麻栎林龄对土壤水稳性团聚体及其有机碳含量的影响①

王 灿，胡海波*，范 真，连经纬

麻栎林龄对土壤水稳性团聚体及其有机碳含量的影响①

王 灿1,2，胡海波1,2*，范 真1,2，连经纬1,2

(1 南京林业大学南方现代林业协同创新中心，南京 210037；2 江苏省水土保持与生态修复实验室，南京 210037)

为了解林龄对土壤团聚体及其有机碳含量的影响，探求各级团聚体中碳含量与团聚体稳定性之间的关系，以17、26和65 a的麻栎人工林为对象，研究了林地0 ~ 40 cm土壤水稳性团聚体组成、团聚体水稳定性以及各级团聚体有机碳含量的变化规律和相互关系。结果表明：①林龄对土壤团聚体组成及其水稳定性影响显著，影响效果随林龄增加而增强，随土层加深而减弱；②林龄对土壤团聚体有机碳含量影响显著，影响程度随林龄增加而增强；③<0.25 mm土壤团聚体有机碳含量与各级土壤有机碳含量密切相关，也是影响团聚体水稳定性的主要因素。

土壤团聚体；有机碳；稳定性；麻栎

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，是土壤中碳储存的重要场所[1]，全球范围内70% ~ 73% 的有机碳存在于森林土壤，90% 集中于表层土壤团聚体中[2]。土壤碳库中无机碳较为稳定，因此土壤有机碳是参与碳循环的主要成分[3]。有机质在胶结土壤颗粒促进微团聚体形成的同时，也受到了土壤颗粒的包裹，产生一定物理保护[4]，性质较为稳定。而由微团聚体胶结形成的大团聚体中的有机碳容易受到土壤表面植被覆盖、土地利用方式、微生物等因素的影响。这些因素通过改变向土壤中有机物质的输入，使得土壤养分和微生物活性发生变化，从而造成土壤团聚体结构和土壤有机碳的动态变化[5-9]。团聚体的稳定性可以作为团聚体保护有机碳能力的指标，同样也是评价土壤物理性质和抗侵蚀能力的重要指标[10]。其中，土壤水稳性团聚体对碳动态变化比较敏感[11]，被认为是监测土壤碳含量动态变化的指标[12]。

目前的研究集中于不同土地利用方式[13-14]以及不同树种[15-16]对土壤团聚体及其有机碳含量的影响，而针对同一树种土壤团聚体及其有机碳含量受林龄影响的研究较少。为了了解林龄对土壤团聚体结构变化与有机碳含量的影响，探求各级团聚体中碳含量与团聚体稳定性之间的关系，本研究以空间代替时间，选取3块不同林龄的麻栎()人工林，对土壤水稳定性团聚体组成及其有机碳含量进行测定，期望阐明不同林龄土壤中团聚体组成、有机碳含量和稳定性的变化，弄清土壤有机碳含量与团聚体稳定性的关系，掌握土壤团聚体结构和有机碳随林龄的变化趋势，为进一步研究土壤碳库的动态变化提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验林地位于江苏省镇江南京林业大学实习林场与句容林场，地理位置位于119°14′E，32°7′N。属于亚热带季风气候区，四季分明，热量充足。年平均气温15.2 ℃，极端最高和最低温度为39.6 ℃和-16.7 ℃，无霜期平均233 d，年平均降水量1 055.6 mm，集中在6—8月。试验样地土壤质地为黄棕壤，基本概况见表1。

1.2 样品采集与试验方法

在选定的3块林地中，沿坡面分别在坡上、坡中、坡下各设1个20 m×20 m的正方形样地，每个样地沿对角线等分，取3个样点。在各样点取0 ~ 10、10 ~ 20、20 ~ 40 cm土层的原状土，将各样点土样分别装入塑料盒运回。剔除土样中的根系、石块，剥成8 ~ 10 mm土块置于室内风干，过5 mm筛。

表1 试验样地概况表

土壤水稳性团聚体(简称团聚体)测定：使用Yoder湿筛法[17]，取过筛土样50 g，先用慢速湿润法湿润样本5 min[18]，再置于团聚体分析仪上，以30次/min、振幅3.2 cm，震荡30 min。分析仪套筛孔径分别为2、1、0.5、0.25 mm。烘干，称重。土壤容重测定：环刀法；pH测定：pH计法；土壤团聚体有机碳含量测定采用重铬酸钾外加热法[19]。

1.3 数据计算与处理

平均重量直径(mean weight diameter，MWD)、>0.25 mm水稳性团聚体百分比(0.25，%)是描述团聚体水稳定性的常用参数，可以判断土壤结构的优劣，其值越大，土壤结构越好，水稳性越强[21]。其计算方式如下。

平均重量直径：

使用Excel和SPSS 23.0软件对坡度、郁闭度进行协方差分析，对同林龄不同土层与同土层不同林龄的土壤团聚体含量、团聚体水稳定性、有机碳含量进行方差分析及多重比较，对各级水稳性团聚体有机碳含量与其水稳性特征值进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 林分因子对土壤团聚体组成及其稳定性的影响

林地坡度、郁闭度影响降雨条件下林内地表径流的产生以及林内土壤受到的雨水冲刷[20]，从而对林内土壤团聚体组成及其稳定性产生作用。为了明确本研究中坡度、郁闭度因素的影响，以各级团聚体颗粒含量、团聚体水稳定性指标为因变量，将林龄作为主变量，分别对林地坡度、郁闭度因素进行协方差分析，结果见表2。由表可知，林地坡度、郁闭度对于土壤团聚体颗粒含量组成及其稳定性无显著影响，在进行林龄对团聚体及其稳定性分析时，可将其剔除。

表2 林分因子协方差分析P值

注：>0.05 表示林分因子影响不显著。

2.2 林龄对土壤团聚体组成的影响

土壤植被变化会导致土壤团聚体组成的变化，3 块林地土壤团聚体组成如表3。从表3 看出，>2 mm 土壤团聚体含量最高，0.25 ~ 0.5 mm 土壤团聚体次之，其余3 个等级在不同林地不同土层中分布各有差异。总体趋势表现为，>1 mm 的土壤团聚体随土层加深而减小，<0.5 mm 的团聚体随土层加深而增加。

根据各级土壤团聚体含量在同林龄不同土层与同土层不同林龄的差异显著性分析可以看出，在17 a 生林地各土层与各林地20 ~ 40 cm 土层中，各级土壤团聚体含量无显著差异。然而随林龄的增加，各级团聚体在不同土层、不同林龄间产生显著差异。

>2 mm 团聚体在0 ~ 10、10 ~ 20 cm 土层中的含量随林龄增加而升高，0 ~ 10 cm 土层中17、26 a 间无显著差异，65 a 林地显著增加，与17、26 a 林地相比，增加比例为58.33%、48.09%；在10 ~ 20 cm 土层中，3个林龄间>2 mm 团聚体含量均无显著差异，65 a 林地与17、26 a 林地相比，增加比例分别为34.59%、21.71%，增加比例随土层加深而减小。由于不同土层团聚体含量随林龄变化量不同，>2 mm 团聚体含量在26 a 林地0 ~ 10、10 ~ 20 与20 ~ 40 cm 土层间产生显著差异，65 a 林地0 ~ 10 cm 与10 ~ 20、20 ~ 40 cm 土层间产生显著差异。26、65 a 生林地郁闭度高，土壤表层枯落物丰富，能够有效拦截降雨，减少地表径流，减轻土壤受到的机械破坏作用。同时随着林龄增长，林地土壤有机碳含量的增加也促进了大团聚体的形成。

表3 不同林地土壤团聚体分布(%)

注：同列数据小写字母不同表示同林龄不同土层间差异显著 (< 0. 05)，大写字母不同表示同土层不同林龄间差异显著(< 0.05)，下表同。

1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm 团聚体含量稳定，在0 ~ 10 cm 土层中表现为26 a 林地最高，而10 ~ 20 cm 土层中则26 a 林地最低。仅26 a 林地中存在不同土层间的显著差异，随林龄变化的显著性差异仅存在于26、65 a 林地之间。

0.25 ~ 0.5 mm和<0.25 mm土壤团聚体在0 ~ 10 cm土层中都随林龄增大而减小，65 a林地团聚体含量与17、26 a相比差异显著；10 ~ 20 cm土层中这两个等级的团聚体含量表现出先增大再减小的趋势，仅26 a林地中<0.25 mm团聚体含量与16、65 a林地之间显著差异。0.25 ~ 0.5 mm团聚体含量在各林龄0 ~ 10、10 ~ 20 cm土层间差异显著，26、65 a林地10 ~ 20 cm土层中的含量比0 ~ 10 cm土层中含量分别高38.56%、52.23%，说明小粒径团聚体在0 ~ 10 cm土层中受到胶结作用强于10 ~ 20 cm土层。<0.25 mm团聚体在17 a林地各土层间无显著差异；26 a 林地的3个土层间差异显著；65 a林地中<0.25 mm团聚体含量在0 ~ 10 cm与10 ~ 20 cm土层中大幅减少，使两个土层间无显著差异，这一趋势随着林龄增大是否会继续，需要进一步研究。

2.3 林龄对土壤团聚体水稳定性的影响

平均重量直径(MWD)和 >0.25 mm 水稳性团聚体百分比(0.25)是表征团聚体水稳定性的重要指标。林分土壤团聚体水稳定性特征值如图1。

(图中小写字母不同表示同林龄不同土层间差异显著( P < 0. 05)，大写字母不同表示同土层不同林龄间差异显著( P < 0. 05))

从图1可以看出，随着土层深度增加，同林龄土壤平均重量直径和0.25都呈现减小趋势，随着麻栎林龄的增加，差异达显著性水平。因此，随着土层深度的加深，土壤团聚体的水稳定性减弱，表层枯落物、较高的有机质含量、较好的外部环境条件都是产生这一现象的原因[21-22]。

在0 ~ 10 cm与10 ~ 20 cm土层中，平均重量直径呈现随林龄增加而增加的趋势，17 a与26 a之间的差异较小，65 a与26、17 a相比，差异显著增加。20 ~ 40 cm土层平均重量直径随林龄变化没有显著差异，但65 a与17、26 a相比，还是表现出一定的增大。就各土层平均重量直径随林龄的增量而言，0 ~ 10 cm土层中17 ~ 26 a、26 ~ 65 a、17 ~ 65 a的增量分别为0.11、0.38、0.49；10 ~ 20 cm土层中这一值的大小为0.06、0.24、0.30；20 ~ 40 cm土层中则为-0.06、0.17、0.11。可以看到，随着土层加深，增量值逐渐减小，说明林龄对土壤水稳定性团聚体的影响随土层深度的增加而减弱。

>0.25 mm水稳性团聚体百分比(0.25)随林龄的显著变化主要发生在26 a林地的0 ~ 10 cm土层，65 a林地的10 ~ 20 cm土层与20 ~ 40 cm土层中。26 a与17 a相比较，17 a0.25随土层增加无显著变化，26 a 3个土层的变化量分别为5.87%、-0.82%、-4.85%；而65 a与17 a相比，0.25变化量相对稳定，分别是7.48%、8.21%、7.24%。同样，在26 ~ 65 a这一较长时间段内，各土层0.25的变化量分别是1.61%、9.03%、12.09%，表现出增长趋势，并且土层越深增量越大。这一现象说明麻栎林在较长时间尺度上能够稳定地改良土壤团聚体结构。

2.4 林龄对土壤团聚体有机碳的影响

土壤有机碳含量与土壤水稳性团聚体形成密切相关，团聚体是有机碳的重要储存场所，而大团聚体是由微团聚体受有机质的胶结形成(表4)。

由表4可以看出，各林龄土壤有机碳含量总体表现为0 ~ 10 cm>10 ~ 20 cm>20 ~ 40 cm。17、26 a林地中，0 ~ 10 cm与10 ~ 20 cm两个土层间部分等级团聚体有机碳含量差异显著；65 a林地中，0 ~ 10 cm土层各级团聚有机碳含量与10 ~ 20 cm土层有显著差异；各林龄20 ~ 40 cm 土层各级团聚体有机碳含量均低于0 ~ 10、10 ~ 20 cm土层，且大部分团聚体在10 ~ 20、20 ~ 40 cm两个土层间有机碳含量差异显著。目前，学者们对人工林土壤碳储量变化进行了深入研究[23-25]，认为导致土壤碳储量变化的原因是由于同一树种在不同林龄状态下，其林分密度、郁闭度以及林下植被不同所致。植物生长所需的营养主要来自根系吸收，经凋落物腐化转移至表层土壤，从而具有随林龄增加土壤有机碳含量差异逐渐增大的特征。

表4 土壤团聚体有机碳含量(g/kg)

将不同林龄同层土壤中各级团聚体有机碳含量进行比较：0 ~ 10 cm土层中，65 a林地中各级团聚体有机碳含量远高于17、26 a林地且差异显著；在17、26 a林地中，除0.5 ~ 1 mm外的4个等级团聚体有机碳含量均随林龄增加产生显著性差异；其中>2 mm、1 ~ 2 mm团聚体有机碳含量随林龄增加而升高，0.25 ~ 0.5 mm、<0.25 mm则相反。10 ~ 20 cm土层中，各级土壤团聚体有机碳含量随林龄增加的增量较小，仅65 a林地中<0.25 mm团聚体有机碳含量与26、17 a存在显著差异；20 ~ 40 cm土层各级团聚体有机碳含量在17、26 a林地中基本保持稳定，65 a团聚体有机碳含量显著增加。0 ~ 10 cm土层中，由于林冠、地被和枯落物对地表土壤的保护及低强度的人为活动干扰，使得土壤团聚体免遭破坏，对有机碳起到保护作用，有利于土壤有机质的不断累积，而10 ~ 20、20 ~ 40 cm土层中团聚体有机碳含量主要受到植物根系影响，因此较为稳定[26]。

2.5 土壤有机碳含量与团聚体稳定性的关系

对各级水稳性团聚体有机碳含量与其水稳性特征值进行相关分析(表5)。从表5可以看出，各等级团聚体有机碳含量之间都有显著的正相关关系。>2 mm、1 ~ 2 mm、0.5 ~ 1 mm土壤团聚体有机碳含量在<0.05水平上显著相关，相关系数在0.714 ~ 0.774之间；0.25 ~ 0.5 mm、<0.25 mm土壤团聚体有机碳含量与绝大部分团聚体有机碳含量在<0.01水平上相关，相关系数在0.802 ~ 0.942之间。<0.25 mm与其余各级团聚体的相关系数随着团聚体粒径的增大而减小(>2 mm除外)，<0.25 mm与0.25 ~ 0.5 mm、>2 mm团聚体有机碳含量的相关系数处于较高水平，分别为0.942、0.870。由此可见，>0.5 mm团聚体有机碳含量之间的相互影响与其受到<0.5 mm团聚体有机碳含量的影响相比，相对较小；而<0.25 mm与0.25 ~ 0.5 mm团聚体中有机碳含量对土壤各级团聚体有机碳含量有重要影响。

表5 土壤水稳性团聚体有机碳含量与稳定性的相关关系

注：* 表示在<0.05 水平(双侧)上显著相关，** 表示在<0.01 水平(双侧)上显著相关。

平均重量直径与各级有机碳含量都显著相关，相关系数随团聚体粒径减小呈“V”型分布，与<0.25 mm、0.25 ~ 0.5 mm团聚体碳含量相关系数分别为0.955、0.902。0.25与平均重量直径相关关系在<0.01水平上显著；与各级团聚体碳含量都表现出一定的正相关关系，但仅与<0.25 mm团聚体碳含量在<0.05水平上显著。可见，土壤团聚体水稳性的影响因素以<0.25 mm团聚体有机碳含量为主，其原因可能是有机碳主要分布于<0.25 mm团聚体中[27]，而大团聚体主要依靠<0.25 mm团聚体胶结所致。

3 讨论

本研究中选取了17、26、65 a 3个林龄的麻栎作为研究对象，其中17 a与26 a之间时间跨度较短，而26 a与65 a时间跨度较长。研究发现，各级土壤团聚体分布较为均匀，其中>2 mm团聚体含量稍多，这可能与植物种类以及土质有关，土质决定了团聚体的基本分布结构，植物能对团聚体结构起到改良作用。罗珠珠等[7]在研究黄土高原苜蓿种植年限对土壤团聚体影响时，在多个种植年限下测得<0.25 mm水稳性团聚体占主要地位；王连晓等[28]在研究热带地区砖红壤种植不同年限的橡胶树时，测得0.5 ~ 1 mm、<0.25 mm水稳性团聚体占主要地位。

土壤各级团聚体有机碳含量、团聚体稳定性随土壤深度加深而减小的趋势与目前已有的研究基本一致，但土壤有机碳含量、团聚体稳定性随林龄的变化趋势不尽相同。刘敏英等[29]在茶园研究中发现20 ~ 22 a的土壤团聚体稳定性最强，并且随林龄增大而减弱；王连晓等[28]在研究橡胶树时，也发现20 a橡胶树林土壤团聚体稳定性大于10、30 a的橡胶树林。其原因主要是由树木本身特性以及人为活动干扰造成的。谢涛等[30]在研究沿海地区不同杨树林有机碳时发现，在杨树生长过程中土壤有机碳含量升高，并在过熟林阶段有所降低但相对稳定；苗娟等[23]研究了10、20、27 a云南松的土壤有机碳变化，文丽等[31]研究了10、24、25 a马尾松-樟树混交林的土壤有机碳变化，都发现各层土壤有机碳含量随林龄增加而增加，本文结果与此一致。因此，林分类型以及人为活动可能对土壤有机碳产生重要影响。

4 结论

1)林龄对土壤团聚体组成及其水稳定性影响显著，影响效果随林龄增加而增强，随土层加深而减弱。

2)林龄对土壤团聚体有机碳含量影响显著，影响程度随林龄增加而增强。

3)<0.25 mm土壤团聚体有机碳含量与各级土壤有机碳含量密切相关，也是影响团聚体水稳定性的主要因素。

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Effects ofAge on Composition and Organic Carbon Content of Soil Water-stable Aggregates

WANG Can1,2, HU Haibo1,2*, FAN Zhen1,2, LIAN Jingwei1,2

(1 Co-Innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 Laboratory of Soil and Water Conservation and Ecological Restoration in Jiangsu Province, Nanjing 210037, China)

In order to further understand the effects ofage on soil aggregates and their organic carbon contents and explore the relationship between aggregate stabilities and carbon contents in aggregates of different sizes, artificialforests of 17, 26 and 65 a were selected to investigate water-stable aggregate composition, aggregate water stability, and changes and correlations of organic carbon contents in different size aggregates in 0–40 cm depth. The results showed that forest age had a significant effect on the composition and water stability of soil aggregates, and the effect increased with the increase of forest age but decreased with the increase of soil depth; Forest age also had a significant effect on organic carbon contents in soil aggregates, and the effect increased with the increase of forest age; Organic carbon content in <0.25 mm aggregates had an important effect on soil organic carbon contents in aggregates in different sizes, and is the main factor affecting water stability of soil aggregates.

Soil aggregate; Organic carbon; Stability;

国家林业局长江三角洲森林生态系统定位研究项目(2018-LYPT-DW-159)和江苏省高等学校林学优势学科建设项目(164010641)资助。

huhb2000@aliyun.com)

王灿(1994—)，男，江苏镇江人，硕士研究生，主要研究方向林业生态工程。E-mail：469636501@qq.com

S714.5

A

10.13758/j.cnki.tr.2019.05.019