河南周口市楊樹和女貞林地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及其有機(jī)碳分布

朱利霞，陳志鵬，任曉東，李俐俐

(周口師范學(xué)院 生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)學(xué)院，河南 周口 466001)

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，也是土壤有機(jī)質(zhì)分解轉(zhuǎn)化與腐殖質(zhì)形成的主要場所[1-2].土壤團(tuán)聚體的主要功能表現(xiàn)在穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)、減少水土流失、提高土壤肥力和質(zhì)量等[3].土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是土壤質(zhì)量和土壤健康的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[4]，與生態(tài)系統(tǒng)許多功能有著密切聯(lián)系，如土壤有機(jī)質(zhì)的構(gòu)成與質(zhì)量、土壤生物活性、滲透率等[5-7].因此，一般粒徑≥0.25 mm的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量與土壤的抗蝕性密切相關(guān)，土壤的平均重量直徑和幾何平均直徑越大[8-9]，土壤團(tuán)聚體分布狀況和穩(wěn)定性就越好、抗蝕能力越強(qiáng)[10-11]，是評(píng)價(jià)土壤肥力的重要指標(biāo)[12].

國內(nèi)外以林地土壤為對(duì)象開展了大量研究，這些研究大多關(guān)注土壤養(yǎng)分含量、有機(jī)碳含量及穩(wěn)定性、土壤持水性能等，關(guān)于土壤團(tuán)聚體的研究主要集中在防護(hù)林帶及山地，而對(duì)于黃淮地區(qū)人工林培育土壤顆粒組成及團(tuán)聚體特征的研究則較少.土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤表層處理方式有很大關(guān)系[12]，姜敏等[13]研究發(fā)現(xiàn)林地(人工林和自然林)土壤穩(wěn)定性和抗蝕性更好，相反旱作農(nóng)地土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性較差，其平均重量直徑和幾何平均直徑相對(duì)較低.聶富育等[14]發(fā)現(xiàn)不同人工林地土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量及土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有明顯的差異.目前周口市主要綠化植物包括鄉(xiāng)土樹種(楊樹、柳樹)和外來樹種(女貞、枇杷)，其中楊樹和女貞的種植范圍最為廣泛，分布于周口市川匯區(qū)全境內(nèi)，是主要的行道樹.因此，本試驗(yàn)以楊樹和女貞林土壤為研究對(duì)象，比較土壤團(tuán)聚體的平均重量直徑和幾何平均直徑及大團(tuán)聚體含量來分析土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，結(jié)合團(tuán)聚體有機(jī)碳分布狀況，為該地區(qū)土壤質(zhì)量評(píng)價(jià)、人工林樹種的合理選擇和人工林土壤碳循環(huán)提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于河南省周口市川匯區(qū)(N33°38′，E114°40′)，該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候，全年平均氣溫15 ℃左右，年平均降水量為689～816 mm，降水主要集中于每年的6至8月，約占全年降水總量的56%，地帶性土壤類型主要為潮土和砂姜黑土.研究區(qū)域以人工林為主，主要包括楊樹林和女貞林，研究林分基本概況如表1所示.試驗(yàn)地位于周口市川匯區(qū)東部，土壤類型為壤質(zhì)潮土.

表1 兩種人工林林分概況Tab.1 The basic information of the two plantations

1.2 樣品采集與處理

于2019年3月，在每個(gè)林型(楊樹和女貞)中設(shè)置5個(gè)臨時(shí)樣地(25 m×25 m).除去表面枯枝落葉，同一樣地內(nèi)按照S形布設(shè)5個(gè)采樣點(diǎn)，去除土壤表層凋落物，采用剖面挖掘法采集0～100 cm土壤，每20 cm為一層，除去植物根系、雜草、小石塊，裝入硬質(zhì)塑料盒中，帶回實(shí)驗(yàn)室，備用.一部分沿土塊自然裂隙掰成直徑約為1 cm的土塊用于測定土壤團(tuán)聚體；另一部分研磨后過2 mm篩，用于測定有機(jī)碳含量.

1.3 測定方法

土壤團(tuán)聚體顆粒分布采用干篩法和濕篩法，具體方法描述如下.

干篩法[13]：稱取100 g風(fēng)干土樣，然后通過一套直徑20 cm，高度5 cm的振蕩篩(套篩直徑為5、2、1、0.5和0.25 mm)，底層安放底盒，頂部蓋篩蓋，用振蕩式篩分儀在200次/min下振蕩2 min.篩取完成后土樣分成[5，+∞)，[2，5)，[1，2)，[0.5,1),[0.25,0.5)和(-∞,0.25)mm團(tuán)聚體，分別收集稱重.

濕篩法[13]：先將振蕩篩的各個(gè)篩面按照從上到下的順序(5、2、1、0.5和0.25 mm)放置好，然后擺放入濕篩桶，稱取100 g風(fēng)干土樣平鋪于最上層篩面上，然后沿著桶壁緩慢加入去離子水，使最上層篩子中團(tuán)聚體剛好浸沒在水面以下，浸潤10 min后，以30次/min的頻率振蕩5 min，之后將各篩面上的水穩(wěn)定性團(tuán)聚體分別沖洗至已稱重的容器中，40 ℃條件下烘干，稱重.

有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定[15].

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

采用Excel 2010和SPSS 19.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析，顯著性水平設(shè)定為P=0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成分析

2.1.1 土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體 由表2中數(shù)據(jù)可以看出，楊樹和女貞林各粒級(jí)土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體的組成存在明顯差異.濕篩條件下兩種人工林不同土層土壤團(tuán)聚體均以<0.25 mm粒徑為主，比例達(dá)到84.53%～95.23%.土壤中大團(tuán)聚體含量(≥0.25 mm)占林地土壤總團(tuán)聚體含量較少，比例僅為4.77%～15.47%.粒徑<0.25 mm團(tuán)聚體含量在各土層中均以楊樹林較高.林分類型除對(duì)[60,80)cm土層2 mm≤R<5 mm團(tuán)聚體含量無顯著影響外，對(duì)其它不同土層中對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量均有顯著影響，且表現(xiàn)為楊樹林團(tuán)聚體含量顯著低于女貞林.其中≥5 mm團(tuán)聚體含量在各土層的變化范圍為0.93%～8.27%，2 mm≤R<5 mm團(tuán)聚體含量在各土層的變化范圍為0.23%～2.4%，1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25≤R<0.5 mm團(tuán)聚體含量在各土層中變化范圍分別為0.57%～1.67%、0.83%～2.73%和1.73%～6.13%.

表2 不同林分土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量Tab.2 The contents of soil water stable aggregates in different plantations

2.1.2 土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體 如表3所示，兩種人工林土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量有明顯差異.兩種人工林機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體組成均以大團(tuán)聚體(≥0.25 mm)為主，其含量介于56.90%～83.97%之間.楊樹林土壤大團(tuán)聚體含量占56.90%～73.63%，而女貞林土壤大團(tuán)聚體含量為64.90%～83.97%.除40～60 cm土層外，楊樹林機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量均顯著低于女貞林.在[0,20)cm土層，林分類型對(duì)1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm團(tuán)聚體無顯著影響，楊樹林R≥5 mm和2 mm≤R<5 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體顯著低于女貞林，而<0.25 mm團(tuán)聚體含量表現(xiàn)為楊樹林顯著高于女貞林.在[20,40) cm土層，楊樹林R≥5 mm、2 mm≤R<5 mm和1 mm≤R<2 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著低于女貞林，楊樹林<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著高于女貞林，而林分類型對(duì)0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量無顯著影響.在[40,60) cm土層，楊樹林R≥5 mm和2 mm≤R<5 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著低于女貞林，而1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著高于女貞林，R<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量在不同林分類型中無顯著差異.在[60,80) cm土層，楊樹林R≥5 mm和0.25 mm≤R<0.55 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著低于女貞林，而R<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著高于女貞林，2 mm≤R<5 mm、1 mm≤R<2 mm和0.5 mm≤R<1 mm團(tuán)聚體含量在楊樹和女貞林土壤中無顯著差異.在[80,100)cm土層，楊樹林R<0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量顯著高于女貞林，而林分類型對(duì)R≥5 mm、2 mm≤R<5 mm、1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量無顯著影響.

表3 不同林分土壤機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量Tab.3 The contents of soil mechanical stability aggregate in different plantations

2.2 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

一般而言，粒徑大的團(tuán)聚體比例越高，土壤MWD和GMD值越高，土壤團(tuán)聚體就越穩(wěn)定.由表4可知，土壤團(tuán)聚體MWD和GMD值在兩種林型間有顯著差異.濕篩條件下，團(tuán)聚體MWD值介于0.22～0.80 mm之間，干篩條件下MWD值介于1.55～3.08 mm之間.濕篩和干篩條件下不同土層團(tuán)聚體MWD值均表現(xiàn)為楊樹林顯著低于女貞林.干篩條件下，[0,20)cm土層女貞土壤團(tuán)聚體MWD較楊樹土壤團(tuán)聚體MWD值顯著增加53.8%，其它土層女貞林MWD值較楊樹林增加幅度逐漸減小.兩種林型土壤團(tuán)聚體GMD值在濕篩和干篩條件下的范圍分別為0.42～1.24和0.55～1.43 mm.濕篩條件下，在[0,20)、[20,40)和[60,80) cm土層，楊樹林土壤團(tuán)聚體GMD值顯著低于女貞林，而[40,60)和[80,100) cm土層GMD值在兩種林型間無顯著差異.干篩條件下楊樹林各土層土壤團(tuán)聚體GMD值均顯著低于女貞林.

由表4可知，PAD在不同土層中均表現(xiàn)出女貞林土壤小于楊樹林土壤的趨勢，且差異達(dá)到顯著性水平.在[0,20)cm土層，女貞林較楊樹林土壤團(tuán)聚體破壞率顯著降低11.2%，而在[80,100)cm土層女貞林團(tuán)聚體破壞率則顯著降低16.0%.

表4 不同林分土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性Tab.4 The stability of soil aggregates in different plantations

2.3 不同林分土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳特征

根據(jù)土壤團(tuán)聚體組成比例及穩(wěn)定性特征，選擇濕篩法得到的團(tuán)聚體測定有機(jī)碳含量.如表5所示，土壤有機(jī)碳含量隨土壤團(tuán)聚體粒徑減小，基本呈現(xiàn)出先增加后降低的現(xiàn)象.在[0,20) cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化范圍為11.02～20.35 g/kg，女貞林各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于楊樹林，其中以0.5 mm≤R<1 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳增加最為顯著，增幅為45.9%.在[20,40)、[60,80)和[80,100) cm土層各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳均表現(xiàn)為女貞高于楊樹，且達(dá)到顯著性差異水平.在[40,60) cm土層，除2 mm≤R<5 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳含量外，其它各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為女貞林顯著高于楊樹林.

表5 不同林分土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Tab.5 Organic carbon content of soil water-stable stability aggregate in different plantations

2.4 不同林分土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體之間的關(guān)系

由表6可知，土壤有機(jī)碳含量范圍為6.13～18.86 g/kg，不同土層楊樹和女貞林土壤有機(jī)碳含量均有明顯差異.在小于20 cm土層，女貞林土壤有機(jī)碳顯著高于楊樹林，增幅為42.8%；在[20,100) cm土層女貞林土壤有機(jī)碳含量較楊樹林分別顯著增加41.0%、29.7%、44.7%和15.6%.

表6 不同林分土壤有機(jī)碳含量Tab.6 Soil organic carbon content in differentplantations

對(duì)土壤有機(jī)碳含量和大團(tuán)聚體含量(≥0.25 mm)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明楊樹土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體含量之間的關(guān)系可用y=0.169x3-4.752x2+42.47x-113.2(R2=0.79，P<0.01)表示，女貞土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體含量之間的關(guān)系可用y=0.235x2-5.892x+47.63(R2=0.85，P<0.001)表示，有機(jī)碳與大團(tuán)聚體含量有較好的相關(guān)性.

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)干篩所測得的土壤團(tuán)聚體含量(≥0.25 mm團(tuán)聚體)所占比例最大，濕篩法所得的土壤團(tuán)聚體含量<0.25 mm所占比例最大，兩種測定方法下土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量有明顯的差異.姜敏等[13]分別采用干篩法和濕篩法測定土壤團(tuán)聚體時(shí)同樣發(fā)現(xiàn)干篩條件下土壤大團(tuán)聚體含量最高，達(dá)到50%以上，而濕篩條件下大團(tuán)聚體含量明顯減少.這可能是由于供試土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量較低，濕篩條件下破壞了土壤中非水穩(wěn)性團(tuán)聚體，使其崩解為小粒徑的團(tuán)聚體.另外，本試驗(yàn)中所用土壤為潮土，其粘粒含量較高，在風(fēng)干狀態(tài)下土壤膠結(jié)比較明顯，這也是干篩條件下土壤大團(tuán)聚體含量較高的一個(gè)原因.

本試驗(yàn)中女貞土壤大團(tuán)聚體含量高于楊樹林土壤，這可能是由于女貞林土壤有機(jī)碳含量高于楊樹林，有機(jī)質(zhì)作為一種很好的膠結(jié)劑，可以將土壤中粒徑較小的團(tuán)聚體膠結(jié)為較大粒徑的團(tuán)聚體，從而促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成.李秋嘉等[17]研究指出土壤有機(jī)質(zhì)較高的條件下大粒徑團(tuán)聚體的比例也越高.由于土壤大團(tuán)聚體含量，尤其是水穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量的多少可在一定程度上表征土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的強(qiáng)弱，水穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量越多土壤抗蝕性越強(qiáng)，土壤結(jié)構(gòu)也越穩(wěn)定[18].本試驗(yàn)中女貞林土壤大團(tuán)聚體含量顯著高于楊樹林，表明女貞林土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較強(qiáng)，土壤質(zhì)量較好，女貞林更有利于土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，利于增強(qiáng)土壤抗蝕性.兩種人工林土壤中>5 mm團(tuán)聚體含量在干篩和濕篩兩種測定方法中均表現(xiàn)出隨土層加深而增加的趨勢.聶富育等[14]關(guān)于柳杉、楨楠和麻櫟等不同林分的研究也發(fā)現(xiàn)下層土壤大團(tuán)聚體含量高于上層土壤.這可能是由于表層土壤長期受到雨水沖刷，團(tuán)聚體遭到一定的破壞，土壤微生物及土壤動(dòng)物的活動(dòng)也會(huì)對(duì)土壤大粒徑團(tuán)聚體形成一定的破壞.在土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)中，GMD和MWD值是常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，二者數(shù)值越大，團(tuán)聚度越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越好.本試驗(yàn)中無論干篩還是濕篩，女貞林土壤團(tuán)聚體GMD和MWD值均明顯高于楊樹林土壤，且女貞林PAD顯著低于楊樹林，表明女貞林有利于降低團(tuán)聚體破壞率，提高土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，改善土壤的抗蝕性.這可能是由于女貞林土壤孔隙度較大，結(jié)構(gòu)疏松，且地表凋落物較多，促進(jìn)了土壤團(tuán)聚體的形成.

在土壤團(tuán)聚體形成過程中，有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)起著至關(guān)重要的作用，其形成主要依賴于土壤中各種膠結(jié)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)，對(duì)土壤的性質(zhì)和肥力有很大影響[18].本研究發(fā)現(xiàn)，兩種林分類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以[0,20) cm土層最高，隨土壤層次的加深團(tuán)聚體有機(jī)碳含量呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，這與前人的研究結(jié)果一致[19-20].這可能是由于凋落物可以通過直接輸入的方式增加土壤有機(jī)碳含量[21]，凋落物也為微生物提供了碳源和能源，增強(qiáng)了微生物活性，從而促進(jìn)有機(jī)碳含量的升高.此外，不同土層人工林地土壤有機(jī)碳各組分的官能團(tuán)特征存在較大差異[22].隨著土壤團(tuán)聚體粒徑的減小，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢；其中1 mm≤R<2 mm和0.5 mm≤R<1 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對(duì)較高，這可能是由于較小粒級(jí)團(tuán)聚體單位有機(jī)碳含量較高[23].但也有研究表明土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳隨團(tuán)聚體粒徑減小而減小[24]或呈增-減-增-減的變化趨勢[25].這可能與不同區(qū)域土壤性質(zhì)、植被類型等有關(guān)，土壤中形成團(tuán)聚體所利用的膠結(jié)物質(zhì)種類和數(shù)量也有所差別有關(guān).

土壤團(tuán)聚體作為保護(hù)和穩(wěn)定土壤有機(jī)碳的載體，也是有機(jī)碳儲(chǔ)存的場所.本研究中女貞林土壤有機(jī)碳含量顯著高于楊樹林，且大團(tuán)聚體含量與土壤有機(jī)碳含量有較好的相關(guān)性.因此，女貞林更有利于該地區(qū)土壤有機(jī)碳的積累.