40%以上，流域生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)進(jìn)入良性循環(huán)階段［7－8］。

紙坊溝流域位于109°13'46″—109°16'03″E 、36°42'42″—36°46'28″N 之間，海拔1 010～1 400 m，地形破碎，溝壑縱橫，屬黃土高原丘陵溝壑地貌，氣候類型為暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年均氣溫8．8 ℃，年均降水量505．3 mm。土壤為黃土母質(zhì)下的黃綿土，抗侵蝕能力差，受風(fēng)蝕水蝕交錯(cuò)影響。植被類型屬于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶［7］。

2 研究材料和方法

2．1 土壤樣品

土樣采自紙坊溝峙崾峴東部黃土梁。2009年7月，選擇同一坡面上毗鄰的退耕林地C78(1978年刺槐林)、N75(1975年檸條林)和農(nóng)地H74(至少自1974年一直為農(nóng)地，不施化肥，種植玉米、馬鈴薯、糜子等作物)，用GPS 衛(wèi)星定位儀進(jìn)行定位，量算坡中海拔、樣地坡度和坡向以及樣地面積，每塊樣地隨機(jī)選擇3 個(gè)10 m×10 m 的樣方，目測樹高、郁閉度、蓋度，量算樹冠直徑、胸徑等概況，同時(shí)每個(gè)樣方收集50 cm ×50 cm 地表枯落物，烘干后稱重并取平均值(表1)。林地下部草本植物主要由鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(A．giraldii)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedeza davurica)、長芒草(Stipa bungeana)組成。

在樣地中取相鄰4 棵樹中間點(diǎn)作為取樣點(diǎn)，每塊樣地按棋盤式挖掘9 個(gè)剖面，按0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100 cm 分別采樣，同坡位的3 個(gè)剖面根據(jù)深度均勻混合土樣，裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室分析。每個(gè)剖面采樣11 個(gè)，共采樣99 個(gè)，每份土樣重800 g 左右。土壤容重和含水量用容重環(huán)間隔20 cm 采樣測定。

表1 研究樣地概況

2．2 樣品處理和室內(nèi)分析

采樣當(dāng)天進(jìn)行土壤容重和含水量的測量。其他樣品在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干2～3 d，用方格法取土樣磨碎并分別通過直徑1 mm和0．25 mm 的篩，仔細(xì)挑出枝葉、根系、蝸牛殼及鈣結(jié)核等并稱量，前者用來進(jìn)行土壤物理性質(zhì)分析，后者用作土壤化學(xué)組成分析。制備好的樣品放入自封袋中在2 ℃下保存待測。

SOC 含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全N 含量采用半微量凱氏法(FOSS2300 全自動定氮儀)測定，碳酸鈣含量用氣量法測定，粒度采用激光衍射法(馬爾文激光顆粒分析儀MS－2000)測定。所有樣品均重復(fù)測3 次。

2．3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003 和SPSS 16．0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，多個(gè)變量間線性相關(guān)分析采用Pearson 法(P=0．05)，差異顯著性分析利用one way－ANOVA 中的LSD 法(P=0．05)。

根據(jù)國際制土壤質(zhì)地分類，結(jié)合各粒級土壤粒徑與深度的相關(guān)分析結(jié)果，將粒度分析結(jié)果合并為＜0．02 mm(細(xì)分為＜0．002 mm 和0．002—0．02 mm)、0．02—0．2 mm、0．2—1 mm粒徑土壤顆粒進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3．1 樣地表層及深層各指標(biāo)差異性分析

一般認(rèn)為，土壤理化性質(zhì)對地表植被變化的響應(yīng)隨著深度的增加而逐漸減弱，結(jié)合剖面各指標(biāo)聚類分析結(jié)果，本研究分0—20 cm 和20—100 cm 對樣地各指標(biāo)進(jìn)行差異分析(見表2、3)。

從表2、3 對各級粒度的差異分析發(fā)現(xiàn)，除了占較小百分含量的0．2—1 mm 粒徑以外，H74 與C78 樣地0—20 cm 深度各粒級土壤含量呈顯著差異，20—100 cm 深度差異不顯著;H74 與N75 樣地相比，0—20 cm 深度各粒級土壤含量差異不顯著，而20—100 cm 差異顯著。

表2 樣地0—20 cm 深度土壤各參數(shù)對比

表3 樣地20—100 cm 深度土壤各參數(shù)對比

研究證明植被覆蓋對土壤的改良和培肥作用主要表現(xiàn)在改善土壤的質(zhì)地上［9］。植被對土壤的影響表現(xiàn)在植物根系對土壤的擠壓、穿插和分割作用，以及死亡根系和枯枝落葉產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)及根系分泌物對土壤性質(zhì)的影響等方面［10－11］。兩種退耕林對土壤質(zhì)地的影響反映了改善土壤環(huán)境效果的差異。

由表2 和表3 可以看出，刺槐林對土壤粒度的影響主要表現(xiàn)在土表(0—20 cm)，而檸條林更能改善深層土壤(20—100 cm)的物理性質(zhì)。與H74 相比較，兩種退耕林地SOC 和全N 含量在表層和深層都有不同程度的增加，C78 樣地表層SOC 增加了68．3%，深層沒有明顯變化，而N75 樣地表層和深層SOC 含量都與H74 差異顯著，較H74 分別增加了16．6 %和24．3 %。與N75 相比，C78 樣地SOC 和全N 含量都表現(xiàn)為表層增加量大于N75，而深層則低于N75。另外，檸條林地的CaCO3含量在3個(gè)樣地中最高。

3．2 樣地土壤剖面SOC 含量、粒度、C/N 值、全氮相關(guān)性分析

3．2．1 SOC 含量與全N 含量相關(guān)性

對樣地土壤剖面各指標(biāo)進(jìn)行兩變量間線性相關(guān)分析(表4)，結(jié)果顯示0—100 cm 深度SOC 含量與全N 含量各樣地間都呈極顯著相關(guān)(P=0．01)，說明檸條林和刺槐林下的土壤全N主要表現(xiàn)為有機(jī)態(tài)形式。

表4 樣地土壤剖面各指標(biāo)線性相關(guān)指數(shù)

3．2．2 SOC 含量與C/N 值相關(guān)性

C/N 值對有機(jī)質(zhì)狀態(tài)的反映可以從兩個(gè)方面說明:在土壤學(xué)領(lǐng)域，C/N 值被用來反映有機(jī)質(zhì)的可降解程度，高的C/N 值對應(yīng)低的降解能力;而在古土壤研究領(lǐng)域，C/N 值又被用來反映有機(jī)質(zhì)的來源和富集程度，古土壤層的SOC 含量和C/N 值大于黃土層，且呈正相關(guān)［12］，古土壤層地質(zhì)時(shí)期存在的新鮮SOC 經(jīng)長期的分解轉(zhuǎn)化，易降解成分不斷轉(zhuǎn)化消耗，C/N 值增高，穩(wěn)定成分富集并保存。

C78 樣地SOC 含量與C/N 值呈顯著正相關(guān)(P =0．05)，這與農(nóng)地深層土壤(20—100 cm)類似(表4)，說明在刺槐林成長過程中，易降解SOC 處于快速轉(zhuǎn)化狀態(tài)，C/N 值越高，越有利于易降解SOC 分解產(chǎn)物(分解產(chǎn)物包括CO2、無機(jī)碳及難降解SOC)富集，形成了SOC 富集的正反饋過程，進(jìn)一步反映了退耕刺槐林地存在土壤碳匯效應(yīng)。

刺槐和檸條同屬豆科植物，其根系分布特征的不同導(dǎo)致根系固氮量的深度差異。刺槐林高密度根系主要分布在土壤60 cm 深度以下，而檸條林根系在淺層土壤中就有較高的密度。檸條林由于發(fā)達(dá)的根系氮分餾作用更大地影響了C/N 值，因此本研究中檸條林樣地沒有發(fā)現(xiàn)SOC 含量與C/N 值的強(qiáng)相關(guān)。

3．2．3 SOC 含量、C/N 值與土壤粒度的相關(guān)性

表4 以10 cm 遞增的深度變化尺度逐一進(jìn)行相關(guān)性分析，以篩選出特征層。20—100 和40—100 cm 深度出現(xiàn)相關(guān)性顯著特征:H74 樣地土壤剖面20—100 cm 深度C/N 值與＜0．02 mm 粒徑土壤含量相關(guān)系數(shù)達(dá)到0．857 極顯著相關(guān)，其中與0.002—0．02 mm 粒徑土壤含量達(dá)到0．964 極顯著相關(guān)，而SOC含量與0.002—0．02 mm 粒徑土壤含量為0．763 顯著相關(guān);C78樣地在0—100 cm 土壤剖面上SOC 含量與0．2—1 mm 粒徑土壤含量極顯著相關(guān)，在40—100 cm 深度SOC 含量與＜0．002 mm 粒徑土壤含量達(dá)到0．899 顯著相關(guān)，同時(shí)與C/N 值顯著相關(guān)，40—100 cm 深度C/N 值與＜0．02 mm 粒徑土壤含量相關(guān)系數(shù)為0．273，由0—100 cm 的負(fù)相關(guān)轉(zhuǎn)為正相關(guān);N75 樣地0—100 cm 深度SOC 含量與0.2—1 mm 粒徑土壤含量為極顯著相關(guān)。

土壤機(jī)械組成對有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性有直接和間接的影響，一般認(rèn)為中砂粒組、粗粉砂粒組和細(xì)黏粒組中的有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的易分解碳庫，而細(xì)粉砂粒組和粗黏粒組中的有機(jī)質(zhì)是土壤有機(jī)質(zhì)的惰性碳庫［13－14］。農(nóng)地土壤由于缺乏新鮮有機(jī)物的加入，深層土壤SOC 活性較低，對應(yīng)于高的C/N 值，土壤中黏粒、粉砂粒物質(zhì)成為舊有SOC(高的C/N 值)的載體，導(dǎo)致了C/N 值、SOC 值分別與小顆粒土壤含量的強(qiáng)相關(guān)。刺槐林深層土壤高C/N 值SOC 含量逐漸增加，新鮮有機(jī)質(zhì)增加量逐漸減少，隨深度增加，更多的SOC 在細(xì)粒土壤中儲存，因此C/N 值、SOC值以及粒度兩兩相關(guān)程度在淺層和深層有明顯差異。另外，由于＞0．2 mm 粒徑土壤所占比例較少，兩個(gè)退耕林地SOC 含量與＞0．2 mm 粒徑土壤含量極顯著相關(guān)可能是由于土樣中的植物碎屑和動物殘?bào)w引起的，不能反映真實(shí)情況。

4 討論和結(jié)論

(1)與H74 樣地相比較，C78 樣地土壤SOC 含量及粒度的差異主要表現(xiàn)在土壤表層(0—20 cm)，而N75 樣地則主要表現(xiàn)在土壤底層(20—100 cm)。兩個(gè)退耕林樣地相比較，C78 樣地SOC 和全N 含量都表現(xiàn)為表層增加量大于N75，而深層則低于N75。兩種退耕林土壤理化性質(zhì)的深度分異歸因于兩者根系分布的差異。檸條林根系屬軸根分蘗類型，有很強(qiáng)的穿透力，根系生長過程中疏松了土壤，物理?xiàng)l件得到改善［10］，根系分泌的有機(jī)酸降低了根際pH 值，活化了根際土壤難溶性養(yǎng)分，提高了養(yǎng)分有效性［15］，加之根系極其發(fā)達(dá)，疏松的土壤環(huán)境有利于上層新鮮有機(jī)質(zhì)的淋溶和植物碎屑的遷移，再加上深層土壤根系分泌物較多，最終導(dǎo)致由檸條林帶來的SOC 的增加更多地向深層分配。刺槐林由于根系分布較深，大多分布在土層40 或60 cm 以下，表層枯落物由于缺乏根系的疏松作用，其淋溶有機(jī)物和碎屑難以下移到土壤深層，導(dǎo)致了深層土壤相關(guān)指標(biāo)的影響幅度較小。有研究證明刺槐林地與退耕前相比，SOC 變化主要表現(xiàn)在0—10 cm 土層，深層土壤沒有明顯差異［6］，這與本研究結(jié)果一致。

(2)土壤黏粒通過小孔隙的包被對SOC 有保護(hù)作用，土壤中黏粒含量越多，穩(wěn)定的SOC 儲量就越多，C/N 值就越高，而活性SOC 含量則越低。H74 樣地深層土壤SOC 含量、0．002—0.02 mm 粒徑土壤含量以及C/N 值兩兩之間顯著正相關(guān)，說明H74 樣地大部分SOC 成分被吸附在粒徑較小的黏粒和粉砂粒中，穩(wěn)定SOC 含量較高，而活性SOC 含量較低。相比于參照農(nóng)地(H74)，刺槐林樣地(C78)隨深度增加，各參數(shù)相關(guān)性逐漸表現(xiàn)出同H74 類似的趨勢，0—100 cm 深度SOC 含量與C/N 值的相關(guān)系數(shù)為0．675(顯著相關(guān))，40—100 cm 深度相關(guān)系數(shù)增大到0．744(顯著相關(guān))，0—100 cm 深度SOC 含量與＜0．002 mm粒徑土壤含量為負(fù)相關(guān)，而40—100 cm 深度則呈顯著正相關(guān)，表明刺槐林深層土壤理化性狀類似于參照農(nóng)地，農(nóng)田退耕為刺槐林對深層土壤SOC 及土壤機(jī)械組成的影響有限。檸條林地各土壤指標(biāo)并未表現(xiàn)出深度分異特點(diǎn)，退耕檸條林表現(xiàn)出了對深層土壤理化性狀的較大影響。張飛等［16］通過研究發(fā)現(xiàn)，檸條林能夠降低土壤容重、改善毛管孔隙狀況，疏松的土壤能夠加強(qiáng)土壤養(yǎng)分和水分的運(yùn)移能力，影響深層土壤的理化性質(zhì)，這與本研究結(jié)果一致。

(3)本研究通過對檸條林地和刺槐林地土壤剖面各深度理化性質(zhì)相關(guān)指標(biāo)的差異度和相關(guān)度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與退耕前相比，刺槐林地各指標(biāo)的差異主要表現(xiàn)在土表0—20 cm 深度范圍內(nèi)，而檸條林地則表現(xiàn)在土壤深層20—100 cm 范圍內(nèi)，反映出退耕后的刺槐林地和檸條林地存在不同的土壤發(fā)生過程，土壤中的碳在剖面中的輸入、轉(zhuǎn)移和保存受到了影響。至于這種影響是否會對兩種退耕林地土壤碳庫的固存、碳匯總量的計(jì)算和評價(jià)造成影響目前尚不能下定論，仍需做進(jìn)一步研究。

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