Distribution and Stability of Soil Aggregates in Different Forest Types Under an Urban-rural Gradient

本研究试验区域位于高度城市化、工业化的珠江三角洲地区（112°45′～113°50′ E，21°31′～23°10′ N），该区域属于亚热带温暖湿润气候，旱、雨季分明，一般10月至次年3月为旱季，4—9月为雨季，年均降水量1 380～1 927 mm，年均气温为19.5～21.9 ℃。研究区域土壤发育母质为花岗岩，土壤类型为黄红壤^[17]。除了城区的帽峰山（常绿阔叶林）属于天然次生林外，其余均为人工林。其他样地基本信息详见表1，其他性质特征详见表2。

参考Fang等^[17]对城乡梯度的划分方式，以广州市中心（天河区）为中心，将研究区域划分为“城区—近郊—乡村”3个梯度。在每个梯度中选取3种林分类型（马尾松林、针阔混交林和常绿阔叶林），在每种林分类型区域中设置3个40 m × 40 m样地，每个样地中随机选择3个10 m × 10 m样方进行采样，样方间距大于10 m。

2020年12月15日至30日，在各个研究区域采集土壤样品。在每个样地的样方中，采样尽可能避开粗根和石块。在各样方内按“S”型布置5个样点，清除土壤表面枯落物、植物残体、石块等杂质，在每个样点用铁铲采集0～10、10～30 cm土层原状土，再将每个样方内同土层土样混为一个原状土样。同时用环刀在每个样方内各土层取1个土样，用于土壤密度和质量含水量的测定。

土样采集完毕后及时带回实验室，将土样铺开，挑出粗根、枯落物及石块等杂质，待自然风干。土壤密度、质量含水量分别采取环刀法和烘干法测定。土壤碳和养分、酸碱度采用常规方法^[18] 测定：重铬酸钾氧化—外加热法测定土壤有机碳（SOC）含量。采用扩散法测定土壤全氮（TN）含量，采用钼锑抗比色法测定土壤全磷（TP）含量。采用电位计法（PHS-3C型）测定土壤pH值，重复3次。土壤团聚体粒径组成测定参考黎宏祥^[19]、于法展等^[20]和Six等^[21]方法，略有改进，即取200 g风干土样，测定前挑除石块、细根，将所有土样过8 mm筛，再振荡5 min。采取人工干筛法，即筛取6个粒级（>5、2～5、1～2、0.5～1、0.25～0.5、<0.25 mm）团聚体，用0.01 g精度电子秤称量各个粒级团聚体质量，计算不同粒级土壤团聚体质量分数，依其相应将各样品配成50.00 g土样，用于水稳性团聚体含量的测定。水稳性团聚体测定采用人工湿筛法，即在原套筛中进行土样快速湿润，静置5 min，然后上下振荡5 min，振荡频率为30 次·min⁻¹，振幅5 cm。将湿筛后土样转入铝盒，105 ℃烘干至恒质量。

在Excel 2010软件上完成数据的计算与整理，进一步利用SPSS 26.0和Origin 2019b软件对处理后数据进行统计分析和图表绘制。采取单因素方差检验（LSD法）和Wilcoxon符号秩和检验方法，对所有样品土壤团聚体粒径组成比例及其稳定性特征间进行显著差异性检验。通过一般线性模型单变量分析环境因子及其交互作用对团聚体稳定性特征的影响。利用Canoco 5软件对土壤团聚体稳定性特征与土壤因子的关系进行冗余分析，并进行土壤因素解释量分析与显著性检验。图表数据均为平均值±标准差（n=9）。

用平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）、质量分形维数（D_m）及一定粒级团聚体破坏率（PAD）指标和R_0.25（>0.25 mm的大团聚体百分含量）来评价土壤团聚体稳定性。以上指标计算参考Qiao^[22]等和杨金玲^[23]等，公式如下：

　　式中：$\overline {X_{{i}}}$为筛分出的任一粒径团聚体的平均直径，w_i为任一粒径团聚体质量占样品干质量的比例，n为土壤样品数量，W_i为各粒级团聚体质量，E为以自然常数e为底的指数函数计算。m_an为各粒级按从小到大排序的团聚体质量进行累加的累计质量，d_n为各粒级的平均粒径，S表示进行斜率计算，W_a和W_b分别为干筛法和湿筛法测定的R_0.25。

不同筛分方式下，城乡梯度下不同林分类型0～30 cm土层团聚体粒径分布均以大团聚体（>0.25 mm）为主（表3）。城乡梯度和林分类型对0～10 cm土层中干筛方式下1～2 mm粒径的团聚体组成和湿筛方式下0.25～0.5 mm粒径的团聚体组成无显著影响（NS），且对10～30 cm土层中干筛方式下2～5 mm和0.5～1 mm粒径团聚体组成无显著影响（NS），对其他均有显著影响（p < 0.05）。

表4表明：城乡梯度下不同林分类型在不同土层的土壤大团聚体（>0.25 mm）含量各有差异，除乡村梯度下马尾松林和常绿阔叶林在0～10 cm土层干筛和湿筛的R_0.25差异不显著外，其他情况下在各自土层中2种筛分方式的R_0.25之间均差异显著（p < 0.05）。

图1表明：不同筛分方式下表征其土壤团聚体稳定性特征指标间各有差异。干筛方式下，从MWD指标看（图1A），不同梯度在相同林分类型的2个土层中表现各异；随城区向近郊梯度递进，3种林分0～30 cm土层团聚体稳定性均呈降低趋势（图1A）。湿筛方式下，从MWD指标看，城乡梯度下相同林分类型间团聚体稳定性差异不尽相同（图1D）。在2种筛分方式下，D_m在不同梯度或不同林分类型间呈现规律不明显，在土层间均值差异呈现结果相反。除了近郊梯度下的马尾松林，其他林分土壤团聚体的MWD和GMD均值在干筛和湿筛下呈现结果在土层间相反，可知3种林分土壤机械稳定性呈现下层（10～30 cm）大于表层（0～10 cm），其水稳定性则表现相反。

Figure 1.  Stability characteristics of forest soil aggregates at different forest types under the urban-rural gradient

城乡梯度下各林分类型的团聚体破坏率（PAD）介于6.4%～41.1%，在城乡梯度、林分类型及其土层间差异较大（图2）。各梯度下3种林分不同土层间的PAD表现规律一致，即随土层深度增加而升高。在0～30 cm土层中，城市（城区与近郊）梯度下马尾松林土壤的PAD显著高于其他林分（p < 0.05），乡村梯度下常绿阔叶林土壤的PAD显著低于其他林分（p < 0.05）。

Figure 2.  Characteristics of the destruction rate of forest soil aggregates at different forest stand types under the urban-rural gradient

由表5可知：城乡梯度和林分类型及二者的交互作用对机械稳定性团聚体的MWD、GMD与D_m影响极显著（P < 0.001），而土层对其MWD和GMD也影响极显著（P < 0.01）；城乡梯度、林分类型及土层对水稳性团聚体的MWD、GMD和D_m影响极显著（P < 0.01），且其两两交互作用均对MWD和GMD影响显著（P < 0.05）。城乡梯度、林分类型及土层对PAD的影响极显著（P < 0.01），同时林分类型与城乡梯度、土层的交互作用对PAD的影响极显著（P < 0.01）。

不同土层在不同筛分方式下的团聚体稳定性特征与土壤因子相关关系有所差异（图3）。干筛的综合分析（图3C）表明：土壤有机碳（SOC）、TN与PAD、MWD、GMD呈负相关关系，与D_m呈正相关关系。湿筛的综合分析（图3F）表明：土壤含水量、SOC、TN、粒径（>5 mm）团聚体含量与MWD和GMD呈正相关关系，而与PAD和D_m呈负相关关系。

Figure 3.  Redundancy analysis of the distribution and stability characteristics of soil aggregates and soil factors

经置换检验，得到土壤因子解释量与显著性检验结果（表6）表明：干筛下，TN对0～10 cm土层解释度较高，而SOC对10～30 cm土层解释度较高；干筛综合分析得出，TN可以解释团聚体组成与稳定性特征差异的32.2%（P = 0.002）。湿筛下，TN对0～10 cm土层的解释较显著，解释量为6.8%（P = 0.004），而SOC对10～30 cm土层的解释较显著，解释量为1.8%（P = 0.014）。湿筛综合分析得出，TN和土壤含水量的解释度较高，分别为4.3%和2.8%。

目前，研究森林土壤团聚体往往侧重于其水稳定性特征，常按照0.25 mm作为水稳性团聚体粒径大小的分界点，超过该界点则称为大团聚体，否则称为微团聚体^[15]。本研究结果表明：土壤团聚体粒径组成基本以>0.25 mm粒径团聚体为主（表3），这与诸多学者研究结果相似^{[12-14,23-24]}，与王富华等^[25]关于亚热带4种典型林分的研究结果不同，可能是由于土壤本身性质和林分特征不同。随海拔升高，相同林分类型土壤团聚体组成呈现由大粒级向微团聚体（<0.25 mm）转变趋势（表1、3），这与吴梦瑶等^[13]研究贺兰山的结果相反，其原因可能是受城市化程度、气候和林分因素等的影响较大^[19,24]，海拔因素影响的温度差别不大。机械稳定性团聚体与水稳性团聚体在粒径组成比例上存在较大差异，这与团聚体破裂方式和强度的不同有关^[26]。土壤团聚体粒径分布受城乡梯度和植被类型的影响，根本上是受土壤肥力和植物根系、微生物等的影响。越来越多研究表明，亚热带森林土壤大团聚体及其有机碳含量对团聚体稳定性的贡献较大^[25]。可见，提高大团聚体含量比例，有助于森林土壤维持团聚结构的稳定和提高碳固持的能力。

本文关于不同林分类型土壤团聚体稳定性分析结果与鲍国涛等^[27]和王富华等^[25]基本一致。综合团聚体稳定性评价指标（MWD、GMD、R_0.25）可知，针阔混交林表现规律明显，呈现其土壤团聚体的水稳定性随城乡梯度递进有降低趋势。各梯度连贯土壤团聚体稳定性（机械稳定性与水稳性）呈现规律不一致，随土层增加而显著降低(P<0.05，近郊梯度下针阔混交林和常绿阔叶林除外)，这与其他学者^{[15,25,28-29]}研究结果相似。城市化可能对城区和乡村梯度下马尾松林和针阔混交林土壤质量影响较大，土壤团聚体水稳性受多因素综合影响。其原因可能有：（1）城乡梯度环境受氮沉降、酸沉降以及“城市热岛”效应等综合影响，植被的生境有较大差异，对土壤功能和性状影响是多尺度多方面的；（2）森林土壤性状可能受人为因素的影响大于自然因素，同时受林分特征差异的影响。人们在常绿阔叶林中进行经济活动（如采挖中草药）对土壤进行了严重扰动，造成水土流失，降低了土壤质量，且不同地形中坡度有所差异，导致受干扰或侵蚀的程度不同；（3）马尾松林生态系统较脆弱，表现出群落层次结构简单,而针阔混交林具有较高的土壤肥力和较复杂的群落层次，常绿阔叶林作为南亚热带中顶级演替群落，其林分结构更高^[12]，物种多样性更高^[30]，具有更多的养分资源，团聚体稳定性更高。实际情况下，土壤团聚体稳定性受地形、气候类型、降雨量等多因素综合影响；（4）pH值显著影响团聚体稳定性^[31]。pH值主要决定了细菌的分布，气候变化相关的森林土壤酸化可能影响了土壤细菌群落组成与功能^[32]，转而对有机质的分解与转化过程产生重要影响，较低pH值促进土壤团聚体形成与保持稳定性过程。

有研究认为，SOC是影响团聚体在不同海拔植被下分布及稳定性的最主要因素^[13]，但本研究结果发现：TN对森林土壤0～10 cm土层团聚体稳定性影响解释更强，SOC对10～30 cm土层团聚体稳定性的影响解释更强。综合土层看，TN是影响团聚体在城乡梯度下不同林分类型中分布及稳定性的关键因素。结合生态化学计量学理论^[33]，这可能是由于研究区域处于氮沉降日趋严重的环境下，城乡梯度下的3种森林生态系统主要受磷限制，且城市化加剧森林生态系统的磷限制^[34]，对土壤微生物产生负面影响；而土壤TN含量的增加降低了土壤pH值，与土壤酸性磷酸酶活性的增加呈正相关，长期氮沉降缓解了磷的限制^[35]，以致微生物群落组成及多样性发生变化以适应P限制，进而影响土壤有机质的分解与转化。亚热带地区降雨量较大，森林土壤受水力侵蚀较严重，土壤侵蚀对大团聚体有较大影响，受侵蚀的部位土壤内裹挟的微团粒被水流转移及较大粒径团聚体被冲散，加上下层土的稀释作用，SOC含量具有表聚效应，导致侵蚀部位土层中SOC减少^[23,36]，以致10～30 cm土层结构稳定较0～10 cm土层更受SOC含量影响。本研究结果表明：机械稳定性和水稳性团聚体的D_m与PAD呈正相关，与MWD、GMD呈负相关，这与吴梦瑶等^[13]研究结果相似。由此可见，土壤碳氮的累积可能直接促进了土壤大团聚体的形成及其稳定性^[37]。

（1）城乡梯度下3种林分类型土壤团聚体组成以大团聚体（>0.25 mm）为主。针阔混交林土壤团聚体稳定性（机械稳定性和水稳性）随城乡梯度递进呈降低趋势，说明城市化能促进针阔混交林土壤团聚体稳定性的增加。城乡梯度下3种林分类型土壤团聚体的水稳定性基本随土层深度增加而降低，而其机械稳定性与之相反。

（2）较土层深度，城乡梯度与林分类型对土壤团聚体分布及稳定性影响更显著。城乡梯度下不同林分类型土壤团聚体的水稳定性与SOC、TN、TP等呈正相关，与pH值、微团聚体（<0.25 mm）含量呈负相关。影响土壤团聚体在城乡梯度下不同林分类型中分布及其稳定性的主要因素有SOC、TN、pH值等，TN是关键影响因素。