凋落物输入对木荷林土壤微团...机碳及其化学结合形态的影响_朱丽琴.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：江西省教育厅科学技术研究项目“凋落物、细根和菌根输入对退化红壤微生物群落结构的影响”（）；国家自然科学基金项目“外源有机碳对红壤退化地微团聚体形成与稳定的影响机制”（）。第一作者：朱丽琴（），女（汉族），江西省景德镇市人，博士，讲师，主要从事植被恢复与重建研究。：。通信作者：黄荣珍（），男（汉族），江西省莆田市人，博士，教授，主要从事坡地水文与生态修复等研究。：。凋落物输入对木荷林土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响朱丽琴，黄荣珍，王金平，黄国敏，万鸿宇，林丽靖（南昌工程学院，江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，江西 南昌 ；汕头华侨经济文化合作试验区管委会，广东 汕头 ）摘要：目的探究地上凋落物、地下根系和菌根输入对红壤恢复林地土壤微团聚体的影响，为退化地进行森林恢复后土壤功能重建和生态系统碳循环提供依据。方法以亚热带红壤侵蚀退化地恢复形成的典型阔叶林分木荷纯林为研究对象，设置无凋落物（）、菌根（）、根系菌根（）、地上地下凋落物（）和地上凋落物加倍（）种输入处理，对土壤微团聚体组成、有机碳及其化学结合形态进行分析。结果木荷恢复林土壤微团聚体质量百分比、有机碳、钙键结合态有机碳（）、铁铝键结合态有机碳（）和 在不同处理间均无显著差异（）；相对于 ，处理使 和 粒级微团聚体（）分别降低了 和 （）。土壤微团聚体质量百分比、有机碳、和（）均随粒级的增大而减小，有机碳及结合态有机碳趋于在较小粒级的微团聚体颗粒组（）中富集。微团聚体 含量（）远低于（）含量（），但其在不同粒级中的变化幅度大于（）；（）亦小于（）（）。微团聚体质量百分比、有机碳、和（）两两之间呈极显著正相关关系（，）。结论木荷恢复林土壤微团聚体及其有机碳受粒级的影响，对地上凋落物、地下根系和菌根的短期输入有所响应，但未达到显著水平，需要在更长的时间尺度上开展研究。关键词：凋落物；微团聚体；钙键结合态有机碳；铁铝键结合态有机碳；木荷文献标识码：文章编号：（）中图分类号：文献参数：朱丽琴，黄荣珍，王金平，等凋落物输入对木荷林土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响水 土 保 持 通 报，（）：；，（）：，（.，；.，）：，：（），（），（），（），（），（），（），（），（），（），（）（）（）（），（）（）（）（），（）（，）.，：；（）；团聚体是土壤结构的基本单元，由于其在调节土壤性质、肥力及生态功能等方面具有重要的控制作用而备受人们的关注。土壤团聚体被认为是土壤养分的储存库，也是土壤固碳的主要方式之一。与大团聚体相比，微团聚体更稳定，它能够承受强大的机械和物理化学应力，并能够在土壤中长期存在。因此，微 团 聚 体 被 认 为 是 土 壤 中 最 稳 定 的 碳 库。等也证实稳定的土壤有机质库中碳输入比例最大的是微团聚体。通常微团聚体所保护的有机碳不易受到干扰，其周转速率远低于大团聚体，这意味着微团聚体的形成有利于土壤碳的长期吸存。化学保护机制是固定土壤有机碳的主要机制之一，通过钙键或铁铝键结合是有机碳有机无机结合的重要形式，键合态有机碳不易被微生物分解，从而减缓有机碳的周转，促进有机碳的积累，因此在一定程度上对有机碳具有保护作用。团聚体中的有机碳通过金属键桥结合形成稳定的有机矿质复合体，对有机碳具有物理和化学保护的双重作用。然而，以往对化学结合态有机碳的研究多关注于全土上，对于团聚体尤其是微团聚体内部结合态有机碳研究总体上相对较少。与农业土壤主要通过人为添加有机质补充土壤有机碳的方式不同，林地则通过地上凋落物、细根和菌根等自肥方式补充。地上凋落物的输入可为土壤微生物的生长和繁殖提供更多的养分，从而促进土壤（尤其是表层土壤）的生物活性，有利于各粒级微团聚体内部的结合以形成微粒有机质。地下细根在生长过程中，其根尖可以分泌多糖和糖醛酸等黏性物质，根毛可以分泌氨基酸、有机酸和单糖等微粒，根系表皮衰老可产生细胞有机物质，这些分泌物可以帮助土壤颗粒团聚，提高稳定性。地下菌根能够在不同尺度上通过影响微生物群落结构、释放分泌物及菌丝对微小土粒缠绕等不同机制影响团聚体的形成和稳定。然而，不同来源凋落物输入的改变对土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响尚不清楚，且在退化地进行森林恢复过程中的相关研究更为缺乏。木荷（）是亚热带常绿阔叶林中分布最为广泛的优势树种之一。它在红壤区生态恢复中具有普遍的适用性和典型作用。因此，本研究以亚热带红壤侵蚀退化地恢复形成的木荷纯林为研究对象，研究不同来源凋落物输入处理（无凋落物、菌根、根系菌根、地上地下凋落物、地上凋落物加倍）下土壤不同粒级微团聚体组成、有机碳及其化学结合态有机碳的差异，并分析它们之间的关系，以期为深入理解退化地进行森林恢复后生态系统碳循环和土壤功能重建提供理论依据。材料与方法试验地概况试验地属于亚热带红壤森林恢复长期定位试验基地，位于江西省泰和县螺溪乡（，）。该区属亚热带湿润季风气候，年平均气温为 ，年平均降水量为 ，土壤为第四纪红土发育的红壤，平均海拔为 。由于长期受到樵采、挖蔸等人为干扰，原生常绿阔叶林于 世纪 年代已退化为荒草丛。年选用湿地松（）、马尾 水土保持通报第 卷松（）、枫香（）、木荷（）等针阔叶树种进行森林重建，植被恢复面积达 。年 月，随机选取种植了 的片木荷纯林，每片林分中设置个 的标准地。采用完全随机区组的方式进行试验设计，每个标准地内设置 个区组，每个区组包括 种处理小区（表），每种处理小区设置个重复，每个处理小区面积为。经调查，木荷纯林平均树高为 ，平均胸径为 ，林分密度为 株，郁闭度为。木荷纯林 表层土壤 值为，有机质含量为 ，总氮含量为 ，速效磷含量为 ，速效钾含量为 。表试验处理一览表 序号处理名称简写处理内容无凋落物（对照处理）去除地上凋落物去除根系去除菌根：在小区周围挖 宽，深的壕沟，用石膏板隔离小区与周围土壤，以阻止根系和菌丝长入小区；土壤表层去除地上凋落物后，放置的长方体尼龙网框（孔径为，底部无尼龙网），以避免外部凋落物进入菌 根去除地上凋落物 去除根系 保留菌根：小区周围开沟 深，用孔径为 的尼龙网隔离根系，可允许菌丝进入小区；土壤表层去除地上凋落物后，放置的长方体尼龙网框（孔径为，底部无尼龙网），以避免外部凋落物进入根系菌根去除地上凋落物保留根系保留菌根：土壤表层去除地上凋落物后，放置的长方体尼龙网框（孔径为，底部无尼龙网）以阻挡地上凋落物，并每月收集地上凋落物地上地下凋落物 保留地上凋落物保留根系保留菌根：原状土，不做处理地上凋落物加倍 地上凋落物加倍保留根系保留菌根：放置的长方体尼龙网框（孔径为，顶部和底部无尼龙网），每月定期将根系菌根处理中尼龙网框上收集到的地上凋落物均匀地放置在该小区里研究方法土壤样品采集 年 月，在每个标准地每个处理小区用不锈钢饭盒取 原状土，共 份样品。带回实验室后，沿土壤自然结构脆弱带将原状土掰成直径大约为 的小块，挑去植物残体及石块，用于微团聚体的分离。测定方法土壤微团聚体的分离采用超声波震荡沉降虹吸法，分离出，个粒级的微团聚体，并置于 下烘干后称重。土壤微团聚体有机碳采用重铬酸钾外加热法 测 定；钙 键 结 合 态 有 机 碳（）采 用 溶液提取，铁铝键结合态有机碳（）采 用 溶 液 提 取，用 碳 氮 分 析 仪（）测 定 提 取 液 中 的 和（）。数据处理采用双因素方差分析处理、粒级及其交互作用对土壤微团聚体有机碳、钙键结合态有机碳和铁铝键结合态有机碳的影响。当存在交互作用时，进一步检验简单效应；当无交互作用且主效应显著时，则对主效应进行事后两两比较。采用 相关性分析土壤微团聚体有机碳含量与结合态有机碳含量之间的关系。数据统计分析采用 完成，显著性水平设为。制图采用 完成。结果与分析土壤微团聚体颗粒组成由图可看出，不同处理的土壤微团聚体质量百分比在各粒级中均无显著差异（），但同一处理的微团聚体质量百分比在不同粒级中具有极显著差异（）。微团聚体质量百分比随粒级的增大而减小，在 粒级中最高（），是 粒级的 倍，是 粒级的 倍。土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态由图可看出，同一粒级土壤微团聚体有机碳、和（）含量在不同处理间均无显著差异（）。微团聚体有机碳含量随粒级的增大总体呈降低趋势。同一处理微团聚体有机碳含量在 粒级中最高（），显著高于 粒级（），两粒级间下降幅度为 ；而不同处理微团聚体有机碳含量虽然从 粒级的 升高至 粒级的 ，但两粒级间差异不显著（）。第期朱丽琴等：凋落物输入对木荷林土壤微团聚体有机碳及其化学结合形态的影响注：图中误差条表示标准差（），相同大写字母表示同一粒级不同处理之间差异不显著（）；不同小写字母表示同一处理不同粒级之间差异显著（）；表示 ，表示 ，表示 ；处理简写字母含义见表。下同。图不同处理土壤微团聚体质量百分比 由图还可看出，不同处理不同粒级土壤微团聚体 含量为 ，远小于 （）含 量（）。土 壤 微 团 聚 体 含量在不同粒级的变化幅度大于（）含量。如在，和 处理中，含量从 至 粒径分别下降了 ，和 ，而（）含 量 下 降 的 幅 度 依 次 为 ，和 ；从 至 粒径中 含量下降的幅度依然大于（）含量。同一处理微团聚体 含量随粒级的增大呈下降趋势，在 粒级中最高（），是 粒级的 倍（），是 粒级的 倍（）。，和 处理微团聚体 含量虽然从 粒径的 下降至 粒级的 ，但两粒级间差异不显著（）；而 处理在两粒级间差异显著（），下降了 。同一处理微团聚体 （）含量随粒级的增大亦呈下降趋势，在 粒级中最高（），是 粒级的 倍（除 处理不显著外，其他处理），是 粒级的 倍（）。（）含量从 粒径的 下降至 粒级的 ，但两粒级间差异不显著（）。图不同处理土壤微团聚体有机碳和化学结合态有机碳 土壤微团聚体化学结合态有机碳占有机碳比例由图可看出，不同处理不同粒级土壤微团聚体 为 ，远小于 （）含量（）。同一粒级土壤微团聚体 在不同处理间均无显著差异（）。在 ，和 处理中，微团聚体 在各粒级间均无显著差异（）；在 处理中，微团聚体 从 粒级到 粒级显著下降（），下降幅度为 。从不同粒级来看，在 粒级中，土壤微团聚体 （）在各处理间均无显著差异 水土保持通报第 卷（）；在 粒径中，相对于 处理，处理显著降低了微团聚体 （）（），降低幅度为 ；在 粒径中，和 处理均显著降低了 （）（），降 低 幅 度 分 别 为 ，和 。从不同处理来看，和 处理微团聚体 （）在各粒级间均无显著差异（）；在 处理中，微团聚体（）从 粒级到 粒径显著下降（），下降幅度为 。注：图中误差条表示标准差（），不同大写字母表示同一粒级不同处理之间差异显著，不同小写字母表示同一处理不同粒级之间差异显著（）。图不同处理土壤微团聚体化学结合态有机碳占有机碳的百分比 土壤微团聚体有机碳与化学结合态有机碳的关系由表可知，土壤微团聚体质量百分比、有机碳含量、含量和（）含量之间均存在极显著的正相关关系（），两两之间 相关系数为 。表土壤微团聚体有机碳含量和化学结合态有机碳之间的关系 指 标 （）（）注：为土壤微团聚体质量百分比；为微团聚体有机碳；为钙键结合态有机碳；（）为铁铝键结合态有机碳；表示在 水平上（双侧）显著相关。讨 论不同来源凋落物输入对土壤微团聚体的影响凋落物输入量及其与土壤基质的相互作用对土壤团聚体中有机碳的形成和稳定具有重要影响。魏强 研究发现，地上和地下凋落物的输入在增加土壤总有机碳含量的同时，也增加了微团聚体有机碳含量，并促进微团聚体形成较大粒径的团聚体，有利于团聚体中有机碳的持续积累。陈冠陶等 发现，隔离根系显著降低了腐殖质层土壤碳库活度，增加了碳库的稳定性，因为根系隔离切断了根系分泌物这一重要的微生物碳源，影响了微生物的活性，减缓了土壤碳的矿化速率。尽管根系残体也是土壤的重要碳源，但本研究根系隔离已持续，而细根的周转一般不超过 个月，因此，隔离根系不仅减少了根系分泌物，也在很大程度上排除了后续根系的分解过程。钟思远等 对南亚热带森林丛枝菌根真菌进行研究，发现其菌丝通过分泌具有超强