基于Le Bissonnais法揭示桉樹人工林土壤團聚體的崩解機制

摘要：" 以廣西國有大桂山林場為研究區(qū)域，選擇連栽第1代（I）、第2代（II）、第3代（III）桉樹人工林為研究對象。采集0～20 cm和20～40 cm土層原狀土樣，通過傳統(tǒng)濕篩法和Le Bissonnais（LB）法探究土壤團聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，其中LB法包括快速濕潤（FW）、慢速濕潤（SW）和預濕擾動（WS）處理。結果表明，桉樹人工林土壤主要以gt; 2mm團聚體為主。在不同濕潤處理下，土壤團聚體穩(wěn)定性指標MWD和GMD值均表現(xiàn)為III gt; II gt; I，說明連栽第3代的桉樹人工林土壤團聚體穩(wěn)定性最高。在桉樹人工林中，MWD和GMD值隨著土層深度的增加而減少，表明表層土壤團聚體穩(wěn)定性較高于底層。在LB法的3種濕潤處理中，桉樹人工林土壤團聚體MWD和GMD值均表現(xiàn)為WS gt; SW gt; FW，表明FW處理對本研究區(qū)域的土壤團聚體破壞最大。該處理是模擬大雨突然來臨時的情形，其破壞機制是團聚體內(nèi)閉蓄空氣被快速壓縮而產(chǎn)生的氣爆作用。因此，適當增加林下植被覆蓋度則有利于桉樹人工林土壤結構的改善。

關鍵詞：" 桉樹人工林；" 團聚體穩(wěn)定性；" Le Bissonnais法

中圖分類號：" "S 714. 5" " " " " " " "文獻標識碼：" "A" " " " " " " " 文章編號：１００1 － 9499（２０24）06 － 0028 － 06

The Disintegration Mechanism of Soil Aggregates in Eucalyptus Plantations： Based on the Le Bissonnais Method

LIANG Jianxin1 ZHOU Juan1 ZHU Xinghua1 WU Yuhui1 SHI Yu1** TANG Lili2

（1." Guangxi Zhuang Autonomous Region State-owned Dagui Mountain Farm，" Guangxi Hezhou 542899;" 2." College of Forestry， Guangxi University，" Guangxi Nanning 530004）

Abstract In this study， the first generation（I）， second generation（II）， and third generation（III） Eucalyptus plantations were planted in Daguishan Forest Farm， Guangxi. Undisturbed soil samples of 0～20 cm and 20～40 cm soil layers were collected， and the change rule of soil aggregate stability was investigated by traditional wet sieve method and Le Bissonnais （LB） method， in which the LB method included fast wetting （FW）， slow wetting （SW）， and wet disturbance （WS） treatment. The results showed that the soil of Eucalyptus plantations was mainly composed ofgt;2 mm aggregates. Under different wetting treatments， the values of soil aggregate stability indexes （MWD and GMD） were IIIgt;II gt;I， indicating that the soil aggregate stability of the third successive generation of Eucalyptus plantations was the highest. In Eucalyptus plantations， the MWD and GMD values decreased with the increase of soil depth， indicating that the stability of soil aggregates in the top layer was higher than that in the bottom layer. In the three kinds of wetting treatments with LB method， the values of MWD and GMD of soil aggregates in Eucalyptus plantations were WSgt;SWgt;FW， indicating that FW treatment had the greatest damage to soil aggregates in this study area. The treatment is to simulate the situation of sudden heavy rain， and its failure mechanism is the gas explosion caused by the rapid compression of the enclosed air in the agglomeration. Therefore， an appropriate increase in understory vegetation coverage is beneficial to the improvement of soil structure of Eucalyptus plantations.

Key words Eucalyptus plantations; aggregate stability; Le Bissonnais method

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，其碳儲量大于陸地植被和大氣總和，在全球碳循環(huán)中起著至關重要的作用。然而，相當一部分土壤有機碳會以二氧化碳（CO2）的形式釋放至大氣。因此，增強土壤有機碳固存對于緩解溫室效應具有巨大潛力[ 1 ]。桉樹（Eucalyptus spp.）是我國三大速生樹種之一，具有生長迅速、病蟲害少、抗逆性強以及用途廣泛等優(yōu)點，在我國南方地區(qū)（尤其是廣西）普遍種植[ 2 ]。開展桉樹人工林土壤固碳增匯研究，對實現(xiàn)森林土壤減排增匯、助力國家“雙碳”目標具有積極貢獻[ 3 ]。作為土壤結構的基本單元，團聚體的形成與穩(wěn)定可減少氧氣和酶的擴散，降低有機碳受微生物和酶降解的風險，故團聚體對有機碳的物理保護被認為是增強有機碳固存的關鍵機制[ 4 ]。然而，桉樹人工林常采用超短輪伐周期、多代連栽經(jīng)營模式，該模式導致的團聚體穩(wěn)定性減弱對土壤固碳增匯具有深刻的負面影響。

目前，眾多學者在探究土壤團聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律時，傳統(tǒng)濕篩法依然是最常用的方法，但該方法尚無法區(qū)分團聚體崩解的不同機制，故其研究結論相對片面[ 5 ]。Le Bissonnais（LB）法通過對團聚體進行快速濕潤（FW）、慢速濕潤（SW）和預濕擾動（WS）來區(qū)分其崩解的不同機制：FW處理模擬土壤結構在暴雨或灌溉條件下由密閉氣體爆破造成的破壞，強調(diào)消散作用；SW處理模擬土壤結構在小雨或滴灌條件下由毛細作用造成的破壞，強調(diào)黏粒膨脹作用；WS處理主要強調(diào)機械擾動作用[ 6 ]。已有研究證實LB法不僅可以從團聚體崩解機制方面對土壤結構進行區(qū)別評價，還可以追溯致使土壤結構破壞的作用來源[ 7 ]。因此，本研究以廣西國有大桂山林場為研究區(qū)域，以不同連栽代次桉樹人工林為研究對象，基于LB法探究土壤團聚體穩(wěn)定性的變化規(guī)律，旨在全面了解桉樹人工林土壤團聚體崩解機制，以期為提升桉樹人工林土壤的碳匯效應提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于廣西賀州市八步區(qū)大桂山林場（111°20′5″～111°54′39″E，23°58′33″～24°14′25″N），屬亞熱帶季風地區(qū)，年降水量為2 000～2 600 mm，年氣溫為18.0～21.0 ℃。地形以低矮的丘陵為主，成土母巖主要為砂頁巖，土壤類型為磚紅壤，質(zhì)地為壤質(zhì)粘土。

1. 2 樣地設置

本研究選取具有充分代表性的連栽第1代（I）、第2代（II）、第3代（III）桉樹人工林為研究對象，所有連栽代次的桉樹均為2年生，桉樹品種為巨尾桉（Eucalyptus grandis×urophylla），種植密度約為1667株/ hm2，株行距2 m×3 m，坡度15°～20°，海拔723～730 m。在各林分中隨機設置3個30 m×30 m的標準樣方作為3個重復，共計9個標準樣方（3個林分×3個重復）。各林分僅在造林初期進行撫育，以保證成活率，此后均遵循近自然林的經(jīng)營原則。

1. 3 樣品采集

在每個標準樣方內(nèi)用網(wǎng)格法布置9個1 m × 1 m的采樣點，采集土壤表面的凋落物，用于凋落物基本性質(zhì)的測定（表1）。從表層向下按0～20 cm和20～40 cm土層采集原狀土壤，將采集的土壤分層混合，一共得到18個混合土樣（3個林分 × 3個重復×2個土層）。將每個混合土樣沿其自然結理分開，過5 mm篩除去小石塊和動植物殘體等，置于室內(nèi)陰涼通風處風干。風干后的土樣一部分用于全土基本性質(zhì)的測定（表1），另一部分用于團聚體分級。

1. 4 團聚體分級

濕篩法[ 8 ]：結合土壤團粒分析儀對土壤團聚體進行分級，分析儀的孔徑大小依次為2、1 mm和0.25 mm。將100 g土樣放入加好去離子水的分析儀中，篩分30 min（上下振幅為4 cm，頻率為20次/ min），篩分結束后，將各粒級團聚體輕輕移至鋁盒中，再放入105 ℃恒溫鼓風烘箱中烘干至恒重，最后取出稱重。

LB法[ 9 ]：采用濕篩法選取的粒級為2～5 mm土壤團聚體，用鋁盒裝好后放于恒溫鼓風烘箱中，設置溫度為40 ℃，烘干至恒重，保證樣品初始含水量一致，之后分別進行FW、SW和WS處理。FW處理：將5 g團聚體快速倒入裝有50 mL去離子水的燒杯中，靜置10 min后用移液管將水吸去；SW處理：將5 g團聚體輕輕置于-0.3 kPa的濕潤濾紙上，靜置40 min使其完全濕潤；WS處理：將5 g團聚體置于裝有50 mL 95%乙醇溶液的三角瓶中，10 min后用移液管將乙醇吸去，之后加去離子水至200 mL，蓋好橡皮塞后將瓶子上下顛倒20次，靜止30 min后用移液管將水吸去。3種處理后，均用95%乙醇溶液將團聚體洗至0.25 mm的篩子上，將其浸沒在95%乙醇溶液中，上下震蕩20次/min，共5 min，上下振幅為2 cm，之后將其移入鋁盒中，在40 ℃烘箱中烘干至恒重，冷卻到室溫后稱重，之后將處理后的團聚體土樣依次過2 mm、1 mm和0.25 mm的土壤套篩，并對各粒級團聚體進行稱重。

1. 5 指標計算

土壤團聚體穩(wěn)定性由平均重量直徑（MWD，mm）和幾何平均直徑（GMD，mm）表征，其計算公式為[ 10 ]：

MWD=（XiWi）（1）

GMD=exp（2）

式中，Xi為第i粒級團聚體的平均直徑（mm）;Wi為第i粒級團聚體的質(zhì)量百分比（%）。

1. 6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在SPSS 21.0軟件中進行統(tǒng)計分析，圖表采用Microsoft Office 4.3軟件制作。采用最小顯著性差異法檢驗不同處理之間相關指標差異的顯著性水平（Plt;0.05），圖表中數(shù)據(jù)為平均值（n=3）±標準差（SD）。

2 結果與分析

2. 1 濕篩法處理下土壤團聚體分布特征

如圖1所示，濕篩后，3個連栽代次的桉樹人工林總體上以gt;2 mm土壤團聚體為主，平均占比為26.69%；其次為0.25～1 mm和lt;0.25 mm土壤團聚體，平均占比分別為26.25%和24.10%；最后為1～2 mm土壤團聚體，平均占比為22.96%。在桉樹人工林中，gt;2 mm土壤團聚體含量表現(xiàn)為0～20 cm土層較高于20～" "40 cm土層，而lt;0.25 mm土壤團聚體含量則呈相反的趨勢。

對于同一粒級土壤團聚體而言，不同連栽代次之間亦有顯著差異。在gt;2 mm土壤團聚體中，桉樹人工林表現(xiàn)為III gt; II gt; I；然而，在lt;0.25 mm和0.25～1 mm土壤團聚體中，桉樹人工林則表現(xiàn)為I gt; II gt; III；在1～2 mm土壤團聚體中，連栽代次之間差異不顯著。總體而言，III林分的gt;2 mm土壤團聚體含量較高于其他粒級，I林分的lt;0.25 mm和0.25～1 mm土壤團聚體含量較高于其他粒級，在II林分中，各粒級土壤團聚體含量之間沒有顯著差異。

2. 2 濕篩法處理下土壤團聚體穩(wěn)定特征

MWD和GMD是評價土壤團聚體穩(wěn)定性的重要指標，其值越大，則團聚體穩(wěn)定性越高，土壤結構就越穩(wěn)定。土壤團聚體穩(wěn)定性可依據(jù)MWD分為5個級別：MWD lt; 0.40，極不穩(wěn)定；0.40≤MWDlt;0.80，不穩(wěn)定；0.80≤MWDlt;1.30，穩(wěn)定；1.30≤MWDlt; 2.00，很穩(wěn)定；MWD≥2.00，極穩(wěn)定[ 11 ]。

如圖2所示，濕篩后，II和III林分的MWD值為1.35～1.80 mm，土壤結構很穩(wěn)定；而I林分的MWD值為1.39～1.17 mm，土壤結構穩(wěn)定。此外，各林分的GMD值變化范圍為0.74～1.12 mm，亦表現(xiàn)為III gt; II gt; I。總體而言，II和III林分的MWD和GMD值均顯著高于I林分，尤其是III林分，表明其土壤團聚體穩(wěn)定性更高。在相同林分中，0～20 cm土層團聚體穩(wěn)定性指標MWD和GMD值均高于20～40 cm土層，表明0～20 cm土層的團聚體結構較20～40 cm土層更穩(wěn)定。

2. 3 LB法處理下土壤團聚體分布特征

如圖3所示，無論濕潤處理如何，不同連栽代次桉樹人工林均以gt;2 mm土壤團聚體為主，占全土質(zhì)量的50.88%～86.95%，其次是1～2 mm和0.25～ 1 mm土壤團聚體，分別占全土質(zhì)量的8.87%～24.64% 和3.09%～18.9%，lt;0.25 mm土壤團聚體含量相對較少，占全土質(zhì)量的0.80%～5.83%。gt;2 mm土壤團聚體含量表現(xiàn)為0～20 cm土層高于20～40 cm土層，0.25～1 mm土壤團聚體含量則表現(xiàn)為20～40 cm土層高于0～20 cm土層，而1～2 mm和lt; 0.25 mm土壤團聚體含量在不同土層之間差異不顯著。

在FW和SW處理下，gt;2 mm土壤團聚體含量表現(xiàn)為III gt; II gt; I，而1～2 mm和0.25～1 mm土壤團聚體含量則呈相反的趨勢，即I gt; II gt; III。在WS處理下，各粒級土壤團聚體含量在不同連栽代次之間差異不顯著。gt;2 mm土壤團聚體含量在FW處理下顯著低于SW和WS處理，表現(xiàn)為FWlt;SWlt; WS，而1～2 mm和0.25～1 mm土壤團聚體含量在FW處理下則顯著高于SW和WS處理，表現(xiàn)為FW gt; SW gt; WS。總體而言，F(xiàn)W處理比SW和WS處理更容易使大團聚體（gt;0.25 mm）破碎成為微團聚體（lt; 0.25 mm），進而破壞土壤結構。在桉樹人工林中，大團聚體含量在0～20 cm土層中較高，而微團聚體含量則在20～40 cm土層中較高。

2. 4 LB法處理下土壤團聚體穩(wěn)定特征

如圖4所示，在FW和SW處理下，桉樹人工林土壤團聚體MWD和GMD值表現(xiàn)為IIIgt;IIgt;I。在WS處理下，土壤團聚體MWD和GMD值在不同連栽代次之間無顯著變化。在不同濕潤處理下，0～20 cm土層的團聚體MWD和GMD值均高于20～40 cm土層?？傮w而言，III林分的土壤團聚體穩(wěn)定性顯著高于II和I林分，0～20 cm土層團聚體穩(wěn)定性較高于20～40 cm土層。

在桉樹人工林中，F(xiàn)W處理的土壤團聚體MWD和GMD值均顯著小于SW和WS處理，表現(xiàn)為FWlt;SWlt;WS。結果表明，F(xiàn)W處理極易破壞桉樹人工林土壤團聚體，其次是SW處理，WS處理對土壤團聚體的破壞性最小。

3 討 論

在本研究中，連栽代次和濕潤處理均顯著影響桉樹人工林土壤團聚體組成及其穩(wěn)定性。在濕篩和LB處理下，桉樹人工林土壤團聚體均以gt;2 mm粒級為主，且表現(xiàn)為IIIgt;IIgt;I。相關研究表明，大團聚體比例的增加可以顯著改善土壤結構，提升團聚體穩(wěn)定性。Mao等[ 12 ]研究發(fā)現(xiàn)，土壤團聚體MWD和GMD值的降低主要是由大團聚體分解為微團聚體而引起。在本研究中，III林分的土壤團聚體穩(wěn)定性顯著高于II和I林分，表明連續(xù)種植桉樹（從第1代至第3代）能夠顯著增加gt;2 mm土壤團聚體含量，從而增強土壤團聚體穩(wěn)定性和提高土壤抗侵蝕能力[ 13 ]。

根據(jù)土壤團聚體的概念模型，植物凋落物返回土壤后，其分解產(chǎn)物在不同大小的團聚體中分布不均勻，最終影響土壤團聚體組成[ 14 ]。在本研究中，III林分在凋落物數(shù)量上具有優(yōu)勢（表1）。在凋落物分解過程中，其分解產(chǎn)物很容易結合土壤礦物顆粒形成大團聚體（尤其是gt;2 mm團聚體），從而增強了土壤團聚體穩(wěn)定性。此外，III林分的大量凋落物可以為土壤團聚體提供物理保護，從而減少了降雨和徑流造成的地表土壤侵蝕，緩解了大團聚體的破碎。

在桉樹人工林中，4種濕潤處理均對土壤團聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。濕篩法模擬了團聚體崩解的全部機制，因此對土壤結構破壞較大[ 15 ]。濕篩法處理下的gt;2 mm團聚體含量、MWD和GMD值均較低于LB法。在LB法的3種濕潤處理中，F(xiàn)W處理的土壤團聚體MWD和GMD值最低，其次是SW和WS處理，這表明FW處理對團聚體的破壞最大。FW處理能夠模擬團聚體內(nèi)閉蓄空氣被快速壓縮而產(chǎn)生的爆破，具備極強的破壞力[ 16 ]。我國南方屬典型的亞熱帶季風氣候，水熱充沛，降水集中在4～9月份，占全年降水總量的70%以上。夏季高溫酷熱，且降雨隨機而猛烈，而FW處理正是模擬暴雨突然到來時的情形。FW破碎機制可能正解釋了我國南方桉樹人工林夏季大規(guī)模的水土流失的現(xiàn)象。

土壤團聚體破碎容易使土壤受到侵蝕，并導致森林生產(chǎn)力下降。南方紅壤地區(qū)已經(jīng)是繼黃土高原之后水土流失最嚴重的地區(qū)，因此采用有效的生態(tài)工程技術和策略來控制土壤侵蝕非常重要，尤其是在降雨猛烈的夏季，例如地表覆蓋、樹籬系統(tǒng)，以及混合種植等均有顯著效果[ 17 ]。Dai等[ 18 ]研究表明，地表覆蓋是我國紅壤地區(qū)緩解水土流失最具成本效益的治理措施。Babur等[ 19 ]研究發(fā)現(xiàn)，樹籬系統(tǒng)作為一種土壤生物工程技術，可以減少土壤侵蝕，提高陡坡上土壤團聚體的穩(wěn)定性。在本研究區(qū)域，已有研究證明選擇適宜的樹種（米老排、火力楠等）與桉樹混合種植能夠有效增加林下植被覆蓋度，從而實現(xiàn)桉樹人工林土壤結構的改善[ 20 ]。

4 結 論

在本研究中，桉樹人工林土壤主要以gt;2mm團聚體為主。在不同濕潤處理下，土壤團聚體穩(wěn)定性指標MWD和GMD值均表現(xiàn)為IIIgt;IIgt;I，說明連栽第3代的桉樹人工林土壤團聚體穩(wěn)定性最高。在桉樹人工林中，MWD和GMD值隨著土層深度的增加而減少，表明表層土壤團聚體穩(wěn)定性較高于底層。在LB法的3種濕潤處理中，桉樹人工林土壤團聚體MWD和GMD值均表現(xiàn)為WSgt;SWgt;FW，表明FW處理對本研究區(qū)域的土壤團聚體破壞最大。該處理是模擬大雨突然來臨時的情形，其破壞機制是團聚體內(nèi)閉蓄空氣被快速壓縮而產(chǎn)生的氣爆作用。

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