河南周口市杨树和女贞林地土壤团聚体稳定性及其有机碳分布

朱利霞，陈志鹏，任晓东，李俐俐

(周口师范学院 生命科学与农学学院，河南 周口 466001)

土壤团聚体是土壤结构的基本单位，也是土壤有机质分解转化与腐殖质形成的主要场所[1-2].土壤团聚体的主要功能表现在稳定土壤结构、减少水土流失、提高土壤肥力和质量等[3].土壤团聚体稳定性是土壤质量和土壤健康的一个关键指标[4]，与生态系统许多功能有着密切联系，如土壤有机质的构成与质量、土壤生物活性、渗透率等[5-7].因此，一般粒径≥0.25 mm的水稳定性团聚体含量与土壤的抗蚀性密切相关，土壤的平均重量直径和几何平均直径越大[8-9]，土壤团聚体分布状况和稳定性就越好、抗蚀能力越强[10-11]，是评价土壤肥力的重要指标[12].

国内外以林地土壤为对象开展了大量研究，这些研究大多关注土壤养分含量、有机碳含量及稳定性、土壤持水性能等，关于土壤团聚体的研究主要集中在防护林带及山地，而对于黄淮地区人工林培育土壤颗粒组成及团聚体特征的研究则较少.土壤团聚体稳定性与土壤表层处理方式有很大关系[12]，姜敏等[13]研究发现林地(人工林和自然林)土壤稳定性和抗蚀性更好，相反旱作农地土壤团聚体结构及其稳定性较差，其平均重量直径和几何平均直径相对较低.聂富育等[14]发现不同人工林地土壤各粒级团聚体含量及土壤团聚体稳定性有明显的差异.目前周口市主要绿化植物包括乡土树种(杨树、柳树)和外来树种(女贞、枇杷)，其中杨树和女贞的种植范围最为广泛，分布于周口市川汇区全境内，是主要的行道树.因此，本试验以杨树和女贞林土壤为研究对象，比较土壤团聚体的平均重量直径和几何平均直径及大团聚体含量来分析土壤团聚体稳定性，结合团聚体有机碳分布状况，为该地区土壤质量评价、人工林树种的合理选择和人工林土壤碳循环提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于河南省周口市川汇区(N33°38′，E114°40′)，该地区属于暖温带半湿润季风气候，全年平均气温15 ℃左右，年平均降水量为689～816 mm，降水主要集中于每年的6至8月，约占全年降水总量的56%，地带性土壤类型主要为潮土和砂姜黑土.研究区域以人工林为主，主要包括杨树林和女贞林，研究林分基本概况如表1所示.试验地位于周口市川汇区东部，土壤类型为壤质潮土.

表1 两种人工林林分概况Tab.1 The basic information of the two plantations

1.2 样品采集与处理

于2019年3月，在每个林型(杨树和女贞)中设置5个临时样地(25 m×25 m).除去表面枯枝落叶，同一样地内按照S形布设5个采样点，去除土壤表层凋落物，采用剖面挖掘法采集0～100 cm土壤，每20 cm为一层，除去植物根系、杂草、小石块，装入硬质塑料盒中，带回实验室，备用.一部分沿土块自然裂隙掰成直径约为1 cm的土块用于测定土壤团聚体；另一部分研磨后过2 mm筛，用于测定有机碳含量.

1.3 测定方法

土壤团聚体颗粒分布采用干筛法和湿筛法，具体方法描述如下.

干筛法[13]：称取100 g风干土样，然后通过一套直径20 cm，高度5 cm的振荡筛(套筛直径为5、2、1、0.5和0.25 mm)，底层安放底盒，顶部盖筛盖，用振荡式筛分仪在200次/min下振荡2 min.筛取完成后土样分成[5，+∞)，[2，5)，[1，2)，[0.5,1),[0.25,0.5)和(-∞,0.25)mm团聚体，分别收集称重.

湿筛法[13]：先将振荡筛的各个筛面按照从上到下的顺序(5、2、1、0.5和0.25 mm)放置好，然后摆放入湿筛桶，称取100 g风干土样平铺于最上层筛面上，然后沿着桶壁缓慢加入去离子水，使最上层筛子中团聚体刚好浸没在水面以下，浸润10 min后，以30次/min的频率振荡5 min，之后将各筛面上的水稳定性团聚体分别冲洗至已称重的容器中，40 ℃条件下烘干，称重.

有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定[15].

1.4 数据处理与计算

采用Excel 2010和SPSS 19.0对数据进行处理，采用独立样本T检验对数据进行显著性差异分析，显著性水平设定为P=0.05.

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成分析

2.1.1 土壤水稳定性团聚体 由表2中数据可以看出，杨树和女贞林各粒级土壤水稳定性团聚体的组成存在明显差异.湿筛条件下两种人工林不同土层土壤团聚体均以<0.25 mm粒径为主，比例达到84.53%～95.23%.土壤中大团聚体含量(≥0.25 mm)占林地土壤总团聚体含量较少，比例仅为4.77%～15.47%.粒径<0.25 mm团聚体含量在各土层中均以杨树林较高.林分类型除对[60,80)cm土层2 mm≤R<5 mm团聚体含量无显著影响外，对其它不同土层中对不同粒级团聚体含量均有显著影响，且表现为杨树林团聚体含量显著低于女贞林.其中≥5 mm团聚体含量在各土层的变化范围为0.93%～8.27%，2 mm≤R<5 mm团聚体含量在各土层的变化范围为0.23%～2.4%，1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25≤R<0.5 mm团聚体含量在各土层中变化范围分别为0.57%～1.67%、0.83%～2.73%和1.73%～6.13%.

表2 不同林分土壤水稳定性团聚体含量Tab.2 The contents of soil water stable aggregates in different plantations

2.1.2 土壤机械稳定性团聚体 如表3所示，两种人工林土壤机械稳定性团聚体含量有明显差异.两种人工林机械稳定性团聚体组成均以大团聚体(≥0.25 mm)为主，其含量介于56.90%～83.97%之间.杨树林土壤大团聚体含量占56.90%～73.63%，而女贞林土壤大团聚体含量为64.90%～83.97%.除40～60 cm土层外，杨树林机械稳定性大团聚体含量均显著低于女贞林.在[0,20)cm土层，林分类型对1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm团聚体无显著影响，杨树林R≥5 mm和2 mm≤R<5 mm机械稳定性团聚体显著低于女贞林，而<0.25 mm团聚体含量表现为杨树林显著高于女贞林.在[20,40) cm土层，杨树林R≥5 mm、2 mm≤R<5 mm和1 mm≤R<2 mm机械稳定性团聚体含量显著低于女贞林，杨树林<0.25 mm机械稳定性团聚体含量显著高于女贞林，而林分类型对0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm机械稳定性团聚体含量无显著影响.在[40,60) cm土层，杨树林R≥5 mm和2 mm≤R<5 mm机械稳定性团聚体含量显著低于女贞林，而1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm机械稳定性团聚体含量显著高于女贞林，R<0.25 mm机械稳定性团聚体含量在不同林分类型中无显著差异.在[60,80) cm土层，杨树林R≥5 mm和0.25 mm≤R<0.55 mm机械稳定性团聚体含量显著低于女贞林，而R<0.25 mm机械稳定性团聚体含量显著高于女贞林，2 mm≤R<5 mm、1 mm≤R<2 mm和0.5 mm≤R<1 mm团聚体含量在杨树和女贞林土壤中无显著差异.在[80,100)cm土层，杨树林R<0.25 mm机械稳定性团聚体含量显著高于女贞林，而林分类型对R≥5 mm、2 mm≤R<5 mm、1 mm≤R<2 mm、0.5 mm≤R<1 mm和0.25 mm≤R<0.5 mm机械稳定性团聚体含量无显著影响.

表3 不同林分土壤机械稳定性团聚体含量Tab.3 The contents of soil mechanical stability aggregate in different plantations

2.2 土壤团聚体稳定性

一般而言，粒径大的团聚体比例越高，土壤MWD和GMD值越高，土壤团聚体就越稳定.由表4可知，土壤团聚体MWD和GMD值在两种林型间有显著差异.湿筛条件下，团聚体MWD值介于0.22～0.80 mm之间，干筛条件下MWD值介于1.55～3.08 mm之间.湿筛和干筛条件下不同土层团聚体MWD值均表现为杨树林显著低于女贞林.干筛条件下，[0,20)cm土层女贞土壤团聚体MWD较杨树土壤团聚体MWD值显著增加53.8%，其它土层女贞林MWD值较杨树林增加幅度逐渐减小.两种林型土壤团聚体GMD值在湿筛和干筛条件下的范围分别为0.42～1.24和0.55～1.43 mm.湿筛条件下，在[0,20)、[20,40)和[60,80) cm土层，杨树林土壤团聚体GMD值显著低于女贞林，而[40,60)和[80,100) cm土层GMD值在两种林型间无显著差异.干筛条件下杨树林各土层土壤团聚体GMD值均显著低于女贞林.

由表4可知，PAD在不同土层中均表现出女贞林土壤小于杨树林土壤的趋势，且差异达到显著性水平.在[0,20)cm土层，女贞林较杨树林土壤团聚体破坏率显著降低11.2%，而在[80,100)cm土层女贞林团聚体破坏率则显著降低16.0%.

表4 不同林分土壤团聚体稳定性Tab.4 The stability of soil aggregates in different plantations

2.3 不同林分土壤团聚体有机碳特征

根据土壤团聚体组成比例及稳定性特征，选择湿筛法得到的团聚体测定有机碳含量.如表5所示，土壤有机碳含量随土壤团聚体粒径减小，基本呈现出先增加后降低的现象.在[0,20) cm土层土壤团聚体有机碳含量变化范围为11.02～20.35 g/kg，女贞林各粒级团聚体有机碳含量均显著高于杨树林，其中以0.5 mm≤R<1 mm团聚体有机碳增加最为显著，增幅为45.9%.在[20,40)、[60,80)和[80,100) cm土层各粒级团聚体有机碳均表现为女贞高于杨树，且达到显著性差异水平.在[40,60) cm土层，除2 mm≤R<5 mm团聚体有机碳含量外，其它各粒级团聚体有机碳含量均表现为女贞林显著高于杨树林.

表5 不同林分土壤水稳定性团聚体有机碳含量Tab.5 Organic carbon content of soil water-stable stability aggregate in different plantations

2.4 不同林分土壤有机碳与团聚体之间的关系

由表6可知，土壤有机碳含量范围为6.13～18.86 g/kg，不同土层杨树和女贞林土壤有机碳含量均有明显差异.在小于20 cm土层，女贞林土壤有机碳显著高于杨树林，增幅为42.8%；在[20,100) cm土层女贞林土壤有机碳含量较杨树林分别显著增加41.0%、29.7%、44.7%和15.6%.

表6 不同林分土壤有机碳含量Tab.6 Soil organic carbon content in differentplantations

对土壤有机碳含量和大团聚体含量(≥0.25 mm)进行相关性分析，结果表明杨树土壤有机碳含量与大团聚体含量之间的关系可用y=0.169x3-4.752x2+42.47x-113.2(R2=0.79，P<0.01)表示，女贞土壤有机碳含量与大团聚体含量之间的关系可用y=0.235x2-5.892x+47.63(R2=0.85，P<0.001)表示，有机碳与大团聚体含量有较好的相关性.

3 讨论与结论

本试验干筛所测得的土壤团聚体含量(≥0.25 mm团聚体)所占比例最大，湿筛法所得的土壤团聚体含量<0.25 mm所占比例最大，两种测定方法下土壤各粒级团聚体含量有明显的差异.姜敏等[13]分别采用干筛法和湿筛法测定土壤团聚体时同样发现干筛条件下土壤大团聚体含量最高，达到50%以上，而湿筛条件下大团聚体含量明显减少.这可能是由于供试土壤水稳定性团聚体含量较低，湿筛条件下破坏了土壤中非水稳性团聚体，使其崩解为小粒径的团聚体.另外，本试验中所用土壤为潮土，其粘粒含量较高，在风干状态下土壤胶结比较明显，这也是干筛条件下土壤大团聚体含量较高的一个原因.

本试验中女贞土壤大团聚体含量高于杨树林土壤，这可能是由于女贞林土壤有机碳含量高于杨树林，有机质作为一种很好的胶结剂，可以将土壤中粒径较小的团聚体胶结为较大粒径的团聚体，从而促进大团聚体的形成.李秋嘉等[17]研究指出土壤有机质较高的条件下大粒径团聚体的比例也越高.由于土壤大团聚体含量，尤其是水稳定性大团聚体含量的多少可在一定程度上表征土壤结构稳定性的强弱，水稳定性团聚体含量越多土壤抗蚀性越强，土壤结构也越稳定[18].本试验中女贞林土壤大团聚体含量显著高于杨树林，表明女贞林土壤结构稳定性较强，土壤质量较好，女贞林更有利于土壤结构的稳定性，利于增强土壤抗蚀性.两种人工林土壤中>5 mm团聚体含量在干筛和湿筛两种测定方法中均表现出随土层加深而增加的趋势.聂富育等[14]关于柳杉、桢楠和麻栎等不同林分的研究也发现下层土壤大团聚体含量高于上层土壤.这可能是由于表层土壤长期受到雨水冲刷，团聚体遭到一定的破坏，土壤微生物及土壤动物的活动也会对土壤大粒径团聚体形成一定的破坏.在土壤团聚体稳定性评价指标中，GMD和MWD值是常用的评价指标，二者数值越大，团聚度越高，土壤团聚体稳定性越好.本试验中无论干筛还是湿筛，女贞林土壤团聚体GMD和MWD值均明显高于杨树林土壤，且女贞林PAD显著低于杨树林，表明女贞林有利于降低团聚体破坏率，提高土壤团聚体的稳定性，改善土壤的抗蚀性.这可能是由于女贞林土壤孔隙度较大，结构疏松，且地表凋落物较多，促进了土壤团聚体的形成.

在土壤团聚体形成过程中，有机胶结物质起着至关重要的作用，其形成主要依赖于土壤中各种胶结物质的数量和性质，对土壤的性质和肥力有很大影响[18].本研究发现，两种林分类型土壤团聚体有机碳含量均以[0,20) cm土层最高，随土壤层次的加深团聚体有机碳含量呈现出逐渐降低的趋势，这与前人的研究结果一致[19-20].这可能是由于凋落物可以通过直接输入的方式增加土壤有机碳含量[21]，凋落物也为微生物提供了碳源和能源，增强了微生物活性，从而促进有机碳含量的升高.此外，不同土层人工林地土壤有机碳各组分的官能团特征存在较大差异[22].随着土壤团聚体粒径的减小，团聚体有机碳含量基本呈现出先增大后降低的趋势；其中1 mm≤R<2 mm和0.5 mm≤R<1 mm粒级团聚体有机碳含量相对较高，这可能是由于较小粒级团聚体单位有机碳含量较高[23].但也有研究表明土壤团聚体有机碳随团聚体粒径减小而减小[24]或呈增-减-增-减的变化趋势[25].这可能与不同区域土壤性质、植被类型等有关，土壤中形成团聚体所利用的胶结物质种类和数量也有所差别有关.

土壤团聚体作为保护和稳定土壤有机碳的载体，也是有机碳储存的场所.本研究中女贞林土壤有机碳含量显著高于杨树林，且大团聚体含量与土壤有机碳含量有较好的相关性.因此，女贞林更有利于该地区土壤有机碳的积累.