白秀梅，韓有志，郭漢清

(山西農(nóng)業(yè)大學林學院，太谷030801)

龐泉溝自然保護區(qū)位于山西省西部，是汾河主要支流—文峪河的發(fā)源地，區(qū)內(nèi)有華北高海拔地帶的代表性森林植被。這里的森林植被發(fā)揮著良好的土壤保持和水源涵養(yǎng)及生態(tài)景觀功能［1］，但是保護區(qū)內(nèi)的部分人工林由于樹種組成單一，林下植被稀少，長期生長或多代連栽后導致林地土壤性質(zhì)存在一定的極化(即土壤性質(zhì)非平衡或極端化發(fā)展趨勢)或退化危險［2］，加之人為樵伐、采藥、放牧等活動的影響，進一步加劇了土壤退化的程度。所以，迫切需要開展該區(qū)森林土壤性質(zhì)動態(tài)變化研究。

土壤團聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，是決定土壤肥力狀況的重要因素［3-5］。團聚體的大小分布及穩(wěn)定性在維持土壤孔隙、調(diào)節(jié)土壤水氣矛盾、促進植物根系生長和防治土壤侵蝕退化方面發(fā)揮著重要作用［6-9］。土壤團聚體可分為大團聚體(粒徑≥0.25mm)和微團聚體(粒徑≤0.25mm)，大團聚體是由土壤顆粒與腐殖質(zhì)凝結(jié)而成的、近似球形的較疏松的多孔小土團［10］。一般將大團聚體稱為土壤團粒結(jié)構(gòu)體，它是維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，其含量越高，土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越大［11-13］。土壤有機碳含量與土壤大團聚體的形成與穩(wěn)定關(guān)系密切［9，12］。研究表明，植被覆蓋［13］、土地利用方式［9，14］及人類生產(chǎn)活動［15-17］等都會影響土壤有機碳含量及分布，從而也會影響土壤大團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性。Wuddivira［18］、Candan［19］等研究表明，土壤大團聚體對土地利用和管理的變化最為敏感，可以通過對土壤大團聚體含量及穩(wěn)定性的研究來研究土壤結(jié)構(gòu)特征。

目前，眾研究者采用團聚體分形維數(shù)［20］、團聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)［21］、團聚體水穩(wěn)性指數(shù)［22］等不同指標對林地土壤團聚體特性展開了研究，但主要集中在西南低山丘陵等林地［23-25］、南方紅壤低山、中山林地［7，26］以及黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)林地［27-28］，針對黃土高原高海拔地帶的代表性森林植被對土壤大團聚體含量及特性的影響研究還鮮見報道。為此，本研究選取龐泉溝自然保護區(qū)內(nèi)4種典型森林土壤為對象，分析其土壤大團聚體含量及特性，以期更好地描述不同林地土壤結(jié)構(gòu)狀況，從而為該區(qū)林地資源的合理經(jīng)營及以水源涵養(yǎng)和生態(tài)環(huán)境改善為主要經(jīng)營目的的植被建設(shè)提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

龐泉溝國家級自然保護區(qū)，位于山西省西部呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū)(111°21'—111°37'E，37°45'—37°59'N)，海拔1500—2830m，山勢險峻，自然植被茂盛，是山西呂梁山水源涵養(yǎng)林的主體和天然林保護的重點地區(qū)，是我國暖溫帶殘存的天然林中少數(shù)保存完整的林區(qū)之一，該區(qū)也是山西生態(tài)環(huán)境的重要屏障。該區(qū)屬暖溫帶大陸性山地氣候區(qū)，年平均氣溫4.3℃。年平均降水量822.6mm，降雨多集中在7—9月份，該時段降水量為全年降水量的83%以上。同時該區(qū)也是山西省的暴雨多發(fā)區(qū)。

本研究區(qū)內(nèi)優(yōu)勢喬木樹種為華北落葉松(Larix principis-rupprechtii)、油松(Pinus tabulaeformis)、云杉(包括青杄(Picea meyeri)和白杄(P.wilsonii)遼東櫟(Quercus liaotungensis)以及樺木(包括白樺(Betula platyphlla)和紅樺(B.albo-sinensis)和山楊(P.davidiana)等，林相較為整齊，郁閉度0.6—0.7，林齡40—60年。灌木叢主要有沙棘(Hippophaer hamnoides)、箭葉錦雞兒(Caragana jubata)、繡線菊(Spiraea salicifolia)、山刺玫(Rosa davurica)等。草本主要有紫花苜蓿(Medicago sativa)、鹿蹄草(Pyrola rotundifolia)、毛茛(Ranunculus japonicus)等。土壤類型從低海拔到高海拔依次為山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亞高山草甸土，林下灌草植被因喬木層林冠郁閉度的差異而不同。

本實驗選取龐泉溝自然保護區(qū)內(nèi)華北落葉松人工林、天然次生楊樺闊葉林、天然次生云杉-華北落葉松-楊樺針闊混交林(下文中簡稱針闊混交林)、人工沙棘灌木林等4種典型林分，并在各林分內(nèi)選取坡向、坡度、坡位基本一致的地段設(shè)立標準樣地(20 m×20 m)，并選擇在該區(qū)分布較多的撂荒地(2005年棄耕)為對照，對各標準地土壤團聚體特性進行研究。各標準地基本特征見表1。

表1 標準地基本情況Table1 Basic situation of the sample plots

1.2 土壤樣品的采集與處理

2012年6 月中旬，分別在華北落葉松林、楊樺闊葉林、針闊混交林、沙棘灌木林以及撂荒地的各標準樣地內(nèi)隨機選取有代表性的5個采樣點，畫出30cm×30cm的小樣方，收集樣方內(nèi)所有枯落物，烘干稱重計算枯落物蓄積量，并在每一小樣方內(nèi)用環(huán)刀采集0—20cm深原狀土，測定土壤容重;同時用硬質(zhì)塑料盒采集該深度原狀土帶回實驗室處理，測定土壤團聚體;采集同一林分樣地內(nèi)5個采樣點土樣，混合，用四分法取該深度混合土樣，測定土壤其它理化指標。各標準地土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 不同林地土壤理化性質(zhì)Table2 Soil physical and chemical character of different forest stands

1.3 分析方法與數(shù)據(jù)處理

土壤機械組成測定采用比重計法;有機碳含量測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法;毛管孔隙度測定采用環(huán)刀浸透法;風干團聚體含量測定采用沙維諾夫［10］干篩法;水穩(wěn)性團聚體含量采用Yoder［10］濕篩法。團聚體結(jié)構(gòu)破壞率=［干篩(＞0.25mm團聚體)-濕篩(＞0.25mm團聚體)］ /干篩(＞0.25mm團聚體)×100%;團聚體的平均重量直徑(MWD)計算采用邱莉萍等［21］推導的公式:MWD=∑XiWi(i=0，1，2，…，n)，式中MWD為團聚體平均重量直徑，Xi為每一級別團聚體的平均直徑(mm)，Wi為每一級別團聚體的重量百分數(shù)。

采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)初期處理，使用SPSS 13.0進行多重比較及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林地土壤風干大團聚體分布

通過干篩可獲得土壤大團聚體總數(shù)，這些大團聚體包括非水穩(wěn)性團聚體和水穩(wěn)性團聚體［29］。不同粒級土壤團聚體含量反映團聚體的機械穩(wěn)定性，即團聚體抵抗外力免被壓碎或抵抗外部環(huán)境變化而保持原有形態(tài)的能力［30］。從表3可知:不同林地與撂荒地比較，0—20cm土層0.25—10mm粒徑范圍土壤大團聚體含量均表現(xiàn)出顯著差異(P＜0.05)，針闊混交林、楊樺闊葉林、沙棘灌木林、華北落葉松林分別較撂荒地提高45%、37%、25%、20%;除華北落葉松林和沙棘灌木林之間差異不顯著外，其他林地間存在顯著差異;針闊混交林的大團聚體含量最高，達到93.10%，這表明，森林覆蓋均對土壤結(jié)構(gòu)有改善作用，均能提高土壤大團聚體含量，均能不同程度的增強土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，而其中針闊混交林的作用是最顯著的。其土壤大團聚體含量由大到小順序為針闊混交林＞楊樺闊葉林＞沙棘灌木林＞華北落葉松林＞撂荒地。

表3 不同林地土壤大團聚體含量(干篩)Table3 Soil aggregate composition of different forest stands(dry-sieving)%

＞0.25mm的土壤團聚體粒徑范圍內(nèi)，各粒級的組成比例在不同植被類型下表現(xiàn)出一定的差異性。和撂荒地相比，0.5—0.25mm團聚體含量，楊樺闊葉林增加顯著，其他植被增加不明顯;1—0.5mm、3—2mm團聚體含量，和撂荒地相比，除華北落葉松外，其他3種植被都增加明顯;2—1mm、5—3mm團聚體含量，4種林地和撂荒地比較都有顯著增加，但針闊混交林在5—3mm粒徑范圍內(nèi)增加最為顯著，比撂荒地增加99%;7—5mm團聚體含量，只有華北落葉松林地和楊樺闊葉林地較撂荒地有所增加，而針闊混交林地和沙棘灌木林地和撂荒地的含量相當;10—7mm團聚體含量，針闊混交林地和撂荒地相當，而其他3種植被的含量反而低于撂荒地;＞10mm的團聚體含量在不同植被類型下表現(xiàn)出一定的差異性，相對含量均較少，撂荒地最多且僅為5.38%。綜合分析土壤各粒徑范圍團聚體含量得出，植被覆蓋更有利于增加0.5—7mm團聚體含量。

2.2 不同林地土壤水穩(wěn)性大團聚體分布

濕篩法得到的是土壤水穩(wěn)性團聚體，＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量對保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要作用，同時也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標之一［27］。從表4可知，不同類型林地0—20mm土層＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量均較高(49.92%—60.67%)，和撂荒地相比差異都達到顯著水平(P＜0.05)，這說明植被覆蓋有利于土壤水穩(wěn)性團聚體的形成。針闊混交林、楊樺闊葉林、沙棘灌木林、華北落葉松林地土壤中＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量分別比撂荒地增加了65%、53%、47%、36%。4種林地中＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量除楊樺闊葉林和沙棘灌木林二者之間差異不顯著外，其他各植被類型之間差異顯著。在4種典型林地中，針闊混交林對土壤水穩(wěn)性大團聚體含量的增加作用最為顯著，華北落葉松林的增加作用較差。

表4 不同林地土壤水穩(wěn)性大團聚體組成(濕篩)Table4 Water-stable aggregate composition of different forest stands(wet-sieving)%

從＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體各粒級含量分析得出，和撂荒地相比，0.25—0.5mm范圍內(nèi)，各林地和撂荒地土壤的水穩(wěn)性大團聚體含量之間差異不顯著，而各林地土壤在0.5—1mm、1—2mm、2—5 mm、＞5mm范圍內(nèi)水穩(wěn)性大團聚體含量都顯著增加(P＜0.05)。在總水穩(wěn)性大團聚體含量方面，針闊混交林增加量最多，和其他林地間差異顯著，其次是楊樺闊葉林和沙棘灌木林，這兩種植被的增加量相當，增加最少的為華北落葉松林。說明植被覆蓋更有利于提高土壤＞0.5mm水穩(wěn)性大團聚體含量。

2.3 不同林地土壤團聚體穩(wěn)定性比較

2.3.1 團聚體結(jié)構(gòu)破壞率比較

如表5所示，4種植被覆蓋下0—20cm土層土壤團聚體破壞率為56.77%—62.14%，均顯著低于撂荒地(P＜0.05)。華北落葉松林與楊樺闊葉林之間和針闊混交林與沙棘灌木林之間差異不顯著，而華北落葉松林、楊樺闊葉林分別與針闊混交林、沙棘灌木林之間差異顯著，說明用團聚體結(jié)構(gòu)破壞率評價，針闊混交林和沙棘灌木林的土壤團聚體穩(wěn)定性最好，撂荒地的穩(wěn)定性最差。

表5 土壤團聚體穩(wěn)定性指標Table5 Soil aggregates stability index

2.3.2 干篩平均重量直徑(MWD干)與濕篩平均重量直徑(MWD濕)的差值比較

用土壤團聚體平均重量直徑(MWD)來作為反映土壤團聚體大小分布狀況的綜合指標。MWD值越大，表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強［6，31］。無論干篩還是濕篩不同林地及撂荒地0—20cm土層土壤團聚體MWD的變化規(guī)律都有一定的相似性，針闊混交林最大且與其他植被間差異顯著。干篩后MWD除針闊混交林外其他類型間無顯著差異;而濕篩得出MWD大小變化為:針闊混交林＞楊樺闊葉林=沙棘灌木林＞華北落葉松＞撂荒地，且楊樺闊葉林與華北落葉松林和撂荒地之間都存在顯著差異。

為了更充分說明不同植被類型對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響，用干篩與濕篩測得的團聚體平均重量直徑(MWD)的差值來說明土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強弱，差值越大，說明穩(wěn)定性越差［10］。不同植被類型間干篩、濕篩土壤團聚體MWD差值由小到大順序為:楊樺闊葉林(2.00)＜針闊混交林(2.02)＜沙棘灌木林(2.12)＜華北落葉松(2.14)＜撂荒地(2.37)，4種植被類型與撂荒地之間有顯著差異，而楊樺闊葉林與針闊混交林之間以及沙棘灌木林與華北落葉松之間無顯著差異。說明用這一指標比較，針闊混交林與楊樺闊葉林地土壤團聚體穩(wěn)定性最好，撂荒地最差。

2.3.3 團聚體水穩(wěn)性指數(shù)比較

分別取不同樣地0—20cm土層3—5mm風干團聚體50粒用浸水崩解法［10］測定土壤團聚體水穩(wěn)性指數(shù)，水穩(wěn)性指數(shù)越大，說明土壤團聚體在水的浸泡下破碎所用時間越長，團聚體水穩(wěn)定性越好。從表5可看出，針闊混交林的水穩(wěn)性最大(33.51%)，撂荒地最小(10.73%)，針闊混交林較撂荒地增加了212%;土壤水穩(wěn)性指數(shù)在針闊混交林和其他3種林地之間以及各林地和撂荒地之間差異顯著(P＜0.05)，可見，針闊混交林比純林更能提高土壤團聚體的水穩(wěn)性;華北落葉松、楊樺闊葉林和沙棘灌木林之間差異不顯著，但較撂荒地均有顯著提高，其水穩(wěn)性指數(shù)分別比撂荒地提高159%、134%、163%，說明了森林植被覆蓋對土壤結(jié)構(gòu)改善的重要意義。

2.4 土壤團聚體各穩(wěn)定性指標及土壤理化性質(zhì)間相關(guān)性分析

相關(guān)分析表明(表6)，土壤有機碳含量與風干0.25—10mm大團聚體含量和＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量之間呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)，與團聚體水穩(wěn)性指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，這說明有機質(zhì)含量越多，風干0.25—10mm大團聚體含量和＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量越多，水穩(wěn)性指數(shù)也越高，團聚體越穩(wěn)定。有機碳含量與團聚體破壞率之間以及與MWD(干)和MWD(濕)的差值間呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，說明了有機碳含量越多，這兩種穩(wěn)定性指標數(shù)值越低，團聚體越穩(wěn)定。

表6 團聚體穩(wěn)定性指標與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)性Table6 Correlations between soil aggregates stability index and soil physical and chemical character

土壤粘粒含量與風干0.25—10mm大團聚體含量和＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與團聚體水穩(wěn)性指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)，與MWD(干)和MWD(濕)的差值間呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與團聚體破壞率呈顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.05)。說明對于山地褐土或山地淋溶褐土而言，土壤粘粒含量越多越有利于團聚體的形成，所形成的團聚體的穩(wěn)定性也越強。

土壤容重與風干0.25—10mm大團聚體含量之間顯著負相關(guān)，與MWD(干)和MWD(濕)的差值間顯著正相關(guān)，土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度與風干0.25—10mm大團聚體含量之間呈顯著正相關(guān)，與MWD(干)和MWD(濕)的差值間顯著負相關(guān)(P＜0.05)，這說明了土壤容重和孔隙度對團聚體的形成和穩(wěn)定也有一定的影響，對于林地土壤而言，一般情況下人為擾動較少，所以要通過恰當管理措施來調(diào)節(jié)土壤容重，增加土壤的孔隙度，促進土壤穩(wěn)定性團聚體的形成。

從表6還可看出，土壤全氮、土壤C/N以及土壤粉粒和砂粒含量等土壤理化指標與土壤團聚體含量及穩(wěn)定性指標間也存在一定的相關(guān)性，但相關(guān)性都不顯著(P＜0.05)。

3 討論

本試驗所選樣地中，由于各種植被類型發(fā)達的根系和凋落物腐殖化增加了其覆蓋下的土壤有機質(zhì)含量，使土壤膠體狀況改善而增大了土壤顆粒之間的膠結(jié)，形成了較多的大團聚體和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比例適合的水穩(wěn)性團聚體［32-33］，從而使土壤MWD和水穩(wěn)性指數(shù)較大，團聚體結(jié)構(gòu)破壞率較小，大大改善了土壤結(jié)構(gòu)。

針闊混交林林型復雜，林下又有較多灌木和草本覆蓋，土壤表層根系發(fā)達，枯落物輸入量多，土壤有機碳、總氮和微生物總量較高［34］，土壤有機物質(zhì)的分解和轉(zhuǎn)化較快［35］;另外，針闊混交林下土壤容重、粘粒含量及其孔隙性等方面(表2)也利于土壤良好結(jié)構(gòu)體的形成，因此針闊混交林在增加具有水穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性的土壤大團聚體含量方面有明顯的優(yōu)勢。

在4種林地土壤中，華北落葉松林土壤大團聚體含量最少，主要是由于華北落葉松人工林樣地郁閉度較高，林下植被主要以一些耐陰的草本為主，林型相對單一，地表枯落物輸入量少且多含難以分解的木質(zhì)素、單寧、樹脂和蠟質(zhì)等物質(zhì)，使得該植被類型下的土壤有機碳和總氮含量較少且分解轉(zhuǎn)化較慢［36］，不利于較多水穩(wěn)性團聚體和非水穩(wěn)性團聚體的形成。

楊樺闊葉林郁閉度較小，雖然林地枯落物量和華北落葉松人工林相比較少，但其林下灌草植被豐富，植物根系分布較多，土壤有機質(zhì)的總歸還量較大，并且楊樺闊葉林地土壤有機殘體較華北落葉松林易于分解轉(zhuǎn)化，致使土壤中的腐殖質(zhì)含量較多［37］，所以楊樺闊葉林地土壤大團聚體含量較華北落葉松林多且團聚體的穩(wěn)定性也較強。

沙棘灌木林地和其他林地相比較，在同等郁閉度下雖然其枯落物量最少，但其表層土壤內(nèi)根系分布較多，根系腐爛物和分泌物較多，且其根系有很好的固氮作用，能對土壤起到很好的改良作用［38］，所以和撂荒地相比能大大增加土壤大團聚體的含量及穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)林地土壤0—20cm土層內(nèi)干篩＞0.25mm大團聚體含量和濕篩＞0.25mm水穩(wěn)性大團聚體含量都顯著高于撂荒地，這與謝錦升［7］在退化紅壤地的研究結(jié)果一致:恢復植被后大團聚體穩(wěn)定性顯著增加，＞0.25mm水穩(wěn)性團聚體含量是裸地的1.5—2.8倍。干篩分析表明:植被覆蓋更有利于增加0.5—7mm團聚體含量;濕篩分析結(jié)果表明:植被覆蓋更有利于提高＞0.5mm水穩(wěn)性大團聚體的含量。不同林地土壤間有一定的差異，其大團聚體含量大小順序為:針闊混交林＞楊樺闊葉林＞沙棘灌木林＞華北落葉松林＞撂荒地。

(2)和撂荒地相比，林地土壤團聚體的穩(wěn)定性顯著增強，與郭曼［28］、董莉麗［39］在黃土高原中部丘陵區(qū)的研究相一致。根據(jù)團聚體破壞率和土壤團聚體水穩(wěn)性指數(shù)比較，土壤團聚體穩(wěn)定性順序為:針闊混交林＞沙棘灌木林＞華北落葉松林＞楊樺闊葉林＞撂荒地。根據(jù)干濕篩團聚體MWD差值分析，土壤團聚體穩(wěn)定性順序為:楊樺闊葉林＞針闊混交林＞沙棘灌木林＞華北落葉松林＞撂荒地。相關(guān)分析表明:土壤團聚體破壞率與MWD(干)和MWD(濕)的差值間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(r=0.89，P＜0.05)，與土壤團聚體水穩(wěn)性指數(shù)間存在極顯著負相關(guān)關(guān)系(r=-0.97，P＜0.01)，說明這3個指標可以作為衡量土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標。

(3)相關(guān)分析表明，土壤有機碳含量與干、濕篩土壤大團聚體含量之間是極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，這與董莉麗［9］、韓加強［12］的研究結(jié)果相一致。粘粒含量與干、濕篩土壤大團聚體含量之間是極顯著正相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)，與MWD(干)和MWD(濕)的差值之間是極顯著負相關(guān)關(guān)系(P＜0.01)。其次，土壤容重、土壤通氣孔隙和毛管孔隙也顯著地影響著土壤0.25—10mm大團聚體含量及其MWD(干)和MWD(濕)的差值(P＜0.05)。本試驗中土壤全氮、土壤C/N以及土壤粉粒和砂粒等土壤理化指標對土壤團聚體性質(zhì)也有一定的影響，但通過檢驗(P＜0.05)不具有顯著相關(guān)性。

本文主要就龐泉溝自然保護區(qū)內(nèi)典型森林土壤大團聚體特征進行了研究。在研究過程中，并未對該區(qū)域內(nèi)植被的林分起源、林齡、郁閉度等因素對土壤結(jié)構(gòu)的影響進行考慮，尚需在今后的研究過程中進行長期的觀測研究，以期深入探尋不同植被類型對土壤結(jié)構(gòu)的影響，并對不同類型植被對土壤結(jié)構(gòu)的改良作用做更全面的評價。

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