刺槐林和檸條林土壤剖面理化性質對比及相關性分析

呂海波，梁宗鎖

(1．中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100;2．渭南師范學院，陜西渭南714000;3．西北農林科技大學生命學院，陜西楊凌712100)

土地利用方式的改變不僅改變著生態環境，而且通過土壤碳庫的改變影響著植物—土壤—大氣這一碳循環過程，進而影響著全球變暖現象。土壤碳庫是陸地生態系統中一個活躍的成分，其內在的轉化與外在的交換過程同時進行［1］。目前，土地利用方式改變對土壤環境及土壤碳庫的影響是國內外相關領域的一個研究熱點，農地轉化為林地能夠改善土壤溫度和濕度、土壤團聚體含量、土壤微生物含量，進而影響土壤碳庫的動態變化特征［2－3］。目前的研究主要是針對土壤表層理化性質對土地利用方式改變的響應，對于深層土壤的相關研究并不多見。相對于表層土壤，深層土壤有機碳(SOC)具有很高的穩定性，能夠長期儲存在土壤碳庫中［4］，因此對深層土壤理化性質的研究能夠有助于進一步理解有機碳動態變化機制，增強對深層土壤碳庫演變的預判能力。當前黃土高原的植被恢復研究已經證明對表層土壤理化性質及SOC 產生了深刻影響［5－6］。本研究選擇黃土高原紙坊溝流域退耕后的人工檸條林和刺槐林，通過對兩種退耕林地土壤理化性質各指標的相關性進行分析和對比研究，探索了不同退耕林下土壤理化性質的響應機制，以期為退耕還林及其土壤碳庫效應的評價提供一定的理論依據。

1 研究區概況

陜西省安塞縣紙坊溝流域是中科院安塞水土保持試驗站生態恢復定位試驗研究小流域，研究區自1974年開始在局部地域退耕還林，經過30 多年的水土保持治理，林地面積從1980年的不足5%增加到40%以上，流域生態經濟系統進入良性循環階段［7－8］。

紙坊溝流域位于109°13'46″—109°16'03″E 、36°42'42″—36°46'28″N 之間，海拔1 010～1 400 m，地形破碎，溝壑縱橫，屬黃土高原丘陵溝壑地貌，氣候類型為暖溫帶半干旱季風氣候，年均氣溫8．8 ℃，年均降水量505．3 mm。土壤為黃土母質下的黃綿土，抗侵蝕能力差，受風蝕水蝕交錯影響。植被類型屬于暖溫帶落葉闊葉林向干草原過渡的森林草原帶［7］。

2 研究材料和方法

2．1 土壤樣品

土樣采自紙坊溝峙崾峴東部黃土梁。2009年7月，選擇同一坡面上毗鄰的退耕林地C78(1978年刺槐林)、N75(1975年檸條林)和農地H74(至少自1974年一直為農地，不施化肥，種植玉米、馬鈴薯、糜子等作物)，用GPS 衛星定位儀進行定位，量算坡中海拔、樣地坡度和坡向以及樣地面積，每塊樣地隨機選擇3 個10 m×10 m 的樣方，目測樹高、郁閉度、蓋度，量算樹冠直徑、胸徑等概況，同時每個樣方收集50 cm ×50 cm 地表枯落物，烘干后稱重并取平均值(表1)。林地下部草本植物主要由鐵桿蒿(Artemisia gmelinii)、茭蒿(A．giraldii)、達烏里胡枝子(Lespedeza davurica)、長芒草(Stipa bungeana)組成。

在樣地中取相鄰4 棵樹中間點作為取樣點，每塊樣地按棋盤式挖掘9 個剖面，按0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—50、50—60、60—70、70—80、80—90、90—100 cm 分別采樣，同坡位的3 個剖面根據深度均勻混合土樣，裝入自封袋帶回實驗室分析。每個剖面采樣11 個，共采樣99 個，每份土樣重800 g 左右。土壤容重和含水量用容重環間隔20 cm 采樣測定。

表1 研究樣地概況

2．2 樣品處理和室內分析

采樣當天進行土壤容重和含水量的測量。其他樣品在實驗室風干2～3 d，用方格法取土樣磨碎并分別通過直徑1 mm和0．25 mm 的篩，仔細挑出枝葉、根系、蝸牛殼及鈣結核等并稱量，前者用來進行土壤物理性質分析，后者用作土壤化學組成分析。制備好的樣品放入自封袋中在2 ℃下保存待測。

SOC 含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，全N 含量采用半微量凱氏法(FOSS2300 全自動定氮儀)測定，碳酸鈣含量用氣量法測定，粒度采用激光衍射法(馬爾文激光顆粒分析儀MS－2000)測定。所有樣品均重復測3 次。

2．3 數據分析

采用Excel 2003 和SPSS 16．0 進行數據分析，多個變量間線性相關分析采用Pearson 法(P=0．05)，差異顯著性分析利用one way－ANOVA 中的LSD 法(P=0．05)。

根據國際制土壤質地分類，結合各粒級土壤粒徑與深度的相關分析結果，將粒度分析結果合并為＜0．02 mm(細分為＜0．002 mm 和0．002—0．02 mm)、0．02—0．2 mm、0．2—1 mm粒徑土壤顆粒進行分析。

3 試驗結果

3．1 樣地表層及深層各指標差異性分析

一般認為，土壤理化性質對地表植被變化的響應隨著深度的增加而逐漸減弱，結合剖面各指標聚類分析結果，本研究分0—20 cm 和20—100 cm 對樣地各指標進行差異分析(見表2、3)。

從表2、3 對各級粒度的差異分析發現，除了占較小百分含量的0．2—1 mm 粒徑以外，H74 與C78 樣地0—20 cm 深度各粒級土壤含量呈顯著差異，20—100 cm 深度差異不顯著;H74 與N75 樣地相比，0—20 cm 深度各粒級土壤含量差異不顯著，而20—100 cm 差異顯著。

表2 樣地0—20 cm 深度土壤各參數對比

表3 樣地20—100 cm 深度土壤各參數對比

研究證明植被覆蓋對土壤的改良和培肥作用主要表現在改善土壤的質地上［9］。植被對土壤的影響表現在植物根系對土壤的擠壓、穿插和分割作用，以及死亡根系和枯枝落葉產生的有機質及根系分泌物對土壤性質的影響等方面［10－11］。兩種退耕林對土壤質地的影響反映了改善土壤環境效果的差異。

由表2 和表3 可以看出，刺槐林對土壤粒度的影響主要表現在土表(0—20 cm)，而檸條林更能改善深層土壤(20—100 cm)的物理性質。與H74 相比較，兩種退耕林地SOC 和全N 含量在表層和深層都有不同程度的增加，C78 樣地表層SOC 增加了68．3%，深層沒有明顯變化，而N75 樣地表層和深層SOC 含量都與H74 差異顯著，較H74 分別增加了16．6 %和24．3 %。與N75 相比，C78 樣地SOC 和全N 含量都表現為表層增加量大于N75，而深層則低于N75。另外，檸條林地的CaCO3含量在3個樣地中最高。

3．2 樣地土壤剖面SOC 含量、粒度、C/N 值、全氮相關性分析

3．2．1 SOC 含量與全N 含量相關性

對樣地土壤剖面各指標進行兩變量間線性相關分析(表4)，結果顯示0—100 cm 深度SOC 含量與全N 含量各樣地間都呈極顯著相關(P=0．01)，說明檸條林和刺槐林下的土壤全N主要表現為有機態形式。

表4 樣地土壤剖面各指標線性相關指數

3．2．2 SOC 含量與C/N 值相關性

C/N 值對有機質狀態的反映可以從兩個方面說明:在土壤學領域，C/N 值被用來反映有機質的可降解程度，高的C/N 值對應低的降解能力;而在古土壤研究領域，C/N 值又被用來反映有機質的來源和富集程度，古土壤層的SOC 含量和C/N 值大于黃土層，且呈正相關［12］，古土壤層地質時期存在的新鮮SOC 經長期的分解轉化，易降解成分不斷轉化消耗，C/N 值增高，穩定成分富集并保存。

C78 樣地SOC 含量與C/N 值呈顯著正相關(P =0．05)，這與農地深層土壤(20—100 cm)類似(表4)，說明在刺槐林成長過程中，易降解SOC 處于快速轉化狀態，C/N 值越高，越有利于易降解SOC 分解產物(分解產物包括CO2、無機碳及難降解SOC)富集，形成了SOC 富集的正反饋過程，進一步反映了退耕刺槐林地存在土壤碳匯效應。

刺槐和檸條同屬豆科植物，其根系分布特征的不同導致根系固氮量的深度差異。刺槐林高密度根系主要分布在土壤60 cm 深度以下，而檸條林根系在淺層土壤中就有較高的密度。檸條林由于發達的根系氮分餾作用更大地影響了C/N 值，因此本研究中檸條林樣地沒有發現SOC 含量與C/N 值的強相關。

3．2．3 SOC 含量、C/N 值與土壤粒度的相關性

表4 以10 cm 遞增的深度變化尺度逐一進行相關性分析，以篩選出特征層。20—100 和40—100 cm 深度出現相關性顯著特征:H74 樣地土壤剖面20—100 cm 深度C/N 值與＜0．02 mm 粒徑土壤含量相關系數達到0．857 極顯著相關，其中與0.002—0．02 mm 粒徑土壤含量達到0．964 極顯著相關，而SOC含量與0.002—0．02 mm 粒徑土壤含量為0．763 顯著相關;C78樣地在0—100 cm 土壤剖面上SOC 含量與0．2—1 mm 粒徑土壤含量極顯著相關，在40—100 cm 深度SOC 含量與＜0．002 mm 粒徑土壤含量達到0．899 顯著相關，同時與C/N 值顯著相關，40—100 cm 深度C/N 值與＜0．02 mm 粒徑土壤含量相關系數為0．273，由0—100 cm 的負相關轉為正相關;N75 樣地0—100 cm 深度SOC 含量與0.2—1 mm 粒徑土壤含量為極顯著相關。

土壤機械組成對有機質的穩定性有直接和間接的影響，一般認為中砂粒組、粗粉砂粒組和細黏粒組中的有機質是土壤有機質的易分解碳庫，而細粉砂粒組和粗黏粒組中的有機質是土壤有機質的惰性碳庫［13－14］。農地土壤由于缺乏新鮮有機物的加入，深層土壤SOC 活性較低，對應于高的C/N 值，土壤中黏粒、粉砂粒物質成為舊有SOC(高的C/N 值)的載體，導致了C/N 值、SOC 值分別與小顆粒土壤含量的強相關。刺槐林深層土壤高C/N 值SOC 含量逐漸增加，新鮮有機質增加量逐漸減少，隨深度增加，更多的SOC 在細粒土壤中儲存，因此C/N 值、SOC值以及粒度兩兩相關程度在淺層和深層有明顯差異。另外，由于＞0．2 mm 粒徑土壤所占比例較少，兩個退耕林地SOC 含量與＞0．2 mm 粒徑土壤含量極顯著相關可能是由于土樣中的植物碎屑和動物殘體引起的，不能反映真實情況。

4 討論和結論

(1)與H74 樣地相比較，C78 樣地土壤SOC 含量及粒度的差異主要表現在土壤表層(0—20 cm)，而N75 樣地則主要表現在土壤底層(20—100 cm)。兩個退耕林樣地相比較，C78 樣地SOC 和全N 含量都表現為表層增加量大于N75，而深層則低于N75。兩種退耕林土壤理化性質的深度分異歸因于兩者根系分布的差異。檸條林根系屬軸根分蘗類型，有很強的穿透力，根系生長過程中疏松了土壤，物理條件得到改善［10］，根系分泌的有機酸降低了根際pH 值，活化了根際土壤難溶性養分，提高了養分有效性［15］，加之根系極其發達，疏松的土壤環境有利于上層新鮮有機質的淋溶和植物碎屑的遷移，再加上深層土壤根系分泌物較多，最終導致由檸條林帶來的SOC 的增加更多地向深層分配。刺槐林由于根系分布較深，大多分布在土層40 或60 cm 以下，表層枯落物由于缺乏根系的疏松作用，其淋溶有機物和碎屑難以下移到土壤深層，導致了深層土壤相關指標的影響幅度較小。有研究證明刺槐林地與退耕前相比，SOC 變化主要表現在0—10 cm 土層，深層土壤沒有明顯差異［6］，這與本研究結果一致。

(2)土壤黏粒通過小孔隙的包被對SOC 有保護作用，土壤中黏粒含量越多，穩定的SOC 儲量就越多，C/N 值就越高，而活性SOC 含量則越低。H74 樣地深層土壤SOC 含量、0．002—0.02 mm 粒徑土壤含量以及C/N 值兩兩之間顯著正相關，說明H74 樣地大部分SOC 成分被吸附在粒徑較小的黏粒和粉砂粒中，穩定SOC 含量較高，而活性SOC 含量較低。相比于參照農地(H74)，刺槐林樣地(C78)隨深度增加，各參數相關性逐漸表現出同H74 類似的趨勢，0—100 cm 深度SOC 含量與C/N 值的相關系數為0．675(顯著相關)，40—100 cm 深度相關系數增大到0．744(顯著相關)，0—100 cm 深度SOC 含量與＜0．002 mm粒徑土壤含量為負相關，而40—100 cm 深度則呈顯著正相關，表明刺槐林深層土壤理化性狀類似于參照農地，農田退耕為刺槐林對深層土壤SOC 及土壤機械組成的影響有限。檸條林地各土壤指標并未表現出深度分異特點，退耕檸條林表現出了對深層土壤理化性狀的較大影響。張飛等［16］通過研究發現，檸條林能夠降低土壤容重、改善毛管孔隙狀況，疏松的土壤能夠加強土壤養分和水分的運移能力，影響深層土壤的理化性質，這與本研究結果一致。

(3)本研究通過對檸條林地和刺槐林地土壤剖面各深度理化性質相關指標的差異度和相關度進行分析，發現與退耕前相比，刺槐林地各指標的差異主要表現在土表0—20 cm 深度范圍內，而檸條林地則表現在土壤深層20—100 cm 范圍內，反映出退耕后的刺槐林地和檸條林地存在不同的土壤發生過程，土壤中的碳在剖面中的輸入、轉移和保存受到了影響。至于這種影響是否會對兩種退耕林地土壤碳庫的固存、碳匯總量的計算和評價造成影響目前尚不能下定論，仍需做進一步研究。

［參考資料］

［1］Zhang C S，McGrath D．Geostatistical and GIS analyses on soil organic carbon concentrations in grassland of southeastern Ireland from two different periods［J］．Geoderma，2004，119(3－4):261－275．

［2］王洪杰，李憲文，史學正，等．不同土地利用方式下土壤養分的分布及其與土壤顆粒組成關系［J］．水土保持學報，2003，17(2):44－50．

［3］王發剛，王啟基，王文穎，等．土壤有機碳研究進展［J］．草業科學，2008，25(2):48－55．

［4］Jobbagy E G，Jackson R B．The vertical distribution of soil organic carbon and its relation to climate and vegetation［J］．Ecological Applications，2000，10(2):423－436．

［5］趙勇，吳明作，樊巍，等．太行山針、闊葉森林凋落物分解及養分歸還比較［J］．自然資源學報，2009，24(9):1616－1625．

［6］張景群，蘇印泉，康永祥，等．黃土高原刺槐人工林幼林生態系統碳吸存［J］．應用生態學報，2009，20(12):2911－2916．

［7］王俊明，張興昌．退耕草地演替過程中的碳儲量變化［J］．草業學報，2009，18(1):1－8．

［8］戴全厚，劉國彬，薛萐，等．侵蝕環境人工刺槐林土壤水穩性團聚體演變及其養分效應［J］．水土保持通報，2008，28(4):56－59．

［9］常慶瑞，安韶山，劉京．黃土高原恢復植被防止土地退化研究［J］．土壤侵蝕與水土保持學報，1999，5(4):6－9．

［10］牛西午，張強，楊治平，等．檸條人工林對晉西北土壤理化性質變化的影響研究［J］．西北植物學報，2003，23(4):628－632．

［11］Amiotti N M，Sanchez L F，Peinemann N．The impact of single trees on properties of loess-derived grassland soils in Agentina［J］．Ecology，2000，81(12):3283－3290．

［12］張普，劉衛國．黃土高原中部黃土沉積有機質記錄特征及C/N 指示意義［J］．海洋地質與第四紀地質，2008，28(6):119－125．

［13］武天云，Schoenau J J，李鳳民，等．土壤有機質概念和分組技術研究進展［J］．應用生態學報，2004，15(4):717－723．

［14］李曉東，魏龍，張永超，等．土地利用方式對隴中黃土高原土壤理化性狀的影響［J］．草業學報，2009，18(4):103－111．

［15］安韶山，黃懿梅．黃土丘陵區檸條林改善土壤作用的研究［J］．林業科學，2006，42(1):70－75．

［16］張飛，陳云明，王耀鳳，等．黃土丘陵半干旱區檸條林對土壤物理性質及有機質的影響［J］．水土保持研究，2010，17(3):105－110．