毛烏素沙地3種人工植被類型對土壤顆粒組成和固碳的影響

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]，還會導致土壤碳庫衰減。研究表明沙漠化導致的全球碳庫損失量為1.9×1010～2.9×1010t[2]。人工植被建設是沙漠化防治的重要措施之一，沙地植被恢復過程中，隨著其生物多樣性的提高，SOC，SIC含量逐漸增加，促進了土壤團粒結構的形成，減少了粉粒和土壤養分的流失，使退化沙地發育程度增強，土壤結構得到改善[3]，最終形成結構比較復雜且穩定的沙地生態系統[4]，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[5]。

土壤碳庫包括SOC庫和SIC庫，二者均對全球土壤碳存儲和緩解CO2濃度升高過程具有重要意義[6-7]。近年來，人們對植被恢復過程中SOC庫的變化進行了較為深入的研究[8-10]，但對于SIC庫的研究相對較少[11]。研究表明，SIC在干旱半干旱地區的儲量遠高于SOC[12]，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，土壤顆粒組成中各粒級結合碳的研究亦逐漸受到重視[13-14]。蔡岸冬等[15]的研究表明，砂粒(53～2 000 μm)中的有機碳屬于活性有機碳，兩者結合并不緊密；而粉黏粒(<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[16]，是土壤固持有機碳的重要碳組分庫。該分組方法在研究農業措施[17-18]、植被類型[19]等對土壤碳庫變化的影響上已有較多應用，但是關于退化沙地土壤碳庫變化研究的有關報道極少。本研究以毛烏素沙地同一恢復年限的3種植被類型為樣地，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類型對土壤顆粒組成的影響及不同顆粒碳含量的影響，以期為半干旱區沙地的植被恢復建設提供科學依據。

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[20]。人工植被主要包括樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)和野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)等。

1.2 樣地選擇

植物園總面積133.3 hm2，主要植被類型包括喬木、灌木和草本植物。其中灌木和草本植物于1970年前后通過飛播混播造林恢復，飛播后6 a成林；1985年在飛播林地進行樟子松造林，造林面積6.06 hm2；灌木和草地交錯分布，兩者面積基本相當。分別選取地勢平坦的上述人工植被區作為研究樣地，植物園外附近流沙地作為對照，所選樣地的基本特征見表1。

表1 樣地基本特征

1.3 樣品采集及測定

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。選擇具有代表性的樣點(喬木和灌木樣地，選取四株長勢基本一致且具有代表性植物的對角線交叉點，草地內隨機選取1 m×1 m典型樣方的對角線交叉點)進行取樣，數據分析取三次分析結果的平均值，即重復數為3。為了降低空間變異誤差，不同植被類型之間采樣點距離不超過500 m。在所選樣地內用直徑6 cm的土鉆分四層(0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm)進行土壤樣品的采集。

樣品先過2 mm篩后風干。SOC采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，SIC采用氣量法測定[21]，土壤pH(水土比為2.5∶1)用電極法測定，電導率(水土比為5∶1)用電導率儀測定。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組分。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[22]：

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

某粒級有機/無機碳對土壤總有機/無機碳含量的貢獻率為[9]：

式中：RSOCi(SICi)為i粒級有機(無機碳)貢獻率(%)；CSOCi(SICi)為i粒級有機(無機碳)含量(g/kg)；Ai為i粒級所占比例(%)；CTSOC(SIC)為土壤總有機碳(總無機碳)含量(g/kg)。

用Excel 2016和SPSS 19.0軟件進行統計分析。用Pearson法對SOC含量、SIC含量、pH和電導率進行相關分析。用OriginPro 2016軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 植被類型對土壤顆粒組成的影響

植被類型對土壤各粒級的含量具有不同程度的影響。由圖1可知，3種植被類型樣地均形成了土壤團聚體，且只有0—5 cm和5—10 cm土層含有團聚體。草地中團聚體含量最高(3.59%)，其次是喬木樣地(3.15%)，灌木樣地最低(3.14%)。與流沙地相比，喬木樣地粉黏粒含量最高(4.82%)，其次是草地(4.06%)和灌木樣地(3.53%)。喬木樣地、灌木樣地和草地的細砂粒含量分別比流沙地降低了4.51%，1.53%和6.07%。喬木樣地(23.83%)、灌木樣地(22.15%)和草地(25.17%)的粗砂粒含量均低于流沙地(26.81%)。總之，植被恢復后土壤團聚體和粉黏粒含量均明顯增加，細砂粒和粗砂粒含量均有所降低。

2.2 植被類型對土壤有機與無機碳含量的影響

不同植被類型0—30 cm土層平均SOC含量(圖2)在喬木樣地達到最高值(3.81 g/kg)，其次是灌木樣地(3.59 g/kg)、草地(3.37 g/kg)和流沙地(0.96 g/kg)，分別達到流沙地的3.96倍、3.72倍和3.50倍。即喬木對SOC的累積影響最大，其次是灌木和草本植物。此外，3種植被類型樣地SOC含量由表層到下層均呈遞減的趨勢。由圖2可知，不同植被類型樣地喬木樣地平均SIC含量最高，是流沙地的2.08倍；其次是草地和灌木樣地，分別是流沙地的1.15倍和1.30倍。但各植被類型樣地不同土層之間的SIC含量無明顯變化規律。

2.3 植被類型對土壤有機碳與無機碳密度的影響

各樣地0—30 cm SOCD與SICD存在一定差異(圖3)，且SICD均高于SOCD。SOCD在喬木樣地達到最大值(1.32 kg/m2)其次是灌木樣地(1.09 kg/m2)、草地(1.05 kg/m2)和流沙地(0.45 kg/m2)。SICD同樣在喬木樣地達到最大值(2.05 kg/m2)其次是流沙地(1.14 kg/m2)、草地(1.14 kg/m2)和灌木樣地(1.03 kg/m2)。可見SOCD和SICD最大值均出現在喬木樣地，即喬木樣地的總碳密度最大。喬木樣地、草地和流沙地SICD分別是SOCD的1.55，1.08，2.51倍。而灌木樣地兩者之間差異不大。各樣地的SOCD均高于流沙地，而SICD除喬木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。

2.4 植被類型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 由圖4可知，各粒級SOC含量均隨土層的加深呈遞減趨勢。其中，0—10 cm團聚體平均SOC含量最大值出現在灌木樣地(17.20 g/kg)其次是草地(16.99 g/kg)和喬木樣地(14.94 g/kg)。對粗砂粒而言，0—30 cm土層不同植被類型樣地平均SOC含量最大值出現在喬木樣地(4.84 g/kg)其次是灌木樣地(2.41 g/kg)、草地(1.62 g/kg)和流沙地(0.65 g/kg)，分別是流沙地的7.49倍、3.73倍和2.50倍。對細砂粒而言，各植被類型樣地平均SOC含量最大值出現在喬木樣地(3.64 g/kg)其次是灌木樣地(2.81 g/kg)、草地(2.69 g/kg)和流沙地(0.63 g/kg)，分別是流沙地的5.75倍、4.43倍和4.24倍。對粉黏粒而言，不同植被類型樣地中，各樣地平均SOC含量均高于流沙地，其中灌木樣地粉黏粒含量最高(12.40 g/kg)。

注：不同大寫字母代表各植被類型不同土層之間差異性顯著。

注：不同大寫字母代表不同植被類型各土層之間SOC含量差異性顯著；不同小寫字母代表不同植被類型各土層之間SIC含量差異性顯著。

2.4.2 土壤無機碳 由圖5可知，喬木樣地團聚體平均SIC含量最高(1.80 g/kg)，其次是草地(0.88 g/kg)和灌木樣地(0.73 g/kg)。粗砂粒0—30 cm土層平均SIC含量最大值出現在喬木樣地(1.37 g/kg)其次是灌木樣地(0.72 g/kg)、流沙地(0.69 g/kg)和草地(0.65 g/kg)，其中喬木樣地和灌木樣地平均SIC含量分別是流沙地的1.99倍和1.05倍。細砂粒平均SIC含量均高于流沙地，其中喬木樣地含量最高(1.20 g/kg)，其次是草地(0.63 g/kg)和灌木樣地(0.52 g/kg)，分別是流沙地的3.45倍、1.80倍和1.49倍。粉黏粒平均SIC含量最大值出現在草地(3.08 g/kg)其次是喬木樣地(2.83 g/kg)、灌木樣地(1.77 g/kg)和流沙地(0.87 g/kg)，分別是流沙地的3.56倍、3.27倍和2.05倍。

注：不同大寫字母代表各植被類型之間有機碳密度差異性顯著；不同小寫字母代表各植被類型之間無機碳密度差異性顯著。

注：不同大寫字母代表各植被類型不同土層之間SOC含量差異性顯著。

注：不同小寫字母代表各植被類型不同土層之間SIC含量差異性顯著。

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2)。不同恢復模式對土壤團聚體的形成和SOC含量的影響具有一定的差異[23]。各樣地土壤團聚體含量與SOC含量之間的相關關系說明植被類型的改變對土壤團聚體的形成影響不大，這與李秋嘉等[24]的研究結果不一致，可能跟恢復時間較短有關。灌木樣地中，粉黏粒含量與有機碳含量之間呈顯著正相關關系，而草地和喬木樣地兩者相關性不明顯。相關研究表明細顆粒含量與SOC含量存在顯著相關性[25]，也有研究表明兩者之間并無嚴格的對應關系[26]。Callesen等[27]認為粉黏粒含量是影響有機碳含量的關鍵因素，它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，因而具有較強的固碳能力，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。各樣地粗沙粒含量與有機碳含量呈負相關關系，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SIC含量也表現出一定的差異。喬木樣地SIC含量增幅較大，而其他樣地之間差異不明顯，這可能與有機碳的含量有關[7]，因為SOC的分解是SIC的主要成因之一[28]。各樣地各粒級含量與無機碳含量的相關關系說明植被恢復過程中，團聚體含量與SIC含量關系密切。此外，各粒級組分含量與pH值之間相關性均在團聚體組分達到顯著水平，魏彬萌等[29]的研究也指出土壤pH與團聚體之間存在一定關系。團聚體組分只在喬木樣地與電導率的相關關系達到顯著水平，其他樣地各組分與電導率之間相關性均不顯著。即pH和電導率均不是影響土壤各粒級組分含量的主要因素。

表2 土壤各粒級含量與SOC，SIC及pH和EC的相關性

3.2 植被恢復對土壤固碳的影響

固沙植物可以通過增加地面粗糙度來降低風蝕作用，同時更有利于大氣降塵的截留。而且隨著植被的恢復，枯落物不斷累積，植物根系分泌物增加，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，土壤性質逐漸發生改變，從而導致土壤各粒級的含量發生改變[30]。各樣地粉黏粒含量與流沙地相比均有所增加，砂粒含量均有所減少，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質地比下層質地更細，這與熱依拉等[30]、李少華等[31]的研究結果一致。研究區喬木林郁閉度較高，林下下生物量較少，土壤母質的風化作用較弱，而草地的地表、地下生物量較大，更加有利于土壤母質的風化，且草本植物捕獲的大氣降塵能隨著枯落物直接進入土壤中[1]。所以，相同恢復年限的草地團聚體含量及其有機碳含量比喬木林地高，更有利于風沙土的改良，這與華瑞等[32]的觀點相一致。

SOC在各樣地均出現明顯的表聚效應，喬木樣地SOC含量的增幅比灌木樣地和草地更大。相對于喬木，土壤微生物更容易分解利用灌木和草本植物的枯落物，而枯落物是SOC的主要來源[14]，所以喬木樣地SOC含量較高。各樣地SIC均無明顯的表聚現象，可能是疏松的表層結構有利于無機碳向下層淋溶遷移所致[7]。各樣地SIC含量具有一定差異，說明SIC含量受植被類型的影響較大。

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[27]。以往研究中，干旱半干旱地區SICD遠大于SOCD[33]。而灌木樣地的SICD小于SOCD，可能與恢復時間有關。土壤碳酸鹽的轉化周期較長，累積過程較為緩慢，而研究區各樣地恢復時間較短，從而導致SICD低于SOCD[22]。

3.3 各粒級土壤有機碳與無機碳對總碳的貢獻率

相關分析表明：團聚體有機碳含量與總有機碳含量呈極顯著正相關關系，粉黏粒有機碳對總有機碳的貢獻率最為顯著。說明SOC含量主要受到團聚體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，粉黏粒的吸附作用也有利于有機碳的累積。

各粒級SIC含量與總SIC含量之間無顯著相關關系，且各粒級無機碳對總無機碳的貢獻率均不顯著。

4 結 論

植被恢復后毛烏素沙地土壤質地呈逐漸細化的趨勢,而各樣地粗砂粒和細砂粒組分總體上呈減少的趨勢。其中草地對于團聚體的形成影響最大，且各樣地團聚體主要分布于0—10 cm土層；粉黏粒含量在喬木樣地增加最為明顯。

植被恢復后，土壤總有機碳和總無機碳含量均顯著增加，最高值均出現在喬木樣地，且植被類型對SOC的影響比SIC更為明顯。此外，喬木更有利于SOC和SIC 的積累。各樣地SOC均表現出明顯的表聚效應，SIC含量在各植被類型之間具有一定差異。

土壤各粒級含碳量隨著植被的恢復均有所增加，其中細砂粒SOC含量的增幅明顯高于粗砂粒和粉黏粒；粉黏粒SIC含量的增幅明顯高于細砂粒和粗砂粒。SOC含量主要受團聚體和粉黏粒組分影響，各組分對SIC含量的影響不大。喬木有利于粗砂粒和細砂粒有機碳的累積，灌木更有利于粉黏粒和團聚體有機碳的累積。總之，從土壤固碳的角度出發，毛烏素沙地植被恢復應以喬木為主。