神农架4种典型人工林对土壤团聚体分布及稳定性的影响

胡 琛，贺云龙，崔鸿侠，黄金莲，唐万鹏，马国飞，雷静品，荣道军

（1.中国林业科学研究院林业研究所 国家林业和草原局林木培育重点实验室，北京 100091；2.南京林业大学 南方现代林业协同创新中心，江苏 南京 210037；3.湖北省林业科学研究院，湖北 武汉 430075；4.神农架国家公园管理局，湖北 神农架 442421；5.广东省樟木头林场，广东 东莞 523616）

土壤团聚体作为土壤结构基本构成单元，是矿物颗粒和有机物经过凝聚、胶结等物理作用形成的不同尺度的多孔结构体，是维持土壤结构和保护土壤有机碳的重要物质基础[1-2]。土壤团聚体的大小分布及稳定性会影响土壤肥力、质量、可持续利用、通气性、土壤有机质含量、土壤生物活性等土壤生态功能，也会影响土壤抵抗降雨和径流侵蚀的能力[3-7]。因此，土壤团聚体的大小分布及稳定性常被视为评价土壤肥力和土壤抗蚀能力的重要指标[8-9]。

林分类型是土壤团聚体形成的重要影响因素，凋落物分解和根系生长均会影响土壤结构和肥力[10-12]。白秀梅等[13]对庞泉沟自然保护区典型森林土壤大团聚体特征研究表明：不同林分在土壤团聚体分布和稳定性方面均有差异，针阔混交林和杨桦阔叶林土壤大团聚体含量显著高于华北落叶松林，天然次生林和针阔混交林土壤团聚体稳定性要高于落叶松人工林。聂富育等[14]对四川盆地西缘不同人工林土壤团聚体特征的研究发现，柳杉林、含笑林、桢楠林和麻栎林4 种人工林土壤团聚体分布特征存在明显差异，柳杉林和麻栎林比桢楠林和含笑林更适合用于当地植被恢复。刘艳等[15]对北京地区栓皮栎和油松人工林土壤团聚体稳定性及有机碳特征的研究表明，油松人工林土壤平均质量直径和几何平均直径均显著高于栓皮栎人工林，油松人工林比栓皮栎人工林更利于土壤水稳性团聚体的稳定和土壤有机碳的保护。而黄晓强等[16]对北京山区典型人工林土壤团聚体组成特征的研究表明，在不同植被恢复措施下，侧柏林地的不同径级团聚体和土壤有机碳含量均好于油松林。因此，研究土壤团聚体稳定性有利于深入认识不同人工林林分土壤团聚体形成和土壤养分储存的机制。

神农架地处我国秦巴山地，是亚热带气候向温带气候过渡区域，是全球同纬度地区生物多样性、生态系统类型、生物演化等方面的杰出代表，生态地位十分重要，因而备受关注[17-18]，其中人工林占神农架森林面积30%左右[19]。综合以往有关神农架地区森林生态系统的研究发现，大部分的研究主要集中在常绿落叶阔叶混交林生态系统中[20-22]，并且多以土壤碳储量、温室气体排放、凋落物现存量和养分循环动态等方面为主要研究内容[17,23-24]，而针对人工林土壤团聚体方面的研究还鲜见报道。因此，本研究以神农架落叶松林、华山松林、水杉林和柳杉林4 种典型人工林为研究对象，分析了不同林分土壤团聚体各粒级的分布状况、土壤养分状况、团聚体稳定性指标及其与土壤理化性质的关系，以期研究结果为评价神农架人工林土壤养分特征和水土保持效应提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 样地设置与样品采集

神农架林区（109°56′—110°58′E，31°15′—31°57′N）为神农架的主体，海拔398～3 105.2 m，全年日照时数1 858.3 h，无霜期220 d 左右，年均气温12.2 ℃，1月气温最低，7月气温最高，年均降水量800～2 500 mm。本研究在湖北省神农架生态站人工林样地内进行，该生态站位于神农架林区西南部的神农架国家级自然保护区内（109°56′24″—110°42′36″E，31°18′00″—31°42′00″N）。选取保护区内落叶松Larix gmelinii林、华山松Pinus armandii林、水杉Metasequoia glyptostroboides林和柳杉Cryptomeria fortunei林共4 种具有代表性的人工林为研究对象，林龄大约40 a，土壤类型为山地黄棕壤[17,22]。林下灌草主要有大戟Euphorbia pekinensis、荚蒾Viburnumdilatatum、耧斗菜Aquilegia viridiflora、菝葜Smilax china、孔雀木Dizygotheca elegantissima、蓬蘽Rubus hirsutus、卫矛Euonymus alatus、紫菀Aster tataricus、鸭儿芹Cryptotaenia japonica、毛蕨Cyclosorus interruptus等。各林分基本信息详见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situation of the sample plots

2019年生长季在各林分内以“品”字型分别设置20 m×20 m 的标准样地3 个，间距约50 m。在每个标准样地内选择郁闭度相似的3 个采样点，每个样点画出30 cm×30 cm 的小样方，用铁铲将上层凋落物剥开，取0～10 cm 层的土壤样品，用取样刀整块切下，放于保温箱，避免人为扰动。每个林分所有土壤样品带回实验室，将大块土壤掰成直径1.5 cm 左右的小土块，同时，去除植物的根系和石块。所有样品风干后，相同林分的土壤样品进行混合并分成两部分，一部分用于团聚体分析，一部分经研磨和过筛用于土壤理化性质的测定。

1.2 实验方法

1.2.1 团聚体分析方法

土壤团聚体水稳性的测定使用沙维诺夫法，包括干筛法和湿筛法两部分[25-27]。其中，干筛法用于测定土壤各级粒径团聚体的质量，所用标准筛孔径从大到小依次为10、7、5、3、2、1、0.5、0.25、0.054 mm，依次分离出＞10、10～7、7～5、5～3、3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、0.25～0.054、＜0.054 mm 的团聚体。记录数据后按比例求出湿筛法取50 g所需各级团聚体质量，用于湿筛处理。湿筛法用于测定水稳性团聚体的质量。所用标准筛孔径从大到小依次为5、3、2、1、0.5、0.25 mm。依次分离出5、5～3、3～2、2～1、1～0.5、0.5～0.25、＜0.25 mm 水稳性团聚体。以上实验中，每个林分土壤均做4 个重复。

1.2.2 土壤理化性质测定方法

有机碳的测定采用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮的测定采用凯氏定氮法；pH 值的测定采用pH 值测试仪；容重和孔隙度的测定采用环刀法；取土壤样品加强酸在高温下消解，加硝酸定容，静置，采用电感耦合等离子体质谱仪测定磷、钾、镁、钠。

1.3 数据处理与分析

选取团聚体结构破坏率（r）和平均质量直径（Mean weight diameter，MWD）作为土壤团聚体稳定性的评价指标。其计算方法如下：

式中：n为团聚体粒径分组的组数，i为团聚体各粒径的编号，Xi为每一级别粒径团聚体的平均直径（mm），Wi为每一级别粒径团聚体的质量分数[13,28]。

采用Excel 2019 软件进行数据初步处理；SPSS 25.0 软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）、显著性检验（LSD 法）和相关性分析（Pearson correlation）；Origin 2018软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同林分土壤理化性质

从土壤相关理化性质（图1）可以看出，4 种林分土壤有机碳含量和全氮含量从大到小顺序均为柳杉林、华山松林、落叶松林、水杉林，二者含量在各林分间均差异显著。4 种林分土壤全磷含量从大到小顺序为华山松林、柳杉林、水杉林、落叶松林，其中水杉林和落叶松林差异不显著，其他林分土壤全磷含量差异均显著。4 种林分土壤pH 值从大到小顺序为柳杉林、水杉林、华山松林、落叶松林，其中水杉林和柳杉林差异不显著，其他林分pH 值差异均显著。4 种林分土壤镁含量从大到小顺序为华山松林、柳杉林、落叶松林、水杉林，其中水杉林和落叶松林差异不显著，其他林分土壤镁含量差异均显著。4 种林分土壤钾含量从大到小顺序为华山松林、水杉林、柳杉林、落叶松林，其中华山松林、水杉林、柳杉林差异均不显著，落叶松林与其他林分土壤钾含量差异均显著。4 种分土壤在钠含量、容重和孔隙度方面差异均不显著。

图1 不同林分土壤理化性质Fig.1 Physical and chemical character of soil in different forest stands

2.2 不同林分对土壤风干团聚体分布特征的影响

通过干筛法获得4 种林分风干土壤各粒级团聚体含量（表2）。华山松林和水杉林土壤风干团聚体含量在总体上均随粒径从大到小呈现出减少的趋势，两种林分风干团聚体在＞10、7～5、5～3、3～2、2～1、1～0.5、≤0.25 mm 粒径范围的含量均无显著差异。落叶松林和柳杉林土壤风干团聚体含量在总体上均随粒径从大到小呈现出先增加再减少的趋势，除＞10 mm 粒径的团聚体外，两种林分风干团聚体在其他粒径范围的含量均表现出显著差异，同时在＞10、7～5、5～3、2～1 mm 粒径范围的含量均与华山松林和水杉林呈现显著差异。4 种林分风干团聚体含量在粒径3～2 mm 处均出现了明显下降的情况，在粒径0.25～0.5 mm 处均表现出显著差异。在土壤大团聚体（粒径＞0.25 mm）含量的分布上，落叶松林含量最低，柳杉林含量最高，与柳杉林和华山松林相比，水杉林在该粒径范围的含量无显著差异，4 种林分风干土壤大团聚体含量顺序为柳杉林＞水杉林＞华山松林＞落叶松林。

表2 不同林分土壤风干团聚体组成†Table 2 Soil air-dried aggregates composition in different forest stands

2.3 不同林分对土壤水稳性团聚体分布特征的影响

通过湿筛法获得4 种林分土壤各粒级水稳性团聚体含量（表3）。相比其他3 种林分，柳杉林土壤水稳定性团聚体在5～1 mm 粒径范围的含量最高，除粒径5～3 mm和0.5～0.25 mm团聚体外，柳杉林其他粒径土壤水稳性团聚体含量均与其他3种林分有显著差异。落叶松林和水杉林土壤水稳性团聚体在＞5、3～2 和≤0.25 mm 粒径范围的含量无明显差异，而且二者团聚体含量总体变化趋势相似。华山松林粒径＞5 mm 的团聚体含量明显高于其他林分及该林分其他粒径，占比达48.19%。在土壤水稳性大团聚体（粒径＞0.25 mm）含量的分布上，落叶松林和水杉林无显著差异，二者含量接近，4 种林分土壤水稳性大团聚体含量从大到小顺序为柳杉林、华山松林、落叶松林、水杉林。

表3 不同林分土壤水稳性团聚体组成†Table 3 Soil water-stale aggregates composition in different forest stands

2.4 不同林分土壤团聚体稳定性比较

4 种林分土壤干筛MWD 和湿筛MWD 以及二者的差值（图2）可以表示团聚体的机械稳定性、水稳性和结构稳定性。4 种林分土壤的MWD（干）顺序为水杉林＞华山松林＞柳杉林＞落叶松林，水杉林与华山松林之间无显著差异，落叶松林和柳杉林之间有显著差异，二者与水杉林和华山松林之间都存在显著差异。4种林分土壤的MWD（湿）顺序为华山松林＞柳杉林＞落叶松林＞水杉林，落叶松林与水杉林之间无显著差异，华山松林和柳杉林之间有显著差异，二者与落叶松林和水杉林之间都存在显著差异。4 种林分土壤MWD（干）与MWD（湿）的差值顺序为落叶松林＜柳杉林＜华山松林＜水杉林，4 种林分土壤之间均存在显著差异。

2.5 土壤理化性质与团聚体稳定性指标的相关性分析

图2 不同林分土壤团聚体平均质量直径Fig.2 MWD of soil aggregates in different forest stands

土壤理化性质与土壤团聚体稳定性指标间的相关性分析（表4）表明，土壤有机碳含量和土壤全磷含量均与MWD（湿）和粒径＞0.25 mm 的水稳性大团聚体含量之间呈极显著正相关关系，均与土壤结构破坏率呈极显著负相关关系，土壤镁含量与MWD（湿）呈极显著正相关关系，与粒径＞0.25 mm的水稳性大团聚体含量呈显著正相关关系，与土壤团聚体破坏率呈显著负相关关系，说明土壤有机质、磷和镁含量越高，土壤中粒径＞0.25 mm的水稳性大团聚体含量和MWD（湿）就越高，土壤团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。土壤全氮含量与粒径＞0.25 mm 的水稳性大团聚体含量呈极显著正相关关系，与破坏率呈极显著负相关关系，说明土壤氮含量越高，土壤中粒径＞0.25 mm的水稳性大团聚体含量就越高，土壤团聚体破坏率越小，土壤结构越稳定。土壤钠含量与MWD（干）呈显著负相关，土壤孔隙度与MWD（干）呈极显著负相关关系，而均与其他团聚体稳定性指标无显著的相关关系，说明土壤钠含量和孔隙度越高，土壤风干团聚体的平均质量直径越小。土壤钾含量和土壤容重均与MWD（干）呈极显著正相关关系，而与其他团聚体稳定性指标无显著的相关关系，说明土壤钾含量和容重越高，土壤风干团聚体的平均质量直径就越大。土壤pH 值与粒径＞0.25 mm的风干大团聚体含量呈极显著的正相关关系，土壤全磷含量与粒径＞0.25 mm 的风干大团聚体含量呈显著的正相关关系，说明土壤pH 值和磷含量越高，土壤中粒径＞0.25 mm 的风干大团聚体含量就越高。

表4 土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质间的相关性†Table 4 Correlations between soil aggregates stability index and soil physical and chemical character

3 讨 论

3.1 不同林分土壤团聚体分布和稳定性特征

林分类型是团聚体形成的重要影响因素，凋落物和根系以及根系分泌物的变化均会带来团聚体稳定性的变化。本研究中，4 种林分土壤团聚体特征之间存在显著的差异，土壤中大粒径团聚体含量越多，土壤结构稳定性越高。落叶松林土壤风干大团聚体（粒径＞0.25 mm）含量显著低于其他3 种林分。土壤团聚体平均质量直径（MWD）是反映土壤团聚体大小分布状况的综合指标，其值越大，表示土壤稳定性越强[13-14]。落叶松林风干团聚体的平均质量直径（MWD）也显著低于其他3 个林分，说明落叶松林土壤机械稳定性相比其他3 个林分较差。主要原因可能是不同林分间凋落物输入量存在差异。落叶松林和水杉林为落叶型针叶林，华山松林和柳杉林为常绿型针叶林，而且落叶松属于温带针叶树种，枯落物蓄积量较高，凋落物半分解层较厚，与其接触土壤表层生物活性较高，容重低，孔隙度高，使得土壤表层相对比较蓬松[13]，不利于大团聚体的形成。从水稳性团聚体来看，落叶松林和水杉林土壤≤0.25 mm的水稳性微团聚体含量也显著高于柳杉林和华山松林，说明落叶松林和水杉林土壤团聚体水稳定性相比柳杉林和华山松林较差。落叶松林和水杉林水稳性团聚体MWD 显著低于柳杉林和华山松林也反映了相同的结果。华山松林和柳杉林郁闭度相对较低，使得其林下灌草相对落叶松林和水杉林较发达，从而引起了土壤团聚体的相应变化[29]。

MWD（干）与MWD（湿）的差值代表了土壤结构稳定性，其值越小表示土壤结构稳定性越高[25]。4 种林分MWD（干）与MWD（湿）的差值之间均存在显著的差异，其中水杉林的差值最大而落叶松的差值最小。该结果说明落叶松林土壤结构稳定性最好，水杉林最差。这种差异可能有两方面原因：一方面是不同林分土壤的钾和钙等含量不同，在湿筛过程中导致溶液电解质浓度[30]不同；另一方面是水杉林样地坡度较大，使得土壤抗蚀性下降[31]。从有利于土壤稳定性的角度来看，落叶松林更适合本地种植。

3.2 不同林分土壤团聚体分布和稳定性与土壤养分的关系

本研究中4 种人工针叶林林分团聚体稳定性、水稳性大团聚体含量与土壤有机碳含量显著相关，这与白秀梅等[13]、耿韧等[29]的研究结果一致，说明有机质含量越高，土壤水稳性大团聚体含量越高，土壤结构越稳定[32]。本研究还发现，土壤水稳性大团聚体的含量与土壤全氮和全磷的含量呈极显著的正相关关系，与土壤镁含量呈显著的正相关关系，说明土壤氮、磷和镁含量的增加有助于提高土壤水稳性大团聚体的含量，其中土壤水稳性团聚体与土壤全氮含量的关系与An 等[33]的研究结果一致。土壤中全磷和镁含量与土壤团聚体稳定性的关系表明，水稳性团聚体的形成还与矿物颗粒矿化有关，该结果也表明土壤团聚体结构的形成是与矿物颗粒和有机物相关的一系列过程[34]。土壤风干团聚体MWD 与钾含量和钠含量有显著或极显著的相关关系，说明盐分影响土壤机械稳定，土壤风干团聚体MWD 与土壤容重、孔隙度有关，风干大团聚体含量仅与土壤pH 和磷含量有显著或极显著的正相关关系。综上所述，水稳性团聚体的特征可以指示本研究区域土壤肥力特征，而机械稳定性可以指示本研究区域土壤物理结构特征。

本研究仅测定了该地区典型人工林土壤团聚体的分布和稳定性特征以及相关的土壤理化性质，日后的研究应将该地区原始林土壤团聚体作为对照加入，从而进一步分析人工林对土壤质量的影响。

4 结 论

4 种林分对风干土壤大团聚体和水稳性大团聚体的形成有重要影响，二者含量在各林分间均有明显差异，总体上以柳杉林最高、落叶松林最低。4 种林分土壤的稳定性和理化性质明显不同，落叶松林土壤的结构稳定性最高，水杉林机械稳定性最高，而柳杉林和华山松林在土壤肥力方面有明显优势。

土壤团聚体稳定性，尤其是土壤水稳性大团聚体的稳定性，与土壤有机碳、全氮和全磷的含量关系显著。其中土壤MWD（干）与容重、孔隙度、K 含量和Na 含量关系显著。土壤MWD（湿）与Mg 含量关系显著。未来本区域人工林可持续经营管理与评价应考虑土壤团聚体变化特征。