遼西北半干旱區(qū)不同林型土壤團聚體與有機碳的關系

吳雪里慧，魏亞偉，馬瀾桐，李自豪，周永斌

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學 林學院，沈陽110161；2.遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，遼寧 昌圖112500）

土壤中所蘊含的有機碳儲量占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的2/3， 是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分。同時，陸地碳庫主要由森林土壤有機碳組成，而森林土壤有機碳的含量變化受不同的森林經(jīng)營方式、人為干擾等影響較大，造成這一現(xiàn)象的主要原因之一是因為在不同的環(huán)境條件下構成土壤有機碳的不同組分有不同的分解響應[1-3]。 土壤碳的存在形式有很多種，而土壤有機碳作為土壤碳最為重要的組成部分，它對土壤的各種生理特征轉(zhuǎn)換起著關鍵的作用[4]。土壤肥力受土壤氮素的影響巨大，其中植物對有氮素的需求量是非常大的，而且作物中所積累的氮素中有50%～80%來自土壤[5]，即使人為追加氮肥，土壤氮素的供應能力也是由土壤中氮的含量、形態(tài)、空間分布來決定。當土壤中氮素缺乏會通過抑制自然生態(tài)系統(tǒng)中作物的生長來影響植物的分布。作為土壤結(jié)構的基本單元，穩(wěn)定的土壤團聚體對種子發(fā)芽、根系發(fā)育和作物生長起著關鍵影響，能夠降低土壤受侵蝕的風險且避免有機碳庫受到礦化分解，對土壤有機碳保護起至關重要的作用[6-8]。土壤團聚體可以使土壤結(jié)構穩(wěn)定，防止水土流失，并提高土壤的肥力[9]，以此對土壤起著重要的作用。

本研究以遼西北半干旱區(qū)3 種不同人工純林為研究對象，對不同林型不同土壤深度下土壤有機碳、土壤全氮、土壤團聚體粒級、土壤團聚體有機碳、土壤團聚體全氮進行研究比較，明確不同林型不同深度下這些指標的分布特征及其它們之間的關系，以期為提高該地區(qū)森林土壤的固碳能力和合理的森林經(jīng)營提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國科爾沁沙地東南邊緣，遼寧省鐵嶺市昌圖縣付家林場（123°55′680″～123°37′112″E，43°21′143″～42°53′623″N）隸屬遼寧、內(nèi)蒙古、吉林3 省交界，位于東、西遼河的交匯處，為松嫩遼平原草原草甸散生林區(qū)。 研究區(qū)為大陸性季風氣候，冬季漫長寒冷，夏季高溫少雨，春季干燥風強。 該地區(qū)土壤偏酸性，多為風沙土。表1 為付家林場內(nèi)3 種不同人工純林的基本特征。

表1 3 種不同林型基本特征Table 1 Basic characteristics of three different forest types

1.2 樣方設置及樣品采集

2017 年10 月于該地區(qū)分別選取樟子松純林、 楊樹純林以及油松純林均設置面積為30m×30m 的樣方地，樣地詳情見表1。 每個樣地均設3 次重復，重復樣地要分布均勻，并具有相似的立地條件。 在各個樣地內(nèi)設置8個采樣點，首先將土壤表層的枯落物和腐殖質(zhì)去除，再按0～10，10～20，20～30，30～40，40～50cm 共5 個不同土層分層取樣，并將8 個取樣點中取得的各土壤按土層分開，同一土層的土壤均勻混合在一起之后再將殘留的植物細根和枯落物去掉。利用四分法分離土樣，土樣于陰涼處自然風干并過8mm 孔徑土壤篩后保存，用于各種指標的測定。 此外，取表層土壤的原狀土，進行土壤團聚體的測定；風干后采用Retsch 篩分儀（AS 200）進行測定，得到＞2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，0.25～0.053，＜0.053mm 這6 個粒徑組分[11]；得到的不同級別的團聚體用于測定團聚體組分的有機碳含量以及全氮含量。

1.3 方法

土壤有機碳、全氮的測定是通過元素分析儀（Elementar vario MACRO cube，CHN Elemental Analyzer，德國Elementar）進行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用Excel 2013 和Origin 8.5 處理并分析作圖，采用SPSS 17.0 軟件對各林型團聚體及碳氮含量數(shù)據(jù)進行單因素方差（one-way ANOVA）分析和相關性分析，顯著水平設為0.05[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 團聚體及其有機碳和全氮特征

在3 種林型中，0.053～0.25mm 粒級團聚體占全土百分率均為最大，為43.68%～63.18%（表2）。 在樟子松純林中，＞2mm 粒級團聚體所占百分率略低于0.053～0.25mm 粒級，而其他4 個粒級團聚體的含量較低，順序依次為＜0.053mm＞0.25～0.5mm＞0.5～1mm＞1～2mm；在楊樹純林中，其他5 個粒級團聚體含量與0.053～0.25mm 粒級有較大差距，這5 個粒級中團聚體百分含量最高的是＞2mm 粒級，含量最低的是1～2mm 粒級；在油松純林中，其他5 個粒級中團聚體百分含量最高的是＜0.053mm 粒級，含量最低的是1～2mm 粒級；在0.053～0.25mm 粒級中，楊樹純林和油松純林的百分率基本持平，并且要明顯高于樟子松純林；在＞2mm 粒級中，樟子松純林要明顯高于楊樹純林與油松純林，而楊樹純林與油松純林幾乎持平。 而在其他4 個粒級中，3 種林型的團聚體分布基本保持一致。

表2 不同林型各粒級團聚體含量Table 2 Basic characteristics of the fractional content of aggregates in different forest types

3 種林型土壤各粒級團聚體中有機碳含量的變化規(guī)律基本一致（圖1）。土壤團聚體中有機碳含量最高的粒級為0.5～1mm，含量為10.24～20.15g·kg-1；含量最低的粒級為0.25～0.053mm，含量為4.35～5.87g·kg-1；在不同林型中，各粒級團聚體有機碳含量的差異不同，如油松純林在＞2，1～2，0.5～1mm 3 個較大粒級團聚體有機碳的含量均顯著高于其他兩種林型（p＜0.05）。同一粒級不同林型間的土壤團聚體有機碳含量也不同，其中在有機碳含量最高的粒級0.5～1mm 中由高到低表現(xiàn)為油松純林＞楊樹純林＞樟子松純林； 在有機碳含量最低的粒級0.25～0.053mm 中由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞油松純林＞楊樹純林。

3 種林型土壤各粒級團聚體中全氮含量與各粒級團聚體有機碳含量變化規(guī)律相似（圖1B），土壤團聚體全氮含量最高的粒級為0.5～1mm，含量為0.86～1.48g·kg-1；全氮含量最低的粒級為0.25～0.053mm，含量為0.45～0.55g·kg-1；林型不同，土壤團聚體各粒級間的全氮含量也不同，如油松純林在＞2mm 和1～2mm 兩個粒級中的全氮含量要顯著高于其他粒級（p＜0.05）。同粒級不同林型間土壤團聚體全氮含量也有所不同，在0.5～1mm 粒級中全氮含量由高到低表現(xiàn)為油松純林＞楊樹純林＞樟子松純林； 在0.25～0.053mm 粒級中全氮含量由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞油松純林＞楊樹純林。

圖1 不同林型土壤團聚體有機碳和全氮特征Figure 1 Characteristics of organic carbon and total nitrogen in aggregates

2.2 3 種林型土壤中土壤有機碳以及全氮含量特征

3 種林型中，樟子松純林和楊樹純林中的有機碳含量隨著土層深度的增加而逐漸減小，范圍分別為4.53～8.05g·kg-1和3.66～6.77g·kg-1（圖2）。 油松純林中，表層土壤（0～10cm）中的有機碳含量較低于上層土壤（10～20cm），從上層土壤到中層土壤（20～30cm 和30～40cm）中的有機碳含量也隨著土壤深度的增加而減少，但下層土壤（40～50cm）中的有機碳含量要高于其他土層。 而在相同土層不同林型間作比較，有機碳含量的變化并無明顯規(guī)律；在0～10cm 的表層土壤中，有機碳的含量由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞楊樹純林＞油松純林；而在40～50cm 的下層土壤中，有機碳的含量由高到低表現(xiàn)為油松純林＞樟子松純林＞楊樹純林，其中樟子松純林的有機碳含量要顯著高于其他兩個林型（p＜0.05）。

由圖2 可知，在3 種不同林型中，土壤中全氮含量變化與土壤中有機碳含量變化基本保持一致；樟子松純林與楊樹純林中的全氮含量都隨著土層深度的增加而逐漸減小，范圍分別為0.60～0.89g·kg-1和0.51～0.89g·kg-1；在油松純林中，表層土壤中的全氮含量要略低于上層土壤，從上層土壤到中層土壤，土壤中全氮的含量隨著土層深度的增加而逐漸減小，而下層土壤中的全氮含量要高于其他土層，但并未達到顯著差異（p＞0.05）。在土層相同的情況下，各林型全氮含量的變化也各不相同；如在0～10cm 的表層土壤中，樟子松純林與楊樹純林的全氮含量相差無幾，均略高于油松純林；而在40～50cm 的下層土壤中，油松純林的全氮含量均顯著高于其他兩個林型（p＜0.05）。

2.3 3 種林型土壤各粒級團聚體土壤有機碳和全氮以及各土層中有機碳和全氮的關系

圖3A，圖3B，圖3C 分別代表樟子松、楊樹和油松的團聚體有機碳和團聚體全氮的相關性，而圖3D，圖3E，圖3F 分別代表樟子松、楊樹和油松的有機碳和全氮的相關性。 從中可以看出，只有樟子松團聚體有機碳和全氮含量呈顯著相關，而樟子松的有機碳和全氮、楊樹的有機碳和全氮及其團聚體的有機碳和全氮、油松的有機碳和全氮及其團聚體的有機碳和全氮之間都呈極顯著相關。

圖2 3 種林型土壤有機碳及全氮含量特征Figure 2 Characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in three forest types

圖3 3 種林型團聚體有機碳、全氮及各土層有機碳和全氮之間的關系Figure 3 Correlation between organic carbon and nitrogen of soil aggregates and soil different layers in three forest types

由表3 可知，＞2mm 粒級團聚體中的有機碳含量與＜0.053mm 團聚體百分含量表現(xiàn)出顯著的正相關性。 1～2mm 粒級團聚體中全氮的含量與0.25～0.5mm 粒級團聚體的百分含量表現(xiàn)出極顯著的負相關性。 0.5～1mm 粒級團聚體中的全氮含量與0.25～0.5mm 粒級團聚體的百分含量呈顯著的負相關性。 從整體上來看，同一粒級團聚體中有機碳和全氮的含量與各粒級團聚體的百分含量的相關性基本一致。 表層土壤有機碳和全氮與＞2，1～2，0.5～1，0.25～0.5mm 4 個粒級團聚體百分含量都呈正相關，其中表層土壤有機碳與0.5～1mm 粒級的百分含量呈極顯著的正相關； 而表層土壤有機碳和全氮與0.25～0.053mm 和＜0.053mm 兩個粒級團聚體的百分含量呈負相關，但都不顯著。

表3 土壤團聚體有機碳、全氮與不同粒級團聚體含量的相關性分析Table 3 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate content in surface soil and aggregate-size soil

由表4 可知，表層土壤全氮含量與＞2mm 粒級團聚體中的全氮含量呈顯著的負相關，相關系數(shù)為-0.999；表層土壤全氮含量與1～2mm 粒級團聚體中的有機碳含量呈極顯著的負相關，相關系數(shù)為-1.000；表層土壤全氮含量與0.5～1mm 粒級團聚體中的有機碳含量呈顯著的負相關，相關系數(shù)為-1.000。3 個較小粒級團聚體中的有機碳、全氮含量與表層土壤有機碳和全氮含量均表現(xiàn)為相關性不顯著。

3 討論與結(jié)論

本研究中遼西北半干旱地區(qū)3 種林型的表層土壤有機碳含量受0.5～1mm 團聚體百分含量的影響較大，與0.5～1mm 粒級的團聚體百分含量具有顯著的正相關性；而表層土壤全氮含量受0.25～0.5mm 團聚體百分含量的影響較大，與0.25～0.5mm 粒級的團聚體百分含量具有顯著的負相關性；表層土壤全氮的含量與土壤團聚體有機碳、全氮含量呈極顯著負相關。 關于土壤團聚體的百分含量與土壤有機碳、全氮的相關性一直以來都沒有統(tǒng)一的定論，GOLCHIN 等[13]的研究指出較大的團聚體粒級與有機碳之間呈顯著的正相關性。但是GALE 等[14]研究結(jié)果指出有機碳含量與微團聚體間同樣也具備相關性。 袁穎紅等[15]研究卻表明，0.2～0.002mm 粒級的團聚體含量與有機碳的之間具有顯著的正相關性， 而有機碳含量與＜0.002mm 粒級的微團聚體間卻呈顯著的負相關性。遼西北半干旱區(qū)3 種沙地人工林土壤團聚體特征十分明顯， 均以＜0.25mm 的微團聚體為主， 并且在微團聚體中，均以0.053～0.25mm 粒級的團聚體為主。這與國內(nèi)較多研究結(jié)論一致，土壤團聚體中的微團聚體含量大于較大的團聚體。 如黃山丘陵區(qū)森林和草原植被區(qū)、 甘肅景電灌區(qū)以及瑪河流域干旱區(qū)典型鹽生植物群落的土壤團聚體都是主要以＜0.25mm 粒級為主[16-18]。遼西北半干旱區(qū)3 種林型土壤團聚體以0.053～0.25mm 粒級為主，可能是由于該地雖土壤滲透性好，但是結(jié)構性和孔隙性大，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境又以干旱、少雨和多風為主，因此導致土壤沙化嚴重。

3 種林型土壤中各粒級中有機碳和全氮分布規(guī)律可知， 無論是有機碳的含量還是全氮的含量，＞0.5mm 的大團聚體中都要明顯高于＜0.5mm 的微團聚體， 與已有研究結(jié)果相似[19-20]。 這是因為大粒級團聚體相較于較小粒級的團聚體，能固存更多的有機碳，固碳的能力更強[21]。對于不同粒級的團聚體來說， 其有機碳含量也大有不同； 在3 種林型中，0.5～1mm 粒級中的有機碳含量皆為最高，這與郭劍芬等[22]在太湖地區(qū)黃泥土耕層研究的土壤有機碳在0.5～1mm 粒級團聚體中含量最高的研究結(jié)論相同。 吳銘等[23]研究表明微團聚體中粒級越低，有機碳的含量越高，以及任雅閣等[24]對典型農(nóng)耕區(qū)棕壤的研究也發(fā)現(xiàn)了團聚體粒級影響著有機碳的分布，有機碳的含量隨著粒級的減小而升高，這些結(jié)果又與前文所提到的大團聚體中有機碳含量高于微團聚體中的有機碳含量這一結(jié)果相反。 宋國菡[25-26]研究指出，在2～0.2mm 和＜0.002mm 兩個粒級中有機碳含量最高，而其他粒級的土壤團聚體中有機碳的含量相差無幾。 因此，關于這一部分的研究目前仍沒有統(tǒng)一的定論，這可能由于不同粒級團聚體在不同的生態(tài)環(huán)境中都存在一定的差異性，有機物的來源不同也可能是造成這一差異的原因，但目前關于這方面的研究仍需進一步加強。

土壤有機碳是植物生長的必需品，它能提供各種營養(yǎng)元素， 這對維持土壤的物理結(jié)構能夠起到關鍵的作用， 同時有機碳的形成和發(fā)育也會受到植被類型的影響，這對土壤微生物環(huán)境、微生物群落的組成和根系的分布都會產(chǎn)生深遠的影響，因此會在不同的土壤深度上形成不同的分布特征。土壤中有機碳與全氮含量的變化特征對于評估土壤肥力與質(zhì)量具有重要意義[27]。 在本研究中，樟子松純林和楊樹純林都是隨著土層深度的增加，土壤有機碳和全氮的含量都在逐漸降低。 而在油松純林中，40～50cm 土層中的有機碳和全氮含量則相對最高。 宋國菡[25]早年在對科爾沁沙地幾種典型的林分中的研究結(jié)果與這一結(jié)論大不相同，其研究結(jié)果為油松純林在表層土壤有機碳的含量最高，要遠遠大于其他土層，其解釋為可能受到了油松根系的不均勻分布以及當?shù)貧夂虻挠绊?；萬子俊等[28]的研究結(jié)果表明，油松在垂直剖面上隨著土層深度的增加，有機碳的含量在逐漸減少。 而本研究中結(jié)果與他們不同，可能是因為遼西地區(qū)天氣較多為風沙天，而年降雨少但蒸發(fā)量卻較大，導致凋落物經(jīng)常散落到其他的生態(tài)系統(tǒng)，也會出現(xiàn)分解不完全的情況，造成土壤有機碳的獲取只能通過植物根系。 此外，由于遼西地區(qū)是沙土，土壤間存在間隙，滲透較好，油松根系的分布又較深，從而造成了土壤深層有機碳含量的積累。

本研究發(fā)現(xiàn)各林型各土層間有機碳與全氮含量之間都是極顯著的正相關，而且3 種林型各粒級團聚體中有機碳和全氮含量也均表現(xiàn)出極顯著的正相關性。 有機碳和全氮之間的相關性具極顯著的相關性，這在馬玉紅等[29]在黃土丘陵流域土壤和王凱等[30]對江西北地區(qū)油松林土壤的研究中也得到了證實，它們的研究結(jié)果均表明土壤有機碳和全氮之間呈顯著的正相關性。 綜上，遼西北半干旱區(qū)人工林表層土壤有機碳和全氮以樟子松和楊樹人工林較高，且土壤有機碳和全氮主要集中在＜0.053mm、0.5～1mm 和1～2mm 粒級團聚體中；土壤大粒級團聚體（＞2mm）以樟子松人工林高于楊樹人工林和油松人工林為主；相關分析表明，土壤團聚體有機碳、全氮和各層土壤有機碳和全氮均呈現(xiàn)顯著的正相關性，這為該地區(qū)人工林的科學管理提供了科學參考。

表4 表層土壤有機碳、全氮與各粒級團聚體有機碳、全氮的相關性分析Table 4 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate organic carbon and total nitrogen in surface soil