2023, Vol. 50文章信息
引用本文 |
基金项目
- 四川省重点研发计划项目（2021YFN0125）；中国烟草总公司四川省公司科技项目（SCYC202106）
作者简介
- 韩云伟（1976—），男，在读博士生，研究方向为山区生态修复与环境管理，E-mail: hanyw1976@163.com.
通讯作者
- 王青（1967—），男，博士，教授，研究方向为山区环境规划与治理，E-mail: qingw@imde.ac.cn.
文章历史
- 收稿日期：2023-02-19
2. 西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010
2. School of Environment and Resources, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China
【研究意义】土壤团聚体组成和稳定性是土壤肥力的物质基础，是反映土壤结构优劣的重要指标[1]，直接影响土壤水气体交换、土壤有机质和养分循环以及土壤微生物多样性和活性[2-4]。土壤团聚体稳定性和有机碳分布一直是生态修复研究的重点。【前人研究进展】土壤有机碳可以通过胶结、包裹、菌丝和植物根系缠绕、填充等作用参与土壤团聚体的形成，提高土壤结构稳定性[5]；而土壤团聚体的形成过程又促进土壤有机碳在其内部的转化与固持[6]。不同用地类型和管理方式能够显著影响土壤团聚体粒径组成和有机碳分布：林地转化为耕地通常引起土壤团聚体稳定性降低和有机碳损失，而退耕还林则会增加土壤大团聚比例和有机碳含量[7]。Liu等[8]研究发现，免耕葡萄园的土壤团聚体稳定性及有机碳含量显著高于马尾松林、刺槐林、水稻及草地。Zhang等[9]研究表明，耕地转变为林地、草地、灌丛地和梯田后，水稳性大团聚体含量分别增加71%、66%、46% 和35%。Zhao等[10]研究显示，水稻田、次生林、玉米地、油菜地、大豆地及甘薯地的土壤大团聚体含量和土壤有机碳含量差异显著。可见，土地类型是影响土壤团聚体稳定性及其有机碳分布的重要因素[11]。
【本研究切入点】岷江上游干旱河谷是长江上游典型的生态环境脆弱区和经济贫困区[12]。1999年该区域实施退耕还林政策，大量坡耕地陆续转变为果园与生态林，有效缓解了土地退化和经济落后等问题。目前，关于岷江上游干旱河谷退耕还林对土壤有机碳的研究较多，王晓君等[13]发现不同土地利用类型土壤有机碳含量差异显著；Liu等[14]研究表明，退耕还林有利于增加土壤有机碳含量，且土壤有机碳含量与海拔呈线性正相关；Chen等[15]研究显示，农田转变为花椒林后，土壤有机碳含量随着种植年限的增长而增加，认为人工造林是土壤碳封存的最佳措施。然而，关于岷江上游退耕还林类型对土壤团聚体粒径组成及稳定性影响的研究却很少。【拟解决的关键问题】本研究通过比较岷江上游干旱河谷原生林、生态林和果园（樱桃、脆李、苹果）的土壤团聚体粒径组成、稳定性及有机碳分布的差异，阐明林地类型、海拔梯度、土壤深度及砾石含量对土壤团聚体及有机碳动态的贡献度，为干旱河谷区生态治理与生态农业发展提供数据支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于四川省理县佳山村（31°32'32''N、103°26'57''E），属亚热带山地季风干旱气候，年降水量500~600 mm，年蒸发量1 300~1 900 mm，年均气温10~11℃。海拔2 000 m以下的干旱河谷的土壤为旱生灌木草丛植被下发育的山地燥褐土；海拔2 000~2 400 m为山地落叶阔叶林下发育的黄棕壤。土层浅薄，砾石含量较高。植被的海拔垂直分布差异明显，原生林分布在海拔2 300~2 800 m处，主要物种有川滇高山栎（Quercus aquifolioides）、冬瓜杨（Populus purdomii）等；生态林主要分布在海拔2 200~2 500 m处，主要物种为刺槐（Robinia pseudoacacia Linn）。果园分布在海拔1 500~2 200 m处，包括樱桃（Cerasus pseudocerasus Lindl.）、脆李（Prunus cerasifera Ehrh.）、苹果（Malus pumila Mill）等。
1.2 土样采集与测定2020年11月，在研究区海拔1 500~2 500 m处，选取原生林、生态林、果园（樱桃、脆李及苹果）3类林地，共35个样地。在每个样地中央划出1块10 m×10 m样方，每个样方内设5个采样点。考虑到不同林地类型人类活动的最大影响深度，将采集深度设置为60 cm，每15 cm进行分层；另外，为凸显生态林和原生林土壤表层（0~5 cm）枯枝落叶层的影响，将表层0~15 cm进一步划分为0~5、5~15 cm。每个样方的5次重复采样构成混合样品，剔除砾石和植物根后自然风干，用于土壤有机碳含量的测定。土壤表层团聚体易受外界干扰发生变化，同时也是生态恢复最快的，因此，挖取0~5、5~15 cm原状土，用于土壤团聚体测定。
称取3份50 g风干土样，使用TTF-100型土壤团聚体湿筛分析仪，30 r/min转速下进行5 min湿筛分选[16]，获得5~10 mm、2~5 mm、0.25~2 mm、0.053~0.25 mm、＜0.053 mm粒级的水稳性团聚体。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定。
1.3 数据处理与分析土壤平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）反映土壤团聚体大小分布状况，其数值越大，表示土壤团聚体的团聚性和稳定性越强[17]。
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式中，Xi为第i级团聚体平均直径，Wi为Xi相应的粒级团聚体占总重的百分比含量。
土壤有机碳储量（SOCS）的计算公式为：
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式中，SOCS为土壤有机碳储量（t/hm2），Ci为第i土层的有机碳含量（g/kg），Ti为第i土层厚度（cm），Di为第i土层容重（g/cm3），Ri为第i土层砾石含量（%）。
在SPSS 26中，利用单因素方差分析对不同林地类型土壤团聚体分布、稳定性和有机碳储量进行比较。在RStudio 4.2.1中，利用广义线性混合效应计算林地类型、土层深度、海拔梯度及砾石含量对土壤团聚体稳定性及有机碳含量的贡献度。
2 结果与分析 2.1 不同林地类型的土壤团聚体组成和稳定性特征2.1.1 土壤团聚体组成 从表 1可以看出，对于表层（0~5 cm）土壤，原生林土壤团聚体含量从高到低依次为5~10 mm>2~5 mm>0.25~2 mm> 0.053~0.25 mm > 0~0.053 mm，即土壤团聚体粒级越大，占比越高，大团聚体（＞0.25 mm）占比达到96.90%。与原生林相似，生态林土壤团聚体各粒级含量也随粒级减小而降低，而5~10、2~5 mm粒级团聚体含量明显小于原生林，0.25~2、0.053~0.25、0~0.053 mm粒级土壤团聚体含量明显高于原生林。与生态林和原生林不同，果园土壤团聚体各粒级含量从高到低依次为0.25~2 mm>2~5 mm > 5~10 mm>0.053~0.25 mm> 0~0.053 mm，不同果园间各粒级团聚体含量差异不显著。果园大团聚体占比明显低于生态林，而微团聚体含量明显高于生态林。可见，耕地退耕为生态林更有助于表层土壤（0~5 cm）大团聚体的形成，但要在20年内恢复到原生林水平是非常困难的。
对于5~15 cm土层，生态林与原生林土壤各粒级团聚体的分布特征与表层（0~5 cm）基本一致。5~10、2~5 mm粒级团聚体含量明显减小，0.25~2、0.053~0.25、0~0.053 mm粒级团聚体含量明显增大。果园土壤各粒级团聚体的分布特征与表层（0~5 cm）基本一致，不同的是樱桃与脆李、苹果园的团聚体粒级组成有一定差异，樱桃园5~10、2~5 mm粒级的团聚体含量显著高于脆李园和苹果园，而樱桃园0.053~0.25 mm和0~0.053 mm粒级的团聚体含量显著低于苹果园。生态林大团聚体比重高于果园，而微团聚体（＜0.25 mm）含量则低于果园。表明生态林在0~5 cm和5~15 cm深度的土壤团聚体稳定性高于果园。
2.1.2 土壤团聚体稳定性 由图 1可知，不同林地类型土壤水稳性团聚体的平均重量直径（MWD）和几何平均直径（GMD）差异显著。对于土壤表层（0~5 mm），土壤团聚体稳定性表现为原生林＞生态林＞樱桃园＞脆李园和苹果园，脆李园和苹果园之间无显著差异。在5~15 mm土层，生态林土壤团聚体稳定性明显高于果园，二者土壤团聚体稳定性显著小于原生林。随着土层深度增加，生态林土壤团聚体MWD和GMD从0~5 mm土层到5~15 mm土层显著降低，而果园土壤团聚体MWD和GMD在土壤上下层之间无显著差异。土壤团聚体稳定性总体表现为原生林最大，生态林次之，果园最低。
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小写英文字母不同者表示同土层不同样地间差异显著 Different lowercase letters represent significant differences between different forest types A: MWD; B: GMD 图 1 不同林地类型土壤团聚体的稳定性 Fig. 1 Stability of soil aggregates in different forest types |
2.2 不同林地类型土壤有机碳固定特征
从图 2可以看出，在0~5、5~15 cm土层，土壤有机碳含量（SOCC）表现为原生林＞生态林＞樱桃园＞脆李园和苹果园；在15~30 cm土层表现为原生林＞生态林和樱桃园＞脆李园和苹果园；在30~45、45~60 cm土层表现为樱桃和生态林＞脆李园和苹果园。不同林地类型土壤有机碳含量随着土层深度增加而降低，原生林降幅最大，生态林次之，果园（樱桃、脆李、苹果）降幅最小。土壤总有机碳储量表现为樱桃园＞生态林＞脆李园＞苹果园＞原生林。对于0~30 cm土层，生态林土壤有机碳储量最高（63.1 t/hm2），樱桃园（56.1 t/hm2）、苹果园（52.5 t/hm2）、脆李园（51.3 t/hm2）次之，原生林最低（47.3 t/hm2）；对于30~60 cm土层，樱桃园土壤有机碳储量最高（40.3 t/hm2），脆李园（32.9 t/hm2）和苹果园（29.3 t/hm2）次之，生态林最低（24.7 t/hm2）。土壤有机碳的分布特征：原生林为高含量低储量，生态林为高含量高储量，果园为低含量高储量。
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| A: 土壤有机碳含量；B: 土壤有机碳储量 A: SOCC; B: SOCS 图 2 不同林地类型的土壤有机碳分布 Fig. 2 Distribution of SOC in different forest types |
2.3 土壤团聚体及有机碳的关系及其影响因素
2.3.1 土壤团聚体稳定性与有机碳分布关系 土壤团聚体稳定性指标与有机碳含量、有机碳储量的相关性分析如表 2所示。土壤有机碳含量与大团聚体占比、平均重量直径、几何平均直径呈显著正相关性，土壤有机碳储量与有机碳含量、大团聚体占比、平均重量直径、几何平均直径无显著相关性。大团聚体占比与平均重量直径、几何平均直径呈显著正相关性。土壤团聚体平均重量直径与几何平均直径呈显著正相关性。
2.3.2 土壤砾石含量与有机碳分布关系 从图 3可以看出，原生林、生态林、樱桃园、脆李园、苹果园的土壤砾石含量分别为49.63%、40.01%、28.00%、28.72%、26.87%，原生林和生态林的土壤砾石含量显著高于管理密集的樱桃园、脆李园、苹果园。不同林地类型土壤有机碳含量与砾石含量均呈显著正相关。原生林和生态林土壤有机碳储量与土壤中的砾石含量呈负相关，而果园土壤有机碳储量与砾石含量呈正相关。
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| A: 土壤砾石含量；B: 土壤有机碳含量与砾石含量的相关性; C: 土壤有机碳储量与砾石含量的相关性 A. GC of soil; B. Correlation between SOCC and GC; C. Correlation between SOC and GC 图 3 土壤砾石含量与有机碳含量、有机碳储量的相关性 Fig. 3 Correlation between GC of soil and SOCC/SOCS |
2.3.3 不同影响因子的贡献度 各因子对土壤团聚体稳定性指标（MWD、GMD）和有机碳均有显著影响（表 3）。林地类型、海拔梯度、土层深度、砾石含量及海拔梯度×林地类型对MWD的贡献度分别为41.95%、36.29%、2.00%、2.21%、13.43%；对GMD的贡献度分别为45.24%、32.30%、2.99%、2.29%、13.59%；对土壤有机碳含量的贡献度分别为44.34%、31.32%、7.69%、4.00%、6.01%。可见，对土壤团聚体稳定性和有机碳含量贡献度最大的因子为林地类型，对土壤有机碳储量贡献度最大的因子为土层深度（76.15%），其他因子及交互作用对土壤有机碳储量的影响无显著性影响。表明土壤团聚体稳定性（MWD、GMD）及土壤有机碳含量的主控因素为林地类型，土壤有机碳储量的主控因素为土层深度。
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3 讨论
本研究中，土壤水稳性大团聚体含量、团聚体稳定性（MWD、GMD）均表现为原生林＞生态林＞果园（樱桃、脆李和苹果）。这与胡小洁等[18]在长白山不同海拔高度的观测结果类似，但原因有所不同。首先，研究区内的原生林和生态林分布在海拔2 200 m以上，土壤水分、植被生物量和凋落物量较高，为土壤提供更多有机胶结物[19]；其次，原生林和生态林土壤地表植被覆盖率较高，削弱了降水和地表径流对土壤的侵蚀力[20]，利于土壤团聚体稳定性的提高[21]；第三，原生林和生态林土壤受人类扰动较小，有利于植物根系、菌丝、有机碳对土壤微团聚体的固结并向大团聚体转化[22]，从而增强了土壤团聚体的稳定性。果园分布在海拔2 200 m以下，频繁的田间管理（如耕作、施肥、除草、去石）致使土壤强烈扰动，在一定程度上加速了土壤有机碳分解，破坏了土壤大团聚体结构[23]；同时，稀疏的地表植被致使水土流失较为严重，不利于土壤大团聚体的形成与保持，导致土壤团聚体稳定性变差。但李娟等[24]研究发现，在贵州省干热河谷，火龙果园＞2 mm的土壤团聚体含量比天然乔木林提高10.59%，提出合理的土地管理是火龙果园土壤大团聚体含量较高的重要原因。综上所述，林地类型、海拔高度和管理方式是影响土壤团聚体稳定性的重要因素。
林地类型和管理方式对土壤有机碳分布起重要作用[25]。本研究中，土壤有机碳分布特征表现为原生林高含量低储量，生态林高含量高储量，果园低含量高储量。这与Liu等[14]研究结果相似，他们发现岷江上游干旱河谷土壤有机碳含量表现为生态林＞（花椒林和梨园）。干旱河谷的原生林和生态林分布区海拔（＞2 200 m）较高，水分条件较好，丰富的生物量和凋落物为土壤提供较充足的碳源[26-27]；温度较低，土壤有机碳矿化速率较慢[28]；人类活动扰动较少，土壤团聚体对有机碳的保护作用较强，有利于土壤有机碳的累积[29]。果园分布区海拔较低，气温较高，有机碳分解快、累积效应差[14]；地表裸露，在雨季易遭受水土流失。此外，果园频繁的人工干扰阻碍了土壤大团聚的形成，破坏了土壤结构稳定性，加速了土壤有机碳的分解速率，不利于表层土壤有机碳的累积。
多项研究表明，人工林表层土壤有机碳储量低于原生林。杨玉盛等[30]发现在中亚热带山区果园0~20 cm深度的土壤有机碳储量显著低于原生林；姜广争等[31]提出，岷江上游干旱河谷区经济林（花椒）0~10 cm深度的土壤有机碳储量显著小于天然次生林和天然林。本研究结果显示，生态林和樱桃0~30 cm深度土壤有机碳储量显著高于原生林。这与“人工去石”引起果园和耕地土壤砾石含量下降有关[32]。不同林地类型土壤有机碳储量的差异与砾石含量有关。原生林和生态林的较高砾石含量（50%、40%）与土壤有机碳储量呈负相关，果园较低的砾石含量（29%）与土壤有机碳储量呈正相关。这是因为在干旱环境中砾石能够减少蒸发、优化土壤孔隙结构，提高持水性和生物活性，利于土壤有机碳累积[33]。但是过量的砾石减少了细土（有机碳的储存体）含量，从而不利于土壤的碳储存[34]。此外，可能还受作物类型和退耕年限的影响[35]。
研究区“谷上林地谷下园、缓坡梯田果牛羊”山地立体农业正在成为一种良性的生态农业。“谷上林地”指分布在海拔2 200 m以上的生态林，“谷下园”指分布在海拔2 200 m以下的果园，“果”指地域性优质果品，即车厘子、红（青）脆李、糖心苹果，“牛羊”指退耕地的畜禽养殖，即藏族的牦牛、藏马、藏香猪、三黄鸡及羌族的北川白山羊。这种山地立体式农业生产具有良好的综合效益。本研究结果显示，生态林在0~30 cm土层的有机碳累积能力明显优于果园，表明生态林有较高的生态效益；但二者均低于原生林，表明果园和生态林土壤的固碳效益提升潜力很大。通过走访调查得知，果园的收益明显高于生态林。可见，这种立体式山地农业是干旱河谷农业可持续发展的理想模式，提升表层土壤有机碳含量和稳定性应作为今后果园管理的重点。
4 结论对于土壤团聚体而言，果园大团聚体含量显著低于生态林，果园与生态林的大团聚体含量显著低于原生林；大团聚体的分布表现为：原生林和生态林＞5 mm粒级的团聚体含量最高，而在果园0.25~2 mm粒级的含量最高；土壤团聚体稳定性均为原生林＞生态林＞樱桃园＞脆李园和苹果园。对于土壤有机碳而言，其分布特征表现为原生林高含量低储量、生态林高含量高储量、果园低含量高储量。土壤团聚体稳定性及有机碳含量的主控因素为林地类型，土壤有机碳储量的主控因素为土层深度。“谷上林地谷下园、缓坡梯田果牛羊”的立体式山地农业是干旱河谷农业发展的理想模式，且提升表层土壤有机碳含量和稳定性应作为今后果园管理的重点。因此，应合理配置不同海拔的用地类型，减少人为过度干扰，增强土壤固碳潜力，发挥干旱河谷农林产业更大的生态效益和经济效益。
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(责任编辑 白雪娜)