城鄉梯度下不同林分類型土壤團聚體分布及其穩定性

楊洪炳，肖以華，許 涵，黃子峻,3，

李 明1，郭曉敏2，游慧敏1

(1. 中國林業科學研究院熱帶林業研究所，廣東 廣州 510520；2. 江西農業大學林學院，江西 南昌 330045；3. 華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642)

隨著城市化進程的迅猛發展，高度城市化的“珠三角”區域面臨著城市“熱島效應”、土壤污染、大氣污染等環境負荷問題[1]。城市化在促進我國經濟高速發展的同時，伴隨干旱現象的加劇，土壤退化、生物多樣性減少、水土流失等生態環境問題愈發顯露出來，城市化帶來的生態問題受到廣泛關注[2]。研究表明，城市化與森林演替對土壤生態系統服務功能產生深遠的影響：城市化降低了城市森林生態系統土壤質量，直接改變了其土壤化學元素循環過程[3]，而土壤不同層次間理化性質的差異導致微生物群落變化[4]；城市化導致南亞熱帶常綠闊葉林土壤微生物群落生物量降低[5]；森林演替過程中，土壤微生物群落結構及多樣性易受影響，即植被演替初級階段到演替頂級階段，細菌群落多樣性可能會呈先升高后降低趨勢[6]。前人研究表明，不同林分類型土壤水穩性大團聚體含量及其平均質量直徑呈現的總體趨勢均為：杉木林>針闊混交林>闊葉混交林[7]。總之，生態環境的變化對土壤結構和性質產生了影響[3,8]。

土壤團聚體是土壤結構的基本單元，對土壤系統功能（如結構穩定和肥力保持等）至關重要[9]，穩定的土壤團聚結構可促進土壤肥力的保持及提升，能夠明顯改善土壤質量[10]。土壤團聚體穩定性與土壤成土母質、植被類型、微生物及有機質含量等緊密相關[9]。國外學者注重土壤有機碳與團聚體相互作用機制和量化團聚體穩定性理論研究[11-12]，而國內不少學者研究山地[13]、農田[14]、森林[15]等生態系統土壤團聚體穩定性特征及其對外界環境變化的響應，其中，對森林生態系統的土壤團聚體分布特征與穩定性研究存在不足。探究森林土壤團聚體結構穩定性，對掌握森林土壤有機碳穩定性機制及其固碳潛力有重要意義。

馬尾松（Pine massonianaLamb.）林、針闊混交林與常綠闊葉林是珠三角地區典型植被類型，在城市生態氣候調節和參與地球生物化學循環中有著重要的地位[16]。珠三角地區森林生態系統中土壤團聚體分布、穩定性特征及其變化的驅動因素研究甚少，且不同篩分方式下土壤團聚體的穩定特性存在差異。因此，本文以珠三角地區城鄉梯度下不同林分類型土壤為研究對象，探究干篩和濕篩方式下不同林分類型土壤團聚體粒徑分布及穩定性特征，分析其團聚體分布及穩定性的影響因素，旨在補充城鄉梯度下不同林分類型土壤結構的相關研究，豐富珠三角地區關于森林土壤團聚體穩定性方面的理論。研究結果為城市森林生態環境保護及科學評價該區域不同林分類型所發揮的生態系統功能提供理論依據。

1 研究區概況

本研究試驗區域位于高度城市化、工業化的珠江三角洲地區（112°45′～113°50′ E，21°31′～23°10′ N），該區域屬于亞熱帶溫暖濕潤氣候，旱、雨季分明，一般10 月至次年3 月為旱季，4—9 月為雨季，年均降水量1 380～1 927 mm，年均氣溫為19.5～21.9 ℃。研究區域土壤發育母質為花崗巖，土壤類型為黃紅壤[17]。除了城區的帽峰山（常綠闊葉林）屬于天然次生林外，其余均為人工林。其他樣地基本信息詳見表1，其他性質特征詳見表2。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information about the sample site

表2 城鄉梯度下不同林分類型土壤基本理化性質Table 2 Basic physicochemical properties of soils of different stand types under the urban-suburban-rural gradient

2 研究方法

2.1 試驗設計與樣品采集

參考Fang 等[17]對城鄉梯度的劃分方式，以廣州市中心（天河區）為中心，將研究區域劃分為“城區—近郊—鄉村”3 個梯度。在每個梯度中選取3 種林分類型（馬尾松林、針闊混交林和常綠闊葉林），在每種林分類型區域中設置3 個40 m × 40 m樣地，每個樣地中隨機選擇3 個10 m × 10 m 樣方進行采樣，樣方間距大于10 m。

2020 年12 月15 日至30 日，在各個研究區域采集土壤樣品。在每個樣地的樣方中，采樣盡可能避開粗根和石塊。在各樣方內按“S”型布置5 個樣點，清除土壤表面枯落物、植物殘體、石塊等雜質，在每個樣點用鐵鏟采集0～10、10～30 cm 土層原狀土，再將每個樣方內同土層土樣混為一個原狀土樣。同時用環刀在每個樣方內各土層取1 個土樣，用于土壤密度和質量含水量的測定。

2.2 樣品處理與測定方法

土樣采集完畢后及時帶回實驗室，將土樣鋪開，挑出粗根、枯落物及石塊等雜質，待自然風干。土壤密度、質量含水量分別采取環刀法和烘干法測定。土壤碳和養分、酸堿度采用常規方法[18]測定：重鉻酸鉀氧化—外加熱法測定土壤有機碳（SOC）含量。采用擴散法測定土壤全氮（TN）含量，采用鉬銻抗比色法測定土壤全磷（TP）含量。采用電位計法（PHS-3C 型）測定土壤pH 值，重復3 次。土壤團聚體粒徑組成測定參考黎宏祥[19]、于法展等[20]和Six 等[21]方法，略有改進，即取200 g 風干土樣，測定前挑除石塊、細根，將所有土樣過8 mm 篩，再振蕩5 min。采取人工干篩法，即篩取6 個粒級（>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm）團聚體，用0.01 g 精度電子秤稱量各個粒級團聚體質量，計算不同粒級土壤團聚體質量分數，依其相應將各樣品配成50.00 g 土樣，用于水穩性團聚體含量的測定。水穩性團聚體測定采用人工濕篩法，即在原套篩中進行土樣快速濕潤，靜置5 min，然后上下振蕩5 min，振蕩頻率為30 次?min?1，振幅5 cm。將濕篩后土樣轉入鋁盒，105 ℃烘干至恒質量。

2.3 數據處理

在Excel 2010 軟件上完成數據的計算與整理，進一步利用SPSS 26.0 和Origin 2019b 軟件;對處理后數據進行統計分析和圖表繪制。采取單因素方差檢驗（LSD 法）和Wilcoxon 符號秩和檢驗方法，對所有樣品土壤團聚體粒徑組成比例及其穩定性特征間進行顯著差異性檢驗。通過一般線性模型單變量分析環境因子及其交互作用對團聚體穩定性特征的影響。利用Canoco 5 軟件對土壤團聚體穩定性特征與土壤因子的關系進行冗余分析，并進行土壤因素解釋量分析與顯著性檢驗。圖表數據均為平均值±標準差（n=9）。

用平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、質量分形維數（Dm）及一定粒級團聚體破壞率（PAD）指標和R0.25（>0.25 mm 的大團聚體百分含量）來評價土壤團聚體穩定性。以上指標計算參考Qiao[22]等和楊金玲[23]等，公式如下：

3 結果與分析

3.1 城鄉梯度下不同演替階段森林土壤團聚體粒徑分布特征

不同篩分方式下，城鄉梯度下不同林分類型0～30 cm 土層團聚體粒徑分布均以大團聚體（>0.25 mm）為主（表3）。城鄉梯度和林分類型對0～10 cm 土層中干篩方式下1～2 mm 粒徑的團聚體組成和濕篩方式下0.25～0.5 mm 粒徑的團聚體組成無顯著影響（NS），且對10～30 cm土層中干篩方式下2～5 mm 和0.5～1 mm 粒徑團聚體組成無顯著影響（NS），對其他均有顯著影響（p< 0.05）。

表3 城鄉梯度下不同林分類型土壤團聚體分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil agglomerates in different forest types under the urban-rural gradient

3.2 城鄉梯度下不同林分森林土壤團聚體穩定性特征

表4 表明：城鄉梯度下不同林分類型在不同土層的土壤大團聚體（>0.25 mm）含量各有差異，除鄉村梯度下馬尾松林和常綠闊葉林在0～10 cm土層干篩和濕篩的R0.25差異不顯著外，其他情況下在各自土層中2 種篩分方式的R0.25之間均差異顯著（p< 0.05）。

表4 城鄉梯度下不同林分類型土壤大團聚體（>0.25 mm）含量Table 4 Content of large aggregates (>0.25 mm) at different forest types under the urban-rural gradient

圖1 表明：不同篩分方式下表征其土壤團聚體穩定性特征指標間各有差異。干篩方式下，從MWD指標看（圖1A），不同梯度在相同林分類型的2個土層中表現各異；隨城區向近郊梯度遞進，3 種林分0～30 cm 土層團聚體穩定性均呈降低趨勢（圖1A）。濕篩方式下，從MWD指標看，城鄉梯度下相同林分類型間團聚體穩定性差異不盡相同（圖1D）。在2 種篩分方式下，Dm在不同梯度或不同林分類型間呈現規律不明顯，在土層間均值差異呈現結果相反。除了近郊梯度下的馬尾松林，其他林分土壤團聚體的MWD和GMD均值在干篩和濕篩下呈現結果在土層間相反，可知3 種林分土壤機械穩定性呈現下層（10～30 cm）大于表層（0～10 cm），其水穩定性則表現相反。

城鄉梯度下各林分類型的團聚體破壞率（PAD）介于6.4%～41.1%，在城鄉梯度、林分類型及其土層間差異較大（圖2）。各梯度下3 種林分不同土層間的PAD表現規律一致，即隨土層深度增加而升高。在0～30 cm 土層中，城市（城區與近郊）梯度下馬尾松林土壤的PAD顯著高于其他林分（p< 0.05），鄉村梯度下常綠闊葉林土壤的PAD顯著低于其他林分（p< 0.05）。

注：不同小寫字母表示不同梯度下相同林分類型相同土層間差異顯著（p< 0.05）；不同大寫字母表示相同梯度下不同林分類型相同土層間呈顯著性差異（p< 0.05）。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences between the same soil layer of the same stand type under different gradients at 0.05 level; different capital letters indicate significant differences between the same soil layers of different stand types under the same gradient at 0.05 level.

3.3 城鄉梯度、林分類型、土層及其交互作用與土壤團聚體穩定性特征的關系

由表5 可知：城鄉梯度和林分類型及二者的交互作用對機械穩定性團聚體的MWD、GMD與Dm影響極顯著（P< 0.001），而土層對其MWD和GMD也影響極顯著（P< 0.01）；城鄉梯度、林分類型及土層對水穩性團聚體的MWD、GMD和Dm影響極顯著（P< 0.01），且其兩兩交互作用均對MWD和GMD影響顯著（P< 0.05）。城鄉梯度、林分類型及土層對PAD的影響極顯著（P< 0.01），同時林分類型與城鄉梯度、土層的交互作用對PAD的影響極顯著（P< 0.01）。

表5 城鄉梯度、林分類型、土層及其交互作用與土壤團聚體穩定性特征的關系Table 5 Relationships between the urban-rural gradient, forest types, soil layers and their interactions with the stability characteristics of soil aggregates

3.4 土壤團聚體穩定性特征與土壤因子的關系

不同土層在不同篩分方式下的團聚體穩定性特征與土壤因子相關關系有所差異（圖3）。干篩的綜合分析（圖3C）表明：土壤有機碳（SOC）、TN 與PAD、MWD、GMD呈負相關關系，與Dm呈正相關關系。濕篩的綜合分析（圖3F）表明：土壤含水量、SOC、TN、粒徑（>5 mm）團聚體含量與MWD和GMD呈正相關關系，而與PAD和Dm呈負相關關系。

經置換檢驗，得到土壤因子解釋量與顯著性檢驗結果（表6）表明：干篩下，TN 對0～10 cm土層解釋度較高，而SOC 對10～30 cm 土層解釋度較高；干篩綜合分析得出，TN 可以解釋團聚體組成與穩定性特征差異的32.2%（P= 0.002）。濕篩下，TN 對0～10 cm 土層的解釋較顯著，解釋量為6.8%（P= 0.004），而SOC 對10～30 cm土層的解釋較顯著，解釋量為1.8%（P= 0.014）。濕篩綜合分析得出，TN 和土壤含水量的解釋度較高，分別為4.3%和2.8%。

表6 不同篩分方式下土壤因子解釋量與顯著性檢驗結果Table 6 Soil factors explained amount and significance test results under different screening methods

4 討論

4.1 城鄉梯度下不同林分類型森林土壤團聚體分布及穩定性特征

目前，研究森林土壤團聚體往往側重于其水穩定性特征，常按照0.25 mm 作為水穩性團聚體粒徑大小的分界點，超過該界點則稱為大團聚體，否則稱為微團聚體[15]。本研究結果表明：土壤團聚體粒徑組成基本以>0.25 mm 粒徑團聚體為主（表3），這與諸多學者研究結果相似[12-14,23-24]，與王富華等[25]關于亞熱帶4 種典型林分的研究結果不同，可能是由于土壤本身性質和林分特征不同。隨海拔升高，相同林分類型土壤團聚體組成呈現由大粒級向微團聚體（<0.25 mm）轉變趨勢（表1、3），這與吳夢瑤等[13]研究賀蘭山的結果相反，其原因可能是受城市化程度、氣候和林分因素等的影響較大[19,24]，海拔因素影響的溫度差別不大。機械穩定性團聚體與水穩性團聚體在粒徑組成比例上存在較大差異，這與團聚體破裂方式和強度的不同有關[26]。土壤團聚體粒徑分布受城鄉梯度和植被類型的影響，根本上是受土壤肥力和植物根系、微生物等的影響。越來越多研究表明，亞熱帶森林土壤大團聚體及其有機碳含量對團聚體穩定性的貢獻較大[25]。可見，提高大團聚體含量比例，有助于森林土壤維持團聚結構的穩定和提高碳固持的能力。

本文關于不同林分類型土壤團聚體穩定性分析結果與鮑國濤等[27]和王富華等[25]基本一致。綜合團聚體穩定性評價指標（MWD、GMD、R0.25）可知，針闊混交林表現規律明顯，呈現其土壤團聚體的水穩定性隨城鄉梯度遞進有降低趨勢。各梯度連貫土壤團聚體穩定性（機械穩定性與水穩性）呈現規律不一致，隨土層增加而顯著降低(P<0.05，近郊梯度下針闊混交林和常綠闊葉林除外)，這與其他學者[15,25,28-29]研究結果相似。城市化可能對城區和鄉村梯度下馬尾松林和針闊混交林土壤質量影響較大，土壤團聚體水穩性受多因素綜合影響。其原因可能有：（1）城鄉梯度環境受氮沉降、酸沉降以及“城市熱島”效應等綜合影響，植被的生境有較大差異，對土壤功能和性狀影響是多尺度多方面的；（2）森林土壤性狀可能受人為因素的影響大于自然因素，同時受林分特征差異的影響。人們在常綠闊葉林中進行經濟活動（如采挖中草藥）對土壤進行了嚴重擾動，造成水土流失，降低了土壤質量，且不同地形中坡度有所差異，導致受干擾或侵蝕的程度不同；（3）馬尾松林生態系統較脆弱，表現出群落層次結構簡單,而針闊混交林具有較高的土壤肥力和較復雜的群落層次，常綠闊葉林作為南亞熱帶中頂級演替群落，其林分結構更高[12]，物種多樣性更高[30]，具有更多的養分資源，團聚體穩定性更高。實際情況下，土壤團聚體穩定性受地形、氣候類型、降雨量等多因素綜合影響；（4）pH 值顯著影響團聚體穩定性[31]。pH 值主要決定了細菌的分布，氣候變化相關的森林土壤酸化可能影響了土壤細菌群落組成與功能[32]，轉而對有機質的分解與轉化過程產生重要影響，較低pH 值促進土壤團聚體形成與保持穩定性過程。

4.2 土壤團聚體穩定性與土壤理化性質關系

有研究認為，SOC 是影響團聚體在不同海拔植被下分布及穩定性的最主要因素[13]，但本研究結果發現：TN 對森林土壤0～10 cm 土層團聚體穩定性影響解釋更強，SOC 對10～30 cm 土層團聚體穩定性的影響解釋更強。綜合土層看，TN 是影響團聚體在城鄉梯度下不同林分類型中分布及穩定性的關鍵因素。結合生態化學計量學理論[33]，這可能是由于研究區域處于氮沉降日趨嚴重的環境下，城鄉梯度下的3 種森林生態系統主要受磷限制，且城市化加劇森林生態系統的磷限制[34]，對土壤微生物產生負面影響；而土壤TN 含量的增加降低了土壤pH 值，與土壤酸性磷酸酶活性的增加呈正相關，長期氮沉降緩解了磷的限制[35]，以致微生物群落組成及多樣性發生變化以適應P 限制，進而影響土壤有機質的分解與轉化。亞熱帶地區降雨量較大，森林土壤受水力侵蝕較嚴重，土壤侵蝕對大團聚體有較大影響，受侵蝕的部位土壤內裹挾的微團粒被水流轉移及較大粒徑團聚體被沖散，加上下層土的稀釋作用，SOC 含量具有表聚效應，導致侵蝕部位土層中SOC 減少[23,36]，以致10～30 cm土層結構穩定較0～10 cm 土層更受SOC 含量影響。本研究結果表明：機械穩定性和水穩性團聚體的Dm與PAD呈正相關，與MWD、GMD呈負相關，這與吳夢瑤等[13]研究結果相似。由此可見，土壤碳氮的累積可能直接促進了土壤大團聚體的形成及其穩定性[37]。

5 結論

（1）城鄉梯度下3 種林分類型土壤團聚體組成以大團聚體（>0.25 mm）為主。針闊混交林土壤團聚體穩定性（機械穩定性和水穩性）隨城鄉梯度遞進呈降低趨勢，說明城市化能促進針闊混交林土壤團聚體穩定性的增加。城鄉梯度下3 種林分類型土壤團聚體的水穩定性基本隨土層深度增加而降低，而其機械穩定性與之相反。

（2）較土層深度，城鄉梯度與林分類型對土壤團聚體分布及穩定性影響更顯著。城鄉梯度下不同林分類型土壤團聚體的水穩定性與SOC、TN、TP 等呈正相關，與pH 值、微團聚體（<0.25 mm）含量呈負相關。影響土壤團聚體在城鄉梯度下不同林分類型中分布及其穩定性的主要因素有SOC、TN、pH 值等，TN 是關鍵影響因素。