毛烏素沙地3種人工植被類型對(duì)土壤顆粒組成和固碳的影響

王麗梅, 張 謙, 白利華, 馬愛生, 張 紅,李利敏, 張建國,2, 付廣軍, 董 強(qiáng)

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué)黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

我國北方干旱半干旱區(qū)的土地沙漠化問題一直備受關(guān)注。沙漠化會(huì)導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤生物多樣性降低、土壤質(zhì)地粗化等一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]，還會(huì)導(dǎo)致土壤碳庫衰減。研究表明沙漠化導(dǎo)致的全球碳庫損失量為1.9×1010～2.9×1010t[2]。人工植被建設(shè)是沙漠化防治的重要措施之一，沙地植被恢復(fù)過程中，隨著其生物多樣性的提高，SOC，SIC含量逐漸增加，促進(jìn)了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，減少了粉粒和土壤養(yǎng)分的流失，使退化沙地發(fā)育程度增強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)得到改善[3]，最終形成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且穩(wěn)定的沙地生態(tài)系統(tǒng)[4]，有利于加快退化土壤的碳固定過程和減緩大氣CO2濃度增加的速度[5]。

土壤碳庫包括SOC庫和SIC庫，二者均對(duì)全球土壤碳存儲(chǔ)和緩解CO2濃度升高過程具有重要意義[6-7]。近年來，人們對(duì)植被恢復(fù)過程中SOC庫的變化進(jìn)行了較為深入的研究[8-10]，但對(duì)于SIC庫的研究相對(duì)較少[11]。研究表明，SIC在干旱半干旱地區(qū)的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于SOC[12]，且更新時(shí)間更長，對(duì)減少大氣CO2濃度具有不可忽視的長期效應(yīng)。此外，土壤顆粒組成中各粒級(jí)結(jié)合碳的研究亦逐漸受到重視[13-14]。蔡岸冬等[15]的研究表明，砂粒(53～2 000 μm)中的有機(jī)碳屬于活性有機(jī)碳，兩者結(jié)合并不緊密；而粉黏粒(<53 μm)中的有機(jī)碳屬于惰性礦物結(jié)合有機(jī)碳，不易被微生物分解和礦化[16]，是土壤固持有機(jī)碳的重要碳組分庫。該分組方法在研究農(nóng)業(yè)措施[17-18]、植被類型[19]等對(duì)土壤碳庫變化的影響上已有較多應(yīng)用，但是關(guān)于退化沙地土壤碳庫變化研究的有關(guān)報(bào)道極少。本研究以毛烏素沙地同一恢復(fù)年限的3種植被類型為樣地，對(duì)0—30 cm土層顆粒組成、SOC和SIC的含量進(jìn)行系統(tǒng)分析，旨在探討沙地植被恢復(fù)類型對(duì)土壤顆粒組成的影響及不同顆粒碳含量的影響，以期為半干旱區(qū)沙地的植被恢復(fù)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于毛烏素沙地東南緣的人工植被林區(qū)(38°19′—22′N,109 °37′—49′E)，海拔1 098～1 158 m。該區(qū)屬于溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量250～400 mm，且主要集中在7—9月份，年均氣溫6～8.5 ℃。地表景觀以固定、半固定沙地為主，植被覆蓋率達(dá)到33%。土壤類型以成土作用極為微弱的風(fēng)沙土為主，呈弱堿性[20]。人工植被主要包括樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)等。

1.2 樣地選擇

植物園總面積133.3 hm2，主要植被類型包括喬木、灌木和草本植物。其中灌木和草本植物于1970年前后通過飛播混播造林恢復(fù)，飛播后6 a成林；1985年在飛播林地進(jìn)行樟子松造林，造林面積6.06 hm2；灌木和草地交錯(cuò)分布，兩者面積基本相當(dāng)。分別選取地勢平坦的上述人工植被區(qū)作為研究樣地，植物園外附近流沙地作為對(duì)照，所選樣地的基本特征見表1。

表1 樣地基本特征

1.3 樣品采集及測定

土壤樣品采集分別于2016年9月上旬、2017年4月下旬和2017年9月上旬進(jìn)行。選擇具有代表性的樣點(diǎn)(喬木和灌木樣地，選取四株長勢基本一致且具有代表性植物的對(duì)角線交叉點(diǎn)，草地內(nèi)隨機(jī)選取1 m×1 m典型樣方的對(duì)角線交叉點(diǎn))進(jìn)行取樣，數(shù)據(jù)分析取三次分析結(jié)果的平均值，即重復(fù)數(shù)為3。為了降低空間變異誤差，不同植被類型之間采樣點(diǎn)距離不超過500 m。在所選樣地內(nèi)用直徑6 cm的土鉆分四層(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)進(jìn)行土壤樣品的采集。

樣品先過2 mm篩后風(fēng)干。SOC采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，SIC采用氣量法測定[21]，土壤pH(水土比為2.5∶1)用電極法測定，電導(dǎo)率(水土比為5∶1)用電導(dǎo)率儀測定。按照中國土粒分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤顆粒組成分為團(tuán)聚體、粗砂粒(>0.25 mm)、細(xì)砂粒(0.05～0.25 mm)和粉黏粒(<0.05 mm)，各粒級(jí)土壤顆粒含量用干篩法測定。其中團(tuán)聚體的篩分方法為：將初次篩分出來的>0.25 mm的大顆粒組分(包括團(tuán)聚體和>0.25 mm單粒)于研缽輕輕磨碎后再次過0.25 mm篩，被篩下的組分即為團(tuán)聚體，未通過篩孔的即為>0.25 mm組分。由于沙地土壤黏粒含量極低，故將粉粒和黏粒合為一組。將環(huán)刀取回的土樣于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)105 ℃下烘干24 h，計(jì)算土壤容重。

SOCD和SICD計(jì)算公式為[22]：

式中：SOCDi為第i層土壤有機(jī)碳密度(kg/m2)；SICDi為第i層土壤無機(jī)碳密度(kg/m2)；δ為礫石的含量(%) (各樣地礫石含量為0)；Ci為第i層SOC或SIC含量(g/kg)；h為土層厚度(cm)；γi為第i層土壤容重(g/cm3)；100為轉(zhuǎn)換系數(shù)。

某粒級(jí)有機(jī)/無機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)/無機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)率為[9]：

式中：RSOCi(SICi)為i粒級(jí)有機(jī)(無機(jī)碳)貢獻(xiàn)率(%)；CSOCi(SICi)為i粒級(jí)有機(jī)(無機(jī)碳)含量(g/kg)；Ai為i粒級(jí)所占比例(%)；CTSOC(SIC)為土壤總有機(jī)碳(總無機(jī)碳)含量(g/kg)。

用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用Pearson法對(duì)SOC含量、SIC含量、pH和電導(dǎo)率進(jìn)行相關(guān)分析。用OriginPro 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被類型對(duì)土壤顆粒組成的影響

植被類型對(duì)土壤各粒級(jí)的含量具有不同程度的影響。由圖1可知，3種植被類型樣地均形成了土壤團(tuán)聚體，且只有0—5 cm和5—10 cm土層含有團(tuán)聚體。草地中團(tuán)聚體含量最高(3.59%)，其次是喬木樣地(3.15%)，灌木樣地最低(3.14%)。與流沙地相比，喬木樣地粉黏粒含量最高(4.82%)，其次是草地(4.06%)和灌木樣地(3.53%)。喬木樣地、灌木樣地和草地的細(xì)砂粒含量分別比流沙地降低了4.51%，1.53%和6.07%。喬木樣地(23.83%)、灌木樣地(22.15%)和草地(25.17%)的粗砂粒含量均低于流沙地(26.81%)?？傊?，植被恢復(fù)后土壤團(tuán)聚體和粉黏粒含量均明顯增加，細(xì)砂粒和粗砂粒含量均有所降低。

2.2 植被類型對(duì)土壤有機(jī)與無機(jī)碳含量的影響

不同植被類型0—30 cm土層平均SOC含量(圖2)在喬木樣地達(dá)到最高值(3.81 g/kg)，其次是灌木樣地(3.59 g/kg)、草地(3.37 g/kg)和流沙地(0.96 g/kg)，分別達(dá)到流沙地的3.96倍、3.72倍和3.50倍。即喬木對(duì)SOC的累積影響最大，其次是灌木和草本植物。此外，3種植被類型樣地SOC含量由表層到下層均呈遞減的趨勢。由圖2可知，不同植被類型樣地喬木樣地平均SIC含量最高，是流沙地的2.08倍；其次是草地和灌木樣地，分別是流沙地的1.15倍和1.30倍。但各植被類型樣地不同土層之間的SIC含量無明顯變化規(guī)律。

2.3 植被類型對(duì)土壤有機(jī)碳與無機(jī)碳密度的影響

各樣地0—30 cm SOCD與SICD存在一定差異(圖3)，且SICD均高于SOCD。SOCD在喬木樣地達(dá)到最大值(1.32 kg/m2)其次是灌木樣地(1.09 kg/m2)、草地(1.05 kg/m2)和流沙地(0.45 kg/m2)。SICD同樣在喬木樣地達(dá)到最大值(2.05 kg/m2)其次是流沙地(1.14 kg/m2)、草地(1.14 kg/m2)和灌木樣地(1.03 kg/m2)?？梢奡OCD和SICD最大值均出現(xiàn)在喬木樣地，即喬木樣地的總碳密度最大。喬木樣地、草地和流沙地SICD分別是SOCD的1.55，1.08，2.51倍。而灌木樣地兩者之間差異不大。各樣地的SOCD均高于流沙地，而SICD除喬木樣地明顯高于流沙地以外，其他樣地與流沙地相比均無明顯變化。

2.4 植被類型對(duì)土壤各粒級(jí)有機(jī)碳與無機(jī)碳含量的影響

2.4.1 土壤有機(jī)碳 由圖4可知，各粒級(jí)SOC含量均隨土層的加深呈遞減趨勢。其中，0—10 cm團(tuán)聚體平均SOC含量最大值出現(xiàn)在灌木樣地(17.20 g/kg)其次是草地(16.99 g/kg)和喬木樣地(14.94 g/kg)。對(duì)粗砂粒而言，0—30 cm土層不同植被類型樣地平均SOC含量最大值出現(xiàn)在喬木樣地(4.84 g/kg)其次是灌木樣地(2.41 g/kg)、草地(1.62 g/kg)和流沙地(0.65 g/kg)，分別是流沙地的7.49倍、3.73倍和2.50倍。對(duì)細(xì)砂粒而言，各植被類型樣地平均SOC含量最大值出現(xiàn)在喬木樣地(3.64 g/kg)其次是灌木樣地(2.81 g/kg)、草地(2.69 g/kg)和流沙地(0.63 g/kg)，分別是流沙地的5.75倍、4.43倍和4.24倍。對(duì)粉黏粒而言，不同植被類型樣地中，各樣地平均SOC含量均高于流沙地，其中灌木樣地粉黏粒含量最高(12.40 g/kg)。

注：不同大寫字母代表各植被類型不同土層之間差異性顯著。

注：不同大寫字母代表不同植被類型各土層之間SOC含量差異性顯著；不同小寫字母代表不同植被類型各土層之間SIC含量差異性顯著。

2.4.2 土壤無機(jī)碳 由圖5可知，喬木樣地團(tuán)聚體平均SIC含量最高(1.80 g/kg)，其次是草地(0.88 g/kg)和灌木樣地(0.73 g/kg)。粗砂粒0—30 cm土層平均SIC含量最大值出現(xiàn)在喬木樣地(1.37 g/kg)其次是灌木樣地(0.72 g/kg)、流沙地(0.69 g/kg)和草地(0.65 g/kg)，其中喬木樣地和灌木樣地平均SIC含量分別是流沙地的1.99倍和1.05倍。細(xì)砂粒平均SIC含量均高于流沙地，其中喬木樣地含量最高(1.20 g/kg)，其次是草地(0.63 g/kg)和灌木樣地(0.52 g/kg)，分別是流沙地的3.45倍、1.80倍和1.49倍。粉黏粒平均SIC含量最大值出現(xiàn)在草地(3.08 g/kg)其次是喬木樣地(2.83 g/kg)、灌木樣地(1.77 g/kg)和流沙地(0.87 g/kg)，分別是流沙地的3.56倍、3.27倍和2.05倍。

注：不同大寫字母代表各植被類型之間有機(jī)碳密度差異性顯著；不同小寫字母代表各植被類型之間無機(jī)碳密度差異性顯著。

注：不同大寫字母代表各植被類型不同土層之間SOC含量差異性顯著。

注：不同小寫字母代表各植被類型不同土層之間SIC含量差異性顯著。

3 討 論

3.1 土壤理化性質(zhì)與土壤顆粒組成的相關(guān)關(guān)系

團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳含量密切相關(guān)(表2)。不同恢復(fù)模式對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和SOC含量的影響具有一定的差異[23]。各樣地土壤團(tuán)聚體含量與SOC含量之間的相關(guān)關(guān)系說明植被類型的改變對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成影響不大，這與李秋嘉等[24]的研究結(jié)果不一致，可能跟恢復(fù)時(shí)間較短有關(guān)。灌木樣地中，粉黏粒含量與有機(jī)碳含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，而草地和喬木樣地兩者相關(guān)性不明顯。相關(guān)研究表明細(xì)顆粒含量與SOC含量存在顯著相關(guān)性[25]，也有研究表明兩者之間并無嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系[26]。Callesen等[27]認(rèn)為粉黏粒含量是影響有機(jī)碳含量的關(guān)鍵因素，它通過吸附有機(jī)碳從而形成穩(wěn)定的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合體，能夠抵抗微生物的分解并減小礦化風(fēng)險(xiǎn)，因而具有較強(qiáng)的固碳能力，這也是粉黏粒組分在土壤中含量較少但是含碳量卻較高的原因。各樣地粗沙粒含量與有機(jī)碳含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明粒徑大的土壤顆粒不利于有機(jī)碳的累積。

與流沙地相比，各粒級(jí)SIC含量也表現(xiàn)出一定的差異。喬木樣地SIC含量增幅較大，而其他樣地之間差異不明顯，這可能與有機(jī)碳的含量有關(guān)[7]，因?yàn)镾OC的分解是SIC的主要成因之一[28]。各樣地各粒級(jí)含量與無機(jī)碳含量的相關(guān)關(guān)系說明植被恢復(fù)過程中，團(tuán)聚體含量與SIC含量關(guān)系密切。此外，各粒級(jí)組分含量與pH值之間相關(guān)性均在團(tuán)聚體組分達(dá)到顯著水平，魏彬萌等[29]的研究也指出土壤pH與團(tuán)聚體之間存在一定關(guān)系。團(tuán)聚體組分只在喬木樣地與電導(dǎo)率的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平，其他樣地各組分與電導(dǎo)率之間相關(guān)性均不顯著。即pH和電導(dǎo)率均不是影響土壤各粒級(jí)組分含量的主要因素。

表2 土壤各粒級(jí)含量與SOC，SIC及pH和EC的相關(guān)性

3.2 植被恢復(fù)對(duì)土壤固碳的影響

固沙植物可以通過增加地面粗糙度來降低風(fēng)蝕作用，同時(shí)更有利于大氣降塵的截留。而且隨著植被的恢復(fù)，枯落物不斷累積，植物根系分泌物增加，土壤微生物活動(dòng)逐漸活躍，有機(jī)物積累和礦化分解過程加快，土壤性質(zhì)逐漸發(fā)生改變，從而導(dǎo)致土壤各粒級(jí)的含量發(fā)生改變[30]。各樣地粉黏粒含量與流沙地相比均有所增加，砂粒含量均有所減少，土壤質(zhì)地隨著植被恢復(fù)呈逐漸細(xì)化的趨勢，且在垂直方向上表層質(zhì)地比下層質(zhì)地更細(xì)，這與熱依拉等[30]、李少華等[31]的研究結(jié)果一致。研究區(qū)喬木林郁閉度較高，林下下生物量較少，土壤母質(zhì)的風(fēng)化作用較弱，而草地的地表、地下生物量較大，更加有利于土壤母質(zhì)的風(fēng)化，且草本植物捕獲的大氣降塵能隨著枯落物直接進(jìn)入土壤中[1]。所以，相同恢復(fù)年限的草地團(tuán)聚體含量及其有機(jī)碳含量比喬木林地高，更有利于風(fēng)沙土的改良，這與華瑞等[32]的觀點(diǎn)相一致。

SOC在各樣地均出現(xiàn)明顯的表聚效應(yīng)，喬木樣地SOC含量的增幅比灌木樣地和草地更大。相對(duì)于喬木，土壤微生物更容易分解利用灌木和草本植物的枯落物，而枯落物是SOC的主要來源[14]，所以喬木樣地SOC含量較高。各樣地SIC均無明顯的表聚現(xiàn)象，可能是疏松的表層結(jié)構(gòu)有利于無機(jī)碳向下層淋溶遷移所致[7]。各樣地SIC含量具有一定差異，說明SIC含量受植被類型的影響較大。

SOC和SIC含量的一致變化趨勢說明兩者的累積速率和相互轉(zhuǎn)化關(guān)系較為密切[27]。以往研究中，干旱半干旱地區(qū)SICD遠(yuǎn)大于SOCD[33]。而灌木樣地的SICD小于SOCD，可能與恢復(fù)時(shí)間有關(guān)。土壤碳酸鹽的轉(zhuǎn)化周期較長，累積過程較為緩慢，而研究區(qū)各樣地恢復(fù)時(shí)間較短，從而導(dǎo)致SICD低于SOCD[22]。

3.3 各粒級(jí)土壤有機(jī)碳與無機(jī)碳對(duì)總碳的貢獻(xiàn)率

相關(guān)分析表明：團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與總有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，粉黏粒有機(jī)碳對(duì)總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率最為顯著。說明SOC含量主要受到團(tuán)聚體和粉黏粒組分的影響。因?yàn)閳F(tuán)聚體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)能夠有效保護(hù)有機(jī)碳不被分解和礦化，粉黏粒的吸附作用也有利于有機(jī)碳的累積。

各粒級(jí)SIC含量與總SIC含量之間無顯著相關(guān)關(guān)系，且各粒級(jí)無機(jī)碳對(duì)總無機(jī)碳的貢獻(xiàn)率均不顯著。

4 結(jié) 論

植被恢復(fù)后毛烏素沙地土壤質(zhì)地呈逐漸細(xì)化的趨勢,而各樣地粗砂粒和細(xì)砂粒組分總體上呈減少的趨勢。其中草地對(duì)于團(tuán)聚體的形成影響最大，且各樣地團(tuán)聚體主要分布于0—10 cm土層；粉黏粒含量在喬木樣地增加最為明顯。

植被恢復(fù)后，土壤總有機(jī)碳和總無機(jī)碳含量均顯著增加，最高值均出現(xiàn)在喬木樣地，且植被類型對(duì)SOC的影響比SIC更為明顯。此外，喬木更有利于SOC和SIC 的積累。各樣地SOC均表現(xiàn)出明顯的表聚效應(yīng)，SIC含量在各植被類型之間具有一定差異。

土壤各粒級(jí)含碳量隨著植被的恢復(fù)均有所增加，其中細(xì)砂粒SOC含量的增幅明顯高于粗砂粒和粉黏粒；粉黏粒SIC含量的增幅明顯高于細(xì)砂粒和粗砂粒。SOC含量主要受團(tuán)聚體和粉黏粒組分影響，各組分對(duì)SIC含量的影響不大。喬木有利于粗砂粒和細(xì)砂粒有機(jī)碳的累積，灌木更有利于粉黏粒和團(tuán)聚體有機(jī)碳的累積?？傊?，從土壤固碳的角度出發(fā)，毛烏素沙地植被恢復(fù)應(yīng)以喬木為主。