吳雪里慧，魏亞偉，馬瀾桐，李自豪，周永斌

（1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，沈陽(yáng)110161；2.遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，遼寧 昌圖112500）

土壤中所蘊(yùn)含的有機(jī)碳儲(chǔ)量占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量的2/3， 是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)的重要組成部分。同時(shí)，陸地碳庫(kù)主要由森林土壤有機(jī)碳組成，而森林土壤有機(jī)碳的含量變化受不同的森林經(jīng)營(yíng)方式、人為干擾等影響較大，造成這一現(xiàn)象的主要原因之一是因?yàn)樵诓煌沫h(huán)境條件下構(gòu)成土壤有機(jī)碳的不同組分有不同的分解響應(yīng)[1-3]。 土壤碳的存在形式有很多種，而土壤有機(jī)碳作為土壤碳最為重要的組成部分，它對(duì)土壤的各種生理特征轉(zhuǎn)換起著關(guān)鍵的作用[4]。土壤肥力受土壤氮素的影響巨大，其中植物對(duì)有氮素的需求量是非常大的，而且作物中所積累的氮素中有50%～80%來(lái)自土壤[5]，即使人為追加氮肥，土壤氮素的供應(yīng)能力也是由土壤中氮的含量、形態(tài)、空間分布來(lái)決定。當(dāng)土壤中氮素缺乏會(huì)通過(guò)抑制自然生態(tài)系統(tǒng)中作物的生長(zhǎng)來(lái)影響植物的分布。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體對(duì)種子發(fā)芽、根系發(fā)育和作物生長(zhǎng)起著關(guān)鍵影響，能夠降低土壤受侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)且避免有機(jī)碳庫(kù)受到礦化分解，對(duì)土壤有機(jī)碳保護(hù)起至關(guān)重要的作用[6-8]。土壤團(tuán)聚體可以使土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止水土流失，并提高土壤的肥力[9]，以此對(duì)土壤起著重要的作用。

本研究以遼西北半干旱區(qū)3 種不同人工純林為研究對(duì)象，對(duì)不同林型不同土壤深度下土壤有機(jī)碳、土壤全氮、土壤團(tuán)聚體粒級(jí)、土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、土壤團(tuán)聚體全氮進(jìn)行研究比較，明確不同林型不同深度下這些指標(biāo)的分布特征及其它們之間的關(guān)系，以期為提高該地區(qū)森林土壤的固碳能力和合理的森林經(jīng)營(yíng)提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)科爾沁沙地東南邊緣，遼寧省鐵嶺市昌圖縣付家林場(chǎng)（123°55′680″～123°37′112″E，43°21′143″～42°53′623″N）隸屬遼寧、內(nèi)蒙古、吉林3 省交界，位于東、西遼河的交匯處，為松嫩遼平原草原草甸散生林區(qū)。 研究區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長(zhǎng)寒冷，夏季高溫少雨，春季干燥風(fēng)強(qiáng)。 該地區(qū)土壤偏酸性，多為風(fēng)沙土。表1 為付家林場(chǎng)內(nèi)3 種不同人工純林的基本特征。

表1 3 種不同林型基本特征Table 1 Basic characteristics of three different forest types

1.2 樣方設(shè)置及樣品采集

2017 年10 月于該地區(qū)分別選取樟子松純林、 楊樹(shù)純林以及油松純林均設(shè)置面積為30m×30m 的樣方地，樣地詳情見(jiàn)表1。 每個(gè)樣地均設(shè)3 次重復(fù)，重復(fù)樣地要分布均勻，并具有相似的立地條件。 在各個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置8個(gè)采樣點(diǎn)，首先將土壤表層的枯落物和腐殖質(zhì)去除，再按0～10，10～20，20～30，30～40，40～50cm 共5 個(gè)不同土層分層取樣，并將8 個(gè)取樣點(diǎn)中取得的各土壤按土層分開(kāi)，同一土層的土壤均勻混合在一起之后再將殘留的植物細(xì)根和枯落物去掉。利用四分法分離土樣，土樣于陰涼處自然風(fēng)干并過(guò)8mm 孔徑土壤篩后保存，用于各種指標(biāo)的測(cè)定。 此外，取表層土壤的原狀土，進(jìn)行土壤團(tuán)聚體的測(cè)定；風(fēng)干后采用Retsch 篩分儀（AS 200）進(jìn)行測(cè)定，得到＞2，2～1，1～0.5，0.5～0.25，0.25～0.053，＜0.053mm 這6 個(gè)粒徑組分[11]；得到的不同級(jí)別的團(tuán)聚體用于測(cè)定團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳含量以及全氮含量。

1.3 方法

土壤有機(jī)碳、全氮的測(cè)定是通過(guò)元素分析儀（Elementar vario MACRO cube，CHN Elemental Analyzer，德國(guó)Elementar）進(jìn)行。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用Excel 2013 和Origin 8.5 處理并分析作圖，采用SPSS 17.0 軟件對(duì)各林型團(tuán)聚體及碳氮含量數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差（one-way ANOVA）分析和相關(guān)性分析，顯著水平設(shè)為0.05[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 團(tuán)聚體及其有機(jī)碳和全氮特征

在3 種林型中，0.053～0.25mm 粒級(jí)團(tuán)聚體占全土百分率均為最大，為43.68%～63.18%（表2）。 在樟子松純林中，＞2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體所占百分率略低于0.053～0.25mm 粒級(jí)，而其他4 個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的含量較低，順序依次為＜0.053mm＞0.25～0.5mm＞0.5～1mm＞1～2mm；在楊樹(shù)純林中，其他5 個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體含量與0.053～0.25mm 粒級(jí)有較大差距，這5 個(gè)粒級(jí)中團(tuán)聚體百分含量最高的是＞2mm 粒級(jí)，含量最低的是1～2mm 粒級(jí)；在油松純林中，其他5 個(gè)粒級(jí)中團(tuán)聚體百分含量最高的是＜0.053mm 粒級(jí)，含量最低的是1～2mm 粒級(jí)；在0.053～0.25mm 粒級(jí)中，楊樹(shù)純林和油松純林的百分率基本持平，并且要明顯高于樟子松純林；在＞2mm 粒級(jí)中，樟子松純林要明顯高于楊樹(shù)純林與油松純林，而楊樹(shù)純林與油松純林幾乎持平。 而在其他4 個(gè)粒級(jí)中，3 種林型的團(tuán)聚體分布基本保持一致。

表2 不同林型各粒級(jí)團(tuán)聚體含量Table 2 Basic characteristics of the fractional content of aggregates in different forest types

3 種林型土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的變化規(guī)律基本一致（圖1）。土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量最高的粒級(jí)為0.5～1mm，含量為10.24～20.15g·kg-1；含量最低的粒級(jí)為0.25～0.053mm，含量為4.35～5.87g·kg-1；在不同林型中，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的差異不同，如油松純林在＞2，1～2，0.5～1mm 3 個(gè)較大粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳的含量均顯著高于其他兩種林型（p＜0.05）。同一粒級(jí)不同林型間的土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量也不同，其中在有機(jī)碳含量最高的粒級(jí)0.5～1mm 中由高到低表現(xiàn)為油松純林＞楊樹(shù)純林＞樟子松純林； 在有機(jī)碳含量最低的粒級(jí)0.25～0.053mm 中由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞油松純林＞楊樹(shù)純林。

3 種林型土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體中全氮含量與各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量變化規(guī)律相似（圖1B），土壤團(tuán)聚體全氮含量最高的粒級(jí)為0.5～1mm，含量為0.86～1.48g·kg-1；全氮含量最低的粒級(jí)為0.25～0.053mm，含量為0.45～0.55g·kg-1；林型不同，土壤團(tuán)聚體各粒級(jí)間的全氮含量也不同，如油松純林在＞2mm 和1～2mm 兩個(gè)粒級(jí)中的全氮含量要顯著高于其他粒級(jí)（p＜0.05）。同粒級(jí)不同林型間土壤團(tuán)聚體全氮含量也有所不同，在0.5～1mm 粒級(jí)中全氮含量由高到低表現(xiàn)為油松純林＞楊樹(shù)純林＞樟子松純林； 在0.25～0.053mm 粒級(jí)中全氮含量由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞油松純林＞楊樹(shù)純林。

圖1 不同林型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮特征Figure 1 Characteristics of organic carbon and total nitrogen in aggregates

2.2 3 種林型土壤中土壤有機(jī)碳以及全氮含量特征

3 種林型中，樟子松純林和楊樹(shù)純林中的有機(jī)碳含量隨著土層深度的增加而逐漸減小，范圍分別為4.53～8.05g·kg-1和3.66～6.77g·kg-1（圖2）。 油松純林中，表層土壤（0～10cm）中的有機(jī)碳含量較低于上層土壤（10～20cm），從上層土壤到中層土壤（20～30cm 和30～40cm）中的有機(jī)碳含量也隨著土壤深度的增加而減少，但下層土壤（40～50cm）中的有機(jī)碳含量要高于其他土層。 而在相同土層不同林型間作比較，有機(jī)碳含量的變化并無(wú)明顯規(guī)律；在0～10cm 的表層土壤中，有機(jī)碳的含量由高到低表現(xiàn)為樟子松純林＞楊樹(shù)純林＞油松純林；而在40～50cm 的下層土壤中，有機(jī)碳的含量由高到低表現(xiàn)為油松純林＞樟子松純林＞楊樹(shù)純林，其中樟子松純林的有機(jī)碳含量要顯著高于其他兩個(gè)林型（p＜0.05）。

由圖2 可知，在3 種不同林型中，土壤中全氮含量變化與土壤中有機(jī)碳含量變化基本保持一致；樟子松純林與楊樹(shù)純林中的全氮含量都隨著土層深度的增加而逐漸減小，范圍分別為0.60～0.89g·kg-1和0.51～0.89g·kg-1；在油松純林中，表層土壤中的全氮含量要略低于上層土壤，從上層土壤到中層土壤，土壤中全氮的含量隨著土層深度的增加而逐漸減小，而下層土壤中的全氮含量要高于其他土層，但并未達(dá)到顯著差異（p＞0.05）。在土層相同的情況下，各林型全氮含量的變化也各不相同；如在0～10cm 的表層土壤中，樟子松純林與楊樹(shù)純林的全氮含量相差無(wú)幾，均略高于油松純林；而在40～50cm 的下層土壤中，油松純林的全氮含量均顯著高于其他兩個(gè)林型（p＜0.05）。

2.3 3 種林型土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體土壤有機(jī)碳和全氮以及各土層中有機(jī)碳和全氮的關(guān)系

圖3A，圖3B，圖3C 分別代表樟子松、楊樹(shù)和油松的團(tuán)聚體有機(jī)碳和團(tuán)聚體全氮的相關(guān)性，而圖3D，圖3E，圖3F 分別代表樟子松、楊樹(shù)和油松的有機(jī)碳和全氮的相關(guān)性。 從中可以看出，只有樟子松團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量呈顯著相關(guān)，而樟子松的有機(jī)碳和全氮、楊樹(shù)的有機(jī)碳和全氮及其團(tuán)聚體的有機(jī)碳和全氮、油松的有機(jī)碳和全氮及其團(tuán)聚體的有機(jī)碳和全氮之間都呈極顯著相關(guān)。

圖2 3 種林型土壤有機(jī)碳及全氮含量特征Figure 2 Characteristics of soil organic carbon and total nitrogen in three forest types

圖3 3 種林型團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮及各土層有機(jī)碳和全氮之間的關(guān)系Figure 3 Correlation between organic carbon and nitrogen of soil aggregates and soil different layers in three forest types

由表3 可知，＞2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量與＜0.053mm 團(tuán)聚體百分含量表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性。 1～2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中全氮的含量與0.25～0.5mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的百分含量表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)性。 0.5～1mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中的全氮含量與0.25～0.5mm 粒級(jí)團(tuán)聚體的百分含量呈顯著的負(fù)相關(guān)性。 從整體上來(lái)看，同一粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮的含量與各粒級(jí)團(tuán)聚體的百分含量的相關(guān)性基本一致。 表層土壤有機(jī)碳和全氮與＞2，1～2，0.5～1，0.25～0.5mm 4 個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體百分含量都呈正相關(guān)，其中表層土壤有機(jī)碳與0.5～1mm 粒級(jí)的百分含量呈極顯著的正相關(guān)； 而表層土壤有機(jī)碳和全氮與0.25～0.053mm 和＜0.053mm 兩個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體的百分含量呈負(fù)相關(guān)，但都不顯著。

表3 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮與不同粒級(jí)團(tuán)聚體含量的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate content in surface soil and aggregate-size soil

由表4 可知，表層土壤全氮含量與＞2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中的全氮含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.999；表層土壤全氮含量與1～2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量呈極顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-1.000；表層土壤全氮含量與0.5～1mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量呈顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-1.000。3 個(gè)較小粒級(jí)團(tuán)聚體中的有機(jī)碳、全氮含量與表層土壤有機(jī)碳和全氮含量均表現(xiàn)為相關(guān)性不顯著。

3 討論與結(jié)論

本研究中遼西北半干旱地區(qū)3 種林型的表層土壤有機(jī)碳含量受0.5～1mm 團(tuán)聚體百分含量的影響較大，與0.5～1mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體百分含量具有顯著的正相關(guān)性；而表層土壤全氮含量受0.25～0.5mm 團(tuán)聚體百分含量的影響較大，與0.25～0.5mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體百分含量具有顯著的負(fù)相關(guān)性；表層土壤全氮的含量與土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。 關(guān)于土壤團(tuán)聚體的百分含量與土壤有機(jī)碳、全氮的相關(guān)性一直以來(lái)都沒(méi)有統(tǒng)一的定論，GOLCHIN 等[13]的研究指出較大的團(tuán)聚體粒級(jí)與有機(jī)碳之間呈顯著的正相關(guān)性。但是GALE 等[14]研究結(jié)果指出有機(jī)碳含量與微團(tuán)聚體間同樣也具備相關(guān)性。 袁穎紅等[15]研究卻表明，0.2～0.002mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳的之間具有顯著的正相關(guān)性， 而有機(jī)碳含量與＜0.002mm 粒級(jí)的微團(tuán)聚體間卻呈顯著的負(fù)相關(guān)性。遼西北半干旱區(qū)3 種沙地人工林土壤團(tuán)聚體特征十分明顯， 均以＜0.25mm 的微團(tuán)聚體為主， 并且在微團(tuán)聚體中，均以0.053～0.25mm 粒級(jí)的團(tuán)聚體為主。這與國(guó)內(nèi)較多研究結(jié)論一致，土壤團(tuán)聚體中的微團(tuán)聚體含量大于較大的團(tuán)聚體。 如黃山丘陵區(qū)森林和草原植被區(qū)、 甘肅景電灌區(qū)以及瑪河流域干旱區(qū)典型鹽生植物群落的土壤團(tuán)聚體都是主要以＜0.25mm 粒級(jí)為主[16-18]。遼西北半干旱區(qū)3 種林型土壤團(tuán)聚體以0.053～0.25mm 粒級(jí)為主，可能是由于該地雖土壤滲透性好，但是結(jié)構(gòu)性和孔隙性大，該地區(qū)生態(tài)環(huán)境又以干旱、少雨和多風(fēng)為主，因此導(dǎo)致土壤沙化嚴(yán)重。

3 種林型土壤中各粒級(jí)中有機(jī)碳和全氮分布規(guī)律可知， 無(wú)論是有機(jī)碳的含量還是全氮的含量，＞0.5mm 的大團(tuán)聚體中都要明顯高于＜0.5mm 的微團(tuán)聚體， 與已有研究結(jié)果相似[19-20]。 這是因?yàn)榇罅＜?jí)團(tuán)聚體相較于較小粒級(jí)的團(tuán)聚體，能固存更多的有機(jī)碳，固碳的能力更強(qiáng)[21]。對(duì)于不同粒級(jí)的團(tuán)聚體來(lái)說(shuō)， 其有機(jī)碳含量也大有不同； 在3 種林型中，0.5～1mm 粒級(jí)中的有機(jī)碳含量皆為最高，這與郭劍芬等[22]在太湖地區(qū)黃泥土耕層研究的土壤有機(jī)碳在0.5～1mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中含量最高的研究結(jié)論相同。 吳銘等[23]研究表明微團(tuán)聚體中粒級(jí)越低，有機(jī)碳的含量越高，以及任雅閣等[24]對(duì)典型農(nóng)耕區(qū)棕壤的研究也發(fā)現(xiàn)了團(tuán)聚體粒級(jí)影響著有機(jī)碳的分布，有機(jī)碳的含量隨著粒級(jí)的減小而升高，這些結(jié)果又與前文所提到的大團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量高于微團(tuán)聚體中的有機(jī)碳含量這一結(jié)果相反。 宋國(guó)菡[25-26]研究指出，在2～0.2mm 和＜0.002mm 兩個(gè)粒級(jí)中有機(jī)碳含量最高，而其他粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳的含量相差無(wú)幾。 因此，關(guān)于這一部分的研究目前仍沒(méi)有統(tǒng)一的定論，這可能由于不同粒級(jí)團(tuán)聚體在不同的生態(tài)環(huán)境中都存在一定的差異性，有機(jī)物的來(lái)源不同也可能是造成這一差異的原因，但目前關(guān)于這方面的研究仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。

土壤有機(jī)碳是植物生長(zhǎng)的必需品，它能提供各種營(yíng)養(yǎng)元素， 這對(duì)維持土壤的物理結(jié)構(gòu)能夠起到關(guān)鍵的作用， 同時(shí)有機(jī)碳的形成和發(fā)育也會(huì)受到植被類型的影響，這對(duì)土壤微生物環(huán)境、微生物群落的組成和根系的分布都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，因此會(huì)在不同的土壤深度上形成不同的分布特征。土壤中有機(jī)碳與全氮含量的變化特征對(duì)于評(píng)估土壤肥力與質(zhì)量具有重要意義[27]。 在本研究中，樟子松純林和楊樹(shù)純林都是隨著土層深度的增加，土壤有機(jī)碳和全氮的含量都在逐漸降低。 而在油松純林中，40～50cm 土層中的有機(jī)碳和全氮含量則相對(duì)最高。 宋國(guó)菡[25]早年在對(duì)科爾沁沙地幾種典型的林分中的研究結(jié)果與這一結(jié)論大不相同，其研究結(jié)果為油松純林在表層土壤有機(jī)碳的含量最高，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他土層，其解釋為可能受到了油松根系的不均勻分布以及當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?；萬(wàn)子俊等[28]的研究結(jié)果表明，油松在垂直剖面上隨著土層深度的增加，有機(jī)碳的含量在逐漸減少。 而本研究中結(jié)果與他們不同，可能是因?yàn)檫|西地區(qū)天氣較多為風(fēng)沙天，而年降雨少但蒸發(fā)量卻較大，導(dǎo)致凋落物經(jīng)常散落到其他的生態(tài)系統(tǒng)，也會(huì)出現(xiàn)分解不完全的情況，造成土壤有機(jī)碳的獲取只能通過(guò)植物根系。 此外，由于遼西地區(qū)是沙土，土壤間存在間隙，滲透較好，油松根系的分布又較深，從而造成了土壤深層有機(jī)碳含量的積累。

本研究發(fā)現(xiàn)各林型各土層間有機(jī)碳與全氮含量之間都是極顯著的正相關(guān)，而且3 種林型各粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳和全氮含量也均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性。 有機(jī)碳和全氮之間的相關(guān)性具極顯著的相關(guān)性，這在馬玉紅等[29]在黃土丘陵流域土壤和王凱等[30]對(duì)江西北地區(qū)油松林土壤的研究中也得到了證實(shí)，它們的研究結(jié)果均表明土壤有機(jī)碳和全氮之間呈顯著的正相關(guān)性。 綜上，遼西北半干旱區(qū)人工林表層土壤有機(jī)碳和全氮以樟子松和楊樹(shù)人工林較高，且土壤有機(jī)碳和全氮主要集中在＜0.053mm、0.5～1mm 和1～2mm 粒級(jí)團(tuán)聚體中；土壤大粒級(jí)團(tuán)聚體（＞2mm）以樟子松人工林高于楊樹(shù)人工林和油松人工林為主；相關(guān)分析表明，土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮和各層土壤有機(jī)碳和全氮均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)性，這為該地區(qū)人工林的科學(xué)管理提供了科學(xué)參考。

表4 表層土壤有機(jī)碳、全氮與各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of organic carbon, total nitrogen and aggregate organic carbon and total nitrogen in surface soil