植被的人工恢復(fù)對(duì)典型黑土有機(jī)質(zhì)組分影響的時(shí)效性1)

潘鶴 周桐 韓少杰 張揚(yáng) 鮑鴻君 陳祥偉 夏祥友

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)(赤峰市紅山區(qū)城郊林場(chǎng))(東北林業(yè)大學(xué))

土壤有機(jī)質(zhì)作為土壤碳庫(kù)的重要組成部分，其累積與釋放過程會(huì)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響[1-2]。由于土壤有機(jī)質(zhì)組成中含碳有機(jī)化合物形態(tài)的不同，導(dǎo)致其不同組分的化學(xué)性質(zhì)、存在方式、生物有效性、穩(wěn)定性及周轉(zhuǎn)時(shí)間不盡相同，對(duì)外部環(huán)境干擾的反應(yīng)程度也存在差異[3-4]，研究有機(jī)質(zhì)組分的變化有助于對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)變化機(jī)制的深入認(rèn)知和系統(tǒng)闡釋。鑒于有機(jī)質(zhì)物理分組的方法幾乎不對(duì)有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)造成破壞，分離出的有機(jī)質(zhì)各組分均能很好地反映其結(jié)構(gòu)與功能而被廣泛采用[5]。通常把有機(jī)質(zhì)分成游離態(tài)有機(jī)質(zhì)、物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)(包括化學(xué)保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)、生物化學(xué)保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì))等組分，并以各組分有機(jī)質(zhì)中的碳含量來表征[6]。相對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)而言，有機(jī)質(zhì)各物理組分的變化，能夠更加敏感地反映出土地利用方式或管理措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響[7]。

作為世界上僅存的三大黑土帶之一——中國(guó)東北黑土區(qū)，糧食商品率高達(dá)60%以上[8]，不僅滿足了國(guó)家糧食生產(chǎn)的需要，更成為保障國(guó)家糧食安全的“壓艙石”。受自然和人為因素的影響，黑土結(jié)構(gòu)與質(zhì)量均出現(xiàn)了不同程度的退化，突出表現(xiàn)為黑土層變薄、有機(jī)質(zhì)含量銳減[9]。為有效遏制黑土退化的態(tài)勢(shì)，圍繞退化黑土的生態(tài)修復(fù)與保護(hù)開展了大量的研究[10]。雖然在植被恢復(fù)的樹種選擇、結(jié)構(gòu)配置以及對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的影響方面取得了進(jìn)展[11-12]，但關(guān)于植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的改良效應(yīng)，尤其是植被恢復(fù)過程中對(duì)土壤質(zhì)量的動(dòng)態(tài)影響尚不明確。為此，本研究以位于典型黑土區(qū)黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)境內(nèi)不同恢復(fù)階段的落葉松(Larixgmelinii)人工林土壤為研究對(duì)象，以代表植被恢復(fù)前階段的耕地、代表開墾前階段的天然次生林土壤為對(duì)照；采用有機(jī)質(zhì)物理分組法，測(cè)定表層(0～20 cm)土壤總有機(jī)質(zhì)、游離態(tài)有機(jī)質(zhì)、物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析總有機(jī)質(zhì)與游離態(tài)、物理保護(hù)態(tài)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)等有機(jī)質(zhì)組分在不同植被恢復(fù)階段的積累狀況的差異，探索植被恢復(fù)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及其組分影響的時(shí)效性；旨在為退化黑土的生態(tài)修復(fù)、植被阻控效應(yīng)的評(píng)價(jià)提供參考。

1 研究方法

1.1 樣地設(shè)置與土壤樣品采集

研究區(qū)域選擇在地處典型黑土區(qū)的黑龍江省克山農(nóng)場(chǎng)(48°12′～48°23′N，125°8′～125°37′E)，溫帶大陸性季風(fēng)氣候特征明顯，年均氣溫0.9 ℃，年均降水量501.7 mm，海拔240～340 m，平均坡度3°，土壤以黏化濕潤(rùn)均腐土為主。在研究區(qū)內(nèi)，選擇立地條件相近的試驗(yàn)地：代表植被恢復(fù)不同階段的21、35、46、55年生的落葉松(Larixgmelinii)人工林地、代表植被恢復(fù)前階段的耕地、代表開墾前階段的天然次生林地；分別設(shè)置1塊20 m×20 m的樣地(見表1)。在樣地內(nèi)按照“S”型布置5個(gè)采樣點(diǎn)，采集0～20 cm土層土壤樣品，并等量混合。經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干，去除植物根系、石塊等雜物后，過2 mm篩備用。各樣地基本特征見表1。

表1 植被恢復(fù)不同階段樣地基本特征

1.2 土壤有機(jī)質(zhì)組分的分離

采用改進(jìn)的土壤有機(jī)質(zhì)物理分組方法[13]，將有機(jī)質(zhì)分為游離態(tài)有機(jī)質(zhì)、物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)3個(gè)組分。分離步驟如下：

①取20 g過2 mm篩的土壤樣品，置于孔徑250 μm土壤篩上，加入50粒直徑為4 mm的玻璃珠，以手動(dòng)的方式，在水中平行、緩慢震蕩，未能過篩部分包含了粗顆粒有機(jī)質(zhì)和不能被繼續(xù)分散的粗砂粒。

②將通過250 μm篩的部分洗入孔徑53 μm的土壤篩，以垂直振幅3 cm、25次/min的頻率濕篩2 min。未能過篩部分包含了微團(tuán)聚體、細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)砂粒，通過部分則包括易分散的粉粒狀、黏粒狀顆粒物。

③將未通過53 μm篩的部分，用重液(相對(duì)密度為1.85 g/cm3的溴化鋅溶液)洗入離心管，上下顛倒10次，保證溶液充分混合，用重液沖洗離心管蓋子和壁上的殘留物，靜置20 min后在1 250 g的相對(duì)離心力下離心60 min；將離心管中懸浮物轉(zhuǎn)移至0.45 μm濾膜過濾，并用去離子水洗掉濾膜上剩余的重液，濾膜上保留的物質(zhì)即為細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)。

④將離心管內(nèi)剩余物質(zhì)以加入去離子水并離心的方式清洗2次后，再加入質(zhì)量濃度為5 g/L的六偏磷酸鈉溶液25 mL，震蕩18 h后過53 μm土壤篩，并不斷沖洗至水流澄清；通過53 μm篩的部分為微團(tuán)聚體內(nèi)的粉粒、黏粒，未能過篩部分包含了微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)砂粒。

將分離得到的各部分轉(zhuǎn)移至錫紙盒后，置于烘箱內(nèi)60 ℃烘干；將粗顆粒有機(jī)質(zhì)、粗砂粒、細(xì)顆粒有機(jī)質(zhì)合并后稱質(zhì)量，用于游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定；將微團(tuán)聚體內(nèi)顆粒有機(jī)質(zhì)、細(xì)砂粒稱質(zhì)量后，用于物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定；將易分散的和微團(tuán)聚體內(nèi)的粉粒狀、黏粒狀顆粒物合并后稱質(zhì)量，用于礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定與數(shù)據(jù)處理

土壤密度，采用環(huán)刀法測(cè)定；pH，采用水浸提(土壤質(zhì)量與所加入蒸餾水體積的比例為1.0 g∶2.5 mL)并使用pH計(jì)(梅特勒-托利多S210-K，瑞士)測(cè)定；土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、組分中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均采用元素分析儀(科斯泰克元素燃燒系統(tǒng)4024，意大利)測(cè)定[14]。

用Excel 2016和Origin 2021軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 23軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用單因素方差分析和最小顯著差異法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異性檢驗(yàn)，用皮爾遜(Pearson)相關(guān)分析法進(jìn)行指標(biāo)相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

由表2可見：植被恢復(fù)不同階段，典型黑土表層土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)表現(xiàn)出明顯差異。耕地土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.97 g·kg-1。21、35年生落葉松人工林土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均顯著低于耕地的(P<0.05)，分別為耕地的60.59%、81.86%。46年生落葉松人工林土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著高于耕地的(P<0.05)，為耕地的115.33%。55年生落葉松人工林土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，比46年生落葉松人工林土壤總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，為耕地的127.21%；但仍顯著低于天然次生林土壤的(P<0.05)，僅為天然次生林土壤的81.72%。

游離態(tài)有機(jī)質(zhì)主要來源于新近未降解或部分降解植物的凋落物殘?bào)w[15]。由表2可見：耕地土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.25 g·kg-1。21年生落葉松人工林土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耕地相比無顯著差異；35、46、55年生落葉松人工林土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，均顯著高于耕地的(P<0.05)，分別為耕地的186.40%、132.80%、188.00%。35、46、55年生落葉松人工林土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與天然次生林土壤間均無顯著差異。

土壤物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)為閉蓄在微團(tuán)聚體內(nèi)部的有機(jī)質(zhì)組分[16]。由表2可見：耕地物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.49 g·kg-1。21年生落葉松人工林土壤物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與耕地?zé)o明顯差異。35、46、55年生落葉松人工林土壤物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次升高，均顯著高于耕地的(P<0.05)，分別為耕地的274.70%、450.20%、714.86%。天然次生林土壤物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，顯著高于耕地和21、35、46年生落葉松人工林土壤的(P<0.05)，但與55年生落葉松人工林土壤的無明顯差異。

礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)是指與土壤中粉粒、黏粒結(jié)合的有機(jī)物質(zhì)[17]。由表2可見：耕地土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為26.96 g·kg-1，顯著高于各年限落葉松人工林地土壤的；但顯著低于天然次生林地土壤的(P<0.05)。21、35、46年生落葉松人工林土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，差異顯著并依次升高(P<0.05)，分別為耕地的57.34%、68.10%、83.42%。55年生落葉松人工林土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，與46年生落葉松人工林地土壤的無明顯差異。

表2 各樣地土壤有機(jī)質(zhì)組分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果

3 討論

本研究結(jié)果表明，植被恢復(fù)對(duì)典型黑土表層土壤總有機(jī)質(zhì)及各有機(jī)質(zhì)組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均有明顯影響，且影響程度與植被恢復(fù)年限密切相關(guān)。植被恢復(fù)21 a時(shí)，土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯降低；隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)又逐漸增加，并于植被恢復(fù)46 a時(shí)顯著高于植被恢復(fù)前。其他研究也報(bào)道過植被恢復(fù)后土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后逐漸增加的現(xiàn)象[18-21]。其原因是，耕地轉(zhuǎn)化為人工林后，輸入土壤的植物殘?bào)w的結(jié)構(gòu)和數(shù)量有所改變，而分解此類有機(jī)物質(zhì)的微生物活性較低，植物殘?bào)w較慢的分解速率導(dǎo)致對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的補(bǔ)充不足[22]。另外，人工林在快速生長(zhǎng)期吸收的大量養(yǎng)分，又依賴于土壤有機(jī)質(zhì)的分解來提供[23]，土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率大于輸入速率，因此造成了總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的下降。隨著林齡的增加，土壤微生物的活性和多樣性逐漸提高[24]，植物殘?bào)w等在土壤微生物的作用下分解加快，土壤有機(jī)質(zhì)的輸入速率逐漸大于分解速率，使得土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)開始升高。

與土壤總有機(jī)質(zhì)不同，游離態(tài)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)于植被恢復(fù)35 a時(shí)已顯著高于植被恢復(fù)前，并已達(dá)開墾前水平，表明植被恢復(fù)對(duì)游離態(tài)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提升影響較大。與物理保護(hù)態(tài)、礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)相比，游離態(tài)有機(jī)質(zhì)屬于高活性有機(jī)質(zhì)組分[15]，對(duì)土地利用方式及管理措施的改變非常敏感[14]。本研究中，土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)的快速恢復(fù)表明，其適合作為評(píng)價(jià)黑土土壤有機(jī)質(zhì)變化的敏感性指標(biāo)。

物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)閉蓄在微團(tuán)聚體內(nèi)，使有機(jī)質(zhì)與微生物隔離，阻止了有機(jī)質(zhì)的進(jìn)一步分解[16，25]。微團(tuán)聚體的閉蓄、包裹是土壤有機(jī)質(zhì)的一種重要穩(wěn)定機(jī)制[6]，物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)的積累則與團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)率密切相關(guān)[15]。本研究中，物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)同樣于植被恢復(fù)35a時(shí)顯著高于植被恢復(fù)前的，并于植被恢復(fù)55 a時(shí)達(dá)到開墾前水平，表明植被恢復(fù)可以明顯提升物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。這是因?yàn)橹脖换謴?fù)后耕作等人為干擾減少，導(dǎo)致團(tuán)聚體周轉(zhuǎn)率降低，進(jìn)而促進(jìn)了微團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)質(zhì)的積累[26]。物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)、游離態(tài)有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著正相關(guān)(表3)，表明植被恢復(fù)對(duì)物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)的影響與植被恢復(fù)對(duì)游離態(tài)有機(jī)質(zhì)的影響，趨勢(shì)一致。

表3 土壤總有機(jī)質(zhì)及其組分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間相關(guān)系數(shù)(n=18)

與植被恢復(fù)前相比，土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)在植被恢復(fù)后明顯下降，這是導(dǎo)致植被恢復(fù)21、35 a時(shí)土壤總有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于植被恢復(fù)前的主要原因。土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)與總有機(jī)質(zhì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)間呈極顯著正相關(guān)(表3)，也表明了礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)與總有機(jī)質(zhì)之間的緊密聯(lián)系。隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加，但植被恢復(fù)55 a時(shí)，仍不如植被恢復(fù)前的，這說明土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能恢復(fù)。有研究認(rèn)為，土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)的積累與凋落物的質(zhì)量(即凋落物中易被微生物分解成分的比例)密切相關(guān)，高質(zhì)量的凋落物更有利于促進(jìn)礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)的提升[27]。落葉松林凋落物質(zhì)量通常較低[20，28]，限制了土壤礦質(zhì)結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)的恢復(fù)速度。

4 結(jié)論

植被恢復(fù)對(duì)典型黑土表層土壤有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，但對(duì)總有機(jī)質(zhì)和有機(jī)質(zhì)各物理組分的影響存在明顯的時(shí)效性差異。雖然植被恢復(fù)46 a以后，土壤總有機(jī)質(zhì)比植被恢復(fù)前有顯著增加，但仍未能恢復(fù)至開墾前的水平。隨著植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)、物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)均比植被恢復(fù)前有顯著增加。植被恢復(fù)35 a時(shí)，土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)即可恢復(fù)至開墾前的水平；而土壤物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)恢復(fù)至開墾前水平，則需要植被恢復(fù)55 a以上。在典型黑土區(qū)，植被的人工恢復(fù)對(duì)表層土壤有機(jī)質(zhì)及其組分的影響，主要體現(xiàn)在游離態(tài)有機(jī)質(zhì)、物理保護(hù)態(tài)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。鑒于土壤游離態(tài)有機(jī)質(zhì)恢復(fù)的時(shí)限較短，建議將其作為評(píng)價(jià)黑土土壤有機(jī)質(zhì)變化的敏感性指標(biāo)。