城乡梯度下不同林分类型土壤团聚体分布及其稳定性

杨洪炳，肖以华，许 涵，黄子峻,3，

李 明1，郭晓敏2，游慧敏1

(1. 中国林业科学研究院热带林业研究所，广东 广州 510520；2. 江西农业大学林学院，江西 南昌 330045；3. 华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642)

随着城市化进程的迅猛发展，高度城市化的“珠三角”区域面临着城市“热岛效应”、土壤污染、大气污染等环境负荷问题[1]。城市化在促进我国经济高速发展的同时，伴随干旱现象的加剧，土壤退化、生物多样性减少、水土流失等生态环境问题愈发显露出来，城市化带来的生态问题受到广泛关注[2]。研究表明，城市化与森林演替对土壤生态系统服务功能产生深远的影响：城市化降低了城市森林生态系统土壤质量，直接改变了其土壤化学元素循环过程[3]，而土壤不同层次间理化性质的差异导致微生物群落变化[4]；城市化导致南亚热带常绿阔叶林土壤微生物群落生物量降低[5]；森林演替过程中，土壤微生物群落结构及多样性易受影响，即植被演替初级阶段到演替顶级阶段，细菌群落多样性可能会呈先升高后降低趋势[6]。前人研究表明，不同林分类型土壤水稳性大团聚体含量及其平均质量直径呈现的总体趋势均为：杉木林>针阔混交林>阔叶混交林[7]。总之，生态环境的变化对土壤结构和性质产生了影响[3,8]。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元，对土壤系统功能（如结构稳定和肥力保持等）至关重要[9]，稳定的土壤团聚结构可促进土壤肥力的保持及提升，能够明显改善土壤质量[10]。土壤团聚体稳定性与土壤成土母质、植被类型、微生物及有机质含量等紧密相关[9]。国外学者注重土壤有机碳与团聚体相互作用机制和量化团聚体稳定性理论研究[11-12]，而国内不少学者研究山地[13]、农田[14]、森林[15]等生态系统土壤团聚体稳定性特征及其对外界环境变化的响应，其中，对森林生态系统的土壤团聚体分布特征与稳定性研究存在不足。探究森林土壤团聚体结构稳定性，对掌握森林土壤有机碳稳定性机制及其固碳潜力有重要意义。

马尾松（Pine massonianaLamb.）林、针阔混交林与常绿阔叶林是珠三角地区典型植被类型，在城市生态气候调节和参与地球生物化学循环中有着重要的地位[16]。珠三角地区森林生态系统中土壤团聚体分布、稳定性特征及其变化的驱动因素研究甚少，且不同筛分方式下土壤团聚体的稳定特性存在差异。因此，本文以珠三角地区城乡梯度下不同林分类型土壤为研究对象，探究干筛和湿筛方式下不同林分类型土壤团聚体粒径分布及稳定性特征，分析其团聚体分布及稳定性的影响因素，旨在补充城乡梯度下不同林分类型土壤结构的相关研究，丰富珠三角地区关于森林土壤团聚体稳定性方面的理论。研究结果为城市森林生态环境保护及科学评价该区域不同林分类型所发挥的生态系统功能提供理论依据。

1 研究区概况

本研究试验区域位于高度城市化、工业化的珠江三角洲地区（112°45′～113°50′ E，21°31′～23°10′ N），该区域属于亚热带温暖湿润气候，旱、雨季分明，一般10 月至次年3 月为旱季，4—9 月为雨季，年均降水量1 380～1 927 mm，年均气温为19.5～21.9 ℃。研究区域土壤发育母质为花岗岩，土壤类型为黄红壤[17]。除了城区的帽峰山（常绿阔叶林）属于天然次生林外，其余均为人工林。其他样地基本信息详见表1，其他性质特征详见表2。

表1 样地基本信息Table 1 Basic information about the sample site

表2 城乡梯度下不同林分类型土壤基本理化性质Table 2 Basic physicochemical properties of soils of different stand types under the urban-suburban-rural gradient

2 研究方法

2.1 试验设计与样品采集

参考Fang 等[17]对城乡梯度的划分方式，以广州市中心（天河区）为中心，将研究区域划分为“城区—近郊—乡村”3 个梯度。在每个梯度中选取3 种林分类型（马尾松林、针阔混交林和常绿阔叶林），在每种林分类型区域中设置3 个40 m × 40 m样地，每个样地中随机选择3 个10 m × 10 m 样方进行采样，样方间距大于10 m。

2020 年12 月15 日至30 日，在各个研究区域采集土壤样品。在每个样地的样方中，采样尽可能避开粗根和石块。在各样方内按“S”型布置5 个样点，清除土壤表面枯落物、植物残体、石块等杂质，在每个样点用铁铲采集0～10、10～30 cm 土层原状土，再将每个样方内同土层土样混为一个原状土样。同时用环刀在每个样方内各土层取1 个土样，用于土壤密度和质量含水量的测定。

2.2 样品处理与测定方法

土样采集完毕后及时带回实验室，将土样铺开，挑出粗根、枯落物及石块等杂质，待自然风干。土壤密度、质量含水量分别采取环刀法和烘干法测定。土壤碳和养分、酸碱度采用常规方法[18]测定：重铬酸钾氧化—外加热法测定土壤有机碳（SOC）含量。采用扩散法测定土壤全氮（TN）含量，采用钼锑抗比色法测定土壤全磷（TP）含量。采用电位计法（PHS-3C 型）测定土壤pH 值，重复3 次。土壤团聚体粒径组成测定参考黎宏祥[19]、于法展等[20]和Six 等[21]方法，略有改进，即取200 g 风干土样，测定前挑除石块、细根，将所有土样过8 mm 筛，再振荡5 min。采取人工干筛法，即筛取6 个粒级（>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm）团聚体，用0.01 g 精度电子秤称量各个粒级团聚体质量，计算不同粒级土壤团聚体质量分数，依其相应将各样品配成50.00 g 土样，用于水稳性团聚体含量的测定。水稳性团聚体测定采用人工湿筛法，即在原套筛中进行土样快速湿润，静置5 min，然后上下振荡5 min，振荡频率为30 次·min−1，振幅5 cm。将湿筛后土样转入铝盒，105 ℃烘干至恒质量。

2.3 数据处理

在Excel 2010 软件上完成数据的计算与整理，进一步利用SPSS 26.0 和Origin 2019b 软件;对处理后数据进行统计分析和图表绘制。采取单因素方差检验（LSD 法）和Wilcoxon 符号秩和检验方法，对所有样品土壤团聚体粒径组成比例及其稳定性特征间进行显著差异性检验。通过一般线性模型单变量分析环境因子及其交互作用对团聚体稳定性特征的影响。利用Canoco 5 软件对土壤团聚体稳定性特征与土壤因子的关系进行冗余分析，并进行土壤因素解释量分析与显著性检验。图表数据均为平均值±标准差（n=9）。

用平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、质量分形维数（Dm）及一定粒级团聚体破坏率（PAD）指标和R0.25（>0.25 mm 的大团聚体百分含量）来评价土壤团聚体稳定性。以上指标计算参考Qiao[22]等和杨金玲[23]等，公式如下：

3 结果与分析

3.1 城乡梯度下不同演替阶段森林土壤团聚体粒径分布特征

不同筛分方式下，城乡梯度下不同林分类型0～30 cm 土层团聚体粒径分布均以大团聚体（>0.25 mm）为主（表3）。城乡梯度和林分类型对0～10 cm 土层中干筛方式下1～2 mm 粒径的团聚体组成和湿筛方式下0.25～0.5 mm 粒径的团聚体组成无显著影响（NS），且对10～30 cm土层中干筛方式下2～5 mm 和0.5～1 mm 粒径团聚体组成无显著影响（NS），对其他均有显著影响（p< 0.05）。

表3 城乡梯度下不同林分类型土壤团聚体分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil agglomerates in different forest types under the urban-rural gradient

3.2 城乡梯度下不同林分森林土壤团聚体稳定性特征

表4 表明：城乡梯度下不同林分类型在不同土层的土壤大团聚体（>0.25 mm）含量各有差异，除乡村梯度下马尾松林和常绿阔叶林在0～10 cm土层干筛和湿筛的R0.25差异不显著外，其他情况下在各自土层中2 种筛分方式的R0.25之间均差异显著（p< 0.05）。

表4 城乡梯度下不同林分类型土壤大团聚体（>0.25 mm）含量Table 4 Content of large aggregates (>0.25 mm) at different forest types under the urban-rural gradient

图1 表明：不同筛分方式下表征其土壤团聚体稳定性特征指标间各有差异。干筛方式下，从MWD指标看（图1A），不同梯度在相同林分类型的2个土层中表现各异；随城区向近郊梯度递进，3 种林分0～30 cm 土层团聚体稳定性均呈降低趋势（图1A）。湿筛方式下，从MWD指标看，城乡梯度下相同林分类型间团聚体稳定性差异不尽相同（图1D）。在2 种筛分方式下，Dm在不同梯度或不同林分类型间呈现规律不明显，在土层间均值差异呈现结果相反。除了近郊梯度下的马尾松林，其他林分土壤团聚体的MWD和GMD均值在干筛和湿筛下呈现结果在土层间相反，可知3 种林分土壤机械稳定性呈现下层（10～30 cm）大于表层（0～10 cm），其水稳定性则表现相反。

城乡梯度下各林分类型的团聚体破坏率（PAD）介于6.4%～41.1%，在城乡梯度、林分类型及其土层间差异较大（图2）。各梯度下3 种林分不同土层间的PAD表现规律一致，即随土层深度增加而升高。在0～30 cm 土层中，城市（城区与近郊）梯度下马尾松林土壤的PAD显著高于其他林分（p< 0.05），乡村梯度下常绿阔叶林土壤的PAD显著低于其他林分（p< 0.05）。

注：不同小写字母表示不同梯度下相同林分类型相同土层间差异显著（p< 0.05）；不同大写字母表示相同梯度下不同林分类型相同土层间呈显著性差异（p< 0.05）。Notes: Different lowercase letters indicate significant differences between the same soil layer of the same stand type under different gradients at 0.05 level; different capital letters indicate significant differences between the same soil layers of different stand types under the same gradient at 0.05 level.

3.3 城乡梯度、林分类型、土层及其交互作用与土壤团聚体稳定性特征的关系

由表5 可知：城乡梯度和林分类型及二者的交互作用对机械稳定性团聚体的MWD、GMD与Dm影响极显著（P< 0.001），而土层对其MWD和GMD也影响极显著（P< 0.01）；城乡梯度、林分类型及土层对水稳性团聚体的MWD、GMD和Dm影响极显著（P< 0.01），且其两两交互作用均对MWD和GMD影响显著（P< 0.05）。城乡梯度、林分类型及土层对PAD的影响极显著（P< 0.01），同时林分类型与城乡梯度、土层的交互作用对PAD的影响极显著（P< 0.01）。

表5 城乡梯度、林分类型、土层及其交互作用与土壤团聚体稳定性特征的关系Table 5 Relationships between the urban-rural gradient, forest types, soil layers and their interactions with the stability characteristics of soil aggregates

3.4 土壤团聚体稳定性特征与土壤因子的关系

不同土层在不同筛分方式下的团聚体稳定性特征与土壤因子相关关系有所差异（图3）。干筛的综合分析（图3C）表明：土壤有机碳（SOC）、TN 与PAD、MWD、GMD呈负相关关系，与Dm呈正相关关系。湿筛的综合分析（图3F）表明：土壤含水量、SOC、TN、粒径（>5 mm）团聚体含量与MWD和GMD呈正相关关系，而与PAD和Dm呈负相关关系。

经置换检验，得到土壤因子解释量与显著性检验结果（表6）表明：干筛下，TN 对0～10 cm土层解释度较高，而SOC 对10～30 cm 土层解释度较高；干筛综合分析得出，TN 可以解释团聚体组成与稳定性特征差异的32.2%（P= 0.002）。湿筛下，TN 对0～10 cm 土层的解释较显著，解释量为6.8%（P= 0.004），而SOC 对10～30 cm土层的解释较显著，解释量为1.8%（P= 0.014）。湿筛综合分析得出，TN 和土壤含水量的解释度较高，分别为4.3%和2.8%。

表6 不同筛分方式下土壤因子解释量与显著性检验结果Table 6 Soil factors explained amount and significance test results under different screening methods

4 讨论

4.1 城乡梯度下不同林分类型森林土壤团聚体分布及稳定性特征

目前，研究森林土壤团聚体往往侧重于其水稳定性特征，常按照0.25 mm 作为水稳性团聚体粒径大小的分界点，超过该界点则称为大团聚体，否则称为微团聚体[15]。本研究结果表明：土壤团聚体粒径组成基本以>0.25 mm 粒径团聚体为主（表3），这与诸多学者研究结果相似[12-14,23-24]，与王富华等[25]关于亚热带4 种典型林分的研究结果不同，可能是由于土壤本身性质和林分特征不同。随海拔升高，相同林分类型土壤团聚体组成呈现由大粒级向微团聚体（<0.25 mm）转变趋势（表1、3），这与吴梦瑶等[13]研究贺兰山的结果相反，其原因可能是受城市化程度、气候和林分因素等的影响较大[19,24]，海拔因素影响的温度差别不大。机械稳定性团聚体与水稳性团聚体在粒径组成比例上存在较大差异，这与团聚体破裂方式和强度的不同有关[26]。土壤团聚体粒径分布受城乡梯度和植被类型的影响，根本上是受土壤肥力和植物根系、微生物等的影响。越来越多研究表明，亚热带森林土壤大团聚体及其有机碳含量对团聚体稳定性的贡献较大[25]。可见，提高大团聚体含量比例，有助于森林土壤维持团聚结构的稳定和提高碳固持的能力。

本文关于不同林分类型土壤团聚体稳定性分析结果与鲍国涛等[27]和王富华等[25]基本一致。综合团聚体稳定性评价指标（MWD、GMD、R0.25）可知，针阔混交林表现规律明显，呈现其土壤团聚体的水稳定性随城乡梯度递进有降低趋势。各梯度连贯土壤团聚体稳定性（机械稳定性与水稳性）呈现规律不一致，随土层增加而显著降低(P<0.05，近郊梯度下针阔混交林和常绿阔叶林除外)，这与其他学者[15,25,28-29]研究结果相似。城市化可能对城区和乡村梯度下马尾松林和针阔混交林土壤质量影响较大，土壤团聚体水稳性受多因素综合影响。其原因可能有：（1）城乡梯度环境受氮沉降、酸沉降以及“城市热岛”效应等综合影响，植被的生境有较大差异，对土壤功能和性状影响是多尺度多方面的；（2）森林土壤性状可能受人为因素的影响大于自然因素，同时受林分特征差异的影响。人们在常绿阔叶林中进行经济活动（如采挖中草药）对土壤进行了严重扰动，造成水土流失，降低了土壤质量，且不同地形中坡度有所差异，导致受干扰或侵蚀的程度不同；（3）马尾松林生态系统较脆弱，表现出群落层次结构简单,而针阔混交林具有较高的土壤肥力和较复杂的群落层次，常绿阔叶林作为南亚热带中顶级演替群落，其林分结构更高[12]，物种多样性更高[30]，具有更多的养分资源，团聚体稳定性更高。实际情况下，土壤团聚体稳定性受地形、气候类型、降雨量等多因素综合影响；（4）pH 值显著影响团聚体稳定性[31]。pH 值主要决定了细菌的分布，气候变化相关的森林土壤酸化可能影响了土壤细菌群落组成与功能[32]，转而对有机质的分解与转化过程产生重要影响，较低pH 值促进土壤团聚体形成与保持稳定性过程。

4.2 土壤团聚体稳定性与土壤理化性质关系

有研究认为，SOC 是影响团聚体在不同海拔植被下分布及稳定性的最主要因素[13]，但本研究结果发现：TN 对森林土壤0～10 cm 土层团聚体稳定性影响解释更强，SOC 对10～30 cm 土层团聚体稳定性的影响解释更强。综合土层看，TN 是影响团聚体在城乡梯度下不同林分类型中分布及稳定性的关键因素。结合生态化学计量学理论[33]，这可能是由于研究区域处于氮沉降日趋严重的环境下，城乡梯度下的3 种森林生态系统主要受磷限制，且城市化加剧森林生态系统的磷限制[34]，对土壤微生物产生负面影响；而土壤TN 含量的增加降低了土壤pH 值，与土壤酸性磷酸酶活性的增加呈正相关，长期氮沉降缓解了磷的限制[35]，以致微生物群落组成及多样性发生变化以适应P 限制，进而影响土壤有机质的分解与转化。亚热带地区降雨量较大，森林土壤受水力侵蚀较严重，土壤侵蚀对大团聚体有较大影响，受侵蚀的部位土壤内裹挟的微团粒被水流转移及较大粒径团聚体被冲散，加上下层土的稀释作用，SOC 含量具有表聚效应，导致侵蚀部位土层中SOC 减少[23,36]，以致10～30 cm土层结构稳定较0～10 cm 土层更受SOC 含量影响。本研究结果表明：机械稳定性和水稳性团聚体的Dm与PAD呈正相关，与MWD、GMD呈负相关，这与吴梦瑶等[13]研究结果相似。由此可见，土壤碳氮的累积可能直接促进了土壤大团聚体的形成及其稳定性[37]。

5 结论

（1）城乡梯度下3 种林分类型土壤团聚体组成以大团聚体（>0.25 mm）为主。针阔混交林土壤团聚体稳定性（机械稳定性和水稳性）随城乡梯度递进呈降低趋势，说明城市化能促进针阔混交林土壤团聚体稳定性的增加。城乡梯度下3 种林分类型土壤团聚体的水稳定性基本随土层深度增加而降低，而其机械稳定性与之相反。

（2）较土层深度，城乡梯度与林分类型对土壤团聚体分布及稳定性影响更显著。城乡梯度下不同林分类型土壤团聚体的水稳定性与SOC、TN、TP 等呈正相关，与pH 值、微团聚体（<0.25 mm）含量呈负相关。影响土壤团聚体在城乡梯度下不同林分类型中分布及其稳定性的主要因素有SOC、TN、pH 值等，TN 是关键影响因素。