辽西北半干旱区不同林型土壤团聚体与有机碳的关系

吴雪里慧，魏亚伟，马澜桐，李自豪，周永斌

（1.沈阳农业大学 林学院，沈阳110161；2.辽宁辽河平原森林生态系统国家定位观测研究站，辽宁 昌图112500）

土壤中所蕴含的有机碳储量占整个陆地生态系统总碳储量的2/3， 是陆地生态系统碳库的重要组成部分。同时，陆地碳库主要由森林土壤有机碳组成，而森林土壤有机碳的含量变化受不同的森林经营方式、人为干扰等影响较大，造成这一现象的主要原因之一是因为在不同的环境条件下构成土壤有机碳的不同组分有不同的分解响应[1-3]。 土壤碳的存在形式有很多种，而土壤有机碳作为土壤碳最为重要的组成部分，它对土壤的各种生理特征转换起着关键的作用[4]。土壤肥力受土壤氮素的影响巨大，其中植物对有氮素的需求量是非常大的，而且作物中所积累的氮素中有50%～80%来自土壤[5]，即使人为追加氮肥，土壤氮素的供应能力也是由土壤中氮的含量、形态、空间分布来决定。当土壤中氮素缺乏会通过抑制自然生态系统中作物的生长来影响植物的分布。作为土壤结构的基本单元，稳定的土壤团聚体对种子发芽、根系发育和作物生长起着关键影响，能够降低土壤受侵蚀的风险且避免有机碳库受到矿化分解，对土壤有机碳保护起至关重要的作用[6-8]。土壤团聚体可以使土壤结构稳定，防止水土流失，并提高土壤的肥力[9]，以此对土壤起着重要的作用。

本研究以辽西北半干旱区3 种不同人工纯林为研究对象，对不同林型不同土壤深度下土壤有机碳、土壤全氮、土壤团聚体粒级、土壤团聚体有机碳、土壤团聚体全氮进行研究比较，明确不同林型不同深度下这些指标的分布特征及其它们之间的关系，以期为提高该地区森林土壤的固碳能力和合理的森林经营提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国科尔沁沙地东南边缘，辽宁省铁岭市昌图县付家林场（123°55′680″～123°37′112″E，43°21′143″～42°53′623″N）隶属辽宁、内蒙古、吉林3 省交界，位于东、西辽河的交汇处，为松嫩辽平原草原草甸散生林区。 研究区为大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季高温少雨，春季干燥风强。 该地区土壤偏酸性，多为风沙土。表1 为付家林场内3 种不同人工纯林的基本特征。

表1 3 种不同林型基本特征Table 1 Basic characteristics of three different forest types

1.2 样方设置及样品采集

2017 年10 月于该地区分别选取樟子松纯林、 杨树纯林以及油松纯林均设置面积为30m×30m 的样方地，样地详情见表1。 每个样地均设3 次重复，重复样地要分布均匀，并具有相似的立地条件。 在各个样地内设置8个采样点，首先将土壤表层的枯落物和腐殖质去除，再按0～10，10～20，20～30，30～40，40～50cm 共5 个不同土层分层取样，并将8 个取样点中取得的各土壤按土层分开，同一土层的土壤均匀混合在一起之后再将残留的植物细根和枯落物去掉。利用四分法分离土样，土样于阴凉处自然风干并过8mm 孔径土壤筛后保存，用于各种指标的测定。 此外，取表层土壤的原状土，进行土壤团聚体的测定；风干后采用Retsch 筛分仪（AS 200）进行测定，得到＞2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，0.25～0.053，＜0.053mm 这6 个粒径组分[11]；得到的不同级别的团聚体用于测定团聚体组分的有机碳含量以及全氮含量。

1.3 方法

土壤有机碳、全氮的测定是通过元素分析仪（Elementar vario MACRO cube，CHN Elemental Analyzer，德国Elementar）进行。

1.4 数据处理

数据使用Excel 2013 和Origin 8.5 处理并分析作图，采用SPSS 17.0 软件对各林型团聚体及碳氮含量数据进行单因素方差（one-way ANOVA）分析和相关性分析，显著水平设为0.05[12]。

2 结果与分析

2.1 团聚体及其有机碳和全氮特征

在3 种林型中，0.053～0.25mm 粒级团聚体占全土百分率均为最大，为43.68%～63.18%（表2）。 在樟子松纯林中，＞2mm 粒级团聚体所占百分率略低于0.053～0.25mm 粒级，而其他4 个粒级团聚体的含量较低，顺序依次为＜0.053mm＞0.25～0.5mm＞0.5～1mm＞1～2mm；在杨树纯林中，其他5 个粒级团聚体含量与0.053～0.25mm 粒级有较大差距，这5 个粒级中团聚体百分含量最高的是＞2mm 粒级，含量最低的是1～2mm 粒级；在油松纯林中，其他5 个粒级中团聚体百分含量最高的是＜0.053mm 粒级，含量最低的是1～2mm 粒级；在0.053～0.25mm 粒级中，杨树纯林和油松纯林的百分率基本持平，并且要明显高于樟子松纯林；在＞2mm 粒级中，樟子松纯林要明显高于杨树纯林与油松纯林，而杨树纯林与油松纯林几乎持平。 而在其他4 个粒级中，3 种林型的团聚体分布基本保持一致。

表2 不同林型各粒级团聚体含量Table 2 Basic characteristics of the fractional content of aggregates in different forest types

3 种林型土壤各粒级团聚体中有机碳含量的变化规律基本一致（图1）。土壤团聚体中有机碳含量最高的粒级为0.5～1mm，含量为10.24～20.15g·kg-1；含量最低的粒级为0.25～0.053mm，含量为4.35～5.87g·kg-1；在不同林型中，各粒级团聚体有机碳含量的差异不同，如油松纯林在＞2，1～2，0.5～1mm 3 个较大粒级团聚体有机碳的含量均显著高于其他两种林型（p＜0.05）。同一粒级不同林型间的土壤团聚体有机碳含量也不同，其中在有机碳含量最高的粒级0.5～1mm 中由高到低表现为油松纯林＞杨树纯林＞樟子松纯林； 在有机碳含量最低的粒级0.25～0.053mm 中由高到低表现为樟子松纯林＞油松纯林＞杨树纯林。

3 种林型土壤各粒级团聚体中全氮含量与各粒级团聚体有机碳含量变化规律相似（图1B），土壤团聚体全氮含量最高的粒级为0.5～1mm，含量为0.86～1.48g·kg-1；全氮含量最低的粒级为0.25～0.053mm，含量为0.45～0.55g·kg-1；林型不同，土壤团聚体各粒级间的全氮含量也不同，如油松纯林在＞2mm 和1～2mm 两个粒级中的全氮含量要显著高于其他粒级（p＜0.05）。同粒级不同林型间土壤团聚体全氮含量也有所不同，在0.5～1mm 粒级中全氮含量由高到低表现为油松纯林＞杨树纯林＞樟子松纯林； 在0.25～0.053mm 粒级中全氮含量由高到低表现为樟子松纯林＞油松纯林＞杨树纯林。

图1 不同林型土壤团聚体有机碳和全氮特征Figure 1 Characteristics of organic carbon and total nitrogen in aggregates

2.2 3 种林型土壤中土壤有机碳以及全氮含量特征

3 种林型中，樟子松纯林和杨树纯林中的有机碳含量随着土层深度的增加而逐渐减小，范围分别为4.53～8.05g·kg-1和3.66～6.77g·kg-1（图2）。 油松纯林中，表层土壤（0～10cm）中的有机碳含量较低于上层土壤（10～20cm），从上层土壤到中层土壤（20～30cm 和30～40cm）中的有机碳含量也随着土壤深度的增加而减少，但下层土壤（40～50cm）中的有机碳含量要高于其他土层。 而在相同土层不同林型间作比较，有机碳含量的变化并无明显规律；在0～10cm 的表层土壤中，有机碳的含量由高到低表现为樟子松纯林＞杨树纯林＞油松纯林；而在40～50cm 的下层土壤中，有机碳的含量由高到低表现为油松纯林＞樟子松纯林＞杨树纯林，其中樟子松纯林的有机碳含量要显著高于其他两个林型（p＜0.05）。

由图2 可知，在3 种不同林型中，土壤中全氮含量变化与土壤中有机碳含量变化基本保持一致；樟子松纯林与杨树纯林中的全氮含量都随着土层深度的增加而逐渐减小，范围分别为0.60～0.89g·kg-1和0.51～0.89g·kg-1；在油松纯林中，表层土壤中的全氮含量要略低于上层土壤，从上层土壤到中层土壤，土壤中全氮的含量随着土层深度的增加而逐渐减小，而下层土壤中的全氮含量要高于其他土层，但并未达到显著差异（p＞0.05）。在土层相同的情况下，各林型全氮含量的变化也各不相同；如在0～10cm 的表层土壤中，樟子松纯林与杨树纯林的全氮含量相差无几，均略高于油松纯林；而在40～50cm 的下层土壤中，油松纯林的全氮含量均显著高于其他两个林型（p＜0.05）。

2.3 3 种林型土壤各粒级团聚体土壤有机碳和全氮以及各土层中有机碳和全氮的关系

图3A，图3B，图3C 分别代表樟子松、杨树和油松的团聚体有机碳和团聚体全氮的相关性，而图3D，图3E，图3F 分别代表樟子松、杨树和油松的有机碳和全氮的相关性。 从中可以看出，只有樟子松团聚体有机碳和全氮含量呈显著相关，而樟子松的有机碳和全氮、杨树的有机碳和全氮及其团聚体的有机碳和全氮、油松的有机碳和全氮及其团聚体的有机碳和全氮之间都呈极显著相关。

图2 3 种林型土壤有机碳及全氮含量特征Figure 2 Characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in three forest types

图3 3 种林型团聚体有机碳、全氮及各土层有机碳和全氮之间的关系Figure 3 Correlation between organic carbon and nitrogen of soil aggregates and soil different layers in three forest types

由表3 可知，＞2mm 粒级团聚体中的有机碳含量与＜0.053mm 团聚体百分含量表现出显著的正相关性。 1～2mm 粒级团聚体中全氮的含量与0.25～0.5mm 粒级团聚体的百分含量表现出极显著的负相关性。 0.5～1mm 粒级团聚体中的全氮含量与0.25～0.5mm 粒级团聚体的百分含量呈显著的负相关性。 从整体上来看，同一粒级团聚体中有机碳和全氮的含量与各粒级团聚体的百分含量的相关性基本一致。 表层土壤有机碳和全氮与＞2，1～2，0.5～1，0.25～0.5mm 4 个粒级团聚体百分含量都呈正相关，其中表层土壤有机碳与0.5～1mm 粒级的百分含量呈极显著的正相关； 而表层土壤有机碳和全氮与0.25～0.053mm 和＜0.053mm 两个粒级团聚体的百分含量呈负相关，但都不显著。

表3 土壤团聚体有机碳、全氮与不同粒级团聚体含量的相关性分析Table 3 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate content in surface soil and aggregate-size soil

由表4 可知，表层土壤全氮含量与＞2mm 粒级团聚体中的全氮含量呈显著的负相关，相关系数为-0.999；表层土壤全氮含量与1～2mm 粒级团聚体中的有机碳含量呈极显著的负相关，相关系数为-1.000；表层土壤全氮含量与0.5～1mm 粒级团聚体中的有机碳含量呈显著的负相关，相关系数为-1.000。3 个较小粒级团聚体中的有机碳、全氮含量与表层土壤有机碳和全氮含量均表现为相关性不显著。

3 讨论与结论

本研究中辽西北半干旱地区3 种林型的表层土壤有机碳含量受0.5～1mm 团聚体百分含量的影响较大，与0.5～1mm 粒级的团聚体百分含量具有显著的正相关性；而表层土壤全氮含量受0.25～0.5mm 团聚体百分含量的影响较大，与0.25～0.5mm 粒级的团聚体百分含量具有显著的负相关性；表层土壤全氮的含量与土壤团聚体有机碳、全氮含量呈极显著负相关。 关于土壤团聚体的百分含量与土壤有机碳、全氮的相关性一直以来都没有统一的定论，GOLCHIN 等[13]的研究指出较大的团聚体粒级与有机碳之间呈显著的正相关性。但是GALE 等[14]研究结果指出有机碳含量与微团聚体间同样也具备相关性。 袁颖红等[15]研究却表明，0.2～0.002mm 粒级的团聚体含量与有机碳的之间具有显著的正相关性， 而有机碳含量与＜0.002mm 粒级的微团聚体间却呈显著的负相关性。辽西北半干旱区3 种沙地人工林土壤团聚体特征十分明显， 均以＜0.25mm 的微团聚体为主， 并且在微团聚体中，均以0.053～0.25mm 粒级的团聚体为主。这与国内较多研究结论一致，土壤团聚体中的微团聚体含量大于较大的团聚体。 如黄山丘陵区森林和草原植被区、 甘肃景电灌区以及玛河流域干旱区典型盐生植物群落的土壤团聚体都是主要以＜0.25mm 粒级为主[16-18]。辽西北半干旱区3 种林型土壤团聚体以0.053～0.25mm 粒级为主，可能是由于该地虽土壤渗透性好，但是结构性和孔隙性大，该地区生态环境又以干旱、少雨和多风为主，因此导致土壤沙化严重。

3 种林型土壤中各粒级中有机碳和全氮分布规律可知， 无论是有机碳的含量还是全氮的含量，＞0.5mm 的大团聚体中都要明显高于＜0.5mm 的微团聚体， 与已有研究结果相似[19-20]。 这是因为大粒级团聚体相较于较小粒级的团聚体，能固存更多的有机碳，固碳的能力更强[21]。对于不同粒级的团聚体来说， 其有机碳含量也大有不同； 在3 种林型中，0.5～1mm 粒级中的有机碳含量皆为最高，这与郭剑芬等[22]在太湖地区黄泥土耕层研究的土壤有机碳在0.5～1mm 粒级团聚体中含量最高的研究结论相同。 吴铭等[23]研究表明微团聚体中粒级越低，有机碳的含量越高，以及任雅阁等[24]对典型农耕区棕壤的研究也发现了团聚体粒级影响着有机碳的分布，有机碳的含量随着粒级的减小而升高，这些结果又与前文所提到的大团聚体中有机碳含量高于微团聚体中的有机碳含量这一结果相反。 宋国菡[25-26]研究指出，在2～0.2mm 和＜0.002mm 两个粒级中有机碳含量最高，而其他粒级的土壤团聚体中有机碳的含量相差无几。 因此，关于这一部分的研究目前仍没有统一的定论，这可能由于不同粒级团聚体在不同的生态环境中都存在一定的差异性，有机物的来源不同也可能是造成这一差异的原因，但目前关于这方面的研究仍需进一步加强。

土壤有机碳是植物生长的必需品，它能提供各种营养元素， 这对维持土壤的物理结构能够起到关键的作用， 同时有机碳的形成和发育也会受到植被类型的影响，这对土壤微生物环境、微生物群落的组成和根系的分布都会产生深远的影响，因此会在不同的土壤深度上形成不同的分布特征。土壤中有机碳与全氮含量的变化特征对于评估土壤肥力与质量具有重要意义[27]。 在本研究中，樟子松纯林和杨树纯林都是随着土层深度的增加，土壤有机碳和全氮的含量都在逐渐降低。 而在油松纯林中，40～50cm 土层中的有机碳和全氮含量则相对最高。 宋国菡[25]早年在对科尔沁沙地几种典型的林分中的研究结果与这一结论大不相同，其研究结果为油松纯林在表层土壤有机碳的含量最高，要远远大于其他土层，其解释为可能受到了油松根系的不均匀分布以及当地气候的影响；万子俊等[28]的研究结果表明，油松在垂直剖面上随着土层深度的增加，有机碳的含量在逐渐减少。 而本研究中结果与他们不同，可能是因为辽西地区天气较多为风沙天，而年降雨少但蒸发量却较大，导致凋落物经常散落到其他的生态系统，也会出现分解不完全的情况，造成土壤有机碳的获取只能通过植物根系。 此外，由于辽西地区是沙土，土壤间存在间隙，渗透较好，油松根系的分布又较深，从而造成了土壤深层有机碳含量的积累。

本研究发现各林型各土层间有机碳与全氮含量之间都是极显著的正相关，而且3 种林型各粒级团聚体中有机碳和全氮含量也均表现出极显著的正相关性。 有机碳和全氮之间的相关性具极显著的相关性，这在马玉红等[29]在黄土丘陵流域土壤和王凯等[30]对江西北地区油松林土壤的研究中也得到了证实，它们的研究结果均表明土壤有机碳和全氮之间呈显著的正相关性。 综上，辽西北半干旱区人工林表层土壤有机碳和全氮以樟子松和杨树人工林较高，且土壤有机碳和全氮主要集中在＜0.053mm、0.5～1mm 和1～2mm 粒级团聚体中；土壤大粒级团聚体（＞2mm）以樟子松人工林高于杨树人工林和油松人工林为主；相关分析表明，土壤团聚体有机碳、全氮和各层土壤有机碳和全氮均呈现显著的正相关性，这为该地区人工林的科学管理提供了科学参考。

表4 表层土壤有机碳、全氮与各粒级团聚体有机碳、全氮的相关性分析Table 4 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate organic carbon and total nitrogen in surface soil