華鎣市山區典型林分土壤團聚體穩定性及抗蝕能力

陳 濤，周利軍，齊 實，孫保平，聶澤旭

（1. 北京林業大學 水土保持學院，北京 100083；2. 長江水利委員會 水土保持監測中心站，湖北 武漢 430010）

經過長期植樹造林，近年來四川省東部地區植被得以恢復，不同林分構成的植被和土壤生態系統功能受到廣泛關注[1]。華鎣市的人工林多為同齡純林，結構和功能單一，易退化成脆弱和不穩定的生態系統。同時，因土層薄，肥力差，水土資源空間不匹配，當地土地退化，生態防護效果不夠顯著[2]。土壤團聚體作為土壤顆粒的聚合體和土壤肥力的物質基礎，對提高林地土壤抗蝕能力具有重要作用[3]。良好的團聚體能充分協調土壤水、氣、熱和養分的循環，為植被生長創造良好的條件[4]。土壤團聚體的組成和穩定性是衡量土壤結構和品質的主要指標[5]，水穩定性團聚體的數量則是判定土壤品質好壞的重要指標之一[6]。通過測定土壤團聚體的穩定性及粒徑組成可以間接量化土壤的可蝕性能力[7]。目前，關于不同林分團聚體穩定性的影響因素方面已經有大量研究，LARS等[8]和CHUKWUEBUKA等[9]指出：土壤有機碳能夠將直徑較小的土壤顆粒粘結成較大的土壤顆粒。有研究[10-12]表明：土壤總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度的減少會顯著增加土壤團聚體的穩定性，土壤有機碳含量能夠促進土壤團聚過程及其穩定性。而謝賢健等[1]研究發現：土壤容重增加會惡化土壤團聚體穩定性，減弱土壤抗蝕能力，土壤中的速效鉀含量對團聚體水穩性的保持、供應和轉化能力具有重要作用。總體來說，土壤理化性質與團聚體穩定性密切相關，不同土壤類型決定其成土母質和土壤質地有所差異，使得這些研究結果不盡相同。此外，有關于渠江東岸川東平行嶺谷區傳統的人工經濟林與近自然經營模式林分下土壤理化性質差異、土壤團聚體穩定性和土壤抗蝕性的關系的研究相對較少，無法滿足提升該地區植被恢復和土壤保持服務功能的需要。研究林地水穩性團聚體穩定性及其影響因素對于調節林地土壤抗蝕能力，提升土壤服務功能具有重要價值。本研究選取該地區5種典型林分(柏木Cupressus funebris純林、杉木Cunninghamia lanceolata純林、馬尾松Pinus massoniana-檵木Loropetalum chinense混交林、馬尾松-杉木混交林、近自然經營杉木純林)，探究不同林分下土壤理化性質對團聚體穩定性和抗蝕能力的影響，有助于了解該地區土壤理化性質和土壤團聚體穩定性規律，為當地植被合理利用和水土流失治理提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區處于四川省華鎣市 (30°25′21″N，106°50′02″E)，地處四川盆地東緣，屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，四季分明，夏長雨多，年降水量1 200.0 mm，熱量充足，年平均氣溫15.0～23.0 ℃，市內海拔為206.7～1 704.0 m。華鎣市西部地勢偏低，多為丘陵，又以低丘為主，深丘較少，其間散布著一些平壩、臺地。土壤肥沃，灌溉便利，是主要的農耕區。土壤類型以紫色土為主，土壤層發育完整，人為干擾較少。植被資源豐富，主要植被類型有亞熱帶常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊葉混交林、常綠針葉林、針葉混交林、竹林、灌叢及人工植被。以馬尾松、杉木、柏木、濕地松Pinus elliottii、柳杉Cryptomeria fortunei等樹種組成的針葉林占華鎣市森林面積的96.9%，成為華鎣市典型的人工林。

1.2 樣地調查及樣品采集

2019年7-9月，在華鎣市天池國有林場獅子垴管護區，選取具有代表性的5種典型林分：柏木純林(BM)、馬尾松-杉木混交林(MS)、馬尾松-檵木混交林(MJ)、杉木純林(SC)、近自然經營杉木純林(SCZ)。近自然經營是以森林的整個生命周期為時間設計單元，以目標樹的標記和擇伐，以及天然更新為主要技術特征，以永久性森林覆蓋、多功能經營和多種產品生產為目標的森林經營體系。近自然經營的具體經營措施包括①間伐：至少2次間伐，第1次間伐年齡為10 a，強度為10～15 m3·hm-2；第2次間伐強度為25～40 m3·hm-2。②擇伐：選擇大約 400～600株，平均間距4～5 m，包括潛在的闊葉樹。③皆伐和補植：皆伐 20 m×20 m 區域，補植楓香Liquidambar formosana、樟樹Cinnamomum camphora、鹽膚木Rhus chinensis等闊葉樹，保留下層和中間層，促進闊葉樹生長。本研究中除近自然經營杉木純林外，其他4種林分均為以人工更新為主中國傳統的森林撫育經營模式。樣地調查和土壤樣品采集時，每種林分設置3個重復樣地(20 m×20 m)，每個樣地內按“S”形選擇5個土壤采集樣點，除去土壤表層覆蓋的枯枝落葉層，挖取0～15、15～30 cm層土壤，裝入塑料飯盒中，帶回實驗室，挑除其中的雜草、石塊，風干后用于測量土壤團聚體和化學性質。使用環刀采取原狀土壤，每層沿土壤剖面均勻采集3份，取其平均值作為該土壤層指標測定值，共選取90份土樣，帶回實驗室稱量烘干，測定土壤孔隙度、含水量等物理指標。環刀的容積為100 cm3，高為5.0 cm，直徑為5.5 cm。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situation of the sample plot

1.3 指標測定

土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定，土壤速效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提、鉬銻抗比色法測定，土壤速效鉀采用四苯硼鈉比濁法測定；土壤容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度等采用環刀法測定[13]。土壤大團聚體質量百分比(WSA，粒徑＞0.25 mm)、平均質量直徑(MWD，單位為mm，用濕篩團聚體粒級計算)和土壤可蝕性因子K值參照文獻[14-15]計算。

不同的平均質量直徑對應不同的團聚體穩定性等級。平均質量直徑大于2.00 mm代表團聚體非常穩定，為1.30～2.00 mm代表團聚體穩定，為0.80～1.30 mm代表團聚體中度穩定，為0.40～0.80 m代表不穩定，為0～0.40 mm代表團聚體非常不穩定[16]。

1.4 數據分析

利用Excel 2010和SPSS 24.0進行數據統計分析，采用Origin 9.0軟件作圖。冗余分析(RDA)采用的是Canoco 5.0軟件。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)及多重比較LSD(least-significant difference)進行差異性分析。顯著性水平均為0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤水穩定性團聚體粒級質量百分比特征

圖1A表明：在0～15 cm土層，柏木純林和近自然經營杉木純林中粒徑大于5.00 mm的團聚體質量百分比最大，分別為23.56%和22.80%，馬尾松-檵木混交林中最低，為8.49%。馬尾松-杉木混交林和杉木純林粒徑大于5.00 mm團聚體質量百分比分別為14.94%和13.67%。粒徑大于5.00、2.00～1.00、1.00～0.50 mm的團聚體質量百分比，不同林分之間無顯著差異。柏木純林、馬尾松-杉木混交林和近自然經營杉木純林的團聚體質量百分比，隨粒徑減小總體變化趨勢為先增加后減少再增加，馬尾松-檵木混交林變化趨勢為先增加后減少。在15～30 cm土層中(圖1B)，5種林分團聚體質量百分比隨粒徑減小總體變化趨勢與0～15 cm土層基本相同。柏木純林和近自然經營杉木純林水穩性團聚體質量百分比顯著高于其他3種林分(P＜0.05)。2個土層中，柏木純林、杉木純林和近自然經營杉木純林團聚體質量百分比最大值均在2.00～5.00 mm粒級內，最小值出現在0.25～0.50 mm。馬尾松-檵木混交林最大值則出現在0.25～0.50 mm粒級內，最小值出現在大于5.00 mm。相關研究表明：直徑小于0.25 mm的微團聚體是構成大團聚體的基礎，在很大程度上決定了土壤團聚體的數量，土壤微團聚體的質量百分比和分布對土壤物理性質具有重要影響。由圖1可知：在0～15 cm土層中，馬尾松-檵木混交林小于0.25 mm團聚體粒級的質量百分比大于其他4種林分，為22.93%，近自然經營杉木純林的質量百分比最低，為9.88%。15～30 cm土層中，小于0.25 mm的團聚體質量百分比馬尾松-檵木混交林最高，為22.70%，柏木純林最低，為9.77%。說明相比于柏木純林、杉木純林和馬尾松-杉木混交林，馬尾松-檵木混交林不利于土壤水穩性大團聚體的形成。

圖1 不同林分類型不同土層各粒徑團聚體質量百分比Figure 1 Mass percentage of aggregates in different soil layers of different forest types

2.2 土壤水穩定性團聚體穩定性分析

由表2可知：2個土層中，大團聚體質量百分比基本在77%以上，在0～15 cm土層的平均質量直徑(MWD)分布狀況表現為柏木純林最大，馬尾松-檵木混交林最小。根據團聚體穩定性分級，柏木純林和近自然經營杉木純林為非常穩定，馬尾松-檵木混交林為穩定，馬尾松-杉木混交林、馬尾松-檵木混交林和杉木純林三者之間差異不顯著。15～30 cm土層內平均質量直徑表現為杉木純林最大，表明杉木純林土壤團聚體非常穩定，馬尾松-檵木混交林土壤團聚體最小，表明馬尾松-檵木混交林團聚體穩定。綜合2個土層，馬尾松-檵木混交林土壤水穩性團聚體穩定性最差，柏木純林土壤水穩性團聚體最穩定，各林分表層和亞表層土壤水穩性團聚體平均質量直徑變化規律不明顯。

表2 不同林分類型土壤水穩性團聚體穩定性Table 2 Stability of soil water-stable aggregates of different forest types

2.3 不同林分土壤可蝕性分析

土壤可蝕性(K值)是土壤抗蝕能力大小的一個相對綜合的指標。土壤可蝕性越大，土壤抗蝕能力越弱；土壤可蝕性越小，抗蝕能力越強。由圖2可知：表層土壤的抗蝕能力均比亞表層強，且不同林分上下層土壤的變化趨勢基本相同。2個土層中近自然經營杉木純林和馬尾松-杉木混交林的土壤可蝕性顯著高于其他林分(P＜0.05)。0～15 cm土層中，近自然經營杉木純林土壤抗蝕能力最強，土壤可蝕性為0.023，馬尾松-檵木混交林土壤抗蝕能力最弱，為0.048；15～30 cm土層中，近自然經營杉木純林土壤可蝕性最小，為0.026，近自然經營杉木純林土壤可蝕性最大，為0.050。綜合2個土層可知：土壤抗蝕能力從大到小依次為近自然經營杉木純林、柏木純林、杉木純林、馬尾松-杉木混交林、馬尾松-檵木混交林，這說明近自然經營模式能夠提高林地土壤抗蝕性能。調查發現，柏木純林林下灌草和苔蘚植物豐富，密集的植被根系產生的膠結物質能夠把小顆粒的土壤粘結成較大的土壤顆粒，從而使得柏木純林比其他林分更有利于提高土壤抗蝕能力。

圖2 不同林分不同土層土壤可蝕性變化Figure 2 Changes in K values of different forest types and different soil layers

2.4 土壤理化性質對團聚體的影響

2.4.1 不同林分土壤基本理化性質 表3可見：在0～15 cm土層不同林分土壤容重表現為近自然經營杉木純林顯著小于其他4種林分(P＜0.05)，而近自然經營杉木純林的非毛管孔隙度顯著大于另外4種林分，土壤有機碳質量分數在不同林分間表現為近自然經營杉木純林顯著大于柏木純林、馬尾松-杉木混交林和馬尾松-檵木混交林(P＜0.05)，而近自然經營杉木純林和杉木純林之間無明顯差異；不同林分速效鉀質量分數從大到小依次為近自然經營杉木純林、柏木純林、杉木純林、馬尾松-檵木混交林、馬尾松-杉木混交林，其中近自然經營杉木純林和馬尾松-杉木混交林差異顯著(P＜0.05)。15～30 cm土層內，近自然經營杉木純林和杉木純林的非毛管孔隙度顯著大于其他3種林分(P＜0.05)，毛管孔隙度和總孔隙度表現為近自然經營杉木純林顯著大于柏木純林(P＜0.05)，土壤有機碳質量分數表現為近自然經營杉木純林顯著大于馬尾松-杉木混交林和馬尾松-檵木混交林(P＜0.05)。馬尾松-杉木混交林的速效鉀質量分數顯著小于其他林分類型。毛管持水量在2個土層中表現為近自然經營杉木純林顯著大于其他4種林分類型，而速效磷質量分數在不同林分間差異不顯著。

表3 土壤基本理化性質Table 3 Basic physical and chemical properties of soil

2.4.2 土壤理化性質對土壤團聚體穩定性和抗蝕性的影響 圖3冗余分析(RDA)結果表明：研究區土壤理化性質對團聚體穩定性的累積解釋量達95.64%。軸1土壤理化性質對團聚體穩定性的累積解釋量為52.97%，前2個軸(軸1和軸2)土壤理化性質對團聚體穩定性的累積解釋量為83.85%。土壤理化性質與團聚體穩定性的相關度累積解釋量為99.89%。土壤有機碳、毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和速效鉀與團聚體平均質量直徑(MWD)之間呈顯著正相關(P＜0.05)。土壤容重與平均質量直徑之間呈顯著負相關(P＜0.05)。土壤可蝕性因子與土壤容重呈顯著正相關(P＜0.05)，與毛管孔隙度、總孔隙度、毛管持水量和速效鉀顯著負相關(P＜0.05)。土壤有機碳、總孔隙度和速效磷相比其他土壤理化性質對土壤團聚體的影響更重要。水穩性團聚體穩定性指標平均質量直徑與土壤可蝕性因子顯著負相關(P＜0.05)。土壤有機碳、總孔隙度和速效鉀越大，土壤容重越小，土壤水穩性團聚體越穩定，土壤抗蝕能力越強。

圖3 土壤理化性質與團聚體穩定性的RDA排序Figure 3 RDA ranking of soil physical and chemical properties and aggregate stability

3 討論

3.1 不同林分團聚體變化特征分析

土壤團聚體的水穩定性與土壤侵蝕關系密切[17]，水穩定性團聚體含量越大，表明土壤結構穩定性越好[18]。本研究表明：柏木純林和近自然經營杉木純林水穩性大團聚體質量百分比最高，馬尾松-檵木混交林最低，說明馬尾松-檵木混交不利于水穩性大團

聚體的形成。土壤水穩性團聚體含量，特別是≥0.25 mm 團聚體含量是反映土壤抗蝕性的最佳指標之一[19]。本研究發現：5種林分的≥0.25 mm水穩性團聚體質量百分比均在77%以上，說明5種林分土壤結構較好，抗蝕能力強。直徑＜0.25 mm的微團聚體是構成團聚體的基礎，土壤微團聚體質量百分比和分布對土壤物理性質具有重要影響。張文旭等[20]研究表明：近熟林轉變為成熟林后，土壤團聚體中土壤大粒徑微團聚體含量先增加后減少，小粒徑微團聚體含量先減少后增加。本研究中，柏木純林多為未郁閉的幼齡林，這可能是造成柏木純林土壤團聚體粒級分布及其穩定性顯著區別于其他林分的原因。此外，坡向與海拔通過分配降水和太陽輻射，影響植被分布和土壤理化性質，從而導致土壤抗蝕性的異質性[21]。本研究2個土層中馬尾松-檵木混交林土壤微團聚體的質量百分比最大，這與呂宸等[22]對川西高寒草甸土壤團聚狀況隨海拔增加而降低的研究結論有所不同。這可能與植被類型和馬尾松-檵木混交林在低海拔、半陽坡處分配降水和太陽輻射的差異，從而造成了植被分布和土壤理化性質的差異，進而導致土壤團聚狀況的異質性有關。

3.2 不同林分團聚體穩定性分析

土壤團聚體平均質量直徑越大，表明土壤團聚體的團聚度高，穩定性強，土壤結構與質量越好[23]。團聚體的平均質量直徑分級結果表明：柏木純林和近自然經營杉木純林土壤團聚體結構最穩定。本研究發現：土壤團聚體平均質量直徑呈現近自然經營杉木純林顯著大于馬尾松-檵木混交林，表明近自然經營杉木純林土壤水穩性團聚體較其他4種人工林穩定，土壤抗侵蝕能力也較強。這是由于近自然經營杉木純林與其他林分相比，郁閉度較高，凋落物較多。凋落物是產生有機質的重要來源，有機質能促進水穩定性團聚體含量和穩定性的增加[24]。而凋落物分解為微生物生存和繁殖提供了養分，這些微生物本身或生理活動的分泌物對土壤有膠結作用，可將較小的土壤顆粒粘聚成較大的團聚體，從而提高團聚體的穩定性[25]。此外，不同林地海拔高度和坡向的差異也會造成土壤團聚體穩定性和抗蝕性的差異，且陽坡由于強烈的冷熱交替作用，土壤結構特征相較于陰坡隨海拔高度的變化具有更加明顯的分異特征[21]。本研究中，土壤團聚體穩定性和抗蝕性較強的近自然經營杉木純林海拔高度最高，柏木純林海拔最低，這說明海拔對土壤團聚體穩定性和抗蝕性的影響可能存在閾值。王進等[26]研究表明：原生灌木林地大團聚體(＞0.25 mm)含量顯著高于荒草地。這解釋了柏木純林郁閉度雖然不高，但是由于與其他林地相比柏木林地內原生灌木和苔蘚豐富，植被覆蓋度高，林地土壤水分較為充足，使得微生物群落大量繁殖。微生物通過分解作用形成多糖等膠結物質，從而促進了微小團聚體形成較大的團聚體[27]。豐富的林下灌草植被等會在土壤中產生大量的根系，根系所產生的分泌物可作為土粒團聚的膠結劑，配合須根的穿插和纏繞，提高了水穩性大團聚體(＞1.00 mm)比例，從而增加水穩性團聚體穩定性[28]。

3.3 土壤理化性質對團聚體穩定性和抗蝕性的影響

土壤團聚體平均質量直徑和土壤可蝕性是表明團聚體穩定性的2個指標。土壤團聚體穩定性的大小除與土壤有機質、土壤含水量和土壤孔隙度有關外，還受到立地條件、植被類型和人類活動等環境的影響[29]。土壤有機碳質量分數與土壤團聚體平均質量直徑呈顯著正相關。該結果與聶富育等[30]的研究結論一致。土壤中的有機碳主要來源于凋落物和動植物殘體的分解，分解產生的大量腐殖質對土壤顆粒具有粘結作用，而亞表層的土壤有機碳主要來源于表層有機碳的淋溶和遷移[31]。凋落物的數量與分解速率是不同林分間土壤有機碳存在差異的主要原因。王清奎等[32]研究表明：土壤容重及非毛管孔隙度相比其他土壤理化性質對土壤團聚體的影響更為重要。這與本研究的土壤容重、速效鉀和總孔隙度更重要且土壤團聚體平均質量直徑與土壤容重呈顯著負相關關系，與速效鉀和總孔隙度呈顯著正相關的結論有所差異。原因可能是土壤理化性質對粒徑較小的微團聚體影響更大，改變了團聚體的穩定性。土壤團粒和團粒之間孔隙較大有利于空氣流通，團粒內部以持水毛管孔隙占絕對優勢，這種孔隙狀況為土壤水、肥、氣、熱的協調創造了良好的條件。土壤總孔隙度越大，容納水分和空氣的能力就會越強，有利于根系發育。速效鉀是包括土壤中水溶態鉀和交換性鉀的總和，它的特點是能夠直接被作物吸收利用，是作物獲得高產的保證。此外，植被自身生長過程也會提高土壤中速效鉀質量分數。速效鉀質量分數的增加與促進團聚體的形成有很大的關系?？偟膩碚f，速效鉀、土壤有機碳和土壤總孔隙度越大，土壤容重越小，水穩性團聚體穩定性越高，土壤抗蝕性能越好。

本研究通過分析傳統經營模式林分與近自然經營模式林分下土壤理化性質變化對土壤水穩性團聚體和土壤抗蝕能力的影響，結合土壤可蝕性指標K值和土壤團聚體平均質量直徑對不同林分土壤結構穩定性和抗蝕性進行整體評價，但忽略了地形和氣候等立地條件因子的影響。此外，林下微生境和林分密度等也會對研究結果產生一定的影響。因此，后續研究可以結合生境類型和植被狀況分析土壤理化性質對土壤團聚體穩定性和抗蝕性的影響，以期更全面地探究在近自然經營與傳統經營模式下該地區森林土壤理化性質對團聚體穩定性和抗蝕性的作用機制。

4 結論

5種林分間土壤水穩性團聚體穩定性差異顯著。柏木純林和近自然經營杉木純林土壤團聚體的平均質量直徑顯著高于其他林分，且5種林分2個土層的土壤大團聚體質量百分比均為77%～93%，總體表明近自然經營杉木純林和柏木純林團聚體最穩定，而馬尾松-檵木混交林團聚體穩定性最差。說明相對于杉木純林和馬尾松-杉木混交林，近自然經營林分比傳統經營模式的林分土壤團聚體更穩定，而傳統經營模式林地中柏木純林土壤團聚體最穩定。

土壤理化性質對團聚體穩定性的累積解釋量達95.64%。速效鉀、土壤有機碳和土壤總孔隙度與土壤團聚體平均質量直徑顯著正相關，與土壤可蝕性呈負相關，土壤容重與可蝕性呈正相關，與土壤團聚體平均質量直徑呈顯著負相關。2個土層中，近自然經營杉木純林的速效鉀、土壤有機碳和土壤總孔隙度均高于其他林分，土壤容重均小于其他林分。說明近自然經營杉木純林土壤結構較其他林分更好，土壤水穩性團聚體更加穩定，土壤抗蝕能力較強。