庞泉沟自然保护区位于山西省西部,是汾河主要支流—文峪河的发源地,区内有华北高海拔地带的代表性森林植被。这里的森林植被发挥着良好的土壤保持和水源涵养及生态景观功能^[1],但是保护区内的部分人工林由于树种组成单一,林下植被稀少,长期生长或多代连栽后导致林地土壤性质存在一定的极化(即土壤性质非平衡或极端化发展趋势)或退化危险^[2],加之人为樵伐、采药、放牧等活动的影响,进一步加剧了土壤退化的程度。所以,迫切需要开展该区森林土壤性质动态变化研究。

土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元,是决定土壤肥力状况的重要因素^{[3, 4, 5]}。团聚体的大小分布及稳定性在维持土壤孔隙、调节土壤水气矛盾、促进植物根系生长和防治土壤侵蚀退化方面发挥着重要作用^{[6, 7, 8, 9]}。土壤团聚体可分为大团聚体(粒径≥0.25mm)和微团聚体(粒径≤0.25mm),大团聚体是由土壤颗粒与腐殖质凝结而成的、近似球形的较疏松的多孔小土团^[10]。一般将大团聚体称为土壤团粒结构体,它是维持土壤结构稳定的基础,其含量越高,土壤结构的稳定性越大^{[11, 12, 13]}。土壤有机碳含量与土壤大团聚体的形成与稳定关系密切^{[9, 12]}。研究表明,植被覆盖^[13]、土地利用方式^{[9, 14]}及人类生产活动^{[15, 16, 17]}等都会影响土壤有机碳含量及分布,从而也会影响土壤大团聚体的数量和稳定性。Wuddivira^[18]、Candan^[19]等研究表明,土壤大团聚体对土地利用和管理的变化最为敏感,可以通过对土壤大团聚体含量及稳定性的研究来研究土壤结构特征。

目前,众研究者采用团聚体分形维数^[20]、团聚体平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)^[21]、团聚体水稳性指数^[22]等不同指标对林地土壤团聚体特性展开了研究,但主要集中在西南低山丘陵等林地^{[23, 24, 25]}、南方红壤低山、中山林地^{[7, 26]}以及黄土高原中部丘陵沟壑区林地^{[27, 28]},针对黄土高原高海拔地带的代表性森林植被对土壤大团聚体含量及特性的影响研究还鲜见报道。为此,本研究选取庞泉沟自然保护区内4种典型森林土壤为对象,分析其土壤大团聚体含量及特性,以期更好地描述不同林地土壤结构状况,从而为该区林地资源的合理经营及以水源涵养和生态环境改善为主要经营目的的植被建设提供科学依据。

庞泉沟国家级自然保护区,位于山西省西部吕梁山脉中段的关帝山林区(111°21′—111°37′E,37°45′—37°59′N),海拔1500—2830m,山势险峻,自然植被茂盛,是山西吕梁山水源涵养林的主体和天然林保护的重点地区,是我国暖温带残存的天然林中少数保存完整的林区之一,该区也是山西生态环境的重要屏障。该区属暖温带大陆性山地气候区,年平均气温4.3℃。年平均降水量822.6mm,降雨多集中在7—9月份,该时段降水量为全年降水量的83%以上。同时该区也是山西省的暴雨多发区。

本研究区内优势乔木树种为华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)、油松(Pinus tabulaeformis)、云杉(包括青杄(Picea meyeri)和白杄(P. wilsonii)辽东栎(Quercus liaotungensis)以及桦木(包括白桦(Betula platyphlla)和红桦(B. albo-sinensis)和山杨(P. davidiana)等,林相较为整齐,郁闭度0.6—0.7,林龄40—60年。灌木丛主要有沙棘(Hippophaer hamnoides)、箭叶锦鸡儿(Caragana jubata)、绣线菊(Spiraea salicifolia)、山刺玫(Rosa davurica)等。草本主要有紫花苜蓿(Medicago sativa)、鹿蹄草(Pyrola rotundifolia)、毛茛(Ranunculus japonicus)等。土壤类型从低海拔到高海拔依次为山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亚高山草甸土,林下灌草植被因乔木层林冠郁闭度的差异而不同。

本实验选取庞泉沟自然保护区内华北落叶松人工林、天然次生杨桦阔叶林、天然次生云杉-华北落叶松-杨桦针阔混交林(下文中简称针阔混交林)、人工沙棘灌木林等4种典型林分,并在各林分内选取坡向、坡度、坡位基本一致的地段设立标准样地(20 m × 20 m),并选择在该区分布较多的撂荒地(2005年弃耕)为对照,对各标准地土壤团聚体特性进行研究。各标准地基本特征见表 1。

2012年6月中旬,分别在华北落叶松林、杨桦阔叶林、针阔混交林、沙棘灌木林以及撂荒地的各标准样地内随机选取有代表性的5个采样点,画出30cm×30cm的小样方,收集样方内所有枯落物,烘干称重计算枯落物蓄积量,并在每一小样方内用环刀采集0—20cm深原状土,测定土壤容重；同时用硬质塑料盒采集该深度原状土带回实验室处理,测定土壤团聚体；采集同一林分样地内5个采样点土样,混合,用四分法取该深度混合土样,测定土壤其它理化指标。各标准地土壤理化性质见表 2。

土壤机械组成测定采用比重计法；有机碳含量测定采用重铬酸钾氧化外加热法；毛管孔隙度测定采用环刀浸透法；风干团聚体含量测定采用沙维诺夫^[10]干筛法；水稳性团聚体含量采用Yoder^[10]湿筛法。团聚体结构破坏率=[干筛(>0.25mm团聚体)－湿筛(>0.25mm团聚体)]/干筛(>0.25mm团聚体)×100%；团聚体的平均重量直径(MWD)计算采用邱莉萍等^[21]推导的公式：MWD=∑X_iW_i(i=0,1,2,…,n),式中MWD为团聚体平均重量直径,X_i为每一级别团聚体的平均直径(mm),W_i为每一级别团聚体的重量百分数。

采用Excel软件进行数据初期处理,使用SPSS 13.0进行多重比较及相关性分析。

通过干筛可获得土壤大团聚体总数,这些大团聚体包括非水稳性团聚体和水稳性团聚体^[29]。不同粒级土壤团聚体含量反映团聚体的机械稳定性,即团聚体抵抗外力免被压碎或抵抗外部环境变化而保持原有形态的能力^[30]。从表 3可知：不同林地与撂荒地比较,0—20cm土层0.25—10mm粒径范围土壤大团聚体含量均表现出显著差异(P<0.05),针阔混交林、杨桦阔叶林、沙棘灌木林、华北落叶松林分别较撂荒地提高45%、37%、25%、20%；除华北落叶松林和沙棘灌木林之间差异不显著外,其他林地间存在显著差异；针阔混交林的大团聚体含量最高,达到93.10%,这表明,森林覆盖均对土壤结构有改善作用,均能提高土壤大团聚体含量,均能不同程度的增强土壤团聚体的机械稳定性,而其中针阔混交林的作用是最显著的。其土壤大团聚体含量由大到小顺序为针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林>撂荒地。

>0.25mm的土壤团聚体粒径范围内,各粒级的组成比例在不同植被类型下表现出一定的差异性。和撂荒地相比,0.5—0.25mm团聚体含量,杨桦阔叶林增加显著,其他植被增加不明显；1—0.5mm、3—2mm团聚体含量,和撂荒地相比,除华北落叶松外,其他3种植被都增加明显；2—1mm、5—3mm团聚体含量,4种林地和撂荒地比较都有显著增加,但针阔混交林在5—3mm粒径范围内增加最为显著,比撂荒地增加99%；7—5mm团聚体含量,只有华北落叶松林地和杨桦阔叶林地较撂荒地有所增加,而针阔混交林地和沙棘灌木林地和撂荒地的含量相当；10—7mm团聚体含量,针阔混交林地和撂荒地相当,而其他3种植被的含量反而低于撂荒地；>10mm的团聚体含量在不同植被类型下表现出一定的差异性,相对含量均较少,撂荒地最多且仅为5.38%。综合分析土壤各粒径范围团聚体含量得出,植被覆盖更有利于增加0.5—7mm团聚体含量。

湿筛法得到的是土壤水稳性团聚体,>0.25mm水稳性大团聚体含量对保持土壤结构的稳定性有重要作用,同时也是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一^[27]。从表 4可知,不同类型林地0—20mm土层>0.25mm水稳性团聚体含量均较高(49.92%—60.67%),和撂荒地相比差异都达到显著水平(P<0.05),这说明植被覆盖有利于土壤水稳性团聚体的形成。针阔混交林、杨桦阔叶林、沙棘灌木林、华北落叶松林地土壤中>0.25mm水稳性大团聚体含量分别比撂荒地增加了65%、53%、47%、36%。4种林地中>0.25mm水稳性大团聚体含量除杨桦阔叶林和沙棘灌木林二者之间差异不显著外,其他各植被类型之间差异显著。在4种典型林地中,针阔混交林对土壤水稳性大团聚体含量的增加作用最为显著,华北落叶松林的增加作用较差。

从>0.25mm水稳性团聚体各粒级含量分析得出,和撂荒地相比,0.25—0.5mm范围内,各林地和撂荒地土壤的水稳性大团聚体含量之间差异不显著,而各林地土壤在0.5—1mm、1—2mm、2—5 mm、>5mm范围内水稳性大团聚体含量都显著增加(P<0.05)。在总水稳性大团聚体含量方面,针阔混交林增加量最多,和其他林地间差异显著,其次是杨桦阔叶林和沙棘灌木林,这两种植被的增加量相当,增加最少的为华北落叶松林。说明植被覆盖更有利于提高土壤>0.5mm水稳性大团聚体含量。

如表 5所示,4种植被覆盖下0—20cm土层土壤团聚体破坏率为56.77%—62.14%,均显著低于撂荒地(P<0.05)。华北落叶松林与杨桦阔叶林之间和针阔混交林与沙棘灌木林之间差异不显著,而华北落叶松林、杨桦阔叶林分别与针阔混交林、沙棘灌木林之间差异显著,说明用团聚体结构破坏率评价,针阔混交林和沙棘灌木林的土壤团聚体稳定性最好,撂荒地的稳定性最差。

用土壤团聚体平均重量直径(MWD)来作为反映土壤团聚体大小分布状况的综合指标。MWD值越大,表示团聚体的平均粒径团聚度越高,稳定性越强^{[6, 31]}。无论干筛还是湿筛不同林地及撂荒地0—20cm土层土壤团聚体MWD的变化规律都有一定的相似性,针阔混交林最大且与其他植被间差异显著。干筛后MWD除针阔混交林外其他类型间无显著差异；而湿筛得出MWD大小变化为：针阔混交林>杨桦阔叶林=沙棘灌木林>华北落叶松>撂荒地,且杨桦阔叶林与华北落叶松林和撂荒地之间都存在显著差异。

为了更充分说明不同植被类型对土壤团聚体稳定性的影响,用干筛与湿筛测得的团聚体平均重量直径(MWD)的差值来说明土壤结构稳定性强弱,差值越大,说明稳定性越差^[10]。不同植被类型间干筛、湿筛土壤团聚体MWD差值由小到大顺序为：杨桦阔叶林(2.00)*<针阔混交林(2.02)<沙棘灌木林(2.12)<华北落叶松(2.14)<撂荒地(2.37),4种植被类型与撂荒地之间有显著差异,而杨桦阔叶林与针阔混交林之间以及沙棘灌木林与华北落叶松之间无显著差异。说明用这一指标比较,针阔混交林与杨桦阔叶林地土壤团聚体稳定性最好,撂荒地最差。

分别取不同样地0—20cm土层3—5mm风干团聚体50粒用浸水崩解法^[10]测定土壤团聚体水稳性指数,水稳性指数越大,说明土壤团聚体在水的浸泡下破碎所用时间越长,团聚体水稳定性越好。从表 5可看出,针阔混交林的水稳性最大(33.51%),撂荒地最小(10.73%),针阔混交林较撂荒地增加了212%；土壤水稳性指数在针阔混交林和其他3种林地之间以及各林地和撂荒地之间差异显著(P<0.05),可见,针阔混交林比纯林更能提高土壤团聚体的水稳性；华北落叶松、杨桦阔叶林和沙棘灌木林之间差异不显著,但较撂荒地均有显著提高,其水稳性指数分别比撂荒地提高159%、134%、163%,说明了森林植被覆盖对土壤结构改善的重要意义。

相关分析表明(表 6),土壤有机碳含量与风干0.25—10mm大团聚体含量和>0.25mm水稳性大团聚体含量之间呈极显著正相关(P<0.01),与团聚体水稳性指数呈显著正相关关系(P<0.05),这说明有机质含量越多,风干0.25—10mm大团聚体含量和>0.25mm水稳性大团聚体含量越多,水稳性指数也越高,团聚体越稳定。有机碳含量与团聚体破坏率之间以及与MWD(干)和MWD(湿)的差值间呈显著负相关关系(P<0.05),说明了有机碳含量越多,这两种稳定性指标数值越低,团聚体越稳定。

土壤粘粒含量与风干0.25—10mm大团聚体含量和>0.25mm水稳性大团聚体含量之间呈极显著正相关关系(P<0.01),与团聚体水稳性指数呈显著正相关关系(P<0.05),与MWD(干)和MWD(湿)的差值间呈极显著负相关关系,与团聚体破坏率呈显著负相关关系(P<0.05)。说明对于山地褐土或山地淋溶褐土而言,土壤粘粒含量越多越有利于团聚体的形成,所形成的团聚体的稳定性也越强。

土壤容重与风干0.25—10mm大团聚体含量之间显著负相关,与MWD(干)和MWD(湿)的差值间显著正相关,土壤毛管孔隙度和非毛管孔隙度与风干0.25—10mm大团聚体含量之间呈显著正相关,与MWD(干)和MWD(湿)的差值间显著负相关(P<0.05),这说明了土壤容重和孔隙度对团聚体的形成和稳定也有一定的影响,对于林地土壤而言,一般情况下人为扰动较少,所以要通过恰当管理措施来调节土壤容重,增加土壤的孔隙度,促进土壤稳定性团聚体的形成。

从表 6还可看出,土壤全氮、土壤C/N以及土壤粉粒和砂粒含量等土壤理化指标与土壤团聚体含量及稳定性指标间也存在一定的相关性,但相关性都不显著(P<0.05)。

本试验所选样地中,由于各种植被类型发达的根系和凋落物腐殖化增加了其覆盖下的土壤有机质含量,使土壤胶体状况改善而增大了土壤颗粒之间的胶结,形成了较多的大团聚体和结构稳定、比例适合的水稳性团聚体^{[32, 33]},从而使土壤MWD和水稳性指数较大,团聚体结构破坏率较小,大大改善了土壤结构。

针阔混交林林型复杂,林下又有较多灌木和草本覆盖,土壤表层根系发达,枯落物输入量多,土壤有机碳、总氮和微生物总量较高^[34],土壤有机物质的分解和转化较快^[35]；另外,针阔混交林下土壤容重、粘粒含量及其孔隙性等方面(表 2)也利于土壤良好结构体的形成,因此针阔混交林在增加具有水稳定性和机械稳定性的土壤大团聚体含量方面有明显的优势。

在4种林地土壤中,华北落叶松林土壤大团聚体含量最少,主要是由于华北落叶松人工林样地郁闭度较高,林下植被主要以一些耐阴的草本为主,林型相对单一,地表枯落物输入量少且多含难以分解的木质素、单宁、树脂和蜡质等物质,使得该植被类型下的土壤有机碳和总氮含量较少且分解转化较慢^[36],不利于较多水稳性团聚体和非水稳性团聚体的形成。

杨桦阔叶林郁闭度较小,虽然林地枯落物量和华北落叶松人工林相比较少,但其林下灌草植被丰富,植物根系分布较多,土壤有机质的总归还量较大,并且杨桦阔叶林地土壤有机残体较华北落叶松林易于分解转化,致使土壤中的腐殖质含量较多^[37],所以杨桦阔叶林地土壤大团聚体含量较华北落叶松林多且团聚体的稳定性也较强。

沙棘灌木林地和其他林地相比较,在同等郁闭度下虽然其枯落物量最少,但其表层土壤内根系分布较多,根系腐烂物和分泌物较多,且其根系有很好的固氮作用,能对土壤起到很好的改良作用^[38],所以和撂荒地相比能大大增加土壤大团聚体的含量及稳定性。

(1) 林地土壤0—20cm土层内干筛>0.25mm 大团聚体含量和湿筛>0.25mm水稳性大团聚体含量都显著高于撂荒地,这与谢锦升^[7]在退化红壤地的研究结果一致：恢复植被后大团聚体稳定性显著增加,>0.25mm水稳性团聚体含量是裸地的1.5—2.8倍。干筛分析表明：植被覆盖更有利于增加0.5—7mm团聚体含量；湿筛分析结果表明：植被覆盖更有利于提高>0.5mm水稳性大团聚体的含量。不同林地土壤间有一定的差异,其大团聚体含量大小顺序为：针阔混交林>杨桦阔叶林>沙棘灌木林>华北落叶松林>撂荒地。

(2) 和撂荒地相比,林地土壤团聚体的稳定性显著增强,与郭曼^[28]、董莉丽^[39]在黄土高原中部丘陵区的研究相一致。根据团聚体破坏率和土壤团聚体水稳性指数比较,土壤团聚体稳定性顺序为：针阔混交林>沙棘灌木林>华北落叶松林>杨桦阔叶林>撂荒地。根据干湿筛团聚体MWD差值分析,土壤团聚体稳定性顺序为：杨桦阔叶林>针阔混交林>沙棘灌木林>华北落叶松林>撂荒地。相关分析表明：土壤团聚体破坏率与MWD(干)和MWD(湿)的差值间呈显著正相关关系(r =0.89,P＜0.05),与土壤团聚体水稳性指数间存在极显著负相关关系(r =-0.97,P＜0.01),说明这3个指标可以作为衡量土壤团聚体稳定性的重要指标。

(3) 相关分析表明,土壤有机碳含量与干、湿筛土壤大团聚体含量之间是极显著正相关关系(P<0.01),这与董莉丽^[9]、韩加强^[12]的研究结果相一致。粘粒含量与干、湿筛土壤大团聚体含量之间是极显著正相关关系(P<0.01),与MWD(干)和MWD(湿)的差值之间是极显著负相关关系(P<0.01)。其次,土壤容重、土壤通气孔隙和毛管孔隙也显著地影响着土壤0.25—10mm大团聚体含量及其MWD(干)和MWD(湿)的差值(P<0.05)。本试验中土壤全氮、土壤C/N以及土壤粉粒和砂粒等土壤理化指标对土壤团聚体性质也有一定的影响,但通过检验(P<0.05)不具有显著相关性。

本文主要就庞泉沟自然保护区内典型森林土壤大团聚体特征进行了研究。在研究过程中,并未对该区域内植被的林分起源、林龄、郁闭度等因素对土壤结构的影响进行考虑,尚需在今后的研究过程中进行长期的观测研究,以期深入探寻不同植被类型对土壤结构的影响,并对不同类型植被对土壤结构的改良作用做更全面的评价。