董莉麗，寇 萌

渭北黃土丘陵區(qū)人工林類型對(duì)土壤屬性的影響①

董莉麗，寇 萌

(咸陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院，陜西咸陽(yáng) 712000)

為了研究渭北黃土丘陵區(qū)人工林類型對(duì)土壤屬性的影響，選取位于同一坡面上的刺槐純林、油松純林和蘋果園土壤為研究對(duì)象，分析了土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，土壤有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳和土壤呼吸等土壤屬性在3種人工林土壤剖面的變化特征，并探討了土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳在水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成中的作用。結(jié)果表明：3種人工林土壤團(tuán)聚體破碎率均較高，各團(tuán)聚體水穩(wěn)性指標(biāo)值、土壤有機(jī)碳含量、土壤呼吸在3個(gè)樣地的順序均為油松林>刺槐林>蘋果園，土壤無(wú)機(jī)碳含量的順序?yàn)榇袒绷?蘋果園>油松林。土壤有機(jī)碳和無(wú)機(jī)碳含量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且二者分別與團(tuán)聚體水穩(wěn)性呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系，但同時(shí)，無(wú)機(jī)碳含量存在一個(gè)閾值，當(dāng)?shù)陀诨蚋哂谶@一閾值時(shí)，其含量與團(tuán)聚體水穩(wěn)性分別呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此，當(dāng)無(wú)機(jī)碳含量較高時(shí)，應(yīng)降低其含量，并提高土壤有機(jī)碳含量，以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)；土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性各指標(biāo)之間及其與土壤有機(jī)碳含量和土壤呼吸呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。可見，人工林類型顯著影響各項(xiàng)土壤屬性，油松林在提高土壤質(zhì)量方面的作用大于刺槐林。

土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性；土壤碳；人工林類型；黃土丘陵區(qū)

我國(guó)廣泛開展的退耕還林還草等生態(tài)建設(shè)工作，在防治土壤侵蝕，提高土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，進(jìn)而改善土壤質(zhì)量等方面起到重要作用。土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳是對(duì)土壤管理極其敏感的兩個(gè)重要屬性[1]，且二者之間的相互作用又與土壤碳庫(kù)功能密切相關(guān)。土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)定性與土壤抗蝕性密切相關(guān)，可用于表征土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[2]。黃土高原地區(qū)土壤中的水穩(wěn)性團(tuán)聚體在保持土壤肥力、減少水土流失等方面有重要作用[3]。例如，李娟等[4]研究認(rèn)為土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm團(tuán)聚體)含量越高，則土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤越能抵抗水力侵蝕。王文鑫等[5]研究認(rèn)為土壤可蝕性值與水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與團(tuán)聚體分形維數(shù)()和團(tuán)聚體破碎率(PAD)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。有關(guān)該地區(qū)土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性及土壤碳含量的研究主要集中在不同土地利用類型[4]、植被類型及植被恢復(fù)年限[5-7]、植被帶[8]等的影響方面。比如，李柏橋等[6]研究認(rèn)為退耕還林還草可增加土壤大團(tuán)聚體的數(shù)量。另外，有學(xué)者就團(tuán)聚體穩(wěn)定性與土壤碳含量之間的關(guān)系開展了相關(guān)研究。例如：石宗琳等[7]研究認(rèn)為果園土壤團(tuán)聚體的農(nóng)藝質(zhì)量顯著退化與有機(jī)碳和碳酸鈣含量的遞減有直接關(guān)系，并認(rèn)為碳酸鈣對(duì)土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性起重要作用，而有機(jī)碳不是水穩(wěn)性團(tuán)聚體的主要膠結(jié)劑。郭玉文等[9]研究認(rèn)為黃土顆粒間分布著大量碳酸鈣，起到顆粒間膠結(jié)物的作用。Kumar 等[1]也認(rèn)為鈣有利于有機(jī)膠體和黏土顆粒之間的膠結(jié)作用。而王文鑫等[5]認(rèn)為有機(jī)碳含量的增加對(duì)團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定性起著重要的作用。耿韌等[10]研究也認(rèn)為農(nóng)地、草地和林地團(tuán)聚體穩(wěn)定性均受土壤有機(jī)碳的顯著影響。這些研究有助于人們理解和評(píng)價(jià)植被恢復(fù)措施和年限對(duì)土壤碳含量和土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，并有利于人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與土壤碳含量的關(guān)系。

陜西省禮泉縣北部的叱干鎮(zhèn)位于黃土高原丘陵溝壑區(qū)南部，擁有大面積的人工刺槐()純林和較小面積油松()純林。另外，該區(qū)域大部分農(nóng)田已被蘋果()園等經(jīng)濟(jì)林取代[7]。有關(guān)油松和刺槐林土壤特征的對(duì)比研究主要集中在土壤養(yǎng)分[11]、水分特征[12]、生產(chǎn)力及生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[13-14]、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[15]及土壤微團(tuán)聚體分形特征[16]等方面。但有關(guān)本研究區(qū)刺槐林、油松林和蘋果園土壤剖面不同土層土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)性及其與土壤碳含量的關(guān)系研究鮮見報(bào)道。本研究分析土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性各指標(biāo)及土壤有機(jī)碳、無(wú)機(jī)碳和土壤呼吸等在土壤剖面不同土層和同一土層不同人工林類型下的變化特征，重點(diǎn)探討團(tuán)聚體水穩(wěn)性與土壤碳含量的關(guān)系，以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響因素，并為在該區(qū)域植被重建過程中，樹種的選擇及不同樹種所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境效益評(píng)價(jià)等工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)及樣地概況

研究區(qū)位于陜西省咸陽(yáng)市禮泉縣北部的黃土丘陵區(qū)。禮泉縣地處關(guān)中平原北部，屬暖溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.96℃，無(wú)霜期214 d，年平均降水量537 ～ 546 mm，海拔在402 ～ 1 467 m。禮泉縣早在20世紀(jì)60年代，在其北部的南坊鎮(zhèn)和叱干鎮(zhèn)栽植五萬(wàn)多畝的刺槐林，并在1999年，成為我國(guó)首批退耕還林試點(diǎn)縣之一。本文選擇位于同一個(gè)坡面(108°27′ E，34°43′ N)上的兩種生態(tài)林即刺槐()和油松()林，一種經(jīng)濟(jì)林即蘋果()園為研究樣地，樣地海拔從高到低依次分布著油松林、刺槐林和蘋果園，其平均胸徑分別為15.42、12.73和12.98 cm，其中，刺槐林在20世紀(jì)90年代進(jìn)行過間伐，目前現(xiàn)存的為二代樹，3個(gè)人工林樣地表層土壤pH分別為7.97、8.33和8.42，土壤類型均為鈣積褐土。

1.2 樣品采集與分析

每個(gè)樣地選擇3個(gè)樣方，在每個(gè)樣方挖取土壤剖面，按10 cm分層采集土壤樣品，將每個(gè)樣方土壤剖面相同土層的土壤樣品混合，利用四分法獲得每個(gè)樣地不同土層的土壤樣品。將所有樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，室內(nèi)風(fēng)干，去除雜質(zhì)。將一部分土壤樣品干篩，得到>10、7 ～ 10、5 ～ 7、2 ～ 5、1.2 ～ 2、<1.2 mm的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體樣品；另一部分經(jīng)研磨，獲得過0.25 mm和1 mm篩的土壤樣品。過0.25 mm篩的土壤樣品用于測(cè)定土壤有機(jī)碳含量，過1 mm篩的土壤樣品用于測(cè)定土壤碳酸鈣含量和24 h土壤呼吸量。土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀–濃硫酸氧化法[17]；土壤碳酸鈣含量采用氣量法測(cè)定，數(shù)值乘以0.12，即為無(wú)機(jī)碳含量[18]；土壤呼吸采用靜態(tài)堿液吸收法[19]。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的測(cè)定：稱取2 ～ 5 mm的干篩團(tuán)聚體樣品5 ～ 10 g，輕輕放入200 ml燒杯中，用洗瓶沿?zé)诰徛⑷爰s50 ml蒸餾水，靜置30 min后，用裝有酒精的洗瓶將土壤樣品沖洗到孔徑為0.05 mm的篩子中，并輕輕晃動(dòng)篩子約2 min后，再將篩子上的土壤用酒精沖入燒杯中，放在50℃的烘箱中靜置24 h后，過孔徑為2、1、0.5、0.2、0.1 mm的套篩，并稱重，最終得到不同大小的水穩(wěn)性團(tuán)聚體質(zhì)量占比。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)的計(jì)算公式[20]如下：

土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑 (MWD)和幾何平均直徑(GMD)由以下公式計(jì)算：

土壤團(tuán)聚體的破碎率(PAD)由以下公式計(jì)算：

PAD=(MWD_dry–MWD)/MWD_dry(4)

式中：MWD為水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑；MWD_dry為機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的偏倚系數(shù)(C)和峰凸系數(shù)(C)的計(jì)算方法及其意義見參考文獻(xiàn)[21]。

本文數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行計(jì)算和處理；利用SigmaPlot10.0繪制土壤屬性圖；利用R語(yǔ)言繪制散點(diǎn)圖矩陣[22]；運(yùn)用 SPSS16.0進(jìn)行獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)和單因素方差分析，采用最小顯著差異法對(duì)同一土層不同樣地和同一樣地不同土層各土壤屬性進(jìn)行多重比較，顯著性水平為<0.05。

2 結(jié)果

2.1 土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性特征

當(dāng)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的偏倚系數(shù)C>0 時(shí)，表明土壤較大直徑團(tuán)聚體較多；C<0 時(shí)，則直徑較小的團(tuán)聚體數(shù)量較多。當(dāng)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的峰凸系數(shù)C>0 時(shí)，表明土壤團(tuán)聚體組成相對(duì)集中；當(dāng)C<0則土壤中各級(jí)別團(tuán)聚體含量相對(duì)均衡[21]。由圖1可知，C值在油松林的30 ～ 40、40 ～ 50、50 ～ 60和70 ～ 80 cm土層為正值，表明在油松林這4個(gè)土層中，直徑較大的水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量較多；C值在刺槐林和蘋果園土壤剖面所有土層均為負(fù)值，表明這些土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性差，在快速濕潤(rùn)條件下，大團(tuán)聚體遇水分散為較小團(tuán)聚體。C值僅在油松林的70 ～ 80 cm土層為正值，表明在該土層中直徑較大的水穩(wěn)性團(tuán)聚體較多，且分布相對(duì)集中。

根據(jù)公式(1)，通過線性擬合的方法，可計(jì)算出土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)()，結(jié)果見圖1。在刺槐林、油松林和蘋果園，線性擬合的相關(guān)系數(shù)分別在0.87 ～ 0.94、0.93 ～ 0.97、0.84 ～ 0.89，且線性相關(guān)均顯著，表明利用線性擬合的方法得到的值可信。刺槐林、油松林和蘋果園的值分別在2.86 ～ 2.90、2.71 ～ 2.76、2.90 ～ 2.94。在所有土層，值均表現(xiàn)為油松林最小，刺槐林次之，蘋果園最大，且差異顯著。值在同一樣地不同土層表現(xiàn)為：刺槐林和蘋果園表層(0 ～ 10 cm)土壤值最小，而油松林的70 ～ 80 cm土層最小，表層最大。

根據(jù)公式(2)和(3)，分別計(jì)算土壤團(tuán)聚體MWD和GMD，由圖1可知，刺槐林、油松林和蘋果園不同土層土壤MWD分別在0.18 ～ 0.27、0.35 ～ 0.57、0.11 ～ 0.15 mm；GMD分別在0.09 ～ 0.12、0.17 ～ 0.28、0.07 ～ 0.09 mm。MWD和GMD在各土層的大小順序一致，均為油松林>刺槐林>蘋果園。

根據(jù)公式(4)，計(jì)算出土壤團(tuán)聚體破壞率PAD，由圖2可知，PAD在刺槐林、油松林和蘋果園的不同土層分別在93% ～ 97%、83% ～ 95%、94 ～ 98%，平均值分別為95%、89% 和97%。除表層土壤外，PAD在3個(gè)樣地均表現(xiàn)為蘋果園>刺槐林>油松林，與值的大小順序一致。PAD 在油松林樣地剖面上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而逐漸降低，而在刺槐林和蘋果園樣地，表層最小。

2.2 土壤碳含量

土壤有機(jī)碳(SOC)和無(wú)機(jī)碳(SIC)含量見圖3。由圖3可知，SOC在刺槐林、油松林和蘋果園3個(gè)樣地不同土層的含量分別在4.55 ～ 18.00、9.67 ～ 29.02和4.81 ～ 13.10 g/kg，在各土層的大小順序均為油松林>刺槐林>蘋果園；在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為7.40 g/kg和13.76 g/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層的平均值為7.44 g/kg。SOC含量在表層土壤較高，表下層較低。SOC含量在刺槐林和蘋果園表下層土壤之間的差異不顯著。

SIC在刺槐林、油松林和蘋果園3個(gè)樣地不同土層的含量分別在23.29 ～ 27.69、4.11 ～ 11.88和14.81 ～ 16.92 g/kg，在各土層的大小順序均為刺槐林>蘋果園>油松林；在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為26.04 g/kg和8.83 g/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層平均值為15.84 g/kg。差異顯著性分析表明，SIC含量在同一土層不同樣地之間的差異均顯著。SIC含量在剖面上基本表現(xiàn)為隨土層深度的加深而逐漸增加的趨勢(shì)。

2.3 土壤呼吸

由圖3可知，24 h土壤呼吸(SR)量在刺槐林、油松林和蘋果園3個(gè)樣地不同土層分別為34.75 ～ 132.25、52.67 ～ 164.42、41.84 ～ 127.68 ml/kg，SR在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為59.39 ml/kg和90.55 ml/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層的平均值為69.16 ml/kg。SR在刺槐林和蘋果園之間差異不顯著。

圖1 土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性參數(shù)

圖2 團(tuán)聚體破壞率(%)

2.4 各指標(biāo)間的相關(guān)性

利用R基礎(chǔ)繪圖系統(tǒng)中的pairs( )函數(shù)繪制各土壤屬性之間的散點(diǎn)圖矩陣，分別見圖4 ～ 圖6。由圖4可以看出，不同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體中，0.1 ～ 0.2 mm團(tuán)聚體質(zhì)量占比與較大(>0.2 mm)和較小(<0.1 mm)團(tuán)聚體質(zhì)量占比相關(guān)性較小。較大團(tuán)聚體質(zhì)量占比之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.81 ～ 0.94，且均與MWD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.89 ～ 0.99。較大團(tuán)聚體(>0.2 mm)和較小團(tuán)聚體(<0.1 mm)質(zhì)量占比之間呈極顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。由圖5可以看出，MWD_dry僅與PAD顯著正相關(guān)，與其他各指標(biāo)之間的相關(guān)性不顯著。值與PAD呈線性正相關(guān)關(guān)系(0.90)，二者與MWD、GMD、C和C之間均呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。MWD、GMD、C、C之間呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)>0.98)，其中，C和C的相關(guān)系數(shù)為1.00。由圖6可以看出，SOC含量與SR和MWD呈正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.92和0.43，三者與SIC含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 人工林類型對(duì)土壤屬性的影響

相對(duì)于刺槐林和油松林，蘋果園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD最小，在0.114 ～ 0.153 mm，與郭玉文等[3]研究得出的黃土母質(zhì)的MWD約為 0.1 mm的結(jié)論接近?？梢?，果園土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與其母質(zhì)相似。在土壤剖面各土層內(nèi)，SOC含量、SR、MWD、GMD、C和C在3種人工林下的大小順序一致，為油松林>刺槐林>蘋果園，而和PAD的變化順序與之相反，為蘋果園>刺槐林>油松林?？梢?，相對(duì)于經(jīng)濟(jì)林，生態(tài)林建設(shè)可顯著提高SOC含量和土壤結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)性。許多學(xué)者[5,23-24]研究也都認(rèn)為在植被恢復(fù)過程中，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量增加顯著，MWD顯著升高，土壤結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。在兩種生態(tài)林類型中，相對(duì)于刺槐林，油松林的生態(tài)效益更加明顯。其中，油松林SOC含量顯著大于刺槐林，這一結(jié)論與前人[14]的研究結(jié)論一致。這主要是由于油松林枯落物中的碳含量大于刺槐林，且分解較慢，有利于養(yǎng)分的積累[13]。Chen 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，油松林細(xì)根生物量大于刺槐林，且細(xì)根生物量與SOC含量正相關(guān)。Cao等[26]研究發(fā)現(xiàn)，油松非結(jié)構(gòu)性碳濃度大于刺槐。油松林土壤結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性最好，這主要是由于松科植物可向土壤提供更多的有機(jī)碳，并可改善土壤的疏水性[27-28]。例如，Mataix- Solera 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，與其他樹種相比較，地中海松的枯枝落葉中富含蠟質(zhì)和芳香類物質(zhì)，因此，可在土壤中產(chǎn)生更多的疏水性物質(zhì)，而有機(jī)碳含量的增加與土壤疏水性物質(zhì)的增加密切相關(guān)。疏水性物質(zhì)在團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定性方面起重要作用[28]。油松林細(xì)根生物量大于刺槐林[25]，而細(xì)根又有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[29]。人工純林在我國(guó)黃土高原地區(qū)環(huán)境保護(hù)和土壤保持方面起重要作用，刺槐由于其廣泛的適應(yīng)性，而作為最重要的造林樹種[30]。但劉增文等[11]發(fā)現(xiàn)油松和刺槐純林都會(huì)引起土壤養(yǎng)分降低。而郭寶妮等[16]則認(rèn)為刺槐林地的肥力狀況和物理性質(zhì)好于油松林地；魏安琪等[15]也認(rèn)為，刺槐更能改善土壤微生物狀況；Liu 等[31]在我國(guó)亞熱帶嚴(yán)重退化的紅壤地區(qū)研究發(fā)現(xiàn)，土壤微生物生物量碳含量的順序?yàn)殚熑~林>針闊混交林>針葉林。因此，文中油松林生態(tài)效益更加顯著這一結(jié)論還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4 水穩(wěn)性團(tuán)聚體不同粒徑質(zhì)量占比及MWD散點(diǎn)圖矩陣

圖5 各團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)的散點(diǎn)圖矩陣

圖6 四個(gè)土壤屬性的散點(diǎn)圖矩陣

3.2 土壤碳含量對(duì)團(tuán)聚體水穩(wěn)性的影響

SOC含量與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指標(biāo)在3種人工林下的變化順序一致，且彼此呈顯著正相關(guān)關(guān)系。一方面，土壤團(tuán)聚體是由有機(jī)碳與土壤礦物膠結(jié)而形成，SOC是大團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定的最重要因素[32]，增加SOC含量可顯著提高團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，進(jìn)而可有效防止土壤侵蝕[5]；另一方面，SOC也受到大團(tuán)聚體的保護(hù)[33]。

SIC含量與MWD關(guān)系較復(fù)雜(圖7)。由圖7可以看出，SIC在不同的含量區(qū)間，表現(xiàn)出與MWD不同的相關(guān)性。其中，當(dāng)SIC含量較低時(shí)(在油松林土壤剖面上)，其與MWD呈線性正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)SIC含量較高時(shí)(在刺槐林土壤剖面上)，其與MWD呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)SIC含量居中時(shí)(在蘋果園土壤剖面上)，其與MWD無(wú)相關(guān)性。郭玉文等(2004)[3]研究認(rèn)為，溶解出的Ca2+越多，團(tuán)粒的MWD越小，導(dǎo)致團(tuán)粒結(jié)構(gòu)越分散。而其(2008)[9]則認(rèn)為，碳酸鈣作為微結(jié)構(gòu)中的骨架顆粒，在維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。因此，本文假設(shè)，SIC含量存在某一閾值范圍，當(dāng)高于該閾值時(shí)，在快速濕潤(rùn)過程中，隨碳酸鈣的溶解，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)隨之破壞；當(dāng)?shù)陀谠撆R界值時(shí)，碳酸鈣可作為土壤團(tuán)粒膠結(jié)劑。郭玉文等2004[3]和2008[9]研究中的供試土壤碳酸鈣的含量分別為26.1% 和13.61%，因此兩篇文章中得出的結(jié)論不同，可能與供試土壤碳酸鈣含量不同有關(guān)。Wuddivira和Camps-Roach[34]研究發(fā)現(xiàn)，在Ca2+濃度為2.7和3.1 cmol/kg的土壤中添加Ca2+會(huì)增加水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，相反，在Ca2+濃度為13.9 cmol/kg的土壤中添加Ca2+，則會(huì)使更多團(tuán)聚體分散。Virto等[35]也認(rèn)為，相對(duì)于碳酸鹽含量為30% 的土壤，含量為15% 的碳酸鹽在團(tuán)聚體中起主要膠結(jié)作用。另外，石宗琳等[7]也認(rèn)為，土壤碳酸鈣含量與MWD和GMD呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而與PAD呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其供試土壤碳酸鹽含量較低，在4.0% ～ 6.5%。以上研究與本文這一假設(shè)相符。這主要是由于碳酸鈣含量較低時(shí)，其中的Ca2+可作為鍵橋，將石灰性土壤中黏土礦物與胡敏酸連接起來(lái)，形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)；但如果碳酸鈣含量較高時(shí)，有機(jī)碳和黏粒含量相對(duì)較少，則過多的碳酸鈣溶解于水，而溶于水的Ca2+有較大的水合半徑，會(huì)促使團(tuán)粒結(jié)構(gòu)破碎[34]。本文中的蘋果園土壤有機(jī)碳含量最少，而無(wú)機(jī)碳含量較多，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最差，遇水極易散開，從而具有較大的土壤侵蝕和養(yǎng)分流失的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在果園管理中，應(yīng)多施用有機(jī)肥，將團(tuán)聚體膠結(jié)劑由無(wú)機(jī)碳逐漸改變?yōu)橛袡C(jī)碳，并利用節(jié)水灌溉以減少由于無(wú)機(jī)碳的淋溶和移動(dòng)導(dǎo)致的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的破壞[9]。相對(duì)于表下層，表層SOC含量顯著最高，這與表層土壤中有大量的枯枝落葉有關(guān)。雖然油松林SOC含量在表層最高，但是，油松林土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性在土壤剖面上表現(xiàn)為隨土層深度的增加而增加。可見，當(dāng)表下層SOC含量較低時(shí)，碳酸鹽作為土壤團(tuán)粒的膠結(jié)劑，增加了大團(tuán)聚體穩(wěn)定性[29]。土壤中的碳酸鈣含量隨土層深度的增加而增加，這主要是由于在降雨的作用下，上部移動(dòng)的碳酸鈣在下部土層聚集[9]。

圖7 3種人工林下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD和土壤SIC含量的關(guān)系

4 結(jié)論

人工林類型顯著影響水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成比例和穩(wěn)定性。相對(duì)刺槐林和蘋果園土壤，油松林土壤剖面不同土層大團(tuán)聚體含量、MWD、GMD、C、C等土壤團(tuán)聚體水穩(wěn)性指標(biāo)顯著最大，而分形維數(shù)值和團(tuán)聚體破碎率(PAD)最小，各土層土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為良好狀態(tài)，且油松林土壤有機(jī)碳含量和土壤呼吸也最高。3種人工林類型中，油松林生態(tài)效益最顯著，刺槐林居中，而蘋果園土壤有機(jī)碳含量最小，團(tuán)聚體破碎率高，水穩(wěn)性差，因此應(yīng)增加果園有機(jī)肥的施入。在土壤無(wú)機(jī)碳含量較高時(shí)，會(huì)引起黃土丘陵區(qū)土壤結(jié)構(gòu)破碎，此時(shí)，可通過提高土壤有機(jī)碳含量，降低土壤無(wú)機(jī)碳含量，以改善土壤結(jié)構(gòu)，降低土壤遭受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)；而在油松林下，土壤碳酸鈣含量較低時(shí)，其在水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成中起膠結(jié)作用。建議在黃土丘陵區(qū)進(jìn)行植被建設(shè)時(shí)，選擇種植油松為宜。

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Effects of Artificial Forest Types on Soil Properties in Loess Hilly Area of Weibei of Shaanxi

DONG Lili, KOU Meng

(College of Resources, Environment, History and Culture, Xianyang Normal University, Xianyang, Shaanxi 712000, China)

Thesoils were collected frompure forest,pure forest and apple orchard (Malus pumila) on the same slope, soil structure stability (aggregate composition), organic carbon, inorganic carbon and soil respiration were determined, and then the effects of artificial forest types on soil properties in the loess hilly area of Weibei of Shaanxi and the roles of soil organic and inorganic carbon in the formation of water stable aggregates were discussed.The results showed that disaggregation rates of soil aggregates were high under the three forest types.Water stability indexes of soil aggregates, soil organic carbon and respiration in the three forest types were in the order of>>, soil inorganic carbon was in the order of>>.Negative correlation existed between soil organic carbon and inorganic carbon, and they were positively and negatively correlated with water stability of aggregates respectively.Meanwhile, inorganic carbon had a threshold value, positive or negative correlation with water stability of aggregates existed when it was lower or higher than the threshold value.Therefore, when inorganic carbon is high, measures should be taken to decrease it and increase soil organic carbon for the improvement of soil structure and the alleviation of soil erosion.Significant positive correlations existed among different stability indexes of soil structure and between stability indexes of soil structure with soil organic carbon and respiration.In conclusion, artificial forest type can significantly affect soil properties andis better thanin improving soil quality.

Water stability of soil aggregates; Soil carbon; Type of plantation; Loess hilly region

S714.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.023

董莉麗, 寇萌.渭北黃土丘陵區(qū)人工林類型對(duì)土壤屬性的影響.土壤, 2021, 53(4): 841–849.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41907053)、陜西省教育廳科研計(jì)劃項(xiàng)目(20JK0971)和咸陽(yáng)師范學(xué)院校級(jí)項(xiàng)目(XSYK19027)資助。

董莉麗(1979—)，女，陜西扶風(fēng)人，博士，副教授，主要從事生態(tài)修復(fù)與環(huán)境效益評(píng)價(jià)研究。E-mail: 527172621@qq.com