凤阳山不同林分类型表层土壤团聚体有机碳分布特征*

茹 军 张 勇 王志坚王 增 姚任图

(1.浙江省林业信息宣传服务中心，浙江 杭州 310020；2.浙江农林大学浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江 杭州311300；3.浙江省公益林和国有林场管理总站，浙江 杭州 310020；4.松阳县林村林场，浙江 丽水 323400)

土壤团聚体的结构和稳定性很大程度上受土壤有机碳的影响，有机碳主要通过有机胶结、粘粒包裹、菌丝和植物根系缠绕填充等作用来参与团聚体的形成[1-2]。团聚体的形成过程又影响土壤有机碳的转化，土壤物质和能量转换主要发生在团聚体内，团聚体通过对生物特别是微生物与有机碳空间隔离的保护作用，是土壤最重要的固碳机理[3-4]。因此，作为土壤碳库的重要组成部分，近年来土壤团聚体有机碳的分布和变化备受关注，其能够较好地反映土地利用和森林植被变化情况[5-6]。朱家琪等[7]研究了兴安落叶松Larix gmelinii林、樟子松Pinus sylvestris林、山杨Populus davidiana林、白桦Betula platyphylla林4 种寒温带森林类型，发现它们之间土壤团聚体有机碳有显著差异。潘英杰等[8]在研究黄土高原天然次生林植被演替时，发现各粒径土壤团聚体有机碳含量均随着植被演替进程而逐渐增加。

浙江凤阳山国家级自然保护区是我国东部中亚热带森林生态系统的典型代表，素有“华东古老植物摇篮”之美誉。当前，保护区内的人工林是上世纪70 年代天然植被遭受破坏后种植杉木、柳杉等形成的针叶林，天然林则是自然飞籽形成的黄山松Pinus taiwanensis针阔混交林和次生常绿阔叶林，这4 种林分在东部中亚热带省份具有一定的代表性。目前对凤阳山土壤团聚体有机碳的研究少见报道。本研究在团聚体水平上研究不同林分类型土壤有机碳、易氧化有机碳及稳定态有机碳的差异变化，阐明土壤团聚体内有机碳分布特征，对揭示因林分变化导致土壤有机碳动态变化和稳定性机制具有重要参考价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

凤阳山国家级自然保护区位于浙江省 龙 泉 市（ 地 理 坐 标：27°46′N～27°58′N、119°06′E～119°15′E），为武夷山脉东伸的洞宫山系。保护区属亚热带湿润季风气候，四季分明，雨量充沛。年均气温12.3℃，年均降水量2 438.2 mm。土壤为黄壤，土层厚度基本在60～80 cm 之间。

1.2 样地设置

在石梁岙（小地名），地理位置为27°53′55′′N，119°10′57′′ E，选择杉木林与常绿阔叶林两种对比林分类型；在凤阳湖（小地名），地理位置为27°52′27′′ N，119°11′2′′ E，选择柳杉林与针阔混交林两种对比林分。在每种林分内分别设置3 个20 m×20 m 的重复固定样地，并调查植物本底（表1）。由于同一地点的两种林分类型气候、立地条件及林龄等基本一致，排除了林分植被之外的其他因素的影响。

表1 不同采样点及其林分类型的概况Table 1 Basic information of different sampling points and forest stand types

1.3 土壤采样与测定

于2013 年7 月，在每个固定样地内按0～20 cm 深度取原状土，用于土壤团聚体测定。用手轻轻地把原状土大土块沿着自然脆弱带扳成直径约1 cm 的小土块，在室温条件下风干，将盛有风干土样的筛子置于摇床上，以270 r/min 振荡2 min 进行干筛[9]，分离出＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm 和＜0.5 mm 4 级不同粒径团聚体。某粒径团聚体的占比=该粒径团聚体重量/各粒级土壤团聚重量之和×100%。

测定各粒径团聚体中的土壤有机碳、易氧化性有机碳和稳定态有机碳含量。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热氧化-硫酸亚铁滴定法[10]，土壤易氧化有机碳是利用高锰酸钾溶液比色法[11]，土壤稳定态有机碳采用Na2S2O8氧化法[12]。

利用SPSS 软件进行数据显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体有机碳的变化

各林分类型土壤团聚体有机碳含量总体上均随团聚体粒径减小而呈升高趋势（图1）。在石梁岙，常绿阔叶林和杉木林土壤团聚体有机碳含量均以0.5～2.0 mm 团聚体最高（分别为14.81 g/kg 和11.36 g/kg）、＞5.0 mm 团 聚 体 最 低（分 别为11.48 g/kg 和8.34 g/kg）；在凤阳湖，针阔混交林和柳杉林团聚体有机碳均以＜0.5 mm 团聚体最高（分别为12.77 g/kg 和15.13 g/kg）、＞5.0 mm 团聚体最低（分别为8.73 g/kg 和10.74 g/kg）。方差分析显示，石梁岙的两种林分类型，同一林分的＞5.0 mm 团聚体有机碳含量分别与0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 团聚体有机碳含量差异显著（P＜0.05），其余团聚体之间没有显著差异；凤阳湖的针阔混交林＞5.0 mm 团聚体有机碳含量分别与2.0～5.0 mm、0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 团 聚 体 差 异 显 著（P＜0.05），其余团聚体之间没有显著差异；柳杉林＞5 mm 团聚体有机碳分别与0.5～2.0 mm、＜0.5 mm 团 聚 体 差 异 显 著（P＜0.05），2.0～5.0 mm 与＜0.5 mm 差异显著（P＜0.05），其余团聚体之间没有显著差异。

图1 土壤团聚体有机碳含量Fig.1 Contents of organic carbon of soil aggregates

在石梁岙，常绿阔叶林各粒径团聚体有机碳含量均显著高于杉木林同粒级团聚体（P＜0.05）；在凤阳湖，除2.0～5.0 mm 团聚体外，柳杉林各粒级团聚体有机碳含量均显著高于针阔混交林（P＜0.05）（图1）。

2.2 土壤团聚体易氧化有机碳的变化

在石梁岙，常绿阔叶林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 土壤团聚体易氧化有机碳含 量 分 别 为1 525.83 mg/kg、1 417.90 mg/kg、1 748.28 mg/kg 和1 590.99 mg/kg，整 体 差 异 显著（P＜0.05），并随着团聚体粒径减小呈逐渐升高 趋 势；杉 木 林 土 壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 团聚体易氧化有机碳含量分别为1 177.97 mg/kg、1 221.40 mg/kg、1 534.83 mg/kg和1 329.24 mg/kg，整体差异显著（P＜0.05），也随着团聚体粒径减小呈逐渐升高趋势。在凤阳湖，针阔混交林土壤各粒径团聚体易氧化性有机碳含量分别为1 346.85 mg/kg、1 724.65 mg/kg、1 614.95 mg/kg 和1 671.03 mg/kg，整体差异不显著，但＜0.5 mm 和2.0～5.0 mm 团聚体均显著高于＞5.0 mm 团聚体（P＜0.05）；柳杉林土壤＞5 mm、2～5 mm、2～0.5 mm、＜0.5 mm 团聚体易氧化有机碳含量分别为1 343.06 mg/kg、1 132.51 mg/kg、1 420.48 mg/kg、1 537.91 mg/kg，整体差异显著（P＜0.05），同样随团聚体粒径减小呈逐渐升高趋势（图2）。

常绿阔叶林土壤各粒径团聚体易氧化有机碳含量均显著高于同粒级杉木林（P＜0.05）；针阔混交林2.0～5.0 mm 和0.5～2 mm 团聚体易氧化有机碳含量均显著高于同粒级柳杉林（P＜0.05），其余两粒级之间没有显著差异（图2）。

图2 土壤团聚体易氧化有机碳含量Fig.2 Contents of readily oxidized carbon of soil aggregates

2.3 土壤团聚体稳定态有机碳的变化

常 绿 阔 叶 林＞5 mm、2～5 mm、2～0.5mm、＜0.5 mm 土壤团聚体稳定态有机碳含量分别为2.01 g/kg、2.48 g/kg、2.30 g/kg 和3.35 g/kg，各粒径团聚体稳定态有机碳含量整体差异显著（P＜0.05），并随团聚体粒径减小呈逐渐升高趋势。杉木林、针阔混交林、柳杉林的变化规律同常绿阔叶林基本一致，同一林分团聚体稳定态有机碳含量随粒径减小呈逐渐升高趋势（图3）。

图3 土壤团聚体稳定态有机碳含量Fig.3 Contents of recalcitrant organic carbon of soil aggregates

除0.5～2 mm 团聚体外，常绿阔叶林各粒径团聚体稳定态有机碳含量均显著高于同粒级杉木林（P＜0.05）；柳杉林＞5.0 mm 和＜0.5 mm 团聚体稳定态有机碳含量分别显著高于同粒级针阔混交林（P＜0.05），其他粒径之间没有显著差异。

2.4 土壤团聚体有机碳及其组分的贡献率

不同粒径土壤团聚体有机碳、易氧化有机碳、稳定态有机碳的贡献率决定于各团聚体在土壤中的占比（表2）及其有机碳、易氧化有机碳、稳定态有机碳含量。不同林分类型土壤各粒径团聚体对土壤有机碳贡献率变化规律基本一致，＞5 mm 团聚体对有机碳贡献率最高，变化范围为34.34%～42.38%，最高为柳杉林，最低为针阔混交林；2～5 mm 团聚体贡献率次之，变化范围为24.19%～35.23%。总体上，不同粒径团聚体对土壤有机碳贡献率随着粒径减小而减小。

表2 土壤团聚体各粒径的占比 %Tab. 2 The proportion of the diffirent soil diameter aggregates

各粒径土壤团聚体对易氧化有机碳的贡献率也是＞5 mm 团聚体最高，变化范围为36.94%～47.97%，最高为柳杉林，最低为杉木林。总体上，不同粒径团聚体对易氧化有机碳贡献率随着粒径减小而逐渐减小。各粒径土壤团聚体对稳定态有机碳贡献率＞5 mm 亦最高，变化范围为32.32%～37.83%，最高为常绿阔叶林，最低为针阔混交林。总体上，不同粒径团聚体稳定态有机碳贡献率与土壤有机碳、易氧化有机碳的规律基本一致。可见，研究区大团聚体是土壤有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳的主要载体。

2.5 不同粒径团聚体有机碳的稳定性

易氧化有机碳/有机碳的比值越高说明土壤有机碳稳定性越差，稳定态有机碳/有机碳的比值越高说明土壤有机碳稳定性越好。从表4 可见，4 种林分易氧化有机碳/有机碳的值随团聚体粒径的变小呈逐渐降低的趋势，稳定态有机碳/有机碳的值随团聚体粒径的变小而呈逐渐升高的趋势。

表3 不同粒径土壤团聚体有机碳、易氧化有机碳和稳定态有机碳的贡献率 %Tab. 3 The contribution of the different diameter aggregates on soil organic carbon, readily oxidized carbon and recalcitrant organic carbon

表4 不同粒径土壤团聚体易氧化有机碳/有机碳、稳定态有机碳/有机碳的值 %Tab. 4 The readily oxidized carbon/soil organic carbon and recalcitrant organic carbon/soil organic carbon in different diameter aggregates

3 结论与讨论

土壤有机碳在不同粒径团聚体中的分布状况决定了土壤的储碳能力[13]。各林分类型土壤团聚体中有机碳、易氧化有机碳、稳定态有机碳含量均随团聚体粒径变小而呈逐渐升高趋势，这符合有机碳输入优先向小粒级团聚体积累的理论[14]。有机碳很少以游离态存在于土壤中，往往被细小矿质颗粒牢固地吸附，并与之结合形成有机-无机复合体，团聚体粒径越小，比表面积越大，吸附有机碳就越多[15]。对比其他研究，李恋卿等[16]研究发现，退化红壤有机碳在0～0.002 mm 团聚体中含量较高；李娟等[17]发现，随团聚体粒径降低，喀斯特山区不同土地利用方式团聚体有机碳、活性有机碳均以0～0.25 mm 团聚体中含量最高；邱晓蕾等[18]则研究发现，稳定态有机碳在微团聚体中富集明显。

不同粒径团聚体对有机碳、易氧化有机碳、稳定态有机碳的贡献率，与团聚体含量分布情况相似。虽然三者含量在小粒径团聚体中含量最高，但由于研究区土壤大粒径团聚体含量占绝对优势，使大团聚体贡献率远高于小团聚体。任荣秀[19]等研究表明，土壤有机碳储量主要集中在大团聚体中。Six J 等[20]研究发现，土壤有机碳尽管在微团聚体中能够稳定较长时间而获得累积，但因0～0.25 mm 团聚体在土壤中比例十分低，其对有机碳和活性有机碳贡献率仅有6%和4%。

在同一采样点，常绿阔叶林各粒径团聚体有机碳、易氧化有机碳、稳定态有机碳含量基本都高于杉木林相同粒径团聚体；柳杉林各粒径团聚体有机碳、稳定态有机碳含量大多高于针阔混交林相同粒径团聚体。对比前期实验分析，土壤有机碳及其组分在全土中含量高的林分，各粒径团聚体含量也相比较高。这说明林分类型是影响土壤有机碳及团聚体有机碳含量的重要因素。王峰等[21]研究表明，不同土壤类型茶园团聚体有机碳含量存在显著差异，并与土壤有机碳变化趋势一致；李娟等[17]研究发现，随着土壤有机碳增加，各粒径团聚体有机碳含量总体呈增加趋势，且土壤有机碳与团聚体内有机碳表现出较高的正相关关系。尽管柳杉林土壤有机碳含量较高，但针阔混交林团聚体易氧化有机碳含量均高于柳杉林相同粒径，这可能由于柳杉林凋落物中含有较多难分解的蜡质和角质等成分[22]，土壤有机碳活性降低，导致易氧化有机碳也较低。可见，本研究在相同气候和立地条件下，由于不同林分类型的乔木树种组成和林下植被特征不同以及其生物学和生态学特性不同，导致有机物质输入输出的差异，使土壤物理性状和微生物活性也不同，从而影响土壤有机碳及其组分在团聚体中的分布[23-24]。

由于土壤团聚体内部有机碳组分含量不同，加之不同粒径团聚体对有机碳保护能力的差异，造成团聚体有机碳整体稳定性也不同，这将对森林土壤碳汇功能产生重要影响[21]。本研究4 种林分易氧化有机碳/有机碳的比值、稳定态有机碳/有机碳的比值呈现的变化趋势，表明随着团聚体粒径减小研究区土壤有机碳整体稳定性增强、活性降低。土壤有机碳具有高度异质、动态变化、影响因素复杂性等特点，受林分类型、土壤及生物活性等诸多因素相互协同影响[25]。研究认为，大粒径团聚体有机碳包括根系、碳水化合物、菌丝等主，以物理保护为主，其周转快、变异性大、稳定性差[26]；而小粒径团聚体有机碳是以黏粒结合的腐殖质（稳定态有机碳）为主，主要靠化学保护为主，其分解慢、稳定性好，利于长期储存[27]。