不同人工恢复林对退化红壤团聚体组成及其有机碳的影响

引用本文

朱丽琴, 黄荣珍, 黄国敏, 黄诗华, 易志强, 张文锋, 贾龙, 王赫, 刘勇. 不同人工恢复林对退化红壤团聚体组成及其有机碳的影响[J]. 中国水土保持科学, 2017, 15(5): 58-66. DOI: 10.16843/j.sswc.2017.05.008.

ZHU Liqin, HUANG Rongzhen, HUANG Guomin, HUANG Shihua, YI Zhiqiang, ZHANG Wenfeng, JIA Long, WANG He, LIU Yong. Effects of different artificially restored forests on aggregate composition and organic carbon in degraded red soil[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(5): 58-66. DOI: 10.16843/j.sswc.2017.05.008.

项目名称

国家自然科学基金"生态恢复对红壤严重侵蚀地土壤水库重建的影响与机制"（31160179）；江西省自然科学基金目"侵蚀红壤碳吸存对植被恢复的响应及其微生物学机制"（20151BAB204033）；江西省高等学校"十二五"水土保持与荒漠化防治重点学科培育基金"红壤侵蚀地不同植被恢复模式对土壤团聚体有机碳的影响"

第一作者简介

朱丽琴(1986-), 女, 硕士, 实验师。主要研究方向:植被恢复与重建。E-mail:zhuliqin@nit.edu.cn

通信作者简介

黄荣珍(1975-), 男, 博士, 教授, 硕士生导师。主要研究方向:坡地水文与生态修复。E-mail:huangrz@nit.edu.cn

文章历史

收稿日期：2016-11-24
修回日期：2017-06-25

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不同人工恢复林对退化红壤团聚体组成及其有机碳的影响

朱丽琴, 黄荣珍, 黄国敏, 黄诗华, 易志强, 张文锋, 贾龙, 王赫, 刘勇

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, 330099, 南昌

收稿日期：2016-11-24; 修回日期：2017-06-25

项目名称：国家自然科学基金"生态恢复对红壤严重侵蚀地土壤水库重建的影响与机制"（31160179）；江西省自然科学基金目"侵蚀红壤碳吸存对植被恢复的响应及其微生物学机制"（20151BAB204033）；江西省高等学校"十二五"水土保持与荒漠化防治重点学科培育基金"红壤侵蚀地不同植被恢复模式对土壤团聚体有机碳的影响"

第一作者简介：朱丽琴(1986-), 女, 硕士, 实验师。主要研究方向:植被恢复与重建。E-mail:zhuliqin@nit.edu.cn

通信作者简介：黄荣珍(1975-), 男, 博士, 教授, 硕士生导师。主要研究方向:坡地水文与生态修复。E-mail:huangrz@nit.edu.cn

摘要：研究土壤团聚体的组成及其有机碳的分布，有助于从微观角度理解土壤结构与功能的相互作用。采用干筛法和湿筛法，研究南方红壤退化地实施人工恢复30年后，马尾松与阔叶复层林（PB）、木荷+马尾松混交林（SP）和阔叶林（BF）3种典型林分在0~60 cm土层的团聚体组成及其有机碳分布特征，分析土壤团聚体有机碳与总有机碳相关关系。结果表明：各恢复林分土壤机械稳定性团聚体质量分数，以>2 mm粒径所占比例最大（均在60%以上），而在水稳性团聚体中，以 < 0.05 mm粒径占优势。不同林分土壤团聚体结构破坏率顺序依次为BF（53.38%~84.27%）> SP（52.22%~70.86%）> PB（22.70%~47.83%）。机械稳定性和水稳性团聚体有机碳质量分数均以PB最高，随着土层深度的增加，各林分土壤团聚体有机碳质量分数呈下降趋势。水稳性大团聚体（>0.25 mm粒径）有机碳质量分数总体高于相应土层的总有机碳质量分数，而微团聚体的（ < 0.25 mm粒径）则低于后者，说明有机碳对于大团聚体的形成和水稳性具有积极作用。土壤团聚体有机碳与总有机碳的相关关系分析表明，土壤团聚体有机碳的增加，对总有机碳的积累具有正面影响。保留密度大、灌木（草）层盖度高的马尾松与阔叶复层林土壤团聚体的数量和质量更高；因此，在红壤侵蚀退化地森林恢复初期，可通过适当密植、增加林下灌草覆盖等措施，增加有机碳的输入，促进团聚体的形成和稳定，从而加速了退化土地的土壤结构改善和功能恢复。该研究可为南方严重红壤退化地生态恢复中的林分类型选择和优化配置提供科学依据。

关键词：人工恢复林机械稳定性团聚体水稳性团聚体有机碳红壤

Effects of different artificially restored forests on aggregate composition and organic carbon in degraded red soil

ZHU Liqin, HUANG Rongzhen, HUANG Guomin, HUANG Shihua, YI Zhiqiang, ZHANG Wenfeng, JIA Long, WANG He, LIU Yong

Jiangxi Key Laboratory of Degraded Ecosystem Restoration and Watershed Eco-hydrology, Nanchang Institute of Technology, 330099, Nanchang, China

Abstract: [Background] Research on the composition of aggregates and the distribution of organic carbon in soil will be beneficial for understanding the interaction between soil structure and function at the molecular scale. [Methods] Three typical artificially restored forests after a 30-year restoration in degraded red soil were selected in this study, which were Pinus massoniana-multiple layer broadleaf forest (PB), Schima superba-Pinus massoniana mixed forest (SP), and broadleaf forest (BF), respectively. Methods of dry sieve and wet sieve were applied to investigate the composition of aggregates and the distribution of organic carbon in different layers (0-60 cm) of soil in each of the three forests, following which the correlations between soil aggregate organic carbon and soil total organic carbon were also determined. [Results] For all three forests, particles larger than 2 mm in diameter constituted more than 60% of mechanical-stable aggregates in soil, while particles less than 0.05 mm in diameter made up the majority of water-stable aggregates in soil. The broken rate of aggregate structure in the three forests ranked as:BF (53.38%-84.27%) > SP (52.22%-70.86%) > PB (22.0%-47.83%). The organic carbon mass fractions of both mechanical-and water-stable aggregates were the highest in the soil of PB. Along with the increase of soil depth, organic carbon mass fraction of soil aggregates all showed a decreasing trend in the three forests. Compared with the total organic carbon at all soil layers, macro water-stable aggregates (>0.25 mm in diameter) had higher organic carbon mass fraction, while micro water-stable aggregates ( < 0.25 mm in diameter) showed lower mass fraction, suggesting that organic carbon may play an active role in the formation and the water-stability of macro aggregates. Furthermore, soil aggregate organic carbon showed a positive correlation with soil total organic carbon. [Conculsions] PB had the best quantity and quality of soil aggregates among the three forests, which can be attributed to the high density and coverage of shrubs/herbs. Therefore, to accelerate the improvement of soil structure and the recovery of soil functions in degraded lands, we should increase the input of organic carbon by appropriately creating a higher density and coverage of shrubs/herbs at the early stage of forest restoration, which would promote the formation and the stability of soil aggregates. This may provide a scientific basis for the selection and optimal allocation of forest types in the restoration of degraded red soil in the south of China.

Key words: artificially restored forest mechanical-stable aggregate water-stable aggregate organic carbon red soil

我国南方红壤丘陵区由于山高坡陡、降水集中，生态环境较为脆弱，对人类活动的响应极为敏感。该区原生植被的破坏，造成水土流失严重，有机质大量流失，土地不断退化，使其成为不毛之地的“红色沙漠”；而土壤退化中，最重要的一个过程是土壤结构的退化，其显著特征表现为土壤团聚体比例的失调和稳定性的下降^[1]。土壤团聚体实质上是土壤有机质、铁铝氧化物和硅酸盐等有机无机体，通过静电引力、氢键和羟基等官能团作用复合而成，这些有机无机体质量分数及作用机制，均会对团聚体的稳定性产生影响^[2]。其中，作为土壤团聚体的主要胶结剂，有机质在土壤结构遭到破坏时，将因失去大团聚体的保护而暴露于空气中，从而增加了微生物与有机碳的接触机会，及对后者的分解矿化，导致有机碳质量分数降低、胶结物质减少，大团聚体稳定性随之下降，有机质在大团聚体的形成与稳定性方面，展现出极其重要的作用。

千烟洲作为我国红壤丘陵区较早开展退化生态系统恢复的典型，经过30年的治理和恢复，森林覆盖率有大幅度的提升，水土流失得到有效控制。随着植被的恢复，生物归还量增多，有机碳输入增加，有助于有机聚合体对矿质土粒的连接、植物根系与菌丝对土粒的缠绕，从而促进土壤团聚体的形成，提高团聚体有机碳的分配比例，进而改善土壤结构，增强土壤抗侵蚀能力^[3]。谢锦升等^[4]研究发现，裸地植被恢复后，表层土壤大团聚体有机碳质量分数占总有机碳的比例从15%提高到32%~42%。A.F.WICK等^[5]研究也证实，植被的恢复能够提高土壤有机碳质量分数。目前，国内外学者有关土壤团聚体的研究，多集中在不同恢复年限、土地利用方式和土壤施肥等方面^[6-8]，而对于红壤退化地森林恢复后，土壤团聚体的响应和演变探讨不多，尤其是团聚体稳定性对土壤结构影响的研究还不够深入；因此，本文以南方红壤退化地典型人工恢复林(马尾松与阔叶复层林、木荷×马尾松混交林和阔叶林)为研究对象，研究土壤团聚体及其有机碳的分布特征，分析土壤团聚体有机碳与总有机碳相关关系，试图从土壤有机碳-土壤结构-土壤稳定性-土壤回复力角度，理解土壤结构与功能的相互作用，为南方严重红壤退化地生态恢复中的林分类型选择和优化配置提供科学依据。

1 研究区概况

中国科学院江西省千烟洲红壤丘陵综合开发试验站(E 115°04′13″，N 26°44′48″)，属典型红壤丘陵地貌，海拔100m左右，相对高差20~50m。该区年均气温17.9℃，年均降水量1489mm，年均日照时间1406h，无霜期323d，属亚热带湿润季风气候。站内原生植被以中亚热带常绿阔叶林为主，由于长期开发和破坏，其原生植被遭到严重破坏，在1984年建站初期，已退化为灌草丛，且多处出现不同程度的水土流失。实验地现状植被以人工林为主，土壤类型为红砂岩发育的红壤。各实验地基本情况详见表 1。

表 1 实验地概况 Table 1 General information of the experimental sites

马尾松与阔叶复层林(PB)：主要乔木树种为马尾松(Pinus massoniana)、枫香(Liquidambar formosana)、白栎(Quercus fabri)、黄瑞木(Adinandra millettii)和三角槭(Acer buergerianum)。林下植被主要有乌饭树(Vaccinium bracteatum)、三叶赤楠(Syzygium grijsii)、秤星树(Llex asprella)、淡竹叶(Lophatherum gracile Brongn)、檵木(Loropetalun chinense)、菝葜(Smilacis chinae Rhizoma)、芒萁(Dicranopteris dichotoma)和狗脊蕨(Woodwardia japonica)等。

木荷+马尾松混交林(SP)：主要乔木树种为木荷(Schima superba)和马尾松。林下植被主要有青冈栎(Cyclobalanopsis glauca)、黄瑞木、檵木、白栎、六月雪(Serissa japonica)、含笑(Michelia figo)、麦冬(Ophiopogon japonicus)、淡竹叶、海金沙(Lygodium japonicum)、金银花(Lonicera japonica)、铁线蕨(Adiantum capillus-veneris)、乌蕨(Stenoloma chusanum Ching)、鳞毛蕨(Dryopteris)、狗脊蕨、羊角藤(Morinda umbellata Linn)等。

阔叶林(BF)：主要乔木树种为鹅掌楸(Liriodendron chinense)、厚朴(Magnolia officinalis)、樟树(Cinnamomum camphora)、枫香、青冈栎。林下植被主要有黄瑞木、石斑木(Rhaphiolepis indica)、香椿(Toona sinensis)、三叶赤楠、秤星树、深山含笑(Michelia maudiae)、桂花(Osmanthus fragrans)、檵木、朱砂根(Ardisia crenata)、麦冬、淡竹叶、芒萁、狗脊蕨、铁线蕨和鳞毛蕨等。

2 材料与方法 2.1 土壤样品采集

2014年4月，在PB、SP和BF 3种人工恢复林中，分别设立3块20m×20m固定标准地，共9块。每个标准地内按“S”型布设5个取样点，在每个取样点处挖土壤剖面，用不锈钢饭盒按0~10、10~20、20~40和40~60cm 4个层次分层取样，用来测定土壤团聚体相关指标。另用自封袋分层取样，用来测定土壤总有机碳。

2.2 测定方法

根据李辉信等^[9]方法(干筛法)，对土壤机械稳定性团聚体测定稍做修改：将饭盒采回的原状土，在室内用手沿着土壤自然结构脆弱带，轻轻掰成直径约为1cm的小块，放于室温条件下风干；按照四分法称取200g风干后的土壤样品，用震击式标准振筛机筛分5min(上下振幅5mm，频率147次/min)，分离出＞2、1~2、0.5~1、0.25~0.5、0.05~0.25和＜0.05mm的土壤团聚体。土壤水稳性团聚体，根据E.T.Elliott^[10]方法(湿筛法)稍做修改：将干筛得到的各粒径团聚体，按照各自比例组合成100g混合土样，放在顶端2mm的筛子上，置于水中浸泡5min，用团聚体筛分仪筛分30min(上下振幅3cm，频率30次/min)，分离出上述相同粒径的团聚体，置于60℃下烘干，称量(扣除沙子的总量)。土壤总有机碳和团聚体有机碳采用K₂Cr₂O₇氧化—外加热法测定。

2.3 数据计算与处理

$ \begin{array}{l} 团聚体结构破环{率^{[4]}} = \\ \frac{{ > 0.25{\rm{mm不稳定团聚体(干筛-湿筛)}}}}{{ > 0.25{\rm{mm}}团聚体(干筛)}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\times 100\% 。\end{array} $

试验数据为各重复实测值的平均值，采用Microsoft Excel 2003进行数据统计、分析及制图，采用SPSS 19.0进行方差和相关分析，显著性水平设定为0.05。

3 结果与分析 3.1 不同人工恢复林土壤团聚体分布

由表 2可知，不同林分机械稳定性团聚体质量分数，以＞2mm粒径所占比例最大，均＞60%，最高达80.29%。表明该粒径团聚体在整个团聚体中占主导地位，这与李玮等^[6]研究的不同植茶年限土壤，以＞2mm粒径团聚体为主的结果一致；同时，也说明森林植被恢复，通过增加有机碳输入，促进机械稳定性团聚体形成，大粒径团聚体效果更好。郭曼等^[11]也发现，随着植被演替，土壤团聚体由小粒径向大粒径转变。从不同土层来看，0~10cm土层＞0.25mm的团聚体(大团聚体)质量分数，在不同林分中表现为BF(95.31%)＞PB(93.66%)＞SP(89.77%)，而＜0.25mm的团聚体(微团聚体)质量分数，则表现为SP(10.23%)＞PB(6.35%)＞BF(4.69%)。表明SP土壤团聚体机械稳定性相对较差，在强降雨时，土壤易受到雨滴击溅破坏而分散、堵塞土壤孔隙，减小水分下渗速率，形成地表径流，造成水土流失。同样的规律亦出现在其他土层。

表 2 不同人工恢复林土壤团聚体的分布 Table 2 Distribution of soil aggregates in different artificially restored forests

%
人工恢复林 Artificially restored forest	团聚体粒径 Aggregate particle size/mm	0~10cm		10~20cm		20~40cm		40~60cm
人工恢复林 Artificially restored forest	团聚体粒径 Aggregate particle size/mm	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve
PB	＞2	74.19±1.25b	43.62±4.25a	77.65±1.25a	36.51±4.70a	73.79±3.74a	22.43±2.91a	72.63±3.75ac	10.82±6.17a
	1~2	4.07±0.34b	8.17±0.44c	3.55±0.07c	8.97±2.43b	4.29±0.98b	8.24±1.08a	4.50±0.70bc	6.85±2.08a
	0.5~1	8.09±0.97b	10.97±1.73b	6.28±0.59b	14.10±1.78a	7.53±1.18b	14.00±0.87b	8.34±1.30ac	13.14±2.06a
	0.25~0.5	7.31±0.91b	9.64±2.56c	6.90±0.85b	12.56±1.78b	7.94±2.04a	19.71±2.25a	9.44±1.63a	18.70±3.49a
	0.05~0.25	5.03±1.67b	6.45±3.17a	4.33±0.90b	3.88±0.46b	5.26±0.24b	5.58±0.24b	4.04±0.88ac	7.43±3.79a
	＜0.05	1.32±0.19ac	21.15±3.74b	1.29±0.18a	24.00±5.68c	1.20±0.08a	30.04±2.96b	1.04±0.13a	43.06±3.33a
SP	＞2	60.52±3.01c	14.12±2.71b	62.15±2.66b	6.25±0.72b	64.73±4.98b	5.10±0.79b	69.13±5.79bc	4.98±2.27ac
	1~2	7.44±0.57a	10.43±0.47b	7.50±0.73a	6.88±0.55b	7.88±0.78a	8.51±1.12a	6.82±0.50a	9.22±2.78a
	0.5~1	11.63±0.71a	13.46±0.31bc	11.98±1.12a	10.66±1.98b	11.38±2.11a	13.88±1.62b	10.32±2.10a	15.85±3.24a
	0.25~0.5	10.18±1.54a	18.02±1.44a	11.09±1.28a	16.71±1.72ac	8.19±1.36a	19.44±0.76a	8.57±2.18a	21.59±1.05a
	0.05~0.25	8.46±0.66a	6.93±0.09a	6.52±1.27a	8.02±0.81a	6.50±0.92a	8.78±0.57a	4.52±1.33a	8.54±1.83a
	＜0.05	1.77±0.16a	37.04±2.10a	0.77±0.06b	51.48±2.78a	1.31±0.33a	44.28±3.60a	0.64±0.08b	39.83±9.26a
BF	＞2	80.29±2.51a	24.86±0.13c	78.35±5.04a	10.36±0.86b	77.62±7.51a	5.33±0.49b	77.30±8.63a	4.15±1.38bc
	1~2	5.10±1.56b	14.95±4.87a	5.97±2.40b	14.24±2.12a	6.49±3.41a	10.03±2.11a	5.94±2.85ac	8.94±2.58a
	0.5~1	5.85±0.20c	14.35±3.39ac	7.19±1.54b	16.96±2.14a	7.38±2.63b	19.55±2.48a	7.74±3.28bc	15.71±2.16a
	0.25~0.5	4.07±0.52c	13.63±0.53b	4.80±0.97c	14.33±0.85bc	4.49±1.14b	18.31±0.42a	5.28±1.68b	20.00±3.08a
	0.05~0.25	3.72±1.07b	5.19±0.48a	3.16±0.55b	5.33±0.12b	3.30±0.55c	5.59±0.51b	3.22±1.00bc	6.79±0.68a
	＜0.05	0.97±0.28bc	27.01±8.08b	0.54±0.15b	38.79±4.15b	0.72±0.01b	41.20±4.01a	0.51±0.09b	44.41±2.36a
注：表中数据表示平均值±标准差，不同小写字母表示不同人工恢复林间差异达显著水平(P < 0.05)。下同。Note: The datas in the table are mean ± standard deviation, and different lowercase letters mean significant at 5% lever among different artificially restored forests. The same below.

表 2 不同人工恢复林土壤团聚体的分布 Table 2 Distribution of soil aggregates in different artificially restored forests

水稳性团聚体数量的多少可表征土壤的结构变化。在0~10、10~20和20~40cm土层，PB中＞2mm的水稳性团聚体质量分数显著高于其他2种林分，分别是SP和BF的3.09~5.84倍和1.75~4.21倍。与机械稳定性团聚体结果有所差异：SP和BF水稳性团聚体质量分数以＜0.05mm粒径所占比例最大，分别为37.04%~51.48%和27.01%~44.41%；PB中0~10和10~20cm土层，仍以＞2mm的团聚体所占比例较大，而在20~40和40~60cm土层，则以＜0.05mm的团聚体占优势。说明土壤团聚体在遭水湿润时，首先受影响的是大粒径团聚体，其对人为干扰或外界环境变化更敏感。小粒径团聚体因孔隙较小、容积密度较大、弯曲程度更大，使小粒径团聚体内聚力要大于大粒径团聚体，从而致使大粒径团聚体稳定性不如小粒径团聚体^[12]；另外，小粒径团聚体较稳定是由于某些聚合物及芳香腐殖质等持久介质的作用，也存在多糖等瞬时介质的作用，而大粒径团聚体则主要通过瞬时介质及菌丝等暂时介质胶结而成。＞0.25mm的水稳性团聚体的数量是衡量土壤抗侵蚀能力强弱的重要指标，不同林分土壤水稳性大团聚体质量分数在0~10、10~20和20~40cm土层，均表现为PB＞BF＞SP，可能是由于PB凋落物中，针叶所含的树脂等物质是疏水性的，容易阻碍水的浸润速度，使团聚体内部空气能够缓慢释放，从而增强团聚体抵抗被破坏的能力^[13]；而在40~60cm土层，3种林分水稳性大团聚体质量分数差异不显著，变化范围为48.80%~51.64%。

3.2 不同人工恢复林土壤团聚体稳定性

稳定的团聚体结构，对于改良土壤肥力、提高土壤抗侵蚀能力具有重要作用。团聚体结构破坏率是评价土壤团聚体稳定性的一项重要指标，破坏率越小，土壤的稳定性则越高。图 1表明，不同林分土壤团聚体结构破坏率，以PB最小(22.70%~47.83%)，SP的破坏率是其1.36~3.01倍，BF是其1.76~3.01倍，可能有机碳对团聚体稳定性的作用，不仅与有机碳的数量有关，还受有机碳质量的影响，不同数量和质量的碳源，对团聚体的稳定性同时起作用，而前期研究发现，BF中土壤有机碳是以活性有机碳为主，可正向激发土壤中已有有机碳活性^[14]，使其被氧化和矿化的潜力更大，导致土壤稳定性相对较差。笔者研究表明，不同恢复林分表层土壤团聚体结构破坏率为22.70%~53.38%，远大于刘晓利等^[15]在中科院红壤生态实验站林地表层研究的7.16%~18.2%。其主要原因为该试验地在恢复前，原生植被被完全破坏，水土流失严重，表土冲刷殆尽，有机质大量流失。经过30年的恢复，虽然森林覆盖率有了大幅度提高，水土流失得到有效控制，土壤结构得到一定程度的改善；但与侵蚀退化前的原生植被(中亚热带常绿阔叶林)下的土壤相比，其土壤结构和功能仍然存在巨大差距，要达到亚热带地带性森林的土壤功能，还需要一个漫长的过程，需要后续进一步管护。

图 1 不同人工恢复林团聚体结构破环率 Figure 1 Broken rate of soil aggregate structure in different artificially restored forests

PB和BF土壤团聚体结构破坏率随土层的加深逐渐增大，而SP则在10~20 cm土层，达到70.86%，随后逐渐减小。土壤团聚体水稳性下降，可能与有机碳质量分数下降有关：因为有机碳能够增强土壤团聚体间的黏结力及抗张强度，减缓水分湿润速率，提高团聚体稳定性；而有机碳质量分数的下降，会加速水稳性团聚体间胶结物的分解，使大团聚体分解为小团聚体，导致对有机碳的物理保护作用减弱，进而加剧有机碳的矿化，降低团聚体的稳定性。但在有机碳质量分数相对偏低的土壤，弱结晶氧化铁质量分数对团聚体的稳定性更重要^[16]。R.Spaccini等^[17]指出，土壤质地对土壤物理性质和结构也能产生明显影响，黏粒质量分数高的土壤，其大团聚体数量及稳定性更高。从团聚体结构破坏率考虑，PB土壤稳定性程度更好。

3.3 不同人工恢复林土壤团聚体有机碳分布

团聚体有机碳质量分数是土壤有机质平衡及矿化速率的微观表征^[6]。由表 3可知：在机械稳定性团聚体中，0~10cm土层，土壤团聚体有机碳质量分数PB以0.05~0.25mm、SP和BF以0.25~0.5mm粒径最高；PB土壤团聚体有机碳质量分数显著高于SP和BF，分别是SP和BF的1.17~1.36倍和1.25~1.56倍，而SP和BF差异不显著。10~20cm土层，土壤团聚体有机碳质量分数PB以0.05~0.25mm、SP以＜0.05mm、BF以0.25~0.5mm粒径最高；PB团聚体有机碳质量分数依然显著高于SP和BF，比SP高出30.84%~76.36%，比BF高出31.94%~58.08%。20~40cm土层，土壤团聚体有机碳质量分数PB和BF以＜0.05mm、SP以0.25~0.5mm粒径最高；不同林分土壤团聚体有机碳质量分数大小依次为PB＞SP＞BF。40~60cm土层，PB、SP和BF团聚体有机碳质量分数在不同粒径中，分别为6.29~7.38、5.87~7.85和6.11~7.65g/kg，各林分间团聚体有机碳质量分数差异不显著。各林分机械稳定性团聚体有机碳质量分数随土层的加深而降低，这与总有机碳在垂直剖面的变化趋势一致，且团聚体有机碳质量分数在各粒径均总体高于相应土层的总有机碳质量分数。

表 3 不同人工恢复林土壤团聚体有机碳的分布 Table 3 Distribution of soil aggregate organic carbon in different artificially restored forests

g/kg
人工恢复林 Artificially restored forest	团聚体粒径 Aggregate particle size/mm	0＞10cm		10~20cm		20~40cm		40~60cm
人工恢复林 Artificially restored forest	团聚体粒径 Aggregate particle size/mm	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve	干筛 Dry sieve	湿筛 Wet sieve
PB	＞2	18.70±1.66a	18.36±3.26a	14.26±1.08a	14.17±1.99a	10.23±0.52a	11.12±1.40a	6.99±1.17a	8.37±1.56a
	1~2	21.60±1.88a	19.54±2.70a	14.62±0.95a	14.29±3.05a	10.28±1.18a	11.20±2.21a	6.29±0.96a	8.31±1.06a
	0.5~1	22.03±1.52a	17.36±4.00a	15.27±1.75a	11.97±2.54a	10.26±0.34a	9.98±1.84a	7.04±1.43a	6.73±1.50a
	0.25~0.5	23.28±2.43a	16.79±4.91a	15.27±2.09a	11.02±2.90a	10.60±0.16a	8.76±1.60a	7.22±0.18a	6.20±1.72a
	0.05~0.25	24.22±2.04a	14.65±4.89a	16.13±1.10a	9.50±2.47a	10.70±1.01a	7.27±1.59a	7.38±0.92a	5.37±1.92a
	＜0.05	23.27±1.36a	16.08±2.92a	15.58±1.12a	11.08±1.72a	11.32±0.13a	7.52±1.41a	7.34±0.99a	5.72±2.05a
	总有机碳质量分数 Total organic carbon mass fraction	17.53±1.49a		11.11±0.95a		8.03±0.28a		5.82±0.45a
SP	＞2	14.49±2.00b	14.52±0.96b	9.77±1.83b	9.90±1.41b	8.02±1.47ac	7.16±0.68b	6.07±1.64a	7.20±1.66ac
	1~2	16.79±1.67b	14.47±1.50b	9.23±0.36b	9.26±1.64b	8.43±1.98ac	8.84±2.75ac	6.50±1.69a	7.01±1.83ac
	0.5~1	17.94±1.15b	14.59±1.76ac	10.33±1.77b	8.93±0.66b	7.69±0.87b	7.84±0.92ac	5.87±1.23a	5.91±1.58a
	0.25~0.5	19.87±1.74ac	14.30±2.48a	10.76±3.01b	7.68±1.62b	9.15±1.35ac	5.98±1.93b	6.15±1.39a	5.77±2.25a
	0.05~0.25	18.32±0.60b	10.44±3.34b	9.15±1.46b	6.03±2.13b	8.70±1.38ac	5.64±1.81ac	6.88±1.32a	4.29±1.41a
	＜0.05	17.06±1.63b	11.76±3.30b	11.91±1.30b	6.94±2.65b	8.26±0.90b	6.23±2.70a	7.85±1.40a	4.77±1.31ac
	总有机碳质量分数 Total organic carbon mass fraction	16.00±0.79ac		8.14±0.89b		6.54±0.89b		5.26±0.66a
BF	＞2	15.01±2.49b	13.39±2.03b	9.02±1.14b	8.71±0.62b	6.56±2.47bc	6.44±0.94b	6.69±2.21a	5.74±1.57bc
	1~2	15.26±1.81b	12.74±1.63b	9.69±0.64b	8.47±1.32b	7.15±1.43bc	7.58±1.67bc	6.11±1.63a	5.63±1.04bc
	0.5~1	15.94±2.10b	13.21±2.08bc	9.80±0.78b	8.35±1.28b	7.17±1.68b	6.27±0.71bc	6.52±1.75a	4.95±0.69a
	0.25~0.5	17.11±1.16bc	13.01±2.23a	11.57±1.94b	7.83±1.42b	8.06±1.74bc	5.80±0.22b	6.66±1.71a	4.28±0.68a
	0.05~0.25	15.51±1.99b	8.85±1.63b	10.34±1.90b	6.23±1.25b	7.42±2.61bc	4.35±0.87bc	6.26±2.05a	3.68±0.23a
	＜0.05	15.44±1.89b	10.94±2.59b	9.87±2.41b	7.01±1.07b	8.61±1.94b	5.18±0.88a	7.65±2.16a	3.53±0.50bc
	总有机碳质量分数 Total organic carbon mass fraction	14.00±2.51bc		7.02±0.61b		4.87±0.80c		3.49±0.98b

表 3 不同人工恢复林土壤团聚体有机碳的分布 Table 3 Distribution of soil aggregate organic carbon in different artificially restored forests

在水稳性团聚体中，0~10cm土层，土壤团聚体有机碳质量分数PB以1~2mm、SP以0.5~ 1mm、BF以＞2mm粒径最高；PB土壤团聚体有机碳质量分数显著高于SP和BF，分别是SP和BF的1.17~1.40倍和1.31~1.66倍。10~20cm土层，土壤团聚体有机碳质量分数PB和BF以1~2mm、SP以＞2mm粒径最高；PB土壤团聚体有机碳质量分数依然显著高于SP和BF，分别比SP和BF高出35.0%~59.66%和40.77%~68.78%，而SP和BF差异不显著。20~40和40~60cm土层，土壤水稳性团聚体有机碳质量分数分别以1~2和＞2mm粒径最高；不同林分土壤团聚体有机碳质量分数大小均依次为PB＞SP＞BF。各林分土壤团聚体有机碳质量分数在相邻粒径间较为接近，如＞2与1~2mm、0.5~1与0.25~0.5mm、0.05~0.25与＜0.05mm粒径间的差值，仅分别为0.06~0.19、0.14~0.67和0.16~0.48g/kg。

从土壤垂直剖面上看，水稳性团聚体有机碳质量分数随土层的加深而降低，与机械稳定性团聚体结果一致。这是因为凋落物经微生物分解后，形成的有机质首先进入表层土壤，为微生物生长繁殖提供了大量能源，从而促进土壤生物(包括根系、菌类和土壤动物等)的活性，有利于增强团聚体内部黏结力，而形成微粒有机质^[18]，而下层土壤受生物的影响小，其有机碳来源主要是表层腐殖质的淋溶下渗、植被根系及其分泌物等，故有机碳质量分数降低。与总有机碳相比，除PB＞2和1~2mm粒径外，3种林分水稳性团聚体有机碳质量分数在0~10cm土层，均低于总有机碳质量分数；在其他土层，各林分基本呈现出水稳性大团聚体有机碳质量分数高于总有机碳质量分数，而微团聚体的则低于后者，说明有机碳对于水稳性大团聚体的形成具有积极作用，而微团聚体因黏粒对有机碳的物理保护，或铁铝氧化物胶体对有机碳的化学保护，成为有机碳长期固存的场所^[19]。闫靖华等^[20]研究也表明，连续人工种植后，土壤增碳显著提高了水稳性大团聚体中有机碳的质量分数。原因在于微团聚体主要是通过有机质与黏粒或与阳离子相互胶结而成，而大团聚体又可通过微团聚体与自身或与周围粒子相互胶结而成；因此，大团聚体有机碳质量分数更高^[4]。

无论机械稳定性还是水稳性团聚体，其有机碳质量分数均以马尾松为优势树种的PB最高。与大多数研究显示的针叶林土壤有机碳质量分数一般要低于阔叶林和混交林的结果不同^[21]，主要是因为相对于SP，PB保留密度更高，其灌木层盖度是SP的4倍(表 1)，且林下植被地上生物量和地下生物量分别是SP的1.73和1.23倍。已有研究表明，林分密度或植被盖度的不同，会对凋落物量产生差异，从而对土壤有机碳具有显著影响^[22]。覃勇荣等^[23]研究也发现：土壤有机碳与植被盖度存在显著的正相关关系，相对于PB和BF，两者林下植被地上和地下生物量数值相近；但PB保留密度却是BF的2.11倍，且凋落物量是其1.46倍，大量凋落物进入土壤，为微生物提供充足碳源，而微生物的生长有利于提高土壤酶的活性，进一步促进有机碳的分解和转化，使土壤有机碳降解为活性小分子有机碳，直接被植物根系吸收利用，或转化成腐殖质，形成团聚体^[24]。从表 3还可看出，机械稳定性团聚体有机碳质量分数大部分高于水稳性团聚体，这可能与湿筛使水溶性有机碳流失有关。

3.4 土壤团聚体有机碳与总有机碳的关系

由表 4可知：0~10cm土层，土壤机械稳定性和水稳性团聚体有机碳质量分数在各粒径上，均与总有机碳质量分数呈显著正相关，尤其在机械稳定性团聚体的0.05~0.25和＜0.05mm粒径、水稳性团聚体的1~2mm粒径上，呈极显著正相关，Pearson相关系数分别为0.528、0.527和0.428；10~20cm土层，两者均与总有机碳质量分数呈极显著正相关，相关系数分别为0.478~0.714和0.529~0.704；20~40cm土层，亦呈显著或极显著正相关；40~60cm土层，仅机械稳定性团聚体的1~2和＜0.05mm粒径、水稳性团聚体的0.25~0.5mm粒径有机碳质量分数，与总有机碳质量分数呈显著正相关，而其他粒径上相关性不显著。结果表明，各土层机械稳定性和水稳性团聚体有机碳的增加，均对总有机碳的积累有不同程度的正面影响。邱陆旸等^[25]研究也证明了团聚体有机碳质量分数与总有机碳质量分数显著相关，表明团聚体的形成与有机质的胶结作用关系密切。

表 4 不同人工恢复林土壤团聚体有机碳质量分数与总有机碳质量分数的相关关系 Table 4 Correlation between the mass fractions of soil aggregate organic carbon and soil total organic carbon in different artificially restored forests

4 结论

红壤侵蚀退化地经过30年的森林恢复，虽然乔木层林木的生长逐渐趋于成熟，但土壤团聚体稳定性仍然较差，土壤团聚过程相对缓慢，要达到亚热带地带性森林的土壤结构和质量，还需要一个漫长的过程，需要加强后续的管理和维护。马尾松与阔叶复层林因保留密度大、灌木(草)层盖度高，表现出土壤团聚体有机碳质量分数更高、团聚体结构破坏率更小；因此，在红壤侵蚀退化地森林恢复初期，可通过适当密植和增加林下灌草覆盖等措施，增加有机碳的输入，以促进团聚体的形成和稳定，加速退化土地土壤的结构改善和功能恢复。

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