西雙版納橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究

陳春峰　劉文杰　吳駿恩　劉佳慶

(1.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 勐侖666303；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

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西雙版納橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性研究

陳春峰1,2劉文杰1吳駿恩1,2劉佳慶1,2

(1.中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園熱帶森林生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 勐侖666303；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

研究西雙版納地區(qū)橡膠-云南大葉茶、橡膠-可可、橡膠-大葉千斤拔、橡膠-咖啡、橡膠-龍血樹5種典型膠農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)及單層純橡膠林、熱帶雨林土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性特征、有機(jī)碳含量以及與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系。結(jié)果表明：與熱帶雨林相比，單層橡膠林>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體均極顯著降低，平均質(zhì)量直徑下降了103.20%，團(tuán)聚體破壞率增加了3.6倍；除了橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)外，其余膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)>5 mm、>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及MWD均大于單層橡膠林；與單層橡膠林相比，膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)能使0～10 cm土層有機(jī)碳含量增加5.30%～69.69%；團(tuán)聚體中碳含量表現(xiàn)為，粒徑越小，有機(jī)碳含量就越低；膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)不同樣地間的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)存在較大差異，其中土壤容重和土壤孔隙度均與>0.25 mm和>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體及與MWD呈顯著線性關(guān)系。綜上所述，大面積單層純橡膠林在改造為膠農(nóng)(林)復(fù)合系統(tǒng)后，其土壤質(zhì)量狀況得到了明顯的改善。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)；水穩(wěn)定性團(tuán)聚體；土壤有機(jī)碳；理化性質(zhì)

土壤團(tuán)聚體是由礦物顆粒和有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)結(jié)合形成的次級(jí)粒子，其主要是在生物與非生物的單獨(dú)或共同作用下經(jīng)由土壤微粒的破碎、凝聚和粘結(jié)的交替過程形成的[1]。土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)作為土壤團(tuán)聚體重要的黏結(jié)物質(zhì)，常作為表征團(tuán)聚體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一。已有研究表明，土壤團(tuán)聚體的形成與SOC含量呈顯著正相關(guān)性[2]；但也有研究表明不同粒徑團(tuán)聚體SOC含量不同，粒徑越小的團(tuán)聚體比表面積越大，吸附的有機(jī)顆粒物質(zhì)越多，SOC含量隨團(tuán)聚體粒徑的增大而減少[3]。不同土地利用方式下對林地SOC含量和團(tuán)聚體特征有較大的影響，Sharrow 等[4]研究了黃杉(Pseudotsugamenziesii)、黑麥(Loliumperenne)以及車軸草(Trifoliumsubterraneum)構(gòu)建的農(nóng)林復(fù)合型固碳量與單一作物的固碳量比較，經(jīng)過11 a培育，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)C含量比單獨(dú)作物的高740 kg/(hm2·a)，相比較單一的樹種或者田間作物，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)有較高的固碳潛力。Gupta等[5]研究了楊樹(Populusdeltoides)與小麥(Triticumaestivum)、扁豆(Vignaradiata)組成農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)土壤有機(jī)碳較單獨(dú)作物提高了0.36%～0.66%，土壤團(tuán)聚體MWD提高了13.3～56.9倍。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有機(jī)械穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性之分，團(tuán)聚體水穩(wěn)定性主要以MWD(mean weight diameter)、GMD(geometric mean diameter)、>0.25 mm土壤團(tuán)聚體破壞率(percentage of aggregate destruction，PAD0.25)作為表征指標(biāo)，MWD、GMD越大，PAD0.25越小，則團(tuán)聚體水穩(wěn)定性就越好，并且土壤團(tuán)聚體MWD和GMD與土SOC含量呈極顯著正相關(guān)[6]。

據(jù)Huang等[7]的研究，1950年西雙版納開始種植橡膠(Heveabrasiliensis)，1976年種植面積為26.79 km2，到2010年已增加到9 154.79 km2，35 a間橡膠種植面積由1.40‰劇增到20.93%，而熱帶原始雨林的覆蓋面積則從76.29%驟降到47.77%。植膠區(qū)單一的種植橡膠模式導(dǎo)致了十分嚴(yán)重的膠林水土流失、土壤肥力和土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化、生態(tài)環(huán)境惡化和生物多樣性降低等問題[8]。利用橡膠樹和其他樹種間作構(gòu)建的人工復(fù)合群落是解決該問題比較有效的手段[9]，經(jīng)過多年的研究，有學(xué)者已找到適合與橡膠樹間作的經(jīng)濟(jì)作物，如香蕉(Musaparadisiaca)[10]、甘蔗(Saccharumofficinarum)[11]、菠蘿(Ananascomosus)[12]、咖啡(Coffeaarabica)、可可(Theobromacacao)[13]、云南大葉茶(Camelliasinensisvar.assamica)[14]等。但目前仍缺少關(guān)于橡膠不同農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤質(zhì)量狀況、土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的定量評(píng)價(jià)信息，改造西雙版納地區(qū)現(xiàn)存的大面積單層橡膠林也缺乏理論基礎(chǔ)，對此需要了解自然熱帶雨林被開墾為單層橡膠林后的土壤退化情況，闡明橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)改造單層橡膠林帶來土壤質(zhì)量狀況改善的優(yōu)勢。為此，本研究選擇位于中國科學(xué)院西雙版納熱帶植物園內(nèi)的5類典型橡膠農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，以單層純橡膠林和原始熱帶雨林為對照研究樣地，通過測定不同橡膠農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的分布特征、土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的差異及其與土壤有機(jī)質(zhì)含量，電解質(zhì)濃度(EC)、土壤容重和土壤孔隙度的關(guān)系，分析相同環(huán)境條件下、不同橡膠種植模式的土壤質(zhì)量狀況，為遴選和優(yōu)化可持續(xù)利用的橡膠農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)種植模式提供參考。

1　研究區(qū)自然概況

研究區(qū)域位于中國西南部的西雙版納傣族自治州，地處東經(jīng)99°56′～101°50′，北緯21°08′～22°36′，地貌以山原為主，海拔475.0～2 495.5 m[15]，全州面積19 223 km2，其中山地(坡度>8°)面積占95%，山間盆地(坡度≤8°)面積占5%。西雙版納地區(qū)一年干濕季分明，可分為干季(11—4月)與雨季(5—10月)，干季又分為干熱季和霧涼季[16]，干熱季(3—4月)氣溫較高，降雨量少；雨季氣候濕熱，降雨量占全年降雨量的87%以上；霧涼季降雨量減少，但早晚濃霧彌漫，空氣濕度較大。該研究區(qū)終年受西南季風(fēng)控制，屬典型熱帶季風(fēng)氣候。年平均氣溫21.5 ℃，≥10 ℃積溫7 860 ℃，平均最低氣溫7.5 ℃，年日照時(shí)數(shù)1 828 h，年降水量1 557 mm，年相對濕度86%，干燥度1.01。研究樣地土層非常深厚，暗紅棕到紅色粘壤質(zhì)，類型為普通磚紅壤[17]。

2　研究方法

2.1研究對象

本研究選取西雙版納熱帶植物園內(nèi)新開地1990年定植的單層橡膠林，以及橡膠-咖啡(Coffeaarabica)、橡膠-可可、橡膠-大葉千斤拔(Flemingiamacrophylla)、橡膠-龍血樹(Dracaenaamericana)、橡膠-云南大葉茶等膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)為研究樣地(分別以Hb、Ca、Tc、Fm、Da、Cs代表各研究樣地)，以原始熱帶季節(jié)雨林(Rf)為對比研究樣地。橡膠樹采取寬行雙株的種植模式，種植規(guī)格為2.0 m×4.5 m×14.0 m，即采用臺(tái)地(2 m)，窄(4.5 m)，寬(14 m)間隔種植。在膠農(nóng)(林)復(fù)合系統(tǒng)中,橡膠樹寬行距之間種植間作植物，間作植物與橡膠樹相隔1 m 左右，其中云南大葉茶的種植規(guī)格為0.6 m×1.5 m，咖啡的種植規(guī)格為1.0 m×2.0 m，可可的種植規(guī)格為2.5 m×2.5 m，大葉千斤拔的種植規(guī)格為0.5 m×1.0 m，龍血樹的種植規(guī)格為2.0 m×2.0 m。樣地坡度為29°～31°，面積<0.3 hm2，各樣地相距<1 km，海拔高度一致。各樣地以正常生長的單株橡膠樹及其窄行距和半寬行距范圍內(nèi)(即4.5 m×7.0 m)的間作植物為1個(gè)調(diào)查小區(qū)。

2.2土壤采樣

在2014年11月，在各個(gè)林區(qū)布設(shè)3個(gè)典型樣方(5 m×5 m)，每個(gè)樣方內(nèi)按“S”型設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)。用小鏟子分別采取0～10 cm混合土樣和原狀土樣，剝?nèi)ヅc鏟子接觸的土壤，置于紙糊盒子中(也可用面巾紙包好)，避免對土樣的擾動(dòng)，以保持原狀土壤的結(jié)構(gòu)。在室內(nèi)沿自然結(jié)構(gòu)輕輕掰成直徑約1.2 cm的小土塊，去除植物殘?bào)w，小石塊以及蚯蚓等大型動(dòng)物。

2.3測定方法

水穩(wěn)性團(tuán)聚體參照Haynes[18]的方法作適當(dāng)改進(jìn)后進(jìn)行，具體步驟為：稱取100 g土樣置于套篩(孔徑分別為5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm)頂部，然后將套篩放置于加有去離子水的水桶中濕潤10 min，利用自制的震蕩儀以30次/min上下震蕩5 min，將留在每個(gè)篩子上面的土壤沖洗到鋁盒中，60 ℃烘干24 h稱質(zhì)量，即得每粒級(jí)團(tuán)聚體質(zhì)量。土壤容重和土壤孔隙度用環(huán)刀法測定[19]，土壤電導(dǎo)率用Soil & Water EC Meter(Simultech, Australia)測定，土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[19]。

2.4分析方法

土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑[20]：

(1)

式中：ri為第i個(gè)篩子的孔徑(mm)，r0=ri，rn=rn+1；wi為第i個(gè)篩子上土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體干質(zhì)量占總團(tuán)聚體的比例(%)；n為篩子的數(shù)量(n=5)。

粒徑>0.25 mm土壤團(tuán)聚體破壞率[21]計(jì)算公式：

PAD0.25=(A-WSA)/A×100%

(2)

式中：WSA為>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的質(zhì)量；A為>0.25 mm風(fēng)干干篩團(tuán)聚體的質(zhì)量。

采用Excel 2003和RAS 7.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用單因子方差分析。

3　結(jié)果與分析

3.1不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成

不同膠農(nóng)復(fù)合林土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布情況見表1。

表1　不同膠農(nóng)復(fù)合林下土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量分布

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；同列數(shù)值后不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

從表1可看出：熱帶雨林轉(zhuǎn)化成單層橡膠林后，>0.25 mm和>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)均極顯著下降(P<0.01)，降幅分別達(dá)17.17%和70.74%。相比較單層橡膠林，膠農(nóng)(林)復(fù)合系統(tǒng)>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量增加幅度分別為：橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)(18.42%)，橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)(17.12%)，橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)(14.65%)，橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)(8.50%)，以及橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)(1.75%)。其中除橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)和單層橡膠林的>0.25 mm土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量沒有差別外，其他復(fù)合系統(tǒng)的之間差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)，橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)以>5 mm水穩(wěn)定性穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主，橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)以5～2 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主，其他膠農(nóng)(林)復(fù)合系統(tǒng)以粒徑較小的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體為主。而橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)、橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)和單層橡膠林>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體相近，明顯小于其他橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)。

3.2不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)是評(píng)價(jià)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性重要的指標(biāo)之一。不同橡膠復(fù)合林土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和PAD0.25見表2。

表2　不同膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和團(tuán)聚體破壞率

注：同列數(shù)值后不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

從表2可以看出，不同復(fù)合林間PAD0.25存在極顯著差異(P<0.01)，且除了橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)外，其他膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)PAD0.25均顯著小于單層橡膠林，其中橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)和橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)PAD0.25僅為單層橡膠林的33.33%左右，這說明構(gòu)建膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)能有效團(tuán)聚土壤顆粒，減緩團(tuán)聚體的破壞速度。在所有的試驗(yàn)樣地中，熱帶雨林的團(tuán)聚體破壞率最低，僅為5.13%；橡膠-咖啡復(fù)合林最高，為20.44%。平均質(zhì)量直徑(MWD)和團(tuán)聚體破壞率(PAD0.25)有相同的變化趨勢。不同復(fù)合林MWD值大小排列順序?yàn)椋簾釒в炅?2.54 mm)，橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)(2.50 mm)，橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)(2.31 mm)，橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)(2.24 mm)，橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)(1.29 mm)，單層橡膠林(1.25 mm)，橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)(1.16 mm)，這與不同復(fù)合林PAD0.25的排列順序基本相反，說明PAD0.25和MWD有負(fù)相關(guān)性，并經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)分析得出極顯著的負(fù)相關(guān)性(r=-0.859，P<0.01)。

3.3不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤有機(jī)碳的變化

不同橡膠復(fù)合林土地理化性質(zhì)見表3。

表3　不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)比較

注：同列數(shù)值后不同小寫字母為差異顯著(P<0.05)。

從表3可以看出，全土有機(jī)碳含量在不同復(fù)合系統(tǒng)中存在顯著差異，除橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)外，其他復(fù)合系統(tǒng)土壤有機(jī)碳含量均顯著高于單層橡膠林；橡膠-云南大葉茶和橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)不存在顯著差異；橡膠-大葉千斤拔、橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)和熱帶雨林不存在顯著差異。不同農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)中土地利用方式對土壤團(tuán)聚體SOC含量的分布影響不同。不同橡膠復(fù)合林中不同粒級(jí)土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分布情況見圖1。從圖1可以看出，>2 mm和1～2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最大為熱帶雨林(29.40、28.63 g/kg)，最小是單層橡膠林(17.33、17.08 g/kg)，各橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)>2 mm和1～2 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量均顯著大于單層橡膠林(P<0.05)，且橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)、橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)以及橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)之間無顯著性差異。1～0.25 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量以單層橡膠林最低(16.58 g/kg)，橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)均大于單層橡膠林，增幅為4.68%～52.62%。0.25～0.053 mm團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)、橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)、熱帶雨林、橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)、橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)、單層橡膠林依次下降。隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小，SOC的含量均表現(xiàn)為減少的趨勢。對于不同粒徑團(tuán)聚體來說，除橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)外，其他試驗(yàn)樣地 >2 mm團(tuán)聚體SOC和2～1 mm團(tuán)聚體SOC之間差異不顯著，但與1～0.25、0.25～0.053 mm團(tuán)聚體SOC差異顯著(P<0.05)。

3.4不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤性質(zhì)比較

3.4.1土壤電導(dǎo)率從表3可以看出,不同復(fù)合林的電導(dǎo)率大小分別為：熱帶雨林>橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)>單層橡膠林>橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體量分布較多，MWD較大的熱帶雨林和橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)有較高的電導(dǎo)率值，除橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)外，電導(dǎo)率的值和團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)的變化趨勢相同，經(jīng)線性研究發(fā)現(xiàn)，在剔除橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)樣本后，其他樣地樣本量MWD和電導(dǎo)率極顯著相關(guān)(r=0.589，P<0.01,n=24)。

3.4.2容重土壤容重是土壤結(jié)構(gòu)重要的組成部分，土壤容重越小，則土壤疏松多孔，能夠有利于攔滲蓄水, 減少土壤養(yǎng)分的流失。從表3可以看出,不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤容重差異顯著(P<0.05)，多重比較得出：橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)，其中，橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)和橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)土壤容重較小，接近熱帶雨林的值；單層橡膠林容重極顯著大于膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)(P<0.01)，說明構(gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合林能夠明顯減緩?fù)寥赖陌褰Y(jié)過程，有利于土壤養(yǎng)分的保留，控制水土流失。3.4.3孔隙度不同膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)土壤孔隙度和土壤容重呈相反的變化趨勢(表3)，即橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-云南大葉茶復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)>橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)，回歸分析得出土壤孔隙度和容重達(dá)到極顯著相關(guān)(r=-0.854，P<0.01，n=24)。不同膠農(nóng)復(fù)合林土壤孔隙度差異顯著(表3，P<0.05)，其中孔隙度最高橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)與單層橡膠林差為8.05%，最低的橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)也比單層橡膠林大2.51%。土壤孔隙度與>0.25水穩(wěn)定性團(tuán)聚體顯著相關(guān)(r=0.507，P<0.05,n=24)，與>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體(r=0.663,P<0.01,n=24), MWD(r=0.55，P<0.01,n=24)呈極顯著顯著相關(guān)，與團(tuán)聚體破壞率并沒有相關(guān)性(P>0.05)(表4)。

表4　土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性因子與土壤理化性質(zhì)相關(guān)關(guān)系

注：*表示差異顯著(P<0.05),**表示差異極顯著(P<0.01)。

4　結(jié)論與討論

與熱帶雨林相比，單層橡膠林>5 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體和>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體均極顯著降低(P<0.01)，平均質(zhì)量直徑(MWD)下降了103.20%，有機(jī)碳含量降低了42.72%，團(tuán)聚體破壞率增加了3.6倍。構(gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)使0～10 cm土層有機(jī)碳含量增加5.30%～69.69%，土壤孔隙度增加5.05%～15.32%，除橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)外，平均重量直徑(MWD)增加3.20%～100%。隨著粒徑增大，團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)濃度增大。構(gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)提高了土壤大團(tuán)聚體的含量，減緩了有機(jī)質(zhì)的分解與周轉(zhuǎn)，促進(jìn)橡膠園地土壤對碳的固定與積累。

1) 橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)對SOC積累的影響。構(gòu)建復(fù)合林系統(tǒng)能夠明顯提高土壤大團(tuán)聚體的含量，降低團(tuán)聚體的周轉(zhuǎn)速率，大團(tuán)聚體的物理保護(hù)促進(jìn)對顆粒狀有機(jī)碳(particulate organic matter, POM)的固定，從而利于碳的固定積累[22]。Fassbender[23]研究發(fā)現(xiàn)刺桐(Erythrinavariegata)和可可構(gòu)建的復(fù)合林，9 a后使0～45 cm土壤SOC含量增加21.70%。本研究結(jié)果顯示，與熱帶雨林相比較，單層橡膠林土壤SOC極顯著下降，降幅達(dá)42.73%。而構(gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)后，土壤有機(jī)質(zhì)積累量顯著增加；這主要是因?yàn)闃?gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)后，地表枯枝落葉，植物根等主要有機(jī)質(zhì)來源明顯增多，經(jīng)土壤動(dòng)物和土壤微生物的分解促進(jìn)了土壤SOC的固定和積累[24]。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，SOC含量與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈極顯著正相關(guān)，即大團(tuán)聚體數(shù)量與SOC含量呈正相關(guān)，這與大多數(shù)研究結(jié)果相一致[25-26]；與團(tuán)聚體水穩(wěn)定性參數(shù)MWD呈極顯著性相關(guān)，與PAD0.25呈極顯著負(fù)相關(guān)，這和王虹艷等[27]的研究結(jié)論相一致。目前,對于不同粒徑團(tuán)聚體SOC含量高低的研究并未取得較為一致的定論。有研究認(rèn)為，有機(jī)碳主要分布于小粒徑微團(tuán)聚體中[28]，當(dāng)團(tuán)聚體粒徑越小時(shí)，其比表面積越大，吸附的有機(jī)物質(zhì)越多，所以小粒徑的團(tuán)聚體中的SOC含量也就越高[3]。也有研究認(rèn)為大團(tuán)聚體中的碳、氮、顆粒有機(jī)質(zhì)和不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)比微團(tuán)聚體多。本研究表明，隨著團(tuán)聚體粒徑的減小，團(tuán)聚體SOC含量均表現(xiàn)減少的趨勢，即SOC含量在>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm、0.25～0.053 mm團(tuán)聚體中遞減，其中0.25～0.053 mm團(tuán)聚體SOC含量明顯小于其他粒徑團(tuán)聚體，這和徐江兵等[29]的研究相一致。這主要是因?yàn)殡m然團(tuán)聚體粒徑越小時(shí)，其比表面積越大，吸附的有機(jī)物顆粒越多，但由于濕篩過程中水不斷沖刷，使團(tuán)聚體有機(jī)顆粒物降低，而大團(tuán)聚體中有機(jī)物顆粒由于團(tuán)聚體的物理保護(hù)，有機(jī)碳流失較少，并且大團(tuán)聚體是由較新的有機(jī)物(碳) 膠結(jié)較小的團(tuán)聚體形成的，新鮮有機(jī)物質(zhì)的輸入增加了大團(tuán)聚有機(jī)碳的含量[30]。

2) 土地利用方式對土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性的影響。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性經(jīng)常被用于表征土壤結(jié)構(gòu)的好壞，團(tuán)聚體的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)物理保護(hù)不僅可以減緩有機(jī)質(zhì)分解，也影響著微生物群落結(jié)構(gòu)，決定營養(yǎng)物質(zhì)的吸附與解吸，減少土壤流失和侵蝕[31-33]，所以常作為土壤結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎(chǔ)和土壤肥力的載體[34]。本研究中，熱帶雨林被開墾為橡膠林地之后，土壤>5 mm以及>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體量極顯著下降，究其原因，一方面是熱帶雨林開墾為橡膠林地后地表枯落物以及凋落物明顯減少，枯落物與凋落物是土壤有機(jī)質(zhì)重要來源，土壤顆粒缺乏有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用后導(dǎo)致團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低，進(jìn)而穩(wěn)定性大團(tuán)聚體(本研究主要以>5 mm和>0.25 mm 2個(gè)粒級(jí))的含量也下降。另一方面，植物多樣性降低，植物根豐富度下降，缺乏植物根茬形成的微生物膠、多糖以及植物根施加于土壤顆粒間的擠壓力，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性也必然會(huì)下降。再者，導(dǎo)致枯落物和植被覆蓋度的減少，雨滴可以直接打擊地表破壞土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)。同時(shí)，降雨產(chǎn)生的徑流也會(huì)侵蝕土壤，有研究表明土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性和土壤侵蝕呈顯著的正相關(guān)性[35]，土壤侵蝕越強(qiáng)，水土流失越嚴(yán)重，土壤團(tuán)聚體就越不穩(wěn)定。植被和枯落物能夠有效攔截降雨，大大降低雨滴降落速度，削弱雨滴擊濺地表的動(dòng)能，從而控制了土壤侵蝕的發(fā)生[36]。根據(jù)羅親普等[37]的研究表明，單層橡膠林人工橡膠林林冠下的土壤濺蝕率明顯大于覆蓋度大的2層、多層橡膠林，所以選擇覆蓋度較大、高度較低的間作樹種與橡膠林構(gòu)建多層植被覆蓋可以有效減弱穿透水侵蝕力，從而控制土壤侵蝕的發(fā)生，保持土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。本研究中，除橡膠-咖啡復(fù)合系統(tǒng)外，其他膠農(nóng)復(fù)合系統(tǒng)>5 mm和>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的量顯著大于單層橡膠林，且比較橡膠農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)與熱帶雨林團(tuán)聚體MWD以及PAD0.25發(fā)現(xiàn)，橡膠-可可、橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)MWD和PAD0.25與熱帶雨林無顯著差異，橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)的MWD與熱帶雨林差異不顯著，這說明橡膠樹和其他樹種間作能夠起到生態(tài)互補(bǔ)的作用，構(gòu)建膠農(nóng)復(fù)合林能夠一定程度上能夠補(bǔ)充單層橡膠林缺失的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)。

3) 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤理化性質(zhì)關(guān)系。電導(dǎo)率是溶液的導(dǎo)電能力，它和離子濃度有關(guān)，電導(dǎo)率和土壤總鹽量在一定的濃度范圍內(nèi)存在顯著的正相關(guān)性。根據(jù)Domlnguez等[38]研究發(fā)現(xiàn)，電導(dǎo)率(EC)對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性起消極作用，電導(dǎo)率高的土壤其大粒徑團(tuán)聚體分布相對比較少。但本研究中，除橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)外，其他樣地中電導(dǎo)率值和MWD呈極顯著正相關(guān)性，即除橡膠-可可復(fù)合系統(tǒng)土壤電導(dǎo)率較小外，大粒徑團(tuán)聚體量較多的熱帶雨林、橡膠-大葉千斤拔復(fù)合系統(tǒng)以及橡膠-龍血樹復(fù)合系統(tǒng)土壤電導(dǎo)率均較高，但其原因需進(jìn)一步研究。

土壤容重和土壤孔隙度是土壤物理性質(zhì)的組成部分，也是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)特征的重要指標(biāo)。土壤容重較低，則土壤越疏松，土壤孔隙度也較大，有利于涵養(yǎng)水源，增加土壤透水性和透氣性。熱帶雨林被開墾為橡膠林后，土壤容重極顯著增大，相反土壤孔隙度極顯著降低。究其原因：一方面是由于在開墾的過程中，熱帶雨林疏松的表層土被翻轉(zhuǎn)、擠壓，土壤變得壓實(shí)，孔隙度下降；另一方面，單層橡膠林植被單一，沒有形成有效的防護(hù)措施，林下土壤容易遭受雨水侵蝕，從而破壞土壤的結(jié)構(gòu)。不同植被類型下土壤機(jī)械組成和土壤結(jié)構(gòu)有明顯的差異，李紅等[39]研究黃土高原退耕還林后發(fā)現(xiàn)，不同林地之間的土壤物理性質(zhì)有較大的差異，其中土壤容重荒草坡地>油松(Pinustabulaeformis)林地>側(cè)柏(Platycladusorientalis)林地>刺槐(Robiniapseudoacacia)林地，土壤總孔隙度為刺槐林地>油松林地>側(cè)柏林地>荒草坡地，說明退耕還林后土壤結(jié)構(gòu)明顯改善。本研究中，橡膠農(nóng)林復(fù)合林土壤容重均顯著小于單層橡膠林，土壤孔隙度明顯大于單層橡膠林，同時(shí)，說明構(gòu)建橡膠農(nóng)林復(fù)合林能夠明顯改善土壤結(jié)構(gòu)。相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，土壤容重和>0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體以及與WMD，均呈極顯著負(fù)相關(guān)性，與團(tuán)聚體破壞率呈極顯著正相關(guān)性，與劉曉利等[40]的研究結(jié)果相似，這表明土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好，其容重就越低。

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(責(zé)任編輯張坤)

Water-Stable Aggregation of Soil in Different Types of Rubber-Based Agroforestry Ecosystems in Xishuangbanna

Chen Chunfeng1,2, Liu Wenjie1, Wu Junen1,2, Liu Jiaqing1,2

( 1.Key Laboratory of Tropical Forest Ecology, Xishuangbanna Tropical Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences, Menglun Yunnan 666303, China；2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China )

We measured the content and soil physicochemical properties of water-stable aggregates and the content of organic carbon from five rubber-based (Heveabrasiliensis) agroforestry ecosystems with different interplants (Camelliasinensis,Theobromacacao,Flemingiamacrophylla,Coffeaarabica,andDracaenaamericana), one rubber monoculture, and tropical rain forest in Xishuangbanna, southwest China. The results showed that when compared with tropical rain forest，the content of >5 mm and >0.25 mm water-stable aggregates collected from rubber monoculture significantly decreased, Meanwhile, the weight diameter (WMD) decreased by 103.20%, and PAD0.25increased by 3.6 times. When compared to rubber monoculture, agroforestry ecosystems displayed higher levels of SOC content, with the increased level in the range of 5.3%-69.69%. As to the content of soil organic carbon in the aggregates, it was discovered that the smaller the aggregates were, the lower the soil organic carbon content was. Soil physicochemical properties(e.g., EC, bulk density and porosity)varied significantly among different sampling sites, whereas bulk density and porosity were both significantly related to the content of >0.25 mm and >5 mm water-stable aggregates and WMD. The above results showed that soil quality has been improved in rubber-based agroforestry ecosystems in comparison to rubber monocultures.

agroforestry ecosystems; water-stable aggregates; soil organic carbon; physical and chemical properties

2015-09-22

國家自然科學(xué)基金(31570622/41271051/31170447)資助；云南省基金(2014HB042/2013FA022)項(xiàng)目資助；中國科學(xué)院STS 項(xiàng)目(135突破三/KFJ-EW-STS- 084)資助。

劉文杰(1969—)，男，博士，研究員。研究方向：生態(tài)水文。Email: lwj@xtbg.org.cn。

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.01.009

S718.51

A

2095-1914(2016)01-0049-08

第1作者：陳春峰(1989—)，男，碩士。研究方向：生態(tài)水文。Email: cfchen23@163.com。