渭北黃土丘陵區人工林類型對土壤屬性的影響①

董莉麗，寇 萌

渭北黃土丘陵區人工林類型對土壤屬性的影響①

董莉麗，寇 萌

(咸陽師范學院資源環境與歷史文化學院，陜西咸陽 712000)

為了研究渭北黃土丘陵區人工林類型對土壤屬性的影響，選取位于同一坡面上的刺槐純林、油松純林和蘋果園土壤為研究對象，分析了土壤結構穩定性，土壤有機碳、無機碳和土壤呼吸等土壤屬性在3種人工林土壤剖面的變化特征，并探討了土壤有機碳和無機碳在水穩性團聚體形成中的作用。結果表明：3種人工林土壤團聚體破碎率均較高，各團聚體水穩性指標值、土壤有機碳含量、土壤呼吸在3個樣地的順序均為油松林>刺槐林>蘋果園，土壤無機碳含量的順序為刺槐林>蘋果園>油松林。土壤有機碳和無機碳含量之間呈負相關關系，且二者分別與團聚體水穩性呈正相關和負相關關系，但同時，無機碳含量存在一個閾值，當低于或高于這一閾值時，其含量與團聚體水穩性分別呈正相關或負相關關系，因此，當無機碳含量較高時，應降低其含量，并提高土壤有機碳含量，以改善土壤結構，降低土壤遭受侵蝕的風險；土壤結構穩定性各指標之間及其與土壤有機碳含量和土壤呼吸呈極顯著正相關關系?？梢?，人工林類型顯著影響各項土壤屬性，油松林在提高土壤質量方面的作用大于刺槐林。

土壤團聚體水穩性；土壤碳；人工林類型；黃土丘陵區

我國廣泛開展的退耕還林還草等生態建設工作，在防治土壤侵蝕，提高土壤有機碳儲量，進而改善土壤質量等方面起到重要作用。土壤結構和有機碳是對土壤管理極其敏感的兩個重要屬性[1]，且二者之間的相互作用又與土壤碳庫功能密切相關。土壤團聚體水穩定性與土壤抗蝕性密切相關，可用于表征土壤結構的穩定性[2]。黃土高原地區土壤中的水穩性團聚體在保持土壤肥力、減少水土流失等方面有重要作用[3]。例如，李娟等[4]研究認為土壤水穩性大團聚體(>0.25 mm團聚體)含量越高，則土壤結構越穩定，土壤越能抵抗水力侵蝕。王文鑫等[5]研究認為土壤可蝕性值與水穩性團聚體平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)呈極顯著負相關關系，而與團聚體分形維數()和團聚體破碎率(PAD)呈極顯著正相關關系。有關該地區土壤團聚體水穩性及土壤碳含量的研究主要集中在不同土地利用類型[4]、植被類型及植被恢復年限[5-7]、植被帶[8]等的影響方面。比如，李柏橋等[6]研究認為退耕還林還草可增加土壤大團聚體的數量。另外，有學者就團聚體穩定性與土壤碳含量之間的關系開展了相關研究。例如：石宗琳等[7]研究認為果園土壤團聚體的農藝質量顯著退化與有機碳和碳酸鈣含量的遞減有直接關系，并認為碳酸鈣對土壤結構水穩性起重要作用，而有機碳不是水穩性團聚體的主要膠結劑。郭玉文等[9]研究認為黃土顆粒間分布著大量碳酸鈣，起到顆粒間膠結物的作用。Kumar 等[1]也認為鈣有利于有機膠體和黏土顆粒之間的膠結作用。而王文鑫等[5]認為有機碳含量的增加對團聚體形成和穩定性起著重要的作用。耿韌等[10]研究也認為農地、草地和林地團聚體穩定性均受土壤有機碳的顯著影響。這些研究有助于人們理解和評價植被恢復措施和年限對土壤碳含量和土壤結構穩定性的影響，并有利于人們進一步認識土壤結構穩定性與土壤碳含量的關系。

陜西省禮泉縣北部的叱干鎮位于黃土高原丘陵溝壑區南部，擁有大面積的人工刺槐()純林和較小面積油松()純林。另外，該區域大部分農田已被蘋果()園等經濟林取代[7]。有關油松和刺槐林土壤特征的對比研究主要集中在土壤養分[11]、水分特征[12]、生產力及生態化學計量特征[13-14]、土壤微生物群落結構[15]及土壤微團聚體分形特征[16]等方面。但有關本研究區刺槐林、油松林和蘋果園土壤剖面不同土層土壤結構水穩性及其與土壤碳含量的關系研究鮮見報道。本研究分析土壤團聚體水穩性各指標及土壤有機碳、無機碳和土壤呼吸等在土壤剖面不同土層和同一土層不同人工林類型下的變化特征，重點探討團聚體水穩性與土壤碳含量的關系，以期進一步認識土壤結構的穩定性影響因素，并為在該區域植被重建過程中，樹種的選擇及不同樹種所產生的生態環境效益評價等工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區及樣地概況

研究區位于陜西省咸陽市禮泉縣北部的黃土丘陵區。禮泉縣地處關中平原北部，屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫12.96℃，無霜期214 d，年平均降水量537 ～ 546 mm，海拔在402 ～ 1 467 m。禮泉縣早在20世紀60年代，在其北部的南坊鎮和叱干鎮栽植五萬多畝的刺槐林，并在1999年，成為我國首批退耕還林試點縣之一。本文選擇位于同一個坡面(108°27′ E，34°43′ N)上的兩種生態林即刺槐()和油松()林，一種經濟林即蘋果()園為研究樣地，樣地海拔從高到低依次分布著油松林、刺槐林和蘋果園，其平均胸徑分別為15.42、12.73和12.98 cm，其中，刺槐林在20世紀90年代進行過間伐，目前現存的為二代樹，3個人工林樣地表層土壤pH分別為7.97、8.33和8.42，土壤類型均為鈣積褐土。

1.2 樣品采集與分析

每個樣地選擇3個樣方，在每個樣方挖取土壤剖面，按10 cm分層采集土壤樣品，將每個樣方土壤剖面相同土層的土壤樣品混合，利用四分法獲得每個樣地不同土層的土壤樣品。將所有樣品帶回實驗室后，室內風干，去除雜質。將一部分土壤樣品干篩，得到>10、7 ～ 10、5 ～ 7、2 ～ 5、1.2 ～ 2、<1.2 mm的機械穩定性團聚體樣品；另一部分經研磨，獲得過0.25 mm和1 mm篩的土壤樣品。過0.25 mm篩的土壤樣品用于測定土壤有機碳含量，過1 mm篩的土壤樣品用于測定土壤碳酸鈣含量和24 h土壤呼吸量。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀–濃硫酸氧化法[17]；土壤碳酸鈣含量采用氣量法測定，數值乘以0.12，即為無機碳含量[18]；土壤呼吸采用靜態堿液吸收法[19]。

土壤水穩性團聚體的測定：稱取2 ～ 5 mm的干篩團聚體樣品5 ～ 10 g，輕輕放入200 ml燒杯中，用洗瓶沿燒杯壁緩慢注入約50 ml蒸餾水，靜置30 min后，用裝有酒精的洗瓶將土壤樣品沖洗到孔徑為0.05 mm的篩子中，并輕輕晃動篩子約2 min后，再將篩子上的土壤用酒精沖入燒杯中，放在50℃的烘箱中靜置24 h后，過孔徑為2、1、0.5、0.2、0.1 mm的套篩，并稱重，最終得到不同大小的水穩性團聚體質量占比。

1.3 數據處理與分析

土壤水穩性團聚體分形維數的計算公式[20]如下：

土壤團聚體平均質量直徑 (MWD)和幾何平均直徑(GMD)由以下公式計算：

土壤團聚體的破碎率(PAD)由以下公式計算：

PAD=(MWD_dry–MWD)/MWD_dry(4)

式中：MWD為水穩性團聚體平均質量直徑；MWD_dry為機械穩定性團聚體平均質量直徑。

土壤水穩性團聚體的偏倚系數(C)和峰凸系數(C)的計算方法及其意義見參考文獻[21]。

本文數據采用 Microsoft Excel 2007軟件進行計算和處理；利用SigmaPlot10.0繪制土壤屬性圖；利用R語言繪制散點圖矩陣[22]；運用 SPSS16.0進行獨立樣本t 檢驗和單因素方差分析，采用最小顯著差異法對同一土層不同樣地和同一樣地不同土層各土壤屬性進行多重比較，顯著性水平為<0.05。

2 結果

2.1 土壤團聚體水穩性特征

當土壤水穩性團聚體的偏倚系數C>0 時，表明土壤較大直徑團聚體較多；C<0 時，則直徑較小的團聚體數量較多。當土壤水穩性團聚體的峰凸系數C>0 時，表明土壤團聚體組成相對集中；當C<0則土壤中各級別團聚體含量相對均衡[21]。由圖1可知，C值在油松林的30 ～ 40、40 ～ 50、50 ～ 60和70 ～ 80 cm土層為正值，表明在油松林這4個土層中，直徑較大的水穩性團聚體數量較多；C值在刺槐林和蘋果園土壤剖面所有土層均為負值，表明這些土壤團聚體水穩性差，在快速濕潤條件下，大團聚體遇水分散為較小團聚體。C值僅在油松林的70 ～ 80 cm土層為正值，表明在該土層中直徑較大的水穩性團聚體較多，且分布相對集中。

根據公式(1)，通過線性擬合的方法，可計算出土壤水穩性團聚體的分形維數()，結果見圖1。在刺槐林、油松林和蘋果園，線性擬合的相關系數分別在0.87 ～ 0.94、0.93 ～ 0.97、0.84 ～ 0.89，且線性相關均顯著，表明利用線性擬合的方法得到的值可信。刺槐林、油松林和蘋果園的值分別在2.86 ～ 2.90、2.71 ～ 2.76、2.90 ～ 2.94。在所有土層，值均表現為油松林最小，刺槐林次之，蘋果園最大，且差異顯著。值在同一樣地不同土層表現為：刺槐林和蘋果園表層(0 ～ 10 cm)土壤值最小，而油松林的70 ～ 80 cm土層最小，表層最大。

根據公式(2)和(3)，分別計算土壤團聚體MWD和GMD，由圖1可知，刺槐林、油松林和蘋果園不同土層土壤MWD分別在0.18 ～ 0.27、0.35 ～ 0.57、0.11 ～ 0.15 mm；GMD分別在0.09 ～ 0.12、0.17 ～ 0.28、0.07 ～ 0.09 mm。MWD和GMD在各土層的大小順序一致，均為油松林>刺槐林>蘋果園。

根據公式(4)，計算出土壤團聚體破壞率PAD，由圖2可知，PAD在刺槐林、油松林和蘋果園的不同土層分別在93% ～ 97%、83% ～ 95%、94 ～ 98%，平均值分別為95%、89% 和97%。除表層土壤外，PAD在3個樣地均表現為蘋果園>刺槐林>油松林，與值的大小順序一致。PAD 在油松林樣地剖面上表現為隨土層深度的增加而逐漸降低，而在刺槐林和蘋果園樣地，表層最小。

2.2 土壤碳含量

土壤有機碳(SOC)和無機碳(SIC)含量見圖3。由圖3可知，SOC在刺槐林、油松林和蘋果園3個樣地不同土層的含量分別在4.55 ～ 18.00、9.67 ～ 29.02和4.81 ～ 13.10 g/kg，在各土層的大小順序均為油松林>刺槐林>蘋果園；在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為7.40 g/kg和13.76 g/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層的平均值為7.44 g/kg。SOC含量在表層土壤較高，表下層較低。SOC含量在刺槐林和蘋果園表下層土壤之間的差異不顯著。

SIC在刺槐林、油松林和蘋果園3個樣地不同土層的含量分別在23.29 ～ 27.69、4.11 ～ 11.88和14.81 ～ 16.92 g/kg，在各土層的大小順序均為刺槐林>蘋果園>油松林；在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為26.04 g/kg和8.83 g/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層平均值為15.84 g/kg。差異顯著性分析表明，SIC含量在同一土層不同樣地之間的差異均顯著。SIC含量在剖面上基本表現為隨土層深度的加深而逐漸增加的趨勢。

2.3 土壤呼吸

由圖3可知，24 h土壤呼吸(SR)量在刺槐林、油松林和蘋果園3個樣地不同土層分別為34.75 ～ 132.25、52.67 ～ 164.42、41.84 ～ 127.68 ml/kg，SR在刺槐林和油松林0 ～ 80 cm土層的平均值分別為59.39 ml/kg和90.55 ml/kg，在蘋果園0 ～ 50 cm土層的平均值為69.16 ml/kg。SR在刺槐林和蘋果園之間差異不顯著。

圖1 土壤團聚體水穩性參數

圖2 團聚體破壞率(%)

2.4 各指標間的相關性

利用R基礎繪圖系統中的pairs( )函數繪制各土壤屬性之間的散點圖矩陣，分別見圖4 ～ 圖6。由圖4可以看出，不同粒徑的水穩性團聚體中，0.1 ～ 0.2 mm團聚體質量占比與較大(>0.2 mm)和較小(<0.1 mm)團聚體質量占比相關性較小。較大團聚體質量占比之間呈極顯著正相關關系，相關系數在0.81 ～ 0.94，且均與MWD呈極顯著正相關關系，相關系數在0.89 ～ 0.99。較大團聚體(>0.2 mm)和較小團聚體(<0.1 mm)質量占比之間呈極顯著線性負相關關系。由圖5可以看出，MWD_dry僅與PAD顯著正相關，與其他各指標之間的相關性不顯著。值與PAD呈線性正相關關系(0.90)，二者與MWD、GMD、C和C之間均呈顯著負相關關系。MWD、GMD、C、C之間呈極顯著線性正相關關系(相關系數>0.98)，其中，C和C的相關系數為1.00。由圖6可以看出，SOC含量與SR和MWD呈正相關關系，相關系數分別為0.92和0.43，三者與SIC含量均呈負相關關系。

3 討論

3.1 人工林類型對土壤屬性的影響

相對于刺槐林和油松林，蘋果園土壤水穩性團聚體MWD最小，在0.114 ～ 0.153 mm，與郭玉文等[3]研究得出的黃土母質的MWD約為 0.1 mm的結論接近?？梢?，果園土壤團粒結構的穩定性與其母質相似。在土壤剖面各土層內，SOC含量、SR、MWD、GMD、C和C在3種人工林下的大小順序一致，為油松林>刺槐林>蘋果園，而和PAD的變化順序與之相反，為蘋果園>刺槐林>油松林?？梢?，相對于經濟林，生態林建設可顯著提高SOC含量和土壤結構的水穩性。許多學者[5,23-24]研究也都認為在植被恢復過程中，水穩性大團聚體含量增加顯著，MWD顯著升高，土壤結構趨于穩定。在兩種生態林類型中，相對于刺槐林，油松林的生態效益更加明顯。其中，油松林SOC含量顯著大于刺槐林，這一結論與前人[14]的研究結論一致。這主要是由于油松林枯落物中的碳含量大于刺槐林，且分解較慢，有利于養分的積累[13]。Chen 等[25]研究發現，油松林細根生物量大于刺槐林，且細根生物量與SOC含量正相關。Cao等[26]研究發現，油松非結構性碳濃度大于刺槐。油松林土壤結構水穩定性最好，這主要是由于松科植物可向土壤提供更多的有機碳，并可改善土壤的疏水性[27-28]。例如，Mataix- Solera 等[27]研究發現，與其他樹種相比較，地中海松的枯枝落葉中富含蠟質和芳香類物質，因此，可在土壤中產生更多的疏水性物質，而有機碳含量的增加與土壤疏水性物質的增加密切相關。疏水性物質在團聚體的形成和穩定性方面起重要作用[28]。油松林細根生物量大于刺槐林[25]，而細根又有利于水穩性團聚體的形成[29]。人工純林在我國黃土高原地區環境保護和土壤保持方面起重要作用，刺槐由于其廣泛的適應性，而作為最重要的造林樹種[30]。但劉增文等[11]發現油松和刺槐純林都會引起土壤養分降低。而郭寶妮等[16]則認為刺槐林地的肥力狀況和物理性質好于油松林地；魏安琪等[15]也認為，刺槐更能改善土壤微生物狀況；Liu 等[31]在我國亞熱帶嚴重退化的紅壤地區研究發現，土壤微生物生物量碳含量的順序為闊葉林>針闊混交林>針葉林。因此，文中油松林生態效益更加顯著這一結論還需要進一步驗證。

圖4 水穩性團聚體不同粒徑質量占比及MWD散點圖矩陣

圖5 各團聚體穩定性指標的散點圖矩陣

圖6 四個土壤屬性的散點圖矩陣

3.2 土壤碳含量對團聚體水穩性的影響

SOC含量與土壤結構穩定性指標在3種人工林下的變化順序一致，且彼此呈顯著正相關關系。一方面，土壤團聚體是由有機碳與土壤礦物膠結而形成，SOC是大團聚體形成和穩定的最重要因素[32]，增加SOC含量可顯著提高團聚體的穩定性，進而可有效防止土壤侵蝕[5]；另一方面，SOC也受到大團聚體的保護[33]。

SIC含量與MWD關系較復雜(圖7)。由圖7可以看出，SIC在不同的含量區間，表現出與MWD不同的相關性。其中，當SIC含量較低時(在油松林土壤剖面上)，其與MWD呈線性正相關關系；當SIC含量較高時(在刺槐林土壤剖面上)，其與MWD呈線性負相關關系；當SIC含量居中時(在蘋果園土壤剖面上)，其與MWD無相關性。郭玉文等(2004)[3]研究認為，溶解出的Ca2+越多，團粒的MWD越小，導致團粒結構越分散。而其(2008)[9]則認為，碳酸鈣作為微結構中的骨架顆粒，在維持結構穩定性方面發揮著重要作用。因此，本文假設，SIC含量存在某一閾值范圍，當高于該閾值時，在快速濕潤過程中，隨碳酸鈣的溶解，土壤團粒結構隨之破壞；當低于該臨界值時，碳酸鈣可作為土壤團粒膠結劑。郭玉文等2004[3]和2008[9]研究中的供試土壤碳酸鈣的含量分別為26.1% 和13.61%，因此兩篇文章中得出的結論不同，可能與供試土壤碳酸鈣含量不同有關。Wuddivira和Camps-Roach[34]研究發現，在Ca2+濃度為2.7和3.1 cmol/kg的土壤中添加Ca2+會增加水穩性團聚體含量，相反，在Ca2+濃度為13.9 cmol/kg的土壤中添加Ca2+，則會使更多團聚體分散。Virto等[35]也認為，相對于碳酸鹽含量為30% 的土壤，含量為15% 的碳酸鹽在團聚體中起主要膠結作用。另外，石宗琳等[7]也認為，土壤碳酸鈣含量與MWD和GMD呈極顯著正相關關系，而與PAD呈極顯著負相關關系，其供試土壤碳酸鹽含量較低，在4.0% ～ 6.5%。以上研究與本文這一假設相符。這主要是由于碳酸鈣含量較低時，其中的Ca2+可作為鍵橋，將石灰性土壤中黏土礦物與胡敏酸連接起來，形成穩定的土壤團粒結構；但如果碳酸鈣含量較高時，有機碳和黏粒含量相對較少，則過多的碳酸鈣溶解于水，而溶于水的Ca2+有較大的水合半徑，會促使團粒結構破碎[34]。本文中的蘋果園土壤有機碳含量最少，而無機碳含量較多，土壤結構穩定性最差，遇水極易散開，從而具有較大的土壤侵蝕和養分流失的風險。因此，在果園管理中，應多施用有機肥，將團聚體膠結劑由無機碳逐漸改變為有機碳，并利用節水灌溉以減少由于無機碳的淋溶和移動導致的團粒結構的破壞[9]。相對于表下層，表層SOC含量顯著最高，這與表層土壤中有大量的枯枝落葉有關。雖然油松林SOC含量在表層最高，但是，油松林土壤團聚體水穩性在土壤剖面上表現為隨土層深度的增加而增加?？梢?，當表下層SOC含量較低時，碳酸鹽作為土壤團粒的膠結劑，增加了大團聚體穩定性[29]。土壤中的碳酸鈣含量隨土層深度的增加而增加，這主要是由于在降雨的作用下，上部移動的碳酸鈣在下部土層聚集[9]。

圖7 3種人工林下土壤水穩性團聚體MWD和土壤SIC含量的關系

4 結論

人工林類型顯著影響水穩性團聚體構成比例和穩定性。相對刺槐林和蘋果園土壤，油松林土壤剖面不同土層大團聚體含量、MWD、GMD、C、C等土壤團聚體水穩性指標顯著最大，而分形維數值和團聚體破碎率(PAD)最小，各土層土壤團粒結構為良好狀態，且油松林土壤有機碳含量和土壤呼吸也最高。3種人工林類型中，油松林生態效益最顯著，刺槐林居中，而蘋果園土壤有機碳含量最小，團聚體破碎率高，水穩性差，因此應增加果園有機肥的施入。在土壤無機碳含量較高時，會引起黃土丘陵區土壤結構破碎，此時，可通過提高土壤有機碳含量，降低土壤無機碳含量，以改善土壤結構，降低土壤遭受侵蝕的風險；而在油松林下，土壤碳酸鈣含量較低時，其在水穩性團聚體形成中起膠結作用。建議在黃土丘陵區進行植被建設時，選擇種植油松為宜。

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Effects of Artificial Forest Types on Soil Properties in Loess Hilly Area of Weibei of Shaanxi

DONG Lili, KOU Meng

(College of Resources, Environment, History and Culture, Xianyang Normal University, Xianyang, Shaanxi 712000, China)

Thesoils were collected frompure forest,pure forest and apple orchard (Malus pumila) on the same slope, soil structure stability (aggregate composition), organic carbon, inorganic carbon and soil respiration were determined, and then the effects of artificial forest types on soil properties in the loess hilly area of Weibei of Shaanxi and the roles of soil organic and inorganic carbon in the formation of water stable aggregates were discussed.The results showed that disaggregation rates of soil aggregates were high under the three forest types.Water stability indexes of soil aggregates, soil organic carbon and respiration in the three forest types were in the order of>>, soil inorganic carbon was in the order of>>.Negative correlation existed between soil organic carbon and inorganic carbon, and they were positively and negatively correlated with water stability of aggregates respectively.Meanwhile, inorganic carbon had a threshold value, positive or negative correlation with water stability of aggregates existed when it was lower or higher than the threshold value.Therefore, when inorganic carbon is high, measures should be taken to decrease it and increase soil organic carbon for the improvement of soil structure and the alleviation of soil erosion.Significant positive correlations existed among different stability indexes of soil structure and between stability indexes of soil structure with soil organic carbon and respiration.In conclusion, artificial forest type can significantly affect soil properties andis better thanin improving soil quality.

Water stability of soil aggregates; Soil carbon; Type of plantation; Loess hilly region

S714.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.04.023

董莉麗, 寇萌.渭北黃土丘陵區人工林類型對土壤屬性的影響.土壤, 2021, 53(4): 841–849.

國家自然科學基金項目(41907053)、陜西省教育廳科研計劃項目(20JK0971)和咸陽師范學院校級項目(XSYK19027)資助。

董莉麗(1979—)，女，陜西扶風人，博士，副教授，主要從事生態修復與環境效益評價研究。E-mail: 527172621@qq.com