内陆盐沼湿地典型植物群落土壤团聚体组成及有机碳粒径分布

尚欣怡，巨天珍，王继伟，张国强，马 超

（西北师范大学地理与环境科学学院，兰州730070）

湿地是陆地生态系统的重要组成部分，为区域及全球环境提供多种多样的生态系统服务功能，土壤固碳功能就是其中之一［1］。土壤团聚体是土壤的重要组成部分，对维持土壤结构稳定和土壤养分截留具有重要意义［2，3］。土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其组成状况和稳定性不仅决定着土壤肥力的高低，而且还影响着土壤的抗侵蚀能力［4］、土壤质量［5］和固碳潜力［6］。土壤有机碳对团聚体的形成与稳定性有着重要影响，表层土壤中近90%的有机碳位于团聚体内，不同粒级团聚体的含量存在明显差异［7］。因此，土壤团聚体与有机碳关系密切，团聚体的形成为土壤有机碳提供物理保护，土壤有机碳是团聚体形成的重要胶结物质。有研究表明［8］，土壤团聚体有机碳含量随着团聚体粒径的减小而增加。也有研究指出［9］，大团聚体（＞0.25 mm）固持的有机碳较多，而微团聚体（＜0.25 mm）中有机碳含量较低。内陆盐沼土壤养分的周转与能量的循环主要依赖于一些占优势的盐生植物的输入，而不同盐生植物凋落物的输入属性和进入方式以及根系活动等存在较大差异，会影响土壤团聚体的形成过程，进而引起不同粒径团聚体对有机碳的固持能力发生变化。因此，通过对内陆盐沼典型植物群落土壤团聚体组成及有机碳的粒径分布进行研究，将有助于理解不同盐生植被下土壤有机碳的变化及潜在机制。

目前，有关湿地植物群落土壤团聚体和有机碳方面的研究已有很多，主要集中在黑河流域［10］、青藏高原［11］、滨海盐沼［12］、黄河三角洲［13］和东北湿地［14］，有关内陆盐沼生态系统盐生植物群落下土壤团聚体及其有机碳的研究却鲜见报道。鉴于此，本试验以秦王川国家湿地公园盐沼湿地的碱篷（Suae⁃da salsa）和盐角草（Salicornia europaea）为研究对象，通过分析不同植被群落下土壤团聚体的组成和有机碳的粒径分布，试图明晰碱蓬和盐角草群落土壤团聚体含量及分布的差异、2种植物群落土壤团聚体有机碳含量及粒径分布的差异、5级不同粒径土壤团聚体对有机碳的贡献率，旨在从土壤团聚体的角度研究内陆盐沼湿地碳过程对不同盐生植物群落的响应，对于进一步认识盐渍土碳过程和碳固持评价提供一定参考，以期为内陆盐沼盐生植被的保育与科学恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省兰州市的秦王川国家湿地公园，地理位置为103°35'38″—108°38'37″E，36°23'59″—36°27'56″N。海拔1 895～1 897 m，年平均气温6.9℃，年日照时间2 700 h，平均无霜期126 d，年均降雨量为265 mm，年均蒸发量为1 879 mm，属大陆性干旱气候。秦王川内陆盐沼湿地植物主要有多枝柽 柳（Tamarix ramosissima）、碱 蓬、苦 苣 菜（Son⁃chus oleraceus）、盐角草、芦苇（Phragmites australis）、猪毛菜（Salsola collina）、角果碱蓬（Suaeda cornicula⁃ta）、碱菀（Tripolium vulgare）、滨藜（Atriplex patens）、早熟禾（Poa annua）等。

1.2 试验设置

2019年8月下旬，在实地考察基础上，选择秦王川国家湿地公园保育与恢复区内地表较平整地带作为样地。根据样地植物群落优势种的不同，选择了地形地貌、海拔、坡度和坡向基本一致的碱篷和盐角草2种典型盐生植物群落。采用样方法，对每个群落设置9个10 m×10 m的样方，分别对2个群落进行植被调查，包括植物种类、盖度和密度（表1）。

表1 不同样地植物特征描述

1.3 野外采样

鉴于植物生长的季节性，采样时间为2019年8月，采样前7 d降雨较少，土壤中有机质和地上生物量状况相对稳定，有利于研究工作的开展。每个样地设置3个2 m×2 m的小样方，现场记录样方内植物的数量、盖度、株高等指标并采集地上生物量。每个样方沿对角线法选取5株长势基本一致的碱篷和盐角草进行标记，用平板利铲挖取整株植物后，清洗干净，剪下地上部分与根系分别装入自封袋中带回实验室。同时采集样方内表层土壤样品，在小样方内均挖掘30 cm深的土层剖面，分别取0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm土层土壤，重复3次后装入自封袋带回实验室，自然风干后掰成约1 cm的小土块，剔除石块、植物根段和枯落物等杂质后装进铝盒中编号备用。

1.4 分析方法

将风干后的土样研磨后，采用湿筛法［15］进行粒径分组：称取100 g风干土样，桶内放置大约10 L的水，在桶内放置4个筛子（2、1、0.5、0.25 mm），将风干土放置在最上层筛子内，调整水面高度使得水面刚好没过风干土，浸泡5 min后启动仪器，然后进行湿筛，振幅5 cm，30 min后得到＞2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm以及＜0.25 mm 5级粒径组分，将筛子移出水桶后，利用药匙、滴管等将得到的不同级别的团聚体装入铝盒编号，然后放置在60℃下的烘箱烘干并称重，用于计算各粒径的团聚体含量和土壤团聚体有机碳含量。

土壤有机碳和团聚体有机碳利用德国耶拿总有机碳分析仪测量；土壤水分采用烘干法测定。然后计算土壤团聚体对有机碳的贡献率及土壤团聚体的含量，计算方法［16］如下：

1.5 数据处理

试验数据采用Origin 2018软件绘图、SPSS 16.0软件进行统计分析。不同植物群落的土壤团聚体及其有机碳含量通过单因素方差分析（One-way ANOVA）进行差异显著性分析。土壤团聚体和有机碳的相关性分析采用SPSS16.0的Person相关分析方法。

2 结果与分析

2.1 2种植物群落土壤团聚体的分布特征

由图1可以看出，2种盐生植被各个粒径土壤团聚体含量差异明显。在0～20 cm土层，碱篷群落＞2 mm粒径团聚体含量最高，并且在0～10 cm和10～20 cm土层和其他粒径的土壤团聚体含量存在显著差异（P＜0.05），在20～30 cm土层，1～2 mm粒径团聚体平均含量最少；盐角草群落0.5～1 mm粒径土壤团聚体含量最高，平均含量为30.21%，除与20～30 cm土层中0.25～0.5 mm粒径团聚体差异不显著外，与其他粒径团聚体含量均存在显著差异（P＜0.05），＞2 mm粒径的土壤团聚体平均含量最少，为11.44%。同一土层中，2种植被群落的各粒径土壤团聚体含量也均存在着一定的差异。从总体来看，碱蓬群落在0～30 cm土层主要以＞2 mm粒径团聚体为主，盐角草群落主要以0.5～1 mm粒径团聚体为主。

2.2 2种植物群落下土壤总有机碳含量的变化

图1 2种植物群落下土壤团聚体的分布

图2 2种植物群落的0～30 cm土壤总有机碳含量

由图2可知，2种植被群落各土层的土壤平均总有机碳含量介于4.78%～6.70%，土壤总有机碳含量随土层深度增加呈先减少后增加的趋势，且2个群落间各土层有机碳含量差异均达显著水平（P＜0.05）。另外，在2种植被群落之间，0～30 cm土层中碱篷群落总有机碳含量明显低于盐角草群落，二者有机碳含量分别为4.86%和6.61%。

2.3 2种植物群落土壤团聚体中有机碳含量特征

由图3可知，不同粒径团聚体的有机碳含量介于1.15%～2.12%。2种植物群落的土壤团聚体有机碳含量差异显著（P＜0.05）。碱篷群落在0～20 cm土层，土壤有机碳含量在＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体中最高，在0.5～1 mm粒径中最低，呈V型分布；在20～30 cm土层中，土壤有机碳含量在1～2 mm粒径最低，＜0.25 mm粒径最高。盐角草群落在0～30 cm土层，土壤有机碳含量在＞2 mm和＜0.25 mm最高，在其他粒径中含量分布差异不大。团聚体有机碳变化规律与土壤总有机碳含量相似，2种群落的土壤团聚体有机碳平均含量基本随着土层深度的增加呈先减小后增加的规律。由表2可知，土壤总有机碳含量与＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体含量呈显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）正相关，与0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒径团聚体含量相关性不显著（P＞0.05），由此可见，团聚体的粒径分布和土壤总有机碳含量关系较为密切。

图3 2种植物群落下土壤团聚体有机碳含量

表2 各粒径团聚体含量和土壤总有机碳含量的相关性分析

2.4 2种群落土壤团聚体对土壤总有机碳的贡献率

由图3和表3可知，在0～30 cm土层，2种群落在＞2 mm和＜0.25 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高，但是其对总有机碳的平均贡献率却较低，0.5～1 mm团聚体中有机碳含量较低，但其对总有机碳的平均贡献率却高达27.74%。在0～30 cm各土层中，相同粒径的土壤团聚体对总有机碳的贡献率差异较大，说明土层深度并不是影响团聚体含量对土壤总有机碳贡献率的主要因素。

表3 2种植物群落下土壤各粒径团聚体对土壤总有机碳含量的贡献率

3 讨论

土壤有机碳存在于团聚体中［17］，并作为主要胶结剂影响团聚体的形成、结构和稳定性，土壤团聚体的形成过程也是土壤固碳的途径之一［18］。一般认为，土壤团聚体分为大团聚体（＞0.25 mm）和微团聚体（＜0.25 mm），＞0.25 mm粒径团聚体含量越高说明该地区土壤结构越稳定［19］。本研究中，碱蓬群落土壤团聚体在0～30 cm土层以＞2 mm粒径团聚体为主，盐角草群落以0.5～1 mm粒径团聚体含量为主，2种植物群落均以＞0.25 mm粒径的大团聚体为主，说明研究区内土壤结构较好。2个群落土壤团聚体粒径分布差异较大的原因和地表植被覆盖类型的不同有很大的关系。植被类型不同，有机质输入的质量和数量不同，导致进入土壤的枯落物的性质不同，加上植物本身的根系分布情况也不相同，这些因素共同影响土壤的团聚过程以及团聚体的结构稳定性［20］。有研究表明，大团聚体在水土保持、土壤改良及新碳固定等方面有着重大作用，但大团聚体稳定性较差，易破碎，其含量容易受人为因素干扰的影响而明显降低［21，22］。本研究中，盐角草群落＞0.25 mm团聚体含量和土壤有机碳含量均高于碱篷群落，由此可见，盐角草群落相比于碱篷群落更有利于碳的储存和固持，碳汇效应更强。

土壤有机碳含量在较小区域尺度上主要受枯落物［23］、植物根系［24］、植被类型［11］、微生物［23］以及人为活动干扰［22］的影响。该地区盐角草群落的总有机碳和团聚体有机碳含量均高于碱篷群落。盐角草的地上生物量更多，遮阴效果更强，进入土壤的枯落物数量更多，增加了土壤中有机碳含量，为团聚体的形成奠定了基础［25］。同时，盐角草相比于碱篷群落含水量较高，有研究表明［26］，土壤含水量通过影响土壤的通气性和透水性影响土壤有机碳的矿化速率和降解，进而影响土壤有机碳含量。满秀玲等［27］对小兴安岭草本泥炭沼泽的研究表明，由于长年或者季节性积水使得湿地土壤有机碳的累积程度较高。碱篷群落具有较高的土壤盐分，限制了植被生长，影响土壤中有机物质的输入和循环［28］，且不利于微生物分解新鲜植物残体，不易形成较多稳定的大团聚体，同时土壤黏粒含量较低，砂砾含量较高，不利于团聚体内部有机质的稳定存在［29］。盐角草较碱蓬群落地上生物量更多，土壤表层凋落物是有机质升高的直接原因之一，由于其对雨水的截留作用，减弱了降雨可能引起的土壤侵蚀，增加了土壤的水土保持能力，减少水土流失［30］。在0～30 cm土层，2种植物群落土壤有机碳和土壤团聚体有机碳平均含量呈V型分布。这是由于植物根系主要集中在土壤表层，其分布情况可以直接影响到土壤有机碳的垂直分布［31］。在20～30 cm土层，由于碱篷和盐角草的根系主要分布在该土层，根系之间相互缠绕并联结根系颗粒释放分泌物，导致了根际土壤性质的变化而影响土壤团聚化［32］，加上大量的死根腐解为土壤提供了丰富的碳源［33］，植物根系分布越密集，有机碳的含量越高，使得2个群落团聚体有机碳在20～30 cm土层出现一个高值。2个植物群落土壤有机碳含量的变化规律与凋落物性质、植物根系分布和根系分泌物性质有密切关系。

大量研究表明，有机碳含量在各粒径团聚体中分布规律不同。一些研究发现土壤中大团聚体中有机碳含量比小团聚体中有机碳含量更高［34］，如赵世伟等［35］研究表明土壤团聚体有机碳含量主要集中在大团聚体中；也有研究表明0.25～1 mm粒径团聚体中含有更多的有机碳［36］。这可能与研究区环境、土壤管理、土地利用方式、植被覆盖等因素有关。安韶山等［37］和卢凌霄等［16］的研究表明，0.25～0.5 mm粒径和0.5～1 mm粒径团聚体中有机碳含量最高，且团聚体有机碳含量随粒级增大而逐渐减小；刘敏英等［8］表明＜0.25 mm微团聚体可以固持更多的有机碳。在本研究中，土壤团聚体有机碳在＜0.25 mm和＞2 mm粒径团聚体中有机碳含量最高，主要原因是大团聚体中的有机碳比微团聚体中的有机碳易矿化，微团聚体中的碳由于不易矿化是以高度腐化的腐殖质存在从而得到大量的累积［38］，而＞2 mm粒径团聚体有机碳含量较高的原因，一方面是大量枯落物为表层土壤提供了丰富的碳源，另一方面是人为活动对该区域影响较小。相关分析表明，土壤总有机碳含量与＞2 mm、1～2 mm和0.5～1 mm团聚体含量呈显著或极显著正相关，与0.25～0.5 mm和＜0.25 mm粒径团聚体含量相关性不显著。有研究表明，大粒径团聚体对土壤有机碳的固持能力较差［39］，也有研究表明，在干旱盐碱地区＜0.053 mm粒径团聚体可以固持更多的有机碳［40］。而在内陆盐沼地，＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体有机碳含量较高，但其对总有机碳的平均贡献率却较小，而0.5～1 mm团聚体中有机碳含量较低，但其对总有机碳的平均贡献率却高达27.74%，说明＞2 mm和＜0.25 mm团聚体对有机碳的保护能力较强，0.5～1 mm粒径团聚体对有机碳的保护能力较差。因此，在内陆盐沼地区，增加＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体的含量，可以提高该地区土壤的固碳能力，有机碳储存到＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体中，有利于土壤有机碳稳定性的提高和有机碳的积累。

4 小结

内陆盐沼湿地典型盐生植物群落土壤团聚体含量和有机碳分布以及贡献率呈显著差异。盐角草群落土壤总有机碳和团聚体有机碳均高于碱篷群落，2种盐生植物群落在＞2 mm和＜0.25 mm粒径土壤团聚体有机碳含量最高。0.5～1 mm粒径团聚体中有机碳含量较低，但其对土壤总有机碳的平均贡献率却高达27.74%，占绝对优势；而＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体有机碳含量较高，但其对总有机碳的平均贡献率较小，说明在内陆盐沼＞2 mm和＜0.25 mm粒径团聚体对土壤有机碳的保护能力较强。总之，在内陆盐沼湿地，盐角草群落固碳能力更强，可以更好地改善土壤结构，提高土壤中＞2 mm团聚体的含量能有效增强土壤的水土保持能力，＜0.25 mm粒径团聚体能固持更多稳定的碳源，减少水土流失，提高内陆盐沼湿地固碳能力。