茹 軍 張 勇 王志堅(jiān)王 增 姚任圖

(1.浙江省林業(yè)信息宣傳服務(wù)中心，浙江 杭州 310020；2.浙江農(nóng)林大學(xué)浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州311300；3.浙江省公益林和國有林場管理總站，浙江 杭州 310020；4.松陽縣林村林場，浙江 麗水 323400)

土壤團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性很大程度上受土壤有機(jī)碳的影響，有機(jī)碳主要通過有機(jī)膠結(jié)、粘粒包裹、菌絲和植物根系纏繞填充等作用來參與團(tuán)聚體的形成[1-2]。團(tuán)聚體的形成過程又影響土壤有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化，土壤物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)換主要發(fā)生在團(tuán)聚體內(nèi)，團(tuán)聚體通過對生物特別是微生物與有機(jī)碳空間隔離的保護(hù)作用，是土壤最重要的固碳機(jī)理[3-4]。因此，作為土壤碳庫的重要組成部分，近年來土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的分布和變化備受關(guān)注，其能夠較好地反映土地利用和森林植被變化情況[5-6]。朱家琪等[7]研究了興安落葉松Larix gmelinii林、樟子松Pinus sylvestris林、山楊Populus davidiana林、白樺Betula platyphylla林4 種寒溫帶森林類型，發(fā)現(xiàn)它們之間土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳有顯著差異。潘英杰等[8]在研究黃土高原天然次生林植被演替時，發(fā)現(xiàn)各粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均隨著植被演替進(jìn)程而逐漸增加。

浙江鳳陽山國家級自然保護(hù)區(qū)是我國東部中亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的典型代表，素有“華東古老植物搖籃”之美譽(yù)。當(dāng)前，保護(hù)區(qū)內(nèi)的人工林是上世紀(jì)70 年代天然植被遭受破壞后種植杉木、柳杉等形成的針葉林，天然林則是自然飛籽形成的黃山松Pinus taiwanensis針闊混交林和次生常綠闊葉林，這4 種林分在東部中亞熱帶省份具有一定的代表性。目前對鳳陽山土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的研究少見報道。本研究在團(tuán)聚體水平上研究不同林分類型土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳及穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的差異變化，闡明土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳分布特征，對揭示因林分變化導(dǎo)致土壤有機(jī)碳動態(tài)變化和穩(wěn)定性機(jī)制具有重要參考價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鳳陽山國家級自然保護(hù)區(qū)位于浙江省 龍 泉 市（ 地 理 坐 標(biāo)：27°46′N～27°58′N、119°06′E～119°15′E），為武夷山脈東伸的洞宮山系。保護(hù)區(qū)屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，四季分明，雨量充沛。年均氣溫12.3℃，年均降水量2 438.2 mm。土壤為黃壤，土層厚度基本在60～80 cm 之間。

1.2 樣地設(shè)置

在石梁岙（小地名），地理位置為27°53′55′′N，119°10′57′′ E，選擇杉木林與常綠闊葉林兩種對比林分類型；在鳳陽湖（小地名），地理位置為27°52′27′′ N，119°11′2′′ E，選擇柳杉林與針闊混交林兩種對比林分。在每種林分內(nèi)分別設(shè)置3 個20 m×20 m 的重復(fù)固定樣地，并調(diào)查植物本底（表1）。由于同一地點(diǎn)的兩種林分類型氣候、立地條件及林齡等基本一致，排除了林分植被之外的其他因素的影響。

表1 不同采樣點(diǎn)及其林分類型的概況Table 1 Basic information of different sampling points and forest stand types

1.3 土壤采樣與測定

于2013 年7 月，在每個固定樣地內(nèi)按0～20 cm 深度取原狀土，用于土壤團(tuán)聚體測定。用手輕輕地把原狀土大土塊沿著自然脆弱帶扳成直徑約1 cm 的小土塊，在室溫條件下風(fēng)干，將盛有風(fēng)干土樣的篩子置于搖床上，以270 r/min 振蕩2 min 進(jìn)行干篩[9]，分離出＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm 和＜0.5 mm 4 級不同粒徑團(tuán)聚體。某粒徑團(tuán)聚體的占比=該粒徑團(tuán)聚體重量/各粒級土壤團(tuán)聚重量之和×100%。

測定各粒徑團(tuán)聚體中的土壤有機(jī)碳、易氧化性有機(jī)碳和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱氧化-硫酸亞鐵滴定法[10]，土壤易氧化有機(jī)碳是利用高錳酸鉀溶液比色法[11]，土壤穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳采用Na2S2O8氧化法[12]。

利用SPSS 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)顯著性差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的變化

各林分類型土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體上均隨團(tuán)聚體粒徑減小而呈升高趨勢（圖1）。在石梁岙，常綠闊葉林和杉木林土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均以0.5～2.0 mm 團(tuán)聚體最高（分別為14.81 g/kg 和11.36 g/kg）、＞5.0 mm 團(tuán) 聚 體 最 低（分 別為11.48 g/kg 和8.34 g/kg）；在鳳陽湖，針闊混交林和柳杉林團(tuán)聚體有機(jī)碳均以＜0.5 mm 團(tuán)聚體最高（分別為12.77 g/kg 和15.13 g/kg）、＞5.0 mm 團(tuán)聚體最低（分別為8.73 g/kg 和10.74 g/kg）。方差分析顯示，石梁岙的兩種林分類型，同一林分的＞5.0 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別與0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量差異顯著（P＜0.05），其余團(tuán)聚體之間沒有顯著差異；鳳陽湖的針闊混交林＞5.0 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳含量分別與2.0～5.0 mm、0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團(tuán) 聚 體 差 異 顯 著（P＜0.05），其余團(tuán)聚體之間沒有顯著差異；柳杉林＞5 mm 團(tuán)聚體有機(jī)碳分別與0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 團(tuán) 聚 體 差 異 顯 著（P＜0.05），2.0～5.0 mm 與＜0.5 mm 差異顯著（P＜0.05），其余團(tuán)聚體之間沒有顯著差異。

圖1 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量Fig.1 Contents of organic carbon of soil aggregates

在石梁岙，常綠闊葉林各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于杉木林同粒級團(tuán)聚體（P＜0.05）；在鳳陽湖，除2.0～5.0 mm 團(tuán)聚體外，柳杉林各粒級團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均顯著高于針闊混交林（P＜0.05）（圖1）。

2.2 土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳的變化

在石梁岙，常綠闊葉林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含 量 分 別 為1 525.83 mg/kg、1 417.90 mg/kg、1 748.28 mg/kg 和1 590.99 mg/kg，整 體 差 異 顯著（P＜0.05），并隨著團(tuán)聚體粒徑減小呈逐漸升高 趨 勢；杉 木 林 土 壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量分別為1 177.97 mg/kg、1 221.40 mg/kg、1 534.83 mg/kg和1 329.24 mg/kg，整體差異顯著（P＜0.05），也隨著團(tuán)聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢。在鳳陽湖，針闊混交林土壤各粒徑團(tuán)聚體易氧化性有機(jī)碳含量分別為1 346.85 mg/kg、1 724.65 mg/kg、1 614.95 mg/kg 和1 671.03 mg/kg，整體差異不顯著，但＜0.5 mm 和2.0～5.0 mm 團(tuán)聚體均顯著高于＞5.0 mm 團(tuán)聚體（P＜0.05）；柳杉林土壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量分別為1 343.06 mg/kg、1 132.51 mg/kg、1 420.48 mg/kg、1 537.91 mg/kg，整體差異顯著（P＜0.05），同樣隨團(tuán)聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢（圖2）。

常綠闊葉林土壤各粒徑團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量均顯著高于同粒級杉木林（P＜0.05）；針闊混交林2.0～5.0 mm 和0.5～2 mm 團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量均顯著高于同粒級柳杉林（P＜0.05），其余兩粒級之間沒有顯著差異（圖2）。

圖2 土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量Fig.2 Contents of readily oxidized carbon of soil aggregates

2.3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的變化

常 綠 闊 葉 林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5mm、＜0.5 mm 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量分別為2.01 g/kg、2.48 g/kg、2.30 g/kg 和3.35 g/kg，各粒徑團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量整體差異顯著（P＜0.05），并隨團(tuán)聚體粒徑減小呈逐漸升高趨勢。杉木林、針闊混交林、柳杉林的變化規(guī)律同常綠闊葉林基本一致，同一林分團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量隨粒徑減小呈逐漸升高趨勢（圖3）。

圖3 土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量Fig.3 Contents of recalcitrant organic carbon of soil aggregates

除0.5～2 mm 團(tuán)聚體外，常綠闊葉林各粒徑團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量均顯著高于同粒級杉木林（P＜0.05）；柳杉林＞5.0 mm 和＜0.5 mm 團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量分別顯著高于同粒級針闊混交林（P＜0.05），其他粒徑之間沒有顯著差異。

2.4 土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳及其組分的貢獻(xiàn)率

不同粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率決定于各團(tuán)聚體在土壤中的占比（表2）及其有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量。不同林分類型土壤各粒徑團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率變化規(guī)律基本一致，＞5 mm 團(tuán)聚體對有機(jī)碳貢獻(xiàn)率最高，變化范圍為34.34%～42.38%，最高為柳杉林，最低為針闊混交林；2～5 mm 團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率次之，變化范圍為24.19%～35.23%?？傮w上，不同粒徑團(tuán)聚體對土壤有機(jī)碳貢獻(xiàn)率隨著粒徑減小而減小。

表2 土壤團(tuán)聚體各粒徑的占比 %Tab. 2 The proportion of the diffirent soil diameter aggregates

各粒徑土壤團(tuán)聚體對易氧化有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率也是＞5 mm 團(tuán)聚體最高，變化范圍為36.94%～47.97%，最高為柳杉林，最低為杉木林?？傮w上，不同粒徑團(tuán)聚體對易氧化有機(jī)碳貢獻(xiàn)率隨著粒徑減小而逐漸減小。各粒徑土壤團(tuán)聚體對穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率＞5 mm 亦最高，變化范圍為32.32%～37.83%，最高為常綠闊葉林，最低為針闊混交林。總體上，不同粒徑團(tuán)聚體穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率與土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳的規(guī)律基本一致?？梢姡芯繀^(qū)大團(tuán)聚體是土壤有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的主要載體。

2.5 不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性

易氧化有機(jī)碳/有機(jī)碳的比值越高說明土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性越差，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳/有機(jī)碳的比值越高說明土壤有機(jī)碳穩(wěn)定性越好。從表4 可見，4 種林分易氧化有機(jī)碳/有機(jī)碳的值隨團(tuán)聚體粒徑的變小呈逐漸降低的趨勢，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳/有機(jī)碳的值隨團(tuán)聚體粒徑的變小而呈逐漸升高的趨勢。

表3 不同粒徑土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率 %Tab. 3 The contribution of the different diameter aggregates on soil organic carbon, readily oxidized carbon and recalcitrant organic carbon

表4 不同粒徑土壤團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳/有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳/有機(jī)碳的值 %Tab. 4 The readily oxidized carbon/soil organic carbon and recalcitrant organic carbon/soil organic carbon in different diameter aggregates

3 結(jié)論與討論

土壤有機(jī)碳在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布狀況決定了土壤的儲碳能力[13]。各林分類型土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量均隨團(tuán)聚體粒徑變小而呈逐漸升高趨勢，這符合有機(jī)碳輸入優(yōu)先向小粒級團(tuán)聚體積累的理論[14]。有機(jī)碳很少以游離態(tài)存在于土壤中，往往被細(xì)小礦質(zhì)顆粒牢固地吸附，并與之結(jié)合形成有機(jī)-無機(jī)復(fù)合體，團(tuán)聚體粒徑越小，比表面積越大，吸附有機(jī)碳就越多[15]。對比其他研究，李戀卿等[16]研究發(fā)現(xiàn)，退化紅壤有機(jī)碳在0～0.002 mm 團(tuán)聚體中含量較高；李娟等[17]發(fā)現(xiàn)，隨團(tuán)聚體粒徑降低，喀斯特山區(qū)不同土地利用方式團(tuán)聚體有機(jī)碳、活性有機(jī)碳均以0～0.25 mm 團(tuán)聚體中含量最高；邱曉蕾等[18]則研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳在微團(tuán)聚體中富集明顯。

不同粒徑團(tuán)聚體對有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率，與團(tuán)聚體含量分布情況相似。雖然三者含量在小粒徑團(tuán)聚體中含量最高，但由于研究區(qū)土壤大粒徑團(tuán)聚體含量占絕對優(yōu)勢，使大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于小團(tuán)聚體。任榮秀[19]等研究表明，土壤有機(jī)碳儲量主要集中在大團(tuán)聚體中。Six J 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳盡管在微團(tuán)聚體中能夠穩(wěn)定較長時間而獲得累積，但因0～0.25 mm 團(tuán)聚體在土壤中比例十分低，其對有機(jī)碳和活性有機(jī)碳貢獻(xiàn)率僅有6%和4%。

在同一采樣點(diǎn)，常綠闊葉林各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、易氧化有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量基本都高于杉木林相同粒徑團(tuán)聚體；柳杉林各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳含量大多高于針闊混交林相同粒徑團(tuán)聚體。對比前期實(shí)驗(yàn)分析，土壤有機(jī)碳及其組分在全土中含量高的林分，各粒徑團(tuán)聚體含量也相比較高。這說明林分類型是影響土壤有機(jī)碳及團(tuán)聚體有機(jī)碳含量的重要因素。王峰等[21]研究表明，不同土壤類型茶園團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在顯著差異，并與土壤有機(jī)碳變化趨勢一致；李娟等[17]研究發(fā)現(xiàn)，隨著土壤有機(jī)碳增加，各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量總體呈增加趨勢，且土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳表現(xiàn)出較高的正相關(guān)關(guān)系。盡管柳杉林土壤有機(jī)碳含量較高，但針闊混交林團(tuán)聚體易氧化有機(jī)碳含量均高于柳杉林相同粒徑，這可能由于柳杉林凋落物中含有較多難分解的蠟質(zhì)和角質(zhì)等成分[22]，土壤有機(jī)碳活性降低，導(dǎo)致易氧化有機(jī)碳也較低?？梢?，本研究在相同氣候和立地條件下，由于不同林分類型的喬木樹種組成和林下植被特征不同以及其生物學(xué)和生態(tài)學(xué)特性不同，導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)輸入輸出的差異，使土壤物理性狀和微生物活性也不同，從而影響土壤有機(jī)碳及其組分在團(tuán)聚體中的分布[23-24]。

由于土壤團(tuán)聚體內(nèi)部有機(jī)碳組分含量不同，加之不同粒徑團(tuán)聚體對有機(jī)碳保護(hù)能力的差異，造成團(tuán)聚體有機(jī)碳整體穩(wěn)定性也不同，這將對森林土壤碳匯功能產(chǎn)生重要影響[21]。本研究4 種林分易氧化有機(jī)碳/有機(jī)碳的比值、穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳/有機(jī)碳的比值呈現(xiàn)的變化趨勢，表明隨著團(tuán)聚體粒徑減小研究區(qū)土壤有機(jī)碳整體穩(wěn)定性增強(qiáng)、活性降低。土壤有機(jī)碳具有高度異質(zhì)、動態(tài)變化、影響因素復(fù)雜性等特點(diǎn)，受林分類型、土壤及生物活性等諸多因素相互協(xié)同影響[25]。研究認(rèn)為，大粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳包括根系、碳水化合物、菌絲等主，以物理保護(hù)為主，其周轉(zhuǎn)快、變異性大、穩(wěn)定性差[26]；而小粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳是以黏粒結(jié)合的腐殖質(zhì)（穩(wěn)定態(tài)有機(jī)碳）為主，主要靠化學(xué)保護(hù)為主，其分解慢、穩(wěn)定性好，利于長期儲存[27]。