太行山南麓侧柏人工林土壤团聚体稳定性分析

轩瑄

一、研究背景

土壤团聚体的质量、数量以及大小分布状况不仅能反映土壤肥力、土壤水分、土壤通气性和土壤保水等生态功能，同时还与土壤环境质量、土壤抗腐蚀能力和土壤稳定性有密切联系，是反映土壤结构性质的重要指标和参数。太行山南麓地区土层薄，肥力弱，土壤砾石含量高，有机质含量低，植被丰富度也相对较低，地面裸露程度高，通常通过种植人工林来改善土壤状况，加速植被恢复。广泛分布于温暖地区的侧柏（Platycladus orientails）因其耐旱耐贫瘠，且适应性强，在涵养水源、荒山绿化和保持水土等方面具有重要的生态、经济和社会意义，是太行山南麓重要的人工林树种之一。但有研究表明，侧柏人工林种植年限越高，对土壤肥力的消耗越大，土壤可持续利用能力下降。因此，研究不同恢复年限侧柏人工林土壤结构对于植被恢复效果评价具有重要作用。本研究选择太行山南麓不同林龄（30 a、40 a、50 a、60 a）侧柏人工林为研究对象，通过查阅资料，分析研究区样地内土壤内部理化性质（土壤胶结物质、有机碳含量、微生物活动）以及外部条件（气候、植被类型、恢复年限及土壤动物），探讨影响其土壤团聚体结构稳定性的因素及不同林龄（30 a、40 a、50 a、60 a）侧柏人工林土壤团聚体的稳定性。

二、土壤团聚体

（一）土壤团聚体概述

土壤团聚体是多孔结构体，可以表征土壤结构，是土壤结构的基本组成单位，由土壤中的矿物颗粒、微生物分泌物、有机质等通过复杂反应结合形成。按照0.25 mm粒径大小为标准将土壤团聚体进行分类，可分为粒径>0.25 mm的大团聚体（>PA0.25）和粒径<0.25 mm（

0.25 mm的大团聚体数量越多，土壤稳定性越好。因为，一方面，土壤大团聚体可以通过影响土壤孔隙度来调节土壤透气性从而维持土壤平衡状态;另一方面，土壤大团聚体可以通过影响土壤中酶的活性、微生物数量等来控制土壤中动物以及植物根系的活力，从而影响植物生长，使土壤达到动态平衡状态。

（二）土壤团聚体稳定性评价指标

土壤团聚体是否具有稳定结构通常采用粒径>0.25 mm土壤团聚体比例（>PA0.25）、平均质量直径（MWD）、平均质量比表面积（MWSSA）、土壤分形维数（D）以及土壤团聚体的水稳性等指标进行评价。>0.25 mm土壤团聚体比例（>PA0.25）是指粒径大于0.25 mm团聚体占所有粒径团聚体的质量百分比，一般认为当>PA0.25大于70%时，土壤结构稳定;土壤团聚体平均质量直径（MWD）反映土壤团聚程度，常用来表征土壤结构的优劣，平均质量直径（MWD）越大，土壤团聚程度越高，土壤越稳定;平均质量比表面积（MWSSA）是指土壤团聚体在不同裸露程度的地面上大土壤团聚体被破坏的趋势，平均质量比表面积（MWSSA）越大，土壤中大团聚体被破坏量越大，土壤结构越差，土壤越不稳定;土壤团聚体是一种多孔介质，具有一定分形特性，因此，土壤分形维数（D）也是评价土壤性质和团聚体分布的潜在指标，土壤分形维数（D）越大，土壤结构越差。

（三）土壤团聚体形成与破裂机制

一系列复杂的物理、化学、生物因素影响着土壤团聚体的形成，有关土壤团聚体形成的概念在研究中被不断提出。黏团模型这一概念由Emerson首次提出，他认为土壤中的黏土晶体和有机质共同维持土壤的稳定。团聚体形成模型由Edwards提出，他认为土壤团聚体由土壤中的离子、黏粒和有机质结合形成。团聚体等级发育模型由Tisdall提出，Oades后对其进行修改，他们认为首先由土壤中真菌、细菌及其分泌物、菌丝和动植物残体和土壤中原生矿物颗粒和发生胶结作用，形成土壤微团聚体。然后，土壤中游离的微团聚体在一些胶结物质如微生物、植物多糖、根和真菌菌丝体等作用下结合，形成土壤大团聚体。在土壤大团聚体形成一段时间后，由于多糖和生物酶的作用，大团聚体内部胶结性降低，同时大团聚体可能会受到来自环境的挤压等外力，使大团聚体首先分解为中型团聚體，最后放出土壤微团聚体。

土壤团聚体在受到不同条件影响后会破裂成微团聚体，目前有三种有关土壤团聚体的破裂机制，分别是：糊化作用、非均匀膨胀作用以及机械破裂作用。糊化作用是指土壤团聚体空隙中的空气受到水分影响发生压缩而产生的膨胀破裂现象;非均匀膨胀作用是指受到水分影响后的土壤团聚体与矿物质产生的膨胀破裂现象，与糊化作用类似;机械破裂作用是指人类等自然界生物在土壤上进行活动，或者气候变化时如降雨而引起的使土壤团聚体破碎进而发生的破裂现象。

三、研究区概况

本次研究选择的不同林龄侧柏人工林样地位于黄河小浪底森林生态定位研究站（35°1'～35°4'N，112°28'～112°30'E），研究区位于河南省济源市，

隶属于中国森林生态系统定位研究网络（Chinese Forest

Ecosystem Research Network，CFERN）。研究区内年平均气温约为14.0℃，为暖温带大陆性季风气候。

选择研究区内立地条件、坡度基本一致且林龄分别为30 a、40 a、50 a和60 a的侧柏人工林。通过查阅资料可得样地基本性质，如林分密度从高到低依次为30 a侧柏人工林（4 000株·hm-2）、50 a侧柏人工林（3 400株·hm-2）、40 a侧柏人工林（2 600株·hm-2）

和60 a侧柏人工林（1 900株·hm-2），郁闭度从高到低依次为60 a的侧柏人工林、50 a侧柏人工林、40 a侧柏人工林，30 a侧柏人工林郁闭度最小。通过查阅资料还可以得到样地不同林龄侧柏人工林土壤的基本性质，如土壤孔隙含水率、土壤pH、土壤容重、土壤总孔隙度和土壤黏粒体积分数。

四、 太行山不同林龄侧柏人工林土壤团聚体稳定性分析

土壤团聚体越稳定，土壤的可持续利用率越高，土壤有机质含量越高，土壤状态越好，植物生长越稳定，生物群落多样性越丰富。土壤母质、土壤有机质、有机碳含量、微生物活动等对团聚体的胶结起直接作用;林分密度、气候、人工林恢复年限、植被类型、人为干扰等外界因素也会对团聚体形成产生间接影响。对太行山南麓侧柏人工林来说，黏粒含量、有机碳含量、林分密度等在不同林龄间差异较显著，我们可以由此预测该地区不同林龄侧柏人工林土壤稳定性。

（一） 土壤内在理化性质对土壤团聚体稳定性影响

1.土壤胶结物。土壤中的植物地表枯落物、植物根系等都称为有机胶结物，这类胶结物质能够增加土壤团聚体的胶结能力，帮助大团聚体形成，从而增强土壤稳定性。而土壤黏粒、土壤中的金属离子等称为无机胶结物质，也是土壤团聚体形成的重要组成物质。有机胶结物和无机胶结物共同组成的胶结物称为有机无机胶结物质复合体。这三种胶结物质是决定土壤团聚体稳定性的关键因素。土壤黏粒构成土壤黏团，植物根系、土壤中微生物和有机质等通过土壤黏团与土壤颗粒形成土壤团聚体，因此，土壤中黏粒含量越高，土壤结构越好。

分析不同林龄不同土层侧柏人工林土壤黏粒含量可以得到：相比于不同林龄，50 a林龄侧柏人工林土壤中黏粒含量相对较高，之后依次为30 a、60 a和40 a林龄侧柏人工林;相比于不同土层，30 a、40 a、50 a林龄侧柏人工林黏粒含量变化相同，均随着土层深度的增加而不断增加，60 a林龄侧柏人工林则相反。

2.土壤有机碳含量。史长婷、王恩姮等人研究发现，土壤中有机碳含量越高，土壤团聚体越稳定。人工林林下凋落物有助于土壤积累有机碳，是森林土壤环境有机碳的重要积累来源;同时，土壤中团聚体的数量越多，也越有利于土壤有机碳的积累。苗蕾等人研究发现，在太行山南麓人工林中，林龄大的乔木林下凋落物数目最多，林下凋落物数目排序为：40 a乔木人工林大于20 a乔木人工林大于灌木林。

由此我们可以推测样地内不同林龄侧柏人工林地表凋落物含量由30 a到60 a逐渐增加。

3. 微生物活动。人工林主要通过影响林内小气候、凋落物归还与周转、细根产量及根系分泌物间接影响土壤酶活性，土壤中微生物群落在有机物分解过程中被激活，导致土壤中的细菌和真菌数量提高，由此产生的细菌、真菌分泌物可以提高土壤团聚体的稳定性。因此，土壤微生物数量大小与质量高低间接影响土壤团聚体的分布与稳定程度。

研究发现，在太行山南麓不同林龄侧柏人工林土壤中，土壤酶活性变化一致，均表现为随林龄的增加先升高后降低，其值在40 a侧柏人工林土壤中达最高。酶活性影响着土壤中微生物活动，从而可能致使太行山南麓侧柏人工林土壤微生物活性在30～40 a林龄侧柏人工林呈逐渐上升趋势，40～60 a林龄侧柏人工林呈逐渐降低趋势。

（二） 外界因素对土壤团聚体稳定性影响

1.气候与土地利用类型。干旱、降雨等不同气候都会影响土壤的干湿状态，干湿交替的环境状态可以增强土壤的抗腐蚀性，激发土壤呼吸，使土壤处于良好的结构状态。不同土地利用类型也对土壤团聚体含量及稳定性影响显著，对于土地利用类型来说，有研究表明荒地和农田用地的土壤团聚体稳定性较劣于林地。

研究区气候为暖温带大陆性季风气候，降雨多集中在雨季。通过分析土壤孔隙含水率可得，太行山南麓30 a林龄侧柏人工林土壤孔隙含水率最高，50 a与60 a次之，40 a最低。

2.人工林不同恢复年限。基于中国森林资源清查数据，并参照国家林业局《主要树种龄级及龄组划分（LY/T 2908—2017）》，天然侧柏林龄级划分如下：幼龄林（≤ 80 a）、中龄林（81～100 a）、近熟林（101～120 a）、成熟林（121～160 a）以及过熟林（≥161 a）。而侧柏人工林龄可分为幼龄林（≤40 a）、中龄林（41～60 a）、近熟林（61～80 a）、成熟林（81～120 a）和过熟林（≥121 a）。有研究认为，林分密度和郁闭度均会对土壤团聚体的稳定性产生影响。

太行山南麓30 a侧柏人工林林分密度最大，郁闭度最低，之后依次是40 a、50 a、60 a的侧柏人工林。

3. 土壤动物。土壤具有松散性，是疏松多孔结构，以土壤为生存环境的动物，如蚯蚓和爬虫等，在一定程度上也会影响土壤团聚体的稳定性。这些土壤动物在土壤中生存活动，必然会产生外力作用，当土壤受到来自土壤动物施加的外力作用时，大团聚体破碎，土壤稳定性降低继而对土壤结构造成影响。

五、 结论

通过对以上影响土壤团聚体稳定性因素的分析，我们可以大概推测：相比于其他林龄侧柏人工林土壤，30 a侧柏人工林的土壤团聚体稳定性可能处于较优水平，50 a和40 a侧柏人工林土壤次之，60 a侧柏人工林土壤团聚体稳定性可能较差。这可能是由于30 a側柏人工林处于生长旺盛期，根部吸收养分能力强，代谢速度快，树叶掉落量多，林下凋落物积累量大，且林分密度适合，林木向土壤释放的有机质含量高，使得土壤团聚体相较其他林龄稳定。而随着恢复年限的增加，恢复年限高的人工林对土壤的消耗更大，林木老化更严重，林木根部对养分的吸收降低，归还土壤养分量下降，土壤有机质含量随之下降，且林分郁闭度逐渐增加，阳光难以照射入人工林内，人工林内和林内土壤受光照减少，林内温度及土温降低，土壤微生物活性下降，结果导致土壤大团聚体形成受阻。太行山南麓长期存在着地面裸露程度高，造林困难，植被恢复速度慢等困扰山区绿化的问题，可以依据此结果，对太行山南麓不同林龄侧柏人工林土壤进行不同对应处理，以此增强土地可持续利用性能，加速太行山南麓植被恢复。

（责任编辑    王倩）