樟子松人工林營建對土壤顆粒組成變化的影響

雷澤勇,于東偉,周鳳艷,張巖松,李堯,白津寧

1 遼寧工程技術大學環境科學與工程學院,阜新 123000 2 中國科學院沈陽應用生態研究所大青溝沙地實驗站,沈陽 110016 3 中國科學院大學,北京 100049

土壤是由各級不同大小的顆粒堆積組成的混合體[1],是維系陸地生態系統發生和發展的物質基礎[2]。土壤固相中礦物顆粒的大小及組成比例被稱之為土壤顆粒組成(PSD,Soil particle size distribution)[3],是重要的土壤物理特性參數,對植物生長所依賴的土壤環境條件產生直接影響。土壤顆粒組成作為土壤的內在屬性,其差異構成了不同的土壤質地類型,進而影響著土壤水分運輸、溶質遷移和土壤侵蝕等過程[4],也用于土壤分類和評估土壤結構及土壤水力特征等土壤性質。土地沙漠化是全球干旱、半干旱地區最嚴重的土地退化類型之一[5-6],以風蝕為主要特征的土地沙漠化其實質是土壤顆粒的粗粒化以及養分貧瘠化[7]。因此,對沙漠化嚴重地區的土壤顆粒組成進行研究十分必要。

科爾沁沙地是我國土地沙漠化最嚴重的地區之一,處于北方典型的干旱半干旱農牧交錯帶[5]。近年來,由于氣候變化和土地利用方式的快速轉換[8],科爾沁沙地植被發生退化,以風蝕為主要特征的土地沙漠化導致該區域生態環境極其脆弱[9]。植被恢復是沙漠化逆轉的重要措施,充分利用土壤—植物復合系統的生態功能來改善區域生態環境,促進土壤結構改善、土壤肥力增加以及生物多樣性的恢復[10]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是科爾沁沙地植被恢復的主要樹種之一,具有耐寒,耐旱,耐貧瘠和較速生等優良特性,有關樟子松人工林營建對土壤顆粒組成影響的研究已有報道。蘇敏等[4]研究表明,呼倫貝爾沙地營建樟子松人工林可以促進土壤細顆粒含量增加,土壤粉粒含量隨著林齡的增加而升高；Deng等[3]研究認為,毛烏素沙地營建樟子松林使土壤粘粒和粉粒含量增加,林分密度增加將使植被恢復效果更加明顯；黃剛[11]等研究發現,科爾沁沙地樟子松林的降塵截留作用雖然可使土壤細顆粒含量增加,但是并未對土壤機械組成產生顯著影響,研究區土壤仍以砂粒為主。以往研究由于受林齡和土壤剖面深度的限制,使得營建樟子松人工林后土壤顆粒組成變化的演變機制尚不明確。鑒于此,本文以13—56年樟子松人工林地作為研究樣地,采用空間序列替代時間序列的方法,并選擇臨近沙質草地作為對照,旨在探究退化沙質草地營建樟子松人工林后土壤顆粒組成的變化,從而為該區域植被恢復提供科學支撐和技術支持。

1 研究區與研究方法

1.1 研究區概況

研究地設立在科爾沁沙地南緣的遼寧省沙地治理與利用研究所章古臺試驗林場內(42°39′—42°43′N,122°23′—122°33′E,圖1),屬于中國北方典型草原與農地交錯地帶,海拔高度平均為225 m。地處中溫帶,大陸性季風氣候,年均氣溫4.6—6.3℃,年均降水量500 mm左右。年平均風速4.5 m/s,春季多大風、揚沙天氣。土壤類型主要為風沙土和流動風沙土,pH值6.7左右[12]。代表性植物有中華委陵菜(Potentillaanserina)、中華隱子草(Cleistogeneschinensis)、山杏(Armeniacasibirica)、興安胡枝子(Lespedezadaurica)等[13]。營建樟子松固沙林前為固定沙質草地。

圖1 研究區地理位置圖

1.2 試驗地選擇與土壤樣品的采集

試驗標準地的選取原則：(1)標準地要盡可能覆蓋樟子松人工林不同的生長階段；(2)標準地間的距離不少于50 m,避免緊靠道邊、農田,排除混交林;(3)標準地生境條件基本一致,依據以上原則,設立幼齡林(5塊)、中齡林(6塊)、成熟林(5塊)和過熟林(4塊)調查樣地20塊(表1)及各林齡臨近的對照草地7塊,我們假定各林齡林分臨近的對照草地值為各測定因子的起始值。

表1 樟子松人工林樣地基本情況

在2017年和2018年的5月期間進行土壤樣品采集,分別在選取的樟子松林地及相應對照草地設立標準地,標準地面積為20 m×20 m,對樟子松林地進行林分調查計算林分的樹高、胸徑平均值,依據平均值找到林分對應的平均木,在距離平均木1 m的處挖取長、寬、深各1 m土壤剖面,將剖面的土層分成6層,每層有固定深度(0—10、10—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm),每層用內徑70 mm、高52 mm的圓形鋼質環刀取樣,重復3次,取樣后立即密封,用于測定土壤含水率和土壤容重,在對照草地中心挖取土壤剖面并進行同樣深度的對照取樣。此外,在各個標準地內(林地和草地)隨機選取6個樣點,每個樣點用1 m長的土鉆按上述固定深度分層取樣,為了減少樣品數量,將不同樣點相同層次的6個樣品混合成一個樣品。所有的樣品帶回實驗室處理,測定土壤理化特性值。

1.3 土壤理化因子測定方法

土壤容重(BD,Bulk density)及土壤含水率(SW,Soil water content)采用烘干法,土壤顆粒組成采用篩分法結合激光粒度分析儀(LA—300 HORIBA)測定,土壤有機碳(SOC,Soil organic carbon)含量采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法,土壤全氮(TN,Total nitrogen)含量采用半微量開氏法,土壤全磷(TP,Total phosphorus)含量采用NaOH熔融—鉬銻抗比色法,土壤全鉀(TK,Total potassium)含量采用NaOH熔融—火焰光度法,土壤pH值采用電位法,詳見土壤農業化學分析常規方法[14]。

1.4 計算與數據處理

以往研究認為沙地土壤顆粒組成臨界粒徑為0.05 mm[15-16],即粒徑<0.05 mm的土壤顆粒含量越高則土壤越細,反之越粗。因此,本文將粒徑<0.05 mm的土壤顆粒稱為土壤細顆粒(FP,Fine particle)。按下式計算土壤細顆粒含量：

FP=C+S

式中,FP為土壤細顆粒百分含量；C為土壤粘粒(Clay)百分含量；S為土壤粉粒(Silt)百分含量。

按下式計算土壤理化因子變化量：

ΔXi=Xi-X0

式中,ΔXi為營建樟子松林后某土壤理化因子i的變化量；Xi為樟子松林地某土壤理化因子i的測定值；X0為相應對照草地某土壤理化因子i的測定值。

按下式計算土壤理化因子相對變化率：

式中,Pi為營建樟子松林后某土壤理化因子i的相對變化率；ΔXi為營建樟子松林后某土壤理化因子i的變化量；X0為相應對照草地某土壤理化因子i的測定值。

以FP相對變化率作為因變量,其他影響因子相對變化率作為自變量進行逐步回歸分析,同時排除各影響因子間共線性關系,得出土壤細顆粒相對變化率回歸方程:

PFP=β0+βiPi

式中,PFP為營建樟子松林后土壤細顆粒的相對變化率；β0為常數；Pi為營建樟子松林后某土壤理化因子i的相對變化率；βi為營建樟子松林后某土壤理化因子i的回歸系數。

1.5 統計分析

運用SPSS 20.0軟件進行統計分析,對樟子松林地及對照草地土壤顆粒組成進行T檢驗,對土壤細顆粒變化量采用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進行差異性分析,運用最小二乘法(LSD,Least square deviation)檢驗方法進行多重比較分析,顯著水平為α=0.05。利用逐步回歸分析建立土壤細顆粒含量變化預測模型(樣本數n=20),分析土壤細顆粒變化的相關土壤因子。

2 結果與分析

2.1 沙質草地營建樟子松人工林后土壤顆粒組成的變化

將不同生長階段的樟子松林地與對照草地土壤顆粒組成(0—100 cm)進行比較,以明確科爾沁沙地樟子松人工林營建對土壤顆粒組成產生的影響。從圖2可以看出,樟子松林地及對照草地土壤顆粒組成均以細砂為主(分別占84.37%—86.97%和74.51%—83.72%),中砂和極細砂次之,而土壤粘粒和粉粒含量極低(僅5%左右)。隨著樟子松林木的生長發育土壤顆粒組成變化明顯。相較于對照草地,樟子松幼齡林地土壤粘粒、粉粒、中砂含量顯著增加,極細砂和細砂含量顯著降低(P<0.05)；中齡林地土壤顆粒組成并無顯著變化；成熟林地土壤粉粒含量顯著增加,土壤極細砂含量顯著減少；過熟林地土壤粉粒含量顯著升高,土壤細砂含量顯著降低。總體而言,沙質草地營建樟子松人工林后土壤粘粒、粉粒及中砂含量升高,而極細砂和細砂含量降低。

圖2 樟子松林地及對照草地土壤顆粒組成差異

2.2 營建樟子松人工林后土壤細顆粒的垂直變化

樟子松人工林營建后林木的生長對土壤細顆粒垂直分布有顯著的影響。由表2可以看出,沙質草地營造樟子松人工林后,不同生長階段樟子松林的FP含量總體均呈升高趨勢,但在不同土層FP含量的變化存在差異。樟子松幼齡林不同土層間FP的增加量無顯著差異,其增加幅度為3.78%—6.67%,表明營建樟子松人工林初期可有效促進土壤不同深度FP積累；中齡林林地FP變化量在0—10 cm層顯著高于80—100 cm層,但二者均與其他層FP變化量無顯著差異；成熟林林地FP增加量隨土層深度增加而逐漸降低,FP變化量在0—10 cm層顯著高于20—100 cm層,而在20—100 cm層間無顯著差異；過熟林林地FP增加量在0—10 cm層最大且差異明顯,在10—100 cm層間無顯著差異。沙質草地營建樟子松林后FP含量增加,除樟子松幼齡林外,FP增加量隨土層深度增加而逐漸降低,表層FP增加量含量高于深層。

2.3 不同林齡樟子松林地土壤細顆粒含量變化特征

沙質草地營建樟子松人工林以改善區域生態環境,而對土壤性質的改良是一個長期的過程,樟子松林木不同生長階段對FP含量的影響存在差異(表2)。本研究發現,在0—10 cm層,樟子松過熟林FP變化量高于成熟林,并且顯著高于樟子松幼齡林和中齡林(P<0.05)；在10—100 cm層,樟子松幼齡林FP變化量均顯著高于中齡林而與過熟林無顯著差異,相較于樟子松成熟林,僅在60—80 cm層差異明顯。此外,樟子松中齡林FP變化量在不同土層均最小。隨著樟子松人工林林齡的增加,FP變化量在0—10 cm層逐漸升高且呈顯著正相關,而在10—100 cm層并未呈現顯著相關關系(圖3)。綜上研究,樟子松中齡林FP變化量最小,隨著樟子松林林齡的增加,FP變化量在0—10 cm層逐漸升高,而在10 cm以下并無顯著關系。

表2 不同齡組土壤細顆粒含量變化量垂直分布

圖3 不同土層土壤細顆粒含量變化量與林齡的關系

2.4 樟子松林土壤細顆粒含量變化與其他土壤因子關系

沙質草地營造樟子松林后,土壤FP含量變化與諸多土壤因子相關且不同土層其相關因子存在差異。從表3可以看出,在0—10 cm層,樟子松林地FP的變化僅與TK呈極顯著負相關；在10—20 cm層,FP與TP顯著正相關,而與SW極顯著正相關；在20—40 cm層,FP與TP顯著正相關,而與SOC和SW極顯著正相關,但與TK卻呈極顯著負相關；在40—60 cm層,FP與SOC和SW顯著正相關；在60—80 cm層,FP僅與SW極顯著正相關；在80—100 cm層,FP與SW極顯著正相關,與TP顯著正相關,與TK極顯著負相關。此外,樟子松林地FP的變化與BD、TN和pH值并無顯著相關關系。綜上所述,除0—10 cm層外,FP的變化均與SW呈顯著或極顯著正相關關系；在20—60 cm層,SOC與FP變化的相關性隨土層深度的增加而逐漸降低。TP與FP變化在10—40 cm層呈正相關,而在60—80 cm層呈負相關,說明TP在不同土層與FP的變化關系不同。FP的變化與TK在0—10 cm、20—40 cm和80—100 cm層極顯著負相關。

表3 土壤細顆粒含量變化相關土壤因子的回歸分析

3 討論

3.1 營建樟子松人工林對土壤顆粒組成變化的影響

研究區所在的科爾沁沙地位于我國北方典型的農牧交錯帶,是我國沙漠化最為嚴重的地區之一[17],已退化為由不同沙漠化程度的群落斑塊鑲嵌組成的高度異質性的斑塊景觀格局,原生植被中的喬木層已基本消失,草本層也急劇退化,物種組成減少,群落蓋度和生物量下降,生態功能降低[1]。由于氣候干燥,風力侵蝕作用頻繁而強烈,土壤細顆粒在風沙流作用下離開原來位置,使得土壤中粗粒物質相對增加,土壤顆粒粗化。本研究發現,營建樟子松人工林后土壤粘粒、粉粒及中砂含量升高,而極細砂和細砂含量降低,土壤顆粒組成呈細化趨勢,但土壤顆粒仍以砂粒為主,這與李蒙蒙等[18]研究結果一致。盡管植被固沙成果顯著,但營建人工植被對土壤顆粒組成的影響有限,如曹成有等[19]研究發現,科爾沁沙地營建小葉錦雞兒((Caraganamicrophylla))人工林后土壤細砂(0.10—0.25 mm)含量仍然達到80%以上；蔡楚雄等[20]研究發現,樟子松林地土壤顆粒的粒徑主要集中在0.2—0.3 mm之間。

3.2 營建樟子松人工林土壤細顆粒垂直變化及相關土壤因子

干旱半干旱沙漠化區域植被具有保育土壤、遏制沙漠化發生發展的生態服務功能。本研究發現,沙質草地營造樟子松林后,幼齡時期不同土層FP含量均有一定的增加,中齡期開始FP的增加量隨土層深度增加而逐漸降低,表層的FP增加量顯著高于深層。樟子松人工林的營建可以有效降低林間風速,降低了土壤風蝕,使樟子松人工林地表細粒物質得以保留[21-22]。此外,樟子松的葉片對大氣降塵具有吸附截留的作用,細顆粒物質直接沉降或在降水作用下在地表沉積[23],然后在降水淋溶作用下沿沙質土壤的大孔隙向下緩慢運移填充土壤孔隙[24],然而,不同土層FP的增加導致沙質土壤孔隙逐漸減小,減緩細粒物質的運移,導致FP增加量隨土層深度增加而逐漸降低,表層的FP增加量顯著高于深層。

在干旱半干旱地區,土壤水分不僅直接決定植物的生長狀況[25],而且土壤水分還決定了的FP垂直分布。在降雨的過程中,FP隨著雨水逐漸向下運移,土壤垂直方向SW的大小決定了FP的含量,土壤SW越高則FP也越多,而FP含量的升高也使土壤的保水能力增強[26-27],所以FP的含量也影響著SW的變化。本研究同樣發現,FP變化與SW在10—40 cm和60—100 cm層極顯著正相關,在40—60 cm層顯著正相關,但在表層(0—10 cm)并未呈現顯著相關關系,這可能由表層FP變化受到的影響因子較多引起的。一般認為,土壤顆粒組成的改善可以優化土壤結構從而降低土壤容重,但本研究發現,樟子松人工林地BD與FP相關性不顯著,Kaur等[28]同樣發現干旱半干旱區沙地土壤顆粒組成與土壤容重并無相關關系,這可能與研究區的土壤質地有關,韓光中等[29]認為干旱地區土壤容重僅與土壤深度顯著相關。

植物殘體是土壤有機碳最重要的來源,表層土壤有機碳主要來源于地上凋落物和分布于表層的細根,而深層土壤有機碳則主要來源于根系脫落物和根系分泌物[30-31]。本研究發現,樟子松林地FP與SOC分別在20—40 cm和40—60 cm層呈極顯著和顯著正相關,這與顏安等[32]和佟小剛[33]等研究結果基本一致。馬建業等[34]研究認為,沙地植被恢復過程中FP均有明顯的固碳效果。在沙地樟子松人工林,林木細根主要集中分布在40 cm以上土層[35]。在林木生長過程中,根系脫落物及根系分泌物在土壤中快速分解轉化形成土壤腐殖質[36-37],促進土壤有機質的積累和土壤顆粒的細化。在科爾沁沙地,土壤有機碳和全氮主要分布于土壤粘粉粒中[38],但本研究并未發現FP與TN的顯著相關關系,李嘗君等[39]同樣認為不同植被恢復程度的沙地土壤全氮含量無明顯變化。

森林生態系統養分主要分布于土壤組分、植物組分和枯落物組分中,其中養分貯量最高的是土壤[40]。相較于沙質草地,樟子松林木個體的生長發育消耗的養分增加,土壤養分含量明顯降低；然而,森林生態系統土壤養分主要來源于土壤表層枯落物分解歸還[41]。隨著樟子松人工林林齡的增加,地表枯落物的積累不僅可有效增加地表粗糙度,提高樟子松林土壤抗風蝕能力,增強地表土壤穩定性,樟子松枯落物分解還可以改善土壤理化性質,使土壤顆粒存在細致化趨勢[3]。土壤表層枯落物分解產生的養分在降水淋溶作用下向深層土壤運移,隨著植被恢復年限的增加,土壤養分表聚性越來越明顯,并且隨土壤剖面深度的增加植被恢復效果存在滯后性[42]。表聚效應的結果表現為土壤上層養分富集,而土壤下層養分貧乏,所以FP與TP在10—40 cm層呈正相關關系,在80—100 cm層呈負相關關系,但是FP與TK在0—10 cm、20—40 cm和80—100 cm層均呈極顯著負相關。土壤中鉀元素主要以速效鉀的形式參與反應,土壤速效鉀移動性和溶解性較好[43]。樟子松枯落物的分解產生腐殖酸,腐殖酸可使土壤中部分非交換性鉀釋放,土壤交換性鉀的含量增加[44],不僅供應樟子松林木的生長消耗,還有一部分交換性鉀轉移到土壤溶液中,以水溶性鉀的形式隨降水淋失,使得TK含量降低。

3.3 不同林齡樟子松人工林土壤細顆粒含量變化特征

沙質草地營造樟子松人工林后,林地的FP變化量隨林齡的增加存在差異。在0—10 cm層,樟子松林FP變化量與林齡呈顯著的正相關關系(P<0.05)。華瑞等[45]的研究同樣表明,表層土壤細顆粒含量與植物群落生長年限存在正相關關系。在樟子松人工林表層土壤細顆粒含量的增加是由細粒物質的沉積和土壤養分的表聚效應共同作用引起的。姚姣轉等[46]研究發現,在植物群落演替過程中,植物的根系及枯落物等形成的土壤結皮具有抗風蝕等作用,改變土壤的結構,利于土壤中養分的富集,顆粒存在細致化趨勢。陳小紅等[47]研究認為,土壤沙漠化逆轉的實質是土壤細粒化伴隨著土壤養分富集。在10—100 cm層,FP的變化與林齡并無顯著關系。劉志強等[48]對不同植物群落下的土壤粒徑分布特征進行研究,同樣發現植被恢復對表層土壤改良效果較好,而對深層土壤的改良效果不及表層明顯。樟子松中齡林FP變化量最小,這與樟子松中齡林的對照草地FP含量較高有關,該沙質草地在營建樟子松林前FP含量高于其他草地,導致樟子松人工林的營建對其土壤顆粒組成的改良效果較小,說明沙地植被恢復過程中,土壤條件越差則植被改良效果越明顯。

4 結論

沙質草地營建樟子松人工林后,不同土層土壤細顆粒含量均呈增加趨勢,在0—10 cm層增加趨勢明顯且隨土層深度增加土壤細顆粒增加量逐漸降低(除幼齡林外),但樟子松林地土壤顆粒組成仍以砂粒為主,土壤粘粒和粉粒含量極低。隨著樟子松人工林林齡的增加,土壤細顆粒變化量在0—10 cm層逐漸升高,而在10—100 cm層并無顯著變化趨勢。土壤細顆粒含量的變化在10—100 cm層與土壤含水量呈顯著正相關,在0—10、20—40 cm和80—100 cm層與土壤全鉀極顯著負相關,在20—60 cm層與土壤有機碳顯著正相關,在10—40 cm和80—100 cm層分別與土壤全磷呈顯著正相關和負相關。綜上所述,在樟子松人工林營建后可采取封育禁牧措施,保證樟子松林下枯落物的積累,減少樟子松人工林地表風蝕作用,提高樟子松林保水能力,同時促進養分循環加快成土過程,可以增加土壤細顆粒含量,提高土壤質量。