太行山南麓側(cè)柏人工林土壤團聚體穩(wěn)定性分析

河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院 軒瑄

一、研究背景

土壤團聚體的質(zhì)量、數(shù)量以及大小分布狀況不僅能反映土壤肥力、土壤水分、土壤通氣性和土壤保水等生態(tài)功能，同時還與土壤環(huán)境質(zhì)量、土壤抗腐蝕能力和土壤穩(wěn)定性有密切聯(lián)系，是反映土壤結(jié)構(gòu)性質(zhì)的重要指標(biāo)和參數(shù)。太行山南麓地區(qū)土層薄，肥力弱，土壤礫石含量高，有機質(zhì)含量低，植被豐富度也相對較低，地面裸露程度高，通常通過種植人工林來改善土壤狀況，加速植被恢復(fù)。廣泛分布于溫暖地區(qū)的側(cè)柏（Platycladus orientails）因其耐旱耐貧瘠，且適應(yīng)性強，在涵養(yǎng)水源、荒山綠化和保持水土等方面具有重要的生態(tài)、經(jīng)濟和社會意義，是太行山南麓重要的人工林樹種之一。但有研究表明，側(cè)柏人工林種植年限越高，對土壤肥力的消耗越大，土壤可持續(xù)利用能力下降。因此，研究不同恢復(fù)年限側(cè)柏人工林土壤結(jié)構(gòu)對于植被恢復(fù)效果評價具有重要作用。本研究選擇太行山南麓不同林齡（30 a、40 a、50 a、60 a）側(cè)柏人工林為研究對象，通過查閱資料，分析研究區(qū)樣地內(nèi)土壤內(nèi)部理化性質(zhì)（土壤膠結(jié)物質(zhì)、有機碳含量、微生物活動）以及外部條件（氣候、植被類型、恢復(fù)年限及土壤動物），探討影響其土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素及不同林齡（30 a、40 a、50 a、60 a）側(cè)柏人工林土壤團聚體的穩(wěn)定性。

二、土壤團聚體

（一）土壤團聚體概述

土壤團聚體是多孔結(jié)構(gòu)體，可以表征土壤結(jié)構(gòu)，是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位，由土壤中的礦物顆粒、微生物分泌物、有機質(zhì)等通過復(fù)雜反應(yīng)結(jié)合形成。按照0.25 mm 粒徑大小為標(biāo)準(zhǔn)將土壤團聚體進(jìn)行分類，可分為粒徑＞0.25 mm 的大團聚體（＞PA0.25）和粒徑＜0.25 mm（＜PA0.25）的微團聚體。土壤中粒徑＞0.25 mm 的大團聚體數(shù)量越多，土壤穩(wěn)定性越好。因為，一方面，土壤大團聚體可以通過影響土壤孔隙度來調(diào)節(jié)土壤透氣性從而維持土壤平衡狀態(tài)；另一方面，土壤大團聚體可以通過影響土壤中酶的活性、微生物數(shù)量等來控制土壤中動物以及植物根系的活力，從而影響植物生長，使土壤達(dá)到動態(tài)平衡狀態(tài)。

（二）土壤團聚體穩(wěn)定性評價指標(biāo)

土壤團聚體是否具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)通常采用粒徑＞0.25 mm 土壤團聚體比例（＞PA0.25）、平均質(zhì)量直徑（MWD）、平均質(zhì)量比表面積（MWSSA）、土壤分形維數(shù)(D)以及土壤團聚體的水穩(wěn)性等指標(biāo)進(jìn)行評價。＞0.25 mm 土壤團聚體比例（＞PA0.25）是指粒徑大于0.25 mm 團聚體占所有粒徑團聚體的質(zhì)量百分比，一般認(rèn)為當(dāng)＞PA0.25大于70%時，土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；土壤團聚體平均質(zhì)量直徑（MWD）反映土壤團聚程度，常用來表征土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，平均質(zhì)量直徑（MWD）越大，土壤團聚程度越高，土壤越穩(wěn)定；平均質(zhì)量比表面積（MWSSA）是指土壤團聚體在不同裸露程度的地面上大土壤團聚體被破壞的趨勢，平均質(zhì)量比表面積（MWSSA）越大，土壤中大團聚體被破壞量越大，土壤結(jié)構(gòu)越差，土壤越不穩(wěn)定；土壤團聚體是一種多孔介質(zhì)，具有一定分形特性，因此，土壤分形維數(shù)（D）也是評價土壤性質(zhì)和團聚體分布的潛在指標(biāo)，土壤分形維數(shù)(D)越大，土壤結(jié)構(gòu)越差。

（三）土壤團聚體形成與破裂機制

一系列復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物因素影響著土壤團聚體的形成，有關(guān)土壤團聚體形成的概念在研究中被不斷提出。黏團模型這一概念由Emerson 首次提出，他認(rèn)為土壤中的黏土晶體和有機質(zhì)共同維持土壤的穩(wěn)定。團聚體形成模型由Edwards 提出，他認(rèn)為土壤團聚體由土壤中的離子、黏粒和有機質(zhì)結(jié)合形成。團聚體等級發(fā)育模型由Tisdall 提出，Oades 后對其進(jìn)行修改，他們認(rèn)為首先由土壤中真菌、細(xì)菌及其分泌物、菌絲和動植物殘體和土壤中原生礦物顆粒和發(fā)生膠結(jié)作用，形成土壤微團聚體。然后，土壤中游離的微團聚體在一些膠結(jié)物質(zhì)如微生物、植物多糖、根和真菌菌絲體等作用下結(jié)合，形成土壤大團聚體。在土壤大團聚體形成一段時間后，由于多糖和生物酶的作用，大團聚體內(nèi)部膠結(jié)性降低，同時大團聚體可能會受到來自環(huán)境的擠壓等外力，使大團聚體首先分解為中型團聚體，最后放出土壤微團聚體。

土壤團聚體在受到不同條件影響后會破裂成微團聚體，目前有三種有關(guān)土壤團聚體的破裂機制，分別是：糊化作用、非均勻膨脹作用以及機械破裂作用。糊化作用是指土壤團聚體空隙中的空氣受到水分影響發(fā)生壓縮而產(chǎn)生的膨脹破裂現(xiàn)象；非均勻膨脹作用是指受到水分影響后的土壤團聚體與礦物質(zhì)產(chǎn)生的膨脹破裂現(xiàn)象，與糊化作用類似；機械破裂作用是指人類等自然界生物在土壤上進(jìn)行活動，或者氣候變化時如降雨而引起的使土壤團聚體破碎進(jìn)而發(fā)生的破裂現(xiàn)象。

三、研究區(qū)概況

本次研究選擇的不同林齡側(cè)柏人工林樣地位于黃河小浪底森林生態(tài)定位研究站（35°1′～35°4′N，112°28′～112°30′E），研究區(qū)位于河南省濟源市，隸屬于中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究網(wǎng)絡(luò)(Chinese Forest Ecosystem Research Network，CFERN）。研究區(qū)內(nèi)年平均氣溫約為14.0℃，為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。

選擇研究區(qū)內(nèi)立地條件、坡度基本一致且林齡分別為30 a、40 a、50 a 和60 a 的側(cè)柏人工林。通過查閱資料可得樣地基本性質(zhì)，如林分密度從高到低依次為30 a 側(cè)柏人工林（4 000 株·hm-2）、50 a 側(cè)柏人工林（3 400 株·hm-2）、40 a 側(cè)柏人工林（2 600 株·hm-2）和60 a 側(cè)柏人工林（1 900 株·hm-2），郁閉度從高到低依次為60 a 的側(cè)柏人工林、50 a 側(cè)柏人工林、40 a側(cè)柏人工林，30 a 側(cè)柏人工林郁閉度最小。通過查閱資料還可以得到樣地不同林齡側(cè)柏人工林土壤的基本性質(zhì)，如土壤孔隙含水率、土壤pH、土壤容重、土壤總孔隙度和土壤黏粒體積分?jǐn)?shù)。

四、太行山不同林齡側(cè)柏人工林土壤團聚體穩(wěn)定性分析

土壤團聚體越穩(wěn)定，土壤的可持續(xù)利用率越高，土壤有機質(zhì)含量越高，土壤狀態(tài)越好，植物生長越穩(wěn)定，生物群落多樣性越豐富。土壤母質(zhì)、土壤有機質(zhì)、有機碳含量、微生物活動等對團聚體的膠結(jié)起直接作用；林分密度、氣候、人工林恢復(fù)年限、植被類型、人為干擾等外界因素也會對團聚體形成產(chǎn)生間接影響。對太行山南麓側(cè)柏人工林來說，黏粒含量、有機碳含量、林分密度等在不同林齡間差異較顯著，我們可以由此預(yù)測該地區(qū)不同林齡側(cè)柏人工林土壤穩(wěn)定性。

（一）土壤內(nèi)在理化性質(zhì)對土壤團聚體穩(wěn)定性影響

1.土壤膠結(jié)物。土壤中的植物地表枯落物、植物根系等都稱為有機膠結(jié)物，這類膠結(jié)物質(zhì)能夠增加土壤團聚體的膠結(jié)能力，幫助大團聚體形成，從而增強土壤穩(wěn)定性。而土壤黏粒、土壤中的金屬離子等稱為無機膠結(jié)物質(zhì)，也是土壤團聚體形成的重要組成物質(zhì)。有機膠結(jié)物和無機膠結(jié)物共同組成的膠結(jié)物稱為有機無機膠結(jié)物質(zhì)復(fù)合體。這三種膠結(jié)物質(zhì)是決定土壤團聚體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。土壤黏粒構(gòu)成土壤黏團，植物根系、土壤中微生物和有機質(zhì)等通過土壤黏團與土壤顆粒形成土壤團聚體，因此，土壤中黏粒含量越高，土壤結(jié)構(gòu)越好。

分析不同林齡不同土層側(cè)柏人工林土壤黏粒含量可以得到：相比于不同林齡，50 a 林齡側(cè)柏人工林土壤中黏粒含量相對較高，之后依次為30 a、60 a 和40 a林齡側(cè)柏人工林；相比于不同土層，30 a、40 a、50 a林齡側(cè)柏人工林黏粒含量變化相同，均隨著土層深度的增加而不斷增加，60 a 林齡側(cè)柏人工林則相反。

2.土壤有機碳含量。史長婷、王恩姮等人研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有機碳含量越高，土壤團聚體越穩(wěn)定。人工林林下凋落物有助于土壤積累有機碳，是森林土壤環(huán)境有機碳的重要積累來源；同時，土壤中團聚體的數(shù)量越多，也越有利于土壤有機碳的積累。苗蕾等人研究發(fā)現(xiàn)，在太行山南麓人工林中，林齡大的喬木林下凋落物數(shù)目最多，林下凋落物數(shù)目排序為：40 a 喬木人工林大于20 a 喬木人工林大于灌木林。

由此我們可以推測樣地內(nèi)不同林齡側(cè)柏人工林地表凋落物含量由30 a 到60 a 逐漸增加。

3.微生物活動。人工林主要通過影響林內(nèi)小氣候、凋落物歸還與周轉(zhuǎn)、細(xì)根產(chǎn)量及根系分泌物間接影響土壤酶活性，土壤中微生物群落在有機物分解過程中被激活，導(dǎo)致土壤中的細(xì)菌和真菌數(shù)量提高，由此產(chǎn)生的細(xì)菌、真菌分泌物可以提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。因此，土壤微生物數(shù)量大小與質(zhì)量高低間接影響土壤團聚體的分布與穩(wěn)定程度。

研究發(fā)現(xiàn)，在太行山南麓不同林齡側(cè)柏人工林土壤中，土壤酶活性變化一致，均表現(xiàn)為隨林齡的增加先升高后降低，其值在40 a 側(cè)柏人工林土壤中達(dá)最高。酶活性影響著土壤中微生物活動，從而可能致使太行山南麓側(cè)柏人工林土壤微生物活性在30～40 a 林齡側(cè)柏人工林呈逐漸上升趨勢，40～60 a 林齡側(cè)柏人工林呈逐漸降低趨勢。

（二）外界因素對土壤團聚體穩(wěn)定性影響

1.氣候與土地利用類型。干旱、降雨等不同氣候都會影響土壤的干濕狀態(tài)，干濕交替的環(huán)境狀態(tài)可以增強土壤的抗腐蝕性，激發(fā)土壤呼吸，使土壤處于良好的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。不同土地利用類型也對土壤團聚體含量及穩(wěn)定性影響顯著，對于土地利用類型來說，有研究表明荒地和農(nóng)田用地的土壤團聚體穩(wěn)定性較劣于林地。

研究區(qū)氣候為暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨多集中在雨季。通過分析土壤孔隙含水率可得，太行山南麓30 a 林齡側(cè)柏人工林土壤孔隙含水率最高，50 a 與60 a 次之，40 a 最低。

2.人工林不同恢復(fù)年限?；谥袊仲Y源清查數(shù)據(jù)，并參照國家林業(yè)局《主要樹種齡級及齡組劃分（LY/T 2908—2017）》，天然側(cè)柏林齡級劃分如下：幼齡林（≤ 80 a）、中齡林（81～100 a）、近熟林（101～120 a）、成熟林（121～160 a）以及過熟林（≥161 a）。而側(cè)柏人工林齡可分為幼齡林（≤40 a）、中齡林（41～60 a）、近熟林（61～80 a）、成熟林（81～120 a）和過熟林（≥121 a）。有研究認(rèn)為，林分密度和郁閉度均會對土壤團聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

太行山南麓30 a 側(cè)柏人工林林分密度最大，郁閉度最低，之后依次是40 a、50 a、60 a 的側(cè)柏人工林。

3.土壤動物。土壤具有松散性，是疏松多孔結(jié)構(gòu)，以土壤為生存環(huán)境的動物，如蚯蚓和爬蟲等，在一定程度上也會影響土壤團聚體的穩(wěn)定性。這些土壤動物在土壤中生存活動，必然會產(chǎn)生外力作用，當(dāng)土壤受到來自土壤動物施加的外力作用時，大團聚體破碎，土壤穩(wěn)定性降低繼而對土壤結(jié)構(gòu)造成影響。

五、結(jié)論

通過對以上影響土壤團聚體穩(wěn)定性因素的分析，我們可以大概推測：相比于其他林齡側(cè)柏人工林土壤，30 a 側(cè)柏人工林的土壤團聚體穩(wěn)定性可能處于較優(yōu)水平，50 a 和40 a 側(cè)柏人工林土壤次之，60 a 側(cè)柏人工林土壤團聚體穩(wěn)定性可能較差。這可能是由于30 a 側(cè)柏人工林處于生長旺盛期，根部吸收養(yǎng)分能力強，代謝速度快，樹葉掉落量多，林下凋落物積累量大，且林分密度適合，林木向土壤釋放的有機質(zhì)含量高，使得土壤團聚體相較其他林齡穩(wěn)定。而隨著恢復(fù)年限的增加，恢復(fù)年限高的人工林對土壤的消耗更大，林木老化更嚴(yán)重，林木根部對養(yǎng)分的吸收降低，歸還土壤養(yǎng)分量下降，土壤有機質(zhì)含量隨之下降，且林分郁閉度逐漸增加，陽光難以照射入人工林內(nèi)，人工林內(nèi)和林內(nèi)土壤受光照減少，林內(nèi)溫度及土溫降低，土壤微生物活性下降，結(jié)果導(dǎo)致土壤大團聚體形成受阻。太行山南麓長期存在著地面裸露程度高，造林困難，植被恢復(fù)速度慢等困擾山區(qū)綠化的問題，可以依據(jù)此結(jié)果，對太行山南麓不同林齡側(cè)柏人工林土壤進(jìn)行不同對應(yīng)處理，以此增強土地可持續(xù)利用性能，加速太行山南麓植被恢復(fù)。