毛乌素沙地3种人工植被类型对土壤颗粒组成和固碳的影响

王丽梅, 张 谦, 白利华, 马爱生, 张 红,李利敏, 张建国,2, 付广军, 董 强

(1.西北农林科技大学 资源环境学院, 陕西 杨凌 712100; 2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室, 陕西 杨凌 712100; 3.陕西省治沙研究所, 陕西 榆林 719000)

我国北方干旱半干旱区的土地沙漠化问题一直备受关注。沙漠化会导致土壤结构破坏、土壤生物多样性降低、土壤质地粗化等一系列生态环境问题[1]，还会导致土壤碳库衰减。研究表明沙漠化导致的全球碳库损失量为1.9×1010～2.9×1010t[2]。人工植被建设是沙漠化防治的重要措施之一，沙地植被恢复过程中，随着其生物多样性的提高，SOC，SIC含量逐渐增加，促进了土壤团粒结构的形成，减少了粉粒和土壤养分的流失，使退化沙地发育程度增强，土壤结构得到改善[3]，最终形成结构比较复杂且稳定的沙地生态系统[4]，有利于加快退化土壤的碳固定过程和减缓大气CO2浓度增加的速度[5]。

土壤碳库包括SOC库和SIC库，二者均对全球土壤碳存储和缓解CO2浓度升高过程具有重要意义[6-7]。近年来，人们对植被恢复过程中SOC库的变化进行了较为深入的研究[8-10]，但对于SIC库的研究相对较少[11]。研究表明，SIC在干旱半干旱地区的储量远高于SOC[12]，且更新时间更长，对减少大气CO2浓度具有不可忽视的长期效应。此外，土壤颗粒组成中各粒级结合碳的研究亦逐渐受到重视[13-14]。蔡岸冬等[15]的研究表明，砂粒(53～2 000 μm)中的有机碳属于活性有机碳，两者结合并不紧密；而粉黏粒(<53 μm)中的有机碳属于惰性矿物结合有机碳，不易被微生物分解和矿化[16]，是土壤固持有机碳的重要碳组分库。该分组方法在研究农业措施[17-18]、植被类型[19]等对土壤碳库变化的影响上已有较多应用，但是关于退化沙地土壤碳库变化研究的有关报道极少。本研究以毛乌素沙地同一恢复年限的3种植被类型为样地，对0—30 cm土层颗粒组成、SOC和SIC的含量进行系统分析，旨在探讨沙地植被恢复类型对土壤颗粒组成的影响及不同颗粒碳含量的影响，以期为半干旱区沙地的植被恢复建设提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于毛乌素沙地东南缘的人工植被林区(38°19′—22′N,109 °37′—49′E)，海拔1 098～1 158 m。该区属于温带半干旱大陆性季风气候，年均降雨量250～400 mm，且主要集中在7—9月份，年均气温6～8.5 ℃。地表景观以固定、半固定沙地为主，植被覆盖率达到33%。土壤类型以成土作用极为微弱的风沙土为主，呈弱碱性[20]。人工植被主要包括樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、柠条锦鸡儿(Caraganakorshinskii)和野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)等。

1.2 样地选择

植物园总面积133.3 hm2，主要植被类型包括乔木、灌木和草本植物。其中灌木和草本植物于1970年前后通过飞播混播造林恢复，飞播后6 a成林；1985年在飞播林地进行樟子松造林，造林面积6.06 hm2；灌木和草地交错分布，两者面积基本相当。分别选取地势平坦的上述人工植被区作为研究样地，植物园外附近流沙地作为对照，所选样地的基本特征见表1。

表1 样地基本特征

1.3 样品采集及测定

土壤样品采集分别于2016年9月上旬、2017年4月下旬和2017年9月上旬进行。选择具有代表性的样点(乔木和灌木样地，选取四株长势基本一致且具有代表性植物的对角线交叉点，草地内随机选取1 m×1 m典型样方的对角线交叉点)进行取样，数据分析取三次分析结果的平均值，即重复数为3。为了降低空间变异误差，不同植被类型之间采样点距离不超过500 m。在所选样地内用直径6 cm的土钻分四层(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)进行土壤样品的采集。

样品先过2 mm筛后风干。SOC采用重铬酸钾—外加热法测定，SIC采用气量法测定[21]，土壤pH(水土比为2.5∶1)用电极法测定，电导率(水土比为5∶1)用电导率仪测定。按照中国土粒分级标准将土壤颗粒组成分为团聚体、粗砂粒(>0.25 mm)、细砂粒(0.05～0.25 mm)和粉黏粒(<0.05 mm)，各粒级土壤颗粒含量用干筛法测定。其中团聚体的筛分方法为：将初次筛分出来的>0.25 mm的大颗粒组分(包括团聚体和>0.25 mm单粒)于研钵轻轻磨碎后再次过0.25 mm筛，被筛下的组分即为团聚体，未通过筛孔的即为>0.25 mm组分。由于沙地土壤黏粒含量极低，故将粉粒和黏粒合为一组。将环刀取回的土样于实验室内105 ℃下烘干24 h，计算土壤容重。

SOCD和SICD计算公式为[22]：

式中：SOCDi为第i层土壤有机碳密度(kg/m2)；SICDi为第i层土壤无机碳密度(kg/m2)；δ为砾石的含量(%) (各样地砾石含量为0)；Ci为第i层SOC或SIC含量(g/kg)；h为土层厚度(cm)；γi为第i层土壤容重(g/cm3)；100为转换系数。

某粒级有机/无机碳对土壤总有机/无机碳含量的贡献率为[9]：

式中：RSOCi(SICi)为i粒级有机(无机碳)贡献率(%)；CSOCi(SICi)为i粒级有机(无机碳)含量(g/kg)；Ai为i粒级所占比例(%)；CTSOC(SIC)为土壤总有机碳(总无机碳)含量(g/kg)。

用Excel 2016和SPSS 19.0软件进行统计分析。用Pearson法对SOC含量、SIC含量、pH和电导率进行相关分析。用OriginPro 2016软件作图。

2 结果与分析

2.1 植被类型对土壤颗粒组成的影响

植被类型对土壤各粒级的含量具有不同程度的影响。由图1可知，3种植被类型样地均形成了土壤团聚体，且只有0—5 cm和5—10 cm土层含有团聚体。草地中团聚体含量最高(3.59%)，其次是乔木样地(3.15%)，灌木样地最低(3.14%)。与流沙地相比，乔木样地粉黏粒含量最高(4.82%)，其次是草地(4.06%)和灌木样地(3.53%)。乔木样地、灌木样地和草地的细砂粒含量分别比流沙地降低了4.51%，1.53%和6.07%。乔木样地(23.83%)、灌木样地(22.15%)和草地(25.17%)的粗砂粒含量均低于流沙地(26.81%)。总之，植被恢复后土壤团聚体和粉黏粒含量均明显增加，细砂粒和粗砂粒含量均有所降低。

2.2 植被类型对土壤有机与无机碳含量的影响

不同植被类型0—30 cm土层平均SOC含量(图2)在乔木样地达到最高值(3.81 g/kg)，其次是灌木样地(3.59 g/kg)、草地(3.37 g/kg)和流沙地(0.96 g/kg)，分别达到流沙地的3.96倍、3.72倍和3.50倍。即乔木对SOC的累积影响最大，其次是灌木和草本植物。此外，3种植被类型样地SOC含量由表层到下层均呈递减的趋势。由图2可知，不同植被类型样地乔木样地平均SIC含量最高，是流沙地的2.08倍；其次是草地和灌木样地，分别是流沙地的1.15倍和1.30倍。但各植被类型样地不同土层之间的SIC含量无明显变化规律。

2.3 植被类型对土壤有机碳与无机碳密度的影响

各样地0—30 cm SOCD与SICD存在一定差异(图3)，且SICD均高于SOCD。SOCD在乔木样地达到最大值(1.32 kg/m2)其次是灌木样地(1.09 kg/m2)、草地(1.05 kg/m2)和流沙地(0.45 kg/m2)。SICD同样在乔木样地达到最大值(2.05 kg/m2)其次是流沙地(1.14 kg/m2)、草地(1.14 kg/m2)和灌木样地(1.03 kg/m2)。可见SOCD和SICD最大值均出现在乔木样地，即乔木样地的总碳密度最大。乔木样地、草地和流沙地SICD分别是SOCD的1.55，1.08，2.51倍。而灌木样地两者之间差异不大。各样地的SOCD均高于流沙地，而SICD除乔木样地明显高于流沙地以外，其他样地与流沙地相比均无明显变化。

2.4 植被类型对土壤各粒级有机碳与无机碳含量的影响

2.4.1 土壤有机碳 由图4可知，各粒级SOC含量均随土层的加深呈递减趋势。其中，0—10 cm团聚体平均SOC含量最大值出现在灌木样地(17.20 g/kg)其次是草地(16.99 g/kg)和乔木样地(14.94 g/kg)。对粗砂粒而言，0—30 cm土层不同植被类型样地平均SOC含量最大值出现在乔木样地(4.84 g/kg)其次是灌木样地(2.41 g/kg)、草地(1.62 g/kg)和流沙地(0.65 g/kg)，分别是流沙地的7.49倍、3.73倍和2.50倍。对细砂粒而言，各植被类型样地平均SOC含量最大值出现在乔木样地(3.64 g/kg)其次是灌木样地(2.81 g/kg)、草地(2.69 g/kg)和流沙地(0.63 g/kg)，分别是流沙地的5.75倍、4.43倍和4.24倍。对粉黏粒而言，不同植被类型样地中，各样地平均SOC含量均高于流沙地，其中灌木样地粉黏粒含量最高(12.40 g/kg)。

注：不同大写字母代表各植被类型不同土层之间差异性显著。

注：不同大写字母代表不同植被类型各土层之间SOC含量差异性显著；不同小写字母代表不同植被类型各土层之间SIC含量差异性显著。

2.4.2 土壤无机碳 由图5可知，乔木样地团聚体平均SIC含量最高(1.80 g/kg)，其次是草地(0.88 g/kg)和灌木样地(0.73 g/kg)。粗砂粒0—30 cm土层平均SIC含量最大值出现在乔木样地(1.37 g/kg)其次是灌木样地(0.72 g/kg)、流沙地(0.69 g/kg)和草地(0.65 g/kg)，其中乔木样地和灌木样地平均SIC含量分别是流沙地的1.99倍和1.05倍。细砂粒平均SIC含量均高于流沙地，其中乔木样地含量最高(1.20 g/kg)，其次是草地(0.63 g/kg)和灌木样地(0.52 g/kg)，分别是流沙地的3.45倍、1.80倍和1.49倍。粉黏粒平均SIC含量最大值出现在草地(3.08 g/kg)其次是乔木样地(2.83 g/kg)、灌木样地(1.77 g/kg)和流沙地(0.87 g/kg)，分别是流沙地的3.56倍、3.27倍和2.05倍。

注：不同大写字母代表各植被类型之间有机碳密度差异性显著；不同小写字母代表各植被类型之间无机碳密度差异性显著。

注：不同大写字母代表各植被类型不同土层之间SOC含量差异性显著。

注：不同小写字母代表各植被类型不同土层之间SIC含量差异性显著。

3 讨 论

3.1 土壤理化性质与土壤颗粒组成的相关关系

团聚体含量与有机碳含量密切相关(表2)。不同恢复模式对土壤团聚体的形成和SOC含量的影响具有一定的差异[23]。各样地土壤团聚体含量与SOC含量之间的相关关系说明植被类型的改变对土壤团聚体的形成影响不大，这与李秋嘉等[24]的研究结果不一致，可能跟恢复时间较短有关。灌木样地中，粉黏粒含量与有机碳含量之间呈显著正相关关系，而草地和乔木样地两者相关性不明显。相关研究表明细颗粒含量与SOC含量存在显著相关性[25]，也有研究表明两者之间并无严格的对应关系[26]。Callesen等[27]认为粉黏粒含量是影响有机碳含量的关键因素，它通过吸附有机碳从而形成稳定的有机—无机复合体，能够抵抗微生物的分解并减小矿化风险，因而具有较强的固碳能力，这也是粉黏粒组分在土壤中含量较少但是含碳量却较高的原因。各样地粗沙粒含量与有机碳含量呈负相关关系，表明粒径大的土壤颗粒不利于有机碳的累积。

与流沙地相比，各粒级SIC含量也表现出一定的差异。乔木样地SIC含量增幅较大，而其他样地之间差异不明显，这可能与有机碳的含量有关[7]，因为SOC的分解是SIC的主要成因之一[28]。各样地各粒级含量与无机碳含量的相关关系说明植被恢复过程中，团聚体含量与SIC含量关系密切。此外，各粒级组分含量与pH值之间相关性均在团聚体组分达到显著水平，魏彬萌等[29]的研究也指出土壤pH与团聚体之间存在一定关系。团聚体组分只在乔木样地与电导率的相关关系达到显著水平，其他样地各组分与电导率之间相关性均不显著。即pH和电导率均不是影响土壤各粒级组分含量的主要因素。

表2 土壤各粒级含量与SOC，SIC及pH和EC的相关性

3.2 植被恢复对土壤固碳的影响

固沙植物可以通过增加地面粗糙度来降低风蚀作用，同时更有利于大气降尘的截留。而且随着植被的恢复，枯落物不断累积，植物根系分泌物增加，土壤微生物活动逐渐活跃，有机物积累和矿化分解过程加快，土壤性质逐渐发生改变，从而导致土壤各粒级的含量发生改变[30]。各样地粉黏粒含量与流沙地相比均有所增加，砂粒含量均有所减少，土壤质地随着植被恢复呈逐渐细化的趋势，且在垂直方向上表层质地比下层质地更细，这与热依拉等[30]、李少华等[31]的研究结果一致。研究区乔木林郁闭度较高，林下下生物量较少，土壤母质的风化作用较弱，而草地的地表、地下生物量较大，更加有利于土壤母质的风化，且草本植物捕获的大气降尘能随着枯落物直接进入土壤中[1]。所以，相同恢复年限的草地团聚体含量及其有机碳含量比乔木林地高，更有利于风沙土的改良，这与华瑞等[32]的观点相一致。

SOC在各样地均出现明显的表聚效应，乔木样地SOC含量的增幅比灌木样地和草地更大。相对于乔木，土壤微生物更容易分解利用灌木和草本植物的枯落物，而枯落物是SOC的主要来源[14]，所以乔木样地SOC含量较高。各样地SIC均无明显的表聚现象，可能是疏松的表层结构有利于无机碳向下层淋溶迁移所致[7]。各样地SIC含量具有一定差异，说明SIC含量受植被类型的影响较大。

SOC和SIC含量的一致变化趋势说明两者的累积速率和相互转化关系较为密切[27]。以往研究中，干旱半干旱地区SICD远大于SOCD[33]。而灌木样地的SICD小于SOCD，可能与恢复时间有关。土壤碳酸盐的转化周期较长，累积过程较为缓慢，而研究区各样地恢复时间较短，从而导致SICD低于SOCD[22]。

3.3 各粒级土壤有机碳与无机碳对总碳的贡献率

相关分析表明：团聚体有机碳含量与总有机碳含量呈极显著正相关关系，粉黏粒有机碳对总有机碳的贡献率最为显著。说明SOC含量主要受到团聚体和粉黏粒组分的影响。因为团聚体的复杂结构能够有效保护有机碳不被分解和矿化，粉黏粒的吸附作用也有利于有机碳的累积。

各粒级SIC含量与总SIC含量之间无显著相关关系，且各粒级无机碳对总无机碳的贡献率均不显著。

4 结 论

植被恢复后毛乌素沙地土壤质地呈逐渐细化的趋势,而各样地粗砂粒和细砂粒组分总体上呈减少的趋势。其中草地对于团聚体的形成影响最大，且各样地团聚体主要分布于0—10 cm土层；粉黏粒含量在乔木样地增加最为明显。

植被恢复后，土壤总有机碳和总无机碳含量均显著增加，最高值均出现在乔木样地，且植被类型对SOC的影响比SIC更为明显。此外，乔木更有利于SOC和SIC 的积累。各样地SOC均表现出明显的表聚效应，SIC含量在各植被类型之间具有一定差异。

土壤各粒级含碳量随着植被的恢复均有所增加，其中细砂粒SOC含量的增幅明显高于粗砂粒和粉黏粒；粉黏粒SIC含量的增幅明显高于细砂粒和粗砂粒。SOC含量主要受团聚体和粉黏粒组分影响，各组分对SIC含量的影响不大。乔木有利于粗砂粒和细砂粒有机碳的累积，灌木更有利于粉黏粒和团聚体有机碳的累积。总之，从土壤固碳的角度出发，毛乌素沙地植被恢复应以乔木为主。