植被的人工恢复对典型黑土有机质组分影响的时效性1)

潘鹤 周桐 韩少杰 张扬 鲍鸿君 陈祥伟 夏祥友

(东北林业大学，哈尔滨，150040)(赤峰市红山区城郊林场)(东北林业大学)

土壤有机质作为土壤碳库的重要组成部分，其累积与释放过程会对陆地生态系统碳循环产生重大影响[1-2]。由于土壤有机质组成中含碳有机化合物形态的不同，导致其不同组分的化学性质、存在方式、生物有效性、稳定性及周转时间不尽相同，对外部环境干扰的反应程度也存在差异[3-4]，研究有机质组分的变化有助于对土壤有机质变化机制的深入认知和系统阐释。鉴于有机质物理分组的方法几乎不对有机质的结构造成破坏，分离出的有机质各组分均能很好地反映其结构与功能而被广泛采用[5]。通常把有机质分成游离态有机质、物理保护态有机质、矿质结合态有机质(包括化学保护态有机质、生物化学保护态有机质)等组分，并以各组分有机质中的碳含量来表征[6]。相对土壤有机质而言，有机质各物理组分的变化，能够更加敏感地反映出土地利用方式或管理措施对土壤有机质的影响[7]。

作为世界上仅存的三大黑土带之一——中国东北黑土区，粮食商品率高达60%以上[8]，不仅满足了国家粮食生产的需要，更成为保障国家粮食安全的“压舱石”。受自然和人为因素的影响，黑土结构与质量均出现了不同程度的退化，突出表现为黑土层变薄、有机质含量锐减[9]。为有效遏制黑土退化的态势，围绕退化黑土的生态修复与保护开展了大量的研究[10]。虽然在植被恢复的树种选择、结构配置以及对土壤结构和功能的影响方面取得了进展[11-12]，但关于植被恢复对土壤有机质的改良效应，尤其是植被恢复过程中对土壤质量的动态影响尚不明确。为此，本研究以位于典型黑土区黑龙江省克山农场境内不同恢复阶段的落叶松(Larixgmelinii)人工林土壤为研究对象，以代表植被恢复前阶段的耕地、代表开垦前阶段的天然次生林土壤为对照；采用有机质物理分组法，测定表层(0～20 cm)土壤总有机质、游离态有机质、物理保护态有机质、矿质结合态有机质中碳质量分数，分析总有机质与游离态、物理保护态、矿质结合态等有机质组分在不同植被恢复阶段的积累状况的差异，探索植被恢复对土壤有机质及其组分影响的时效性；旨在为退化黑土的生态修复、植被阻控效应的评价提供参考。

1 研究方法

1.1 样地设置与土壤样品采集

研究区域选择在地处典型黑土区的黑龙江省克山农场(48°12′～48°23′N，125°8′～125°37′E)，温带大陆性季风气候特征明显，年均气温0.9 ℃，年均降水量501.7 mm，海拔240～340 m，平均坡度3°，土壤以黏化湿润均腐土为主。在研究区内，选择立地条件相近的试验地：代表植被恢复不同阶段的21、35、46、55年生的落叶松(Larixgmelinii)人工林地、代表植被恢复前阶段的耕地、代表开垦前阶段的天然次生林地；分别设置1块20 m×20 m的样地(见表1)。在样地内按照“S”型布置5个采样点，采集0～20 cm土层土壤样品，并等量混合。经室内风干，去除植物根系、石块等杂物后，过2 mm筛备用。各样地基本特征见表1。

表1 植被恢复不同阶段样地基本特征

1.2 土壤有机质组分的分离

采用改进的土壤有机质物理分组方法[13]，将有机质分为游离态有机质、物理保护态有机质、矿质结合态有机质3个组分。分离步骤如下：

①取20 g过2 mm筛的土壤样品，置于孔径250 μm土壤筛上，加入50粒直径为4 mm的玻璃珠，以手动的方式，在水中平行、缓慢震荡，未能过筛部分包含了粗颗粒有机质和不能被继续分散的粗砂粒。

②将通过250 μm筛的部分洗入孔径53 μm的土壤筛，以垂直振幅3 cm、25次/min的频率湿筛2 min。未能过筛部分包含了微团聚体、细颗粒有机质、细砂粒，通过部分则包括易分散的粉粒状、黏粒状颗粒物。

③将未通过53 μm筛的部分，用重液(相对密度为1.85 g/cm3的溴化锌溶液)洗入离心管，上下颠倒10次，保证溶液充分混合，用重液冲洗离心管盖子和壁上的残留物，静置20 min后在1 250 g的相对离心力下离心60 min；将离心管中悬浮物转移至0.45 μm滤膜过滤，并用去离子水洗掉滤膜上剩余的重液，滤膜上保留的物质即为细颗粒有机质。

④将离心管内剩余物质以加入去离子水并离心的方式清洗2次后，再加入质量浓度为5 g/L的六偏磷酸钠溶液25 mL，震荡18 h后过53 μm土壤筛，并不断冲洗至水流澄清；通过53 μm筛的部分为微团聚体内的粉粒、黏粒，未能过筛部分包含了微团聚体内颗粒有机质、细砂粒。

将分离得到的各部分转移至锡纸盒后，置于烘箱内60 ℃烘干；将粗颗粒有机质、粗砂粒、细颗粒有机质合并后称质量，用于游离态有机质碳质量分数的测定；将微团聚体内颗粒有机质、细砂粒称质量后，用于物理保护态有机质碳质量分数的测定；将易分散的和微团聚体内的粉粒状、黏粒状颗粒物合并后称质量，用于矿质结合态有机质碳质量分数的测定。

1.3 指标测定与数据处理

土壤密度，采用环刀法测定；pH，采用水浸提(土壤质量与所加入蒸馏水体积的比例为1.0 g∶2.5 mL)并使用pH计(梅特勒-托利多S210-K，瑞士)测定；土壤全氮、有机质、组分中碳的质量分数，均采用元素分析仪(科斯泰克元素燃烧系统4024，意大利)测定[14]。

用Excel 2016和Origin 2021软件进行数据处理，用SPSS 23软件对数据进行统计分析，用单因素方差分析和最小显著差异法进行数据差异性检验，用皮尔逊(Pearson)相关分析法进行指标相关性分析。

2 结果与分析

由表2可见：植被恢复不同阶段，典型黑土表层土壤总有机质碳质量分数表现出明显差异。耕地土壤总有机质碳质量分数为31.97 g·kg-1。21、35年生落叶松人工林土壤总有机质碳质量分数，均显著低于耕地的(P<0.05)，分别为耕地的60.59%、81.86%。46年生落叶松人工林土壤总有机质碳质量分数，显著高于耕地的(P<0.05)，为耕地的115.33%。55年生落叶松人工林土壤总有机质碳质量分数，比46年生落叶松人工林土壤总有机质碳质量分数进一步增加，为耕地的127.21%；但仍显著低于天然次生林土壤的(P<0.05)，仅为天然次生林土壤的81.72%。

游离态有机质主要来源于新近未降解或部分降解植物的凋落物残体[15]。由表2可见：耕地土壤游离态有机质碳质量分数为1.25 g·kg-1。21年生落叶松人工林土壤游离态有机质碳质量分数与耕地相比无显著差异；35、46、55年生落叶松人工林土壤游离态有机质碳质量分数，均显著高于耕地的(P<0.05)，分别为耕地的186.40%、132.80%、188.00%。35、46、55年生落叶松人工林土壤游离态有机质碳质量分数，与天然次生林土壤间均无显著差异。

土壤物理保护态有机质为闭蓄在微团聚体内部的有机质组分[16]。由表2可见：耕地物理保护态有机质碳质量分数为2.49 g·kg-1。21年生落叶松人工林土壤物理保护态有机质碳质量分数与耕地无明显差异。35、46、55年生落叶松人工林土壤物理保护态有机质碳质量分数依次升高，均显著高于耕地的(P<0.05)，分别为耕地的274.70%、450.20%、714.86%。天然次生林土壤物理保护态有机质碳质量分数，显著高于耕地和21、35、46年生落叶松人工林土壤的(P<0.05)，但与55年生落叶松人工林土壤的无明显差异。

矿质结合态有机质是指与土壤中粉粒、黏粒结合的有机物质[17]。由表2可见：耕地土壤矿质结合态有机质碳质量分数为26.96 g·kg-1，显著高于各年限落叶松人工林地土壤的；但显著低于天然次生林地土壤的(P<0.05)。21、35、46年生落叶松人工林土壤矿质结合态有机质碳质量分数，差异显著并依次升高(P<0.05)，分别为耕地的57.34%、68.10%、83.42%。55年生落叶松人工林土壤矿质结合态有机质碳质量分数，与46年生落叶松人工林地土壤的无明显差异。

表2 各样地土壤有机质组分碳质量分数测定结果

3 讨论

本研究结果表明，植被恢复对典型黑土表层土壤总有机质及各有机质组分质量分数均有明显影响，且影响程度与植被恢复年限密切相关。植被恢复21 a时，土壤总有机质质量分数明显降低；随着植被恢复年限的延长，土壤总有机质质量分数又逐渐增加，并于植被恢复46 a时显著高于植被恢复前。其他研究也报道过植被恢复后土壤总有机质质量分数先降低后逐渐增加的现象[18-21]。其原因是，耕地转化为人工林后，输入土壤的植物残体的结构和数量有所改变，而分解此类有机物质的微生物活性较低，植物残体较慢的分解速率导致对土壤有机质的补充不足[22]。另外，人工林在快速生长期吸收的大量养分，又依赖于土壤有机质的分解来提供[23]，土壤有机质的分解速率大于输入速率，因此造成了总有机质质量分数的下降。随着林龄的增加，土壤微生物的活性和多样性逐渐提高[24]，植物残体等在土壤微生物的作用下分解加快，土壤有机质的输入速率逐渐大于分解速率，使得土壤总有机质质量分数开始升高。

与土壤总有机质不同，游离态有机质质量分数于植被恢复35 a时已显著高于植被恢复前，并已达开垦前水平，表明植被恢复对游离态有机质质量分数的提升影响较大。与物理保护态、矿质结合态有机质相比，游离态有机质属于高活性有机质组分[15]，对土地利用方式及管理措施的改变非常敏感[14]。本研究中，土壤游离态有机质的快速恢复表明，其适合作为评价黑土土壤有机质变化的敏感性指标。

物理保护态有机质闭蓄在微团聚体内，使有机质与微生物隔离，阻止了有机质的进一步分解[16，25]。微团聚体的闭蓄、包裹是土壤有机质的一种重要稳定机制[6]，物理保护态有机质的积累则与团聚体周转率密切相关[15]。本研究中，物理保护态有机质同样于植被恢复35a时显著高于植被恢复前的，并于植被恢复55 a时达到开垦前水平，表明植被恢复可以明显提升物理保护态有机质质量分数。这是因为植被恢复后耕作等人为干扰减少，导致团聚体周转率降低，进而促进了微团聚体内有机质的积累[26]。物理保护态有机质、游离态有机质碳质量分数呈极显著正相关(表3)，表明植被恢复对物理保护态有机质的影响与植被恢复对游离态有机质的影响，趋势一致。

表3 土壤总有机质及其组分碳质量分数间相关系数(n=18)

与植被恢复前相比，土壤矿质结合态有机质在植被恢复后明显下降，这是导致植被恢复21、35 a时土壤总有机质质量分数低于植被恢复前的主要原因。土壤矿质结合态有机质与总有机质碳质量分数间呈极显著正相关(表3)，也表明了矿质结合态有机质与总有机质之间的紧密联系。随着植被恢复年限的延长，土壤矿质结合态有机质质量分数逐渐增加，但植被恢复55 a时，仍不如植被恢复前的，这说明土壤矿质结合态有机质需要更长的时间才能恢复。有研究认为，土壤矿质结合态有机质的积累与凋落物的质量(即凋落物中易被微生物分解成分的比例)密切相关，高质量的凋落物更有利于促进矿质结合态有机质的提升[27]。落叶松林凋落物质量通常较低[20，28]，限制了土壤矿质结合态有机质的恢复速度。

4 结论

植被恢复对典型黑土表层土壤有机质产生了显著影响，但对总有机质和有机质各物理组分的影响存在明显的时效性差异。虽然植被恢复46 a以后，土壤总有机质比植被恢复前有显著增加，但仍未能恢复至开垦前的水平。随着植被恢复年限的延长，土壤游离态有机质、物理保护态有机质均比植被恢复前有显著增加。植被恢复35 a时，土壤游离态有机质即可恢复至开垦前的水平；而土壤物理保护态有机质恢复至开垦前水平，则需要植被恢复55 a以上。在典型黑土区，植被的人工恢复对表层土壤有机质及其组分的影响，主要体现在游离态有机质、物理保护态有机质质量分数的变化。鉴于土壤游离态有机质恢复的时限较短，建议将其作为评价黑土土壤有机质变化的敏感性指标。