马尾松人工林土壤各粒径团聚体湿筛后的有机碳分配

韩贞贵,周运超,*,任娇娇,白云星

1 贵州大学贵州省森林资源与环境研究中心, 贵阳 550025 2 贵州省高原山地林木培育重点实验室, 贵阳 550025 3 贵州大学林学院, 贵阳 550025

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元,其形成作用被认为是土壤有机碳固定的最重要机制[1-3]。有机碳作为团聚体形成的重要胶结物质[4],其含量的提高有利于形成良好的土壤结构和增强土壤抗蚀性[5]。全球范围内70%—73%的有机碳存于森林土壤中,90%集中于表层土壤团聚体中[6]。因此,土壤团聚体的形成与提高土壤有机碳的固持,对有效缓解温室效应具有重要意义[7- 8]。

近年来,国内外学者参照Elliott[9]湿筛法对土壤团聚体水稳性及有机碳的研究报道已经很多[10- 13]。已有的研究证实,土壤团聚体形成与土壤有机碳含量间存在正相关关系[14- 15]。但不同粒径团聚体有机碳含量存在明显差异。有研究表明,团聚体有机碳含量随粒径的增大而降低[16],但也有研究发现有机碳含量随团聚体粒径的增大而增加,<0.25 mm粒径团聚体有机碳含量相对较低[17- 18]。由于某一粒径团聚体湿筛后分配到不同粒级的团聚体有机碳并不清楚,以及各粒径团聚体湿筛消散到同一粒级的团聚体有机碳含量是否有差异仍值得商榷。采用Elliott湿筛法是造成上述矛盾的一个可能原因。因为,不同粒径团聚体的稳定性和有机碳质、量不同[19],在湿筛过程中发生的崩解、差异膨胀和物理-化学分散的作用不同,导致不同粒径团聚体湿筛消散到同一粒级分配的团聚体有机碳有差异。此外,有研究表明土壤团聚体粒径越小比表面积越大,吸附的有机物碳也越多,所以较小粒径团聚体中的有机碳含量也越高[20],但忽略了较小粒径团聚体比表面积大在湿筛过程中受水力作用也越大的影响。因此,考虑到不同粒径团聚体受有机胶结物质的团聚作用力和抵抗水分散作用力不同,以及两者综合作用对团聚体的影响也还不清楚,导致自然状态下不同粒径团聚体受水力侵蚀对有机碳的分配不同,即使不同粒径团聚体湿筛分配到同一粒级的有机碳也可能有差异。而就某一粒径团聚体湿筛后的有机碳分配及其对土壤团聚体水稳性的影响也鲜见报道。

马尾松(MassonPine)人工林在维持森林生态系统稳定方面具有重要地位[21]。我国亚热带地区自实施生态修复以来,整治后的森林植被有明显增加,但土壤功能并没有得到同步恢复,马尾松人工林水土流失依然严重[22]。水土流失是陆地碳循环的重要动力过程之一,也是造成土壤有机碳循环和流失的主要原因[23],对马尾松林下土壤团聚体稳定性及其有机碳的研究已成为广大学者关注的焦点问题[24-26]。然而这些研究主要是将干筛的各粒径团聚体按质量百分比配成一定量土样一起进行湿筛,从湿筛后分散到不同粒级上的水稳性团聚体总量进行有机碳研究,人们对马尾松人工林各粒径团聚体在水力侵蚀下的有机碳分配认识依然有限。基于此,本研究以不同种植年限的马尾松人工林为研究对象,采用湿筛法对各粒径土壤团聚体分别进行了湿筛,探究了土壤各粒径团聚体湿筛后的有机碳分配。以试图明晰以下科学问题：1)土壤团聚体水稳性如何响应种植年限变化？2)各粒径团聚体的有机碳分配以及如何响应种植年限变化？3)土壤团聚体水稳性与各粒径团聚筛后的有机碳分配关系及意义如何？以期为森林防治水土流失和提高土壤固碳提供资料。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于贵州省贵阳市林业科学研究院实验林场(26°31′N—26°34′N,106°43′E—106°46′E),属于中国西南亚热带季风气候区。年最高温35.1 ℃,年最低温-7.3 ℃,年均温15.3 ℃。年平均降水量为1129.5 mm,土壤具有明显的黄化特征,这是中国亚热带黄壤的典型特征,土壤呈酸性,主要植被为马尾松。

1.2 样地选择与样品采集

在林场选择地形、海拔、坡度和坡向等条件基本一致,长势较为均匀、无病虫害的25a、45a和65a的马尾松人工林为研究对象。在各种植年限分别设置3个20 m×20 m标准样地,在设立的样地内选择能反映林分基本特征,具有代表性的地段,避开树干基部。分别在样地按“S”型选取5个点采集原装土样组成一个样品。采样前除去表面的枯枝落叶,采样深度为0—20 cm。将采集的原装土样放入铝制盒中,以保持原状土壤结构,带回实验室。按照土壤自然破碎面将土样掰成直径约1 cm的土块,除去土壤中动植物残体以及碎石等,待自然风干。

1.3 测定方法

干筛和湿筛：用四分法取出一部分(1000.0 g)的土样,通过干筛套筛组(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm),筛分时间为15 min。然后将每个筛上的团聚体按粒径类别称重,计算各粒径干筛团聚体所占团聚体重量百分比。并按干筛的各粒径团聚体所占比例配成100.0 g土样用于湿筛,用于计算土壤团聚体水稳性。

各粒经团聚体湿筛：对Elliott[9]湿筛法进行了改进,将干筛步骤得到的各粒径团聚体分别单独进行湿筛,具体步骤如下：称取每一干筛粒径团聚体100.0 g,置于湿筛套筛组(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm)最上层,调整桶内水面的高度使套筛移动到最高位置时最上一层筛中的团聚体刚好淹没于水面以下,浸泡5 min,以330次/min的频率振荡20 min,筛分完成后收集每一层筛上的水稳性团聚体,于65 ℃下烘至恒重,称重。

有机碳测定：将各粒经团聚体湿筛后得到的团聚体烘干、磨细过0.25 mm筛,采用重铬酸钾外加热法测定[27]。

1.4 分析方法和数据处理

通过平均重量直径(MWD,Mean weight diameter)、几何平均直径(GMD,Geometric mean diameter)和团聚体破坏率(PAD,Aggregate destruction rate)指标来评价土壤团聚体水稳性,各指标计算方式如下：

采用Excel 2010和SPSS 20.0对数据进行整理和统计分析,应用单因素(One-Way ANOVA)和Duncan法进行方差分析(P<0.05)。

2 结果分析

2.1 土壤团聚体水稳性

图1可知,随着种植年限的增加,水稳性团聚体MWD和GMD呈显著降低趋势,而PAD呈显著增加趋势(P<0.05)。与25a相比,MWD在45a和65a分别降低了28.74%和47.49%;GMD分别降低了52.77%和65.41%;而PAD变化与MWD和GMD呈相反趋势,45a和65a分别增加了144.70%和200.29%。

图1 不同种植年限土壤团聚体水稳性变化特征Fig.1 Variation characteristics of water stability of soil aggregates in different planting yearsMWD：平均重量直径 Mean weight diameter;GMD：几何平均直径 Geometric mean diameter;PAD：团聚体破坏率 Aggregate destruction rate;不同小写字母a、b、c表示MWD、GMD和PAD分别在不同种植年限上的差异显著(P<0.05)

2.2 各粒径团聚体分别湿筛后的分布

如表2显示,>5 mm、5—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm和0.5—0.25 mm粒径团聚体分别湿筛后,均以保持原粒级的团聚体含量最高,差异显著(P<0.05),消散的团聚体随粒级的减小含量呈“V”型分布。在种植年限上,各粒径团聚体消散后保持原粒径团聚体含量总体表现为：25a≈45a>65a,而消散到其他粒级的团聚体含量表现为：25a≈45a<65a。

表2 各粒径团聚体湿筛后的水稳性团聚体分布

2.3 各粒径团聚体分别湿筛后的有机碳分配

图2表明,3种种植年限中各粒径团聚体湿筛后的有机碳分配随粒级减小含量呈先降低后增加趋势。25a和65a各粒径团聚体分散后,均以保持原粒级水稳性团聚体有机碳含量显著高于分配到其他粒级的水稳性团聚体有机碳含量(P<0.05);在45a >5 mm和5—2 mm粒径团聚体湿筛后分配到微团聚体中的有机碳含量最高,而其他粒径团聚体湿筛后的有机碳分配与25a和65a呈一致变化趋势。在种植年限上,各粒径团聚体湿筛后分配到不同粒级的有机碳含量总体趋势表现为：25a≈45a>65a。

图2 不同种植年限各粒径团聚体的有机碳分配Fig.2 The organic carbon distribution of aggregates of different particle sizes in different construction years同列不同小写字母表示不同种植年限上的显著差异(P<0.05);同行不同大写字母表示不同粒级上的显著差异(P<0.05)

表3比较了各粒径团聚体消散后分配到同一粒级的有机碳含量。3种种植年限中,各粒径团聚湿筛后分配到同一粒级的有机碳含量以保持原粒级的有机碳显著高于其他粒径团聚体湿筛分散到这一粒级的有机碳含量,而较大的各粒径团聚体间消散分配到同一粒级的有机碳含量无一致变化规律。

表3 各粒径团聚体分配到同一粒级的有机碳含量差异

2.4 分别湿筛后的水稳性团聚体与之有机碳的关系

各粒径团聚体湿筛消散后,保持原粒级水稳性团聚体含量与之有机碳含量呈正相关关系,其中>5 mm、5—2 mm和2—1 mm达到了极显著水平(P<0.01),分散到其他粒级的水稳性团聚体含量与之有机碳含量呈负相关(表4)。>5 mm粒径团聚体分散后,除了5—2 mm和<0.25 mm粒级,其他粒级水稳性团聚体含量与之有机碳含量呈极显著负相关(P<0.01);5—2 mm粒径团聚体分散后,除2—1 mm粒级,其他粒级水稳性团聚含量与之有机碳含量呈极显著负相关性(P<0.01);2—1 mm粒级团聚体分散后,除<0.25 mm粒级,其他粒级水稳性团聚含量与之有机碳含量呈极显著负相关性(P<0.01)。1—0.5 mm粒级团体分散后,0.5—0.25 mm粒级团聚体含量与之有机碳含量呈极显著负相关性(P<0.01)。

表4 水稳性团聚体与有机碳的相关性

2.5 团聚体湿筛后分配的有机碳与稳定指标的关系

各粒径团聚体消散后,以保持原粒级团聚体有机碳与MWD和GMD呈显著或极显著正相关(P<0.05或0.01),随消散到越小的粒级,团聚体有机碳与MWD和GMD正相关也低;PAD与保持原粒级团聚体有机碳呈显著或极显著负相关(P<0.05或0.01),随消散到越小的粒级,负相关性越不显著(表5)。各粒径团聚体消散到同一粒级的团聚体有机碳,以保持原粒级的团聚体有机碳与MWD、GMD和PAD正相关性更强。

表5 团聚体有机碳与稳定指标的相关系数矩阵

3 讨论

3.1 种植年限对土壤团聚体水稳性的影响

稳定的团聚体对提高土壤抗侵蚀能力和改善土壤质量等方面具有重要意义[28- 29]。MWD、GMD值越大和PAD值越小表征土壤团聚体稳定性越强。反之,土壤团聚体稳定性越弱。在本研究中,3个评价指标均表明团聚体水稳性随马尾松人工林种植年限增加呈显著降低趋势。土壤有机碳是团聚体形成和稳定的主要物质基础之一,土壤颗粒在持久性胶结物质(芳香类有机质)的作用下形成微团聚体(<0.25 mm),微团聚体再通过暂时和瞬时性胶结物质(多糖、菌丝根系)的作用下逐级形成大团聚体(>0.25 mm)[19]。随着种植年限增加各粒径团聚体有机碳含量呈降低趋势(图2),MWD、GMD和PAD与有机碳含量的相关性也表明,有机碳对团聚体水稳性有显著的积极影响(表5)。此外,根系也是影响团聚体稳定性的可能因素。一方面,根系分泌物能够刺激微生物生长,增加土壤中大粒级团聚体的含量,进而提高团聚体的稳定性,其效应与根系分泌物的浓度和成分显著相关[30]。另一方面,表层根系对土壤的穿插和缠结促进了土壤团聚结构的形成[31]。大量研究表明,在表层(0—20 cm)土壤团聚体水稳性与一些根系特征(根长密度和比根长)有很好的正相关性[32-33]。本研究区的细根含量随马尾松种植年限增加逐渐降低(表1),45a和65a乔木根系系统纵向分布较深,在表层细根较少。因此,较少的根系直接导致作用于团聚体形成和稳定的根系分泌物和成分减少以及物理作用变弱,不利于团聚体形成和稳定。

表1 采样地植被及土壤剖面状况

3.2 各粒径团聚体的有机碳分配特征

研究结果表明,3种种植年限各粒径团聚体的有机碳分配,随湿筛后的粒级减小含量呈先降低后增加趋势,即在保持原粒级的有机碳含量最高,其次是在<0.25 mm粒级。这可能与分散后的团聚体粒径大小有关,团聚体“层次性概念”模型[16]表明：大团聚体是由微团聚体逐级形成的过程,较大粒径团聚体含有更多胶结微团聚体的有机胶结物,以及在大团聚体中处于分解状态的根系和菌丝极大地增加了其有机碳浓度,随着团聚体粒径的减小这些有机胶结物质也降低。同时,在微团聚体向大团聚体是逐级形成过程中,有机胶结物稳定性也越来越弱,当径流冲刷力大于土壤团聚体内聚力和渗透力时,将迁移细颗粒物质(黏粒和粉粒),导致大量溶解性有机碳、少量颗粒有机碳发生迁移,有机碳含量降低[34]。因此,在湿筛过程中,由于各粒径团聚体分散成越小粒径大团聚体时,也意味着损失了更多的这部分有机碳。而微团聚体含量较高的原因,是由于微团聚体有机碳顽固且密度大,有机和无机胶体能紧密结合并固持碳,固持的碳不易为微生物分解释放,同时受外界因素影响基本不易发生损失[35]。此外。我们比较了各粒径团聚湿筛后分配到同一粒级的有机碳含量差异,保持原粒级的有机碳显著高于其他粒径团聚体湿筛分散到这一粒级的有机碳含量。对上述解释原因总结成两点也可以很好的解释这一现象：即在较大粒径团聚体分散成越小粒径大水稳性团聚体时流失更多有机碳的缘故;同一粒级团聚体在逐级形成不同粒径团聚体时的有机碳质、量可能不同。

在种植年限上,各粒径团聚体湿筛后的有机碳含量在不同粒级团聚体中总体趋势表现为：25a≈45a>65a。大多学者对马尾松人工林生产力与林龄变化的研究结果趋于一致,即幼龄林至中龄林末期与近熟林初期林分的净初级生产力是一个上升的过程,之后林分的净初级生产力逐渐降低[36]。姜俊等[37]也研究发现,林龄从10a到40a物种多样性指数呈增长趋势,40a达到最大值,40a以后物种多样性指数呈降低趋势。由表2显示,65a林地生物量和物种多样性最低,这可能直接影响了对土壤有机碳的输入量,从而使 65a各粒径土壤团聚体分配的有机碳含量在不同粒径水稳性团聚体中均显著低于25a和45a。25a至45a物种多样性增加,是林分发育阶段,但有研究表明土壤有机碳储存水平并非无限度增加,而是存在一个碳饱和水平[38-39]。本研究中25a和45a各粒径团聚体分配的有机碳含量在不同粒径水稳性团聚体中均很高,且差异不显著,可能是由于达到了该土壤碳饱和水平所致。此外,在我们之前研究中(同一研究区)发现,马尾松人工林种植 25a后,土壤微生物群落结构稳定性和功能代谢活性明显降低[40],同时随种植年限增加凋落物中含有较多难降解的纤维素和木质素等[40],这些物质中C/N比相对较高,较高的C/N比会导致土壤中氮的缺乏,从而抑制土壤微生物活性[41],最终使有机质等养分归还土壤减少。这一点也可以对土壤团聚体水稳性进行很好的解释。

3.3 土壤团聚体水稳性与各粒径团聚湿筛后的团聚体有机碳的关系

回归分析表明,有机碳与保持原粒径团聚体呈显著呈或极显著正相关,与消散到其他粒级的团聚体呈极显著负相关。表明有机碳含量升高可以为团聚体的形成提供更多胶结物质,将微团聚体和粉粒及黏粒胶结形成大团聚体,减少粒级较小的团聚体、粉粒和黏粒的含量,从而增加了大团聚体的含量[17]。反之,有机碳含量的降低,促使更多较大粒径团聚体向较小粒径团聚、微团聚体等的转化。团聚体稳定指标与有机碳相关性表明,随各粒径团聚体湿筛后分配到越小的粒级正相关性越不显著,保持原粒级的正相关达到了显著或极显著水平(P<0.05或0.01)。这表明有机质在促进团聚体形成和维持团聚体稳定性方面有差异,有机碳在较大粒径团聚体中比在较小粒径团聚体中维持团聚体稳定的作用更大。Peng等[42]、Xue等[43]等对热带亚热带红壤研究发现,与DCB和草酸浸提后的土壤相比,H2O2氧化后的保留来下的土壤大团聚体(0.25—2.0 mm)较少,砂粒级微团聚体(0.053—0.25 mm)和粉粒级微团聚体较多。此外,一些研究发现,铁铝氧化物的含量随团聚体粒级降低而增加,且主要集中在微团聚体中[44- 45]。这些研究结果表明,有机质是影响较大粒径团聚体稳定的主要因素,而随团聚体粒径减小,氧化物以及有机质(芳香腐殖质)与多价金属阳离子络合形成的有机无机聚合物对团聚体稳定性起着重要作用[19]。此外,本研究发现各粒径团聚分散为同一粒级的有机碳对土壤团聚体水稳性的作用也不相同。这是由于同一粒级的团聚体在逐级形成不同粒径团聚体时的有机碳质、量不同,对土壤团聚体水稳性的作用也有差异,还有待从有机碳组分等更微观层次深入探究。

4 结论

(1)随种植年限增加,土壤团聚体水稳性显著降低,各粒径团聚体湿筛分配到不同粒级的有机碳含量在24a与45a间无显著差异,均显著高于65a。

(2)各粒径团聚体湿筛分配的有机碳随粒级的减小含量呈先降低后增加趋势。各粒径团聚体分配到同一粒级的有机碳,以保持原粒级的有机碳含量以及对土壤团聚体水稳性贡献显著高于较大粒径团聚体分配到这一粒级的团聚体。

(3)土壤机碳含量增加促进更大粒径团聚体形成;有机碳含量降低导致大粒径团聚体向较小粒径团聚体转化。土壤中保持原粒级团聚体比易转化形成更大粒级团聚体有更高的有机碳含量和更强的水稳性。