滇東巖溶山地不同類型云南松林地土壤團聚體穩定性差異

方 薇， 范 弢

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院, 云南 昆明 650500;2.云南省高原地理過程與環境變化重點實驗室, 云南 昆明 650500)

土壤團聚體即土壤結構，是土壤所含的大小不同，形狀不一，有不同孔隙度、機械穩定性和水穩性的團聚體總和[1]。它的形成受到土壤微生物[2]、有機質[3]、植物根系[4]、無機粘合劑[5-7]和環境因素[8]等的影響。團聚體各粒級組成比例不同會影響土壤質量和肥力的高低[9]，相關研究表明，1～10 mm粒徑水穩性團聚體有利于調節通氣與持水之間、養分的釋放與保持之間的矛盾，適于植物生長的良好土壤結構主要依賴于這個粒徑級的水穩性團聚體[10]。有機碳是影響土壤團聚體結構的重要因素之一。相關研究認為，新鮮有機質包含在大團聚體(>0.25 mm)內部，大團聚體在土壤新碳固定方面有重大作用，提高大團聚體穩定性有利于提高土壤固碳能力，老化碳一般與微團聚體(<0.25 mm)結合，微團聚體中有機碳含量增多有利于土壤有機碳穩定性提高和積累[11-12]。因此研究團聚體的分布特征、穩定性及團聚體有機碳的含量，是了解和掌握土壤結構優劣的重要途徑，對植被土壤的水土保持、土壤肥力和質量的提升具有重要意義。

近年來，有眾多學者[1,13]在巖溶地區開展了大量關于團聚體的研究，主要集中在植被恢復、不同生態系統和土地利用方式對團聚體穩定性及有機碳含量的影響方面。相關研究表明，低矮的草本和灌木類植被土壤表層團聚狀況優于高大喬木植被[4]。人工林和次生林團聚體穩定性最好，旱地的穩定性最差，旱地轉變為人工林和次生林有利于提高各粒徑團聚體有機碳含量，大粒徑團聚體有機碳貢獻率遠高于小粒徑團聚體[14]。隨植被自然恢復土壤結構有所改善，1～2 mm團聚體含量呈增加趨勢，<0.25 mm團聚體含量呈減少趨勢，且土壤有機碳有從大粒徑團聚體轉移至小粒徑團聚體的趨勢，土壤碳存儲主要發生在0.25～2 mm粒徑團聚體[15]。伊桐、側柏和菜豆樹3種植物群落均在一定程度上改善了土壤結構，其中伊桐群落效果最好，提高了土壤顆粒團聚作用，顯著增加2～8 mm團聚體的含量，促進土壤有機碳積累[11]。可見，不同植被類型不僅會使土壤團聚體穩定性有所差異，也會影響土壤有機碳的遷移、損耗和積累。在中國西南地區廣泛分布的云南松具有生長快、耐干旱貧瘠等特點，能涵養水源、改善生態環境。云南松林保護與培育研究已經成為云貴高原森林資源經營管理及其可持續發展的重要任務之一[16]。國內研究者對云南松林生態系統的結構和功能開展了大量研究，主要集中在養分積累和水文功能的研究[16-19]，對云南松土壤結構、團聚體有機碳空間分布特征的研究還非常薄弱。因此本文以滇東沾益縣海峰自然保護區為研究區域，通過分析不同類型云南松林土壤團聚體和團聚體有機碳的分布組成，揭示其穩定性差異，以期為調整該區域土地利用方式、最優化配置植被類型提供依據，對巖溶脆弱生境土壤培肥、質量提升、水土固持具有理論參考和現實意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

云南省沾益縣海峰自然保護區(103°29′—103°39′E，25°35′—25°57′N，海拔1 840～2 414 m，面積27 846 hm2)地處滇東巖溶高原核心部位，屬于典型的亞熱帶高原季風氣候，年平均氣溫在13.8～14 ℃，日照時數2 095.9 h，無霜期242 d，年降水量1 073.5～1 089.7 mm，雨季(5—10月)降水量占年降水量的87.3%。該區完整保留了滇東高原地帶性半濕潤常綠闊葉林，森林覆蓋率75.70%，云南松中林齡(占78%以上)演替系列完備。巖石地層為二疊紀中期的茅口組和棲霞組灰巖。土壤以紅壤為主，約占總面積的85%。

1.2 樣品采集與測定

2019年1月，在海峰自然保護區的核心區蘭石坡海子(25°46′—25°48′N，103°35′—103°37′E)巖溶小流域建立5塊典型樣地(20 m×20 m)，研究樣地植被類型分別為云南松人工純林(簡稱純林)、云南松人工混交林(簡稱人工混交林)、云南松天然混交林(簡稱天然混交林)；對照樣地為元江栲櫟原生林(簡稱原生林)、小鐵仔石灰巖灌叢(簡稱灌叢) ，樣地特征與基本理化性質如表1—2所示。在樣地中選取沒有人為干擾的地方挖取土壤剖面0—10，10—20，20—40，40—60 cm土壤，3次重復，用自封袋帶回實驗室用于測定分析。風干過程中沿自然裂隙掰成直徑1 cm左右的土塊。經過預試驗，黏重的土壤自然風干后往往會結成非常緊實的硬塊，因此采用濕篩法進行分級，大致步驟為，稱取100 g風干土樣，用純水浸潤過夜，然后過一套5個不同粒徑篩子(5，2，1，0.5，0.25 mm)，在純水環境中使用土壤團聚體分析儀(型號XY-100)進行濕篩上下震蕩(振幅4 cm，頻率30次/min)，進而得到>5,2～5,1～2,0.5～1,0.25～0.5,<0.25 mm這6個級別粒徑組分。得到的不同粒徑團聚體烘干并稱重，各層各粒徑土壤團聚體有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定。

表1 樣地基本特征

表2 樣地土壤基本理化性質

1.3 數據處理

分別利用以下公式計算>0.25 mm粒徑團聚體的比例(R0.25)、平均重量直徑[1]、幾何平均直徑[14]、分形維數[20]和團聚體有機碳貢獻率。

R0.25=Mr>0.25/MT

(1)

式中：MT為團聚體總重量，Mr>0.25表示粒徑大于0.25 mm的團聚體的重量。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Rai為某粒徑團聚體有機碳貢獻率(%)；Cai為某粒徑團聚體有機碳含量(%)；Wai為某粒徑團聚體質量百分數(%)。

數據使用Excel2010軟件進行處理，使用SPSS23.0軟件分析，采用方差齊性檢驗，如通過(p>0.05)則采用LSD檢驗；否則(p<0.05)，采用Tamhane’s T2進行差異顯著性檢驗。使用Origin2018作圖。

2 結果與分析

2.1 水穩性團聚體質量組成

不同植被類型，以4層平均值來看，云南松人工混交林和天然混交林>5 mm粒徑質量分數比云南松純林提高了13.01倍(p>0.05)和9.10倍(p>0.05)，2～5 mm粒徑質量分數提高了6.05倍(p<0.05)和5.77倍(p<0.05)(見圖1)。云南松純林、人工混交林和天然混交林的<0.25 mm粒徑質量分數(5.77%～9.39%)顯著低于灌叢(20.92%)和原生林(27.47%)(p<0.05)。說明人工混交林和天然混交林有利于>5，2～5 mm粒徑水穩性團聚體質量分數的提高，且云南松有利于大粒級水穩性團聚體(>0.25 mm)的形成。0—60 cm土層中，云南松純林水穩性團聚體質量分數均以1～2，0.5～1 mm粒徑為主(24.96%～44.74%)，>5，2～5 mm粒徑質量分數隨土層的加深而減少，0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒徑表現為淺層多，深層少。0—20 cm土層中，云南松人工混交林和天然混交林水穩性團聚體質量分數以>5，2～5 mm粒徑為主(15.87%～64.65%)，20—60 cm層以2～5，1～2，0.5～1 mm粒徑為主(11.19%～46.57%)，0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒徑表現為淺層少，深層多。說明云南松純林相比人工混交林和天然混交林淺層土壤可能容易受外力干擾(土壤侵蝕或人為翻耕)，外力干擾傾向于破壞水穩性大團聚體[21]，土壤結構發生變化使大團聚體破碎分散成更多較小團聚體。灌叢和原生林不同土層深度均以<0.25 mm粒徑水穩性團聚體為主。

注：不同大寫字母代表同一植被類型不同粒徑團聚體在5%水平上差異顯著，不同小寫字母代表不同植被類型相同粒徑團聚體在5%水平上差異顯著。圖中數據為均值±標準差。下同。

2.2 水穩性團聚體穩定性差異

R0.25值表現為云南松人工混交林、天然混交林和純林顯著大于灌叢、原生林(p<0.05)(見表3)，說明云南松林有利于大團聚體的形成。MWD值表現為人工混交林(3.05 mm)>天然混交林(2.68 mm)>原生林(2.10 mm)>灌叢(1.29 mm)>純林(1.15 mm)，GMD值表現為人工混交林(2.28 mm)>天然混交林(1.91 mm)>原生林(0.86 mm)>純林(0.85 mm)>灌叢(0.70 mm)，D值表現為原生林(2.68)>灌叢(2.60)>純林(2.37)>天然混交林(2.26)>人工混交林(2.19)，說明人工混交林土壤團聚狀況最好，結構最穩定，天然混交林次之，云南松純林和灌叢的土壤團聚狀況最差。

表3 不同類型云南松林地水穩性團聚體穩定性

2.3 水穩性團聚體有機碳含量

不同植被類型整體上，云南松純林、人工混交林和天然混交林的>5，2～5，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量顯著小于灌叢和原生林(p<0.05)(見圖2)，說明灌叢、原生林大團聚體和微團聚體有機碳含量高，有利于土壤有機碳的積累和固定。>5 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量表現為灌叢(12.71 g/kg)>原生林(12.39 g/kg)>天然混交林(2.80 g/kg)>人工混交林(2.73 g/kg)>純林(2.08 g/kg)；<0. 25mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量表現為原生林(11.10 g/kg)>灌叢(9.22 g/kg)>人工混交林(3.77 g/kg)>天然混交林(2.98 g/kg)>純林(2.58 g/kg)，表明小粒級水穩性團聚體有機碳可能是從大粒級水穩性團聚體中轉移而來。不同土層中，灌叢與原生林各粒徑土壤團聚體有機碳含量(5.93 g/kg～17.17 g/kg)明顯高于純林、人工混交林、天然混交林(0 ～5.33 g/kg)。云南松純林、人工混交林和天然混交林各粒徑水穩性土壤團聚體有機碳含量均隨土層的加深而減少(純林、天然混交林的2～5 mm粒徑除外)。說明3種類型云南松林土壤有機碳輸入量較少且呈表層富集，土壤下層剖面有機碳含量很大程度受上層的向下遷移作用支配，使有機碳含量從上到下減少并且各層各粒徑有機碳含量較少。灌叢各粒徑水穩性土壤團聚體有機碳含量均隨土層的加深而減少。原生林團聚體有機碳含量均隨土層的加深而先減小后增多。

圖2 不同類型云南松林地0-60 cm土層水穩性團聚體有機碳含量

2.4 水穩性團聚體有機碳貢獻率變化

團聚體有機碳貢獻率是對不同粒徑團聚體有機碳含量及團聚體比例的綜合計算，表示各粒徑團聚體對土壤有機碳的貢獻狀況[15]。

如圖3所示，3種類型云南松林中，>5 mm粒徑水穩性團聚體有機碳貢獻率表現為人工混交林(18.98%)>天然混交林(10.14%)>純林(0.90%)；2～5 mm粒徑表現為天然混交林(39.49%)>人工混交林(31.89%)>純林(6.61%)。云南松純林主要以1～2，0.5～1 mm粒徑水穩性團聚體有機碳貢獻率最大，>5 mm最小。人工混交林和天然混交林以2～5，1～2 mm粒徑水穩性團聚體有機碳貢獻率最大。灌叢和原生林以0.5～1，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體有機碳貢獻率最大。說明3種云南松林主要是大粒級水穩性團聚體(>0.25 mm)有機碳對土壤有機碳的貢獻率最大。

圖3 不同類型云南松林地0-60 cm土層各粒徑水穩性團聚體有機碳對土壤有機碳的貢獻率

3 討 論

3.1 不同類型云南松林水穩性團聚體有機碳特征

云南松純林、人工混交林和天然混交林的各粒徑水穩性團聚體有機碳含量均隨土層的加深而減少(除云南松純林和天然混交林的2～5 mm粒徑團聚體)。究其原因，可能是云南松的根系深，側根發達，根幅較寬，且根系主要分布在0—30 cm土層，樹木的生長主要需要根系從深層土壤吸收養分和水分[16]，因此云南松淺層土壤有機碳的積累大于消耗，深層土壤有機碳消耗大于積累，而且土壤容重較大，孔隙度較小，養分向深層土壤運移較為緩慢，影響深層土壤有機碳較少。

在滇東巖溶山地，云南松純林、人工混交林和天然混交林的>5，2～5，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量顯著小于灌叢和原生林(p<0.05)，與孫筱璐等[8]得出的闊葉林大團聚體(>0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm)有機碳含量高而針葉林較低的結論相似。主要原因是植物枯落物作為土壤有機碳最主要來源[22]。不同植被配置下，其植物枯落物類型、數量及其分解速率也會不同，導致土壤有機碳含量有所差異，闊葉林(原生林)群落層次結構復雜，土壤表層養分豐富，有利于微生物的活動，灌叢的根系分布密集，生物量高，枯落物更容易分解，進而導致枯落物分解速率和養分遷移率均高于云南松林，可以積累更多的土壤有機碳[4,18]。云南松枯落物含有很多如木質素、木栓、蠟質和角質等難分解化合物[23]，分解周轉周期比較長，再加上當地居民強烈人為干擾收取云南松林內的枯枝落葉作為薪柴燃燒消耗，使云南松林土壤有機碳輸入量較少。>5 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量表現為：灌叢(12.71 g/kg)>原生林(12.39 g/kg)>天然混交林(2.80 g/kg)>人工混交林(2.73 g/kg)>純林(2.08 g/kg)；<0.25 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量表現為：原生林(11.10 g/kg)>灌叢(9.22 g/kg)>人工混交林(3.77 g/kg)>天然混交林(2.98 g/kg)>純林(2.58 g/kg)，表明小粒徑水穩性團聚體有機碳可能是從大粒徑水穩性團聚體中轉移而來，黃宗勝等[15]也研究發現在貴州茂蘭喀斯特地區，土壤有機碳隨植被自然恢復有從大粒級土壤團聚體轉移至小粒級土壤團聚體的趨勢。Elliott[12]認為微團聚體(<0.25 mm)中的有機碳受物理保護作用，相對于大團聚體中的新鮮有機質穩定性更高，微團聚體中的有機碳含量增加有利于土壤碳的穩定[15]，本研究中原生林和灌叢的土壤各粒徑團聚體有機碳含量較高，且更多的有機碳存儲在微團聚體中。針、闊葉樹種的混交，相比針葉純林有利于促進林地枯落物的分解和養分元素的循環利用[18]，影響較多的有機碳儲存于微團聚體(<0.25 mm)中，30 a云南松人工混交林的生長發育和代謝速率均較快，導致有機碳的積累速率比天然混交林高[19]。

3種類型云南松林，云南松純林以1～2，0.5～1 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率較高，人工混交林和天然混交林以>5，2～5，1～2 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率較高，這與譚秋錦等[14]、盧凌霄等[11]和黃宗勝等[15]研究得出的大粒級團聚體(>0.25 mm)對巖溶地區土壤有機碳的貢獻率高于小粒級團聚體(<0.25 mm)的結果相似，說明滇東巖溶山地云南松林土壤有機碳增加主要是大粒級土壤團聚體(>0.25 mm)的貢獻，土壤碳存儲也主要發生在大粒級團聚體中。

3.2 不同類型云南松林水穩性團聚體分布及穩定性差異

黔西南峽谷型喀斯特地區水田、旱地、草地、灌叢、人工林和次生林6種生態系統土壤團聚體以>0.25 mm粒徑為主，<0.25 mm粒徑為輔[14]；西南喀斯特森林石灰土以>2 mm粒徑團聚體為主[24]，廣西平果縣果化鎮巖溶峰叢洼地荒地、草地、灌叢、林灌4種不同植被覆蓋下土壤水穩性團聚體以1～2，0.5～1， <0.25 mm粒徑含量最多[1]。本研究中云南松純林以1～2，0.5～1 mm粒徑水穩性團聚體含量多，云南松人工混交林和天然混交林以2～5 mm粒徑含量最多。云南松純林、人工混交林和天然混交林的<0.25 mm粒徑質量分數(5.77%～9.39%)顯著低于灌叢(20.92%)和原生林(27.47%)(p<0.05)，這說明滇東巖溶山地不同類型云南松林以>0.25 mm粒徑水穩性土壤團聚體為主。究其原因，可能是3種云南松林的黏粒(<0.002 mm)含量(43%～48.52%)高于灌叢(25.24%)和原生林(20.77%)，黏粒是土壤團聚體形成最重要的膠結物質，具有較高的比表面積和較多的反應位點，有機質通過與多價陽離子和粘粒的共同作用促進團聚體的形成[5-6]，有機碳含量比較低的情況下，足夠的無機膠結物質(黏粒)可以避免土壤結構的惡化[7]；此外，可能是云南松根系的分泌物有利于促進大團聚體的形成和積累，植被根系作為植被和土壤之間的紐帶，不同植被類型的根系具有不同的理化性質和生理功能，使土壤之間產生差異[25]。

4種團聚體穩定性指標表明人工混交林土壤團聚狀況最好，結構最穩定，天然混交林次之，云南松純林和灌叢最差。在云南松純林0—60 cm土層中， >5，2～5 mm粒徑水穩性團聚體質量分數小于云南松人工混交林和天然混交林，且云南松純林0.25～0.5 mm和<0.25 mm粒徑表現為淺層多，深層少，人工混交林和天然混交林0.25～0.5，<0.25 mm粒徑表現為淺層少，深層多，說明云南松純林表層土壤結構容易遭受破壞，水穩性大團聚體被分解成較小團聚體，其原因可能受植被冠層特征、枯落物的質量和數量、植被空間結構的影響。植被類型不同，其冠層垂直空間結構會產生差異，另外，枯枝落葉的組成和分解程度不同，在持水量方面也有差異，相關研究表明闊葉林的冠層相比針葉林對降雨的截留量較高[17]，枯落物持水量也表現為：闊葉林>針闊混交林>灌叢>針葉林[26]，因此云南松人工混交林和天然混交林相對云南松純林、灌叢減少了降雨和地面徑流對土壤的直接沖刷而破壞大團聚體，提高了土壤抗沖性，對水穩性團聚體起到了保護作用。團聚體粒徑組成和穩定性也是土壤侵蝕的重要指標，土壤結構越穩定，>0.25 mm水穩性團聚體含量越高說明土壤抗蝕性越好[7,27]，如將云南松純林和灌叢改造為云南松人工混交林和天然混交林后，則有望提高土壤抗侵蝕性能。

4 結 論

(1) 滇東巖溶山地5種植被類型中，灌叢和云南松純林土壤團聚體穩定性最差，且純林淺層土壤容易受外力干擾而破壞大粒級水穩性團聚體。原生林、云南松人工混交林和天然林混交林均在一定程度改善土壤結構，其中人工混交林土壤穩定性最好，>5 mm和2～5 mm粒徑含量顯著增加，提高了土壤顆粒團聚作用。

(2) 3種類型云南松林的土壤有機碳具有表聚性，土壤養分歸還量較少，>5，2～5，<0.25 mm粒徑水穩性團聚體有機碳含量顯著小于灌叢和原生林。人工混交林相對于天然混交林和純林提高了<0.25 mm粒徑團聚體有機碳含量，促進了土壤有機碳積累。云南松純林以1～2,0.5～1 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率較高，人工混交林和天然混交林以>5，2～5，1～2 mm粒徑土壤團聚體有機碳貢獻率較高。

(3) 滇東巖溶地區許多營林作業和人為活動破壞了地帶性植被闊葉林(原生林)，大面積人工栽種云南松純林來提高林木產量，這會導致土壤結構穩定性降低、有機碳減少，加劇水土流失，而云南松人工混交林可以有效提高土壤結構穩定性、土壤碳積累，同時需要避免人為干擾消耗云南松林地表枯落物以提高土壤養分輸入量。