人工樟子松林對毛烏素沙地土壤顆粒組成和固碳效果的長期影響

王麗梅, 張 謙, 白利華, 馬愛生, 張 紅,李利敏, 張建國,2, 付廣軍, 董 強

(1.西北農林科技大學 資源環境學院, 陜西 楊凌 712100; 2.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.陜西省治沙研究所, 陜西 榆林 719000)

我國是世界上沙漠化危害最為嚴重的國家之一，北方干旱半干旱區的土地沙漠化問題一直備受關注。沙漠化會導致土壤結構破壞、土壤生物多樣性降低、土壤質地粗化等一系列生態環境問題[1]。人工植被建設是沙漠化防治的重要措施之一，有利于加快退化土壤的碳固定過程和減緩大氣CO2濃度增加的速度[2]。“七五”以來圍繞生態環境建設，國家啟動了旨在防風治沙的“三北防護林”及大規模的山川秀美工程，取得了突出的成就。沙地人工林不僅可以作為三北防護林的一部分，在防風固沙過程中扮演重要角色，如果經過科學經營和有效管理，在未來增加我國森林生態系統碳匯過程中也將起到重要的作用[3]。早期對于土壤碳的研究多集中于天然林或者未明確區分天然林與人工林，關于退耕還林的固碳效應也多關注于土壤有機碳(SOC)累積[4-7]，而對于人工林土壤碳和土壤無機碳(SIC)累積的研究相對較少[8]。事實上，SIC在干旱半干旱地區的儲量遠高于SOC[9]，且更新時間更長，對減少大氣CO2濃度具有不可忽視的長期效應。此外，學者們[10-11]對土壤顆粒組成中各粒級結合碳的研究亦逐漸重視起來。已有研究表明，砂粒(53～2 000 μm)中的有機碳屬于活性有機碳[12]，兩者結合并不緊密；粉黏粒(<53 μm)中的有機碳屬于惰性礦物結合有機碳，不易被微生物分解和礦化[13]，是土壤固持有機碳的重要碳組分庫。但目前有關退化沙地土壤碳庫變化的研究極少。本研究選取毛烏素沙地不同栽植年限的樟子松林為研究樣地，采用空間代替時間序列法，對0—30 cm土層顆粒組成、SOC和SIC的含量進行系統分析，旨在探討沙地植被恢復年限對土壤顆粒組成的影響及不同顆粒碳含量的變化過程，以期為綜合評價沙地植被恢復的生態環境效應提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于毛烏素沙地東南緣的陜西省榆林市紅石峽人工植被林區(38°19′—22′N, 109°37′—49′E)，海拔1 098～1 158 m。該區屬于溫帶半干旱大陸性季風氣候，年均降雨量250～400 mm，且主要集中在7—9月份，年均氣溫6～8.5 ℃。地表景觀以固定、半固定沙地為主，植被覆蓋率達到33%。土壤類型以成土作用極為微弱的風沙土為主，呈弱堿性[14]。人工植被主要包括樟子松(Pinussylvestris)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和野艾蒿(Artemisialavandulaefolia)等。

1.2 樣品采集及測定

于研究區內選取地形、地勢基本一致的不同栽植年限(56 a，36 a，21 a)的樟子松林作為研究樣地，流沙地為對照。為減小采樣點之間的氣候條件和土壤基本性質的差異，所有采樣點均位于紅石峽沙漠植物園或附近。土壤樣品采集分別于2016年9月上旬、2017年4月下旬和2017年9月上旬進行。每次均選擇具有代表性的樣點(隨機選取4株植物的對角線交叉點)進行取樣，數據分析取3次的平均值。在所選樣地內用直徑6 cm的土鉆分4個土層(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)進行土壤樣品的采集。

樣品帶回室內后，先過2 mm篩后風干。各粒級和總SOC含量采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，各粒級和總SIC含量采用氣量法測定[15]，用電極法測定土壤pH值(水土比為2.5∶1)，用電導率儀測定電導率(水土比為5∶1)。按照中國土粒分級標準將土壤顆粒組成分為團聚體、粗砂粒(>0.25 mm)、細砂粒(0.05～0.25 mm)和粉黏粒(<0.05 mm)，各粒級土壤顆粒含量用干篩法測定。其中團聚體的篩分方法為：將初次篩分出來的>0.25 mm的大顆粒組分(包括團聚體和>0.25 mm單粒)于研缽輕輕磨碎后再次過0.25 mm篩，被篩下的組分即為團聚體，未通過篩孔的即為>0.25 mm粗砂粒。由于沙地土壤黏粒含量極低，故將粉粒和黏粒合為一組。將環刀取回的土樣于實驗室內105 ℃下烘干24 h，計算土壤容重。

SOCD和SICD計算公式為[16]：

(1)

式中：SOCDi——第i層土壤有機碳密度(kg/m2)； SICDi——第i層土壤無機碳密度(kg/m2)；δ——礫石的含量(%)(各樣地礫石含量為0)；Ci——第i層SOC或SIC含量(g/kg)；h——土層厚度(cm)；γi——第i層土壤容重(g/cm3)； 100——轉換系數。

某粒級有機/無機碳對土壤總有機/無機碳含量的貢獻率為[6]：

(2)

式中：RSOC/SICi——i粒級有機/無機碳貢獻率(%)；CSOC/SICi——i粒級有機/無機碳含量(g/kg)；Ai——i粒級所占比例(%)；CTSOC/SIC——土壤總有機碳/總無機碳含量(g/kg)。

運用Excel和SPSS 19.0軟件進行統計分析。用Pearson法對SOC含量、SIC含量、pH值和電導率進行相關分析。用Origin Pro2016軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 栽植年限對土壤顆粒組成的影響

由圖1不同栽植年限樟子松樣地0—30 cm各土層顆粒組成可知，栽植年限對土壤顆粒組成具有較大影響。林地0—5 cm和5—10 cm土層含有團聚體，而10 cm以下土層和流沙地無團聚體形成。隨著栽植年限的增加，團聚體和粉黏粒含量均呈增加的趨勢，增幅分別為1.75%～2.61%和2.82%～7.09%，其中粉黏粒增幅最為明顯；細砂粒的含量則均低于流沙地，降幅為7.38%～19.67%。粗砂粒組分除栽植56 a樣地稍有減少以外，在栽植36和21 a樣地均略有增加?？傮w來看，不同栽植年限樣地土壤團聚體、粉黏粒含量均有所增加，細砂粒含量均有所減少，粗砂粒組分變化最小。

注：Ⅰ為栽植56 a樣地；Ⅱ為栽植36 a樣地；Ⅲ為栽植21 a樣地;Ⅳ為流沙地。下同。圖1 樟子松不同栽植年限各土層各粒級含量

2.2 栽植年限對土壤有機與無機碳含量的影響

與流沙地相比，各樣地0—30 cm不同土層SOC含量均隨著栽植年限的增加而明顯增加，此外，在各樣地的4個土層中，SOC含量由表層到下層均呈遞減的趨勢(圖2)。各樣地平均SOC含量大小表現為：56 a樣地(4.71 g/kg)>36 a樣地(3.51 g/kg)>21 a樣地(3.22 g/kg)>流沙地(0.96 g/kg)。分別是流沙地的4.90，3.64和3.35倍。SIC含量僅在56 a樣地增幅較為明顯，是流沙地的4.32倍。而栽植36和21 a樣地SIC含量與流沙地相比幾乎沒有變化。56 a樣地5—10 cm土層SIC含量較高，其他林齡樣地各土層之間的SIC含量差異不明顯(圖2)。

圖2 不同栽植年限樣地各土層土壤有機碳含量

2.3 栽植年限對土壤有機碳密度和土壤無機碳密度的影響

各樣地0—30 cm SOCD與SICD存在一定差異(圖3)。其中，SOCD大小依次為：56 a樣地(1.60 kg/m2)>36 a樣地(1.22 kg/m2)>21 a樣地(1.13 kg/m2)>流沙地(0.45 kg/m2)。各樣地SICD大小依次為：56 a樣地(4.18 kg/m2)>流沙地(1.14 kg/m2)>36 a樣地(0.94 kg/m2)>21 a樣地(0.94 kg/m2)。SOCD和SICD最大值均出現在56 a樣地。土壤總碳密度隨栽植年限的增加而增大。56 a樣地SICD是SOCD的2.61倍。而36和21 a樣地兩者之間差異不大。各樣地SOCD均高于流沙地，而SICD除56 a樣地明顯高于流沙地以外，其他樣地與流沙地相比均無明顯變化。

圖3 不同栽植年限各樣地土壤碳密度

2.4 栽植年限對土壤各粒級有機碳與無機碳含量的影響

2.4.1 土壤有機碳 各樣地表層(0—5 cm)團聚體SOC含量均高于5—10 cm土層(圖4)。其中，56 a樣地0—10 cm團聚體平均SOC含量最高(39.17 g/kg)，其次是21 a樣地(20.89 g/kg)和36 a樣地(10.28 g/kg)。對粗砂粒而言，各樣地0—30 cm 土層平均SOC含量表現為：56 a樣地(4.78 g/kg)>21 a樣地(1.52 g/kg)>36 a樣地(1.44 g/kg)>流沙地(0.57 g/kg)，分別是流沙地的8.32,2.64和2.51倍。對細砂粒而言，各樣地平均SOC含量大小依次為：56 a樣地(2.83 g/kg)>21 a樣地(2.10 g/kg)>36 a樣地(1.79 g/kg)>流沙地(0.42 g/kg)，分別是流沙地的6.78,5.03和4.29倍。各樣地粉黏粒平均SOC含量均低于流沙地，且隨著栽植年限的增加呈遞減的趨勢，表現為：流沙地(11.60 g/kg)>21 a樣地(9.37 g/kg)>36 a樣地(8.22 g/kg)>56 a樣地(7.96 g/kg)。

2.4.2 土壤無機碳 由圖5可知，在土壤團聚體中，56 a樣地平均SIC含量最高(30.98 g/kg)，其次是21 a樣地(1.52 g/kg)和36 a樣地(1.47 g/kg)。粗砂粒平均無機碳含量大小為：56 a樣地(6.11 g/kg)>21 a樣地(3.37 g/kg)>流沙地(1.64 g/kg)>36 a樣地(1.02 g/kg)。其中56 a樣地和21 a樣地SIC含量分別是流沙地的3.72倍和1.54倍。隨著栽植年限的增加，0—30 cm土層細砂粒平均SIC含量呈逐漸遞增的趨勢。具體表現為：56 a樣地(4.84 g/kg)>36 a樣地(1.58 g/kg)>21 a樣地(1.00 g/kg)>流沙地(0.70 g/kg)，分別是流沙地的6.91,2.26和1.42倍。56 a樣地0—30 cm土層粉黏粒平均SIC含量最高(33.77 g/kg)，其次是21 a樣地(6.73 g/kg)和36 a樣地(6.27 g/kg)。其中56 a樣地SIC含量是流沙地的4.66倍，其他兩個樣地均低于流沙地。

圖4 不同栽植年限各粒級土壤有機碳含量

圖5 不同栽植年限各粒級土壤無機碳含量

3 討 論

3.1 土壤理化性質與土壤顆粒組成的相關關系

團聚體含量與有機碳含量密切相關(表1)。不同栽植年限樟子松林對土壤團聚體的形成和有機碳含量的影響具有一定的差異[17]。各樣地土壤團聚體含量與有機碳含量之間的相關關系說明有機碳含量與團聚體含量互相影響[18]，因為有機碳的增加能夠促進團聚體結構的形成，穩定的團聚體反過來又會對有機碳產生物理保護減緩其分解。21 a樣地和36 a樣地中，粉黏粒含量與有機碳含量之間呈顯著正相關關系，這與張銅會等[19]的研究“細顆粒含量與有機碳含量存在顯著的相關性”結果一致。粉黏粒通過吸附有機碳從而形成穩定的有機—無機復合體，能夠抵抗微生物的分解并減小礦化風險，具有較強的固碳能力。因此，粉黏粒含量被認為是影響有機碳含量的關鍵因素[20]，這也是粉黏粒組分在土壤中含量較少但是含碳量卻較高的原因。各樣地中，細砂粒含量與土壤有機碳含量均無顯著相關關系，這與Harry等[21]的研究結果一致。

表1 土壤各粒級含量與SOC，SIC及pH值和 EC的相關性分析

注：*表示在p<0.05水平上顯著相關； **表示在p<0.01水平上顯著相關。下同。

除21 a樣地外，其他樣地中粗沙粒含量與有機碳含量的負相關關系表明粒徑大的土壤顆粒不利于有機碳的累積。與流沙地相比，各粒級無機碳含量也表現出相應的差異。各粒級無機碳含量均在56 a樣地最高，可能與栽植年限和有機碳含量有關[22]。因為56 a樣地有機碳含量相對較高，栽植時間最長，而無機碳的成因之一就是有機碳的分解[23]。所以，有機碳含量越高、栽植時間越長，無機碳的累積量就越大。各樣地各粒級含量與無機碳含量的相關關系說明樟子松林建設過程中，細砂粒不利于無機碳的累積；相對于有機碳，無機碳含量對各粒級含量的影響較小。此外，除56和21 a樣地細砂粒以外，各粒級組分含量與pH值之間相關性均不顯著。除36 a樣地的團聚體、粉黏粒組分以外，其他樣地各組分與電導率之間相關性均不顯著。即pH值和電導率均不是影響各粒級組分含量的主要因素。

3.2 栽植年限對土壤固碳的影響

人工植被能有效的增加地面粗糙度，降低風蝕作用的同時更有利于截留大氣降塵[24]。植被恢復后枯落物不斷累積，由于植物根系穿插作用和分泌物的增加，土壤微生物活動逐漸活躍，有機物積累和礦化分解過程加快，土壤性質發生改變，從而導致土壤各粒級的含量也有所改變[25]。各樣地粉黏粒含量相對于流沙地均有所增加，砂粒含量減少，即土壤質地隨著植被恢復呈逐漸細化的趨勢，且在垂直方向上，表層土壤質地更細，這與賈曉紅等[26]、夏江寶等[25]的研究結果一致。隨著栽植年限的增加，0—30 cm土層表現出明顯的碳截存效應，這與已有研究結果一致[5,27-29]。隨著植被的恢復，土壤受到的自然和人為擾動減少，有機物質(凋落物、分泌物、動植物殘體)不斷輸入到土壤中，導致SOC的不斷累積并具有較強的表聚效應[30-31]。各樣地粗砂粒和細砂粒有機碳含量均顯著提高，因為隨著栽植年限的增加，植被枯落物和根系分泌物大量累積，且逐漸被分解和礦化，而砂粒碳主要來自于這些動植物有機殘體和半分解有機質[30]。粉黏粒組分雖然有機碳含量較高，但與流沙地相比變化不明顯。因為大多數有機質在植被恢復初期主要固持在粗砂粒組分中，隨著時間的推移，通過微生物的降解和礦化作用慢慢向細砂粒和粉黏粒中遷移，最終在粉黏粒中積累[31]。所以，可以認為各樣地的有機碳遷移積累目前正處于中前期。SIC含量僅在56 a樣地增幅明顯，可能與栽植年限有關，在干旱半干旱地區，無機碳累積速率較為緩慢[32]，所以植被恢復時間越長，無機碳累積量越大。SOC較SIC更易受到栽植年限的影響，這與Li等[32]的研究結果一致。SOC和SIC含量的一致變化趨勢說明兩者的累積速率和相互轉化關系較為密切[20]。以往研究中，干旱半干旱地區SICD遠大于SOCD[34]，但我們發現除56 a樣地外，SICD均小于SOCD。這主要與恢復時間有關，土壤碳酸鹽的轉化周期較長，累積過程較為緩慢從而導致SICD低于SOCD[16]。

3.3 各粒級土壤有機碳與無機碳對總碳的貢獻率

團聚體和粉黏粒有機碳含量與總有機碳含量之間呈極顯著正相關關系(表2)，粗砂粒和粉黏粒有機碳對總有機碳的貢獻率更為顯著(表3)。說明SOC含量主要受到團聚體、粗砂粒和粉黏粒組分的影響，因為團聚體的復雜結構能夠有效保護有機碳不被分解和礦化；各樣地有機碳的遷移累積處于中前期，主要固持在粗砂粒組分中；粉黏粒能夠通過配位體交換、氫鍵及疏水鍵等作用吸附有機碳[35]。各粒級無機碳含量對總無機碳含量的影響均不明顯。粉黏粒無機碳對總無機碳的貢獻率較為顯著(表3)。說明土壤無機碳含量與土壤細顆粒含量密切相關[32]。

表2 土壤各粒級有機、無機碳含量與總有機、總無機碳含量的線性回歸關系

表3 各粒級有機、無機碳貢獻率與總有機、無機碳含量的線性回歸關系

4 結 論

毛烏素沙地植被防護林建設過程中，隨著樟子松林齡的增加，粗砂粒組分含量變化不明顯，細砂粒組分呈減少的趨勢，團聚體和粉黏粒組分明顯增加。即土壤質地呈逐漸細化的趨勢，且表層(0—5 cm)細顆粒含量高于下層(5—30 cm)。栽植樟子松后，土壤總有機碳、總無機碳、總碳密度均隨林齡的增加而顯著增加，且不同栽植年限SOC的累積效果更為顯著。土壤各粒級含碳量在栽植樟子松后均有所增加，各粒級SOC和SIC含量均在栽植56 a的樣地最大，其中細砂粒SOC和SIC含量的增幅明顯高于其他各粒級。SOC含量主要受團聚體、粗砂粒和粉黏粒組分的影響，SIC含量主要受粉黏粒組分的影響。以上結論可以為半干旱區退化沙地的植被建設提供理論依據。