麻櫟林齡對土壤水穩(wěn)性團聚體及其有機碳含量的影響①

王 燦，胡海波*，范 真，連經(jīng)緯

麻櫟林齡對土壤水穩(wěn)性團聚體及其有機碳含量的影響①

王 燦1,2，胡海波1,2*，范 真1,2，連經(jīng)緯1,2

(1 南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2 江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)實驗室，南京 210037)

為了解林齡對土壤團聚體及其有機碳含量的影響，探求各級團聚體中碳含量與團聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系，以17、26和65 a的麻櫟人工林為對象，研究了林地0 ~ 40 cm土壤水穩(wěn)性團聚體組成、團聚體水穩(wěn)定性以及各級團聚體有機碳含量的變化規(guī)律和相互關(guān)系。結(jié)果表明：①林齡對土壤團聚體組成及其水穩(wěn)定性影響顯著，影響效果隨林齡增加而增強，隨土層加深而減弱；②林齡對土壤團聚體有機碳含量影響顯著，影響程度隨林齡增加而增強；③<0.25 mm土壤團聚體有機碳含量與各級土壤有機碳含量密切相關(guān)，也是影響團聚體水穩(wěn)定性的主要因素。

土壤團聚體；有機碳；穩(wěn)定性；麻櫟

土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是土壤中碳儲存的重要場所[1]，全球范圍內(nèi)70% ~ 73% 的有機碳存在于森林土壤，90% 集中于表層土壤團聚體中[2]。土壤碳庫中無機碳較為穩(wěn)定，因此土壤有機碳是參與碳循環(huán)的主要成分[3]。有機質(zhì)在膠結(jié)土壤顆粒促進微團聚體形成的同時，也受到了土壤顆粒的包裹，產(chǎn)生一定物理保護[4]，性質(zhì)較為穩(wěn)定。而由微團聚體膠結(jié)形成的大團聚體中的有機碳容易受到土壤表面植被覆蓋、土地利用方式、微生物等因素的影響。這些因素通過改變向土壤中有機物質(zhì)的輸入，使得土壤養(yǎng)分和微生物活性發(fā)生變化，從而造成土壤團聚體結(jié)構(gòu)和土壤有機碳的動態(tài)變化[5-9]。團聚體的穩(wěn)定性可以作為團聚體保護有機碳能力的指標，同樣也是評價土壤物理性質(zhì)和抗侵蝕能力的重要指標[10]。其中，土壤水穩(wěn)性團聚體對碳動態(tài)變化比較敏感[11]，被認為是監(jiān)測土壤碳含量動態(tài)變化的指標[12]。

目前的研究集中于不同土地利用方式[13-14]以及不同樹種[15-16]對土壤團聚體及其有機碳含量的影響，而針對同一樹種土壤團聚體及其有機碳含量受林齡影響的研究較少。為了了解林齡對土壤團聚體結(jié)構(gòu)變化與有機碳含量的影響，探求各級團聚體中碳含量與團聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系，本研究以空間代替時間，選取3塊不同林齡的麻櫟()人工林，對土壤水穩(wěn)定性團聚體組成及其有機碳含量進行測定，期望闡明不同林齡土壤中團聚體組成、有機碳含量和穩(wěn)定性的變化，弄清土壤有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性的關(guān)系，掌握土壤團聚體結(jié)構(gòu)和有機碳隨林齡的變化趨勢，為進一步研究土壤碳庫的動態(tài)變化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗林地位于江蘇省鎮(zhèn)江南京林業(yè)大學實習林場與句容林場，地理位置位于119°14′E，32°7′N。屬于亞熱帶季風氣候區(qū)，四季分明，熱量充足。年平均氣溫15.2 ℃，極端最高和最低溫度為39.6 ℃和-16.7 ℃，無霜期平均233 d，年平均降水量1 055.6 mm，集中在6—8月。試驗樣地土壤質(zhì)地為黃棕壤，基本概況見表1。

1.2 樣品采集與試驗方法

在選定的3塊林地中，沿坡面分別在坡上、坡中、坡下各設(shè)1個20 m×20 m的正方形樣地，每個樣地沿對角線等分，取3個樣點。在各樣點取0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40 cm土層的原狀土，將各樣點土樣分別裝入塑料盒運回。剔除土樣中的根系、石塊，剝成8 ~ 10 mm土塊置于室內(nèi)風干，過5 mm篩。

表1 試驗樣地概況表

土壤水穩(wěn)性團聚體(簡稱團聚體)測定：使用Yoder濕篩法[17]，取過篩土樣50 g，先用慢速濕潤法濕潤樣本5 min[18]，再置于團聚體分析儀上，以30次/min、振幅3.2 cm，震蕩30 min。分析儀套篩孔徑分別為2、1、0.5、0.25 mm。烘干，稱重。土壤容重測定：環(huán)刀法；pH測定：pH計法；土壤團聚體有機碳含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法[19]。

1.3 數(shù)據(jù)計算與處理

平均重量直徑(mean weight diameter，MWD)、>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比(0.25，%)是描述團聚體水穩(wěn)定性的常用參數(shù)，可以判斷土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，其值越大，土壤結(jié)構(gòu)越好，水穩(wěn)性越強[21]。其計算方式如下。

平均重量直徑：

使用Excel和SPSS 23.0軟件對坡度、郁閉度進行協(xié)方差分析，對同林齡不同土層與同土層不同林齡的土壤團聚體含量、團聚體水穩(wěn)定性、有機碳含量進行方差分析及多重比較，對各級水穩(wěn)性團聚體有機碳含量與其水穩(wěn)性特征值進行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分因子對土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性的影響

林地坡度、郁閉度影響降雨條件下林內(nèi)地表徑流的產(chǎn)生以及林內(nèi)土壤受到的雨水沖刷[20]，從而對林內(nèi)土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性產(chǎn)生作用。為了明確本研究中坡度、郁閉度因素的影響，以各級團聚體顆粒含量、團聚體水穩(wěn)定性指標為因變量，將林齡作為主變量，分別對林地坡度、郁閉度因素進行協(xié)方差分析，結(jié)果見表2。由表可知，林地坡度、郁閉度對于土壤團聚體顆粒含量組成及其穩(wěn)定性無顯著影響，在進行林齡對團聚體及其穩(wěn)定性分析時，可將其剔除。

表2 林分因子協(xié)方差分析P值

注：>0.05 表示林分因子影響不顯著。

2.2 林齡對土壤團聚體組成的影響

土壤植被變化會導(dǎo)致土壤團聚體組成的變化，3 塊林地土壤團聚體組成如表3。從表3 看出，>2 mm 土壤團聚體含量最高，0.25 ~ 0.5 mm 土壤團聚體次之，其余3 個等級在不同林地不同土層中分布各有差異?？傮w趨勢表現(xiàn)為，>1 mm 的土壤團聚體隨土層加深而減小，<0.5 mm 的團聚體隨土層加深而增加。

根據(jù)各級土壤團聚體含量在同林齡不同土層與同土層不同林齡的差異顯著性分析可以看出，在17 a 生林地各土層與各林地20 ~ 40 cm 土層中，各級土壤團聚體含量無顯著差異。然而隨林齡的增加，各級團聚體在不同土層、不同林齡間產(chǎn)生顯著差異。

>2 mm 團聚體在0 ~ 10、10 ~ 20 cm 土層中的含量隨林齡增加而升高，0 ~ 10 cm 土層中17、26 a 間無顯著差異，65 a 林地顯著增加，與17、26 a 林地相比，增加比例為58.33%、48.09%；在10 ~ 20 cm 土層中，3個林齡間>2 mm 團聚體含量均無顯著差異，65 a 林地與17、26 a 林地相比，增加比例分別為34.59%、21.71%，增加比例隨土層加深而減小。由于不同土層團聚體含量隨林齡變化量不同，>2 mm 團聚體含量在26 a 林地0 ~ 10、10 ~ 20 與20 ~ 40 cm 土層間產(chǎn)生顯著差異，65 a 林地0 ~ 10 cm 與10 ~ 20、20 ~ 40 cm 土層間產(chǎn)生顯著差異。26、65 a 生林地郁閉度高，土壤表層枯落物豐富，能夠有效攔截降雨，減少地表徑流，減輕土壤受到的機械破壞作用。同時隨著林齡增長，林地土壤有機碳含量的增加也促進了大團聚體的形成。

表3 不同林地土壤團聚體分布(%)

注：同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同林齡不同土層間差異顯著 (< 0. 05)，大寫字母不同表示同土層不同林齡間差異顯著(< 0.05)，下表同。

1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm 團聚體含量穩(wěn)定，在0 ~ 10 cm 土層中表現(xiàn)為26 a 林地最高，而10 ~ 20 cm 土層中則26 a 林地最低。僅26 a 林地中存在不同土層間的顯著差異，隨林齡變化的顯著性差異僅存在于26、65 a 林地之間。

0.25 ~ 0.5 mm和<0.25 mm土壤團聚體在0 ~ 10 cm土層中都隨林齡增大而減小，65 a林地團聚體含量與17、26 a相比差異顯著；10 ~ 20 cm土層中這兩個等級的團聚體含量表現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，僅26 a林地中<0.25 mm團聚體含量與16、65 a林地之間顯著差異。0.25 ~ 0.5 mm團聚體含量在各林齡0 ~ 10、10 ~ 20 cm土層間差異顯著，26、65 a林地10 ~ 20 cm土層中的含量比0 ~ 10 cm土層中含量分別高38.56%、52.23%，說明小粒徑團聚體在0 ~ 10 cm土層中受到膠結(jié)作用強于10 ~ 20 cm土層。<0.25 mm團聚體在17 a林地各土層間無顯著差異；26 a 林地的3個土層間差異顯著；65 a林地中<0.25 mm團聚體含量在0 ~ 10 cm與10 ~ 20 cm土層中大幅減少，使兩個土層間無顯著差異，這一趨勢隨著林齡增大是否會繼續(xù)，需要進一步研究。

2.3 林齡對土壤團聚體水穩(wěn)定性的影響

平均重量直徑(MWD)和 >0.25 mm 水穩(wěn)性團聚體百分比(0.25)是表征團聚體水穩(wěn)定性的重要指標。林分土壤團聚體水穩(wěn)定性特征值如圖1。

(圖中小寫字母不同表示同林齡不同土層間差異顯著( P < 0. 05)，大寫字母不同表示同土層不同林齡間差異顯著( P < 0. 05))

從圖1可以看出，隨著土層深度增加，同林齡土壤平均重量直徑和0.25都呈現(xiàn)減小趨勢，隨著麻櫟林齡的增加，差異達顯著性水平。因此，隨著土層深度的加深，土壤團聚體的水穩(wěn)定性減弱，表層枯落物、較高的有機質(zhì)含量、較好的外部環(huán)境條件都是產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因[21-22]。

在0 ~ 10 cm與10 ~ 20 cm土層中，平均重量直徑呈現(xiàn)隨林齡增加而增加的趨勢，17 a與26 a之間的差異較小，65 a與26、17 a相比，差異顯著增加。20 ~ 40 cm土層平均重量直徑隨林齡變化沒有顯著差異，但65 a與17、26 a相比，還是表現(xiàn)出一定的增大。就各土層平均重量直徑隨林齡的增量而言，0 ~ 10 cm土層中17 ~ 26 a、26 ~ 65 a、17 ~ 65 a的增量分別為0.11、0.38、0.49；10 ~ 20 cm土層中這一值的大小為0.06、0.24、0.30；20 ~ 40 cm土層中則為-0.06、0.17、0.11。可以看到，隨著土層加深，增量值逐漸減小，說明林齡對土壤水穩(wěn)定性團聚體的影響隨土層深度的增加而減弱。

>0.25 mm水穩(wěn)性團聚體百分比(0.25)隨林齡的顯著變化主要發(fā)生在26 a林地的0 ~ 10 cm土層，65 a林地的10 ~ 20 cm土層與20 ~ 40 cm土層中。26 a與17 a相比較，17 a0.25隨土層增加無顯著變化，26 a 3個土層的變化量分別為5.87%、-0.82%、-4.85%；而65 a與17 a相比，0.25變化量相對穩(wěn)定，分別是7.48%、8.21%、7.24%。同樣，在26 ~ 65 a這一較長時間段內(nèi)，各土層0.25的變化量分別是1.61%、9.03%、12.09%，表現(xiàn)出增長趨勢，并且土層越深增量越大。這一現(xiàn)象說明麻櫟林在較長時間尺度上能夠穩(wěn)定地改良土壤團聚體結(jié)構(gòu)。

2.4 林齡對土壤團聚體有機碳的影響

土壤有機碳含量與土壤水穩(wěn)性團聚體形成密切相關(guān)，團聚體是有機碳的重要儲存場所，而大團聚體是由微團聚體受有機質(zhì)的膠結(jié)形成(表4)。

由表4可以看出，各林齡土壤有機碳含量總體表現(xiàn)為0 ~ 10 cm>10 ~ 20 cm>20 ~ 40 cm。17、26 a林地中，0 ~ 10 cm與10 ~ 20 cm兩個土層間部分等級團聚體有機碳含量差異顯著；65 a林地中，0 ~ 10 cm土層各級團聚有機碳含量與10 ~ 20 cm土層有顯著差異；各林齡20 ~ 40 cm 土層各級團聚體有機碳含量均低于0 ~ 10、10 ~ 20 cm土層，且大部分團聚體在10 ~ 20、20 ~ 40 cm兩個土層間有機碳含量差異顯著。目前，學者們對人工林土壤碳儲量變化進行了深入研究[23-25]，認為導(dǎo)致土壤碳儲量變化的原因是由于同一樹種在不同林齡狀態(tài)下，其林分密度、郁閉度以及林下植被不同所致。植物生長所需的營養(yǎng)主要來自根系吸收，經(jīng)凋落物腐化轉(zhuǎn)移至表層土壤，從而具有隨林齡增加土壤有機碳含量差異逐漸增大的特征。

表4 土壤團聚體有機碳含量(g/kg)

將不同林齡同層土壤中各級團聚體有機碳含量進行比較：0 ~ 10 cm土層中，65 a林地中各級團聚體有機碳含量遠高于17、26 a林地且差異顯著；在17、26 a林地中，除0.5 ~ 1 mm外的4個等級團聚體有機碳含量均隨林齡增加產(chǎn)生顯著性差異；其中>2 mm、1 ~ 2 mm團聚體有機碳含量隨林齡增加而升高，0.25 ~ 0.5 mm、<0.25 mm則相反。10 ~ 20 cm土層中，各級土壤團聚體有機碳含量隨林齡增加的增量較小，僅65 a林地中<0.25 mm團聚體有機碳含量與26、17 a存在顯著差異；20 ~ 40 cm土層各級團聚體有機碳含量在17、26 a林地中基本保持穩(wěn)定，65 a團聚體有機碳含量顯著增加。0 ~ 10 cm土層中，由于林冠、地被和枯落物對地表土壤的保護及低強度的人為活動干擾，使得土壤團聚體免遭破壞，對有機碳起到保護作用，有利于土壤有機質(zhì)的不斷累積，而10 ~ 20、20 ~ 40 cm土層中團聚體有機碳含量主要受到植物根系影響，因此較為穩(wěn)定[26]。

2.5 土壤有機碳含量與團聚體穩(wěn)定性的關(guān)系

對各級水穩(wěn)性團聚體有機碳含量與其水穩(wěn)性特征值進行相關(guān)分析(表5)。從表5可以看出，各等級團聚體有機碳含量之間都有顯著的正相關(guān)關(guān)系。>2 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm土壤團聚體有機碳含量在<0.05水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.714 ~ 0.774之間；0.25 ~ 0.5 mm、<0.25 mm土壤團聚體有機碳含量與絕大部分團聚體有機碳含量在<0.01水平上相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.802 ~ 0.942之間。<0.25 mm與其余各級團聚體的相關(guān)系數(shù)隨著團聚體粒徑的增大而減小(>2 mm除外)，<0.25 mm與0.25 ~ 0.5 mm、>2 mm團聚體有機碳含量的相關(guān)系數(shù)處于較高水平，分別為0.942、0.870。由此可見，>0.5 mm團聚體有機碳含量之間的相互影響與其受到<0.5 mm團聚體有機碳含量的影響相比，相對較小；而<0.25 mm與0.25 ~ 0.5 mm團聚體中有機碳含量對土壤各級團聚體有機碳含量有重要影響。

表5 土壤水穩(wěn)性團聚體有機碳含量與穩(wěn)定性的相關(guān)關(guān)系

注：* 表示在<0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，** 表示在<0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

平均重量直徑與各級有機碳含量都顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)隨團聚體粒徑減小呈“V”型分布，與<0.25 mm、0.25 ~ 0.5 mm團聚體碳含量相關(guān)系數(shù)分別為0.955、0.902。0.25與平均重量直徑相關(guān)關(guān)系在<0.01水平上顯著；與各級團聚體碳含量都表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，但僅與<0.25 mm團聚體碳含量在<0.05水平上顯著。可見，土壤團聚體水穩(wěn)性的影響因素以<0.25 mm團聚體有機碳含量為主，其原因可能是有機碳主要分布于<0.25 mm團聚體中[27]，而大團聚體主要依靠<0.25 mm團聚體膠結(jié)所致。

3 討論

本研究中選取了17、26、65 a 3個林齡的麻櫟作為研究對象，其中17 a與26 a之間時間跨度較短，而26 a與65 a時間跨度較長。研究發(fā)現(xiàn)，各級土壤團聚體分布較為均勻，其中>2 mm團聚體含量稍多，這可能與植物種類以及土質(zhì)有關(guān)，土質(zhì)決定了團聚體的基本分布結(jié)構(gòu)，植物能對團聚體結(jié)構(gòu)起到改良作用。羅珠珠等[7]在研究黃土高原苜蓿種植年限對土壤團聚體影響時，在多個種植年限下測得<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體占主要地位；王連曉等[28]在研究熱帶地區(qū)磚紅壤種植不同年限的橡膠樹時，測得0.5 ~ 1 mm、<0.25 mm水穩(wěn)性團聚體占主要地位。

土壤各級團聚體有機碳含量、團聚體穩(wěn)定性隨土壤深度加深而減小的趨勢與目前已有的研究基本一致，但土壤有機碳含量、團聚體穩(wěn)定性隨林齡的變化趨勢不盡相同。劉敏英等[29]在茶園研究中發(fā)現(xiàn)20 ~ 22 a的土壤團聚體穩(wěn)定性最強，并且隨林齡增大而減弱；王連曉等[28]在研究橡膠樹時，也發(fā)現(xiàn)20 a橡膠樹林土壤團聚體穩(wěn)定性大于10、30 a的橡膠樹林。其原因主要是由樹木本身特性以及人為活動干擾造成的。謝濤等[30]在研究沿海地區(qū)不同楊樹林有機碳時發(fā)現(xiàn)，在楊樹生長過程中土壤有機碳含量升高，并在過熟林階段有所降低但相對穩(wěn)定；苗娟等[23]研究了10、20、27 a云南松的土壤有機碳變化，文麗等[31]研究了10、24、25 a馬尾松-樟樹混交林的土壤有機碳變化，都發(fā)現(xiàn)各層土壤有機碳含量隨林齡增加而增加，本文結(jié)果與此一致。因此，林分類型以及人為活動可能對土壤有機碳產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié)論

1)林齡對土壤團聚體組成及其水穩(wěn)定性影響顯著，影響效果隨林齡增加而增強，隨土層加深而減弱。

2)林齡對土壤團聚體有機碳含量影響顯著，影響程度隨林齡增加而增強。

3)<0.25 mm土壤團聚體有機碳含量與各級土壤有機碳含量密切相關(guān)，也是影響團聚體水穩(wěn)定性的主要因素。

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Effects ofAge on Composition and Organic Carbon Content of Soil Water-stable Aggregates

WANG Can1,2, HU Haibo1,2*, FAN Zhen1,2, LIAN Jingwei1,2

(1 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration in Jiangsu Province, Nanjing 210037, China)

In order to further understand the effects ofage on soil aggregates and their organic carbon contents and explore the relationship between aggregate stabilities and carbon contents in aggregates of different sizes, artificialforests of 17, 26 and 65 a were selected to investigate water-stable aggregate composition, aggregate water stability, and changes and correlations of organic carbon contents in different size aggregates in 0–40 cm depth. The results showed that forest age had a significant effect on the composition and water stability of soil aggregates, and the effect increased with the increase of forest age but decreased with the increase of soil depth; Forest age also had a significant effect on organic carbon contents in soil aggregates, and the effect increased with the increase of forest age; Organic carbon content in <0.25 mm aggregates had an important effect on soil organic carbon contents in aggregates in different sizes, and is the main factor affecting water stability of soil aggregates.

Soil aggregate; Organic carbon; Stability;

國家林業(yè)局長江三角洲森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究項目(2018-LYPT-DW-159)和江蘇省高等學校林學優(yōu)勢學科建設(shè)項目(164010641)資助。

huhb2000@aliyun.com)

王燦(1994—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要研究方向林業(yè)生態(tài)工程。E-mail：469636501@qq.com

S714.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.019