杉阔异龄复层林对土壤团聚体稳定性和有机碳及养分储量的影响

徐海东，苑海静，熊 静，虞木奎，成向荣＊

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所，浙江 杭州 311400；2.南京林业大学，江苏 南京 210037)

杉木（Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.）是我国亚热带地区的主要造林树种之一，杉木人工林约占我国人工林面积的18%以及世界人工林面积的5%[1]。长期以来，杉木人工林采取纯林、短轮伐期和皆伐等经营方式，导致林分生产力和土壤质量不断降低，严重影响人工林生态系统稳定性，将杉木纯林改造为混交林，尤其是构建异龄复层林，被认为是解决当前杉木人工纯林面临的主要问题，以及实现可持续发展的有效途径[2]。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其组分和稳定性在一定程度上反应了土壤持水性能和养分循环等能力的高低[3]，其中，水稳性团聚体（WSA）组分和稳定性会显著影响土壤结构与功能，团聚体稳定性越强，土壤对抗地表径流和土壤侵蚀的能力越强，有利于降低水土流失，提高土壤肥力[4]。另外，团聚体良好的固碳作用可以减少CO2排放，有效缓解温室效应。目前，对团聚体稳定性影响的研究多集中于草地和农田生态系统，而对森林经营管理方式，如营造异龄复层林对团聚体稳定性影响的研究相对较少[5-6]。研究异龄复层林土壤团聚体组分、稳定性及土壤碳储量的变化，对改善人工林土壤水土保肥能力和促进土壤碳固持具有重要意义。土壤碳氮磷元素既是维持生态系统养分循环的主要元素，也是表征林地土壤质量和肥力的首要指标[7]。土壤碳氮磷储量在森林生态系统总碳氮磷储量中占有较大比例，而目前关于杉阔混交林对土壤碳氮磷储量的影响研究存在分歧。有研究报道，杉阔混交林可以增加土壤有机碳及养分储量[8]；但也有研究发现，杉阔混交林对有机碳储量及养分储量无显著影响，甚至会降低有机碳储量[9]。土壤钙镁元素是植物生长发育必需的中量营养元素，是团聚体形成的良好胶结剂[10]。在间伐后的杉木人工纯林内引入耐荫树种，构建杉木异龄复层混交林，已成为近年来低质低效杉木人工林结构优化和质量提升的主要措施之一；但现有研究主要集中在同龄混交林，异龄复层混交林在林分结构上与同龄混交林有较大差异，关于杉阔异龄复层林对土壤团聚体有机碳及养分含量和储量的影响鲜见报道。

本文选取浙江省开化县林场杉木纯林内引入的不同阔叶树种构建的杉阔异龄复层林为研究对象，以杉木纯林为对照，测定杉阔异龄复层林全土以及土壤团聚体碳氮磷钙镁含量和不同粒级团聚体组分，探讨构建异龄复层林对土壤全土和团聚体碳氮磷钙镁储量和水稳性团聚体稳定性的影响机制，评价杉阔异龄复层林（以下简称复层林）生态系统土壤稳定性、有机碳及养分储量潜力，并筛选高效的复层林配置模式，以期为杉木人工林可持续经营、土壤质量提升及构建健康土壤生态系统提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于浙江省开化县林场（钱塘江源头重要区域）（29° 09′ N, 118° 25′ E），试验地属浙西中山丘陵地带，气候属亚热带季风气候，年平均气温16.4℃，年平均降水量1 814 mm，无霜期252 d，年日照总时数1 334 h，土壤类型主要以红黄壤为主。

供试杉木林分为1996 年春季造林，初植密度2 500 株·hm-2，2006 年进行1 次抚育间伐，目前保留密度1 358 株·hm-2。2011 年春季在杉木林下块状种植蚊母树（Distylium racemosum Sieb.et Zucc.）、紫楠（Phoebe sheareri (Hemsl.) Gamble）、杨桐（Adinandra millettii (Hook.et Arn.) Benth.et Hook.f.ex Hance）、红茴香（Illicium henryi Diels.），其中，灌木树种（蚊母、杨桐）栽植密度3 000株·hm-2，乔木树种（紫楠、红茴香）栽植密度2 500 株·hm-2，各树种栽植面积约0.5 hm2。每个区块内树种生长势基本一致，2018 年5 月在上述4 个复层林和杉木纯林样地内随机构建3 个20 m×15 m 的小样方，样地基本情况见表1。

1.2 样品采集与测定

2018 年5 月在各林分的临时样方内采集凋落物和土壤样品。在每个样方内，按“S”形设置5 个1 m×1 m 的小样方收集地表凋落物，随后将凋落物样方土壤表面的植被小心铲除，采集0～20 cm新鲜表层土。每个样方内收集的凋落物和土壤样品分别混合成一个混合样品，共计15 个凋落物样品和15 个土壤样品，随后立即将土壤样品用硬质塑料盒运回实验室，在阴凉处自然风干，并去除动植物残体等。所取土壤样品分为两部分，一部分自然风干后测量完整全土（完整表层土）有机碳及养分含量；另一部分原状土在风干过程中沿其自然结构面掰开并过8 mm 筛，继续风干后采用湿筛法进行团聚体粒径分组[11]：称取50 g 风干土样，在纯水中浸润10 min，再用XDB0601 型土壤团聚体分析仪（北京新地标土壤设备有限公司生产）进行筛分，筛分需通过一套3 个筛子（5、2、0.25 mm），在纯水环境中进行5 min 湿筛（振幅3 cm，频率30 次·min-1），得 到＞5 mm 粒 径 水 稳 性 团 聚 体（WSA＞5mm）、2～5 mm 粒 径 水 稳 性 团 聚 体（WSA2～5mm）、0.25～2 mm 粒径水稳性团聚体（WSA0.25～2mm）及＜0.25 mm 粒径水稳性团聚体（WSA＜0.25mm）。将收集的凋落物在65℃烘箱烘干，不同粒级团聚体在4℃冰箱冻干，用于计算凋落物干质量及水稳性团聚体各组分的质量分数，然后分别测定各粒径团聚体有机碳及养分含量，土壤容重采用环刀法测定（容积100 cm3环刀）。

表1 样地基本情况Table 1 Basic overview of the plots studied

土壤和团聚体碳氮磷钙镁含量分别采用重铬酸钾氧化-外加热法、Foss 凯氏定氮仪、酸溶-钼锑抗比色法、原子吸收分光光度计法测量[12]，经过多次实验仅测得钙镁元素中镁元素含量，鉴于镁元素是重要的营养元素，本文也予以分析。

1.3 数据处理

采用SPSS 23.0 软件对数据进行整理和统计分析，用LSD 法进行不同处理间全土有机碳及养分含量和储量、团聚体粒级百分含量、团聚体稳定性指标和同一处理下不同粒级团聚体有机碳及养分含量和储量差异显著性检验（P＜0.05）。利用R 语言（v3.5.1）中“mvpart”包进行多元回归树（MRT）分析，分析环境变量（包括不同粒级水稳性团聚体百分含量、全土和团聚体碳氮磷镁含量以及pH 等）对全土和团聚体碳氮磷镁储量以及平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）影响的重要性排序。此外，利用“FactoMineR”包进行主成分分析（PCA），分析复层林和纯林对全土和团聚体理化性质的影响。图表中数据均以平均值±标准误表示。

选取MWD、GMD 和团聚体分形维数（D）作为土壤团聚体稳定性的评价指标，其计算公式[13]为：

式（1～3）中：xi为任一粒级范围内团聚体的平均直径（mm）；wi为不同土壤粒级团聚体占总团聚体的比例（以小数表示）。M（r＜xi）为直径小于xi的团聚体质量（g），Mt为团聚体总质量（g），xmax为团聚体的最大直径（mm）。

土壤全土和团聚体碳氮磷镁储量计算公式[14]如下：

式中：SOCBS、TNBS、TPBS和MgBS分别为全土有机碳、总氮、总磷以及镁储量（t·hm-2）；SOCB、TNB、TPB和MgB分别为全土有机碳、总氮、总磷以及镁含量（g·kg-1）；SOCAS、TNAS、TPAS和MgAS分别为团聚体有机碳储量、总氮储量、总磷储量及镁储量（t·hm-2）；SOCA、TNA、TPA和MgA分别为团聚体有机碳、总氮、总磷及镁 含 量（g·kg-1）；BD 为 土 壤 容 重（g·cm-3）；d 为土壤厚度（cm）；wi为不同粒级团聚体占总团聚体的质量比例（以小数表示）；0.1 为单位转换系数。

2 结果与分析

2.1 土壤水稳性团聚体分布及稳定性

杉木复层林和纯林土壤水稳性团聚体的分布模式一致（表2），均表现为：WSA＜0.25mm＞，其中，WSA＜0.25mm占比最高（52.8%～59.4%）(表2）。土壤同一粒级团聚体百分含量在不同杉木复层林之间差异较小，其中，杉木+紫楠、杉木+杨桐和杉木+红茴香之间差异不显著（ P＞ 0.05）；但与杉木纯林相比，杉木复层林WSA＜0.25mm均降低，而WSA2～5mm和WSA＞5mm均增加，其中，WSA＞5mm增加显著（ P＜ 0.05）。

杉木复层林土壤平均质量直径（MWD）与几何平均直径（GMD）均显著大于杉木纯林，团聚体分形维数（D）均显著小于杉木纯林（P＜0.05）。不同杉木复层林之间土壤平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和团聚体分形维数（D）差异均不显著（P＞0.05），其中，杉木+紫楠复层林土壤平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）最大，团聚体分形维数（D）最小。

表2 复层林土壤水稳性团聚体含量及稳定性Table 2 The contents and stability of water-stable aggregate in uneven-aged mixed and monoculture plantations

2.2 全土碳氮磷镁储量分布

本文碳氮磷镁含量和储量分布趋势较一致，因此仅阐述有机碳及养分储量的分布。从图1 可以看出：杉木复层林有机碳（SOC）和总氮（TN）储量均显著高于杉木纯林（ P＜ 0.05），杉木复层林土壤有机碳（SOC）增加了39.4%～104.3%，总氮（TN）储量分别增加了3.2%～36.1%，杉木+杨桐和杉木+红茴香复层林土壤有机碳（SOC）显著高于其它配置模式；杉木+紫楠复层林土壤总磷（TP）储量显著高于杉木纯林（增加28.1%）；杉木+紫楠复层林土壤镁（Mg）储量显著高于杉木纯林（ P＜ 0.05），而其余复层林土壤镁（Mg）储量与杉木纯林没有显著差异（ P＞ 0.05）。

2.3 团聚体碳氮磷镁储量分布

杉木复层林土壤水稳性团聚体内碳氮磷镁储量总体高于杉木纯林（图2）。杉木复层林土壤不同粒径团聚体内有机碳（SOC）、总氮（TN）储量大小均为（WSA＞5 mm、WSA2～5 mm）＞WSA0.25～2 mm＞WSA＜0.25mm（P＜0.05），杉木复层林土壤同一粒级团聚体内有机碳（SOC）、总氮（TN）储量分布一致，整体表现为：杉木+红茴香、杉木+杨桐＞杉木+紫楠＞杉木+蚊母＞杉木。不同粒级团聚体中总磷（TP）、镁（Mg）储量整体差异较小。杉木+杨桐复层林WSA＞5mm中总磷（TP）储量显著高于其它复层林（ P＜ 0.05），杉木+紫楠复层林WSA2～5mm和WSA0.25～2mm中总磷（TP）储量均高于杉木纯林及其它复层林。除WSA2～5mm外，仅杉木+紫楠复层林土壤镁（Mg）储量显著高于杉木纯林及其它复层林（P＜0.05）。

2.4 土壤理化因子对碳氮磷镁储量及团聚体稳定性的影响

多元回归树（MRT）分析发现，＞5 mm 粒径团聚体有机碳（SOCA＞5mm）含量作为划分土壤碳氮磷镁储量的第1 个分支节点，其解释率高达72.90%，其 次 是2～5 mm 粒 径 团 聚 体 总 氮（TNA2～5mm）含量，解释率为12.94%，pH 的解释率为8.30%（图3A）。WSA＞5mm、pH 和2～5 mm 粒径团聚体有机碳（SOCA2～5mm）含量分别是划分土壤平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和团聚体分形维数（D）的前3 个重要分支节点（图3B），解释率分别为57.53%、18.29%和5.68%，总体上MRT 拟合效果较好，图3A 和图3B 中总解释率分别为94.14%和81.50%。

2.5 复层林和纯林对土壤理化性质的影响

图1 全土碳氮磷镁储量分布Fig.1 The stocks of SOC, TN, TP and Mg in bulk soil

图2 水稳性团聚体碳氮磷镁储量分布Fig.2 The stocks of SOC, TN, TP and Mg in water stable aggregates

经主成分分析（PCA），图4A 前2 个主成分的解释率高达78.3%，全土和团聚体中相应元素储量相关性紧密，杉木复层林与纯林之间土壤有机碳及养分储量差异较大，土壤碳氮储量与磷镁储量差异也较大，复层林对土壤有机碳及养分储量影响较大，其中，土壤碳氮储量集中分布在杉木+红茴香复层林样地，土壤磷镁储量主要分布在杉木+紫楠复层林样地；图4B 前2 个主成分的解释率达到71.3%，不同粒径团聚体百分含量显著分离，土壤平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）和WSA＞5mm具有较强的正相关，pH、平均质量量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）以及WSA＞5mm集中分布在杉木+紫楠复层林样地。

图3 全土和团聚体碳氮磷镁储量及团聚体稳定性与环境因子的多元回归树分析Fig.3 Multivariate regression tree analysis of the SOC, TN, TP and Mg stocks in bulk soil and soil aggregates,soil aggregate stability index and environmental factors.

图4 复层林和纯林全土及团聚体理化性质的主成分分析Fig.4 Principal component analysis of soil and soil aggregates physical and chemical properties in uneven-aged mixed and monoculture plantations

3 讨论

水稳性团聚体粒级占比分配在土壤养分循环中具有重要作用，而团聚体粒级分布的影响因素主要包括物理因素（土壤类型、雨水侵蚀等）和化学因素（养分输入、有机胶体）[15]。有研究表明，亚热带针阔混交林中0～20 cm 土层大团聚体含量高于微团聚体[34]。本研究发现，0～20 cm 土层微团聚体含量高于大团聚体，这可能与土壤类型有关[16]，本研究区土壤以黄红壤为主，而前者以紫色土为主。试验区杉木复层林土壤的大团聚体高于杉木纯林，这可能与杉阔混交林增加了地表凋落物质量有关。本研究发现，杉木复层林凋落物生物量显著高于杉木纯林，凋落物生物量的增加可以有效降低雨水以及地表径流对表层土壤的侵蚀，从而减少对大团聚体的破坏[17]。此外，土壤平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）越大表示团聚体的稳定性越强，而团聚体分形维数（D）却相反[18]。作者研究发现，杉木复层林土壤平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）均大于杉木纯林，团聚体分形维数（D）则相反。通过多元回归（MRT）分析发现，团聚体稳定性指数最重要的影响因子是＞5 mm 粒径水稳性团聚体（WSA＞5mm），这与谢贤健等[19]的研究结果类似，即土壤团聚体组成中大粒径的比例越高，对团聚体稳定性影响越大。有研究报道，pH 的降低会导致土壤团聚作用降低，尤其影响大团聚的形成[19]，本文也发现，pH 显著影响团聚体稳定性，因为复层林构建提高了土壤pH值，这在一定程度上增加了大团聚体含量，间接地提高了团聚体稳定性。此外，复层林凋落物的增加会导致土壤中有机质的大量输入，有机质也可促进土壤颗粒之间的胶结作用，最终提高团聚体整体稳定性[20]。作者发现，2～5 mm 粒径团聚体有机碳（SOCA2～5mm）含量对团聚体稳定性起着重要作用，说明大团聚体碳含量可能比全土碳含量更能指示团聚体稳定性。

土壤碳、氮、磷和镁储量主要取决于这4 种元素输入和输出，而地表凋落物是碳、氮、磷和镁元素的主要来源[21]。杉阔混合凋落物促进了混交林中杉木凋落物的分解速率，使得更多有机质输入到土壤，而杉木纯林凋落物难以分解，养分归还量低于混交林[22]，这可能是本文杉木复层林土壤碳氮储量显著高于杉木纯林的主要原因。基于MRT 分析发现，全土和团聚体碳氮磷镁储量主要受＞5 mm 粒径团聚体有机碳（SOCA＞5mm）含量的影响，而2～5 mm 粒径团聚体总氮（TNA2～5mm）含量对土壤有机碳及养分储量也有重要影响，说明相比磷镁元素以及其余粒径团聚体，大团聚体碳氮含量对土壤碳氮磷镁储量影响更大，而团聚体对土壤碳氮的保护作用是土壤碳氮稳定的重要机制，团聚体的包裹可减少碳氮与胞外酶的接触，并限制微生物与底物的接触[23]，相应的大颗粒团聚体可以固持更多碳氮，这有利于减少有机碳氮矿化及温室气体的大量排放。本研究发现，杉阔复层林团聚体碳氮储量显著高于纯林，并且＞5 mm（WSA＞5mm）、2～5 mm粒径水稳性团聚体（WSA2～5mm）有机碳（SOC）和总氮（TN）储量高于其它粒级，说明杉阔异龄混交可以固持更多碳氮，并提高土壤碳氮的稳定性。土壤磷元素是影响亚热带地区森林生态系统生产力的重要限制因子[24]，范静[25]研究发现，亚热带地区（福建和湖南）杉阔混交林和杉木纯林非根际土壤总磷（TP）含量无显著差异。本研究发现，复层林（除杉木+紫楠外）总磷（TP）储量与杉木纯林差异不显著，这可能与该地区普遍缺磷有关[24]。土壤镁（Mg）是植物必需的中量营养元素，本研究发现，杉木+紫楠复层林土壤镁（Mg）储量高于杉木纯林，这在一定程度上也可能会促进团聚体稳定性；但张昌顺[26]研究表明，杉竹混交林土壤镁（Mg）含量显著低于杉木纯林和毛竹（Phyllostachys edulis (Carrière) J.Houz.）纯林，这些不同的结果可能与树种类型和土壤差异有关。

杉木复层林不同混交树种对林地全土以及团聚体碳和养分储量产生的影响不同，乔木阔叶树种较灌木树种对土壤理化性质的影响更大，其中，杉木+红茴香复层林显著影响土壤碳氮储量，杉木+紫楠复层林对土壤磷镁储量以及平均质量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）稳定性指数的影响较大。于海艳等[27]调查发现，油松（Pinus tabuliformis Carr.）、元宝枫（Acer truncatum Bunge）以及华山松（P.armandii Franch.）纯林土壤团聚体稳定性高于侧柏（Platycladus orientalis(L.) Franco）+刺槐（Robinia pseudoacacia L.）混交林，而本研究则得出相反结论，因为本研究选择的阔叶树种凋落物生物量都较大，尤其乔木阔叶树种紫楠和红茴香凋落物生物量更高，凋落物有机质的输入及林木之间复杂根系的穿插都有利于团聚体稳定性的提高，而侧柏、刺槐的叶和根生物量较小，对雨水侵蚀的阻挡作用较弱，从而不利于表层团聚体稳定性的提高。白秀梅等[28]研究发现，灌木林土壤平均质量直径（MWD）高于乔木阔叶树种；而本研究发现，乔木阔叶树种与杉木混交后土壤稳定性普遍高于灌木与乔木混交林分，说明针叶与乔阔混交协同促进作用可能强于针叶与灌阔混交。此外，徐芷君等[29]研究表明，马尾松（P.massoniana Lamb.）+木荷（Schima superba Gardn.et Champ.）混交林能显著提高土壤有机碳储量，而湿地松（P.elliottii Englem.）+木荷混交林却无显著影响，2 种混交模式均对土壤碳储量具有显著影响，但对磷储量却无显著影响。本研究发现，杉木+红茴香复层林能显著影响土壤碳氮储量，对土壤磷镁储量影响较小，而杉木+紫楠复层林显著影响磷镁储量，但对碳氮储量影响较弱，这可能与不同树种的功能特性和复层林树种种间关系有关，还有待进一步深入研究。

4 结论

与杉木纯林相比，杉阔复层林对土壤团聚体组分的整体分布无影响，但显著增加＞5 mm 粒径水稳性团聚体（WSA＞5mm）百分含量，提高了土壤团聚体稳定性。多元回归树（MRT）分析发现，WSA＞5mm含量、pH 值以及2～5 mm 粒径团聚体有机碳（SOCA2～5mm）含量是影响复层林团聚体稳定性的重要因子。土壤＞5 mm 粒径团聚体有机 碳（SOCA＞5mm）、2～5 mm 粒 径 团 聚 体 总 氮（TNA2～5mm）含量和pH 值是影响复层林土壤有机碳及养分储量的重要因素。复层林混交树种组成对土壤团聚体稳定性以及有机碳和养分储量有显著影响，尤其杉木林下引入乔木阔叶树种（杉木+紫楠和杉木+红茴香）构建的复层林，更有利于土壤有机碳和养分积累以及提高土壤团聚体稳定性。