杉木纯林及其混交林土壤团聚体活性有机碳组分特征

樊容源,叶绍明,张钱春,何雅琴,邓家珍

(广西大学 林学院,广西 南宁 530004)

土壤团聚体是由原生颗粒(砂粒、粉粒、黏粒)、胶结物质和孔隙组成的关键功能单元[1],其大小分布及稳定性常被视为评价土壤肥力的重要指标[2]。平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)是目前衡量土壤团聚体稳定性的重要指标。土壤团聚体有机碳是团聚体形成的主要胶结物质,作为土壤养分转化的重要载体,影响着土壤养分循环和肥力状况,与土壤团聚体相互作用、相辅相成,共同影响着土壤理化性质[3]。

土壤团聚体总有机碳(total organic carbon,TOC)中所含的C,具有不同的稳定性[4]。近年来,Stewart等[5]和Six等[6]的有机碳分组方法被许多学者采纳,采用对土壤扰动较小的物理分组将有机碳分为物理、化学和生物化学保护等不同组分,其中物理组分具有较高的活性,被称为活性有机碳组分。Logninow等[7]根据活性有机碳(labile organic carbon,LOC)组分能被3种不同浓度的KMnO4(33、167、333 mmol·L-1)氧化,分为低活性有机碳(low labile organic carbon,LLOC)、中活性有机碳(moderately labile organic carbon,MLOC)和高活性有机碳(highly labile organic carbon,HLOC)。土壤活性有机碳组分表征土壤有机碳最初的动态平衡,易分解、矿化。尽管活性有机碳组分占总有机碳的比例很小,但对环境因子高度敏感,与土壤碳素转化密切相关[8-9]。

杉木(Cunninghamialanceolata)作为我国亚热带地区的主要造林树种之一,具有速生高产,经济价值高等特点。长期以来,纯林连续栽培方式导致林分生产力和土壤质量不断降低,严重影响着人工林生态系统的稳定性。将杉木纯林改造为针阔混交林,可增加土壤有机碳及养分储量,有效解决土壤质量退化问题[10]。目前关于杉木纯林及其混交林对土壤碳动态变化的影响研究已有报道,但多集中于分析全土以及土壤总有机碳含量等方面[11],而基于团聚体角度揭示土壤团聚体有机碳组分及其储量和贡献率对杉木纯林及其混交林的响应机制鲜见报道。本研究以杉木-米老排(C.lanceolata-Mytilarialaosensis)、杉木-火力楠(C.lanceolata-Micheliamacclurei)混交林及杉木人工纯林0～20 cm和20～40 cm土壤为研究对象,开展杉木纯林及其混交林土壤有机碳组分含量及其储量在团聚体尺度上的变化特征研究,以期为杉木纯林及其混交林土壤肥力提升、保障土壤健康及促进土壤退化生态系统的恢复和管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区地处中国林业科学研究院广西凭祥热带林业实验中心(21°57′-22°16′N,106°41′-106°59′E),属于典型南亚热带季风气候,年平均气温约20.5 ℃。干湿季分明,年日照时长1 400 h,日照分布与杉木生长旺季基本同步,对其生长有利。雨量充沛,年平均降雨量1 350 mm,平均相对湿度82%。地貌类型以低山丘陵为主,成土母岩主要为石灰岩,土壤类型以砖红壤为主,土壤pH为4.8-5.5[12]。该区域原生性植被为亚热带常绿阔叶林,后陆续被人工林代替。本研究区是杉木人工林的主要种植区,其中,火力楠和米老排是与杉木混交的主要树种。其林下植被自然更新种主要包括粗叶钩子(Rubusalceaefolius)、黄毛榕(Ficusesquiroliana)、三丫苦(Melicopepteleifolia) 、柚木(Tectonagrandis)等。

1.2 样地设置与样品采集

2020年11月,依据本区域杉木种植历史,在野外实地踏查的基础上,选择成土母质相同,海拔、坡向、坡度、林分密度基本一致的3种杉木林分类型,设置典型样地。以杉木-米老排混交林(Ⅰ)、杉木-火力楠混交林(Ⅱ)及杉木人工纯林(Ⅲ)土壤为研究对象。调查树高、胸径等林分状况(表1)。3种林分类型均为1992年营造,株行距为2 m×3 m,杉木-米老排混交林和杉木-火力楠混交林混交比例均为3∶1。为了避免“伪重复”,3种林分采用完全随机分布设置15个20 m×20 m 样地(3个林分类型×5个重复),在每个样地中采用五点取样法设置5个1 m×1 m样方,采集样方土壤表层凋落物,用环刀法由上至下采集0～20、20～40 cm土层原状土样,采样点设在等株行距间,各样地距离设置在300 m以上。将各样地中5个采样点土壤分层混合均匀为1个土样,共30个土样(5样方×2土层×3林分),带回室内风干处理。将混合土样沿自然结构分开,过5 mm筛除去枯枝落叶及石砾等。风干后一部分用于测定全土基本理化性质(表1),一部分分离出>2、1～2、0.25～1、<0.25 mm粒径团聚体用于后续分析。

表1 研究样地基本概况

1.3 测定项目与方法

土壤团聚体分级采用最佳水分比例法分级[13],土壤容重、孔隙度采用环刀法[14],pH采用电位法[15],TOC含量采用重铬酸钾-外加热法测定[15];LOC组分根据Logninow等[7]的分类方法划分,采用KMnO4氧化法测定,并根据实际操作略有改进,具体方法如下:称取含15～30 mg碳的土壤样品于50 mL离心管中,加入333、167、33 mmol·L-1KMnO4溶液25 mL,密封振荡1 h,4 000 r·min-1离心5 min,取少量上清液稀释250倍,将稀释液于565 nm波长处比色,根据化学反应KMnO4中Mn7+被酸性土壤还原为Mn2+,计算3种活性有机碳含量,消耗333 mmol·L-1KMnO4记为LLOC、消耗167 mmol·L-1KMnO4记为MLOC、消耗33 mmol·L-1KMnO4记为HLOC。

1.4 数据分析

土壤团聚体稳定性指标选取平均质量直径(MWD,式中用MWD表示)[18]、几何平均直径(GMD,式中用GMD表示)[19],及土壤团聚体各有机碳组分储量(TOC storage,式中用TOC storage表示)[20]及贡献率(CR,式中用CR表示)的计算公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:di为第i粒径团聚体直径的平均值(mm);Wi为第i粒径团聚体占总团聚体的百分含量(%);TOCi代表第i级团聚体中有机碳含量(g·kg-1);Bd为全土容重(g·cm-3);H为土壤厚度(cm);Mi为第i级团聚体占全土比例(%);TOC为总有机碳含量(g·kg-1)。

碳库管理指数(CPMI)用于反映不同杉木林分类型土壤质量的变化。以杉木人工纯林土壤为参考,计算2种杉木混交林土壤团聚体碳库特征,则杉木纯林的CA、CPI及CPMI均为1,下表将不再列出。以杉木纯林土壤碳库活度(A)和总有机碳(TOC)含量的平均值作为参考土壤的A、TOC,计算2种混交林土壤的CPMI。依据Silva等[21]的计算方式如下

碳库活度(A)=LLOC/(TOC-LLOC)

(5)

碳库活度指数(CA)=杉木混交林土壤A/杉木纯林土壤A

(6)

碳库指数(CPI)=杉木混交林土壤TOC/杉木纯林土壤TOC

(7)

碳库管理指数(CPMI)=CPI×CA×100%

(8)

采用Excel 2010和SPSS 26.0对数据进行统计分析。利用单因素(one-way ANOVA)和Duncan法进行方差分析和多重比较(α=0.05),采用Pearson相关性分析土壤团聚体粒级组成及稳定性与土壤有机碳及其组分特征的关系。用origin 2021制图,图中数据均为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成及稳定性

由表2可知,杉木纯林及其混交林土壤团聚体分布随粒径的减小呈减小趋势,3种林分类型土壤团聚体组成主要以>2 mm粒径为主。>2 mm粒径的团聚体含量随土层加深呈减小趋势,<0.25 mm粒径随土层加深呈增加趋势。由图1可知,2种混交林土壤团聚体MWD、GMD均高于杉木纯林且杉木-火力楠MWD、GMD为最高,即团聚体稳定性为杉木-火力楠混交林>杉木-米老排混交林>杉木纯林。随土层加深MWD、GMD值减小,说明团聚体稳定性受到土层深度影响。

图1 杉木纯林及其混交林土壤团聚体稳定性

表2 杉木纯林及其混交林土壤团聚体组成

2.2 土壤团聚体总有机碳及活性有机碳组分含量

由表3可知,3种林分类型土壤团聚体TOC含量随团聚体粒径减小而增加,大部分存在于0～20 cm土层中,并随土层深度增加而下降。其中,杉木-火力楠混交林TOC含量显著高于其他林分(P<0.05),杉木纯林团聚体TOC含量分布较均匀,2土层间土壤团聚体TOC及LLOC含量均表现为杉木-火力楠混交林>杉木-米老排混交林>杉木纯林。杉木纯林团聚体LLOC含量随粒径减小呈先下降再增加的趋势,且在2土层间差异不显著(P>0.05)。MLOC含量在各粒径中差异不显著(P>0.05),稳定在3.86～5.41 g·kg-1,HLOC含量随粒径减小无明显规律可循,说明MLOC、HLOC受其高活性及环境影响较大,但杉木-火力楠混交林HLOC含量在各粒径分布较均匀,说明团聚体良好的稳定性有利于HLOC存在。ROC含量与TOC含量趋势相似,整体上随粒径减小而增加。

表3 杉木纯林及其混交林土壤团聚体有机碳及活性有机碳组分含量

2.3 土壤团聚体各有机碳组分储量及其贡献率

由图2可知,3种林分类型土壤团聚体各有机碳组分储量存在差异,除MLOC及HLOC外,TOC、LOC、LLOC各粒径储量均表现为杉木-火力楠混交林>杉木-米老排混交林>杉木纯林。0～20 cm土层有机碳组分储量显著高于20～40 cm土层(P<0.05),其中TOC储量在土层间差异较大,随土层加深,3种林分类型TOC储量分别减少了59.07%、48.56%、60.07%。总体上团聚体各有机碳组分储量均在>2 mm粒径含量较高,随活性增加各有机碳组分储量减少,MLOC、HLOC储量在不同粒径表现不同的规律。>0.25 mm粒径对有机碳组分的贡献率显著高于<0.25 mm,除HLOC外,TOC、LOC、LLOC及MLOC贡献率以>2 mm粒径最高,达29.72%～68.07%。从土层来看,杉木纯林及其混交林>0.25 mm有机碳组分贡献率随土层加深而降低,而<0.25 mm粒径有机碳组分贡献率随土层加深而增加(图3)。

图2 杉木纯林及其混交林总有机碳及活性有机碳组分储量Fig.2 Storage of total organic carbon and active organic carbon in pure plantation of C.lanceolata pure forest and its mixed forest

图3 杉木纯林及其混交林总有机碳及活性有机碳组分贡献率Fig.3 Contribution rates of total organic carbon and active organic carbon in pure plantation of C.lanceolata pure forest and its mixed forest

2.4 不同林分类型土壤团聚体碳库特征

碳库活度(A)、碳库活度指数(CA)、碳库管理指数(CPMI)及碳库指数(CPI)相关联,CPI和CPMI是土壤碳库变化的量化依据。由表4可知,林分类型Ⅰ、Ⅱ的CPI均大于1且20～40 cm土层CPI显著高于0～20 cm土层(P<0.05),说明杉木2种混交林较杉木纯林都不同程度提高了土壤碳库水平。2种混交林的CPMI均随土壤深度的增加而降低,总体上,2种混交林土壤CPMI、CPI和TOC、LLOC含量分布特征相同,且0～20 cm土层最高。

表4 杉木纯林及其混交林碳库特征Table 4 Carbon pool characteristics in pure plantation of C.lanceolata pure forest and its mixed forest

2.5 土壤团聚体稳定性与活性有机碳组分含量及其储量相关性

由表5可知,MWD、GWD与TOC、LLOC存在显著正相关关系(P<0.05),表明团聚体稳定性是有机碳及低活性有机碳的固存基础。TOC、LLOC与>2 mm粒径呈显著正相关(P<0.05),与其他粒径呈显著负相关(P<0.05),表明>2 mm粒径储存较高含量的TOC、LLOC,而<2 mm粒径团聚体有机质较为缺乏。表征土壤碳库特征的CPI、CPMI和TOC、LLOC与各环境因子的相关性相似,如容重与TOC、LLOC和CPI、CPMI均显著负相关(P<0.05)、pH和孔隙度与TOC、LLOC和CPI、CPMI均无显著相关(P>0.05),说明碳库特征指数可大体表征TOC、LLOC对环境因子的相关性。<0.25 mm粒径团聚体与活性有机碳组分呈负相关关系(P<0.05),但与各碳库特征指数却表现为正相关(P<0.05),这将在讨论部分进行讨论。

表5 团聚体有机碳及其活性组分与环境因子及粒径的相关性Table 5 Correlation analysis of aggregate organic carbon and its active components with environmental factors and particle size

3 结论与讨论

3.1 结论

3种杉木林分类型土壤团聚体组成主要以>2 mm粒径为主,活性有机碳组分MWD、GWD与TOC、LLOC存在正相关关系。土壤团聚体有机碳及活性有机碳组分含量/储量表现为杉木-火力楠>杉木-米老排>杉木纯林,2种混交林土壤团聚体活性有机碳分布处于比较合理的结构状态,碳汇效应较高。大粒径团聚体活性有机碳贡献率占总贡献率的80%以上,是土壤有机碳的主要载体。2种杉木混交林CPI均大于1,CPMI总体大于100%。环境因子及粒径分级对TOC、LLOC影响效应一致,MLOC、HLOC因其高敏性及不稳定性对各影响因子响应程度不高,CPI、CPMI可作为表征大团聚体TOC、LLOC的指数。杉木混交林土壤团聚体稳定性及活性有机碳组分含量/储量优于杉木纯林,有利于保持土壤肥力。

3.2 讨论

3.2.1 杉木纯林及其混交林对团聚体组成及稳定性的影响 研究区3种杉木林分类型土壤均以大粒径团聚体(>0.25 mm)为主,微团聚体含量(<0.25 mm)分布较少,均表现为杉木-火力楠混交林>杉木-米老排混交林>杉木纯林,说明混交林土壤相较于纯林更加稳定,原因可能是火力楠与米老排凋落物生物量大[17],且比针叶易分解,有机质积累使胶结作用加强。此外,混交林枝叶繁密,较大叶面积减少了雨滴机械打击[22],减缓了有机质淋溶,同时混交林根系复杂,可分泌高分子胶结物质[23],对土壤的穿插与分割也促进大团聚体形成[24]。有研究表明,亚热带针阔混交林中 0～20 cm 土层大团聚体含量高于微团聚体[25],本研究结果与其基本一致。这可能是因为凋落物有机质主要集中在土壤表层[26],有利于大粒径团聚体保持,微团聚体由较易沉积的铁铝氧化物胶结而更多存在于较深层土壤。

本研究发现,TOC含量在团聚体中均表现为杉木-火力楠混交林>杉木-米老排混交林>杉木纯林,且随粒径减小含量增加,这是因为针阔混交林凋落物归还速度较快,封存在微团聚体内有机质含量较高[28]。LOC组分总体趋势与TOC一致,表明两者在碳周转及土壤养分转化等过程具有密切的关系[29]。但不同的是,杉木纯林在20～40 cm土层LLOC含量显著高于杉木-米老排混交林,其原因可能是杉木纯林团聚体有机质含量较少,团聚体总有机碳趋于活化以供微生物及细根利用碳源,这种现象在MLOC及HLOC中都有所体现,但由于活性有机碳组分趋于敏感,在更高活性有机碳组分中并不稳定。相反,杉木-火力楠混交林在TOC及LOC中较为稳定,这一现象表明更高活性有机碳稳定性需要总有机碳作为后续储备,因此杉木混交林在TOC及LOC上的表现优于杉木纯林。2种混交林碳库指数均大于1,碳库管理指数总体大于100%,杉木-火力楠混交林在20～40 cm土层达到了杉木纯林的5.4倍,原因可能是混交林为土壤提供了大量直接有机碳源及根分泌物等,提高了土壤中碳转化酶和微生物的数量和活度,促进了有机碳库的周转[30]。

环境因子及粒径分级对TOC、LLOC影响效应一致,MLOC、HLOC因其高敏性及不稳定性对各影响因子响应程度不高,CPI、CPMI同TOC、LLOC相似,对环境因子、团聚体分布及其稳定性也存在相同效应(除<0.25 mm外),说明土壤不同粒径团聚体对有机碳库影响显著,CPI、CPMI可作为表征TOC、LLOC的指数,这与田慎重等[31]的研究结果一致。在本研究中,CPI、CPMI与TOC、LLOC在<0.25 mm粒径团聚体中呈负相关关系,这可能是因为杉木纯林作为参考土壤,在<0.25 mm粒径LLOC含量较大团聚体高,杉木纯林TOC趋于活化以供微生物及细根利用碳源,导致CPI、CPMI指数与TOC、LLOC相关性出现偏差,且微团聚体主要由铁铝矿物胶结,受多因素影响而出现差异,推断CPI、CPMI指数可能不适用于微团聚体及更小粒径团聚体表征碳库特征,但还需要进一步研究。本研究中,MWD、GWD与TOC、LLOC含量显著正相关,说明土壤团聚体有机碳不仅促进了团聚体的形成,也能够促进其自身稳定性[32],促进土壤有机碳的有效固定[33]。有机碳在土壤中主要以活性高的颗粒态有机碳蓄积[34],基于团聚体稳定性的杉木纯林及其混交林土壤团聚体有机碳及活性有机碳组分含量对研究土壤团聚体碳素转化及对土壤碳汇功能的促进具有重要作用。本研究对杉木纯林及其混交林土壤团聚体活性有机碳组分特征仅仅是初步探讨,希望能够为杉木伴生树种多样性提供理论依据。