渭北果园土壤物理退化特征及其机理研究

魏彬萌， 王益权

(西北农林科技大学资源环境学院， 陕西杨凌 712100)

渭北果园土壤物理退化特征及其机理研究

魏彬萌， 王益权*

(西北农林科技大学资源环境学院， 陕西杨凌 712100)

苹果园土壤； 物理退化； 容重； 紧实度； 饱和导水率

良好的土壤环境是果树健康生长的基本条件。土壤质地轻、土层深厚、土体疏松、通透性强、酸碱度适宜、保水保肥力强、富含有机质是果树健康生长对土壤的最基本要求[1]，也是渭北地区被作为苹果优生基地的基本条件，由于该区气候条件独特，所生产的苹果品质优良，优质苹果生产已成为该地区乃至陕西省发展经济的支柱产业之一，为促进该区域的经济发展，解决“三农”问题，改善生态环境做出了巨大的贡献[2-3]。然而，随着植果年限的增加，一些果园出现了树势衰弱，树体衰老，抗性降低，腐烂病及早期落叶病频繁发生，盛果期缩短，果品产量与品质明显下降及耐储藏性降低等问题，已严重影响着该区果业的健康发展[4]。

对于渭北果树早期衰老与果品质量退化的原因已有一些报道，但均是从果园土壤养分的递减与不平衡、土壤有机质含量衰减及重金属累积等化学质量退化方面进行了研究[2,5]，而对渭北果园土壤物理质量的退化问题则少有报道。渭北地区土壤虽有满足苹果优生的优势条件，却也有自身的缺陷和不足[6]。如该区土壤为壤质土，有机质含量相对欠缺，土壤团聚作用差、“稳定性”不强，属于结构活跃型土壤，即易结块和易散碎[4,7]。因土壤团聚体的不稳定性和易散碎，植果期间土壤中分散的粘粒会向下移动，“淀积粘化”过程明显，在土壤剖面的亚表层发生着明显的紧实化过程，难以维持其应有的土体疏松状态[8]。另外也与人为管理不当有一定关系[5,9]。由于果园土壤极少翻耕扰动，导致粘粒累积和土体紧实化程度逐渐增大，不利于果树根区内水、气、热的交换和果树根系的延伸，从而影响果树的健康生长。然而，至今人们对渭北果园土壤物理退化问题仍未足够关注，对其退化机理的研究文献极其鲜见，很难找到可以借鉴的研究资料和信息。本文以不同园龄段果园土壤为研究对象，以土壤物理性状指标的变化为切入点，深入分析了果园土壤物理质量退化的部位、退化特征、退化机理及危害程度，以期为揭示果树衰老机理，为获取具有可持续性特征的果园土壤管理措施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验选在具有较长植果历史的苹果主产区之一的陕西省彬县新民镇黄土塬区。该地属渭北旱塬的塬梁沟壑区，海拔约1 108 m，年平均气温9.7 ℃，昼夜温差11.7 ℃，多年平均降水量579 mm，无霜期180 d，属典型大陆性暖温带半干旱气候特征。地带性土壤类型为黑垆土(系统分类名称为堆垫干润均腐土，Cumuli-Ustic Isohumosols)。具有海拔较高、光照资源充足、昼夜温差大、气候较为干燥、环境污染小、土层深厚、土体疏松等优越的自然条件。苹果种植历史在整个渭北旱塬果区具有很好的代表性。

1.2 采样及分析方法

1.3 测定项目与方法

土壤容重用环刀法；含水率用烘干法(105℃烘干12 h)测定[10]。

土壤坚实度用SC-900型土壤坚实度仪测定，在田间按2.5 cm的间距测定0—45 cm内果园土壤坚实度，每个果园布置3个以上点测定。

土壤比重用比重瓶法测定；土壤总孔隙度通过容重和比重计算而得[10]。

土壤饱和导水率用“恒定水头法”测定[11-12]，从饱和水传导开始第一滴起，每隔5 min记录一次马氏瓶水位下降高度，直至马氏瓶水位下降速率稳定为止，其测定结果换算成10℃下的饱和导水率。

土壤颗粒采用国际粒级分类制，用沉降分析的吸管法测定[10]。

1.4 数据分析

试验数据采用Excel 2007进行处理，用SPSS 19.0进行LSD0.05差异显著性检验和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 果园土壤物理性状退化的主要特征及退化趋势

与当地春播玉米的农田相比，表层(0—20 cm)范围的果园土壤容重与农田土壤基本相当，具有明显差异的是在20—60 cm土层处。果园土壤受耕作翻动次数少和深度浅的影响，容重均明显高于农田(图1)，显著体现出种植果树对土壤物理性状的作用范围主要在底土层，而影响的趋势表现为在0—60 cm范围内果园土壤容重均随园龄增加显著增大。目前，表层(0—20 cm)土壤容重虽有增大态势，但暂未达到威胁果树生长的程度，而底土层容重极为明显地规律性增大，已经威胁到果树根系的延伸。由此可见，渭北果园土壤容重在0—20 cm土层较小，土壤较为疏松，但在20—60 cm底土层明显增大，亚表层以下土层的紧实化成为渭北果园土壤物理退化的显著特征，但是在空间上具有很强的隐蔽性，至今仍未被人们所觉察。

图1 不同园龄段果园土壤容重的变化Fig.1 Soil bulk density in orchards with different planting ages

2.1.2 果园土壤紧实度的变化与评价 紧实度对土壤的水、肥、气、热及其物理、化学和生物学过程等都有调控作用[14]，进而影响植物对养分的吸收和植株根、叶等器官的生长发育[15]。土壤紧实已被广泛认为是对农业、林业和园艺生产越来越具有挑战性的问题[16-17]。许多研究表明，适当紧实的土壤可以增加根和土的密切接触程度，提高根系对养分的吸收利用率。但土壤过于紧实，一方面可使土壤容重增加，大孔隙减少，水分渗透率和持水能力明显降低等[18-19]。Singhk等[20]在沙壤土上研究表明，随容重增加，土壤水分渗透率由12.35 cm/h降为3.46 cm/h。另一方面，土壤机械阻力过大，根系生长受阻，不能在土体中均匀分布，不利于根系吸收土壤中的养分。尚庆文等[21]测定了不同容重土壤中生姜植株的主要生理特性，结果表明紧实土壤加速了生姜植株的衰老。

对于渭北果园土壤管理而言，尽管机械化使用程度并不高，却同样存在着土壤紧实度增大的问题，影响了果树根系的穿插能力，进而减小了根系觅水、觅肥的空间与能力。因此，探讨渭北果园土壤紧实度变化规律与影响因子，是评价果园土壤物理退化的重要内容。

图2 不同园龄段果园土壤含水率变化Fig.2 Soil moisture in orchards withdifferent planting ages

图3 不同园龄段果园土壤紧实度变化Fig.3 Soil compaction in orchards with different planting ages

2.1.3 果园土壤孔隙度的变化与评价 孔隙度是表征土壤团聚性、透水性、导热性和疏松程度的重要指标，其大小也说明土壤水分和空气容量的大小[23-24]。孔隙度是土壤容重和比重共同决定的，对于黑垆土而言，其土壤剖面属非均质的土层构造，根据本研究土壤剖面容重和比重的结果，得到渭北果园及农田土壤孔隙度的剖面状况(图4)。

图4 不同园龄段果园土壤总孔隙度变化Fig.4 Soil porosity in orchards with different planting ages

果园土壤孔隙度在0—20 cm 土层基本均大于农田土壤，而20 cm以下土层农田土壤孔隙度却均高于果园土壤。这与农田土壤表层频繁扰动与压实以及地面保护条件较差有直接关系，也佐证了该区土壤团聚体的活跃性和不稳定性。果园土壤由于人为耕作扰动次数少及树冠对降雨的缓冲作用，有效地保护了表层土壤结构，其土壤总孔隙度也较大。

2.1.4 果园土壤饱和导水率的变化与评价 饱和导水率是土壤最为重要的水分动力学参数，可表征土壤的透水性能[25-26]。在旱塬地区关系到自然降水进入土壤水库的性能和土壤的蓄墒能力。图5显示，果园表层(0—10 cm)和紧实层(20—30 cm)的土壤饱和导水率均表现出随种植园龄的增加而减小的趋势，且各果园土壤紧实层的饱和导水率小于表层，主要原因是紧实层的土壤容重大，而容重是影响土壤饱和导水率的主导因素[27]。各果园表层土壤的饱和导水率均小于农田，主要是因为农田表层受耕作扰动，土壤中大孔隙比较多，而果园土壤耕作扰动少、土壤大孔隙少；农田底土紧实层的饱和导水率也很小，与农田土壤机械作业以及人为踩踏严重使该土层出现紧实化有关。

图5 不同园龄段果园土壤饱和导水率变化 Fig.5 Soil saturated hydraulic conductivity in orchards with different planting ages

图6 不同园龄段果园土壤饱和导水率随时间的变化 Fig.6 The change of soil saturated hydraulic conductivity in orchards with different planting ages

2.2 果园土壤物理性状退化的原因分析

以上分析表明，底层土壤紧实化是渭北果园土壤物理质量退化的主要特征，探究其土壤紧实化的原因对于评价土壤质量演化趋势和防止土壤紧实化显得极为重要。一般土壤紧实化有诸如耕作、交通和灌溉等人为活动与自然因素等方面的作用。对于渭北果园而言，耕作扰动次数很少，几乎不涉及机械压实，更无灌溉的影响，可底层土壤紧实化问题仍较为严重，这只能是土壤粘粒向下迁移的自然结果。为此，本研究测定了3个园龄段果园土壤剖面的粘粒含量(图7)。

图7 不同园龄段果园土壤粘粒含量变化Fig.7 Soil clay content in orchards with different planting ages

从图7可以看出，供试土壤在剖面50—100 cm处是黑垆土层，其较高的粘粒含量缘于发生学过程，而0—50 cm是黄土的沉积与多年使用土粪形成的覆盖层，从发生学角度讲，该土层应具有基本一致的颗粒组成。但是3个园龄段果园土壤剖面粘粒含量存在明显的差异，尤其在0—30 cm处土壤粘粒含量随种植年限的增加而明显减少， 30 cm以下则随种植年限的增加而呈增加趋势，说明植果期间黑垆土覆盖层因团聚作用差，在降雨期间团聚体分散，“活性粘粒”向深层移动淀积，产生了明显的淀积粘化作用。并因果园土壤翻耕少，使得粘粒在底土层逐渐积累，并填充了底层土壤孔隙，造成底土层土壤紧实化和坚实化。进一步分析发现，土壤粘粒含量与容重、紧实度以及孔隙度之间呈极显著的相关关系(表1)，再次证明渭北果园土壤物理退化的主要原因在于粘粒的迁移与分化。培肥果园土壤，促进土壤颗粒的团聚化程度是防止土壤物理退化的根本措施。

2.3 果园土壤物理性状退化程度的评价

压实密度(packing density)是衡量土壤压实程度的量化指标，主要在德国和英国等欧洲国家被使用。压实密度采用公式：PD=BD+0.09C

式中，PD—压实密度(g/cm3)； BD—土壤容重(g/cm3)； C—土壤粘粒含量。

压实密度(PD)在1.40 g/cm3和1.75 g/cm3可视为压实程度低、中、高阈值[28]。渭北果园在20 cm土层以下土壤压实密度都已达到了中度压实的程度，而且在同一土层，果园土壤压实密度比农田土壤大(表2)。说明渭北土壤团聚体的弱结持性引起的自然压实是限制该区果业可持续发展的一个重要问题，应该引起人们足够重视。

表1 土壤物理参数间的相关性分析

注(Note): *—P<0.05； **—P<0.01.

在果园土壤管理方面，增加有机物投入，促进土壤稳定性团聚体的形成，适度地深翻土壤，干扰粘粒在深层的聚集等，将有助于保证疏松土体构造，提高土壤蓄水、透气和保肥能力等，为果树健康生长营造最佳的土壤物理条件。同时，疏松的土体也有助于果树根系的延伸和扩展活动范围，增加根系吸收功能，有利于维持果树的健康树势，延缓果树衰老等[29]。

表2 不同园龄段果园土壤压实密度(g/cm3)

3 结论

渭北果园土壤物理退化的主要原因是，该区土壤质地为壤质土，有机质含量相对欠缺， 土壤团聚作用差， 团聚体“稳定性”不强，加之果园土壤翻耕扰动少， 对物理退化干预少，在植果期间土壤粘粒逐渐向深层移动与累积，最终造成果园土壤亚表层及其以下土层的紧实化，影响果园的健康、可持续发展。

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Physical degradation characteristics and mechanism of orchard soil in Weibei Region

WEI Bin-meng, WANG Yi-quan*

(CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objectives】 Apple production contributes to the economy in Shaanxi province greatly. But soil quality of the orchard land has degradated greatly after years of fruit production. That may has led to many issues such as trees weakening, fast aging and reduced resilience. Specifically the apple tree valsa canker and leaf defoliation diseases occur more frequently, and fruit yield and quality decreases greatly. The objective of this study was to investigate the characteristics, mechanism and degree of soil physical degradation in different aged orchards, to provide scientific basis for orchard soil management and eventually to improve the yield and quality of apple production. 【Methods】 Four replicates of <10-, 10-20-and >20-year old orchards were selected for the study. Soil samples within two-thirds of the radius of the tree canopy projection to the trunk were taken. Soil samples were used to measure physical properties such as soil bulk density, compaction, porosity, saturated hydraulic conductivity, and clay content. Comparison was conducted between the orchard and adjacent similar farmland soils. 【Results】 Soil bulk density and compaction increased with orchard age and soil depth. Especially at 20 cm soil layer, soil bulk density reached 1.45-1.61 g/cm3, compaction reached 933-2433 KPa. Porosity of the soil profile in 0-20 cm soil layer remained 50%, and the soil structure was in good condition. However, soil porosity reached 40%-46% in the 20-60 cm soil layer, which was in a state of compaction and severe compaction. Soil saturated hydraulic conductivity decreased even in the surface layer as the orchard aged. In the 10-20 and >20-year-old orchards, soil saturated hydraulic conductivity in the subsurface declined to 46.88 and 20.89 cm/d, reducing the infiltration of the rainfall and the capacity of soil water storage. Soil clay content increased with the depth of soil profile. Clay content at the 0-30 cm depth decreased with increasing orchard age but increased below the 30 cm layer. Further analysis found that the clay content was significantly correlated with soil bulk density, compactness, and porosity. Using packing density as index to evaluate the degree of compaction in orchard soil, the result showed that the soil packing density of orchards was above 1.40 g/cm3underneath 20 cm depth in Weibei region. The orchard soils in this area have reached the moderate degree of compaction. 【Conclusions】 The main characteristics of soil physical degradation of orchards in Weibei Region were reduced soil porosity, increased soil bulk density and compaction, and decreased soil saturated hydraulic conductivity. The main processes and mechanism of orchard soil degradation are clay translocation and accumulation of clay at deep soil. Reduced plow and aeration on soils is the main external cause to anabatic dominanted soil degradation. This is reflected with less soil aggregates.

orchard soil; physical degradation; soil bulk density; soil compaction; soil saturated hydraulic conductivity

2014-04-09 接受日期： 2014-11-16 网络出版日期: 2015-01-27

陕西省农业厅项目“陕西苹果土壤与施肥标准化管理技术研究”资助。

魏彬萌(1989—)， 女， 陕西咸阳人， 硕士研究生， 主要从事土壤质量方面的研究。E-mail: 442516031@qq.com * 通信作者 E-mail: soilphysics@163.com

S152.5； S606+.1

A

1008-505X(2015)03-0694-08