鳳陽山不同林分類型表層土壤團聚體有機碳分布特征*

茹 軍 張 勇 王志堅王 增 姚任圖

(1.浙江省林業(yè)信息宣傳服務(wù)中心，浙江 杭州 310020；2.浙江農(nóng)林大學浙江省土壤污染生物修復(fù)重點實驗室，浙江 杭州311300；3.浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；4.松陽縣林村林場，浙江 麗水 323400)

土壤團聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性很大程度上受土壤有機碳的影響，有機碳主要通過有機膠結(jié)、粘粒包裹、菌絲和植物根系纏繞填充等作用來參與團聚體的形成[1-2]。團聚體的形成過程又影響土壤有機碳的轉(zhuǎn)化，土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在團聚體內(nèi)，團聚體通過對生物特別是微生物與有機碳空間隔離的保護作用，是土壤最重要的固碳機理[3-4]。因此，作為土壤碳庫的重要組成部分，近年來土壤團聚體有機碳的分布和變化備受關(guān)注，其能夠較好地反映土地利用和森林植被變化情況[5-6]。朱家琪等[7]研究了興安落葉松Larix gmelinii林、樟子松Pinus sylvestris林、山楊Populus davidiana林、白樺Betula platyphylla林4 種寒溫帶森林類型，發(fā)現(xiàn)它們之間土壤團聚體有機碳有顯著差異。潘英杰等[8]在研究黃土高原天然次生林植被演替時，發(fā)現(xiàn)各粒徑土壤團聚體有機碳含量均隨著植被演替進程而逐漸增加。

浙江鳳陽山國家級自然保護區(qū)是我國東部中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，素有“華東古老植物搖籃”之美譽。當前，保護區(qū)內(nèi)的人工林是上世紀70 年代天然植被遭受破壞后種植杉木、柳杉等形成的針葉林，天然林則是自然飛籽形成的黃山松Pinus taiwanensis針闊混交林和次生常綠闊葉林，這4 種林分在東部中亞熱帶省份具有一定的代表性。目前對鳳陽山土壤團聚體有機碳的研究少見報道。本研究在團聚體水平上研究不同林分類型土壤有機碳、易氧化有機碳及穩(wěn)定態(tài)有機碳的差異變化，闡明土壤團聚體內(nèi)有機碳分布特征，對揭示因林分變化導(dǎo)致土壤有機碳動態(tài)變化和穩(wěn)定性機制具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鳳陽山國家級自然保護區(qū)位于浙江省 龍 泉 市（ 地 理 坐 標：27°46′N～27°58′N、119°06′E～119°15′E），為武夷山脈東伸的洞宮山系。保護區(qū)屬亞熱帶濕潤季風氣候，四季分明，雨量充沛。年均氣溫12.3℃，年均降水量2 438.2 mm。土壤為黃壤，土層厚度基本在60～80 cm 之間。

1.2 樣地設(shè)置

在石梁岙（小地名），地理位置為27°53′55′′N，119°10′57′′ E，選擇杉木林與常綠闊葉林兩種對比林分類型；在鳳陽湖（小地名），地理位置為27°52′27′′ N，119°11′2′′ E，選擇柳杉林與針闊混交林兩種對比林分。在每種林分內(nèi)分別設(shè)置3 個20 m×20 m 的重復(fù)固定樣地，并調(diào)查植物本底（表1）。由于同一地點的兩種林分類型氣候、立地條件及林齡等基本一致，排除了林分植被之外的其他因素的影響。

表1 不同采樣點及其林分類型的概況Table 1 Basic information of different sampling points and forest stand types

1.3 土壤采樣與測定

于2013 年7 月，在每個固定樣地內(nèi)按0～20 cm 深度取原狀土，用于土壤團聚體測定。用手輕輕地把原狀土大土塊沿著自然脆弱帶扳成直徑約1 cm 的小土塊，在室溫條件下風干，將盛有風干土樣的篩子置于搖床上，以270 r/min 振蕩2 min 進行干篩[9]，分離出＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm 和＜0.5 mm 4 級不同粒徑團聚體。某粒徑團聚體的占比=該粒徑團聚體重量/各粒級土壤團聚重量之和×100%。

測定各粒徑團聚體中的土壤有機碳、易氧化性有機碳和穩(wěn)定態(tài)有機碳含量。土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化-硫酸亞鐵滴定法[10]，土壤易氧化有機碳是利用高錳酸鉀溶液比色法[11]，土壤穩(wěn)定態(tài)有機碳采用Na2S2O8氧化法[12]。

利用SPSS 軟件進行數(shù)據(jù)顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團聚體有機碳的變化

各林分類型土壤團聚體有機碳含量總體上均隨團聚體粒徑減小而呈升高趨勢（圖1）。在石梁岙，常綠闊葉林和杉木林土壤團聚體有機碳含量均以0.5～2.0 mm 團聚體最高（分別為14.81 g/kg 和11.36 g/kg）、＞5.0 mm 團 聚 體 最 低（分 別為11.48 g/kg 和8.34 g/kg）；在鳳陽湖，針闊混交林和柳杉林團聚體有機碳均以＜0.5 mm 團聚體最高（分別為12.77 g/kg 和15.13 g/kg）、＞5.0 mm 團聚體最低（分別為8.73 g/kg 和10.74 g/kg）。方差分析顯示，石梁岙的兩種林分類型，同一林分的＞5.0 mm 團聚體有機碳含量分別與0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團聚體有機碳含量差異顯著（P＜0.05），其余團聚體之間沒有顯著差異；鳳陽湖的針闊混交林＞5.0 mm 團聚體有機碳含量分別與2.0～5.0 mm、0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團 聚 體 差 異 顯 著（P＜0.05），其余團聚體之間沒有顯著差異；柳杉林＞5 mm 團聚體有機碳分別與0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團 聚 體 差 異 顯 著（P＜0.05），2.0～5.0 mm 與＜0.5 mm 差異顯著（P＜0.05），其余團聚體之間沒有顯著差異。

圖1 土壤團聚體有機碳含量Fig.1 Contents of organic carbon of soil aggregates

在石梁岙，常綠闊葉林各粒徑團聚體有機碳含量均顯著高于杉木林同粒級團聚體（P＜0.05）；在鳳陽湖，除2.0～5.0 mm 團聚體外，柳杉林各粒級團聚體有機碳含量均顯著高于針闊混交林（P＜0.05）（圖1）。

2.2 土壤團聚體易氧化有機碳的變化

在石梁岙，常綠闊葉林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 土壤團聚體易氧化有機碳含 量 分 別 為1 525.83 mg/kg、1 417.90 mg/kg、1 748.28 mg/kg 和1 590.99 mg/kg，整 體 差 異 顯著（P＜0.05），并隨著團聚體粒徑減小呈逐漸升高 趨 勢；杉 木 林 土 壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 團聚體易氧化有機碳含量分別為1 177.97 mg/kg、1 221.40 mg/kg、1 534.83 mg/kg和1 329.24 mg/kg，整體差異顯著（P＜0.05），也隨著團聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢。在鳳陽湖，針闊混交林土壤各粒徑團聚體易氧化性有機碳含量分別為1 346.85 mg/kg、1 724.65 mg/kg、1 614.95 mg/kg 和1 671.03 mg/kg，整體差異不顯著，但＜0.5 mm 和2.0～5.0 mm 團聚體均顯著高于＞5.0 mm 團聚體（P＜0.05）；柳杉林土壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 團聚體易氧化有機碳含量分別為1 343.06 mg/kg、1 132.51 mg/kg、1 420.48 mg/kg、1 537.91 mg/kg，整體差異顯著（P＜0.05），同樣隨團聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢（圖2）。

常綠闊葉林土壤各粒徑團聚體易氧化有機碳含量均顯著高于同粒級杉木林（P＜0.05）；針闊混交林2.0～5.0 mm 和0.5～2 mm 團聚體易氧化有機碳含量均顯著高于同粒級柳杉林（P＜0.05），其余兩粒級之間沒有顯著差異（圖2）。

圖2 土壤團聚體易氧化有機碳含量Fig.2 Contents of readily oxidized carbon of soil aggregates

2.3 土壤團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳的變化

常 綠 闊 葉 林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5mm、＜0.5 mm 土壤團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量分別為2.01 g/kg、2.48 g/kg、2.30 g/kg 和3.35 g/kg，各粒徑團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量整體差異顯著（P＜0.05），并隨團聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢。杉木林、針闊混交林、柳杉林的變化規(guī)律同常綠闊葉林基本一致，同一林分團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量隨粒徑減小呈逐漸升高趨勢（圖3）。

圖3 土壤團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量Fig.3 Contents of recalcitrant organic carbon of soil aggregates

除0.5～2 mm 團聚體外，常綠闊葉林各粒徑團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量均顯著高于同粒級杉木林（P＜0.05）；柳杉林＞5.0 mm 和＜0.5 mm 團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳含量分別顯著高于同粒級針闊混交林（P＜0.05），其他粒徑之間沒有顯著差異。

2.4 土壤團聚體有機碳及其組分的貢獻率

不同粒徑土壤團聚體有機碳、易氧化有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳的貢獻率決定于各團聚體在土壤中的占比（表2）及其有機碳、易氧化有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳含量。不同林分類型土壤各粒徑團聚體對土壤有機碳貢獻率變化規(guī)律基本一致，＞5 mm 團聚體對有機碳貢獻率最高，變化范圍為34.34%～42.38%，最高為柳杉林，最低為針闊混交林；2～5 mm 團聚體貢獻率次之，變化范圍為24.19%～35.23%?？傮w上，不同粒徑團聚體對土壤有機碳貢獻率隨著粒徑減小而減小。

表2 土壤團聚體各粒徑的占比 %Tab. 2 The proportion of the diffirent soil diameter aggregates

各粒徑土壤團聚體對易氧化有機碳的貢獻率也是＞5 mm 團聚體最高，變化范圍為36.94%～47.97%，最高為柳杉林，最低為杉木林?？傮w上，不同粒徑團聚體對易氧化有機碳貢獻率隨著粒徑減小而逐漸減小。各粒徑土壤團聚體對穩(wěn)定態(tài)有機碳貢獻率＞5 mm 亦最高，變化范圍為32.32%～37.83%，最高為常綠闊葉林，最低為針闊混交林?？傮w上，不同粒徑團聚體穩(wěn)定態(tài)有機碳貢獻率與土壤有機碳、易氧化有機碳的規(guī)律基本一致?？梢?，研究區(qū)大團聚體是土壤有機碳、易氧化有機碳和穩(wěn)定態(tài)有機碳的主要載體。

2.5 不同粒徑團聚體有機碳的穩(wěn)定性

易氧化有機碳/有機碳的比值越高說明土壤有機碳穩(wěn)定性越差，穩(wěn)定態(tài)有機碳/有機碳的比值越高說明土壤有機碳穩(wěn)定性越好。從表4 可見，4 種林分易氧化有機碳/有機碳的值隨團聚體粒徑的變小呈逐漸降低的趨勢，穩(wěn)定態(tài)有機碳/有機碳的值隨團聚體粒徑的變小而呈逐漸升高的趨勢。

表3 不同粒徑土壤團聚體有機碳、易氧化有機碳和穩(wěn)定態(tài)有機碳的貢獻率 %Tab. 3 The contribution of the different diameter aggregates on soil organic carbon, readily oxidized carbon and recalcitrant organic carbon

表4 不同粒徑土壤團聚體易氧化有機碳/有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳/有機碳的值 %Tab. 4 The readily oxidized carbon/soil organic carbon and recalcitrant organic carbon/soil organic carbon in different diameter aggregates

3 結(jié)論與討論

土壤有機碳在不同粒徑團聚體中的分布狀況決定了土壤的儲碳能力[13]。各林分類型土壤團聚體中有機碳、易氧化有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳含量均隨團聚體粒徑變小而呈逐漸升高趨勢，這符合有機碳輸入優(yōu)先向小粒級團聚體積累的理論[14]。有機碳很少以游離態(tài)存在于土壤中，往往被細小礦質(zhì)顆粒牢固地吸附，并與之結(jié)合形成有機-無機復(fù)合體，團聚體粒徑越小，比表面積越大，吸附有機碳就越多[15]。對比其他研究，李戀卿等[16]研究發(fā)現(xiàn)，退化紅壤有機碳在0～0.002 mm 團聚體中含量較高；李娟等[17]發(fā)現(xiàn)，隨團聚體粒徑降低，喀斯特山區(qū)不同土地利用方式團聚體有機碳、活性有機碳均以0～0.25 mm 團聚體中含量最高；邱曉蕾等[18]則研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定態(tài)有機碳在微團聚體中富集明顯。

不同粒徑團聚體對有機碳、易氧化有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳的貢獻率，與團聚體含量分布情況相似。雖然三者含量在小粒徑團聚體中含量最高，但由于研究區(qū)土壤大粒徑團聚體含量占絕對優(yōu)勢，使大團聚體貢獻率遠高于小團聚體。任榮秀[19]等研究表明，土壤有機碳儲量主要集中在大團聚體中。Six J 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳盡管在微團聚體中能夠穩(wěn)定較長時間而獲得累積，但因0～0.25 mm 團聚體在土壤中比例十分低，其對有機碳和活性有機碳貢獻率僅有6%和4%。

在同一采樣點，常綠闊葉林各粒徑團聚體有機碳、易氧化有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳含量基本都高于杉木林相同粒徑團聚體；柳杉林各粒徑團聚體有機碳、穩(wěn)定態(tài)有機碳含量大多高于針闊混交林相同粒徑團聚體。對比前期實驗分析，土壤有機碳及其組分在全土中含量高的林分，各粒徑團聚體含量也相比較高。這說明林分類型是影響土壤有機碳及團聚體有機碳含量的重要因素。王峰等[21]研究表明，不同土壤類型茶園團聚體有機碳含量存在顯著差異，并與土壤有機碳變化趨勢一致；李娟等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤有機碳增加，各粒徑團聚體有機碳含量總體呈增加趨勢，且土壤有機碳與團聚體內(nèi)有機碳表現(xiàn)出較高的正相關(guān)關(guān)系。盡管柳杉林土壤有機碳含量較高，但針闊混交林團聚體易氧化有機碳含量均高于柳杉林相同粒徑，這可能由于柳杉林凋落物中含有較多難分解的蠟質(zhì)和角質(zhì)等成分[22]，土壤有機碳活性降低，導(dǎo)致易氧化有機碳也較低?？梢?，本研究在相同氣候和立地條件下，由于不同林分類型的喬木樹種組成和林下植被特征不同以及其生物學和生態(tài)學特性不同，導(dǎo)致有機物質(zhì)輸入輸出的差異，使土壤物理性狀和微生物活性也不同，從而影響土壤有機碳及其組分在團聚體中的分布[23-24]。

由于土壤團聚體內(nèi)部有機碳組分含量不同，加之不同粒徑團聚體對有機碳保護能力的差異，造成團聚體有機碳整體穩(wěn)定性也不同，這將對森林土壤碳匯功能產(chǎn)生重要影響[21]。本研究4 種林分易氧化有機碳/有機碳的比值、穩(wěn)定態(tài)有機碳/有機碳的比值呈現(xiàn)的變化趨勢，表明隨著團聚體粒徑減小研究區(qū)土壤有機碳整體穩(wěn)定性增強、活性降低。土壤有機碳具有高度異質(zhì)、動態(tài)變化、影響因素復(fù)雜性等特點，受林分類型、土壤及生物活性等諸多因素相互協(xié)同影響[25]。研究認為，大粒徑團聚體有機碳包括根系、碳水化合物、菌絲等主，以物理保護為主，其周轉(zhuǎn)快、變異性大、穩(wěn)定性差[26]；而小粒徑團聚體有機碳是以黏粒結(jié)合的腐殖質(zhì)（穩(wěn)定態(tài)有機碳）為主，主要靠化學保護為主，其分解慢、穩(wěn)定性好，利于長期儲存[27]。