寒溫帶4種森林類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳氮特征

朱家琪，滿秀玲，王 飛

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元，對協(xié)調(diào)土壤的水、肥、氣、熱具有重要作用[1]。土壤團(tuán)聚體的數(shù)量及分配與土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系密不可分，有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用可以增加土壤顆粒的團(tuán)聚潛力[2]，同時土壤團(tuán)聚體也為有機(jī)碳和全氮提供了保護(hù)場所，有利于土壤碳氮的穩(wěn)定和累積[3]，且大團(tuán)聚體比微團(tuán)聚體含有更多初期不穩(wěn)定的新生成有機(jī)物質(zhì)[4]。土壤團(tuán)聚體的形成轉(zhuǎn)化與土壤碳氮循環(huán)過程密不可分。近年來，對土壤團(tuán)聚體固碳與固氮機(jī)制的研究多集中在不同土地利用方式或耕作與施肥等方面[5-6]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳、氮庫，其團(tuán)聚體固碳、固氮作用對于全球碳氮循環(huán)起著至關(guān)重要的作用[7]。李秋嘉等[8]研究了寧南山區(qū)不同植被恢復(fù)下土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮分布，發(fā)現(xiàn)植被恢復(fù)能夠提高各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的含量；王小紅等[9]研究發(fā)現(xiàn)，格氏栲(Castanopsiskawakamii)天然林轉(zhuǎn)化為人工林后，土壤大團(tuán)聚體數(shù)量減少，且團(tuán)聚體有機(jī)碳含量顯著下降。森林類型與土層深度也是影響團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮分布的重要因素，不同森林類型凋落物與根系分布狀況各異，溫濕度等物理因素也存在差異，進(jìn)而會對土壤團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳、氮產(chǎn)生影響[10]。以往對森林土壤團(tuán)聚體碳氮的研究多集中在植被恢復(fù)、人工林轉(zhuǎn)化對土壤團(tuán)聚體碳氮的影響上，對不同森林類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮的研究甚少，即使有也關(guān)注于在亞熱帶和溫帶地區(qū)[11-13]，對我國寒溫帶地區(qū)森林土壤團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳、氮的研究卻鮮有報道。

大興安嶺地區(qū)是我國唯一的寒溫帶地區(qū)，森林資源豐富，但土層較薄且存在多年凍土，對于土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分循環(huán)具有重要的影響。筆者選擇興安落葉松(Larixgmelinii)天然林、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)天然林、白樺(Betulaplatyphylla)和山楊(Populusdavidiana)次生林，通過生長季野外觀測，對4種森林類型不同土層的團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳氮特征進(jìn)行研究，探討該地區(qū)土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)組成和有機(jī)碳氮的含量與分布規(guī)律，分析不同粒徑團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳氮的保護(hù)固存作用，為深入研究我國寒溫帶地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)與碳氮循環(huán)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及樣地設(shè)置

研究區(qū)設(shè)于黑龍江漠河森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站(122°06′～122°27′E，53°17′～53°30′N)，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有明顯的山地氣候特征，冬季漫長而寒冷干燥，夏季短暫而溫暖潮濕，四季分明。年均降水量350～500 mm，多集中在7—8月，年均氣溫-4.9 ℃。全年平均無霜期80～90 d。地帶性土壤為棕色針葉林土，另外局部地區(qū)還有草甸土、沼澤土等分布，并有永凍層存在。森林植被系歐亞大陸寒溫帶明亮針葉林，以興安落葉松為優(yōu)勢建群種，此外還有樟子松林、白樺林、山楊林等森林類型，覆蓋率達(dá)70%以上[14]。在前期踏查基礎(chǔ)上，選擇本區(qū)具有代表性的4種森林類型，即興安落葉松林、樟子松林、山楊林和白樺林為對象，所選森林分布在生態(tài)站附近，距離生態(tài)站均不超過12 km。在每種林型中選擇典型地段布設(shè)3塊20 m×30 m的樣地，樣地基本情況見表1。

表1 4種林型基本情況Table 1 The basic situation of four forest types

1.2 研究方法

于2018年5—10月每月初取樣1次，在每一樣地內(nèi)按照“S”形設(shè)置3個采樣點(diǎn)，利用土刀分別采集0～5 cm、≥5～10 cm、≥10～20 cm共3個土層的土壤樣品，約5 kg帶回實(shí)驗室。將土壤中肉眼可見的石頭和植物殘體剔除，室溫風(fēng)干后，采用濕篩法篩分出<0.053 mm、≥0.053～0.250 mm、≥0.250～0.500 mm、≥0.500～1.000 mm和>1.000 mm共5個粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。7—10月在興安落葉松林地未篩出>1.000 mm土壤團(tuán)聚體。在取土的同時，用環(huán)刀法采集原狀土樣以測定土壤容重與孔隙度。

土壤團(tuán)聚體的測定方法：利用土壤團(tuán)聚體分析儀(TTF-100，浙江省紹興市上虞分析儀器廠)，稱取50 g風(fēng)干土樣，置于孔徑1.000 mm篩子上，使用蒸餾水浸潤5 min，以90次/min的頻率振蕩10 min，收集各篩上的團(tuán)聚體于鋁盒中，粒徑<0.053 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體則需要在桶內(nèi)靜置沉淀72 h，隨后棄去上清液，將團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移至鋁盒內(nèi)，在60 ℃下烘干后稱質(zhì)量，計算水穩(wěn)性團(tuán)聚體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。土壤有機(jī)碳含量通過元素分析儀(Vario-TOC，德國Elementar公司)測定。土壤全氮含量通過連續(xù)流動分析儀(AA3，德國SEAL公司)測定得出。參見文獻(xiàn)[15]的方法，各粒徑團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳、全氮的貢獻(xiàn)率=(該粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量×該粒徑團(tuán)聚體含量/土壤總有機(jī)碳、全氮含量)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 20.0進(jìn)行多因素方差分析，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系，采用Excel和SigmaPlot 12.5軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林類型土壤團(tuán)聚體組成特征

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，大團(tuán)聚體(粒徑≥0.250 mm)對于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及養(yǎng)分的固存能夠產(chǎn)生重要的影響(表2)。由表2可知，山楊林和白樺林的土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于興安落葉松林和樟子松林，4種森林類型土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨土層加深而減少。在0～5 cm土層4種森林類型以大團(tuán)聚體占絕對優(yōu)勢，占團(tuán)聚體總量的60%以上，隨土層加深，大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在降低，在≥5～10 cm土層，興安落葉松林以微團(tuán)聚體為主，樟子松林、山楊林和白樺林土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍達(dá)到57%以上；≥10～20 cm土層4種森林類型以粒徑<0.250 mm的微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，占團(tuán)聚體總量的41%以上，其中興安落葉松林7—10月未發(fā)現(xiàn)粒徑 >1.000 mm團(tuán)聚體，后續(xù)結(jié)構(gòu)未呈現(xiàn)。

表2 4種森林類型各粒徑土壤團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Concentration of different partical sizes soil aggregate under four forest types

表2(續(xù))

研究發(fā)現(xiàn)，在0～5 cm土層興安落葉松林以粒徑≥0.500 mm以上團(tuán)聚體占絕對優(yōu)勢，在8月出現(xiàn)最高值(84.48%)；樟子松林大團(tuán)聚體占團(tuán)聚體總量的71%以上，其中粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體在5—9月差異不顯著；山楊林粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體含量顯著高于其他粒徑，以6—8月質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；白樺林粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體且呈波動式上升趨勢至生長季中期，在8月出現(xiàn)最高值(89.24%)后下降。在≥5～10 cm土層，興安落葉松林大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈波動式變化趨勢，以5和8月質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高分別為56.12%和49.63%；樟子松林大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)與微團(tuán)聚體差異較小，在8月出現(xiàn)最高值(70.80%)；山楊林和白樺林粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍然較高，在生長季中期達(dá)到最高值。在≥10～20 cm土層，興安落葉松林微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈波動上升趨勢，生長季中后期質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高；樟子松林微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)以6—9月質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，在63.28%～79.71%波動；山楊林和白樺林≥0.053～0.250 mm粒徑團(tuán)聚體6—10月質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且高于其他粒徑團(tuán)聚體，介于36.97%～53.69%和35.43%～40.54%。

總體而言，興安落葉松林0～5 cm土層和其他3種森林類型0～10 cm土層以大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，且大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)在生長季中期高于生長季初期和末期，隨著土層的加深含量遞減，微團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升。山楊林和白樺林的土壤大團(tuán)聚體質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對興安落葉松林和樟子松林的較高(df=1，F(xiàn)=17.628，P<0.05)。

2.2 不同森林類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量特征

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖1)，4種森林類型各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為0～5 cm土層最高，隨著土層的加深而減小。隨月份變化，4種森林類型團(tuán)聚體有機(jī)碳呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，興安落葉松林大致呈現(xiàn)波動上升趨勢；樟子松林以生長季前期團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，在生長季末10月再次出現(xiàn)增長；山楊林0～5 cm土層5、10月時含量較高，≥5～20 cm土層降低至7月最低值后上升；白樺林6月含量低于其他月份，生長季末期含量較高。

不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量不同，4種森林類型均大致表現(xiàn)為隨粒徑的減小，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量降低，以粒徑>1.000 mm或≥0.500～1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高。興安落葉松林除0～5 cm土層在5月以粒徑≥0.053～0.250 mm有機(jī)碳含量最高(47.57 g/kg)外，其他土層在生長季均以≥0.500 mm粒徑有機(jī)碳含量最高，在11.89～78.55 g/kg波動。樟子松林和山楊林整個土壤剖面均以粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，在11.90～72.40 g/kg間和20.51～82.75 g/kg間波動。白樺林0～5 cm土層在 6—10月以粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，在51.34～71.04 g/kg間波動；5月以粒徑≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高(63.68 g/kg)；在≥5～20 cm土層以粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量最高，在28.15～95.10 g/kg波動。

總體而言，4種林型以粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，隨粒徑的減小有機(jī)碳含量遞減，部分月份微團(tuán)聚體有機(jī)碳含量有所增加，山楊林和白樺林在生長季中后期有機(jī)碳含量相對較高，興安落葉松林呈波動式變化趨勢，樟子松林則以生長季前期含量較高，且針葉林的團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在10月出現(xiàn)顯著增加趨勢。4種林型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量從表層向下呈遞減趨勢，大致表現(xiàn)為隨粒徑減小含量降低，闊葉林的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于針葉林的(df=1，F(xiàn)=21.550，P<0.05)。

2.3 不同森林類型土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量特征

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖2)，4種林型土壤團(tuán)聚體全氮含量與團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即從表層向下遞減。隨月份變化，興安落葉松林0～5 cm土層各粒徑團(tuán)聚體全氮含量以生長季末期較高，≥5～20 cm土層呈波動式變化趨勢；樟子松林以生長季前期含量較高，在10月出現(xiàn)上升趨勢；山楊林以生長季中期7、8月含量較低；白樺林團(tuán)聚體全氮含量在6月下降后上升，在生長季后期持續(xù)降低。

圖2 4種林型各粒徑土壤團(tuán)聚體全氮含量Fig.2 Total nitrogen in different particle sizes aggregation composition under four forest types

4種森林類型不同粒徑大小團(tuán)聚體全氮含量的變化與有機(jī)碳含量變化規(guī)律相似，大致表現(xiàn)為隨粒徑的減小含量降低。興安落葉松林和樟子松林0～5 cm土層在6—10月分別以粒徑≥0.500～1.000 mm和≥0.500 mm團(tuán)聚體全氮含量最高，在2.39～3.27 g/kg間波動；5月以粒徑≥0.250～0.500 mm團(tuán)聚體全氮含量最高為2.38 g/kg和2.69 g/kg，2種針葉林≥5～20 cm土層整個生長季均以大團(tuán)聚體全氮含量較高，在0.77～2.19 g/kg間波動。山楊林0～5 cm土層5—9月粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體全氮含量最高，10月以粒徑≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體全氮含量最高(3.91 g/kg)；≥5～20 cm土層粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體全氮含量最高，在2.26～6.37 g/kg間波動。白樺林0～5 cm土層大致以粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮含量最高，在2.40～3.81 g/kg間波動；在≥5～10 cm和≥10～20 cm土層各粒徑團(tuán)聚體全氮含量以>1.000 mm和≥0.500 mm粒徑團(tuán)聚體最高，在0.87～2.46 g/kg間波動。

總體而言，闊葉林團(tuán)聚體全氮含量顯著高于針葉林(df=1，F(xiàn)=30.637，P<0.05)，且在生長季中后期相對較高，興安落葉松林呈波動式變化趨勢，樟子松林以生長季前期含量較高。4種林型團(tuán)聚體全氮含量隨粒徑的減小而降低，在≥5～10 cm和≥10～20 cm土層部分月份以粒徑<0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量高于上一粒徑團(tuán)聚體。

2.4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及全氮貢獻(xiàn)率

2.4.1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖3)，4種林型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即隨著土層的加深大團(tuán)聚體有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率逐漸降低，微團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率逐漸增加，闊葉林的大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率高于針葉林的。

圖3 4種林型各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate of soil organic carbon in different particle sizes aggregation under four forest types

由圖3看出，興安落葉松林0～5 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳對土壤有機(jī)碳的貢獻(xiàn)最大，最高達(dá)到81.09%，其次為粒徑≥0.500～1.000 mm團(tuán)聚體，貢獻(xiàn)率在12.86%以上，粒徑<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最低；≥5～10 cm土層粒徑<0.250 mm團(tuán)聚體的有機(jī)碳貢獻(xiàn)率上升，其中≥0.053～0.250 mm粒徑團(tuán)聚體的最高達(dá)到49.78%，粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率有所下降，在23.02%～66.40%間波動；≥10～20 cm土層粒徑≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著高于其他粒徑，達(dá)到57.83%以上。樟子松林0～10 cm土層以粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到66.36%以上；≥10～20 cm土層大團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著降低，粒徑<0.250 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，在37.13%～65.72%間波動。山楊林0～5 cm和≥5～10 cm土層以粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率較高，超過61.30%，粒徑<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最低，在2.01%～10.75%間波動，≥10～20 cm土層以粒徑≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，在20.07%～52.22%間波動。白樺林0～10 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著高于其他粒徑，最高達(dá)到76.81%，白樺林和山楊林≥10～20 cm土層粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳貢獻(xiàn)率顯著高于其他林型(df=1，F(xiàn)=5.396，P<0.05)。

2.4.2 土壤團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(圖4)，整個生長季土壤團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率與有機(jī)碳呈現(xiàn)相同的規(guī)律，隨土層的加深大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率降低。闊葉林的大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率高于針葉林的。

圖4 4種林型各粒徑土壤團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率Fig.4 Contribution rate of total nitrogen in different particle sizes aggregation under four forest types

由圖4看出，興安落葉松林0～5 cm土層，>1.000 mm粒徑團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最高，最高達(dá)到74.36%；≥5～10 cm土層粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率在24.22%～75.33%間波動；≥10～20 cm土層粒徑≥0.500～1.000 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最低至2.34%，粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較高，最高達(dá)到55.62%。樟子松林0～5 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率達(dá)到50.29%以上，<0.250 mm的各粒徑團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率較低，在0.78%～16.34%間波動；≥5～10 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率在24.41%～53.46%間波動，其他粒徑貢獻(xiàn)率較低在3.39%～33.14%間波動；≥10～20 cm土層粒徑<0.250 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率顯著增加，在37.13%～73.73%間波動。山楊林0～5 cm土層粒徑>1.000 mm全氮貢獻(xiàn)率顯著高于其他粒徑，達(dá)到61.68%以上，粒徑≥0.250～0.500 mm和≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率差異較小，在1.82%～11.18%間波動，粒徑<0.053 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最低，在0.37%～8.06%間波動；≥5～10 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最高，達(dá)到34.87%以上；≥10～20 cm土層粒徑≥0.053～0.250 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最高，最高達(dá)到51.80%。白樺林0～10 cm土層粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率最高，在35.91%～86.86%間波動；≥10～20 cm土層粒徑≥0.500～1.000 mm和<0.250 mm團(tuán)聚體全氮貢獻(xiàn)率均占較大份額，分別在7.79%～25.68%和10.41%～33.83%間波動。

2.5 不同參數(shù)對團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳、全氮含量的多因素方差分析

分析發(fā)現(xiàn)(表3)，森林類型和土層對于不同粒徑團(tuán)聚體含量和團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量均具有極顯著影響。月份對于粒徑≥0.500～1.000 mm團(tuán)聚體含量無明顯影響；對于粒徑<0.053 mm和>1.000 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量無顯著影響?？傮w而言，森林類型、土層和月份對于團(tuán)聚體組成和團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量的變化具有影響。

表3 森林類型、土層、月份對團(tuán)聚體組成及團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量的多因素方差分析Table 3 Multi-factor analysis of variance of forest type, soil layer, month on aggregate composition, organic carbon and nitrogen in aggregate

2.6 團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體含量相關(guān)性分析

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(表4)，4種林型土壤中粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例呈正相關(guān)，其中與粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.810以上；粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)平均為-0.752和-0.670。4種林分團(tuán)聚體全氮含量與相應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例的相關(guān)性與土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)相似的規(guī)律，粒徑>1.000 mm團(tuán)聚體全氮含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)超過0.74；粒徑<0.500 mm團(tuán)聚體全氮含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例呈負(fù)相關(guān)，其中粒徑≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm團(tuán)聚體全氮含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例均呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)平均為0.767和0.651。

表4 各林型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮全含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體比例的相關(guān)系數(shù)Table 4 Correlation between the content of soil organic carbon and total nitrogen in aggregates and aggregates with corresponding particle size

3 討 論

3.1 不同森林類型對土壤團(tuán)聚體組成的影響

土壤團(tuán)聚體狀況是土壤重要的物理特征，能夠影響土壤碳氮轉(zhuǎn)化，以及土壤的肥力狀況與抗侵蝕能力，土壤團(tuán)聚體組成受到溫濕度等物理性質(zhì)以及有機(jī)質(zhì)膠結(jié)作用等因素的影響[16]。多因素方差分析表明林型、土層和月份對團(tuán)聚體組成具有顯著影響。在本研究中，山楊林和白樺林大團(tuán)聚體含量高于興安落葉松林和樟子松林，可能是由于菌絲通過纏繞作用促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成，而針葉林凋落物中含有抑制細(xì)菌活動的物質(zhì)，使得針葉林土壤中缺少菌絲[17]，且山楊林和白樺林根系十分豐富[18-19]，能夠分泌黏性物質(zhì)，膠結(jié)土壤顆粒，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。本研究中7—9月生長季中期大團(tuán)聚體含量較高，可能是由于生長旺季植物根系生長旺盛，對養(yǎng)分的運(yùn)輸起到促進(jìn)作用，促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成。而且大興安嶺地區(qū)存在凍融現(xiàn)象，生長季初期和末期，土壤處于凍結(jié)狀態(tài)，冰晶的膨脹破壞了土粒間原有的聯(lián)結(jié)狀態(tài)，使大粒徑的團(tuán)聚體遭到破壞，成為小粒徑團(tuán)聚體[20]。而且溫度較低會降低微生物的活性，使得微生物活動相對停滯，對凋落物分解可以忽略不計，凋落物對土壤養(yǎng)分的補(bǔ)充降低，使得團(tuán)聚體的膠結(jié)物質(zhì)減少[21]。

3.2 不同森林類型對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的影響

土壤有機(jī)質(zhì)對團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性的維持具有重要作用[22]，而土壤中95%的全氮以有機(jī)態(tài)存在，有利于土壤有機(jī)-無機(jī)的膠結(jié)作用，促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成[6]。不同植被類型的凋落物，植物根系及微生物種類都存在差異，樹木種類的生物生態(tài)學(xué)屬性對土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳氮的分布有極大的貢獻(xiàn)，導(dǎo)致土壤碳氮含量產(chǎn)生差異。闊葉林枯落物生物量更多，且易于轉(zhuǎn)換分解，有利于有機(jī)碳的積累[23]，同時興安落葉松林土壤含水率較高，微生物不活躍，不利于有機(jī)質(zhì)的分解[24]。山楊林和白樺林根系豐富，而林木光合作用所固定的碳有35%～80%用于維持根系的生長與更新，細(xì)根經(jīng)過死亡周轉(zhuǎn)后，進(jìn)入土壤的有機(jī)質(zhì)是凋落物的數(shù)倍，是土壤有機(jī)碳的主要來源之一，根系活動同時也可以更多地聚集氮素，導(dǎo)致闊葉林土壤團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳和全氮含量增加[5,25]。本研究4種森林類型0～10 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對其他地區(qū)高，而≥10～20 cm土層卻略低[26-27]。由此可見，我國寒溫帶地區(qū)森林上層土壤有機(jī)碳含量較高，是我國森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的土壤碳庫，而下層土壤受到凍融作用的影響，大團(tuán)聚體破碎，因此團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳氮含量較低。

植被的凋落物與根系匯集在土壤上層，在上層積累了大量腐殖質(zhì)，并且為微生物的活動提供了能量，增加了上層土壤的生物活性，促進(jìn)植物根系與真菌的生長，有助于形成團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳[28-29]，而氮的含量與有機(jī)碳一致大多由枯枝落葉提供，且上層土壤中大團(tuán)聚體含量較高，與其結(jié)合的有機(jī)碳氮也較多，導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮隨土層加深遞減[7]。5月團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高，可能是因為非生長季凍融作用導(dǎo)致大量微生物體死亡，土壤中積累了較多的微生物殘體，5月天氣回暖，釋放出大量有機(jī)碳，而生長季后期是凋落物大量積累的時期，增加了土壤有機(jī)碳的輸入，使得團(tuán)聚體結(jié)合有機(jī)碳的含量增加[30]。生長季中期是植物生長的旺季，對氮素需求量較大，且天氣溫暖雨水充足促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)的礦化分解，因而使得4種林型的團(tuán)聚體全氮含量出現(xiàn)不同程度的下降。與濱海濕地研究相似[31]，生長季初期和末期溫度較低，植物生長緩慢，對氮素的吸收能力降低，導(dǎo)致團(tuán)聚體結(jié)合全氮含量上升[32]。

有機(jī)質(zhì)對于團(tuán)聚體的膠結(jié)作用具有重要的影響，使得4種林型的大團(tuán)聚體內(nèi)固存大量的有機(jī)碳[33]。本研究中粒徑≥0.500 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量與對應(yīng)粒徑團(tuán)聚體含量呈正相關(guān),說明粒徑>1.000 mm和≥0.500～1.000 mm團(tuán)聚體是有機(jī)碳和全氮的主要載體[6]。微團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量升高，可能是因為土壤中新輸入的有機(jī)碳和全氮一般會先與微團(tuán)聚體結(jié)合，隨后膠結(jié)為大團(tuán)聚體，使得微團(tuán)聚體中有機(jī)碳氮含量有所增加，而且微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳受到更強(qiáng)的物理保護(hù)[34]，且以穩(wěn)定的腐殖質(zhì)碳為主，不斷積累使其含量增高[35]。

3.3 不同森林類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮貢獻(xiàn)率的差異

4種林型團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的貢獻(xiàn)率與各粒徑團(tuán)聚體在各土層中所占比例相似，由此可見，團(tuán)聚體含量是團(tuán)聚體養(yǎng)分貢獻(xiàn)率變化的主導(dǎo)因素[36]，雖然部分月份微團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量較高，但該粒徑團(tuán)聚體含量較低，其有機(jī)碳氮貢獻(xiàn)率不一定高，團(tuán)聚體組成與團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量共同決定了該粒徑團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率。闊葉林的大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率高于針葉林，而大團(tuán)聚體是有機(jī)碳氮固存的主要場所，因此闊葉林相對于針葉林固碳與固氮能力更強(qiáng)。

由此可見，寒溫帶4種主要森林類型土壤團(tuán)聚體比例及有機(jī)碳、全氮特征有一定的差異。其中，山楊林和白樺林大團(tuán)聚體和團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量均略高于興安落葉松林和樟子松林的，4種森林類型生長季中期大團(tuán)聚體含量較高，團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量隨月份變化并未表現(xiàn)出明確的一致性規(guī)律，但大致以生長季初期和末期含量較高，并表現(xiàn)出在0～10 cm土層聚集的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，林型、土層和月份均對團(tuán)聚體組成及團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮產(chǎn)生了顯著的影響，寒溫帶地區(qū)森林土壤結(jié)構(gòu)及土壤碳氮循環(huán)還需深入研究。