福建福建明水城森林土壤团聚体稳定性与有机碳分布

福建福建明水城森林土壤团聚体稳定性与有机碳分布

土壤颗粒是土壤在土壤成分的参与下形成的具有不同大小的多孔结构单元。这是土壤结构的主要代表。它的数量和粒度分布对土壤侵蚀、水分和土壤渗透性的影响有一定的影响。土壤团聚体尤其是水稳性团聚体的定量评价指标,如平均重量直径(MWD)、分形维数(D值)及团聚体破坏率(PAD)能较好的指示土壤结构的好坏。土壤团聚体不仅在持水保肥方面具有重要作用,而且与土壤的抗蚀能力具有密切关系。有机质是团聚体形成的重要胶结物质,而团聚体又是有机质固存的主要场所,对有机质的物理保护被认为是有机质稳定的重要机制之一。目前,有关人工林林地土壤退化、生产力持续下降等问题已受到林业工作者的普遍重视,土壤结构退化是其中的重要方面。因此,土壤团聚体稳定性及有机碳方面的研究作为土壤研究的重要内容,备受国内外学者的广泛关注。我国东南部中亚热带山区是全球同纬度地带为数不多的由常绿阔叶林覆盖的地区。但本区降雨量大且集中,山高坡陡,山区生态系统较为脆弱,对人类活动响应极为敏感。近年来,大面积常绿阔叶林经皆伐、火烧炼山及整地等一系列经营措施后种植人工纯林,已显著改变了山地系统的结构、功能与景观格局,影响了山地生态系统土-水-气-生相互作用过程。目前我国有关土壤团聚体的研究虽已多有报道,但关于我国东南部中亚热带低山丘陵地区森林转换对土壤团聚体粒径分布及稳定性研究还比较鲜见。因此,本研究选取闽北山区具有代表性的格氏栲天然林、格氏栲天然林经皆伐炼山后种植的木荷林和锥栗林土壤为研究对象,分析其土壤团聚体的粒径分布特征、稳定性及与有机碳的关系,试图揭示森林转换对土壤结构稳定性的影响机制,从而为林地的合理利用及防治水土流失,提高林地土壤质量提供理论依据。1材料和方法1.1与西北面和北缘山脉内土、土试验地位于福建省大武夷山常绿阔叶林野外定位研究站三明观测站(26°19′N,117°36′E),该区域东南面和西北面分别与戴云山脉和武夷山脉相连;平均海拔300m,坡度在25°~45°,属中亚热带季风气候,年均气温19.1℃,年均降雨量1749mm(集中于3-8月份),年均蒸发量1585mm,相对湿度81%,土壤类型为砂岩发育的细砂土和粉砂土。木荷林和锥栗林均为格氏栲天然林经皆伐炼山后种植的人工纯林,林龄相近且为成年林。1.2样地的采集、测定和贮藏于2013年7月上旬分别在各林分设1个20m×20m的样方。在每个样方内按网格状选取10个取样点,以直径为7.5cm,高度为10cm的取土器分0-10cm和10-20cm土层采集原状土壤,采样时移除土壤表层的凋落物,在每个样方内按上、中、下坡随机选取3个点混合,将同一土层样品混合成1个样品,用保鲜盒装好并带回室内。室温下自然风干,在其土壤塑限(含水量22%~25%左右)时,沿土壤自然裂隙轻轻掰开成直径约1cm的小土块,继续风干。取一部分样品研磨过2mm筛,用于土壤理化性质的测定。1.3样品的采集和测定风干性团聚体和水稳定性团聚体的筛分采用干筛法和湿筛法。即称取100g风干土壤置于套筛(5,2,0.25,0.053mm和底盘)顶层筛上,以相同的力度和频率手筛10min,将留在筛上的团聚体称重,即得风干性团聚体。按照干筛法获得的团聚体粒径分布比例,配成50g的样品置于套筛(5,2,0.25mm)顶层筛上,浸润5min,以上下振幅为3cm,频率为30次/min,用湿筛仪筛分2min,将留在各层筛上的水稳性团聚体淋洗入已去皮的铝盒,圆柱桶中的水土悬液过0.053mm筛,将筛上物质淋洗入铝盒,过0.053mm的水土悬液静置24h后用虹吸法吸取上层清液,剩下<0.053mm粉粘粒团聚体淋洗入去皮的烧杯,所有样品在60℃烘干48h,称重。每个样品重复3次。土壤理化性质(表1)的测定:土壤pH值采用1∶2.5土水比电位法,用pH仪测定;土壤容重采用环刀法测定;土壤碳、氮含量采用碳氮元素分析仪(varioMAX)测定;土壤颗粒组成采用土壤粒径分析系统(SEDI-MAT4-12)测定。为方便研究结果的分析,在本文图表中格氏栲天然林、木荷林和锥栗林分别用CK、SS和CH表示。1.4团聚体分形维数和破坏率的计算团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)的计算采用公式:MWD=∑(RiWi)/∑Wi。式中:Ri为某粒级团聚体平均直径;Wi为湿筛后某粒级团聚体的重量。土壤团聚体分形维数(D)的计算采用郑子成等的方法:M(x<X)/Mt=(x/XL)3-D。式中:x表示土粒的直径;M(x<X)为直径小于X的累积土粒重量;Mt为土壤各粒级质量的总和;XL为土粒的最大粒径;D为质量分形维数。团聚体破坏率(PAD)的计算采用公式:PAD=(Wd-Ww)/Wd。式中:Wd为干筛>0.25mm团聚体的比例;Ww为湿筛>0.25mm团聚体的比例。采用Excel2007软件进行数据处理,SPSS17.0软件进行数据分析,采用Duncan进行显著性差异检验,采用OriginPro7.5软件进行绘图。2结果与分析2.1各林分微团聚体数量变化如表2所示,干筛后,0-10cm和10-20cm土层均以>5mm团聚体为主,所占比例在36.09%~42.37%之间,0-10cm土层>5mm团聚体含量略高于10-20cm土层,但均显著高于其他粒径团聚体,大体上随粒径的减小而减少。两土层均以<0.053mm粉粘粒团聚体含量最少,不超过5%,显著低于其他粒径团聚体(P<0.05)。不同林分0-10cm土层相同粒径团聚体间均无显著差异(P>0.05),但10-20cm土层锥栗林<0.053mm团聚体含量显著高于格氏栲天然林和木荷林。与干筛结果不同,湿筛后虽仍以>0.25mm团聚体为主,但粒径分布呈现出较大的差异。与干筛结果相比,湿筛后格氏栲天然林、木荷林和锥栗林0-10cm土层>5mm团聚体所占比例分别从41.26%,42.37%和38.15%下降到30.71%,24.45%和21.56%,林分之间差异显著(P<0.05)。>0.25mm大团聚体所占比例由大到小为格氏栲天然林>木荷林>锥栗林,分别为78.4%,70.53%和55.62%。格氏栲天然林>2mm团聚体减少的同时,0.25~2mm团聚体有所增加,木荷林与之相似,但锥栗林>5mm,2~5mm和0.25~2mm的团聚体所占比例均有所下降。各林分<0.053mm团聚体所占比例上升最明显,分别增加到5.22%,9.54%和18.13%。就10-20cm土层而言,各林分>5mm和2~5mm团聚体均有下降,以锥栗林降幅最大,所占比例由38.03%和23.80%下降到18.78%和16.10%,显著低于格氏栲天然林和木荷林。各林分<0.25mm微团聚体所占比例分别由16.73%,21.14%和19.34%增加到28.07%,32.95%和47.28%,以锥栗林增幅最大,格氏栲天然林增幅最小。可以看出,干筛大团聚体数量高于湿筛大团聚体数量,这是因为干筛法所得的团聚体包括水稳性和非水稳性团聚体,而湿筛法使非水稳性团聚体破裂分解为较小粒径的团聚体,留下水稳性团聚体。因此有研究指出,水稳性团聚体数量能更好的反映土壤团聚体的稳定性。格氏栲天然林转换成人工林后,>5mm水稳性团聚体所占比例有所下降,其中转换成木荷林0-10cm和10-20cm土层分别下降了6.26%和3.20%,转换成锥栗林分别下降了9.15%和8.15%。>0.25mm水稳性团聚体所占比例中以锥栗林的降幅最大,2个土层分别下降了22.78%和19.21%。2.2林分d值和基性回收率平均重量直径(MWD)是反映土壤团聚体粒径分布状况的常用指标,尤其是水稳性团聚体MWD更是评价土壤结构好坏的重要指标。MWD值越大,土壤结构越稳定,抗侵蚀能力越强。从表3可以看出,0-10cm和10-20cm土层干筛团聚体MWD均无显著差异,但0-10cm土层MWD值略高于10-20cm土层。湿筛后,两土层MWD值均呈现出格氏栲天然林>木荷林>锥栗林,按大小顺序各林分两土层MWD值分别为3.22mm和3.12mm,2.86mm和2.81mm,2.46mm和2.21mm。格氏栲天然林显著高于锥栗林(P<0.05),但与木荷林差异不显著(P>0.05)。土壤团聚体分形维数(D)反映了土壤水稳性团聚体及水稳性大团聚体含量对土壤结构与稳定性影响的趋势,D值越大,土壤结构稳定性越差。如表3所示,各林分干筛团聚体D值均无显著差异,与MWD值的趋势一致;湿筛后D值增大,且10-20cm土层D值略高于0-10cm土层。锥栗林D值最大(2.48mm和2.55mm),而格氏栲天然林最小(2.18mm和2.27mm),两者差异显著(P<0.05)。团聚体破坏率(PAD)也是评价团聚体稳定性的常用指标。PAD值越大,团聚体越容易遭到破坏,团聚体稳定性越低。如表3所示,不同林分PAD值存在较大差异,锥栗林PAD值最高,0-10cm和10-20cm土层分别为32.36%和36.54%,显著高于格氏栲天然林和木荷林,而格氏栲天然林最低(8.81%和14.54%)。总之,格氏栲天然林转换成木荷林和锥栗林后,MWD值下降,分形维数D值和团聚体破坏率有所上升,以锥栗林的降幅或升幅最大,说明天然林团聚体稳定性最高,木荷林其次,锥栗林最低,表明天然林转换成人工林对土壤团聚体稳定性产生了较大的影响。格氏栲天然林团聚体稳定性高于木荷林和锥栗林,其原因可能是天然林地凋落物及细根归还量大,大量的有机质输入提高了土壤有机质水平,提供更多的有机胶结物质促进了大团聚体的形成;天然林较厚的凋落物层,阻碍了雨水对地表的冲蚀,减少对表土大团聚体的破坏;李阳兵等指出,枯落物的减少增加了雨滴对表层土壤大团聚体的溅散,而且地表产生的超渗径流还会进一步冲蚀表土,逐渐导致大团聚体的破坏。天然林缺少人为干扰,土壤大团聚体的周转所需时间更长。森林转换带来人为干扰的增加、有机质输入及地表覆盖度的变化,可能是造成木荷林和锥栗林团聚体稳定性低于天然林的主要原因。前期研究表明,格氏栲天然林枯落物层最厚,其次是木荷林,锥栗林凋落物层最薄,大量表土裸露。另一方面,森林转换过程中,一系列的经营措施包括皆伐、集材、炼山及整地等的人为干扰对土壤压实和扰动,不仅直接破坏了土壤团粒结构,这种破坏影响具有长期性,且随干扰强度的增大而增大,而且使被团聚体保护的有机质暴露在外,加快了微生物对有机质的分解矿化,有机质含量的下降造成团聚体有机胶结物质的减少。如郑丽凤等研究指出,即使经过10a恢复,强度择伐、极强度择伐和皆伐迹地土壤各项指标仍未恢复到伐前的水平,且随采伐强度的增大而加剧,>0.25mm水稳性大团聚体分别比伐前低21.25,36.85,60.25g/kg;马祥庆等研究也指出整地造林5a后,表征土壤抗蚀性能的团聚体破坏率增加,且随整地强度的增大而增大;Six等研究表明,传统耕作导致表层土壤游离轻组有机质和颗粒有机质分别下降了63.29%和62.02%,指出减少耕作可以提高大团聚体的稳定性。另一方面,有机质是团聚体形成与稳定的重要胶结物质,天然林转变成人工林后,植被类型趋于单一,凋落物、枯死细根归还量均有显著减少,有机质输入的减少也可能是木荷林和锥栗林团聚体稳定性较低的原因之一。2.3人工林后团聚体对有机质的影响如图1所示,各林分不同土层土壤水稳性团聚体的有机碳含量大致随粒径的减小呈先增加再减少再增加的趋势,这与谢锦升等的研究结果类似,但10-20cm土层各粒径团聚体有机碳含量均明显低于0-10cm土层。就0-10cm土层而言,各粒径团聚体有机碳含量均为格氏栲天然林>木荷林>锥栗林,不同林分之间差异显著(P<0.05),表明天然林转换成人工林后,不仅土壤总有机碳有所下降(表1),而且团聚体有机碳含量亦有显著下降。毛艳玲等有关天然林转换成人工林、次生林和耕地的研究表明,各粒径团聚体有机碳含量均有显著下降(P<0.05),指出耕作等人为因素对土壤的垂直扰动使下层土壤暴露,使微生物与凋落物的接触更为密切,同时耕作也改变了土壤微环境(温度、水分、通气等),以及地表覆盖度的下降提高了团聚体对破坏的敏感性,这些因素都加快了土壤有机质的分解。各林分均以0.25~2mm和<0.053mm团聚体有机碳较高,这是由于大团聚体是微团聚体由有机质胶结而成,除原有的有机质外,主要被年轻的有机质(如碳水化合物、根、菌丝)所稳定,而且大团聚体中富含新近沉积的有机质。谢锦升等对退化红壤植被恢复地的研究指出,植被恢复后不同粒径团聚体有机碳有明显提高,其中以0.25~2mm团聚体有机碳含量最高,可能与土壤中游离的轻组物质较多有关。<0.053mm的粉粘粒团聚体对有机质的保护以化学保护为主,与粉粘粒结合的有机质腐殖化程度高,是有机质长期固存的场所。而10-20cm土层各林分相同粒径团聚体有机碳含量差异较小,可能与土壤有机质含量总体水平偏低有关。2.4各林分土壤有机碳含量的关系土壤团聚体形成的实质是土壤有机无机体(有机质、铁铝氧化物、粘土矿物、硅酸盐等)在静电引力、氢键及羟基等官能团作用下的复合过程,这些有机体无机体的含量及其作用机制均会影响团聚体稳定性。有机质作为团聚体的重要胶结物质,在大团聚体的形成与稳定中具有极其重要的作用。有研究结果表明,土壤稳定性大团聚体的数量与土壤有机质含量呈正相关关系。由表1可知,0-10cm土层土壤有机质含量表现为格氏栲天然林>木荷林>锥栗林,呈现出明显的梯度差异。森林转换造成土壤有机质的变化,进而对大团聚体的数量及稳定性产生间接影响。经分析表明,0-10cm土层>0.25mm水稳性大团聚体数量与土壤有机碳含量的关系为:Y=0.5336X-18.901,R2=0.9076,P<0.01,说明土壤有机质含量的下降会引起大团聚体数量的减少和稳定性下降。在有机质含量较高的情况下,微团聚体在有机胶结物质的作用下形成大团聚体,形成的大团聚体立即对有机质产生物理保护作用,阻碍微生物对有机质的分解矿化。但是,团聚体稳定性会随着有机胶结物质的减少而下降,进而分解成较小粒径的团聚体和粗颗粒物,对有机质的物理保护作用减弱进而加剧有机质的矿化。10-20cm土层>0.25mm水稳性大团聚体数量与土壤有机碳含量的关系为:Y=0.1797X-0.4356,R2=0.3933,P>0.5,关系不显著,表明10-20cm土层>0.25mm水稳性大团聚体数量大致随有机碳含量的下降而减少,但可能受到其他因素(土壤质地、粘土矿物、铁铝氧化物等)的影响。Oades和Water指出,在有机质含量较低的情况下,有机质与团聚体稳定性的关系并不显著,团聚体稳定性可能更多的受到粘土矿物类型、粘粒含量等因素的影响。Spaccini等针对施肥对不同质地土壤的团聚体稳定性影响指出,粘粒含量更高的土壤其大团聚体数量更多及稳定性指标更高,表明土壤质地对土壤物理性质和结构产生明显的影响。由表1可以看出,各林分土壤粉粘粒含量呈现出锥栗林>木荷林>格氏栲天然林,尽管锥栗林和木荷林10-20cm土层土壤有机碳含量低于格氏栲天然林,但其较高的粉粘粒含量可能提高了土壤的团聚性。Pronk等观察到在无粘土矿物的土壤中大团聚体数量较少,表明粘土矿物对与大团聚体的形成具有重要作用;Duiker等也指出,在有机质含量相对偏低的土壤,弱结晶氧化铁含量比有机质含量对团聚体稳定