不同林地類型土壤團聚體穩(wěn)定性與鐵鋁氧化物的關(guān)系

趙友朋, 孟苗婧, 張金池, 馬潔怡, 劉勝龍,2

(1.南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇省水土保持與生態(tài)修復重點實驗室 南京林業(yè)大學 林學院,江蘇 南京 210037; 2.浙江省鳳陽山—百山祖國家級自然保護區(qū)鳳陽山管理處, 浙江 龍泉 323700)

長期以來，土壤退化問題日益嚴重，土壤退化的核心是土壤結(jié)構(gòu)的退化[1]，其顯著特征表現(xiàn)在土壤團聚體粒級組成變化及其穩(wěn)定性下降[2]。土壤團聚體是組成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元[3]，也是土壤肥力的物質(zhì)基礎[4]，土壤團聚體的穩(wěn)定性很大程度上決定了土壤結(jié)構(gòu)的好壞[5]。土壤中的膠結(jié)物質(zhì)是土壤中最活躍的部分，是土壤具有肥力的物質(zhì)基礎[6]，也是土壤團聚體形成的基礎和核心[7]。作為膠結(jié)物質(zhì)的重要組成部分[8]，鐵鋁氧化物表面常帶不同類型和數(shù)量的電荷[9]，可以吸附在黏粒表面而形成氧化物膠膜，促進土粒更加緊密，形成穩(wěn)定的團聚體[10]，從而改變土壤結(jié)構(gòu)。鐵鋁氧化物對土壤中有機質(zhì)也具有保護作用，由此對土壤團聚體產(chǎn)生間接的影響[11]。目前已有較多學者[12-13]對地帶性土壤鐵鋁氧化物進行研，但鐵鋁氧化物對土壤團聚體的影響的相關(guān)研究較少，而且不同學者的研究結(jié)果差異較大，聶文婷等[14]的研究結(jié)果表明，團聚體的穩(wěn)定性隨著游離度增大而增強；王小紅等[15]的研究表明，無定形態(tài)及絡合態(tài)的鐵鋁氧化物比游離態(tài)鐵鋁氧化物更能促進大團聚體的形成與穩(wěn)定。不同形態(tài)鐵鋁氧化物對土壤團聚體如何作用仍尚無定論，關(guān)于鐵鋁氧化物對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響機制仍缺乏足夠的研究。由于森林管理的發(fā)展，森林植被類型的變化經(jīng)常發(fā)生在全球范圍內(nèi)。例如，在亞熱帶地區(qū)，自然常綠森林轉(zhuǎn)化為種植園林，如混合種的種植園或竹林，是林分類型變化的例子[16]。鳳陽山區(qū)自然保護區(qū)，最初是由原生態(tài)的闊葉林所主導，20世紀70年代，保護區(qū)通過間伐、飛機播種等形式進行大規(guī)模的造林，形成了以針闊混交林、常綠闊葉林、針葉林及杉木林為主的植被類型[17]。上述林分類型變化在我國東部的浙江、福建、江西等亞熱帶地區(qū)廣泛分布，具有一定的典型性和代表性[18]。本研究以亞熱帶地區(qū)鳳陽山國家自然保護區(qū)4種不同類型林地作為研究對象，對3個土層深度的土壤團聚體粒級分布、不同形態(tài)的鐵鋁氧化物含量以及土壤鐵鋁氧化物與土壤團聚體及其穩(wěn)定性的關(guān)系進行分析，旨在探討各形態(tài)鐵鋁氧化物對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響機制，為揭示亞熱帶地區(qū)土壤團聚體的形成與穩(wěn)定機制和恢復土壤資源提供依據(jù)，并進一步豐富團聚體形成及穩(wěn)定理論。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究試驗區(qū)位于浙江龍泉市鳳陽山國家自然保護區(qū)(119°06′—119°15′E，27°46′—27°58′N)，鳳陽山保護區(qū)由福建武夷山脈向東伸展而成，屬于亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，雨量充沛，年降水量在2 000 mm以上，年平均氣溫11.8 ℃。土壤類型以黃棕壤為主，分布在800 m以上的高海拔山坡地，土層發(fā)育完整，人為干擾較少。植物資源異常豐富，植被類型較為復雜，森林覆蓋率為90.8%。天然分布的木本植物主要有：木荷(Schimasuperba)、杉木(CunninghamiaLanceolata)、短柄枹(Quercusglandulifera)、馬尾松(Pinusmassoniana)、黃山松(Pinustaiwanensis)、多脈青岡(Cyclobalanopsismultinervis)等。

1.2 樣地調(diào)查和樣品采集

2016年8月，在鳳陽山保護區(qū)海拔1 300～1 400 m處，選擇4種主要林分類型：闊葉林、針闊混交林、杉木林及竹林。闊葉林為人工林，主要樹種是木荷和短柄枹；針闊混交林多為殘存的黃山松、杉木等，以及石楠(Photiniaserrulata)、柃木(Euryajaponica)、青岡等闊葉樹種；杉木林和竹林分別以杉木和毛竹為主，其他樹種較少，竹林在春、冬季節(jié)可供筍用。每種林分設置3個重復樣地(20 m×20 m)，每個樣地內(nèi)按S形設置5個樣點。去除土壤表層枯落物，挖取土壤剖面，根據(jù)研究區(qū)土壤結(jié)構(gòu)分0—10 cm，10—20 cm，20—30 cm取土樣，并剔除樹根、石塊等雜物。同一樣方內(nèi)5個樣點采集的土樣按土層混合均勻后作為該樣地的土壤樣品，共計36份。所取土樣帶回實驗室，經(jīng)風干過篩后用于土壤理化性質(zhì)測定；另用環(huán)刀和鋁盒在各層取原狀土樣，裝入硬質(zhì)塑料盒中帶回實驗室。當土樣含水量為20%左右(可塑性上限)時，將采集原狀土沿自然結(jié)構(gòu)掰成直徑1 cm左右的小土塊，在室溫下風干備用。樣地基本情況詳見表1。

表1 研究區(qū)樣地基本特征

注：BMF代表闊葉混交林; CBMF代表針闊混交林; FF代表杉木林;BF代表竹林。下同。

1.3 試驗方法

(1) 土壤團聚體的測定。水穩(wěn)定性團聚體的測定采用Six等[19]的方法，并稍作修改。即稱取50 g風干土樣在團聚體分析儀上進行濕篩分析，先將孔徑為2，1，0.5，0.25，0.106，0.053 mm的套篩放入水桶中，加水至沒過篩組上緣，再將稱量的土樣小心的放入套篩，震動30 min；振蕩結(jié)束后，將留在篩子上的各級團聚體用水分別洗入鋁盒中，待澄清后倒去上面的清液，于低溫電熱板上烘干，再在空氣中平衡24 h后稱量(精確至0.01 g)。 (2) 鐵鋁氧化物的測定：游離態(tài)鐵鋁氧化物(Fed，Ald)采用DCB法(連二亞硫酸鈉—檸檬酸鈉—重碳酸鈉法)提取，無定形鐵鋁氧化物(Feo，Alo)用草酸胺緩沖溶液提取，絡合態(tài)鐵鋁氧化物(Fep，Alp)采用焦磷酸鈉溶液提取，提取液經(jīng)稀釋5倍后，用分光光度計測定[20]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤團聚體平均重量直徑(MWD)計算公式[21]為：

采用Excel，SPSS 20，R語言等軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，Origin 9.0作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林分類型土壤團聚體及其穩(wěn)定性分析

2.1.1 土壤團聚體粒級分布分析 水穩(wěn)定性團聚體根據(jù)粒級可分為水穩(wěn)定性大團聚體(>0.25 mm)和水穩(wěn)定性微團聚體(<0.25 mm)[22]。由表2可以看出，闊葉混交林、針闊混交林和杉木林水穩(wěn)性團聚體比例先以>2 mm粒徑含量最多，范圍在33.32%～45.23%；竹林水穩(wěn)性團聚體比例在1～2 mm粒徑含量達到最大值，為45.07%～47.49%。同一林分類型不同土層之間的各粒級水穩(wěn)定性團聚體均差別不顯著。水穩(wěn)定性團聚體根據(jù)粒級可分為水穩(wěn)定性大團聚體(>0.25 mm)和水穩(wěn)定性微團聚體(<0.25 mm)[26]。4種林分類型中，>0.25 mm粒級土壤水穩(wěn)性大團聚體比例均大于90%，范圍在90.56%～96.34%之間，遠大于<0.25粒級土壤水穩(wěn)定性微團聚體。>0.25 mm的各粒級中，林分類型對>2 mm和1～2 mm粒徑的水穩(wěn)性團聚體有較大影響，>2 mm粒徑團聚體比例在20—30 cm土層差異顯著(p<0.05)，表現(xiàn)為杉木林>闊葉混交林>竹林，>2 mm粒徑在其他土層和1～2 mm粒徑在各土層均表現(xiàn)為闊葉混交林、針闊混交林及杉木林顯著小于竹林(p<0.05)；林分類型對0.25～0.5和0.5～1 mm粒級水穩(wěn)定性團聚體影響較小。<0.25 mm的各粒級水穩(wěn)定性團聚體中，0.053～0.106 mm粒級土壤團聚體比例在0—10和20—30 cm土層表現(xiàn)為竹林顯著大于杉木林(p<0.05)，其中0—10 cm土層大小依次為:竹林>針闊混交林>闊葉混交林>杉木林，20—30 cm土層大小順序則為：竹林>闊葉混交林>針闊混交林>杉木林。

2.1.2 土壤團聚體穩(wěn)定性分析 土壤團聚體穩(wěn)定性是指團聚體在外部環(huán)境改變或外力作用下保持其原有形態(tài)的能力，是土壤結(jié)構(gòu)和土壤性狀評價的一個重要指標。平均重量直徑(MWD)是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標[23]，其通過對團聚體直徑取對數(shù)加權(quán)求和，弱化團聚體直徑的影響份額，提高團聚體含量在評價指標體系中的影響份額，更能準確地反映土壤團聚體穩(wěn)定性特征[24]，在整體研究土壤團聚體時通常運用它來綜合評定土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[25]。由圖1可以看出，不同林分類型土壤團聚體平均質(zhì)量直徑MWD呈現(xiàn)的總體趨勢為：杉木林>針闊混交林>闊葉混交林>竹林，同一林分類型土壤團聚體MWD在土層之間無顯著性差異。隨土層深度增加，杉木林的土壤團聚體MWD逐漸增加，闊葉混交林、針闊混交林和竹林土壤團聚體MWD均先減少后增加。竹林土壤團聚體MWD范圍在1.12～1.15 mm，與其他3個林分類型的差異比較顯著(p<0.05)，具體表現(xiàn)為：在0—10和10—20 cm土層，闊葉混交林、針闊混交林及杉木林土壤團聚體MWD顯著大于竹林(p<0.05)；在20—30 cm土層，杉木林、闊葉混交林和竹林土壤團聚體MWD彼此之間差異顯著(p<0.05)。

表2 研究區(qū)不同林分類型土壤水穩(wěn)定性團聚體數(shù)量及粒級分布

注：同土層內(nèi)同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示林分類型間差異顯著(p<0.05)。下同。

注：誤差線表示標準誤差，小寫字母表示同土層內(nèi)林分類型差異顯著(p<0.05)。下同。

圖1研究區(qū)不同林分類型土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)

2.2 不同林分類型土壤鐵鋁氧化物分析

根據(jù)鐵鋁氧化物存在形態(tài)的不同，可將其分為游離態(tài)(Fed，Ald)、無定形態(tài)(Feo，Alo)和絡合態(tài)(Fep，Alp)3種。不同形態(tài)的鐵鋁氧化物對團聚體的影響作用也有所不同。同種形態(tài)的鐵鋁氧化物，其含量越多，作用越大。4種林分類型土壤鐵鋁氧化物含量中，不同形態(tài)氧化鐵含量顯示(圖2)，F(xiàn)ed含量遠高于Feo和Fep，F(xiàn)ep含量最少；不同形態(tài)氧化鋁含量顯示(圖3)，不同形態(tài)氧化鋁中，Ald含量最高，Alo次之，Alp最低。整體上表現(xiàn)為：Fed>Ald>Feo>Alo>Fep>Alp。不同林分類型鐵鋁氧化物含量在土層間的差異均不顯著。隨土層加深，4種林分類型各形態(tài)的氧化鐵含量均增加，而各形態(tài)的氧化鋁含量則未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在0—10 cm土層，不同林分類型Fed含量呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)，表現(xiàn)為杉木林顯著大于其他林分類型，闊葉混交林和竹林次之，針闊混交林最小，其他指標均無顯著性差異。10—20 cm土層中，不同林分類型Alp含量呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)，表現(xiàn)為針闊混交林和杉木林遠大于竹林，大小依次為：針闊混交林>杉木林>闊葉混交林>竹林，其他指標差異不顯著。在0—10 cm和10—20 cm土層，F(xiàn)ed，F(xiàn)eo和Fep含量均是杉木林最大，竹林的Feo，F(xiàn)ep和Alp含量均是最小。20—30 cm土層中，杉木林的Fed，F(xiàn)eo含量最大，竹林僅在Ald含量略大于杉木林外，其他指標均是最小。

注：Fed：游離態(tài)鐵鋁氧化物；Feo：無定形鐵鋁氧化物；Fep：絡合態(tài)鐵鋁氧化物。不同小寫字母表示同形態(tài)氧化物在不同林分類型間差異顯著(p<0.05)。下同。

圖2研究區(qū)不同林分類型各土層土壤鐵氧化物的含量

2.3 土壤鐵鋁氧化物與土壤團聚體穩(wěn)定性關(guān)系分析

BRT是以分類回歸樹算法為基礎發(fā)展而來[26]，BRT可產(chǎn)生多重回歸樹，提高模型穩(wěn)定性及預測精度[27]。即在運算過程中，對一定量數(shù)據(jù)進行多次隨機抽取，分析各自變量對因變量的影響程度，剩余數(shù)據(jù)用于擬合結(jié)果檢驗，最終生成的多重回歸樹，取平均值并輸出結(jié)果。該分析方法可量化自變量對因變量的影響，分析不同影響因子的貢獻率，目前被廣泛應用于生態(tài)研究中。

注：Ald：游離態(tài)鐵鋁氧化物；Alo：無定形鐵鋁氧化物；Alp：絡合態(tài)鐵鋁氧化物。

圖3研究區(qū)不同林分類型各土層土壤鋁氧化物的含量

運用增強回歸樹(Boosted regression tree)BRT模型分析不同形態(tài)鐵鋁氧化物對土壤團聚體穩(wěn)定性主要指標MWD的影響。采用以下調(diào)整設置進行生態(tài)建模[28]：樹復雜性(tree complexity)=5，學習速率(learning rate)=0.001，袋分數(shù)(bag fraction)=0.7。通過分析軟件R3.3.0進行BRT分析，分析結(jié)果如圖4所示，對土壤團聚體MWD影響最大的是Alp，其產(chǎn)生了43.6%的貢獻率；其次是Ald和Fed，貢獻率分別為23.5%，19.5%；Feo，Alo及Fep的影響程度較小，貢獻率分別是6.9%，4%及2.4%。游離態(tài)鐵鋁氧化物Ald和Fed分別在17.2～18.1，27.9～29.6 g/kg濃度范圍內(nèi)與土壤團聚體MWD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即Ald和Fed濃度越大，土壤團聚體MWD越大；無定形鐵鋁氧化物Feo和Alo與土壤團聚體MWD存在一定程度的正相關(guān)，但相關(guān)性不大；絡合態(tài)鐵鋁氧化物中Alp在0.8～1.46 g/kg濃度范圍內(nèi)與土壤團聚體MWD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，即Alp濃度越大，土壤團聚體MWD越大，但Fep與土壤團聚體MWD的關(guān)系不明顯。

圖4 影響土壤團聚體MWD的主要鐵鋁氧化物的增強回歸樹BRT分析

3 討 論

土壤團聚體的水穩(wěn)定性與土壤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切[29]，水穩(wěn)定性團聚體含量越大，表明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好[30]。>0.25 mm的團聚體被稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體[22]，其含量是判定土壤質(zhì)量好壞的重要指標，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大，抗蝕能力越高[21,31]。研究發(fā)現(xiàn)>0.25 mm粒級土壤水穩(wěn)性大團聚體比例均大于90%，表明4種林分類型土壤團聚體的團聚體高，穩(wěn)定性好，土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)良，這與研究區(qū)土壤地質(zhì)條件良好，水熱資源豐富相匹配。杉木林土壤團聚體含量隨著粒徑的減小而降低，這與劉曉利等[32]對林分土壤團聚體的研究相同，而竹林由于會受到挖筍等人為破壞，導致大粒級團聚體的破壞，破碎為較小的粒級，隨著粒徑的減小呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。MWD值越大，表明土壤團聚體的團聚度高，土壤團聚體穩(wěn)定性就越強，土壤結(jié)構(gòu)越好[33]。通常團聚體組成中大粒徑的比例越高，MWD就越大，土壤團聚體也越穩(wěn)定[34]。研究發(fā)現(xiàn)，不同林分類型土壤團聚體MWD呈現(xiàn)的總體趨勢與水穩(wěn)定性大團聚體相同，均表現(xiàn)為：杉木林>針闊混交林>闊葉混交林>竹林，也證實了謝賢健等[33]的研究。這可能是由于鳳陽山地處亞熱帶，土壤中風化和成土產(chǎn)物的分解和淋溶水平高，有著明顯的富鋁化效應，鹽基嚴重淋失，碳酸鹽存在量偏少，鐵鋁氧化物是其重要的膠結(jié)物質(zhì)，影響了林地的土壤團聚體分布及其穩(wěn)定性。

鐵鋁氧化物包括晶質(zhì)、非晶質(zhì)的鐵鋁氧化物、氫氧化物和偏氫氧化物，是土壤中最主要、最活躍的組分之一[35]，其往往強烈吸附在黏粒表面，形成氧化物膠膜，促進土粒之間緊密結(jié)合，形成穩(wěn)定的團聚體[10]。南方土壤的各形態(tài)氧化鐵多以游離氧化鐵的形式存在[9]，本研究結(jié)果與之相似，4種林分類型土壤均以游離氧化鐵含量最高，整體上大小依次為：Fed>Ald>Feo>Alo>Fep>Alp。聶文婷等[14]的研究指出，鐵鋁氧化物游離度的大小與團聚體的穩(wěn)定性相關(guān)，團聚體的穩(wěn)定性隨著游離度增大而增強，王小紅等[15]的研究也表明游離態(tài)氧化鐵常與黏土礦物結(jié)合，這種復合物的形成可提高土壤團聚體的穩(wěn)定。本研究證實游離態(tài)鐵鋁氧化物Ald和Fed是促進土壤團聚體穩(wěn)定的主要因素，游離態(tài)氧化鋁Ald對團聚體穩(wěn)定性的促進作用強于Fed，更有助于大團聚體的形成及穩(wěn)定，這可能與氧化鋁在土壤中表面電荷密度等有關(guān)，Al3+離子電荷/半徑的比率大于Fe3+，吸附能力更強[36-37]。但對于無定形鐵鋁氧化物的研究結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，相比無定形氧化鋁Alo，無定形氧化鐵Feo對土壤團聚體穩(wěn)定性的促進作用更大，這是由于無定形氧化鐵Feo是各形態(tài)氧化鐵中羥基釋放量最高的，釋放的羥基可以與其他配位體進行交換進入土壤溶液中充當絮凝劑[38]，從而促進土壤顆粒之間的團聚。而總體上無定形鐵鋁氧化物(Alo，F(xiàn)eo)對土壤水穩(wěn)定性大團聚體的作用不明顯，這可能是無定形氧化物對大粒徑土壤顆粒的團聚作用較小，更多地影響小粒徑土壤顆?；蛘呶F聚體[39-40]。絡合態(tài)鐵鋁氧化物中Alp對土壤團聚體穩(wěn)定性的促進作用顯著大于Fep，Alp盡管含量較低，但與>0.25 mm大團聚體數(shù)量及MWD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，對土壤團聚體穩(wěn)定性的促進作用顯著，是各形態(tài)鐵鋁氧化物中對土壤團聚體MWD影響最大的因素。這可能與絡合態(tài)鐵鋁氧化物的特性有關(guān)，有機絡合物可以強烈地吸附在鐵鋁氧化物沉淀產(chǎn)物的表面[41]，與有機質(zhì)膠結(jié)[8]或與多功能團有機絡合物結(jié)合成穩(wěn)定劑從而促進土壤顆粒的團聚，形成有機無機復合體提高土壤團聚體穩(wěn)定性[42]。

本研究主要分析了不同形態(tài)鐵鋁氧化物對土壤水穩(wěn)定性團聚體穩(wěn)定性的影響，通過土壤團聚體穩(wěn)定性指標整體研究土壤團聚體及綜合評價土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[8]，而對鳳陽山其他土壤類型和各粒級土壤團聚體所含鐵鋁氧化物的含量沒有涉及，因此進一步的研究中，可以結(jié)合粒級和土壤類型分析土壤團聚體所含鐵鋁氧化物對土壤團聚體的影響，從而更全面地探究土壤鐵鋁氧化物對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響機理。

4 結(jié) 論

(1) 4種林分類型土壤團聚體均以土壤水穩(wěn)性大團聚體(>0.25 mm)為主，比例為90.56%～96.34%。總體上，水穩(wěn)定性大團聚體含量和土壤團聚體MWD呈現(xiàn)的總體趨勢均為：杉木林>針闊混交林>闊葉混交林>竹林，表明土壤團聚體穩(wěn)定性杉木林最好，針闊混交林和闊葉混交林次之，竹林最差。

(2) 4種林分類型不同形態(tài)鐵鋁氧化物含量整體上大小為：Fed>Ald>Feo>Alo>Fep>Alp。土層加深，各形態(tài)氧化鐵含量均增加，各形態(tài)氧化鋁含量未表現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在0—10 cm和10—20 cm土層，林分類型間Fed和Alp含量分別呈現(xiàn)顯著性差異(p<0.05)。

(3) 各形態(tài)鐵鋁氧化物中，對土壤團聚體MWD影響程度大小依次為：Alp>Ald>Fed>Feo>Alo>Fep，游離態(tài)鐵鋁氧化物Ald和Fed分別在17.2～18.1 g/kg，27.9～29.6 g/kg的濃度范圍內(nèi)與土壤團聚體MWD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，絡合態(tài)氧化鋁Alp在0.8～1.46 g/kg濃度范圍內(nèi)與土壤團聚體MWD呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。