全 文 ：峡谷型喀斯特不同生态系统土壤团聚体
稳定性及有机碳特征*
谭秋锦1,3 摇 宋同清1,2**摇 彭晚霞1,2 摇 曾馥平1,2 摇 杜摇 虎1,2 摇 杨钙仁1,3 摇 范夫静1,4
( 1中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙 410125; 2中国科学院环江喀斯特农业生态试验
站, 广西环江 547100; 3广西大学林学院, 南宁 530004; 4江西农业大学, 南昌 330045)
摘摇 要摇 通过野外调查与室内分析相结合的方法,对峡谷型喀斯特水田(ST)、旱地(HD)、草
地(CD)、灌丛(GC)、人工林(RGL)、次生林(CSL)6 种生态系统的土壤团聚体及其有机碳的
分布特点进行了研究.结果表明: 干筛处理下(除 HD 外)均以>8 mm 的土壤团聚体含量最
高,总体上不同粒径土壤团聚体含量呈现随粒径减小先降低后增加再降低的趋势;湿筛处理
下(除 HD外)均以>5 mm的土壤团聚体含量最高,总体上不同粒径土壤团聚体含量随粒径减
少而降低.干筛处理土壤团聚体的平均质量直径(MMD)为 ST>CD>RGL>CSL>GC>HD;几何
平均直径(GMD)为 ST>CD>RGL>CSL>HD>GC;湿筛处理的 MMD为 RGL>CSL>GC>CD>ST>
HD,GMD为 CSL>RGL>GC>CD>ST>HD,用湿筛的 MMD特别是 GMD评价喀斯特石灰土土壤
团聚体质量性状比干筛指标更准确. 团聚体机械稳定性的分形维数 D 表现为 CD>HD>ST>
RGL>CSL>GC,水稳定性表现为 GC>CSL>RGL>HD>CD>ST.土壤 SOC 含量越高,D、MMD 和
GMD值越大,土壤结构越合理. 不同生态系统下各粒径团聚体 SOC 含量均以 0. 053 ~ 0. 25
mm粒径最高,部分>5 mm粒径含量最低,但以>5 mm团聚体对土壤 SOC的贡献率最高,且贡
献率随着粒径的减小逐渐降低.
关键词摇 土壤团聚体摇 稳定性摇 土壤有机碳摇 生态系统摇 峡谷型喀斯特
*中国科学院战略性先导科技专项(XDA05070404,XDA05050205)、中国科学院“西部行动冶计划项目(KZCX2鄄XB3鄄10)、国家科技支撑计划项
目(2011BAC09B02)、国家自然科学基金项目(31370623,31370485,U1033004,31100329)、广西科技攻关项目(桂科攻 1123001鄄9C)和广西特聘
专家项目资助.
**通讯作者. E鄄mail: songtongq@ isa. ac. cn
2013鄄06鄄07 收稿,2013鄄12鄄09 接受.
文章编号摇 1001-9332(2014)03-0671-08摇 中图分类号摇 S152. 4摇 文献标识码摇 A
Stability and organic carbon characteristics of soil aggregates under different ecosystems in
karst canyon region. TAN Qiu鄄jin1,3, SONG Tong鄄qing1,2, PENG Wan鄄xia1,2, ZENG Fu鄄ping1,2,
DU Hu1,2, YANG Gai鄄ren1,3, FAN Fu鄄jing1,4 ( 1Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Sub鄄
tropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China; 2Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy
of Sciences, Huanjiang 547100, Guangxi, China; 3College of Forestry, Guangxi University, Nan鄄
ning 530004, China; 4Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. , 2014, 25(3): 671-678.
Abstract: Soil aggregates and their organic carbon distributions were studied under six ecosystems,
i. e. , farmland ( short for ST), dry land (HD), grassland (CD), shrubbery (GC), plantation
(RGL) and secondary forest (CSL), in a karst canyon region of China by a combination of field in鄄
vestigation and laboratory analysis. The result showed that, soil aggregates were dominated by parti鄄
cles with sizes>8 mm in the ecosystems except HD under dry sieving, and basically presented a
trend of decreasing firstly, then increasing and finally decreasing along with particle sizes decrea鄄
sing; while soil aggregates were dominated by particles with sizes >5 mm in the ecosystems except
HD under wet sieving and decreased with decreasing of particle sizes. The mean mass diameter
(MMD) was in the order of ST>CD>RGL>CSL>GC>HD and the geometric mean diameter (GMD)
was ST>CD>RGL>CSL>HD>GC by dry sieving, and MMD was RGL>CSL>GC>CD>ST>HD and
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 3 月摇 第 25 卷摇 第 3 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Mar. 2014, 25(3): 671-678
GMD was CSL>RGL>GC>CD>ST>HD by wet sieving. Therefore, MMD and especially GMD of wet
sieving were more accurate than that of dry sieving to evaluate soil aggregates quality in the karst
cannon region. The fractal dimension (D) of mechanical stability in soil aggregates followed the or鄄
der of CD>HD>ST>RGL>CSL>GC and the water stability was in the order of GC>CSL>RGL>HD>
CD>ST. The higher the SOC content was, the larger values of D, MMD, GMD became, and the
more sense the soil structure made. Soil organic carbon content was highest in the aggregate parti鄄
cles with sizes ranging from 0. 25 to 0. 053 mm, and the content in some particles with sizes >5 mm
was lowest. However, the contribution rate of particles with sizes >5 mm was largest to soil organic
carbon, which gradually decreased with the decrease of particle size.
Key words: soil aggregate; stability; soil organic carbon; ecosystem; karst canyon region.
摇 摇 土壤团聚体由无机和有机物质胶结而成,是土
壤的基本结构单位,其数量和质量决定土壤的性质
和肥力,土壤团聚体是土壤养分的贮存库和各种土
壤微生物的生境[1] .不同粒级团聚体在养分的保持
和供应中的作用不同[2],并且其数量分布和空间排
列方式决定了土壤孔隙的分布和连续性,进而决定
了土壤的水力性质,影响土壤生物的活动[3] . 众多
研究者已从不同角度对土壤团聚体稳定性及其有机
碳方面开展了相关研究,但主要集中在黄土高原、南
方红壤区等地[4-5],对喀斯特地区的土壤固碳机制
研究还非常薄弱.周虎等[6]研究了保护性耕作对华
北平原土壤团聚体特征的影响,结果表明,免耕处理
促进表层土壤团聚体的形成,并提高了其稳定性,旋
耕和翻耕处理由于对土壤的强烈扰动,降低了耕作
深度内土壤团聚体的团聚度和稳定性. 刘艳等[7]研
究了北京地区栓皮栎和油松人工林土壤团聚体稳定
性及有机碳特征,得出大团聚体含量随土层加深而
减少,团聚体有机碳含量随土层加深而降低的结论.
唐晓红等[8]研究了四川盆地紫色水稻土不同耕作
方式下腐殖质特征及团聚体有机碳保护机制,分析
了稻田土壤有机碳的主要稳定存在形式,并探讨了
不同耕作方式对团聚体物理保护作用的影响. 赵世
伟等[9]研究了子午岭植被恢复过程中土壤团聚体
有机碳含量的变化. 土壤团聚过程是土壤固碳最重
要的途径之一[10],随着温室效应的加剧,团聚体与
有机碳固定的研究越来越受到人们的重视. 前人针
对团聚体中有机碳的分布及其变化特征已经做了很
多研究,有些学者认为<0. 25 mm 团聚体中有机碳
含量最高[11-12],1 ~ 2 mm 和 0. 053 ~ 0. 25 mm 团聚
体对土壤有机碳的保护作用最大,得出有机碳含量
随着团聚体粒径的减小而增多的结论[13] . 目前,关
于喀斯特地区土壤养分的研究已有一些报道[14-15],
但是对峡谷型喀斯特不同生态系统下土壤有机碳在
团聚体中分布及其稳定机制的研究还很少.
本文以黔西南晴隆县典型峡谷型喀斯特小流域
为研究区域,通过分析不同生态系统下土壤团聚体
组成和有机碳特征的变化,阐明不同土地利用方式
对该地区土壤团聚体中有机碳的影响,揭示不同土
地利用方式下土壤有机碳的固定潜力,以期为调整
该区域不同土地利用方式所占比例、最优化配置不
同土地利用类型、提高土地生产力和固碳能力提供
科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究区为贵州省晴隆县孟寨河小流域,位于
25毅33忆—26毅11忆 N,105毅01忆—105毅25忆 E 之间,全部
是岩溶分布区,面积为 43. 33 km2,最高海拔 2025
m,最低海拔 445 m,相对高差达 1580 m. 该地区属
北亚热带湿润季风气候区,年平均气温 15. 0 益,年
极端高温 33. 4 益,最低气温 - 6. 2 益,日照时数
1453 h,无霜期 280 d.年降水量 1500 ~ 1650 mm,降
雨集中在 6—9 月,年均蒸发量 1800 mm,空气相对
湿度在 50%以下. 地形起伏大,具有山高、谷深、坡
陡的特点,属二迭纪岩层风化而成的石灰土,为典型
的峡谷型喀斯特地貌.
1郾 2摇 样品采集
在全面调查的基础上,根据典型性和代表性的
原则,2012 年 5 月,在贵州晴隆县孟寨河峡谷型喀
斯特小流域内,选择坡向、坡度、坡位和海拔基本一
致的水田(ST)、旱地(HD)、草地(CD)、灌丛(GC)、
人工林(RGL)、次生林(CSL)6 个生态系统,设置 20
m伊20 m样地,3 次重复(样地特征见表 1). 以样地
土壤平均深度为标准挖取土壤剖面,用环刀分 0 ~
10 cm(玉层)、10 ~ 20 cm(域层)、20 ~ 30 cm(芋
层)、30 ~ 50 cm(郁层)、50 ~ 100 cm(吁层)5 层测
定容重,同时每层用刀削出硬质保鲜盒形状,套上
保鲜盒,整块取出.将采集的土样小心运回室内,运
276 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 研究样地基本特征
Table 1摇 General characteristics of the studied ecosystems
生态系统类型
Ecosystem type
经纬度
Longitude and latitude
平均胸径
Mean DBH
(cm)
平均年龄
Mean age
(a)
平均高度
Mean height
(m)
盖度
Coverage
ST 25毅52. 755忆 N, 105毅16. 476忆 E - - - -
HD 25毅52. 018忆 N, 105毅17. 047忆 E - - - -
CD 25毅52. 755忆 N, 105毅17. 410忆 E - 2 0. 2 0. 95
GC 25毅54. 041忆 N, 105毅15. 718忆 E 0. 6 3 1. 3 0. 75
RGL 25毅50. 723忆 N, 105毅15. 540忆 E 10. 6 12 7. 0 0. 5
CSL 25毅51. 445忆 N, 105毅16. 748忆 E 9. 72 20 7. 8 0. 7
ST: 水田 Paddy field; HD:旱地 Dry land; CD:草地 Grassland; GC: 灌丛 Shrubbery; RGL:人工林 Artificial forest; CSL:次生林 Secondary forest.
下同 The same below.
表 2摇 不同生态系统土壤基本理化性质
Table 2摇 Physical and chemical properties of the soil in different ecosystems
生态系统类型
Ecosystem type
容重
Bulk density
(g·cm-3)
pH 水分系数
Coefficient of
moisture
有机碳
Organic carbon
(g·kg-1)
全氮
Total nitrogen
(g·kg-1)
全磷
Total phosphorus
(g·kg-1)
全钾
Total potassium
(g·kg-1)
ST 1. 48a 8. 2 1. 062b 17. 56c 1. 31b 0. 96a 10. 70c
HD 1. 32b 8. 1 1. 067b 16. 70c 1. 12b 0. 70b 10. 43c
CD 1. 41a 8. 1 1. 071a 19. 81c 0. 97b 0. 70b 14. 40b
GC 1. 30b 8. 1 1. 067b 21. 50c 1. 14b 0. 37d 5. 36d
RGL 1. 19c 7. 8 1. 090a 29. 39b 1. 76a 0. 63b 18. 93a
CSL 1. 18c 6. 4 1. 083a 44. 11a 1. 81a 0. 88a 7. 57c
同列不同字母分别表示差异显著(P<0. 05) Different letters in the same column meant significant difference at 0. 05 level. 下同 The same below.
输时要避免震动和翻倒.原状土样采回后,将大的土
块按其结构轻轻剥开成直径 10 mm 左右的团块,挑
去石块、石砾和动植物残体,在室内适当风干后,再
在室温下风干备用.
1郾 3摇 样品分析
1郾 3郾 1 理化性状分析摇 采用常规方法分析土壤基本
理化性状(表 2),环刀法测定土壤容重,烘干法分析
土壤水分系数,重铬酸钾鄄浓硫酸氧化外加热法测定
各团聚体及全碳含量[16] .
1郾 3郾 2 团聚体分析摇 1)干筛分析:将风干的土样混
匀,用四分法取约 1 kg 土样,用孔径分别为 8、5、2、
1、0. 5、0. 25 和 0. 053 mm 筛子进行筛分(筛子附有
底和盖) [17] . 2)湿筛分析:按百分比称取干筛的各
粒级团聚体总和 50 g,于孔径为 5、2、1、0. 5 和 0. 25
mm的套筛上,使土样湿润 10 min逐渐达到饱和,开
动马达,套筛在水中震荡 30 min 后提出套筛,收集
筛上物,在 60 益下烘干,称量[17] .
1郾 4摇 数据处理
所有数据采用 Excel 2007 和 SPSS 16. 0 软件进
行分析.采用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)和
最小显著差异法(LSD)比较不同数据组间的差异.
用 Pearson相关系数评价不同因子间的相关关系,显
著性水平设定为 琢=0. 05.
相关计算公式:
某粒径团聚体百分含量 =该级团聚体的质量 /
各粒级土壤团聚体质量之和伊100%
团聚体对土壤有机碳的贡献率=该级团聚体中
有机碳含量伊该级团聚体百分含量 /土壤总有机碳
含量伊100%
平均质量直径(MMD) [18]:
MMD =移
n
i = 1
軈R i 伊 mi
几何平均直径(GMD) [19]:
GMD = exp(移
n
i = 1
ln軈R i伊 mi)
分形维数(D) [20]:
D=W(啄<軈di) / W0 =(軈di / dmax) 3-D
对上式两边取对数,得:lg[W(啄<軈di) / W0] = (3-
D)lg (軈di / dmax ),分别以 lg [W( 啄 <軈di ) / W0 ]、 lg (軈di /
dmax)为纵、横坐标作图,3-D 即为 lg(軈di / dmax)和 lg
[W(啄<軈di) / W0]试验直线的斜率,即可求出土壤 D
值.其中:軈di 为某级团聚体平均直径;W( 啄<軈di)表示
粒径<軈di 的团聚体的质量;M0为团聚体总质量,軈dmax
为团聚体的最大粒径.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同生态系统土壤团聚体数量特征
稳定的团聚体可组成良好的土壤结构,促进能
流和物流循环,为植物生长提供顺畅的运输通道.不
3763 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谭秋锦等: 峡谷型喀斯特不同生态系统土壤团聚体稳定性及有机碳特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
稳定的团聚体则易产生更小的可迁移颗粒,既阻碍
土壤养分运移,又加剧地表径流和土壤侵蚀[21] . 由
图 1 可知,土壤机械稳定性团聚体各粒级的组成比
例在各生态系统中表现出一定的差异. 6 种生态系
统中除 HD外,均以>8 mm的土壤团聚体含量最高,
2 ~ 5 mm 团聚体次之,再者是 5 ~ 8 mm 团聚体,
0郾 053 mm团聚体最少,总的来说,<0. 25 mm团聚体
含量很少,最多的也不超过 3% .它们总体上呈现出
随粒径的减小先降低后增加再降低的趋势.其中,不
同生态系统下>8 mm 土壤团聚体所占比例顺序为
ST>RGL>CD>CSL>GC>HD,5 ~ 8 mm团聚体所占的
比例顺序为 CSL>HD>CD>GC>RGL>ST,0. 053 ~
0郾 25 mm团聚体所占的比例顺序为 GC>HD>CSL>
RGL>CD>ST,<0. 053 mm 团聚体所占比例顺序为
HD>CD>GC>RGL>ST>CSL.不同生态系统下同粒级
土壤团聚体含量存在一定差异,但差异不显著;而同
一生态系统下不同粒级土壤团聚体含量部分差异显
著.以 ST为例,>8 mm与 5 ~ 8 mm和 2 ~ 5 mm差异
显著;5 ~ 8 mm 和 2 ~ 5 mm 之间差异不显著,但与
1 ~2 mm、0. 5 ~1 mm和 0. 25 ~0. 5 mm差异显著;1 ~
2 mm、0. 5 ~1 mm和0. 25 ~0. 5 mm之间差异不显著,
但与 0. 053 ~0. 25 mm和<0. 053 mm差异显著.
水稳性团聚体对保持土壤结构的稳定性有重要
的作用,同时也是衡量土壤抗侵蚀能力的指标之一.
由图 2 可知,各生态系统(除 HD 外)均以粒径>5
mm的土壤团聚体含量最高(最高可达 54% ,最低为
40% ),2 ~ 5 mm 团聚体含量次之,<0. 25 mm 团聚
体含量最少(仅为 2% ~5% ),总体呈现出随粒径的
减少而降低的趋势. >0. 25 mm 的团聚体被称为土
壤团粒结构体,是土壤中最好的结构体,其数量大小
与土壤的稳定性状况呈正相关关系[11],峡谷型喀斯
特石灰土>0郾 25 mm团聚体含量达95%以上. 不同
图 1摇 不同生态系统土壤机械稳定性团聚体组成
Fig. 1摇 Composition of mechanical stability aggregates with different sizes under different ecosystems.
ST: 水田 Paddy field; HD:旱地 Dry land; CD:草地 Grassland; GC: 灌丛 Shrubbery; RGL:人工林 Artificial forest; CSL:次生林 Secondary forest.
不同大、小写字母分别代表相同生态系统不同粒径团聚体和不同生态系统相同粒径团聚体含量差异显著(P<0. 05) Different capital and small
letters meant significant difference among different size aggregates in the same ecosystem and the same size aggregates in different ecosystems at 0. 05
level, respectively. 下同 The same below.
图 2摇 不同生态系统土壤水稳性团聚体组成
Fig. 2摇 Distribution of water stability aggregates with different sizes under different ecosystems.
476 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
生态系统下>5 mm 的土壤团聚体所占比例顺序为
RGL>CSL>CD>GC>ST>HD,2 ~ 5 mm团聚体为 HD>
GC>CSL>ST>RGL>CD,<0. 25 mm团聚体为 HD>ST>
CD>RGL>GC>CSL.
两种团聚体均以大团聚体的数量占优势.其中,
干筛处理下土壤团聚体主要以>8 mm 粒径的团聚
体为主,含量在 29. 5% ~ 60. 6% ;而湿筛处理下土
壤团聚体则主要以>5 mm 粒径的团聚体为主,含量
在 29% ~54% .
2郾 2摇 不同生态系统土壤团聚体的稳定性
不同粒级团聚体对土壤养分的保持、供应、孔隙
组成、水力性质和生物运动等具有不同的作用,因此
在团聚体总量的基础上,团聚体大小分布状况与土
壤质量的关系更加密切[3,22] .平均质量直径(MMD)
和几何平均直径(GMD)是反映土壤团聚体大小分
布状况的常用指标,MMD和 GMD值越大,表示土壤
团聚体的团聚度越高,稳定性越好[23] .由表 3 可知,
干筛处理下,各生态系统的 MMD值表现为 ST>CD>
RGL> CSL>GC>HD,GMD 值表现为 ST>CD>RGL>
CSL>HD>GC,不同土地利用方式对土壤团聚体大小
分布状况的影响很大.
摇 摇 湿筛处理下,次生林、人工林和灌丛的 MMD、
GMD不存在显著差异,而与其他生态系统的差异显
著,灌丛与草地差异不显著,但极显著大于水田和旱
地,水田与旱地差异不显著. MMD值以人工林最大,
GMD值次生林最大、旱地最小. 不同土地利用方式
对水稳性团聚体 MMD和 GMD的影响也较大.人工
林和次生林的稳定性最好,旱地的稳定性最差,说明
峡谷型喀斯特地区退耕还林模式最有利于保持土壤
的稳定性.水田、旱地、草地、灌丛、人工林和次生林
这 6 种生态系统干筛法的 MMD 值分别是湿筛法的
1 郾 82、1郾 49、1郾 52、1郾 25、1郾 40和1郾 23倍,GMD值分
表 3摇 不同生态系统下土壤团聚体平均质量直径和几何平
均直径
Table 3 摇 Mean diameters and geometric mean diameters
for soil aggregates under different ecosystems
生态系统类型
Ecosystem type
干筛 Dry sieving
MMD GMD
湿筛 Wet sieving
MMD GMD
ST 6. 88a 5. 62a 3. 77c 2. 53c
HD 5. 19d 3. 95e 3. 47c 2. 36c
CD 6. 41b 5. 16b 4. 20b 2. 91b
GC 5. 35c 3. 93e 4. 27b 3. 21a
RGL 6. 35b 4. 96c 4. 55a 3. 38a
CSL 5. 50c 4. 10d 4. 48a 3. 45a
同列不同字母表示差异显著(P<0. 05) Different letters showed signifi鄄
cant difference at 0. 05 level.
别是 2. 22、1. 67、1. 77、1. 22、1. 47 和 1. 19 倍. 这可
能是因为在水的浸泡下,大量的非水稳性团聚体被
分解所致,也表明用干筛的 MMD 和 GMD 来评价喀
斯特石灰土土壤团聚体质量差异表现不够灵敏,用
湿筛的 MMD特别是 GMD 作为评价喀斯特石灰土
土壤团聚体质量性状的指标更为精确.
2郾 3摇 不同生态系统土壤团聚体的分维特征
士壤分形维数是反映土壤结构几何形状的参
数,土壤粘粒含量越高、质地越细、分形维数越高.土
壤团粒结构粒径分布的分形维数反映了土壤水稳性
团聚体含量对土壤结构与稳定性的影响趋势,即团
粒结构粒径分布的分形维数越小,则土壤结构与稳
定性越好,抗蚀能力越强[24] .由图 3 可知,不同生态
系统机械稳定性团聚体的分形维数没有显著差异.
草地最大,旱地、水田、人工林和次生林次之,灌丛最
小,说明灌丛的土壤团聚体状况最好.这可能是由于
灌丛长时间无人耕作,结构分散率较小,有利于改善
土壤的团聚状况,而其他生态系统由于机械动力对
土壤的扰动较大,导致土壤团聚体被破坏而分散.对
水稳定性的分形维数而言,旱地、灌丛、人工林和次
生林之间无显著差异,水田与草地之间也无显著差
异,但前四者与后两种生态系统差异显著.各生态系
统表现为 GC>CSL>RGL>HD>CD>ST,其中,灌丛的
分形维数最大,水田最小,说明 6 种生态系统中,灌
丛的土壤稳定性受人为扰动的影响最大,而水田的
稳定性最好.
由图 3 可知,水田、旱地、草地、灌丛、人工林和
次生林的风干性团聚体分形维数分别是水稳定性团
聚体分形维数的 1. 23、1. 14、1. 25、1. 04、1. 08 和
1郾 07 倍.由表 4 可知,分形维数(D)与 MMD、GMD、
SOC及各粒径团聚体呈正相关,SOC与D、MMD、
图 3摇 土壤机械与水稳定性团聚体分形维数
Fig. 3 摇 Fractal dimension of mechanical stable aggregates and
water stable aggregates.
D: 干筛 Dry sieving; W: 湿筛 Wet sieving.
5763 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谭秋锦等: 峡谷型喀斯特不同生态系统土壤团聚体稳定性及有机碳特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 4摇 土壤水稳定性团聚体各参数之间的相关性
Table 4摇 Correlation between parameters of water stable aggregates
摇 摇 D 摇 摇 MMD 摇 摇 GMD SOC
摇 摇 摇 >5 mm摇 摇 摇 2 ~ 5
摇 摇 摇 mm
摇 摇 摇 1 ~ 2
摇 摇 摇 mm
摇 摇 摇 0. 5 ~ 1
摇 摇 摇 mm
摇 摇 0. 25 ~ 0. 5
摇 摇 mm
摇 摇 摇 0. 053 ~ 0. 25
摇 摇 摇 mm
摇 摇 总量
摇 摇 Total
D 1
MMD 0. 442 1
GMD 0. 610 0. 975** 1
SOC >5 mm 0. 550 0. 592 0. 691 1
2 ~ 5 mm 0. 516 0. 567 0. 664 0. 999** 1
1 ~ 2 mm 0. 458 0. 569 0. 648 0. 991** 0. 993** 1
0. 5 ~ 1 mm 0. 449 0. 562 0. 639 0. 989** 0. 991** 1. 000** 1
0. 25 ~ 0. 5 mm 0. 504 0. 585 0. 676 0. 998** 0. 999** 0. 995** 0. 994** 1
0. 053 ~ 0. 25 mm 0. 573 0. 644 0. 745 0. 991** 0. 989** 0. 971** 0. 966** 0. 988** 1
总量 Total 0. 507 0. 718 0. 793 0. 927** 0. 921** 0. 909* 0. 897* 0. 921** 0. 945** 1
*P<0. 05; ** P<0. 01.
GMD呈正相关,说明土壤有机碳含量越高,D、MMD
和 GMD越大,土壤结构越合理.
2郾 4摇 土壤团聚体特征与土壤有机碳的关系
2郾 4郾 1 土壤团聚体中有机碳含量摇 土壤各粒径团聚
体中的有机碳含量是土壤有机质平衡和矿化速率的
微观表征,对土壤肥力和土壤碳汇具有双重意义.由
图 4 可知,不同生态系统下各粒径团聚体中有机碳
含量各异,部分差异不显著,水田、旱地和草地随粒
径的减小呈递增的变化规律,0. 053 ~ 0. 25 mm团聚
体有机碳含量最高,>5 mm 的团聚体含量最低,小
粒径团聚体有机碳含量较大粒径团聚体稍高. 而灌
丛和次生林则随粒径的减小呈先降低后增加的趋
势,其中 0. 053 ~ 0. 25 mm 团聚体有机碳含量最高,
1 ~ 2 mm团聚体有机碳含量最低;人工林各粒径土
壤团聚体中有机碳含量变化复杂,其中 0. 5 ~ 1 mm
粒径团聚体有机碳含量最高,2 ~ 5 mm 粒径最低. 6
种生态系统土壤中 0. 053 ~ 0. 25 mm 团聚体有机碳
含量是 > 5 mm 有机碳含量的 1. 06、1. 03、1. 07、
1郾 14、1. 04 和 1. 10 倍. 不同生态系统下,各粒径土
壤团聚体中有机碳含量最低的是草地,这是因为草
地凋落物较少,偶尔有放牧对其造成破坏. 6 种生态
系统中,基本上是以>5 mm 的团聚体中土壤有机碳
含量最低,差异较大,说明土壤大粒径团聚体中的有
机碳积累和分布在不同的利用过程中首先会受到影
响,其变化较为敏感.
2郾 4郾 2 土壤团聚体中有机碳的分布摇 土壤团聚体中
有机碳分量是土壤团聚体保持有机碳的容量指标,
以土壤团聚体分量值除以有机碳总量,可以得出各
粒径团聚体有机碳的分配比例. 它反映了某一粒径
团聚体中有机碳的相对数量[25] . 由表5可知,各生
表 5摇 不同生态系统中土壤团聚体有机碳对土壤有机碳的
贡献率
Table 5 摇 Contribution of water鄄stable aggregate organic
carbon to SOC under different ecosystems
生态系统类型
Ecosystem type
粒 级 Size (mm)
>5 2 ~ 5 1 ~ 2 0. 5 ~ 1 0. 25 ~
0. 5
0. 053 ~
0. 25
ST 7. 11a 4. 58a 2. 62a 1. 92ab 1. 26ab 0. 81ab
HD 4. 78a 5. 76a 2. 17a 1. 56ab 1. 13ab 0. 74ab
CD 5. 91a 2. 82a 1. 25a 0. 90ab 0. 81ab 0. 55ab
GC 8. 34a 5. 11a 1. 71b 1. 09b 0. 85b 0. 44b
RGL 13. 98a 5. 90b 2. 21bc 1. 58bc 1. 05bc 0. 95bc
CSL 16. 70a 8. 06b 3. 06c 2. 28c 1. 28c 0. 58cd
同行不同小写字母表示粒级间差异显著(P<0. 05) Different small
letters in the same row meant significant difference at 0. 05 level among
different sizes.
图 4摇 不同生态系统土壤各粒径团聚体中有机碳含量
Fig. 4摇 Soil organic content in different aggregate sizes under different ecosystems.
676 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
态系统中均以>5 mm 水稳定性团聚体有机碳对土
壤有机碳的贡献率最大,0. 053 ~ 0. 25 mm水稳定性
团聚体有机碳的贡献最小,且随着粒径的减少呈逐
渐降低的趋势. 尽管 0. 053 ~ 0. 25 mm 团聚体中有
机碳含量最高,但由于其粒径团聚体占土壤总质量
的比例少,使得其团聚体中有机碳所占的比例低.
3摇 讨摇 摇 论
南方旱地红壤及其他森林土壤的水稳定性团聚
体主要以 0. 25 ~ 2 mm、0. 053 ~ 0. 25 mm 和<0. 053
mm为主[26],西南喀斯特森林石灰土的干湿筛团聚
体均以>2 mm 粒径为主,1 ~ 10 mm 粒径的干湿筛
优势团聚体分别高达 78. 2% ~ 88. 7%和 43. 4% ~
84% [27];桂西北喀斯特峰丛洼地白云岩和石灰岩的
干湿筛团聚体(除水田和石灰岩母质旱地外)均以
>2 mm团聚体为主[28] .本研究的 6 种生态系统土壤
团聚体数量,在干筛处理下(除 HD 外)均以>8 mm
的土壤团聚体含量最高,0. 053 mm 团聚体含量最
少;湿筛处理下(除 HD外)均以>5 mm 的土壤团聚
体含量最高.这说明喀斯特地区干湿筛主要以大团
聚体( > 0. 25 mm)为主,微团聚体 ( < 0. 25 mm)
为辅.
干筛处理下,MMD值最大的是水田(6. 88),最
小是旱地(5. 19);GMD值最大的是水田(5. 62),最
小是灌丛(3. 93),分形维数(D)为 CD>HD>ST>
RGL>CSL>GC,在 2. 24 ~ 2. 38 之间. 湿筛处理下,
MMD 值最大的是人工林 ( 4郾 55 ),最小是旱地
(3郾 47);GMD值最大的是次生林(3. 45),最小是旱
地(2. 36),D 值为 GC>CSL>RGL>HD>CD>ST,在
1郾 86 ~ 2. 14 之间.干筛法的 GMD和 MMD值比湿筛
法大. 6 种生态系统中,人工林和次生林的稳定性最
好,旱地的稳定性最差,主要原因可能是由于林地土
壤容重较小,总孔隙度较大,土壤结构疏松,通气性
较好,且地表枯落物储量较多,增加了土壤有机质含
量,促进了团聚体的形成. 因此在实际的农业生产
中,要选择合理的土地利用方式,采取措施加强对森
林的保护,增加大团聚体的数量,提高土壤稳定性和
固碳能力.
峡谷型喀斯特有机碳含量均以 0. 25 ~ 0. 053
mm团聚体最高,部分>5 mm的团聚体含量最低,与
喀斯特峰丛洼地植物群落小粒径团聚体土壤有机碳
含量比大粒径团聚体高的结论相似[21],与峰丛洼地
白云岩和石灰岩母质生态系统大团聚体 ( > 0郾 25
mm)土壤有机碳含量比微团聚体(<0. 25 mm)稍高
的结论相反[28] .本研究中以>5 mm水稳定性团聚体
有机碳对土壤有机碳的贡献率最大,0. 053 ~ 0郾 25
mm的贡献最小.这与卢凌霄等[21]和于扬[28]得出的
大粒径团聚体对喀斯特地区土壤有机碳的贡献率远
高于小粒径团聚体的结果相同. 由于草地鄄旱地鄄水
田鄄灌丛鄄人工林鄄次生林的土壤扰动强度依次下降,
各粒径土壤团聚体中有机碳含量出现明显递进趋
势.这与魏亚伟等[29]研究的喀斯特原生林地、自然
恢复地、放牧+火烧草地和玉米鄄红薯轮作地 4 种生
态系统土壤有机碳含量的结论相似.周纯亮等[30]研
究表明,在小粒径团聚体中,有机碳较大团聚体稳
定,小团聚体中有机碳含量增加将有利于土壤碳的
固定.这说明次生林土壤各粒径团聚体有机碳含量
最高,且更多的有机碳储存到小粒径团聚体中.土壤
有机碳稳定性高对维持土壤养分和土壤有机碳具有
较好的促进作用. 因此,应该加强森林保护,避免人
为干扰,提高植被覆盖率,从而增加喀斯特地区土壤
碳储量.
参考文献
[1]摇 Six J, Bossuyt H, Degryze S, et al. A history of re鄄
search on the link between (micro) aggregates, soil bio鄄
ta, and soil organic matter dynamics. Soil & Tillage Re鄄
search, 2004, 79: 7-31
[2]摇 Chen E鄄F (陈恩凤), Zhou L鄄K (周礼恺), Wu G鄄Y
(武冠云). Performance of soil microaggregates in sto鄄
ring and supplying moisture and nutrients and role of
their compositional proportion in judging fertility level.
Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 1994, 31 (1):
18-25 (in Chinese)
[3]摇 Dexter AR. Advances in characterization of soil struc鄄
ture. Soil & Tillage Research, 1988, 11: 199-238
[4]摇 Zhao S鄄W (赵世伟), Su J (苏摇 静), Yang Y鄄H (杨
永辉), et al. Influence of the soil structure in loess
hilly region of southern Ningxia under different man鄄
made vegetation. Research of Soil and Water Conserva鄄
tion (水土保持研究), 2005, 12(3): 27-29 (in Chi鄄
nese)
[5]摇 Gong W (龚 摇 伟), Hu T鄄X (胡庭兴), Wang J鄄Y
(王景燕), et al. Fractal features of soil microag鄄
gregates in soils under natural and regenerated ever鄄
green broadleaved forests in south Sichuan Province. Ac鄄
ta Pedologica Sinica (土壤学报), 2007, 44(3): 571-
575 (in Chinese)
[6]摇 Zhou H (周摇 虎), L俟 Y鄄Z (吕贻忠), Yang Z鄄C (杨
志臣), et al. Effects of conservation tillage on soil ag鄄
gregates in Huabei, China. Scientia Agricultura Sinica
(中国农业科学), 2007, 40(9): 1973-1979 (in Chi鄄
nese)
[7]摇 Liu Y (刘摇 艳), Zha T鄄G (查同刚), Wang Y鄄K (王
伊琨), et al. Soil aggregate stability and soil organic
carbon characteristics in Quercus variabilis and Pinus
7763 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 谭秋锦等: 峡谷型喀斯特不同生态系统土壤团聚体稳定性及有机碳特征摇 摇 摇 摇 摇 摇
tabulaeformis plantations in Beijing area. Chinese Jour鄄
nal of Applied Ecology (应用生态学报), 2013, 24
(3): 607-613 (in Chinese)
[8]摇 Tang X鄄H (唐晓红), Shao J鄄A (邵景安), Gao M (高
明), et al. Effects of conservational tillage composition
and organic carbon storage in purple paddy soil. Chinese
Journal of Applied Ecology (应用生态学报), 2007, 18
(5): 1027-1032 (in Chinese)
[9]摇 Zhao S鄄W (赵世伟), Su J (苏摇 静), Wu J鄄S (吴金
水), et al. Chang of soil aggregate organic carbon dur鄄
ing process of vegetation restoration in Ziwuling. Journal
of Soil and Water Conservation (水土保持学报),
2006, 20(3): 114-117 (in Chinese)
[10]摇 Humberto BC, Rattan L. Mechanisms of carbon seques鄄
tration in soil aggregates. Critical Reviews in Plant Sci鄄
ences, 2004, 23: 481-504
[11]摇 Shrestha BM, Sitaula BK, Singh BR, et al. Soil organic
carbon stocks in soil aggregates under different land use
systems in Nepal. Nutrient Cycling in Agroecosystems,
2004, 70: 201-213
[12]摇 Lorenz K, Lal R, Shipitalo MJ. Chemical stabilization
of organic carbon pools in particle size fractions in no鄄till
and meadow soils. Biology and Fertility of Soils, 2008,
44: 1043-1048
[13]摇 Li H鄄X (李辉信), Yuan Y鄄H (袁颖红), Huang Q鄄R
(黄欠如), et al. Effects of fertilization on soil organic
carbon distribution in various aggregates of red paddy
soil. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2006, 43
(3): 422-429 (in Chinese)
[14]摇 Song T鄄Q (宋同清), Peng W鄄X (彭晚霞), Zeng F鄄P
(曾馥平), et al. Spatial pattern of forest communities
and environmental interpretation in Mulun National Na鄄
ture Reserve, karst cluster鄄peak depression region. Chi鄄
nese Journal of Plant Ecology (植物生态学报), 2010,
34(3): 298-308 (in Chinese)
[15]摇 Ouyang Z鄄W (欧阳资文), Peng W鄄X (彭晚霞), Song
T鄄Q (宋同清), et al. Spatial heterogeneity of soil or鄄
ganic matter and its response to disturbance in karst
peak cluster depressions. Chinese Journal of Applied
Ecology (应用生态学报), 2009, 20(6): 1329-1336
(in Chinese)
[16]摇 Bao S鄄D (鲍士旦). Soil and Agricultural Chemistry
Analysis. Beijing: China Agricultural Science and Tech鄄
nology Press, 2005 (in Chinese)
[17]摇 Liu G鄄S (刘光崧). Soil Physical and Chemical Analy鄄
sis and Profile Description. Beijing: China Standards
Press, 1997 (in Chinese)
[18]摇 Yan F鄄L (闫峰陵), Shi Z鄄H (史志华), Cai C鄄F (蔡
崇法), et al. Effects of topsoil aggregate stability on
soil erosion at hillslope on ultisoils. Acta Pedologica Sin鄄
ica (土壤学报), 2007, 44 (4): 577 - 583 ( in Chi鄄
nese)
[19]摇 He S鄄Q (何淑勤), Zheng Z鄄C (郑子成), Gong Y鄄B
(宫渊波). Distribution characteristics and soil organic
carbon of soil water鄄stable aggregates with different de鄄
farming patterns. Journal of Soil and Water Conservation
(水土保持学报), 2011, 25(5): 229-233 ( in Chi鄄
nese)
[20]摇 Yang P鄄L (杨培岭), Luo Y鄄P (罗远培), Shi Y鄄C
(石元春). Using weight distribution of soil particle size
to express soil fractal features. Chinese Science Bulletin
(科学通报), 1993, 38 (20): 1896 - 1899 ( in Chi鄄
nese)
[21]摇 Lu L鄄X (卢凌霄), Song T鄄Q (宋同清), Peng W鄄X
(彭晚霞), et al. Profile distribution of soil aggregates
organic carbon in primary forests in Karst cluster鄄peak
depression region. Chinese Journal of Applied Ecology
(应用生态学报), 2012, 23(5): 1167-1174 (in Chi鄄
nese)
[22]摇 Nimmo JR, Perkins KS. Aggregate stability and size
distribution / / Dane JH, Topp GC, eds. Methods of Soil
Analysis, Part 4: Physical Methods. Madison, WI: Soil
Science Society of America, 2002: 317-328
[23]摇 Tisdall JM, Oades JM. Organic matter and water鄄stable
aggregates in soils. Journal of Soil Science, 1982, 33:
141-163
[24]摇 Zhou G (周摇 刚), Zhao H (赵摇 辉), Chen G鄄Y (陈
国玉), et al. Differential rule of soil anti鄄erodibility in
different land鄄use of granite red soil region. Soil and
Water Conservation in China (中国水土保持), 2008
(9): 27-29 (in Chinese)
[25]摇 Xiao F鄄M (肖复明), Fan S鄄H (范少辉), Wang S鄄L
(汪思龙), et al. Moso bamboo plantation soil aggre鄄
gate stability and its impact on carbon storage. Journal
of Soil Water Conservation (水土保持学报), 2008, 22
(2): 131-134 (in Chinese)
[26]摇 Jiang C鄄L (姜灿烂), He Y鄄Q (何园球), Liu X鄄L (刘
晓利), et al. Effect of long term application of organic
manure on structure and stability of aggregate in upland
red soil. Acta Pedologica Sinica (土壤学报), 2010,
47(7): 715-722 (in Chinese)
[27]摇 Yu Y鄄F (俞月凤), Lu L鄄X (卢凌霄), Du H (杜 摇
虎), et al. Distribution of organic carbon and aggrega鄄
tion of calcareous soil in different forest types. Acta Bo鄄
tanica Boreali鄄Occidentalia Sinica (西北植物学报),
2013, 33(5): 3-9 (in Chinese)
[28]摇 Yu Y (于 摇 扬). Calcareous Soil Aggregate Stability
and Calcareous Soil Organic Carbon Characteristics un鄄
der Different Typical Ecosystems in Karst Peak鄄cluster
Depression Area of Northwest Guangxi. Mater Thesis.
Changsha: Institute of Subtropical Agriculture, Chinese
Academy of Sciences, 2013 (in Chinese)
[29]摇 Wei Y鄄W (魏亚伟), Su Y鄄R (苏以荣), Chen X鄄B
(陈香碧), et al. Effects of human disturbance on soil
aggregates content and their organic C stability in Karst
regions. Chinese Journal of Applied Ecology (应用生态
学报), 2011, 22(4): 971-978 (in Chinese)
[30]摇 Zhou C鄄L (周纯亮), Wu M (吴摇 明). Distribution of
soil types in mid鄄subtropics. Soils (土壤), 2011, 43
(3): 406-410 (in Chinese)
作者简介摇 谭秋锦,女,1987 年生,硕士研究生.主要从事森
林生态学研究. E鄄mail: 13481146175@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
876 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷