不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体及其有机碳状况

（南京林业大学现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037）

土壤团聚体是土壤结构的物质基础及土壤肥力的重要载体，其数量与分布状况直接反映土壤通气、透水、持水和保水性能[1]，团聚体的稳定性对土壤理化性质、生物学性质等土壤肥力性状具有重要作用[2]。土壤团聚体有机碳作为土壤有机碳的重要组成部分，不仅影响土壤固炭、增汇状况，而且对土壤结构稳定状况及土壤肥力状况具有较大影响[3-5]。土壤团聚体可以通过自身物理保护来提高团聚体有机碳的固定，而土壤团聚体有机碳也可以通过一定有机或无机的胶结作用、菌丝根系缠绕等方式参与团聚体的形成，二者紧密联系，相辅相成[3]。

土壤有机碳的增加不仅有利于林业土壤可持续化发展，而且对减少温室气体排放和减缓温室效应具有重要意义[6]。研究表明，土壤表层中，90%有机碳存储于土壤团聚体中，土壤团聚体是土壤固碳的重要场所[7]，而土壤团聚体易受到土地利用方式、地表植物选择、自然气候变化等多种人为及自然因素的干扰。因此，研究林业土壤团聚体及其与有机碳之间的关系，分析土壤团聚体各分级组成分布及其有机碳含量、土壤团聚体稳定性有助于深入了解土壤有机碳库和土壤水稳性团聚体变化规律，对促进人工林地力增长、优化土壤结构、提高造林质量等具有重大意义。

鹅掌楸Liriodendron chineseHemsl 作为南方人工林的主要树种，目前，鹅掌楸人工林发展快、面积大，对缓解我国木材紧张状况起着重要作用[8-9]。多年来，有关鹅掌楸遗传、育种方面的研究较多，并已取得一系列成果[10-11]，但对其人工林土壤团聚体及其有机碳的研究相对较少，为此，开展不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体及其有机碳状况研究，旨在为合理利用土壤、改善土壤结构性、促进土壤肥力可持续发展和林业生产发展提供进一步依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于福建省顺昌县洋口国有林场，地理坐标为117°56′18.7″～117°56′49.2″E，26°51′17.8″～27°51′24.6″N。该区地处福建省西北部，地貌系武夷山支脉的低山丘陵。属中亚热带海洋性季风气候，年平均气温18.5℃，最高温 40.3℃，最低温-6.8℃，最冷月份为1—2月份，最热月份为7—8月份，≥10℃的年有效积温5 388～5 659℃。年平均降水量1 880 mm，无霜期280 d，雨日160 d，年日照时数1 740.7 h，相对湿度82%。研究地区海拔180～260 m，为山地红壤，壤质黏土，机械组成砂粒37.46%，粉粒29.78%，黏粒32.26%。表层土壤基本理化性质为：容重1.16 g·cm-3、有机质26.12 g·kg-1、全氮1.62 g·kg-1、水解性氮65.15 mg·kg-1、有效磷1.03 mg·kg-1、速效钾109.23 mg·kg-1、pH 值为4.85[12]。常见植被有杉木Cunninghamia Lanceolata、鹅掌楸Liriodendron chinese和木荷Schima superba等林分。林下常见植被有芒草Miscanthus floridulus、铁芒萁Dicranopteris dichotoma、狗脊蕨Woodwardia japonica和铁线蕨Adiantum capillus-veneris等。

1.2 样地设置与样品采集

参照国家林业局《主要树种龄级及龄组划分（LY/T 2908—2017）》，基于中国森林资源清查数据，将鹅掌楸人工林龄组分为幼龄林（≤10 a）、中龄林（11～20 a）、近熟林（21～25 a）、成熟林（26～35 a）和过熟林（≥36 a）。于2017年11月，在鹅掌楸林地采集3 个不同龄级（幼龄林、中龄林、成熟林）鹅掌楸林土壤，各林龄鹅掌楸人工林均为二代纯林，各龄级林分基本特征见表1。造林前先炼山全面清理；块状整地，植苗造林，穴长60 cm×宽60 cm×深50 cm，造林密度为2 m×3 m；种植初期3 a，每年抚育2 次，抚育除草，清除杂灌；幼龄林到中龄林时期间伐，中龄林到成熟林时期轻度间伐。林地内林木长势一致，无病虫害。鹅掌楸林下植被主要以长圆叶鼠刺Itea oblonga、扇叶铁线蕨Adiantum flabellulatum和福建莲座蕨Angiopteris fokiensis为主。

在3 种典型林分样地的随机地段各设置3 个标准样区（20 m×20 m），每个样区内随机选取样点数3 个，挖取土壤剖面。将0～60 cm 土层从竖直方向上将土壤深度均分成3 部分，并分层采集1 kg 土壤原状样品置于塑料盒（13 cm×25 cm）内，以供土壤团聚体测定；同时，采集环刀样品，用于土壤物理性质测定；采集土壤样品于透气布袋内，用于土壤化学性质测定。

表1 供试样地林分基本特征†Table 1 The basic characteristics of the stand for the sample

1.3 测定项目与方法

待测团聚体土样处理：将土壤置于通风处，小心铺匀。待土样风干时，将土壤轻轻沿其自然缝隙掰开至10 mm 左右，继续风干后供团聚体测定。

用于分析土壤化学性质的土样处理：土壤样品去除石块、植物根系等杂物装袋后，将其带回室内，置于阴凉通风处风干。磨碎后分别过2 mm、0.25 mm 筛，装袋备用。各样地土壤基本养分背景值见表2。

表2 不同林龄鹅掌楸人工林土壤基本养分背景值Table 2 Background value of soil basic nutrients of Liriodendron chinense plantation at different ages

土壤基本理化指标测定方法采用《土壤农业化学分析方法》[13]。

土壤容重——环刀法，pH 值——电位法（土∶水=1∶2.5），土壤有机碳（TOC）——重铬酸钾外加热法，土壤全氮（TN）——半微量凯氏定氮法，速效钾——乙酸铵浸提-火焰光度法。

土壤团聚体的测定选择Elliot 方法[14]。称取100 g 风干土样，缓慢加湿至土壤田间持水量的50%，放于3 个不同孔径的套筛上。筛子孔径自上而下分别为2 mm、0.25 mm、0.053 mm。过筛前，将套筛缓慢放于筛分仪内，桶内静止液面低于最上方筛桶边缘1 cm。筛分时，在纯水条件下进行湿筛震荡（振幅3 cm，频率30 次/min，震荡时间10 min），自上而下分筛洗出得到＞2 mm粒级团聚体、2～0.25 mm 粒级团聚体、0.25～0.053 mm 粒级团聚体、＜0.053 mm 粒级团聚体。将各粒径筛内土样于60℃下烘干48 h，装袋备用。烘干样品研磨过0.25 mm 筛供土壤有机碳测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 和SPSS 22.0 软件对数据进行方差分析及图表制作。

土壤团聚体平均质量直径（MWD）计算公式为：

土壤团聚体几何平均直径（GMD）计算公式为：

式中：n为粒径分组的组数；Xi为该粒径组分的平均直径；Wi为该粒径团聚体质量含量。

各级团聚体有机碳对土壤有机碳的贡献率计算公式为：

2 结果与分析

2.1 不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体组成特征

由不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体组成状况可见，鹅掌楸人工林林龄和土层深度对土壤团聚体组成均有显著影响（P＜0.05）（表3）。随着人工林林龄增加，各土层＞2 mm 团聚体含量均呈现幼龄林到中林龄减少、中龄林到成熟林增加趋势，且在各林龄之间呈显著差异；而不同林龄土壤均以2～0.25 mm 粒级团聚体含量为最高；在0～60 cm 平均土层内，＜0.053 mm 粒级团聚体含量随林龄增加逐渐减少，即随人工林林龄增加，小粒级土壤团聚体在微生物、植物根系分泌物等胶结作用下逐渐形成大团聚体，大团聚体含量增加。

表3 不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体组成†Table 3 Composition of soil aggregates in Liriodendron chinense plantation of different ages

在土层竖直变化中，幼龄林和中龄林土壤中，随土层加深＞2 mm 粒径团聚体含量分别为28.92%、24.98%、18.64%，17.87%、7.65%、5.07%，即随土层加深，＞2 mm 团聚体含量逐渐减少；而成熟林＞2 mm 粒级团聚体含量的深度变化趋势与之相反，随土层加深含量分别为36.86%，40.49%，44.20%，＞2 mm 团聚体含量为随土层加深而增加。

不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体中大团聚体含量范围为54.98%～84.90%，即土壤团聚体组成均以大团聚体为主体部分。随鹅掌楸人工林林龄增加，＞0.25 mm 大团聚体含量总体呈幼龄林至中龄林时期降低、中龄林至成熟林时期增加趋势，这可能由于幼龄林发育至中龄林时，林木对土壤养分的过度摄入和地表枯落物的养分回归较少导致土壤大团聚体形成受阻，而中龄林发育至成熟林时，林木生长平缓，养分归还较多，土壤大团聚体形成逐渐增多。不同林龄中，＞2 mm 粒级团聚体含量均为鹅掌楸成熟林最高，且成熟林土壤大团聚体含量组成占80%以上，较幼龄林和中龄林显著增加。

2.2 不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体的稳定性特征变化

土壤团聚体平均重量直径（MWD）及几何平均直径（GMD）可以表征土壤团聚体的稳定性，其值越大，则表示团聚体稳定性越强[15]。不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体MWD 和GMD 变化如图1所示，鹅掌楸人工林林龄和土层深度对MWD和GMD 均有显著影响（P＜0.05）。在同一土层不同林龄中，MWD 和GMD 均随林龄增加呈现幼龄林至中龄林期间减小、中龄林至成熟林期间增大趋势，即团聚体稳定性于幼龄林至中龄林时期降低，中龄林至成熟林时期增加。成熟林下层土壤MWD 和GMD 相较幼龄林分别显著增加42.38%和57.78%。土壤团聚体MWD 和GMD 的总体数值状况均以成熟林最大，幼龄林次之，中龄林最低，即土壤团聚体稳定性成熟林＞幼龄林＞中龄林。

随土层变化，鹅掌楸幼龄林土壤MWD 大小变化呈下层（1.51 mm）＜中层（1.70 mm）＜上层（1.75 mm），GMD 为下层（0.81 mm）＜中层（0.85 mm）＜上层（0.90 mm），中龄林和成熟林也呈现与幼龄林相同的变化趋势，中龄林下层土壤MWD 比上层土壤显著降低34.13%、GMD 降低15.86%，而成熟林下层土壤MWD 和GMD 分别下降8.03%和9.79%，即不同林龄鹅掌楸人工林土壤MWD 和GMD 随土层加深，总体呈现微幅下降趋势，由此可知，随土层加深，土壤团聚体稳定性降低。

图1 不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体MWD 与GMDFig.1 MWD and GMD of soil aggregates in Liriodendron chinense plantation of different ages

2.3 不同林龄鹅掌楸人工林团聚体的有机碳分布特征及贡献率

不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体有机碳含量如图2所示。同一土层，不同林龄土壤团聚体有机碳含量存在显著差异。随鹅掌楸林龄增长，土壤团聚体有机碳含量范围为2.51～28.16 g·kg-1，均表现为由幼龄林到中龄林降低、中龄林到成熟林增高趋势。成熟林土壤＜0.053 mm 粒级团聚体有机碳含量最高，在0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm 土层中分别比幼龄林和中龄林高出89.40%、26.33%、51.05% 和133.34%、112.38%和191.58%。不同林龄内，各粒级团聚体有机碳含量随土层加深总体呈不断减小的趋势。

图2 不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体的有机碳含量Fig.2 Organic carbon content of soil aggregates in Liriodendron chinense plantation of different ages

土壤上层（0～20 cm），幼龄林土壤团聚体呈＞2 mm（15.59 g·kg-1）、＜0.053 mm（14.87 g·kg-1）、2～0.25 mm（14.19 g·kg-1）和0.25～0.053 mm（12.16 g·kg-1），且各粒级土壤团聚体有机碳含量未达到显著差异；中龄林土壤0.25～0.053 mm 粒级团聚体有机碳较其他粒级团聚体有机碳含量较低且达到显著水平；成熟林团聚体有机碳以＜0.053 mm为最高。土壤中层（20～40 cm），幼龄林＜0.053 mm 粒级土壤团聚体有机碳含量最高，为13.52 g·kg-1，其余粒级团聚体有机碳含量之间差异性并不显著；中龄林土壤团聚体有机碳含量变化则较为稳定，范围为6.85～8.04 g·kg-1；而鹅掌楸成熟林团聚体有机碳各粒级含量中为＜0.053 mm（17.08 g·kg-1）最高，0.25～0.053 mm（8.01g·kg-1）最低。土壤下层（40～60 cm）各粒级团聚体有机碳含量，幼龄林时期＜0.053 mm 含量最高（10.03 g·kg-1），中龄林＞2 mm 含量最高（5.79 g·kg-1），成熟林＜0.053 mm 最高（15.15 g·kg-1）。总体来说，随着土层加深，各粒级土壤团聚体有机碳含量呈降低趋势。

不同林分下土壤各粒级团聚体所占比例不同，仅用各粒级团聚体所含有机碳含量描述该土壤团聚体特征略显不足。因此采用团聚体有机碳贡献率，综合考虑各粒级团聚体有机碳及团聚体所占比例进行计算，以便了解鹅掌楸人工林土壤团聚体对土壤有机碳具体贡献状况。不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体有机碳贡献率变化规律不尽相同，但各土层内2～0.25 mm 粒级团聚体的有机碳贡献率均为最高（图3）。随鹅掌楸人工林逐渐发育至成熟，鹅掌楸人工林大团聚体（＞0.25 mm）有机碳贡献率表现为随林龄增加，贡献率呈显著增加趋势，并在成熟林土层达到80%的有机碳贡献率，即有机碳主要存储于大团聚体（＞0.25 mm）中。＞2 mm 粒径土壤团聚体有机碳贡献率在土壤中随鹅掌楸林龄增加呈现先减小再增大趋势，而0.25～0.053 mm 粒径团聚体有机碳贡献率与之相反，呈先增大再减小趋势。

相同林龄不同土层鹅掌楸人工林土壤有团聚体机碳贡献率中，大团聚体团聚体有机碳贡献率均占主体部分。幼龄林中＞2 mm 粒级团聚体团聚体有机碳贡献率随土层加深而减小，2～0.25 mm粒级团聚体有机碳贡献率与之相反，随土层加深而增大；＜0.053 mm 粒级团聚体有机碳贡献率总体表现为最低，最小仅为4.27%。

图3 不同林龄鹅掌楸人工林团聚体的有机碳贡献率Fig.3 Contribution rate of organic carbon of aggregation in Liriodendron chinense plantation of different ages

2.4 鹅掌楸人工林的团聚体稳定性与土壤因子的关系

土壤团聚体稳定有利于促进土壤养分周转循环、维持土壤环境稳定、增强土壤抗干扰能力[6]，土壤团聚体稳定性与土壤指标及林分因子紧密联系。通过对土壤MWD、GWD 与土壤环境因子进行相关性分析（表4）可知，MWD 和GMD 与土壤全碳、全氮、碳氮比的相关性均达到极显著水平，与林龄、土壤有机碳、林间年凋落物量的相关性达到显著水平，这可能是由于土壤团聚的过程同时也是土壤固碳的重要途径，一方面土壤团聚体通过自身物理保护增加土壤内有机碳含量；另一方面林龄增加、地表枯落物养分归还等有助于增加土壤有机碳含量，有机碳通过有机或无机的胶结作用、菌丝根系缠绕作用等促进土壤大团聚体形成，增强土壤团聚体稳定性。此外，土壤MWD、GMD 与郁闭度、林分密度存在相关性，但未达到显著水平。

表4 鹅掌楸人工林土壤稳定性与土壤指标和林分因子的相关性分析†Table 4 Correlation analysis of soil stability with soil indexes and stand factors in Liriodendron chinense plantation

3 讨 论

良好的土壤结构主要依赖于其土壤团聚体的稳定，而团聚体稳定性是土壤性质中影响土壤可持续利用和植物生长的重要因子。随鹅掌楸人工林发育至成熟林，由于林下生态气候趋于稳定、林木生长速率趋于平缓、凋落物积累与养分归还增多等致使土壤达到稳定、适宜林木生长，且随土壤微生物增多和活性增强，土壤有机物质循环转化速率加快，从而促进成熟林土壤粉粘粒和微团聚体向次级团聚体和大团聚体转化，导致大团聚体的数量不断上升，土壤粉粘粒的数量下降，而土壤团聚体稳定性与土壤砂粒含量呈显著或极显著正相关,与粉粒和粘粒含量呈显著负相关[16]，因此土壤稳定性成熟林要显著大于幼龄林及中龄林。

此外，大量研究结果表明：鹅掌楸人工林经幼龄林-中龄林-成熟林3 个林龄，土壤团聚体组成均以大团聚体为主体部分，即土壤大团聚体含量多少影响土壤稳定性强弱，王心怡等[12,16-17]在杉木、橡树和油松人工林研究中也发现了类似规律。不同的是，本研究中鹅掌楸人工林土壤大团聚体含量总体表现为幼龄林-中龄林时期减少，在中龄林-成熟林时期大幅增加的趋势，与部分研究显示土壤大团聚体含量随林龄增长而增加结果有异，可能是由于：

1）鹅掌楸为早期速生树种，幼龄林增长速率缓慢，中龄林阶段高速增长，成熟林趋缓至稳定。在幼龄林快速生长阶段，由于植物地上部凋落物积累较少，且林内土壤C、N 等补给较低，土壤有机碳提升有限，土壤大团聚体形成受到抑制；中龄林阶段的快速生长消耗土壤有机碳及土壤养分，使得＞2 mm 粒级团聚体形成再次受到影响；进入成熟期后，凋落物量积累较多，对土壤有机质归还大，有机碳输入和积累的增多导致大团聚体含量增加；

2）造林前炼山整地虽具有短期激肥效益，但至幼林郁闭前，人工林地力下降，微生物活性减弱，生物多样性降低，对土壤大团聚体形成抑制作用。

3）随林龄增加，林间郁闭度呈成熟林＞中龄林＞幼龄林趋势，即于幼龄林阶段，由于林间郁闭度较小，雨水冲刷和雨滴激溅作用较强，土壤易受到崩解作用，土壤大团聚体含量降低；随人工林发育至成熟林，林间郁闭度显著提升，雨滴土壤溅蚀作用减弱，土壤大团聚体含量增加[18]。

综上所述，土壤大团聚体含量总体呈先减再增趋势，即土壤团聚体稳定性表现为成熟林＞幼龄林＞中龄林。

土壤团聚体MWD、GWD 可以表征土壤团聚体的稳定性。土壤MWD 和GMD 变化趋势基本一致，表现为随土层加深，土壤团聚体MWD 和GMD 呈下降趋势；随林龄增加，团聚体稳定性呈幼龄林至中龄林时期降低、中龄林至成熟林时期增加的趋势。此外，各土层内，中龄林土壤MWD与GMD 值均为最低，说明鹅掌楸人工林中龄林时期土壤团聚体稳定性最差，成熟林则优于幼龄林和中龄林。这可能是因为在鹅掌楸人工林快速生长发育阶段，根系快速延伸生长快速消耗土壤养分，且促进大土壤团聚体形成的胶结物质含量较低，土壤大团聚体数量较少，团聚体稳定性较差[19]；成熟期生长发育平缓，有机碳、胶结物质等稳定输入，植物根系释放分泌物、微生物活动强烈[20]等原因，大团聚体形成受激发作用，土壤团聚体稳定性提高，土壤结构逐渐恢复。

稳定性团聚体内部可以固存、保护有机碳，而有机碳则可以作为胶结物质提高团聚体的稳定性。研究表明，不同林龄鹅掌楸人工林土壤有机碳含量随土层加深总体呈减少趋势，与前人研究结果类似[21]，可能的原因如下：首先，土壤有机碳主要是地上凋落物、动植残体、植物根系分泌脱落物等物质经微生物作用而成，而微生物分解作用随土层深度加深而减弱，因此表层土壤有机碳含量比底层高；其次，有机碳含量受地上植被和植物根系影响，随土层加深，植物根系密度减小，土壤有机碳积累量降低，因此存在垂直分布特征。

此外，研究表明，土壤有机碳含量随鹅掌楸人工林林龄增加呈先减少后增加趋势，与已有研究类似[22]。中龄林相较于幼龄林有机碳含量低可能是由于：1）经过前代成熟林伐林前的枯落物累积和造林前的炼山整地有机物质归还等原因，幼龄林土壤中有机碳含量相对较高；2）林分发育至中龄林，林分尚未完全郁闭，林分密度低和林下植被丰富度较低，土壤有机碳输入量较低，而鹅掌楸为速生林木，对土壤中养分需求较大，因此中龄林土壤团聚体有机碳含量较低；3）由于凋落物通过改变土壤微生物群落结构和自身分解释放酶进入土壤，土壤微生物活性与数量受到激发作用，进而影响土壤有机碳含量[22]。4）随林龄增加，土壤C/N 呈先减少后增加趋势，而低C/N 致使土壤有机碳矿化率水平较高，加速有机碳损失[23-24]，因此中龄林土壤有机碳含量有所下降。随鹅掌楸人工林发育至成熟林，林木生长发育速度减缓，养分需求降低；同时林间郁闭，林下生态小气候逐渐完善，加之多年生长累计的凋落物、植物根系对土壤的改良以及各类有机质的输入量增加，成熟林时期土壤有机碳含量显著增加。

随鹅掌楸人工林林龄增加，有机碳输入量增加，均以大团聚体贡献率最高。此外，随林龄增加，较小粒级团聚体（0.25～0.053 mm 和＜0.053 mm粒级团聚体）贡献率逐渐降低，大团聚体（＞2 mm 和2～0.25 mm 粒级团聚体）贡献率逐渐增长，这与Six 等[14]提出的有关团聚体形成的经典模型相符合，有机碳输入后，与微团聚体胶结形成大团聚体的速度加快，但新鲜不稳定的有机碳胶结的大团聚体也容易被破坏而释放大团聚体中的微团聚体。因此中龄林时期，＞2 mm 粒级团聚体的有机碳贡献率略有降低；在成熟林时期，大团聚体的有机碳贡献率逐渐上升，达到80%以上。

土壤团聚体MWD 和GMD 与土壤有机碳含量均呈正相关关系。随鹅掌楸林龄增加，土壤团聚体有机碳含量增加，成熟林土壤MWD 和GMD均显著高于幼龄林和中龄林，说明林龄增加有助于土壤形成大团聚体，并且增加团聚体有机碳含量[25]。

本研究涉及鹅掌楸幼龄林、中龄林、成熟林3 个龄组人工林的土壤团聚体及其有机碳均存在显著差异，但由于研究对象中各龄组之间林龄差距较大，为更加详尽且科学解释鹅掌楸人工林生长过程中土壤性状变化特征，在今后研究中将采取适当缩小林龄差距、增加试验对象分组、拓展测定指标等方式方法进行研究。

3 结 论

1）不同林龄鹅掌楸人工林的土壤团聚体组成各不相同，但均以大团聚体（＞0.25 mm）为主，含量为54.98%～84.90%，即大团聚体含量影响土壤团聚体稳定性。

2）土壤团聚体稳定性指标：平均质量直径（MWD）和平均几何直径（GMD）均以成熟林的最大、幼龄林其次、中龄林最小；且团聚体MWD和GMD 具有明显垂直分布特征，随土层加深，指标数值下降，即土壤团聚体稳定性随土层加深而降低。

3）不同林龄鹅掌楸人工林土壤团聚体有机碳含量及有机碳贡献率均以大团聚体中占比为最高，即大团聚体有机碳含量占土壤团聚体有机碳含量中的主导部分。

4）土壤大团聚体组成含量、团聚体稳定性、团聚体有机碳含量及有机碳贡献率总体随鹅掌楸人工林的林龄增加而不断增加，即随鹅掌楸人工林林龄增加，土壤团聚体稳定性增强、土壤有机碳含量增加、林内土壤地力改善，有助于林木生长。