不同林型兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳特征

王 冰，张鹏杰，张秋良

(内蒙古农业大学林学院，内蒙古 呼和浩特 010019)

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[1]，其对有机碳的保护作用是稳定土壤碳库的重要机制[2]。由于不同粒径土壤团聚体对有机碳的保护机制不同，有机碳在不同粒径土壤团聚体的稳定程度也有所差异。一般而言，粉黏粒通过化学或物理化学机制与有机碳紧密结合，比大团聚体和微团聚体更稳定；微团聚体对有机碳的保护程度大于大团聚体[3]。土壤中的胶结物质是土壤团聚体形成的核心和基础[4]，不同生态系统下土壤胶结物质的变化驱动着土壤团聚体组成发生分异，进而影响土壤有机碳在不同粒径团聚体中的分配[5]。因此，土地利用方式[6-8]和林分类型[1,9-10]均会对土壤团聚体及其有机碳的分布产生影响。土壤胶结物质可分为有机胶结物质和无机胶结物质，有机胶结物质主要包括有机质、微生物及其代谢产物、植物根系及其分泌物等，无机胶结物质主要包括黏粒、多价金属离子和氧化物等[11]，其中，表面带有不同类型和不同数量电荷的铁铝氧化物可以吸附在黏粒表面形成氧化物胶膜，促使土粒更加紧密，形成稳定的团聚体[12-13]。

兴安落叶松是我国寒温带的地带性植被，对呼伦贝尔乃至全国的生态环境发挥着极深远的保护作用。有学者研究了冻土区、沼泽区的兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳特征，分析了重度火烧和抚育间伐对兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳的影响。结果表明，冻土区土壤以黏粒和粉粒为主，砂粒含量最少[14]；沼泽林0～40 cm土层均以粒径>2.000 mm水稳性团聚体含量最高[15]；重度火烧样地0～20 cm土层中粒径≥0.250～2.000 mm团聚体有机碳含量较对照均有不同程度下降[16]；抚育间伐对土壤团聚体稳定性的影响主要集中在0～10 cm土层，30%强度间伐样地土壤水稳性最优[17]。因立地条件差异及海拔差异，兴安落叶松林呈现不同的森林类型，其中分布广且具代表性的有杜鹃-兴安落叶松林、杜香-兴安落叶松林、草类-兴安落叶松林等，其土壤有机碳含量大小依次为杜香-兴安落叶松林>杜鹃-兴安落叶松林>草类-兴安落叶松林[18-19]。不同林型兴安落叶松林土壤团聚体及其有机碳的分布是否存在差异，林下植被是否会对兴安落叶松林土壤团聚体的稳定性产生影响，是目前亟待探讨的问题。本研究以内蒙古大兴安岭地区不同林型的兴安落叶松天然林为研究对象，分析其土壤团聚体有机碳的分布特征及影响因素，探明不同林型对土壤团聚体稳定性及有机碳分布的影响，以期为我国兴安落叶松林的可持续经营、碳汇功能提升提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及样地调查

研究区位于内蒙古大兴安岭森林生态系统国家野外科学观测研究站的原始林试验区(121°30′～121°31′E，50°49′～50°51′N)，地处寒温带湿润气候区，年均气温-5.4 ℃，年降水量 450～550 mm。该区土壤为棕色针叶林土，优势树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)，并伴生有白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)等。林下植物主要有杜鹃(Rhododendronsimsii)、杜香(Ledumpalustre)、柴桦(Betulafruticosa)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、舞鹤草 (Maianthemumbifolium)、红花鹿蹄草(Pyrolaasarifoliasubsp.incarnata)等[20]。

在试验区(根河林业局境内)，按照草类-兴安落叶松林(简称草类松林)、杜香-兴安落叶松林(简称杜香松林)、杜鹃-兴安落叶松林(简称杜鹃松林)3种林型设置样地28块，每块样地规格为30 m×30 m。记录各样地的经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位等地形信息，并对各样地进行每木调查和灌草调查，样地基本情况见表1。

表1 内蒙古不同兴安落叶松林型基本情况

1.2 土壤样品采集及测定

土壤样品采集时间为2017年7—8月，在每个样地内，沿对角线挖取3个土壤剖面，去除表面凋落物，以距地面0～10 cm、≥10～20 cm、≥20～40 cm和≥40～60 cm分层取土样，然后将样地内各点同一土层的土壤混合均匀，取约1 kg待测土样装入塑封袋内；并取环刀土用于土壤含水量和容重的测定。将采集的土样带回实验室，去除土样表面的植物残体及石砾，自然风干，过2 mm筛，用于土壤各指标的测定。

参照Six等[22]和Elliott[23]的湿筛法在微团聚体分离装置中对各粒径土壤团聚体进行提取与测定：在0.250 mm滤膜上放置50个玻璃珠，利用水的流动分散土壤颗粒，分离出>0.250 mm的土壤颗粒组分；在0.053 mm筛上收集微团聚体，用湿筛法从水稳性微团聚体中分离出易分散的黏粉级组分(>0.053 mm)；离心分离悬浊液，获得易分散的黏粉级组分(<0.053 mm)，并于60 ℃烘干，称质量。不同粒径土壤团聚体内的有机碳含量均利用TOC分析仪(SHIMADZU TOC-V CPH，日本)测定。

1.3 数据处理及统计

各粒径团聚体的质量分数、团聚体有机碳含量及其贡献率的计算方法如下：

各粒径土壤团聚体质量分数=该粒径团聚体质量(g)/土壤样品总质量(g)×100%；

(1)

各粒径土壤团聚体含碳量(g/kg)=该粒径团聚体中有机碳质量(g)/该粒径团聚体质量(kg)；

(2)

各粒径土壤团聚体有机碳含量(g/kg)=该粒径团聚体含碳量(g/kg)×该粒径团聚体质量分数(%)；

(3)

各粒径土壤团聚体有机碳贡献率=该粒径土壤团聚体有机碳含量(g/kg)/土壤总有机碳含量(g/kg)×100%。

(4)

平均质量直径(MWD，公式中以MMWD表示)、几何平均直径(GMD，公式中以GGMD表示)和分形维数(D)等用于表征团聚体稳定性的指标计算方法如下[24]：

(5)

(6)

(7)

采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和多重比较(LSD)进行不同数据组间差异显著性检验，采用Pearson相关分析和Linear逐步回归方法分析各土壤指标对土壤团聚体及其有机碳含量的影响。数据处理及绘图在Excel 2016、SPSS 22.0 软件中完成。

2 结果与分析

2.1 不同林型土壤团聚体特征

2.1.1 土壤团聚体组成特征

不同林型兴安落叶松林土壤团聚体的组成与剖面分布特征见表2和图1。总体而言，不同粒径土壤团聚体含量在各林型间的规律不同。粒径≥0.250～2.000 mm团聚体在林型间的含量大小依次为杜鹃松林>草类松林>杜香松林；粒径≥0.053～0.250 mm团聚体在林型间的含量大小依次为草类松林>杜香松林>杜鹃松林；粒径<0.053 mm团聚体在林型间的含量大小排序与粒径≥0.250～2.000 mm团聚体恰好相反，即杜香松林>草类松林>杜鹃松林。其中，草类松林粒径≥0.053～0.250 mm团聚体含量显著高于杜香松林和杜鹃松林(P<0.05，F=5.829，df=2)。各林型兴安落叶松林土壤团聚体基本以大团聚体(粒径≥0.250～2.000 mm)为主，占整个团聚体含量的40.86%～48.02%；草类松林和杜鹃松林各粒径团聚体含量从大到小均为≥0.250～2.000 mm团聚体、<0.053 mm团聚体、≥0.053～0.250 mm团聚体，而杜香松林各粒径团聚体含量从大到小均为<0.053 mm团聚体、≥0.250～2.000 mm团聚体、≥0.053～0.250 mm团聚体。

表2 不同林型兴安落叶松林各粒径土壤团聚体指标值

各林型粒径≥0.250～2.000 mm团聚体均具有明显的表聚特征，土壤表层(0～10 cm)含量显著大于其他各层；而表层粒径<0.053 mm和粒径≥0.053～0.250 mm团聚体含量明显低于其他各土层。粒径≥0.250～2.000 mm团聚体含量在各林型间的差异主要表现在≥40～60 cm土层，草类松林和杜鹃松林显著高于杜香松林(P<0.05，F=10.225，df=2)。粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体含量在各林型间的差异主要表现在0～10 cm和≥20～40 cm土层，均为草类松林显著大于杜鹃松林(P<0.05，F0～10 cm=10.659，F20～40 cm=6.293，df=1)。粒径<0.053 mm土壤团聚体含量在各林型间的差异特征与粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体较一致，也主要表现在≥40～60 cm土层，但大小关系恰好相反，即草类松林和杜鹃松林显著低于杜香松林(P<0.05，F=11.997，df=2)。

图1 不同林型兴安落叶松林土壤团聚体剖面特征Fig.1 Profile characteristics of soil aggregates in different Larix gmelinii forest types

2.1.2 土壤团聚体稳定性特征

不同林型兴安落叶松林土壤团聚体稳定性指标与剖面分布特征见表2和图2。总体而言，平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)在各林型间无显著差异，杜鹃松林中较大，草类松林的分形维数(D)显著小于杜香松林(P<0.05，F=5.103，df=1)。由图2可知，不同林型各稳定性指标在各土层间均无显著性差异，不同土层各稳定性指标在各林型间的显著性差异主要发生在≥40～60 cm土层。≥40～60 cm土层，GMD值在3种林型间存在显著差异(P<0.05，F=8.020，df=2)，杜香松林的MWD值显著小于草类松林和杜鹃松林的(P<0.05，F=10.483，df=2)。随土层深度增加，草类松林和杜鹃松林的变化趋势较一致，即MWD和GMD呈先减小后增大趋势，D呈先增大后减小趋势；杜香松林的MWD和GMD呈逐渐减小趋势，D呈逐渐增大趋势。

图2 不同林型兴安落叶松林土壤团聚体稳定性 指标的剖面特征Fig.2 Profile characteristics of aggregate stability indexes in different Larix gmelinii forest types

图3 不同林型兴安落叶松林土壤团聚体有机碳剖面特征Fig.3 Profile characteristics of soil aggregate organic carbon in different Larix gmelinii forest types

2.2 不同林型土壤团聚体有机碳特征

2.2.1 土壤团聚体有机碳含量

不同林型兴安落叶松林土壤团聚体有机碳含量无显著差异，变化范围为5.50～50.10 g/kg(表2)。杜香松林各粒径团聚体有机碳含量均表现为最高；粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳在林型间的含量大小依次为杜香松林>杜鹃松林>草类松林；粒径≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm土壤团聚体有机碳含量在林型间的大小均表现为杜香松林>草类松林>杜鹃松林。经分析可知(图3)，不同林型各粒径团聚体有机碳含量均呈现明显的垂直分布特征，即随土层深度增加而递减；递减速率各粒径大小依次为≥0.250～2.000 mm团聚体、≥0.053～0.250 mm团聚体、0.053 mm团聚体；且具有明显的表聚特征。不同土层各粒径土壤团聚体有机碳含量在各林型间的规律存在一定差异。在≥20 cm土层中，粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳在各林型间的含量大小排序依次为杜香松林>杜鹃松林>草类松林，20 cm以下土层则表现为杜鹃松林>草类松林>杜香松林，表明杜香松林的粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳随剖面下降速率较快。20 cm以上土层，杜鹃松林粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体有机碳含量最低；20 cm以下土层，则杜香松林为最低，表明杜香松林的粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体有机碳随剖面下降速率较快。≥10 cm以上土层，杜香松林的粒径< 0.053 mm土壤团聚体有机碳含量最低；10 cm以下土层，则杜鹃松林为最低，表明杜香松林粒径<0.053 mm土壤团聚体有机碳随剖面下降速率较慢。

2.2.2 土壤团聚体有机碳贡献率

分析发现，不同林型兴安落叶松林各粒径土壤团聚体碳贡献率为14.65%～58.01%(表2)。草类松林粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体有机碳占比显著高于杜香松林(P<0.05，F=3.977，df=1)，粒径<0.053 mm土壤团聚体有机碳占比显著高于杜鹃松林(P<0.05，F=5.165，df=1)。

各林型不同粒径土壤团聚体有机碳贡献率呈现不同的垂直分布规律(图4)：总体上，随土层深度增加，粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳贡献率呈下降趋势，而粒径≥0.053～0.250 mm和<0.053 mm土壤团聚体则呈升高趋势，其中粒径≥0.053～0.250 mm的贡献率较稳定；各林型间的显著差异主要表现在20 cm以下土层，草类松林和杜香松林粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳贡献率显著小于杜鹃松林(P<0.05，F=10.535，df=2)，而粒径<0.053 mm土壤团聚体有机碳贡献率显著大于杜鹃松林(P<0.05，F=12.967，df=2)。随着土层深度增加，不同林型各粒径土壤团聚体有机碳贡献率发生明显变化，≥20 cm土层中，草类松林和杜香松林均以粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳占主导，20 cm以下土层，则均以粒径<0.053 mm土壤团聚体有机碳占主导；杜鹃松林则一直以粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳占主导。粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳贡献率在各土层均以杜鹃松林为最高；≥40 cm土层中，粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体有机碳贡献率在各林型间的大小排序依次为杜鹃松林>杜香松林>草类松林。≥20 cm土层中，粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体贡献率以杜鹃松林最小，20 cm以下土层，则以杜香松林最小。粒径<0.053 mm土壤团聚体有机碳贡献率在各土层均以杜鹃松林为最低，而杜香松林较高。

图4 不同林型兴安落叶松林土壤团聚体有机碳贡 献率的剖面特征Fig.4 Profile characteristics of contribution rates of soil aggregate organic carbon in different Larix gmelinii forest types

2.3 不同林型土壤团聚体及其有机碳影响因素分析

2.3.1 土壤团聚体特征值与土壤各因子间的相关分析

表3 兴安落叶松林土壤团聚体特征值与土壤理化因子间的相关性

2.3.2 土壤团聚体与土壤各因子间的逐步回归分析

为进一步明确不同林型兴安落叶松林各土壤因子对团聚体的影响，利用逐步回归分析方法筛选出对不同林型有显著影响的主导因子，并建立土壤团聚体与土壤因子间的回归方程。以3种林型各粒径的土壤，团聚体含量为因变量Y，分别记为Y11(草类-兴安落叶松林中粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体)、Y12(草类-兴安落叶松林中粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体)、Y13(草类-兴安落叶松林中粒径<0.053 mm土壤团聚体)、Y21(杜香-兴安落叶松林中粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体)、Y22(杜香-兴安落叶松林中粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体)、Y23(杜香-兴安落叶松林中粒径<0.053 mm土壤团聚体)、Y31(杜鹃-兴安落叶松林中粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体)、Y32(杜鹃-兴安落叶松林中粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体)、Y33(杜鹃-兴安落叶松林中粒径<0.053 mm土壤团聚体)，以各土壤因子为自变量，进行逐步线性回归，结果见表4。

表4 不同林型兴安落叶松林各粒径土壤团聚体回归方程

3 讨 论

由于有机质输入的差异和人为扰动的影响，不同土地利用类型、森林类型的土壤团聚体含量和稳定性存在差异[7-8]。在本研究中，各林型兴安落叶松林土壤团聚体的主要存在形式为粒径>0.250 mm大团聚体。粒径>0.250 mm团聚体的含量可在一定程度上表征土壤质量的优劣，其含量越高，土壤团聚体越稳定，土壤结构越好，质量越佳[25]。林地植物根系通过缠绕和联结土壤颗粒并释放分泌物，促进了土壤大团聚体的形成与稳定[5]。由于3种林型兴安落叶松林地上、地下凋落物的输入数量和质量及其分解速率不同，改变了土壤有机碳的积累和含量，使形成大团聚体的胶结物质发生差异，最终表现出不同的团聚体组成特征[26-27]。杜鹃-兴安落叶松林的土壤大团聚体(粒径≥0.250～2.000 mm)含量在3种林型中最高，而草类-兴安落叶松林和杜香-兴安落叶松林的粒径<0.250 mm土壤团聚体占比较杜鹃松林高，表明草类-兴安落叶松林和杜香-兴安落叶松林土壤团聚体在向小粒径方向演变。

团聚体组成及有机碳含量对稳定土壤结构和维持肥力有重要作用[28]。已有研究发现，大团聚体有机碳含量比微团聚体高[29]。3种林型兴安落叶松林土壤团聚体有机碳含量均表现为粒径≥0.250～2.000 mm大团聚体的有机碳含量最高，这与王富华等[24]、Mikha等[30]的研究结果一致。林地在促进黏粉粒和微团聚体形成大团聚体的同时，使更多的土壤有机碳向大团聚体富集，使大团聚体成为碳赋存的主体。各粒径均表现为杜香-兴安落叶松林的土壤团聚体有机碳含量最高。相同气候类型和土壤母质条件下，植物自身的生物学和生态学特性对土壤团聚体有机碳的形成和分布有着极大贡献[23,31]。3种林型均以兴安落叶松为绝对优势种，林分结构简单，灌木与草本的分布存在明显垂直地带性[18]。研究区杜香-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林林分密度较大，杜香主要分布于土壤水分含量高、土壤温度低的阴坡、半阴坡，群落发展稳定，植被盖度大，土壤环境得到改善，较适宜微生物活动，同时地表凋落物多，增加了土壤有机质的输入量[18,32]，所以杜香-兴安落叶松林的土壤有机碳含量最高，为土壤团聚体提供了更多的碳源；而兴安杜鹃虽与杜香同属杜鹃花科灌木，但叶片近革质，不易于分解。草类-兴安落叶松林地处山坡，土层薄，胸径小、根系不发达的树木极易倒折，经过长时间的自然更新后导致林分密度小，所以有机碳的输入量较少[18]。研究区地处大兴安岭北部原始林区，未受人为干扰，植被生长旺盛，凋落物层较厚，加之兴安落叶松的根系多分布于土壤表层，分解后形成的腐殖质主要在土壤表层积累[26]，土壤有机碳含量呈现明显的表聚特征，而土壤有机碳是大团聚体的主要胶结物质，所以土壤大团聚体有机碳含量的表聚特征更加明显，且随深度增加下降明显。

兴安落叶松林TOC含量与MWD、GMD、D的相关性显著，说明土壤有机碳含量影响兴安落叶松林土壤团聚体的稳定性，这与赵友朋等[4]、王心怡等[33]对不同林分类型土壤团聚体及其稳定性的研究结果较一致。TOC含量与粒径≥0.250～2.000 mm土壤团聚体含量的相关性显著说明，土壤有机碳含量对兴安落叶松林土壤团聚体的形成有显著影响，其促进了大团聚体(粒径≥0.250～2.000 mm)的形成，是大团聚体的主要胶结物质。这一研究结果与刘艳等[34]对北京地区栓皮栎和油松人工林的研究结果较一致。微团聚体通过有机质黏合形成大团聚体[2]，土壤有机碳含量增加为土壤中较小颗粒胶结成较大团聚体创造了有利条件。粒径≥0.250～2.000 mm粒径团聚体含量、MWD、GMD均与pH、SWC、AK、AP、TP存在显著相关性，表明土壤的含水量、养分含量和酸碱水平对兴安落叶松林土壤大团聚体的形成和土壤结构的稳定具有重要影响，其影响主要通过改变土壤有机碳的积累来实现。土壤中氮、磷、钾的增加可以促进植物生长，从而增加凋落物归还量、根系分泌物和提高微生物活性，有利于土壤有机质的重要组成成分多糖的累积[35-36]。pH主要通过影响土壤微生物的种类、数量和活性而对土壤有机质的分解产生影响[37]。土壤各金属氧化物含量与微团聚体(粒径<0.250 mm)含量间的显著相关性表明，Fe、Al等金属氧化物对团聚体的胶结作用更多体现在微团聚体中。金属氧化物表面常带正电荷，可以吸附在黏粒表面而形成氧化物胶膜[12]，在土壤团聚过程中充当“桥键”作用，促进土粒更加紧密，形成黏粒-多价金属-有机质复合体，改变土壤结构[38]，这与金属氧化物在土壤中的形态、表面电荷密度等有关[39]。

综上可知，兴安落叶松林土壤团聚体以大团聚体(粒径≥0.250～2.000 mm)为主，各林型大小表现为杜鹃-兴安落叶松林>草类-兴安落叶松林>杜香-兴安落叶松林。各粒径土壤团聚体有机碳含量均为杜香-兴安落叶松林最高。TOC是3种林型粒径≥0.250～2.000 mm、<0.053 mm土壤团聚体的共同主导因子，而粒径≥0.053～0.250 mm土壤团聚体的主导因子因林型不同而不同。土壤理化指标对土壤团聚体的形成和稳定具有重要影响，土壤含水量、养分含量较高的酸性土壤更有利于兴安落叶松林土壤大团聚体的形成和土壤结构的稳定，具体影响机制还有待深入研究。