馬尾松人工林土壤各粒徑團聚體濕篩后的有機碳分配

韓貞貴,周運超,*,任嬌嬌,白云星

1 貴州大學貴州省森林資源與環境研究中心, 貴陽 550025 2 貴州省高原山地林木培育重點實驗室, 貴陽 550025 3 貴州大學林學院, 貴陽 550025

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元,其形成作用被認為是土壤有機碳固定的最重要機制[1-3]。有機碳作為團聚體形成的重要膠結物質[4],其含量的提高有利于形成良好的土壤結構和增強土壤抗蝕性[5]。全球范圍內70%—73%的有機碳存于森林土壤中,90%集中于表層土壤團聚體中[6]。因此,土壤團聚體的形成與提高土壤有機碳的固持,對有效緩解溫室效應具有重要意義[7- 8]。

近年來,國內外學者參照Elliott[9]濕篩法對土壤團聚體水穩性及有機碳的研究報道已經很多[10- 13]。已有的研究證實,土壤團聚體形成與土壤有機碳含量間存在正相關關系[14- 15]。但不同粒徑團聚體有機碳含量存在明顯差異。有研究表明,團聚體有機碳含量隨粒徑的增大而降低[16],但也有研究發現有機碳含量隨團聚體粒徑的增大而增加,<0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量相對較低[17- 18]。由于某一粒徑團聚體濕篩后分配到不同粒級的團聚體有機碳并不清楚,以及各粒徑團聚體濕篩消散到同一粒級的團聚體有機碳含量是否有差異仍值得商榷。采用Elliott濕篩法是造成上述矛盾的一個可能原因。因為,不同粒徑團聚體的穩定性和有機碳質、量不同[19],在濕篩過程中發生的崩解、差異膨脹和物理-化學分散的作用不同,導致不同粒徑團聚體濕篩消散到同一粒級分配的團聚體有機碳有差異。此外,有研究表明土壤團聚體粒徑越小比表面積越大,吸附的有機物碳也越多,所以較小粒徑團聚體中的有機碳含量也越高[20],但忽略了較小粒徑團聚體比表面積大在濕篩過程中受水力作用也越大的影響。因此,考慮到不同粒徑團聚體受有機膠結物質的團聚作用力和抵抗水分散作用力不同,以及兩者綜合作用對團聚體的影響也還不清楚,導致自然狀態下不同粒徑團聚體受水力侵蝕對有機碳的分配不同,即使不同粒徑團聚體濕篩分配到同一粒級的有機碳也可能有差異。而就某一粒徑團聚體濕篩后的有機碳分配及其對土壤團聚體水穩性的影響也鮮見報道。

馬尾松(MassonPine)人工林在維持森林生態系統穩定方面具有重要地位[21]。我國亞熱帶地區自實施生態修復以來,整治后的森林植被有明顯增加,但土壤功能并沒有得到同步恢復,馬尾松人工林水土流失依然嚴重[22]。水土流失是陸地碳循環的重要動力過程之一,也是造成土壤有機碳循環和流失的主要原因[23],對馬尾松林下土壤團聚體穩定性及其有機碳的研究已成為廣大學者關注的焦點問題[24-26]。然而這些研究主要是將干篩的各粒徑團聚體按質量百分比配成一定量土樣一起進行濕篩,從濕篩后分散到不同粒級上的水穩性團聚體總量進行有機碳研究,人們對馬尾松人工林各粒徑團聚體在水力侵蝕下的有機碳分配認識依然有限。基于此,本研究以不同種植年限的馬尾松人工林為研究對象,采用濕篩法對各粒徑土壤團聚體分別進行了濕篩,探究了土壤各粒徑團聚體濕篩后的有機碳分配。以試圖明晰以下科學問題：1)土壤團聚體水穩性如何響應種植年限變化？2)各粒徑團聚體的有機碳分配以及如何響應種植年限變化？3)土壤團聚體水穩性與各粒徑團聚篩后的有機碳分配關系及意義如何？以期為森林防治水土流失和提高土壤固碳提供資料。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于貴州省貴陽市林業科學研究院實驗林場(26°31′N—26°34′N,106°43′E—106°46′E),屬于中國西南亞熱帶季風氣候區。年最高溫35.1 ℃,年最低溫-7.3 ℃,年均溫15.3 ℃。年平均降水量為1129.5 mm,土壤具有明顯的黃化特征,這是中國亞熱帶黃壤的典型特征,土壤呈酸性,主要植被為馬尾松。

1.2 樣地選擇與樣品采集

在林場選擇地形、海拔、坡度和坡向等條件基本一致,長勢較為均勻、無病蟲害的25a、45a和65a的馬尾松人工林為研究對象。在各種植年限分別設置3個20 m×20 m標準樣地,在設立的樣地內選擇能反映林分基本特征,具有代表性的地段,避開樹干基部。分別在樣地按“S”型選取5個點采集原裝土樣組成一個樣品。采樣前除去表面的枯枝落葉,采樣深度為0—20 cm。將采集的原裝土樣放入鋁制盒中,以保持原狀土壤結構,帶回實驗室。按照土壤自然破碎面將土樣掰成直徑約1 cm的土塊,除去土壤中動植物殘體以及碎石等,待自然風干。

1.3 測定方法

干篩和濕篩：用四分法取出一部分(1000.0 g)的土樣,通過干篩套篩組(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm),篩分時間為15 min。然后將每個篩上的團聚體按粒徑類別稱重,計算各粒徑干篩團聚體所占團聚體重量百分比。并按干篩的各粒徑團聚體所占比例配成100.0 g土樣用于濕篩,用于計算土壤團聚體水穩性。

各粒經團聚體濕篩：對Elliott[9]濕篩法進行了改進,將干篩步驟得到的各粒徑團聚體分別單獨進行濕篩,具體步驟如下：稱取每一干篩粒徑團聚體100.0 g,置于濕篩套篩組(5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm和0.25 mm)最上層,調整桶內水面的高度使套篩移動到最高位置時最上一層篩中的團聚體剛好淹沒于水面以下,浸泡5 min,以330次/min的頻率振蕩20 min,篩分完成后收集每一層篩上的水穩性團聚體,于65 ℃下烘至恒重,稱重。

有機碳測定：將各粒經團聚體濕篩后得到的團聚體烘干、磨細過0.25 mm篩,采用重鉻酸鉀外加熱法測定[27]。

1.4 分析方法和數據處理

通過平均重量直徑(MWD,Mean weight diameter)、幾何平均直徑(GMD,Geometric mean diameter)和團聚體破壞率(PAD,Aggregate destruction rate)指標來評價土壤團聚體水穩性,各指標計算方式如下：

采用Excel 2010和SPSS 20.0對數據進行整理和統計分析,應用單因素(One-Way ANOVA)和Duncan法進行方差分析(P<0.05)。

2 結果分析

2.1 土壤團聚體水穩性

圖1可知,隨著種植年限的增加,水穩性團聚體MWD和GMD呈顯著降低趨勢,而PAD呈顯著增加趨勢(P<0.05)。與25a相比,MWD在45a和65a分別降低了28.74%和47.49%;GMD分別降低了52.77%和65.41%;而PAD變化與MWD和GMD呈相反趨勢,45a和65a分別增加了144.70%和200.29%。

圖1 不同種植年限土壤團聚體水穩性變化特征Fig.1 Variation characteristics of water stability of soil aggregates in different planting yearsMWD：平均重量直徑 Mean weight diameter;GMD：幾何平均直徑 Geometric mean diameter;PAD：團聚體破壞率 Aggregate destruction rate;不同小寫字母a、b、c表示MWD、GMD和PAD分別在不同種植年限上的差異顯著(P<0.05)

2.2 各粒徑團聚體分別濕篩后的分布

如表2顯示,>5 mm、5—2 mm、2—1 mm、1—0.5 mm和0.5—0.25 mm粒徑團聚體分別濕篩后,均以保持原粒級的團聚體含量最高,差異顯著(P<0.05),消散的團聚體隨粒級的減小含量呈“V”型分布。在種植年限上,各粒徑團聚體消散后保持原粒徑團聚體含量總體表現為：25a≈45a>65a,而消散到其他粒級的團聚體含量表現為：25a≈45a<65a。

表2 各粒徑團聚體濕篩后的水穩性團聚體分布

2.3 各粒徑團聚體分別濕篩后的有機碳分配

圖2表明,3種種植年限中各粒徑團聚體濕篩后的有機碳分配隨粒級減小含量呈先降低后增加趨勢。25a和65a各粒徑團聚體分散后,均以保持原粒級水穩性團聚體有機碳含量顯著高于分配到其他粒級的水穩性團聚體有機碳含量(P<0.05);在45a >5 mm和5—2 mm粒徑團聚體濕篩后分配到微團聚體中的有機碳含量最高,而其他粒徑團聚體濕篩后的有機碳分配與25a和65a呈一致變化趨勢。在種植年限上,各粒徑團聚體濕篩后分配到不同粒級的有機碳含量總體趨勢表現為：25a≈45a>65a。

圖2 不同種植年限各粒徑團聚體的有機碳分配Fig.2 The organic carbon distribution of aggregates of different particle sizes in different construction years同列不同小寫字母表示不同種植年限上的顯著差異(P<0.05);同行不同大寫字母表示不同粒級上的顯著差異(P<0.05)

表3比較了各粒徑團聚體消散后分配到同一粒級的有機碳含量。3種種植年限中,各粒徑團聚濕篩后分配到同一粒級的有機碳含量以保持原粒級的有機碳顯著高于其他粒徑團聚體濕篩分散到這一粒級的有機碳含量,而較大的各粒徑團聚體間消散分配到同一粒級的有機碳含量無一致變化規律。

表3 各粒徑團聚體分配到同一粒級的有機碳含量差異

2.4 分別濕篩后的水穩性團聚體與之有機碳的關系

各粒徑團聚體濕篩消散后,保持原粒級水穩性團聚體含量與之有機碳含量呈正相關關系,其中>5 mm、5—2 mm和2—1 mm達到了極顯著水平(P<0.01),分散到其他粒級的水穩性團聚體含量與之有機碳含量呈負相關(表4)。>5 mm粒徑團聚體分散后,除了5—2 mm和<0.25 mm粒級,其他粒級水穩性團聚體含量與之有機碳含量呈極顯著負相關(P<0.01);5—2 mm粒徑團聚體分散后,除2—1 mm粒級,其他粒級水穩性團聚含量與之有機碳含量呈極顯著負相關性(P<0.01);2—1 mm粒級團聚體分散后,除<0.25 mm粒級,其他粒級水穩性團聚含量與之有機碳含量呈極顯著負相關性(P<0.01)。1—0.5 mm粒級團體分散后,0.5—0.25 mm粒級團聚體含量與之有機碳含量呈極顯著負相關性(P<0.01)。

表4 水穩性團聚體與有機碳的相關性

2.5 團聚體濕篩后分配的有機碳與穩定指標的關系

各粒徑團聚體消散后,以保持原粒級團聚體有機碳與MWD和GMD呈顯著或極顯著正相關(P<0.05或0.01),隨消散到越小的粒級,團聚體有機碳與MWD和GMD正相關也低;PAD與保持原粒級團聚體有機碳呈顯著或極顯著負相關(P<0.05或0.01),隨消散到越小的粒級,負相關性越不顯著(表5)。各粒徑團聚體消散到同一粒級的團聚體有機碳,以保持原粒級的團聚體有機碳與MWD、GMD和PAD正相關性更強。

表5 團聚體有機碳與穩定指標的相關系數矩陣

3 討論

3.1 種植年限對土壤團聚體水穩性的影響

穩定的團聚體對提高土壤抗侵蝕能力和改善土壤質量等方面具有重要意義[28- 29]。MWD、GMD值越大和PAD值越小表征土壤團聚體穩定性越強。反之,土壤團聚體穩定性越弱。在本研究中,3個評價指標均表明團聚體水穩性隨馬尾松人工林種植年限增加呈顯著降低趨勢。土壤有機碳是團聚體形成和穩定的主要物質基礎之一,土壤顆粒在持久性膠結物質(芳香類有機質)的作用下形成微團聚體(<0.25 mm),微團聚體再通過暫時和瞬時性膠結物質(多糖、菌絲根系)的作用下逐級形成大團聚體(>0.25 mm)[19]。隨著種植年限增加各粒徑團聚體有機碳含量呈降低趨勢(圖2),MWD、GMD和PAD與有機碳含量的相關性也表明,有機碳對團聚體水穩性有顯著的積極影響(表5)。此外,根系也是影響團聚體穩定性的可能因素。一方面,根系分泌物能夠刺激微生物生長,增加土壤中大粒級團聚體的含量,進而提高團聚體的穩定性,其效應與根系分泌物的濃度和成分顯著相關[30]。另一方面,表層根系對土壤的穿插和纏結促進了土壤團聚結構的形成[31]。大量研究表明,在表層(0—20 cm)土壤團聚體水穩性與一些根系特征(根長密度和比根長)有很好的正相關性[32-33]。本研究區的細根含量隨馬尾松種植年限增加逐漸降低(表1),45a和65a喬木根系系統縱向分布較深,在表層細根較少。因此,較少的根系直接導致作用于團聚體形成和穩定的根系分泌物和成分減少以及物理作用變弱,不利于團聚體形成和穩定。

表1 采樣地植被及土壤剖面狀況

3.2 各粒徑團聚體的有機碳分配特征

研究結果表明,3種種植年限各粒徑團聚體的有機碳分配,隨濕篩后的粒級減小含量呈先降低后增加趨勢,即在保持原粒級的有機碳含量最高,其次是在<0.25 mm粒級。這可能與分散后的團聚體粒徑大小有關,團聚體“層次性概念”模型[16]表明：大團聚體是由微團聚體逐級形成的過程,較大粒徑團聚體含有更多膠結微團聚體的有機膠結物,以及在大團聚體中處于分解狀態的根系和菌絲極大地增加了其有機碳濃度,隨著團聚體粒徑的減小這些有機膠結物質也降低。同時,在微團聚體向大團聚體是逐級形成過程中,有機膠結物穩定性也越來越弱,當徑流沖刷力大于土壤團聚體內聚力和滲透力時,將遷移細顆粒物質(黏粒和粉粒),導致大量溶解性有機碳、少量顆粒有機碳發生遷移,有機碳含量降低[34]。因此,在濕篩過程中,由于各粒徑團聚體分散成越小粒徑大團聚體時,也意味著損失了更多的這部分有機碳。而微團聚體含量較高的原因,是由于微團聚體有機碳頑固且密度大,有機和無機膠體能緊密結合并固持碳,固持的碳不易為微生物分解釋放,同時受外界因素影響基本不易發生損失[35]。此外。我們比較了各粒徑團聚濕篩后分配到同一粒級的有機碳含量差異,保持原粒級的有機碳顯著高于其他粒徑團聚體濕篩分散到這一粒級的有機碳含量。對上述解釋原因總結成兩點也可以很好的解釋這一現象：即在較大粒徑團聚體分散成越小粒徑大水穩性團聚體時流失更多有機碳的緣故;同一粒級團聚體在逐級形成不同粒徑團聚體時的有機碳質、量可能不同。

在種植年限上,各粒徑團聚體濕篩后的有機碳含量在不同粒級團聚體中總體趨勢表現為：25a≈45a>65a。大多學者對馬尾松人工林生產力與林齡變化的研究結果趨于一致,即幼齡林至中齡林末期與近熟林初期林分的凈初級生產力是一個上升的過程,之后林分的凈初級生產力逐漸降低[36]。姜俊等[37]也研究發現,林齡從10a到40a物種多樣性指數呈增長趨勢,40a達到最大值,40a以后物種多樣性指數呈降低趨勢。由表2顯示,65a林地生物量和物種多樣性最低,這可能直接影響了對土壤有機碳的輸入量,從而使 65a各粒徑土壤團聚體分配的有機碳含量在不同粒徑水穩性團聚體中均顯著低于25a和45a。25a至45a物種多樣性增加,是林分發育階段,但有研究表明土壤有機碳儲存水平并非無限度增加,而是存在一個碳飽和水平[38-39]。本研究中25a和45a各粒徑團聚體分配的有機碳含量在不同粒徑水穩性團聚體中均很高,且差異不顯著,可能是由于達到了該土壤碳飽和水平所致。此外,在我們之前研究中(同一研究區)發現,馬尾松人工林種植 25a后,土壤微生物群落結構穩定性和功能代謝活性明顯降低[40],同時隨種植年限增加凋落物中含有較多難降解的纖維素和木質素等[40],這些物質中C/N比相對較高,較高的C/N比會導致土壤中氮的缺乏,從而抑制土壤微生物活性[41],最終使有機質等養分歸還土壤減少。這一點也可以對土壤團聚體水穩性進行很好的解釋。

3.3 土壤團聚體水穩性與各粒徑團聚濕篩后的團聚體有機碳的關系

回歸分析表明,有機碳與保持原粒徑團聚體呈顯著呈或極顯著正相關,與消散到其他粒級的團聚體呈極顯著負相關。表明有機碳含量升高可以為團聚體的形成提供更多膠結物質,將微團聚體和粉粒及黏粒膠結形成大團聚體,減少粒級較小的團聚體、粉粒和黏粒的含量,從而增加了大團聚體的含量[17]。反之,有機碳含量的降低,促使更多較大粒徑團聚體向較小粒徑團聚、微團聚體等的轉化。團聚體穩定指標與有機碳相關性表明,隨各粒徑團聚體濕篩后分配到越小的粒級正相關性越不顯著,保持原粒級的正相關達到了顯著或極顯著水平(P<0.05或0.01)。這表明有機質在促進團聚體形成和維持團聚體穩定性方面有差異,有機碳在較大粒徑團聚體中比在較小粒徑團聚體中維持團聚體穩定的作用更大。Peng等[42]、Xue等[43]等對熱帶亞熱帶紅壤研究發現,與DCB和草酸浸提后的土壤相比,H2O2氧化后的保留來下的土壤大團聚體(0.25—2.0 mm)較少,砂粒級微團聚體(0.053—0.25 mm)和粉粒級微團聚體較多。此外,一些研究發現,鐵鋁氧化物的含量隨團聚體粒級降低而增加,且主要集中在微團聚體中[44- 45]。這些研究結果表明,有機質是影響較大粒徑團聚體穩定的主要因素,而隨團聚體粒徑減小,氧化物以及有機質(芳香腐殖質)與多價金屬陽離子絡合形成的有機無機聚合物對團聚體穩定性起著重要作用[19]。此外,本研究發現各粒徑團聚分散為同一粒級的有機碳對土壤團聚體水穩性的作用也不相同。這是由于同一粒級的團聚體在逐級形成不同粒徑團聚體時的有機碳質、量不同,對土壤團聚體水穩性的作用也有差異,還有待從有機碳組分等更微觀層次深入探究。

4 結論

(1)隨種植年限增加,土壤團聚體水穩性顯著降低,各粒徑團聚體濕篩分配到不同粒級的有機碳含量在24a與45a間無顯著差異,均顯著高于65a。

(2)各粒徑團聚體濕篩分配的有機碳隨粒級的減小含量呈先降低后增加趨勢。各粒徑團聚體分配到同一粒級的有機碳,以保持原粒級的有機碳含量以及對土壤團聚體水穩性貢獻顯著高于較大粒徑團聚體分配到這一粒級的團聚體。

(3)土壤機碳含量增加促進更大粒徑團聚體形成;有機碳含量降低導致大粒徑團聚體向較小粒徑團聚體轉化。土壤中保持原粒級團聚體比易轉化形成更大粒級團聚體有更高的有機碳含量和更強的水穩性。