任榮秀,杜章留,孫義亨,宋學(xué)姝,陸 森,*

1 國家林業(yè)局林木培育重點實驗室,中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037 3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所, 北京 100081

土地利用變化等人為干擾是引起全球氣候不平衡的重要因素[1],合理的土地利用變化管理可促進土壤有機碳(SOC,Soil Organic Carbon)積累并在緩解全球氣候變化方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。森林土壤有機碳庫是全球最大的土壤碳庫,其含量的細微變化都可能引起大氣CO2濃度的巨大改變[3]。作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,團聚體是土壤養(yǎng)分的貯存庫和各種土壤微生物的生境[4-5],不同粒徑的團聚體會影響土壤持水性、通透性和孔隙性[6]。良好的團粒結(jié)構(gòu)不僅可以增強土壤穩(wěn)定性、降低水土流失,還可以增強有機碳的物理保護作用[7]。因此,土壤團聚體穩(wěn)定性目前已被視為土壤質(zhì)量或土壤健康的重要指標(biāo)[8]。

在土壤團聚體研究中,不同土地利用方式下團聚體的粒徑分布及其有機碳含量變化和成因,一直以來都是研究的熱點問題。目前對團聚體穩(wěn)定性及其有機碳含量的研究主要集中在不同耕作方式、不同施肥處理等農(nóng)田土壤[9-10],或者研究不同林分類型之間的團聚體及有機碳差異[11-12]。如王峻等在研究不同耕作方式、秸稈還田對土壤團聚體及有機碳的影響后發(fā)現(xiàn),采用免耕和秸稈還田等保護性耕作措施可以增加團聚體穩(wěn)定性,同時伴隨著土壤固碳潛力的增強[13]。于法展等在對馬尾松林、黃山松林等六種不同森林植被的土壤團聚體及有機碳含量研究后發(fā)現(xiàn),不同林分類型間土壤MWD值差異較大[14]。但長期以來,對棄耕還林引起的自然植被恢復(fù)與人工植被恢復(fù)的團聚體及其有機碳動態(tài)變化研究較少涉及。華北低丘山地是華北平原的重要生態(tài)屏障,是我國林業(yè)生態(tài)建設(shè)的重點區(qū)域之一。刺槐(Robiniapseudoacacia)作為該區(qū)域的主要造林樹種之一,現(xiàn)已在華北低丘地區(qū)形成了多齡級人工林。但目前對該區(qū)域棄耕后各種土地利用方式下的團聚體有機碳變化及其物理保護機制仍不清楚。為此,本文以華北南部低丘山地不同林齡的刺槐人工林為主要研究對象,通過與自然恢復(fù)樣地和農(nóng)田進行對比,深入探討棄耕后不同土地利用方式變化對土壤團聚體分布及其有機碳含量的影響,并分析二者之間的相互關(guān)系。研究結(jié)果可為深入認識該區(qū)域棄耕后的土壤質(zhì)量演變、選擇合理的土地利用方式進而提高生態(tài)效益提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究在黃河小浪底森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°01′N,112°28′E) 進行,實驗區(qū)域海拔為382 m,地處河南省濟源市境內(nèi)的太行山南段與黃河流域的交接處(圖1)。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均氣溫為12.4—14.3 ℃,年日照時數(shù)為2367.7 h,年均降水量為641.7 mm,無霜期歷年平均為213.2 d,土壤類型主要為石灰?guī)r風(fēng)化母質(zhì)淋溶性褐土。

圖1 研究區(qū)位置(濟源,中國)Fig.1 Location of the study area (Jiyuan, China) R50：棄耕50年刺槐林 50-years-age Robinia pseudoacacia plantation；R17：棄耕17年刺槐林17-years-age Robinia pseudoacacia plantation；NR：棄耕50年自然恢復(fù)林natural restoration forest；CL：農(nóng)田cropland

1.2 采樣地點及樣品采集

采樣時間為2018年4月。遵循試驗樣地與周邊環(huán)境一致性的原則,在土壤類型、地勢起伏及海拔接近的半陽坡、以500 m為半徑的圓形研究區(qū)范圍內(nèi),選取棄耕17年刺槐人工林、棄耕50 年刺槐人工林、棄耕50年自然恢復(fù)林、農(nóng)田為研究對象(圖1)。其中,刺槐林地為不同時期的農(nóng)田棄耕后人工種植,之后沒有人為擾動；自然恢復(fù)樣地為農(nóng)田棄耕50年后的自然恢復(fù)結(jié)果,歷經(jīng)多年自然恢復(fù)演替,無人為擾動。樣地調(diào)查結(jié)果顯示,17年林齡刺槐林的平均胸徑為7.5 cm,平均樹高為9.5 m,郁閉度為75%；50年林齡刺槐林的平均胸徑為12.66 cm,平均樹高為13.79 m,郁閉度為85%；兩塊刺槐林樣地主要草本植物有竹葉草(Oplismenuscompositus)、藠頭(Alliumchinense)、垂序商陸(PhytolaccaAmericana)、地膽草(Elephantopusscaber)、絹毛匍匐委陵菜(Potentillareptansvar.sericophylla)等。棄耕50年自然恢復(fù)樣地內(nèi)的現(xiàn)有優(yōu)勢物種為構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera),經(jīng)測量構(gòu)樹的平均胸徑為8.6 cm,平均樹高為9.31 m；自然恢復(fù)樣地的地上其他植被十分豐富,主要為荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、矛葉藎草(Arthraxonlanceolatus)、藠頭(Alliumchinense)、竹葉草(Oplismenuscompositus)等。對照的農(nóng)田樣地為冬小麥—夏玉米輪作地,耕作采用旋耕方式,耕作深度約為20 cm,施肥和灌溉均遵循當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的傳統(tǒng)習(xí)慣。在采樣期間,農(nóng)田地表除農(nóng)作物外未見明顯其他植被。

采樣時,在每塊樣地上隨機選擇五個樣點作為重復(fù),分別取0—10 cm和10—20 cm土層的原狀土裝入保鮮盒帶回實驗室。所取樣品沿自然裂隙掰開,立即去除可見的礫石、植物殘體、根系和土壤動物,風(fēng)干后采用Six等[15]的土壤團聚體濕篩法進行顆粒分級：稱取100 g風(fēng)干土樣分成兩份,每份通過一個3層套篩(2 mm,0.25 mm,0.053 mm),在純水中進行濕篩分離(震蕩振幅3 cm,頻率50次/分),分別得到>2 mm、2—0.25 mm、0.25—0.053 mm、<0.053 mm4個不同的組分,對不同組分在60℃條件下烘48 h后稱重,并進行土壤團聚體有機碳含量測定。

在本研究中,土壤有機碳的測定使用德國Elementar IsoPrime 100(ElementarAnalysensystemeGmbH,德國)穩(wěn)定同位素比質(zhì)譜儀進行。該儀器使用燃燒法進行元素測定,因而對待測土樣需要先用0.1 mol/L鹽酸進行去酸前處理,去除無機碳后再進行有機碳測定[16]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在本研究中,分別計算平均重量直徑(MWD,Mean Weight Diameter)和團聚體比例(AR,Aggregate Ratio)作為土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的評價指標(biāo)[17]。

(1)

式中,n為粒徑分組的組數(shù),wi為該組團聚體占所有粒徑團聚體的質(zhì)量分數(shù),xi為該組團聚體的平均直徑(mm)。

AR的計算公式為

(2)

式中,Macroaggregate為粒徑>0.25 mm的團聚體占所有粒徑團聚體的質(zhì)量分數(shù),Microaggregate為粒徑<0.25 mm團聚體占所有粒徑團聚體的質(zhì)量分數(shù)。

團聚體有機碳貢獻率的計算方法為[18]:

(3)

統(tǒng)計分析利用SPSS 22.0進行方差分析,其中平均值的檢驗采用LSD法,顯著性水平P=0.05,誤差線為SE。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤團聚體分布及土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

棄耕后,不同的土地利用方式影響各個深度土壤團聚體大小的分布。如圖2所示,在自然恢復(fù)林0—10 cm土層, >2 mm粒徑的團聚體含量顯著高于其他3種土地利用方式(P<0.05),而0.053—0.25 mm粒徑的團聚體含量明顯低于其他土地利用方式(P<0.05)。在<0.053 mm粒徑中,農(nóng)田土壤的該粒徑含量顯著高于其他幾種土地利用方式(P<0.05),刺槐林與自然恢復(fù)林在該團聚體粒徑之間含量也存在差異,其中棄耕還林17年刺槐林土壤與自然恢復(fù)林間差異顯著(P<0.05)。總的來說,除自然恢復(fù)林外,>2 mm粒徑團聚體在各個土地利用方式中均含量最低；四種不同土地利用方式的土壤團聚體含量均隨著團聚體粒徑的減小呈現(xiàn)先增高后降低趨勢。

圖2 各土地利用方式不同粒徑土壤團聚體含量Fig.2 Soil aggregate contents with different sizes in four land use patterns不同小寫字母表示同一土層不同土地利用方式間差異顯著(P<0.05)

在10—20 cm土層,自然恢復(fù)林>2 mm粒徑團聚體含量顯著高于其他3種土地利用方式(P<0.05),這一趨勢和0—10 cm一致。計算結(jié)果表明,自然恢復(fù)林0.25—2 mm粒徑的團聚體含量分別是50年刺槐林土壤、17年刺槐林土壤、農(nóng)田土壤的1.21、1.28、1.31倍。對于<0.053 mm粒徑,農(nóng)田土壤在該粒徑含量均高于其他幾種處理,但統(tǒng)計顯示只與自然恢復(fù)林差異顯著(P<0.05)。

由0—10 cm與10—20 cm兩個土層測定結(jié)果可以看出,不同土地利用方式對土壤團聚體粒徑的影響在表層更加明顯。除農(nóng)田土壤外各土地利用方式大團聚體(>0.25 mm)含量在10—20 cm土層都比0—10 cm土層低,而農(nóng)田土壤的大團聚體(>0.25 mm)含量在兩個土層差異較小。

團聚體比例及平均重量直徑計算結(jié)果如圖3所示,在0—10 cm土層,棄耕17年刺槐林、棄耕50年刺槐林與自然恢復(fù)林3種土地利用方式的AR值分別是農(nóng)田的1.33,1.46,3.49倍,自然恢復(fù)林與其他3種土地利用方式間均呈顯著差異(P<0.05)。在10—20 cm土層,3種土地利用方式AR值分別是農(nóng)田處理的0.78,0.91,1.31倍,自然恢復(fù)林與其他3種土地利用方式呈顯著差異(P<0.05)。

圖3 各土地利用方式土壤團聚體比例(AR)與平均重量直徑(MWD)Fig.3 The results of soil aggregate ratio (AR) and mean weight diameter (MWD) at four land use patterns不同小寫字母表示同一土層不同土地利用方式間差異顯著(P<0.05)

在0—10 cm土層,4個土地利用方式的MWD值范圍為0.879—1.77 mm,棄耕17年刺槐林、棄耕50年刺槐林與自然恢復(fù)林3種土地利用方式的MWD值分別是農(nóng)田的1.33、1.30、2.01倍,其中自然恢復(fù)樣地MWD值顯著高于其他3種土地利用方式；棄耕后,50年林齡刺槐和17年林齡刺槐土壤MWD值均高于農(nóng)田土壤,但差異并不顯著。對比不同土壤深度的計算結(jié)果顯示,10—20 cm土層中棄耕17年刺槐林、棄耕50年刺槐林與自然恢復(fù)林3種土地利用方式的MWD值比0—10 cm土層分別降低19.8%、17.8%和29.9%。

以上結(jié)果表明,在4種土地利用方式的兩個土層,自然恢復(fù)林AR與MWD值均最高,而農(nóng)田呈現(xiàn)較低的團聚體穩(wěn)定性指標(biāo)值。這說明在該區(qū)域的自然恢復(fù)較其他土地利用方式更有利于大團聚體形成,對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有最積極作用。對比自然恢復(fù)林與人工林的結(jié)果也可以看出(圖3),自然恢復(fù)林在兩個土層上均呈現(xiàn)出相對大團粒結(jié)構(gòu),并和人工林呈顯著差異(P<0.05)。

2.2 不同土地利用方式對各粒徑土壤團聚體有機碳含量及其有機碳貢獻率的影響

如圖4所示,土地利用方式影響不同粒徑土壤團聚體有機碳含量。在0—10 cm土層,團聚體有機碳含量的最大值出現(xiàn)在棄耕50年刺槐林土壤<0.053 mm粒徑團聚體內(nèi),而團聚體有機碳含量最低值出現(xiàn)在農(nóng)田土壤的>2 mm粒徑,并且各處理不同粒徑團聚體有機碳含量均大于農(nóng)田。而在10—20 cm 土層,團聚體有機碳含量最高值出現(xiàn)在農(nóng)田土壤的0.053—0.25 mm粒徑,最低值出現(xiàn)在棄耕還林17年的刺槐林>2 mm粒徑。對比0—10 cm土層和10—20 cm土層的結(jié)果顯示,除農(nóng)田外的各個土地利用方式其各個粒徑團聚體有機碳含量均隨深度增加有明顯降低。對于農(nóng)田土壤,其10—20 cm土層的部分粒徑團聚體有機碳含量反而超過0—10 cm土層。

圖4 各土地利用方式不同粒徑團聚體有機碳含量Fig.4 Organic carbon contents of soil aggregates with different particle sizes at four land use patterns不同小寫字母表示各土地利用方式在同一團聚體粒徑間差異顯著(P<0.05)

如圖5所示,在0—10 cm土層,除農(nóng)田外,其余3種土地利用方式土壤有機碳貢獻率表現(xiàn)一致,均以0.25—2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率最大,隨著粒徑的減小,團聚體有機碳貢獻率逐漸降低。在農(nóng)田土壤中,土壤有機碳貢獻率最高的是0.053—0.25 mm和<0.053 mm兩個粒徑的團聚體。在10—20 cm土層,農(nóng)田土壤團聚體有機碳貢獻率隨粒徑增大而降低；而其他3種林地土壤這一土層中,除>2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率較低外,其余幾種粒徑團聚體的有機碳貢獻率之間差異均不顯著。

圖5 各土地利用方式不同粒徑團聚體有機碳貢獻率Fig.5 The organic carbon contribution rates of soil aggregates with different particle sizes at four land use patterns不同小寫字母表示同種土地利用方式下不同團聚體粒徑間差異顯著(P<0.05)

2.3 土壤有機碳含量與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系

兩個土層土壤的SOC和MWD的相關(guān)性如圖6所示。在0—10 cm土層內(nèi),MWD和SOC間呈顯著正相關(guān)性(r=0.79,P<0.01)?；貧w分析結(jié)果表明,當(dāng)土壤SOC每增加1 g/kg,該土層的MWD就會增加0.476 mm。而在10—20 cm土層內(nèi), MWD和SOC間無明顯的統(tǒng)計線性相關(guān)關(guān)系(r=0.21,P=0.46),這說明該土層SOC增加對MWD的影響較小。兩個土層土壤的SOC與AR的相關(guān)性如圖6所示。在0—10cm土層內(nèi),AR和土壤SOC呈顯著性相關(guān)(r=0.77,P<0.01)。而在10—20 cm土層內(nèi),兩者呈現(xiàn)弱線性相關(guān)(r=0.51,P=0.05)。計算表明,SOC的增加更容易引起大團聚體的形成,這一結(jié)果在0—10 cm土層更為明顯。

圖6 土壤有機碳含量與平均重量直徑(MWD)和團聚體比例(AR)間的關(guān)系Fig.6 The relationship between organic carbon content and mean weight diameter(MWD) and the relationship between organic carbon content and aggregate ratio (AR) of soils

3 討論

3.1 不同土地利用方式對土壤團聚體粒徑分布的影響

不同土地利用方式會改變土壤的微生態(tài)環(huán)境,從而影響土壤理化性質(zhì),進而影響土壤的團聚體分布[19]。合適的團聚體比例不僅會影響土壤肥力,而且是土壤有機碳穩(wěn)定的重要保障[20]。研究發(fā)現(xiàn),在該地區(qū)棄耕人工造林或者自然恢復(fù)后,土壤0—10 cm土層的大團聚體數(shù)量對比農(nóng)田土壤將會出現(xiàn)不同幅度上升,可能是土壤的粘粒+粉粒(<0.053 mm)團聚體黏合成了粒徑更大的團聚體(0.053—0.25 mm和0.25—2 mm),這一過程提高了土壤團聚體的水穩(wěn)性,改善了土壤的結(jié)構(gòu)[4]。而農(nóng)田土壤由于常年翻耕,人為擾動程度較大,且耕作加速了土壤團聚體的破碎,所以大團聚體含量相對較低[8]。這與An等(2010)在黃土高原的研究結(jié)果類似,由于耕作對根系的破壞,植物纖維對土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定作用將會變?nèi)?即相比于農(nóng)田,森林土壤的團聚體穩(wěn)定性更高[21]。

土地利用方式變化同時也影響土壤的MWD和AR值。本研究發(fā)現(xiàn)在0—10 cm土層,棄耕后無論是人工造林還是自然恢復(fù)林,對比農(nóng)田其MWD和AR值均增大,其中自然恢復(fù)林與農(nóng)田結(jié)果差異顯著。這主要是由于耕作所引起的農(nóng)田土壤擾動會導(dǎo)致土壤有機碳損耗和穩(wěn)定性團聚體減少[22]。而在影響團聚體穩(wěn)定性和改善土壤結(jié)構(gòu)的各種因素中,土壤有機質(zhì)含量水平以及微生物種群數(shù)量尤為重要[23]。森林土壤由于凋落物含量高且在地表聚集,一方面減少了雨水對土壤的沖刷,另一方面這些有機殘余物在分解過程中可以激活微生物群落并導(dǎo)致真菌和細菌數(shù)量的提高,而它們產(chǎn)生的根系分泌物和酶可以增加土壤團聚體的穩(wěn)定性[24]。在不同深度土壤上的計算結(jié)果表明,除農(nóng)田土壤外,其他3種土地利用方式0—10 cm土層MWD和AR值均高于10—20 cm土層,表明水穩(wěn)性團聚體含量隨著土層的加深而降低,這主要與表層土壤凋落物及草本植物的根系及其分泌物有關(guān),近表層的高有機質(zhì)含量可為大團聚體形成提供物質(zhì)基礎(chǔ),進而增加了水穩(wěn)性團聚體含量,并最終改善土壤質(zhì)量[25]。而農(nóng)田由于常年采用小麥—玉米輪作的耕作方式,每年會對土壤進行翻耕,團粒結(jié)構(gòu)易被人為破壞,從而產(chǎn)生較低MWD值。本研究也發(fā)現(xiàn),實驗樣地中自然恢復(fù)樣地地表草本及灌木植被生物量遠大于刺槐林,其每年產(chǎn)生的枯枝落葉等凋落物也多于刺槐林；此外,自然恢復(fù)樣地內(nèi)以構(gòu)樹為主要優(yōu)勢種群,構(gòu)樹為落葉喬木,具有根系淺、側(cè)根分布廣、生長快等特點,其早期生長速度及生物產(chǎn)量甚至超過楊樹,龐大的水平根系有利于防止水土流失、改善土壤質(zhì)量,這也是該土地利用類型土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的一個重要原因[26-27]。

3.2 不同土地利用方式對土壤團聚體有機碳含量及貢獻率的影響

土地利用方式的更替對土壤有機碳含量影響顯著,原因可能在于植被覆蓋類型不同,凋落物類型也不同,從而影響了土壤養(yǎng)分含量[28]。本研究幾種土地利用方式>2 mm粒徑團聚體有機碳貢獻率均較低,實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)該區(qū)域>2 mm粒徑土壤團聚體中普遍存在著大量的低含碳量半風(fēng)化碎石,該結(jié)果應(yīng)該主要是由于半風(fēng)化碎石的影響。而在3種林地土壤中,除>2 mm粒徑團聚體外,土壤有機碳的貢獻率均隨團聚體粒徑增大而增大。一般地,水穩(wěn)性團聚體穩(wěn)定性依賴于多糖、根、真菌菌絲等有機膠結(jié)成分以及一些物理化學(xué)過程的相互作用,依據(jù)Tisdall和Oades模型,最小的團聚體由有機礦質(zhì)碎片組成,它們與真菌細菌碎片結(jié)合在一起形成微團聚體(<0.25 mm)；然后,植物根系和菌絲將這些微團聚體纏繞形成大團聚體(>0.25 mm),本研究的結(jié)果也符合這一模型(圖5)[29]。研究發(fā)現(xiàn),在自然恢復(fù)林0—10 cm土層中,0.25—2 mm與0.053—0.25 mm的團聚體有機碳貢獻率分別是<0.053 mm團聚體有機碳貢獻率的3.28倍和1.38倍,遠大于農(nóng)田土壤的相應(yīng)數(shù)值。圖5結(jié)果表明,農(nóng)田土壤有機碳大部分存在于<0.25 mm的微團聚體中,這是因為耕作會破碎大團聚體并使有機質(zhì)暴露出來,使得有機質(zhì)更容易被土壤微生物所礦化分解,而小團聚體內(nèi)有機碳一般較難被分解,所以與林地相反,農(nóng)田土壤有機碳更多地集中在微團聚體中(圖5)[30]。這也和Six等的研究結(jié)果一致,即耕作方式和強度會顯著影響土壤有機質(zhì)的累積,高耕作強度會加快土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化,同時減少團聚作用的形成[15]。因此,在該地區(qū)也可以多采用一些保護性耕作措施,如少耕、免耕技術(shù),配合秸稈還田,有機肥施用等來提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)田有機碳含量,增加土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[31]。

3.3 不同粒徑團聚體有機碳含量與土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系

本研究發(fā)現(xiàn)在0—10 cm土層,土壤團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和土壤有機碳含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,這也和大部分研究者的研究結(jié)論一致[32]。即耕作等人為活動可顯著影響土壤團聚體的大小分布和孔隙結(jié)構(gòu),進而對土壤微生物棲息地產(chǎn)生影響,從而使受保護的有機質(zhì)變的易于被微生物代謝和轉(zhuǎn)化,最終影響種群活動及土壤有機質(zhì)含量[22]。一般地,土壤團聚體發(fā)育程度和土壤的固碳能力有很強的相關(guān)性,團聚體的形成是有機膠體粘合作用的結(jié)果,反過來團聚體的形成又可以阻止有機碳的快速損失,團聚體內(nèi)部的厭氧條件也可以降低有機碳的分解速度[33]。但也有些學(xué)者認為團聚體和團聚體有機碳之間的緊密關(guān)系并不適用于所有的土壤類型或者土地利用方式,只有在減少機械破壞的情況下,二者才有相關(guān)性。在自然或者改良的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中,由于大團聚體內(nèi)部的保護性環(huán)境,大團聚體包被的小團聚體周轉(zhuǎn)速度較慢,以保護其內(nèi)部包被的顆粒有機碳同時提高礦物結(jié)合碳分解產(chǎn)物的穩(wěn)定性,從而提高團聚體的穩(wěn)定性[34]。在本研究中,棄耕后的土壤大團聚體增加和水穩(wěn)定性增強都和土壤有機質(zhì)的積累有關(guān),尤其是在0—10 cm土層,二者有很好的線性相關(guān)性；沒有人為擾動,土壤形成的大團聚體不會被破壞,團聚體也可顯著降低微生物與其內(nèi)部包被有機質(zhì)接觸的可能性,從而引起有機質(zhì)含量的增加[35]。此外,棄耕后林下植被豐富,減少了地表的裸露,減輕了雨水等對地面的擊打,這也會增加土壤團聚結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[36]。

4 結(jié)論

1. 土地利用方式對土壤團聚體穩(wěn)定性有顯著影響,棄耕后自然恢復(fù)林與刺槐人工林的大團聚體(>0.25 mm)含量都高于農(nóng)田,且自然恢復(fù)林的大團聚體增加更為顯著。與農(nóng)田土壤相比,自然恢復(fù)林和刺槐人工林的<0.053 mm團聚體含量均顯著下降,這些現(xiàn)象在0—10 cm土層比10—20 cm土層更加明顯。該研究區(qū)域的自然和人工植被恢復(fù)均可顯著促進大團聚體的形成,并改善土壤結(jié)構(gòu)。

2. 棄耕還林后,在0—10 cm土層內(nèi),3種林地土壤的各粒徑團聚體有機碳含量均大于農(nóng)田,棄耕還林可以增加土壤團聚體有機碳含量。除>2 mm粒徑團聚體外,3種林地土壤的有機碳貢獻率均隨團聚體粒徑的增加而增加,而農(nóng)田土壤的有機碳大部分存在于<0.25 mm粒徑微團聚體中。

3. 表層土壤的團聚體穩(wěn)定性與其各個粒級團聚體有機碳含量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,團聚體的水穩(wěn)性主要依靠土壤有機質(zhì)的膠結(jié)作用。棄耕營造刺槐林或者自然恢復(fù)均可以增加研究區(qū)域的土壤團聚體有機碳含量并提高其土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,是該區(qū)域較為合理的土地利用方式。