凍融循環(huán)對五臺山典型植被土壤微團聚體的影響

李楊波, 劉 楠, 韓進斌, 郭勇強, 李變?nèi)A, 申彥科

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院, 山西 太原 030024; 2.山西省林業(yè)廳,山西省五臺山樹木園, 山西 忻州 035500; 3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司, 天津 300220)

中高緯度和高海拔地區(qū)隨著溫度的改變，晚秋到早春會出現(xiàn)土壤凍融現(xiàn)象，使其土壤團聚體組成改變[1-3]。高山林線附近區(qū)域是全球變暖的敏感指示體，又是生態(tài)交錯帶，在氣候變化背景下，該區(qū)氣候、植被覆蓋情況、覆雪深度等都可能發(fā)生變化，進而影響該區(qū)土壤凍融循環(huán)頻率和強度，導(dǎo)致土壤團聚體組成及分形維數(shù)等土壤結(jié)構(gòu)指標改變[4-7]，最終可能影響與之相關(guān)的生物地球化學過程及坡面穩(wěn)定，特別是在秋冬、冬春兩個季節(jié)交替時期。然而，季節(jié)性凍融對高山林線附近土壤結(jié)構(gòu)的影響仍有待進一步研究。因此，本研究擬選擇山西五臺山林線附近典型植被草甸(CD)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii， HL)和云杉(Piceameyeri， YS)，采用土柱野外原位培養(yǎng)法，探索凍融作用對其土壤的影響，以期為該區(qū)氣候變化背景下的土壤生態(tài)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

五臺山位于山西省東北部(38°27′—39°15′N,112°48′—113°55′E)，山體橫跨五臺縣、代縣和繁峙縣，屬太行山系的北段，是太行山系支脈，位于黃土高原東部的森林草原交錯地帶，海河流域上游。其主峰北臺(葉斗峰)海拔3 061.1 m，是華北最高峰。

五臺山位于暖溫帶濕潤半濕潤氣候區(qū)，山頂屬于高寒氣候。根據(jù)多年觀測數(shù)據(jù)，中臺氣象站(海拔高度2 895.8 m)年均氣溫為-4.2 ℃，極端最低氣溫為-44.8 ℃，年均降雨量880.6 mm，是太行山氣溫最低、降水量最高，濕度和風力最大的地區(qū)[8-10]。五臺山具有較完整的植被垂直帶譜，植被帶從山麓至山頂依次為：灌草叢及農(nóng)田帶—山地灌叢帶—針、闊葉混交林帶—針葉林帶—亞高山灌叢帶—亞高山、高山草甸帶[11]。五臺山植被對調(diào)節(jié)區(qū)域氣候、涵養(yǎng)水源、水土保持、保持生物多樣性等方面有著舉足輕重的作用。

1.2 試驗方案

(1) 樣地選擇。樣地分草甸(CD)、華北落葉松(HL)和云杉(YS)3個典型植被樣地，樣地具體信息見表1。

表1 樣地基本信息

注：CD為草甸樣地；HL為華北落葉松樣地；YS為云杉樣地。下同。

(2) 采樣點的布置。土柱：在每個群落內(nèi)，分別在坡上、坡中、坡下設(shè)置一個20 m×20 m的固定樣地，每個樣地設(shè)置2個原位觀測點，每個點設(shè)置7根土柱(PVC管，內(nèi)徑10 cm，長20 cm)。土柱垂直打入土壤中，盡量不破壞土壤的原狀結(jié)構(gòu)。

紐扣式溫度記錄儀(iButton DS1 992 L)：在每個群落布置2個溫度記錄儀(埋在土壤10 cm深處)，每小時自動監(jiān)測土壤溫度。根據(jù)溫度記錄儀記錄的溫度，得出圖1。

圖1 樣地土壤溫度記錄

取樣時間涵蓋了整個變化周期，包括初凍期、深凍期、融化期，以及生長季。土柱7個采集時間點為：2015年9月26日，2015年10月30日，2015年12月20日，2016年3月15日，2016年5月20日，2016年7月26日，2016年9月26日。取樣時間點表示一個時段的起始和結(jié)束，該時間點對應(yīng)的微團聚體含量代表微團聚體含量經(jīng)過一個時間段后的含量，如(20151030)表示生長季末期結(jié)束和初凍期起始，該時間點對應(yīng)的微團聚體含量為經(jīng)過生長季末期后最終含量。7個時間采集點將培養(yǎng)期分成6個時間段。詳細情況見表2。

表2 研究取樣時間每段時期的分類

1.3 樣品檢測

使用烘干法檢測土壤含水量，用密度計法進行土壤微團聚體的測量。

1.4 分形維數(shù)的計算

根據(jù)楊培嶺等[12]的分形維數(shù)公式：

D=3-lg(wi/w0)lg(di/dmax)

式中：D——土壤粒徑結(jié)構(gòu)分形維數(shù)；di——第i級粒徑和第i+1粒徑平均值(mm)；dmax——最大粒級土粒平均直徑(mm)；wi——直徑小于di的累積質(zhì)量(g)；w0——土壤樣品總質(zhì)量(g)。土壤樣品分形維數(shù)計算方法為：首先求出土壤樣品不同粒徑(di)的1 g(di/dmax)和1 g(wi/wo)值，然后以前者為橫坐標，后者為縱坐標做散點圖，直線回歸后求得斜率(K)最終用公式D=3-K求出土壤質(zhì)量分形維數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS 17.0統(tǒng)計分析軟件進行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 季節(jié)性凍融對土壤微團聚體的影響

2.1.1 不同樣地土壤微團聚體隨時間變化特征 圖2表明培養(yǎng)期內(nèi)不同樣地各粒徑微團聚體含量變化。由圖2得，在土壤溫度變化劇烈的生長季末期、初凍期和融化期3個時期內(nèi)，微團聚體含量發(fā)生顯著變化，且不同樣地微團聚體含量變化也不同。生長季末期，草旬樣地0.25～0.05 mm，0.02～0.002，<0.002 mm微團聚體含量顯著增加(p<0.05)，2～0.25 mm，0.05～0.02 mm顆粒含量顯著降低(p<0.05)；華北落葉松樣地2～0.25 mm顆粒含量顯著增加(p<0.05)，0.02～0.002 mm，<0.002 mm微團聚體含量顯著降低(p<0.05)；云杉樣地2～0.25 mm，0.05～0.02 mm，<0.002 mm顆粒含量顯著增加(p<0.05)，0.25～0.05 mm，0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著降低(p<0.05)?？梢娫谏L季末期，草甸樣地較大粒徑土壤顆粒有向更小粒徑微團聚體轉(zhuǎn)化的趨勢，而華北落葉松和云杉樣地正相反，雖然云杉樣地0.05～0.02 mm，<0.002 mm微團聚體含量也顯著增加，但其增長的絕對數(shù)量，遠低于2～0.25 mm團聚體(圖2)。

注：不同小寫字母表示微團聚體含量在不同時段內(nèi)差異性顯著(p<0.05)。

圖2樣地微團聚體含量隨時間變化

這與婁鑫等[13]的研究結(jié)果相似，溫度變化劇烈，粒徑較大的團聚體含量上升。但也有研究表明[14]土壤溫度越穩(wěn)定，越有利于土壤團聚體之間聚合，這可能是在其研究中，土壤溫度(20 ℃左右)遠高于凍融期，以及土壤含水量、有機碳等差異性所導(dǎo)致。而草甸樣地微團聚體的變化，可能是由于在生長季末期植物出現(xiàn)凋零，其根系活性也隨之下降，根對土壤顆粒的纏繞，特別是細根對土壤顆粒的纏繞減弱，致使較大粒徑團聚體分散，土壤中粒徑更小的微團聚體含量顯著增加。隨著土壤溫度的下降，土壤動物、微生物活性的改變，也可能會造成草甸樣地團聚體發(fā)生這種變化。對于云杉和華北落葉松樣地，可能由于海拔低、枯落物較厚，再加上林木具有一定的郁閉度(表1)，土壤外部環(huán)境可能較草甸樣地穩(wěn)定，所以這兩個樣地植物根系、土壤動物及土壤微生物的活性得以保持，且可能高于草甸樣地，土壤顆粒間膠結(jié)物質(zhì)，如生物分泌物等無明顯減少，土壤顆粒間的作用力沒有明顯減弱，因此，華北落葉松和云杉兩個樣地土壤微團聚體可能會持續(xù)凝結(jié)，導(dǎo)致較大粒徑團聚體含量增加(圖2)。特別是對于海拔最低、枯落物層最厚的云杉樣地(表1)，其2～0.25 mm團聚體增加量明顯高于華北落葉松樣地(圖2)。此外，土壤有機質(zhì)含量及其隨時間變化的差異性，也會造成研究區(qū)不同樣地團聚體變化分異，彭新華等[15]和李鑒霖[16]認為土壤中有機質(zhì)含量下降會使更小顆粒重新凝結(jié)，增大微團聚體粒徑，但對于本研究區(qū)仍待進一步研究。

初凍期，草甸樣地0.05～0.02 mm和華北落葉松樣地0.25～0.05 mm微團聚體含量顯著降低(p<0.05)；草甸樣地和云杉樣地0.25～0.05 mm微團聚體含量均顯著增加(p<0.05)。融化期，草甸樣地和云杉樣地0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)，草甸樣地和華北落葉松樣地0.05～0.02 mm微團聚體含量顯著增加(p<0.05)。初凍期和融化期，季節(jié)性凍融對草甸樣地土壤微團聚體的影響大于其余2個樣地。可能是因為，草甸樣地沒有林木覆蓋，且積雪較其余樣地淺，基本沒有枯落物覆蓋，溫度變幅較其余2個樣地更劇烈，土壤水發(fā)生頻繁相變，致使土壤微生物活性受到影響而降低。而對于華北落葉松和云杉樣地，土壤表面枯落物和積雪作為保溫層，使其土壤與外界環(huán)境隔絕，減少土壤溫度變幅。同時，喬木層也作為保溫層，一定程度上減少了下墊面熱量向大氣傳輸，致使這兩個樣地土壤生物所在環(huán)境也較為穩(wěn)定，活性也相對較高。草甸樣地土壤含水量與2～0.25 mm，0.05～0.02 mm和<0.002 mm微團聚體含量呈顯著負相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，與0.25～0.05 mm微團聚含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。而對于華北落葉松和云杉樣地，其土壤微團聚體含量與土壤含水量之間無顯著相關(guān)性，這可能是因為其土壤溫度較草甸樣地穩(wěn)定，另一方面華北落葉松和云杉樣地的樣地條件(表1)，使得積雪之下一些苔蘚和地衣等在寒冷時期能夠繼續(xù)存活，土壤中的生物活性可能高于草甸樣地，最終也許是因為這些原因的干擾，導(dǎo)致這2個樣地土壤含水量與其土壤微團聚體含量無顯著相關(guān)。所以，在初凍期和融化期，草甸樣地更多粒徑團聚體含量變化顯著。

深凍期樣地土壤微團聚含量變化也相對穩(wěn)定，只有草甸和云杉樣地0.25～0.05 mm，云杉樣地0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)。深凍期初始階段，云杉樣地土壤溫度在0 ℃上下波動，而在深凍期內(nèi)草甸樣地土壤溫度雖然始終處于0 ℃以下，但也存在一定程度的波動(圖1)，一方面土壤中未凍水和冰晶可能因此出現(xiàn)相變，特別是云杉樣地，其土壤溫度波動階段，可能使得一部分積雪融化進入土壤表層，增加了其土壤含水量，接下來土壤溫度又進入0 ℃以下，這部分水的相變將會引起土壤顆粒的變化；另一方面土壤中的生物活性可能因溫度變化而改變，因為在深凍期這個全年溫度最低、環(huán)境最嚴酷的時期，土壤生物活性對溫度變化的敏感性可能增強。因此，導(dǎo)致這兩個樣地土壤微團聚體含量顯著變化(p<0.05，圖2)。

生長季前期，草甸樣地<0.002 mm微團聚體含量顯著上升(p<0.05)；華北落葉松樣地0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)；云杉樣地2～0.25 mm顯著下降，0.25～0.05 mm，0.02～0.002 mm和<0.002 mm微團聚體含量顯著上升(p<0.05)。生長季中期，草甸樣地0.05～0.02 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)，0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著上升(p<0.05)；華北落葉松樣地0.05～0.02 mm和<0.002 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)；云杉樣地0.05～0.02和<0.002 mm微團聚體含量顯著下降(p<0.05)，0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著上升(p<0.05)。生長季前、中期，土壤溫度回升，土壤生物活性恢復(fù)。植物根系在土壤中穿插、網(wǎng)羅、固結(jié)、纏繞及其分泌物的膠黏作用，土壤動物和微生物的活動，使得土壤顆粒發(fā)生重新排列、組合[17-19]。同時，土壤有機質(zhì)含量也隨土壤生物活性變化而變化。這些都顯著改變了各樣地土壤微團聚體組成，也使該時期土壤微團聚體相比季節(jié)性凍融期間，出現(xiàn)了更加頻繁而顯著的變化。

2.1.2 不同樣地微團聚體含量的差異性 各樣地土壤微團聚體含量在培養(yǎng)期間差異性見表3。

表3 研究區(qū)不同樣地微團聚體含量比較

注：不同大寫字母表示在同一時間點不同樣地之間微團聚體含量差異顯著(p<0.05)。

生長季，各級微團聚體含量在樣地之間都有顯著差異(p<0.05)；初凍期和深凍期，除0.25～0.05 mm和0.05～0.02 mm微團聚體外(p<0.05)，樣地間土壤微團聚體含量無顯著差異；融化期，僅有華北落葉松樣地0.25～0.05 mm，0.05～0.02 mm和0.02～0.002 mm微團聚體含量與其余樣地之間有顯著差異(p<0.05)。可見，3個樣地在生長季土壤微團聚體含量的差異明顯多于季節(jié)性凍融期間，這可能是植被組成的不同，以及由此引起的土壤生物活性與有機質(zhì)含量的差異，最終導(dǎo)致不同樣地間土壤微團聚體含量和組成的顯著差異。

2.2 凍融循環(huán)對土壤微團聚體分形維數(shù)的影響

由圖3可知，在生長季末期，各樣地土壤微團聚體質(zhì)量分形維數(shù)減小，表明此時土壤的孔隙度增加，結(jié)構(gòu)性變好，但是在初凍期、深凍期和融化期，土壤溫度在0 ℃上下變化以及降低至0 ℃以下，土壤分形維數(shù)逐漸增加，表明在整個凍融期內(nèi)樣地土壤結(jié)性逐漸減弱。這與王恩姮等[20-21]的研究結(jié)果相似，然而，Lehrsch等[22-23]、王展等[24]卻得出相反結(jié)果，土壤經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，土壤微團聚體分形維數(shù)降低，微團聚體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性變好。原因可能是本研究與王恩姮同樣采用野外原位培養(yǎng)法，且試驗樣地植被相似；而Lehrsch、王展則采用室內(nèi)凍融循環(huán)試驗，樣地為農(nóng)田。再者本試驗樣地土壤含水量遠高于王展試驗樣地土壤含水量，也可能是造成結(jié)果不一致的原因。

圖3 研究區(qū)樣地土壤分形維數(shù)變化趨勢

生長季，植物根系的活性逐漸恢復(fù)，對土壤結(jié)構(gòu)改善具有促進作用。而且土壤動物和微生物活性也得以恢復(fù)。首先，土壤動物活動頻繁，土壤受到擾動發(fā)生破碎和移動[20]；動物排泄物會增加，土壤有機物含量升高，從而使得土壤微團聚體穩(wěn)定性增強，土壤結(jié)構(gòu)性增強[25-26]。其次，微生物如細菌、真菌等自身的菌絲纏繞和它們自身釋放的化學物質(zhì)與土壤顆粒相結(jié)合[27]，從而使得草甸和華北落葉松樣地土壤微團聚體分形維數(shù)降低，土壤的結(jié)構(gòu)性增強，然而在生長季初期，云杉樣地卻出現(xiàn)土壤微團聚體分形維數(shù)增加的趨勢，祝憶偉等[28]也得出了相似的結(jié)論，其研究表明，樣地土壤<0.002 mm和0.02～0.002 mm微團聚體含量與土壤分形維數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，而本研究云杉樣地土壤分形維數(shù)同0.02～0.002 mm微團聚體也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(p<0.01)。此外，由圖2可知，生長季初期，云杉樣地0.02～0.002 mm微團聚體含量顯著增加(p<0.05)，致使其土壤分形維數(shù)逐漸增加，也表明在此階段，云杉樣地土壤分形維數(shù)主要受0.02～0.002 mm微團聚體含量控制，與其余徑級微團聚體含量無關(guān)。

總之，3個樣地土壤微團聚體分形維數(shù)均具有周期性變化特征，即在經(jīng)歷了季節(jié)性凍融期的逐步增加之后，于生長季期間又逐漸降低，恢復(fù)至原有水平附近。從圖3還可看出，云杉樣地土壤微團聚體分形維數(shù)在季節(jié)性凍融期間總是小于其余兩個樣地，而華北落葉松樣地土壤微團聚體分形維數(shù)雖然在深凍期超過了草甸樣地，但是進入融化期又變得小于草甸樣地，表明凍融作用對云杉樣地土壤結(jié)構(gòu)破壞性要小于草甸和華北落葉松樣地，這主要與云杉樣地優(yōu)越的樣地環(huán)境有關(guān)(表1)。進入生長季前期和中期，則是草甸樣地的土壤微團聚體分形維數(shù)小于其余兩個樣地，可能是草甸樣地在該時期大量的草本植物活性恢復(fù)，且高于其余2個樣地，而喬木根系在表層土壤中有可能少于草本植物，因此根系對草甸表層土壤作用較強，優(yōu)化了草甸土壤結(jié)構(gòu)。在生長季末期則相反，草甸樣地的土壤微團聚體分形維數(shù)大于其余兩個樣地，華北落葉松樣地最小，可能因為郁閉度、枯落物厚度等原因，華北落葉松和云杉樣地土壤溫度得以較好的保持，不易隨外界溫度變化而劇烈變化，草甸樣地則不然，因此，其草本植物根系活性下降較其余兩個樣地大，導(dǎo)致其土壤微團聚體分形維數(shù)較高，但這更能體現(xiàn)出草本植物根系對表層土壤結(jié)構(gòu)的作用。然而，3個樣地土壤微團聚體分形維數(shù)僅在生長季末期開始時存在顯著差異(p<0.05)，其余無顯著差異。這與胡小蘭[29]、甘鳳玲等[30]的研究一致，可能是不同植被覆蓋下的土壤中<0.002 mm和0.02～0.002 mm微團聚體含量差異顯著(p<0.05)引起的(表3)，且以上兩者研究結(jié)果都表明土壤分形維數(shù)都與<0.002 mm和0.02～0.002 mm微團聚體含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(p<0.05)，且0.02～0.002 mm與土壤分形維數(shù)的相關(guān)系數(shù)(0.962 6)大于<0.002 mm微團聚體(0.713 7)。

3個樣地土壤含水量與土壤微團聚體分形維數(shù)之間存在顯著負相關(guān)關(guān)系(p<0.05)。結(jié)合圖3—4可知，研究區(qū)土壤微團聚體分形維數(shù)，即土壤結(jié)構(gòu)性的周期性變化，與土壤含水量在季節(jié)性凍融循期的周期性變化密切相關(guān)。因為在季節(jié)性凍融期內(nèi)，植物根系、土壤動物和微生物活性降低，對土壤顆粒的作用效果不顯著，此時，含水量和溫度可能是影響土壤分形維數(shù)的兩個主要因素。而在生長季，土壤溫度逐漸升高至合適水平，再加上恰當?shù)耐寥篮?，有利于植物、土壤動物和微生物活性恢?fù)，因而它們對土壤顆粒作用效果較顯著，土壤結(jié)構(gòu)性明顯增強，分形維數(shù)降低。

圖4 研究區(qū)樣地土壤含水量變化趨勢

3 結(jié) 論

(1) 3個樣地土壤微團聚體含量受到季節(jié)性凍融的影響發(fā)生改變，但比生長季土壤微團聚體的變化要少，且主要發(fā)生在初凍期和融化期。不過在深凍期，由于土壤溫度波動和積雪保溫作用，草甸樣地和云杉樣地土壤微團聚體含量也發(fā)生顯著變化，但其變化仍然不及初凍期和融化期。

(2) 季節(jié)性凍融期間，樣地植被不同造成的土壤微團聚體含量差異主要發(fā)生在融化期，而這一因素的影響在生長季期間表現(xiàn)的更加明顯。

(3) 3個樣地土壤微團聚體分形維數(shù)呈現(xiàn)一致變化趨勢，都是在季節(jié)性凍融期間增加，進入生長季減少，體現(xiàn)出周期性變化規(guī)律和一定土壤結(jié)構(gòu)恢復(fù)能力。