刺槐林和柠条林土壤剖面理化性质对比及相关性分析

吕海波，梁宗锁

(1．中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌712100;2．渭南师范学院，陕西渭南714000;3．西北农林科技大学生命学院，陕西杨凌712100)

土地利用方式的改变不仅改变着生态环境，而且通过土壤碳库的改变影响着植物—土壤—大气这一碳循环过程，进而影响着全球变暖现象。土壤碳库是陆地生态系统中一个活跃的成分，其内在的转化与外在的交换过程同时进行［1］。目前，土地利用方式改变对土壤环境及土壤碳库的影响是国内外相关领域的一个研究热点，农地转化为林地能够改善土壤温度和湿度、土壤团聚体含量、土壤微生物含量，进而影响土壤碳库的动态变化特征［2－3］。目前的研究主要是针对土壤表层理化性质对土地利用方式改变的响应，对于深层土壤的相关研究并不多见。相对于表层土壤，深层土壤有机碳(SOC)具有很高的稳定性，能够长期储存在土壤碳库中［4］，因此对深层土壤理化性质的研究能够有助于进一步理解有机碳动态变化机制，增强对深层土壤碳库演变的预判能力。当前黄土高原的植被恢复研究已经证明对表层土壤理化性质及SOC 产生了深刻影响［5－6］。本研究选择黄土高原纸坊沟流域退耕后的人工柠条林和刺槐林，通过对两种退耕林地土壤理化性质各指标的相关性进行分析和对比研究，探索了不同退耕林下土壤理化性质的响应机制，以期为退耕还林及其土壤碳库效应的评价提供一定的理论依据。

1 研究区概况

陕西省安塞县纸坊沟流域是中科院安塞水土保持试验站生态恢复定位试验研究小流域，研究区自1974年开始在局部地域退耕还林，经过30 多年的水土保持治理，林地面积从1980年的不足5%增加到40%以上，流域生态经济系统进入良性循环阶段［7－8］。

纸坊沟流域位于109°13'46″—109°16'03″E 、36°42'42″—36°46'28″N 之间，海拔1 010～1 400 m，地形破碎，沟壑纵横，属黄土高原丘陵沟壑地貌，气候类型为暖温带半干旱季风气候，年均气温8．8 ℃，年均降水量505．3 mm。土壤为黄土母质下的黄绵土，抗侵蚀能力差，受风蚀水蚀交错影响。植被类型属于暖温带落叶阔叶林向干草原过渡的森林草原带［7］。

2 研究材料和方法

2．1 土壤样品

土样采自纸坊沟峙崾岘东部黄土梁。2009年7月，选择同一坡面上毗邻的退耕林地C78(1978年刺槐林)、N75(1975年柠条林)和农地H74(至少自1974年一直为农地，不施化肥，种植玉米、马铃薯、糜子等作物)，用GPS 卫星定位仪进行定位，量算坡中海拔、样地坡度和坡向以及样地面积，每块样地随机选择3 个10 m×10 m 的样方，目测树高、郁闭度、盖度，量算树冠直径、胸径等概况，同时每个样方收集50 cm ×50 cm 地表枯落物，烘干后称重并取平均值(表1)。林地下部草本植物主要由铁杆蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(A．giraldii)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、长芒草(Stipa bungeana)组成。

在样地中取相邻4 棵树中间点作为取样点，每块样地按棋盘式挖掘9 个剖面，按0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100 cm 分别采样，同坡位的3 个剖面根据深度均匀混合土样，装入自封袋带回实验室分析。每个剖面采样11 个，共采样99 个，每份土样重800 g 左右。土壤容重和含水量用容重环间隔20 cm 采样测定。

表1 研究样地概况

2．2 样品处理和室内分析

采样当天进行土壤容重和含水量的测量。其他样品在实验室风干2～3 d，用方格法取土样磨碎并分别通过直径1 mm和0．25 mm 的筛，仔细挑出枝叶、根系、蜗牛壳及钙结核等并称量，前者用来进行土壤物理性质分析，后者用作土壤化学组成分析。制备好的样品放入自封袋中在2 ℃下保存待测。

SOC 含量采用重铬酸钾外加热法测定，全N 含量采用半微量凯氏法(FOSS2300 全自动定氮仪)测定，碳酸钙含量用气量法测定，粒度采用激光衍射法(马尔文激光颗粒分析仪MS－2000)测定。所有样品均重复测3 次。

2．3 数据分析

采用Excel 2003 和SPSS 16．0 进行数据分析，多个变量间线性相关分析采用Pearson 法(P=0．05)，差异显著性分析利用one way－ANOVA 中的LSD 法(P=0．05)。

根据国际制土壤质地分类，结合各粒级土壤粒径与深度的相关分析结果，将粒度分析结果合并为＜0．02 mm(细分为＜0．002 mm 和0．002—0．02 mm)、0．02—0．2 mm、0．2—1 mm粒径土壤颗粒进行分析。

3 试验结果

3．1 样地表层及深层各指标差异性分析

一般认为，土壤理化性质对地表植被变化的响应随着深度的增加而逐渐减弱，结合剖面各指标聚类分析结果，本研究分0—20 cm 和20—100 cm 对样地各指标进行差异分析(见表2、3)。

从表2、3 对各级粒度的差异分析发现，除了占较小百分含量的0．2—1 mm 粒径以外，H74 与C78 样地0—20 cm 深度各粒级土壤含量呈显著差异，20—100 cm 深度差异不显著;H74 与N75 样地相比，0—20 cm 深度各粒级土壤含量差异不显著，而20—100 cm 差异显著。

表2 样地0—20 cm 深度土壤各参数对比

表3 样地20—100 cm 深度土壤各参数对比

研究证明植被覆盖对土壤的改良和培肥作用主要表现在改善土壤的质地上［9］。植被对土壤的影响表现在植物根系对土壤的挤压、穿插和分割作用，以及死亡根系和枯枝落叶产生的有机质及根系分泌物对土壤性质的影响等方面［10－11］。两种退耕林对土壤质地的影响反映了改善土壤环境效果的差异。

由表2 和表3 可以看出，刺槐林对土壤粒度的影响主要表现在土表(0—20 cm)，而柠条林更能改善深层土壤(20—100 cm)的物理性质。与H74 相比较，两种退耕林地SOC 和全N 含量在表层和深层都有不同程度的增加，C78 样地表层SOC 增加了68．3%，深层没有明显变化，而N75 样地表层和深层SOC 含量都与H74 差异显著，较H74 分别增加了16．6 %和24．3 %。与N75 相比，C78 样地SOC 和全N 含量都表现为表层增加量大于N75，而深层则低于N75。另外，柠条林地的CaCO3含量在3个样地中最高。

3．2 样地土壤剖面SOC 含量、粒度、C/N 值、全氮相关性分析

3．2．1 SOC 含量与全N 含量相关性

对样地土壤剖面各指标进行两变量间线性相关分析(表4)，结果显示0—100 cm 深度SOC 含量与全N 含量各样地间都呈极显著相关(P=0．01)，说明柠条林和刺槐林下的土壤全N主要表现为有机态形式。

表4 样地土壤剖面各指标线性相关指数

3．2．2 SOC 含量与C/N 值相关性

C/N 值对有机质状态的反映可以从两个方面说明:在土壤学领域，C/N 值被用来反映有机质的可降解程度，高的C/N 值对应低的降解能力;而在古土壤研究领域，C/N 值又被用来反映有机质的来源和富集程度，古土壤层的SOC 含量和C/N 值大于黄土层，且呈正相关［12］，古土壤层地质时期存在的新鲜SOC 经长期的分解转化，易降解成分不断转化消耗，C/N 值增高，稳定成分富集并保存。

C78 样地SOC 含量与C/N 值呈显著正相关(P =0．05)，这与农地深层土壤(20—100 cm)类似(表4)，说明在刺槐林成长过程中，易降解SOC 处于快速转化状态，C/N 值越高，越有利于易降解SOC 分解产物(分解产物包括CO2、无机碳及难降解SOC)富集，形成了SOC 富集的正反馈过程，进一步反映了退耕刺槐林地存在土壤碳汇效应。

刺槐和柠条同属豆科植物，其根系分布特征的不同导致根系固氮量的深度差异。刺槐林高密度根系主要分布在土壤60 cm 深度以下，而柠条林根系在浅层土壤中就有较高的密度。柠条林由于发达的根系氮分馏作用更大地影响了C/N 值，因此本研究中柠条林样地没有发现SOC 含量与C/N 值的强相关。

3．2．3 SOC 含量、C/N 值与土壤粒度的相关性

表4 以10 cm 递增的深度变化尺度逐一进行相关性分析，以筛选出特征层。20—100 和40—100 cm 深度出现相关性显著特征:H74 样地土壤剖面20—100 cm 深度C/N 值与＜0．02 mm 粒径土壤含量相关系数达到0．857 极显著相关，其中与0.002—0．02 mm 粒径土壤含量达到0．964 极显著相关，而SOC含量与0.002—0．02 mm 粒径土壤含量为0．763 显著相关;C78样地在0—100 cm 土壤剖面上SOC 含量与0．2—1 mm 粒径土壤含量极显著相关，在40—100 cm 深度SOC 含量与＜0．002 mm 粒径土壤含量达到0．899 显著相关，同时与C/N 值显著相关，40—100 cm 深度C/N 值与＜0．02 mm 粒径土壤含量相关系数为0．273，由0—100 cm 的负相关转为正相关;N75 样地0—100 cm 深度SOC 含量与0.2—1 mm 粒径土壤含量为极显著相关。

土壤机械组成对有机质的稳定性有直接和间接的影响，一般认为中砂粒组、粗粉砂粒组和细黏粒组中的有机质是土壤有机质的易分解碳库，而细粉砂粒组和粗黏粒组中的有机质是土壤有机质的惰性碳库［13－14］。农地土壤由于缺乏新鲜有机物的加入，深层土壤SOC 活性较低，对应于高的C/N 值，土壤中黏粒、粉砂粒物质成为旧有SOC(高的C/N 值)的载体，导致了C/N 值、SOC 值分别与小颗粒土壤含量的强相关。刺槐林深层土壤高C/N 值SOC 含量逐渐增加，新鲜有机质增加量逐渐减少，随深度增加，更多的SOC 在细粒土壤中储存，因此C/N 值、SOC值以及粒度两两相关程度在浅层和深层有明显差异。另外，由于＞0．2 mm 粒径土壤所占比例较少，两个退耕林地SOC 含量与＞0．2 mm 粒径土壤含量极显著相关可能是由于土样中的植物碎屑和动物残体引起的，不能反映真实情况。

4 讨论和结论

(1)与H74 样地相比较，C78 样地土壤SOC 含量及粒度的差异主要表现在土壤表层(0—20 cm)，而N75 样地则主要表现在土壤底层(20—100 cm)。两个退耕林样地相比较，C78 样地SOC 和全N 含量都表现为表层增加量大于N75，而深层则低于N75。两种退耕林土壤理化性质的深度分异归因于两者根系分布的差异。柠条林根系属轴根分蘖类型，有很强的穿透力，根系生长过程中疏松了土壤，物理条件得到改善［10］，根系分泌的有机酸降低了根际pH 值，活化了根际土壤难溶性养分，提高了养分有效性［15］，加之根系极其发达，疏松的土壤环境有利于上层新鲜有机质的淋溶和植物碎屑的迁移，再加上深层土壤根系分泌物较多，最终导致由柠条林带来的SOC 的增加更多地向深层分配。刺槐林由于根系分布较深，大多分布在土层40 或60 cm 以下，表层枯落物由于缺乏根系的疏松作用，其淋溶有机物和碎屑难以下移到土壤深层，导致了深层土壤相关指标的影响幅度较小。有研究证明刺槐林地与退耕前相比，SOC 变化主要表现在0—10 cm 土层，深层土壤没有明显差异［6］，这与本研究结果一致。

(2)土壤黏粒通过小孔隙的包被对SOC 有保护作用，土壤中黏粒含量越多，稳定的SOC 储量就越多，C/N 值就越高，而活性SOC 含量则越低。H74 样地深层土壤SOC 含量、0．002—0.02 mm 粒径土壤含量以及C/N 值两两之间显著正相关，说明H74 样地大部分SOC 成分被吸附在粒径较小的黏粒和粉砂粒中，稳定SOC 含量较高，而活性SOC 含量较低。相比于参照农地(H74)，刺槐林样地(C78)随深度增加，各参数相关性逐渐表现出同H74 类似的趋势，0—100 cm 深度SOC 含量与C/N 值的相关系数为0．675(显著相关)，40—100 cm 深度相关系数增大到0．744(显著相关)，0—100 cm 深度SOC 含量与＜0．002 mm粒径土壤含量为负相关，而40—100 cm 深度则呈显著正相关，表明刺槐林深层土壤理化性状类似于参照农地，农田退耕为刺槐林对深层土壤SOC 及土壤机械组成的影响有限。柠条林地各土壤指标并未表现出深度分异特点，退耕柠条林表现出了对深层土壤理化性状的较大影响。张飞等［16］通过研究发现，柠条林能够降低土壤容重、改善毛管孔隙状况，疏松的土壤能够加强土壤养分和水分的运移能力，影响深层土壤的理化性质，这与本研究结果一致。

(3)本研究通过对柠条林地和刺槐林地土壤剖面各深度理化性质相关指标的差异度和相关度进行分析，发现与退耕前相比，刺槐林地各指标的差异主要表现在土表0—20 cm 深度范围内，而柠条林地则表现在土壤深层20—100 cm 范围内，反映出退耕后的刺槐林地和柠条林地存在不同的土壤发生过程，土壤中的碳在剖面中的输入、转移和保存受到了影响。至于这种影响是否会对两种退耕林地土壤碳库的固存、碳汇总量的计算和评价造成影响目前尚不能下定论，仍需做进一步研究。

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