甘蔗种植对土壤团聚体及有机碳分布特征的影响

黄太庆，谭裕模，江泽普，邢 颖，廖 青，梁潘霞

(广西农业科学院农业资源与环境研究所，广西 南宁 530007)

【研究意义】甘蔗是重要的糖料作物，广西每年的甘蔗种植面积约为100万hm2，种植面积和蔗糖产量均占全国一半以上[1]。广西蔗地土壤质量变化直接影响广西甘蔗产业的发展。土壤团聚体是土壤结构的基本单元，其粒级的大小及组成在一定程度上反映了土壤的保水、保肥及通透性等功能，同时也是判断土壤侵蚀、压实、板结等物理过程与作用的关键因素，因此成为了土壤质量评价的重要指标之一[2]。进行蔗地土壤团聚体对比研究，对评价和保护蔗地土壤质量具有重要的理论及应用意义。【前人研究进展】干筛法和湿筛法是分离土壤团聚体的两种常用方法。李娟等[3]用干筛和湿筛结合的方法研究了黄土高原丘陵沟壑区土地利用方式下土壤团聚体特征，李辉信等[4]用干筛法研究了不同施肥处理红壤水稻土团聚体有机碳分布状况，李欣雨等[5]用湿筛法研究了稻田植茶后土壤团聚体的变化特征。研究中通常把<0.25 mm的团聚体视为微团聚体，>0.25 mm为大团聚体，大团聚体是土壤中最好的结构体，其数量与土壤的肥力状况密切相关，能较好的反应土壤结构的优劣[6]。此外，土壤团聚体平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)及分形维数(D)等参数也是评价土壤结构优劣及土壤团聚体质量变化的重要方法。周虎等[7]运用MWD、GMD和分形维数D值研究了华北平原保护性耕作对土壤团聚体数量、大小和稳定性的影响，并认为免耕能促进表层土壤团聚体的形成，并提高其稳定性；旋耕和翻耕降低了耕作层内土壤团聚体的团聚度和稳定性。研究认为，耕作[8-9]、施肥、土地利用方式或利用方式改变[10-11]均对土壤团聚体组成及有机碳分布有重要影响。【本研究切入点】目前已有大量有关甘蔗生理生化、养分循环及蔗地土壤生态等的研究，但对广西蔗地土壤团聚体的研究还较少。广西金光农场地处典型甘蔗种植区，并存在多年未种植甘蔗的林地，是研究甘蔗种植对土壤质量变化影响的理想地点。【拟解决的关键问题】用干筛法和湿筛法测定蔗地与林地土壤团聚体组成状况，分析>0.25 mm团聚体数量(R0.25)、平均质量直径(MWD)、平均几何直径(GMD)及分形维数(D)，以及土壤理化性质等指标，探讨甘蔗种植对土壤养分、土壤有机碳和土壤团聚体分布状况及稳定性的影响，为蔗地土壤质量评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

广西农垦国有金光农场位于广西南宁市西郊，与南宁相距60 km，多为坡耕地，处于亚热带季风气候区，阳光充足，年均气温为21 ℃左右，年降雨量为1300 mm左右。从20世纪80年代起，甘蔗逐渐成为农场的主要经济作物，目前甘蔗种植面积约3300 hm2，年产原料蔗32万t。本研究的采样点在淋油分场，农场耕地以红泥土为主，土壤母质为第四纪红土，农场在土地管理上坚持技术研发与创新，增施有机肥、种地养地相结合、坚持蔗叶碎叶还田、进行测土配方施肥等管理措施。

1.2 试验方法

本研究选择有代表性的连续种植甘蔗15年以上的地块采集蔗地土壤，并采集附近对应的15年以上未进行耕作的矮灌木林地土壤样品为对照，两地块在成土母质、地形条件、气候环境条件等方面基本一致。分别测定养分状况及土壤团聚体组成。

甘蔗收获后，在蔗地和林地上分别选择6个样点采集土壤样品，在每个取样点上，先去除地表覆盖物，然后均匀采集0～20 cm土层土壤1 kg左右，装入布袋中，带回室内处理。土壤未风干之前，先将土壤沿其结构自然剖面掰成直径约为10 mm 的小团块，并剔除有机残体和石块，放在室内阴凉通风处自然晾干，待测。

1.3 测定项目及方法

土壤团聚体分布状况和稳定性采用干筛法[12]和湿筛法[13]相结合的方法分析测定。

干筛法：取100 g风干土样置于套筛(孔径依次为5、2、1、0.5 和0.25 mm)顶部，以30 次/min 手工上下震荡5 min，测定各孔径筛子上土样重量。

湿筛法：将50 g风干土样置于1 L 量筒中，沿量筒边缘缓慢加去离子水至饱和，然后将饱和土样转移至放置于水桶中的套筛(孔径依次为5、2、1、0.5 和0.25 mm)顶部，利用自制的震荡仪以30 次/min上下震荡5 min，将各级孔径筛子上土样置于铝盒，烘干，称重。

1.4 统计分析

利用各粒级团聚体百分含量计算大于0.25 mm团聚体含量R0.25，平均重量直径(mean weight diameter,MWD)、平均几何直径(geometric mean diameter,GMD)和重量分形维数(fractal dimension,D)[7]，计算方法如下：

(1)

式中，Mr>0.25为粒径大于0.25 mm团聚体重量，MT为团聚体总重量。

(2)

(3)

(4)

表1 蔗地与林地土壤的基本性状

两边取对数，可得：

(5)

团聚体破坏率 (PAD) 参考江春玉等[15]的方法。

PAD(%)=(大于0.25 mm机械稳定性团聚体含量-大于0.25 mm水稳性团聚体含量)/大于0.25 mm机械稳定性团聚体含量×100

(6)

采用Excel 2007制作图表，使用SPSS 22.0软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 蔗地与林地土壤的理化性质

如表1所示，连续多年种植甘蔗后土壤的容重、全磷、全钾含量及pH值略高于其附近林地土壤；而土壤全氮和有机质含量则略低于林地土壤。多重比较分析结果表明，常年种植甘蔗土壤与未种植甘蔗的林地土壤，在土壤全氮、全磷、全钾、土壤容重及pH值等理化指标上并没有显著差异。说明，对比耕作扰动较少的林地土，长期种植甘蔗对土壤质量的影响也较小。

2.2 蔗地与林地土壤团聚体数量分布特征

不同粒级团聚体对土壤养分的保持与供应、孔隙组成、水力性质、生物运动等都具有不同的作用[16-17]。本研究结果表明，蔗地与对应林地土壤的机械稳定性团聚体均以>5 mm粒级的含量最高，<0.25 mm 粒级的含量最低。蔗地土壤>5 mm机械稳定性团聚体占比高于对应林地土壤，两者之间的差异达显著水平；其它粒级的机械稳定团聚体均以林地土壤的高于蔗地土壤，但差异均不显著(表2)。蔗地与林地土壤大于0.25 mm粒径团聚体(R0.25)占比分别为93.62 %和89.67 %，但两者之间的差异也不显著。

湿筛法获得的水稳性团聚体数量分布状反映了土壤结构的稳定性、持水性、通透性和抗侵蚀的能力。水稳性团聚体对保持土壤结构稳定性有重要的贡献，比机械稳定性团聚体更为重要。无论是蔗地还是林地土壤，水稳性团聚体数量均以<0.25 mm 粒级的最高，>5 mm粒级的最低。蔗地土壤>5 mm粒级水稳性团聚体数量显著低于林地土壤，其它各粒级之间差异不显著。由于团聚体浸水后比较容易破碎，所以水稳性大团聚体R0.25占比显著低于机械稳定性团聚体，而水稳性微团聚体的含量相比于机械稳定性团聚体有明显提高。蔗地与对应林地土壤的大团聚体R0.25含量分别为68.13 %和74.34 %，两者之间的差异不显著(表2)。

2.3 甘蔗种植对土壤有机碳变化的影响

如表3所示，蔗地和林地土壤相同粒级之间的土壤有机碳含量差异不显著。蔗地与林地土壤团聚体均以>5 mm 粒级的有机碳含量最高，其次为5～2 mm粒级，以<0.25 mm粒级的有机碳含量最低。蔗地与林地土壤的有机碳在各粒级中累积的比例，以在<0.25 mm粒级中累积的占比最高，其次依次为1～0.5 mm、2～1 mm、0.5～0.25 mm(图1)，2种土壤中的以上4个粒级土壤有机碳累积占比之间差异不显著；只有>5 mm粒级的林地土壤有机碳累积占显著高于蔗地土壤。此外，在6个有机碳团聚体粒级中，>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒级的有机碳累积占比以林地土壤的高于蔗地土壤；1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒级有机碳累积占比以蔗地土壤的高于林地土壤。

表2 蔗地与林地土壤团聚体组成特征

注：相同方法同列指标后不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

Note: In the same method, different letters in the same column mean significantly different at 5 % level of probability.

表3 蔗地与林地土壤有机碳含量特征

注：不同小写字母表示同粒级不同土样之间的差异达显著水平，不同大写字母表示同土样不同粒级之间差异达显著水平(P<0.05)(LSD)。

Note: The different lowercase letters mean significant difference between different soil sample. The different capital letters mean significant difference between different fractions of aggregates in particle size(P<0.05)(LSD).

相同粒级团聚体下不同土样间不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。下同On the same aggregates size, different letter on the different soil means significantly different (P<0.05). The same as below图1 蔗地与林地土壤有机碳在各团聚体粒级中累积占比Fig.1 The accumulation ratio of soil organic carbon in each aggregate size of sugarcane field and woodland

2.4 蔗地与林地土壤聚体大小及稳定特征

土壤团聚体平均质量直径(MWD)和平均几何直径(GMD)是表述土壤团聚体综合大小的常用指标，其能反映土壤团聚体的变化情况[18]。表4结果表明，在干筛法中，蔗地土壤的MWD和GMD值均大于林地土壤，说明在干旱条件下，蔗地土壤的团聚体稳定性更强；在湿筛法中，林地土壤的MWD和GMD值均大于蔗地土壤，说明蔗地土壤的团聚体的水稳性要强于林地土壤，但显著性分析表明，无论干

筛法还是湿筛法，2种土壤的MWD和GMD值的差异均不显著。造成干筛法和湿筛法之间MWD和GMD结果差异的主要原因，可能与蔗地土壤的团聚体破坏率显著高于林地土壤的破坏率有关。

2.5 蔗地与林地土壤分形维数特征

分形维数是用来描述团聚体分布状态的重要指标。周虎等[7]对比研究了免耕、翻耕和旋耕之后认为，分型维数D值的结果比MWD及GMD值更可信的反映土壤团聚体的特征。研究表明，干筛法蔗地土壤的D值为2.28，略低于林地土壤，之间的差异不显著；在湿筛法中，蔗地土壤的D值为2.64，略高于林地土壤，之间的差异也不显著。一般认为，土壤团粒结构越好、结构越稳定则分形维数越小。可见，本研究分形维数D值描述的土壤团聚体变化趋势与MWD及GMD值表达指征相一致。

3 讨 论

有研究表明，金光农场大部分蔗地土壤的养分属中等及以上水平[19]。本研究种植甘蔗对蔗地与林地土壤团聚分析表明，除了>5 mm粒级，其它粒级团聚体含量在两种土壤间差异并不显著。该结果与之前的一些研究相似[20]。说明本研究中甘蔗地与林地均属于旱地，种植甘蔗后虽进行耕作，但一般会留3～5年或更长年限的宿根蔗，相对其它旱地作物，种植甘蔗对土壤的扰动相对较少。金光农场长期坚持蔗叶还田及科学施肥管理，有效的保护了土壤质量。湿筛法蔗地与林地各粒级土壤的有机碳含量差异不显著，但大粒级之间的有机碳含量比小粒级之间的差异更大，原因可能是种植甘蔗的土壤，由于有机肥的投入，及每年大量的蔗叶还田，有助于土壤有机质的形成，但新形成的有机质多结合在大土壤团聚体中，并且因甘蔗种植对土壤的扰动，大团聚体中的有机质转化较林地土壤大团聚体的快。本研究中，蔗地与林地土壤累积的有机碳均主要集中在1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒级之中，分别占总累积有机碳的65 %和74 %，且这3个粒级中的有机碳累积量占比均为蔗地土壤高于林地土壤，这进一步说明了种植甘蔗后，土壤有机质一方面向更小粒级团聚体固定，另一方面是在大团聚体中快速转化。

表4 蔗地与林地土壤团聚体破坏率(PAD)、平均质量直径(MWD)和几何平均直径(GMD)

Table 4 The percentage of aggregate destruction(PAD), mean weight diameter(MWD), geometric mean diameter (GMD) in sugarcane field and woodland soil aggregates

土样Soil sample团聚体破坏率(%)Percentage of aggregate destruction干筛法 Dry sieving湿筛法 Wet sievingMWDGMDMWDGMD林地 Woodland17.1 b2.1 a1.4 a1.2 a0.8 a蔗地 Sugarcane field27.2 a2.7 a1.8 a0.9 a0.6 a

注：同列后不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column mean significantly different at 5 % level of probability.

图2 蔗地与林地土壤团聚体分形维数值Fig.2 Fractal dimension of soil aggregates in sugarcane field and woodland

本研究结果表明，在干筛法中蔗地土壤的MWD和GMD均高于林地土壤，而分形维数D则是蔗地土壤的低于林地土壤；湿筛法分离团聚体所得的结果与干筛法正好相反，即林地土壤的MWD和GMD高于蔗地土壤，D值则是蔗地的高于林地土壤。MWD和GMD值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，稳定性越强[21]，而D值越小，则表明土壤结构越好，稳定性越强，抗侵蚀能力越强[22]。土壤的MWD和GMD高，则分形维数D则低，反之，分形维数则高，很多研究也表现出这样的结果[23-24]，但也有研究显示，这3个指标对土壤评价的结果不一致，且认为D值的结果比MWD及GMD值能更好的反映土壤团聚体特征[7]。在本研究中，MWD及GMD值反映的团聚体状况与D值反映的状况一致，在干旱情况下，蔗地土壤团聚体更稳定，抗机械破坏能力更强；在湿润或水饱和状态下，林地土壤团聚体更稳定，坑侵蚀能力更强。干筛法和湿筛法的结果不一致，可能与团聚体的形成过程及稳定机制相关，土壤团聚体的胶结物质主要有无机氧化物胶体(如无定形的硅胶、氧化铁、氧化铝等)和有机物质(有机残体及菌丝等)，耕作管理及施肥等措施影响土壤理化性质，进而影响土壤团聚体稳定性。由于种植甘蔗时施肥、蔗叶还田、耕作等因素，使蔗地物质循环较林地的快，且物质组成及分布发生了变化，可能导致大粒级的团聚体胶结物质有差异，蔗地土壤大团聚体的胶结物质亲水性或膨胀性更强，遇水后破裂为小团聚体。但种植甘蔗后土壤团聚体胶结物质的变化如何，有待进一步研究。

4 结 论

广西金光农场长期种植甘蔗的土壤与对应未进行耕作的林地土壤理化性质差异不大。蔗地与林地在>5 mm粒级团聚体含量上差异显著，且甘蔗种植有利于增加大粒径团聚体的有机质含量。在干筛法中蔗地土壤的MWD和GMD均高于林地土壤，D值为蔗地土壤的低于林地土壤；在湿筛法中蔗地土壤的MWD和GMD低于林地土壤，D值为蔗地高于林地土壤。说明在干旱情况下，蔗地土壤团聚体更稳定，抗机械破坏能力更强；在湿润或水饱和状态下，林地土壤团聚体更稳定，坑侵蚀能力更强。