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        黃泛沙地不同林齡楊樹人工林土壤團聚體及有機碳特征

        2022-05-04 03:12:48潘嘉琛吳其聰李紅麗李耀斌張美玲楊子晉
        水土保持研究 2022年3期
        關鍵詞:林齡土壤有機人工林

        潘嘉琛, 劉 超, 董 智, 吳其聰, 李紅麗, 李耀斌, 張美玲, 楊子晉

        (1.山東農(nóng)業(yè)大學 林學院/泰山森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站, 山東 泰安 271018;2.山東省國有東明林場, 山東 東明 274509; 3.山東省東明縣林業(yè)局, 山東 東明 274500)

        土壤團聚體是部分土壤顆粒之間黏結力強于其他顆粒,使得多個土壤顆粒黏結在一起所形成的多孔結構體,是土壤結構的基本單元[1]。土壤團聚體的數(shù)量和分布能夠反映土壤通氣狀況、水分條件和結構性狀等[2-3]。因此,作為土壤的主要組成成分,土壤團聚體在維持土壤結構,保持土壤養(yǎng)分,提高土壤的生產(chǎn)能力和抗侵蝕能力等方面具有重要作用,是衡量土壤質(zhì)量的重要指標[4-5]。土壤團聚體與有機碳密切相關:一方面,有機碳是團聚體形成的主要膠結物質(zhì),被認為是團聚體形成與穩(wěn)定的主要決定因素[6];另一方面,團聚體對土壤有機碳具有物理保護作用,90%的土壤表層有機碳儲存在土壤團聚體中[7]。因此,研究土壤團聚體和有機碳的變化特征,對改善土壤質(zhì)量,提高土壤生產(chǎn)力具有重要意義。

        黃泛沙地是黃河歷次泛濫、改道、淤積及黃河泥沙被風力搬運沉積在河流沿岸形成的堆積沙地[8],其土壤類型以風沙土、砂質(zhì)潮土為主,質(zhì)地粗而松散,結構性差,有機質(zhì)含量低,易受季節(jié)性大風的影響而發(fā)生風蝕[9-10]。為防治風沙危害,該區(qū)域開展了以楊樹人工林為主體的防護林網(wǎng)及防沙片林等林業(yè)生態(tài)建設工程,在區(qū)域生態(tài)環(huán)境的改善、風沙土的改良等方面取得了一定效果。然而,以往主要針對黃泛沙地楊樹人工林改善小氣候效應、土壤水文效應、經(jīng)濟效益及農(nóng)林間作增產(chǎn)效應等進行了研究[11-13],而對于土壤能否形成良好團聚結構及其與土壤有機碳間的關系并不明確。特別是隨著人工林林齡的增加,土壤團聚體穩(wěn)定性與有機碳的響應特征尚不清楚。然而,這些問題的定量闡述,對揭示風沙土的團聚體形成與轉(zhuǎn)化規(guī)律,提升人工林土壤質(zhì)量的具有重要意義。因此,本研究以黃泛沙地不同林齡(3 a,5 a,8 a,10 a)楊樹人工林土壤為研究對象,采用林齡時間序列模擬楊樹生長過程中的時間演替,分析不同林齡楊樹人工林土壤團聚體粒級分布與穩(wěn)定性、土壤有機碳含量及碳儲量變化特征,嘗試揭示不同林齡人工林對土壤團聚體與有機碳的影響機理,以期為改善黃泛沙地土壤質(zhì)量與提高土壤固碳能力提供一定的理論支撐。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于山東省國有東明林場(115°5′—115°7′E,35°9′—35°14′N),地處淮河流域黃泛平原風沙區(qū)。林場始建于1960年,場部坐落于東明集鎮(zhèn),總面積446 hm2,林地面積366.7 hm2。研究區(qū)地貌屬于黃河沖積平原,為黃河多次決口形成的決口扇形地,地勢較為平坦,以緩平坡地為主。研究區(qū)屬于暖溫帶季風性半濕潤氣候,多年平均氣溫15.5℃,年最高氣溫38.8℃,最低氣溫-15℃;多年平均降水量為609.3 mm,多集中在6—9月,雨熱同季,無霜期215 d。春夏季盛行南風,秋冬季盛行北風,年均風速3 m/s,春季最大風速達15 m/s。土壤成土母質(zhì)為黃河沖積物,土壤類型為砂質(zhì)潮土,植被類型屬暖溫帶落葉闊葉林。土壤風蝕與風沙化是林場的主要水土流失問題,為控制區(qū)域土地沙化、發(fā)展生產(chǎn)和開發(fā)利用風沙化土地,東明林場營建了以楊樹(PopulusL.)、國槐(Sophorajaponica)、白蠟(Fraxinuschinensis)等為主體的人工林。

        1.2 樣地設置與樣品采集

        基于林場為黃泛沖積平原,土壤均為潮土,質(zhì)地為砂質(zhì),各林齡的林分立地相一致,管理條件一致,楊樹人工林每10 a進行一次輪伐的實際,本文采用時空替代法,于2020年7月選取同一林班相鄰小班3 a,5 a,8 a,10 a林齡的楊樹林地代替同一生長地點上不同林齡的楊樹林地(表1)。不同年限楊樹人工林均為第2代楊樹純林,造林前整地,造林密度為 3 m×6 m,種植3 a后每年撫育1次,后期輕度間伐,采取輪伐的方式,10 a后楊樹人工林便采伐重新栽植楊樹幼苗。林下植被稀疏,主要有白茅(Imperatacylindrica(L.) Beauv.)、狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)、地錦(EuphorbiahumifusaWilld.)、蒼耳(XanthiumstrumariumL.)、藜(ChenopodiumalbumL.)、反枝莧(AmaranthusretroflexusL.)、稗草(Echinochloacrusgalli(L.) Beauv),蓋度不足5%。各林分管理措施一致,每年均進行一次修枝撫育,灌溉1次。

        在每個林齡的地塊內(nèi)設置3個20 m×20 m(長×寬)的標準樣地,每個樣地選取3個典型樣點作為重復,每個樣點共采集土樣9個。去除表層枯落物后挖掘土壤剖面,按0—20, 20—40, 40—60 cm分層采集原狀土樣約1 kg于硬質(zhì)塑料盒中,帶回實驗室后,用手輕輕沿其自然縫隙剝成直徑約1 cm的小塊后,去除石塊和植物殘體,置于陰涼通風處風干,供土壤團聚體測定使用。同時,分層采集土壤樣品1 kg左右,帶回室內(nèi),經(jīng)去除石塊根系、風干、磨碎、過篩處理后,進行土壤有機碳測定;此外,在剖面上分層采集環(huán)刀、鋁盒樣品測定土壤容重、孔隙度、含水量等物理指標,所有采樣均重復3次。

        表1 供試樣地的基本信息

        1.3 測定項目與方法

        土壤理化指標參照《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》進行測定:土壤容重采用環(huán)刀法,土壤有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀外加熱—硫酸亞鐵滴定法[14]。

        土壤團聚體分級采用改進后的Elliot濕篩法[15]:土壤樣品過8 mm篩后,稱取50 g放置于水穩(wěn)性團聚體分析儀的套篩中,套篩自上而下依次為2 mm, 0.25 mm和0.053 mm。將套篩緩慢放于濕篩儀桶內(nèi),水面保持低于最上方篩邊緣,浸泡5 min之后上下振蕩2 min(振幅3 cm,頻率30次/min),振蕩時要保證最上層的篩子浸沒在水中。篩分完成后,收集各粒徑篩內(nèi)土樣,于50℃下烘干并稱重,計算各級團聚體的質(zhì)量百分比。

        團聚體幾何平均直徑( geometric mean diameter,GMD)計算公式為:

        (1)

        式中:n為粒徑分組的組數(shù);Xi為該粒徑團聚體平均直徑(mm);Wi為該粒徑團聚體質(zhì)量占土壤質(zhì)量的百分數(shù)(%)

        土壤碳儲量的計算公式為:

        SOCs=∑0.1EiDiCi

        (2)

        式中:SOCs為土壤層碳儲量(t/hm2);Ei為第i層土壤容重(g/cm3);Di為第i層土層厚度(cm);Ci為第i層土壤有機碳含量(g/kg)。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel 2019,SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計分析,采用單因素方差分析(One-way-ANOVA)檢驗不同林齡楊樹人工林理化性質(zhì)、團聚體粒徑分布及穩(wěn)定性的差異顯著性,顯著水平為 0.05,運用Origin 2021進行作圖。

        2 結果與分析

        2.1 不同林齡楊樹人工林土壤團聚體粒徑分布特征

        不同林齡楊樹人工林土壤團聚體分布見表2。粒徑>2 mm的團聚體在0—20 cm和20—40 cm土層中,均隨林齡的增加呈先減少后增加的趨勢;而粒徑2~0.25 mm的團聚體規(guī)律與之相反,呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律;粒徑0.25~0.053 mm的團聚體含量在0—20 cm的土層中均呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在20—40 cm的土層中團聚體含量先減少后增加;粒徑<0.053 mm的團聚體含量呈現(xiàn)均勻化態(tài)勢,處理間差異不顯著。在土層深度變化上,0—20 cm和20—40 cm土層中團聚體組成隨林齡的變化趨勢一致,3 a,5 a與8 a生楊樹林粒徑>2 mm的團聚體含量在兩個層次上分別為58.32%,6.45%,5.27%和38.48%,4.60%,4.43%,即隨土層深度的增加,>2 mm團聚體含量逐漸降低;在40—60 cm土層中,林齡對土壤團聚體組成無顯著差異。

        由表2可知,不同林齡楊樹人工林土壤團聚體均以大團聚體(>0.25 mm)為主,占整個團聚體含量57.98%~92.84%,最大值(92.84%)出現(xiàn)在0—20 cm土層的3 a楊樹人工林,最小值(57.98%)出現(xiàn)在10 a的20—40 cm土層。不同林齡同一土層中,大團聚體含量隨林齡的增加變化不同。在0—20 cm土層中,隨楊樹人工林林齡增加,>0.25 mm大團聚體含量總體呈3 a至5 a時期降低,5 a至8 a時期增加,8 a至10 a略有降低的趨勢;在20—40 cm土層,大團聚體含量隨林齡增長呈先增后減的趨勢,5 a楊樹人工林含量高達91.07%,比10 a楊樹人工林顯著增高33.09%;在40—60 cm土層中,楊樹人工林各林齡間土壤大團聚體含量無顯著差異。

        表2 不同林齡楊樹人工林土壤團聚體組成

        2.2 不同林齡楊樹人工林土壤團聚體穩(wěn)定性特征

        GMD可表征土壤團聚體穩(wěn)定性。由圖1可知,在0—20 cm土層,3 a楊樹人工林團聚體的GMD顯著高于5 a,8 a和10 a楊樹人工林,10 a楊樹人工林相比于5 a與8 a楊樹林團聚體GMD略有增加(p>0.05),即團聚體穩(wěn)定性在不同林齡中表現(xiàn)為3 a>10 a>8 a>5 a。在20—40 cm土層,GMD在3 a處達到最高,為1.01 mm,在10 a處達到最低,為0.72 mm,且隨林齡的增加呈下降的趨勢,但各林齡之間差異不顯著,即團聚體穩(wěn)定性隨林齡的增加而逐漸降低。在40—60 cm土層,各林齡楊樹人工林團聚體GMD隨林齡的增加呈先增后減再增的趨勢,最高點為5 a,為0.96 mm,最低點為8 a,為0.75 mm,但各林齡無顯著差異。

        注:不同小寫字母表示相同土層不同林齡團聚體間GMD差異顯著(p<0.05)。

        2.3 不同林齡楊樹人工林土壤有機碳及其儲量分布特征

        不同林齡0—60 cm土壤有機碳垂直變化趨勢表現(xiàn)為:土壤有機碳含量隨土層深度增加呈下降趨勢,不同林齡40—60 cm較0—20 cm土層有機碳含量隨林齡增加依次下降67.18%,46.48%,42.73%和64.49%(圖2)。在0—20 cm土層有機碳含量隨林齡的增加呈先降低后升高的趨勢,3 a楊樹人工林有機碳含量為8.75 g/kg,與5 a,8 a,10 a楊樹林相比顯著提高13.43%,20.64%,13.96%;在20—40 cm與40—60 cm土層中,有機碳含量隨林齡的增加呈先上升后下降的趨勢,各林齡無顯著差異。

        由圖3可知,不同林齡楊樹人工林在0—60 cm土層的總有機碳儲量變化較大,3 a楊樹人工林有機碳儲量為35.60 t/hm2,5 a,8 a和10 a楊樹人工林有機碳儲量較3 a楊樹人工林降低了6.48%~15.11%。土壤有機碳儲量主要集中在表層(0—20 cm),不同林齡相同土層有機碳儲量在0—20 cm表現(xiàn)為3 a顯著高于其他林齡,8 a最低,為11.69 t/hm2(p<0.05),即3 a>5 a>10 a>8 a。在20—40 cm土層,有機碳儲量隨林齡的增加呈先增后減的趨勢,5 a最高為7.60 t/hm2,10 a最低,較5 a降低了12.35%,各林齡之間無顯著差異。在40—60 cm土層,不同林齡相同土層有機碳儲量表現(xiàn)為5 a>8 a>3 a>10 a。

        注:不同小寫字母表示相同土層不同林齡土壤有機碳含量差異顯著(p<0.05)。

        注:不同小寫字母表示相同土層不同林齡土壤有機碳儲量差異顯著(p<0.05);不同大寫字母表示0—60 cm土層不同林齡土壤有機碳儲量差異顯著(p<0.05)。

        3 討 論

        3.1 林齡對楊樹人工林土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

        土壤大團聚體(>0.25 mm)是土壤團粒結構的重要組成部分,其含量越高,表征土壤結構穩(wěn)定性越好[16]。土壤團聚體的幾何平均直徑(GMD)是反映土壤團聚體數(shù)量分布狀況的綜合指標,也可以表征土壤團聚體的穩(wěn)定性[17]。本研究發(fā)現(xiàn),不同林齡楊樹人工林土壤團聚體均以大團聚體為主,在表層(0—20 cm)土層中,土壤大團聚體含量在3 a階段達到最高,并且隨林齡的增加呈先減后增的趨勢;表層土壤團聚體GMD隨林齡的增加也呈現(xiàn)先減后增的趨勢。馮文瀚等[18]在鵝掌楸人工林開展的研究中也發(fā)現(xiàn)類似的結果:土壤大團聚體含量總體表現(xiàn)為幼齡林至中齡林時期減少,在中齡林至成熟林時期增加的趨勢。這可能與輪伐后的土壤遺留物有關。在本研究中楊樹人工林的輪伐期為10 a,10 a楊樹采伐后重新栽種新生楊樹幼苗,土壤中有機質(zhì)的遺留與原有的腐殖質(zhì)層促進土壤中微團聚體快速膠結形成大團聚體[19],導致在3 a階段時土壤大團聚體含量達到最高。而在5 a階段,土壤大團聚體含量和GMD處于最低點,可能原因是對種植3 a后楊樹幼苗撫育導致表層土壤中的根系遭到破壞,使其數(shù)量、長度與密度降低,從而影響?zhàn)B分、水分的運輸以及根土的黏結能力,進而使土壤團聚體穩(wěn)定性降低。相反,在20—40 cm土層中,土壤大團聚體含量呈先增后減的趨勢,在5 a階段達到最高。可能原因是,3 a楊樹人工林根系生長主要分布在表層土壤中,隨楊樹生長年限的增加,根系不斷向土壤深層延伸,根系之間的物理纏繞作用、根系分泌物以及根系可以間接地對土壤微生物產(chǎn)生影響使土壤顆粒黏結在一起形成大團聚體等途徑來提高土壤團聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性[20]。20—40 cm土層GMD隨林齡的增加變化并不明顯,可能的原因是土壤大團聚體包括土壤粒徑>2 mm與2~0.25 mm的團聚體,而GMD是通過平均>2 mm,2~0.25 mm,0.25 mm~0.053 mm和<0.053 mm4個粒級來反映土壤結構穩(wěn)定性,且土壤粒徑>0.25 mm的團聚體含量占主體,因此GMD在計算后比大團聚體含量更平均化,在林齡的影響下變化并不顯著。

        3.2 林齡對楊樹人工林有機碳的影響

        通過研究發(fā)現(xiàn),黃泛沙地楊樹人工林土壤有機碳在表層隨林齡的增加呈先驟減后緩慢增加的趨勢??赡茉蚴牵?1) 東明林場的造林采用輪伐方式,在楊樹人工林達到10 a采伐期之后,隨即砍伐并栽種新生楊樹幼苗,由此造成上一代采伐剩余物較多,并在表層土壤中發(fā)生了自然積累過程。楊樹作為早期速生樹種,有機碳在初期的消耗少于上一代采伐林木剩余物有機碳的積累,且3 a至5 a處于生長階段楊樹人工林大量吸收有機質(zhì)礦化產(chǎn)生的養(yǎng)分,導致土壤有機碳含量下降[21]。而在8 a后隨著楊樹生長發(fā)育完全,有機碳的消耗處于穩(wěn)定階段,而凋落物量、郁閉度增大以及前期撫育可能會在土壤中遺留部分死根,使有機碳輸入量增加,因此在8 a至10 a階段土壤有機碳緩慢增加。(2) 本研究中,楊樹人工林土壤表層有機碳含量與土壤GMD呈極顯著正相關關系(表3),這表明土壤有機碳含量隨林齡的變化可能是由于團聚體穩(wěn)定性的改變而引起的。前人研究中也有類似的結果:大團聚體內(nèi)有機碳含量更高,這是由于微團聚體在多糖和植物根系分泌物等不同膠結劑的作用下形成大量臨時性大團聚體所致[22]。然而,本研究中土壤團聚體穩(wěn)定性在5 a階段最低,而土壤有機碳含量在8 a階段最低,這其中可能原因是林場的撫育措施導致楊樹根系遭到破壞,進而導致團聚體穩(wěn)定性受到影響以及土壤團聚體的形成與有機碳的膠結存在滯后的時間差異。

        表3 0-20 cm土層有機碳組分及土壤團聚體物理性質(zhì)相關性

        3.3 林齡對楊樹人工林碳儲量的影響

        本研究結果表明,不同林齡楊樹人工林土壤有機碳儲量隨土層深度增加逐漸減少,碳儲量在0—60 cm土層中表現(xiàn)出明顯的層次性。0—20 cm土層各林齡的碳儲量占總碳儲量的59.17%~74.26%,呈現(xiàn)出一定程度的表聚性,且隨林齡的增加碳儲量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢,在20—40 cm與40—60 cm土層無明顯差異。這種表聚性現(xiàn)象的產(chǎn)生可能是因為上一代輪伐后的剩余物歸還土壤與地上凋落物掉落到地面,通過分解并入表土,因此表土比底土接收到更多的碳輸入[23-24]。不同林齡楊樹人工林在0—60 cm土層土壤有機碳儲量隨林齡的增加呈先降低后略增的趨勢。在3 a至5 a階段,0—20 cm土層碳儲量顯著降低,而總有機碳儲量略有降低,20—40 cm土層碳儲量略有增加且無顯著差異,這可能是表層有機碳向底層發(fā)生轉(zhuǎn)移。已有研究表明,水分是限制有機物歸還量的重要影響因素[25],由于3 a林冠的開放性與林分郁閉度較低,林分節(jié)流少,更多的雨水進入到林間空地,導致土壤的淋溶作用,土壤養(yǎng)分減少,土壤有機碳儲量由表層向深層轉(zhuǎn)移[26]。在5 a至8 a階段,總有機碳儲量與各土層碳儲量都減少,可能因為與之前有機碳含量分析原因相同,隨著楊樹生長發(fā)育,此階段楊樹人工林大量吸收有機質(zhì)礦化產(chǎn)生的養(yǎng)分,導致土壤有機碳儲量降低。在8 a至10 a階段,總有機碳儲量略有增加(p>0.05),而表層碳儲量與8 a相比顯著增加。一方面,楊樹人工林林冠展開,郁閉度增加,凋落物在表層分解轉(zhuǎn)化以有機碳的形式進入土壤使0—20 cm土層碳儲量增加[27];另一方面,林冠的展開會攔截雨水的下落,阻礙水分的下滲,土壤淋溶減少,使20—40 cm土層碳儲量減少。

        4 結 論

        (1) 不同林齡楊樹人工林團聚體分布均以大團聚體(> 0.25 mm)為主,在表層土層(0—20 cm)中,隨林齡的增加,大團聚體含量呈現(xiàn)先顯著降低后增加再略減的趨勢;而在20—40 cm土層中,土壤大團聚體含量為5 a>8 a>3 a>10 a;在40—60 cm土層無顯著差異。

        (2) 在0—20 cm土層中,有機碳含量表現(xiàn)為3 a>5 a>10 a>8 a;在20—60 cm土層,呈先增后減的趨勢,且無顯著差異。土壤穩(wěn)定性與團聚體的形成和有機碳密切相關,有機碳含量與GMD值呈極顯著正相關關系。

        (3) 不同林齡楊樹人工林有機碳儲量均呈現(xiàn)一定程度表聚性,在0—20 cm各林齡碳儲量占總有機碳儲量的59.17%~74.26%。在3 a到5 a階段由于土壤淋溶作用,可能導致有機碳儲量發(fā)生轉(zhuǎn)移,從表層土層(0—20 cm)向底層土層(20—60 cm)轉(zhuǎn)移,而在8 a到10 a階段,有機碳儲量從底層土層向表層土層發(fā)生轉(zhuǎn)移。

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