亚热带地区不同种植年限果园土壤团聚体结构及有机碳、氮分布特征

2019-07-19郑祥洲郭宝玲张玉树

农业环境科学学报 2019年7期

林诚，郑祥洲，郭宝玲，丁洪，解钰，张玉树*

（1.福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州 350013；2.海南省农业科学院农业环境与土壤研究所，海口 571100）

土壤团聚体结构是土壤肥力的主要指标之一，不仅决定土壤肥力，还与土壤的抗蚀能力、固碳潜力和环境质量等有直接关系[1]。良好的团聚体结构具有较好的持水性、孔隙度和通气性，可以满足植物对水、肥、气、热等因素的需求[2]。土壤团聚体是有机碳储存的场所，而有机碳又是水稳性团聚体形成必需的胶结物质[3]，因此土壤有机碳对增强土粒的团聚性、促进团粒结构的形成有重要作用[4]。反之，团聚体的形成又是有机碳固持与稳定的重要过程。有机碳通过被吸附到黏土矿物表面而包被在团聚体内得到物理保护，稳定的团聚体可以对其可矿化有机质进行有效保护从而免受微生物的分解[5]。但不同粒级团聚体有机碳含量存在明显差异。有研究表明，团聚体有机碳含量随粒级的增加而降低[6-7]，但也有研究认为大粒级团聚体有机碳含量更高，＜0.25 mm粒级团聚体有机碳含量相对较低[8-9]。

由于果树种植的经济效益较高，近几十年来很多林地被开垦为果园，我国果树种植面积由1980年的178万hm2增加到2016年的1298万hm2[10]。果园是一种特殊的经济林地，管理过程中踩踏多（农药化肥施用、采摘等）、翻耕少[11]，土壤团聚体结构的变化规律可能与常规农业用地不同。此外，高温多雨的气候条件，亚热带土壤的高度风化，脱硅富铝化程度高，富含铁、铝氧化物等[12]，这些特点对于团聚体的形成及稳定性均有一定的影响[13]。本文以亚热带地区不同种植年限柑橘园土壤作为研究对象，分析土壤团聚体结构变化规律及有机碳、氮分布变化特征，旨在为果园土壤肥力形成和变化规律等相关研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域选择在福建省泉州市永春县，地跨南亚热带雨林带和中亚热带常绿阔叶林带，原始地带性植被为栲属、石柯属和青冈属植物。土壤以红壤为主，发育于花岗岩母质。年均气温17～21℃，年均降水量1660～2100 mm，具有典型的亚热带土壤、气候特征。此外，永春县是我国著名的“芦柑之乡”，柑橘种植面积超过8667 hm2。

研究区域果园习惯施肥量为：开垦为果园后的前7 a每年施用的化肥氮、磷和钾肥大约为300～500 kg N·hm-2、100～300 kg P2O5·hm-2和 150～350 kg K2O·hm-2，有机肥 2000～8000 kg·hm-2。种植 10 a后化肥氮、磷和钾肥大约为500～600 kg N·hm-2，200～400 kg P2O5·hm-2和300～500 kg K2O·hm-2，有机肥 8000～10 000 kg·hm-2。其中化肥一般由尿素、碳酸铵、过磷酸钙、氯化钾和复合肥等组成，有机肥一般为农家肥。

1.2 土样采集与分析

选择未开垦林地（0 a）和种植2、10、20、30 a的柑橘园土壤作为研究对象，每个种植年限选择3个果园作为重复（每个果园间隔30 m以上）。所有果园的坡向、坡度和管理措施基本一致。于2012年11月（水果采收后）取样。每个果园随机选择6株果树作为研究对象，在每棵果树滴水线内以树干为圆心、在2个不同半径（大约0.5 m和0.8 m）圆周上各随机取得3点，每个果园共36个子样点混合成一个样品。取样时先剥离土壤表面的枯枝落叶和杂草，采用内径为5 cm土钻采集0～20 cm土层样品。土壤水稳性团聚体的分离参照Elliott[14]的方法，采用德码zy200型土壤团粒分析仪分析。具体分析方法为：将采集的土壤样品风干后过5 mm筛，称取100 g风干土，置于2 mm土筛上，蒸馏水浸泡10 min，然后将土样依次通过0.25 mm和0.053 mm的土筛，分离出＞2、2～0.25、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm共4级团聚体，收集各级筛子上的团聚体并分别转移至铝盒，于60℃下烘干，称量。＜0.053 mm的团聚体通过将溶液沉降、离心获得。把＞0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性大团聚体，＜0.25 mm粒级的团聚体称为水稳性微团聚体。土壤有机碳用重铬酸钾外加热法、全氮用凯氏定氮法测定[15]。不同种植年限果园土壤基本性质见表1。

1.3 数据统计方法

采用SPSS 18.0进行单因素方差分析，当差异达到5%显著水平时用Duncan进行检验。

表1 不同种植年限果园土壤基本性质[16]Table 1 Soil properties of studied orchard and woodland[16]

2 结果与分析

2.1不同种植年限果园土壤团聚体分布特征

图1显示，除未开垦林地土壤外，不同种植年限果园土壤团聚体粒级含量表现为随粒级减小而降低。土壤团聚体粒级主要集中在＞2 mm和0.25～2 mm两个粒级，分别占整个团粒含量的40.1%～64.9%和30.6%～46.4%。与林地相比，开垦为果园后显著增加土壤＞2 mm粒级团聚体含量，显著降低0.053～0.25 mm粒级团聚体含量，但是对0.25～2 mm以及＜0.053 mm粒级团聚体没有显著影响。不同种植年限果园土壤各粒级团聚体含量无显著差异。

图1 不同种植年限果园土壤团聚体分布特征Figure 1 Distribution of different aggregates in soils with different planting age

2.2 不同种植年限果园土壤有机碳分布特征

由图2可知，土壤有机碳在各粒级团聚体的分布特征总体表现为随种植年限延长呈上升趋势。与未开垦林地土壤相比，除种植2 a外，其余不同种植年限果园土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm粒级团聚体中有机碳含量分别增加3.69～8.71、4.55～21.86、4.82～15.31、4.67～15.80 g·kg-1，其中种植20 a和30 a与未开垦林地土壤有机碳含量的差异达到显著水平。各粒级下土壤有机碳含量与种植年限呈显著或极显著正相关（表2）。

图2 不同种植年限果园土壤有机碳含量Figure 2 Organic carbon contents in soils with different planting age

2.3 不同种植年限果园土壤全氮分布特征

从图3可以看出，土壤全氮在各粒级团聚体中的分布特征与有机碳一致，各粒级下土壤全氮含量与种植年限呈极显著正相关（表2）。与未开垦林地土壤相比，除种植2 a外，其余不同种植年限果园土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒级下全氮含量分别增加 0.27～0.87、0.39～2.17、0.49～1.59、0.50～1.84 g·kg-1，其中种植20 a和30 a果园土壤与未开垦林地差异达到极显著水平，但种植20 a与30 a间无显著差异。

图3 不同种植年限果园土壤全氮含量Figure 3 Total nitrogen contents in soils with different planting age

表2 果园种植年限与团聚体碳氮含量的关系Table 2 Relationship of plant age with organic content and total nitrogen content in aggregates

2.4 不同种植年限果园土壤各团聚体C/N变化特征

从图4可知，在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4个粒级下土壤C/N平均值分别为12.2、12.0、10.9和10.6，随团聚体粒级减小呈下降趋势。在同一粒级中，土壤C/N值与种植年限均呈负相关关系（表2），其中＞2、0.25～2、＜0.053 mm呈显著或极显著负相关。

图4 不同种植年限果园土壤C/NFigure 4 The value of C/N in soils with different planting age

2.5 土壤有机碳和全氮含量与土壤团聚体碳氮含量间的关系

将土壤有机碳、全氮含量与各团聚体有机碳、全氮含量进行相关分析发现（图5和图6），不同种植年限耕层土壤有机碳、全氮含量与各团聚体粒级下有机碳、全氮含量均呈显著或极显著正相关。通过拟合的线性方程可以得出，耕层土壤每累积1 g·kg-1有机碳或全氮，＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4个粒级下有机碳含量可增加 0.38、1.02、0.72、0.83 g·kg-1，全氮含量可增加0.62、1.62、1.20、1.48 g·kg-1，表明＜2 mm团聚体粒级有利于土壤碳、氮存储。聚体（＞0.25 mm团聚体）含量越高，则团聚体越稳定，结构就越好，但＜0.25 mm的微团聚体含量过多则会影响土壤通气透水性和微生物活性[17-18]。有研究表

图5 土壤有机碳与团聚体有机碳间关系Figure 5 Relationship between organic carbon in soil and organic carbon content in aggregates

3 讨论

团聚体是土壤结构的基本单位，其组成和稳定性直接影响土壤肥力和作物生长[11]，若土壤中水稳性团明，自然土壤（或荒地）开垦为农田后，随着利用年限的增加，＞0.25 mm水稳定性团聚体总量呈增加趋势[19-20]。孙蕾等[21]在对渭北果区不同种植年限果园土壤的研究中指出，随种植年限的延长，＞0.25 mm水稳性土壤团聚体含量有明显增加趋势，而＜0.25 mm团聚体含量减少，果树种植促进了表层土壤水稳性团聚体的形成。本研究中，果园耕作显著提高了＞0.25 mm团聚体含量，降低了＜0.25 mm团聚体含量，与上述研究结果一致。林地开垦为果园后，由于有机肥和化肥的施用，仅开垦2 a的土壤有机质含量就可增加86.6%（表1）。现有研究表明，水稳性大团聚体的形成主要依靠有机质的胶结作用，增加土壤有机质含量有利于水稳性大团聚体的形成[5]，这可能是林地开垦为果园后大团聚体含量显著提高的重要原因（图1）。然而，该研究区域管理过程中，除每年开沟施肥翻耕果园外，年周期内干扰强度较大的还有修剪、除草和采摘等所产生的踩踏行为，这些可能导致土壤紧实度加大，容易破坏已形成的土壤团聚体[22]，造成随着种植年限的增加，土壤各粒级团聚体含量无显著变化。

图6 土壤全氮与团聚体全氮间关系Figure 6 Relationship between total nitrogen in soil and total nitrogen content in aggregates

微团聚体通常是由大团聚体分解或黏粒与有机物胶结后形成的产物，其对有机碳的吸附能力随土壤团聚体粒级的减小而增强；微团聚体的固持作用促进有机无机胶体紧密结合，导致储存在其中的有机碳不容易被微生物分解利用，从而使有机碳在微团聚体中积累[23]。有研究表明土壤团聚体有机碳、氮含量随着粒级减小呈升高趋势[24]。杜少平等[25]在不同年限旱砂田中的研究有相同结果，本研究结果也发现类似规律。土壤有机碳和全氮的变化趋势通常具有一致性[1，8]，本研究结果也表明全氮在团聚体中的含量与分布规律与有机碳类似，可能是因为土壤团聚体粒级越小，对NH+4的吸附能力越强，从而提高小粒级团聚体全氮含量[26]。现有的长期试验表明[5，9]，不管是施用有机肥还是化肥，均能提高土壤团聚体碳氮含量，但以施用有机肥的效果更加显著。从相关分析结果来看，不同团聚体粒级下土壤有机碳和全氮含量与种植年限呈显著正相关。Six等[27]研究认为，若在土壤中添加新鲜有机物料会促进新一轮大团聚体-微团聚体循环进行。果园常年施用化肥和有机肥，特别是有机肥施入土壤后，增加的有机碳和全氮会先进入微团聚体中，并逐渐向大团聚体转移并被储存起来。土壤团聚体对有机碳和全氮有着一定的物理保护作用；通过耕作提高土壤大团聚体含量，增强了对土壤中原有的和新输入的有机碳和全氮的保护作用，促进了土壤中不同粒级下有机碳和全氮的积累[28]。相关分析结果揭示，亚热带地区果园土壤中有机碳和全氮的含量变化主要取决于＜2 mm团聚体有机碳和全氮的变化，这可能是由于孔隙较大的＞2 mm粒级的团聚体可促进物质和氧气的传输，提高土壤中微生物活性从而加快有机碳、氮的矿化分解，而小团聚体孔隙度小、通气性较差、内部微生物活性较弱，且较小的孔隙也不利于 CO2释放[29]。

一般来说，土壤C/N与有机质分解速度呈反比[23]，即：土壤C/N低，其意味着土壤中有机质矿化或者分解速度较快，可供微生物利用的碳源较少，微生物活性降低，从而影响养分的有效性[30]。从本研究结果来看，各粒级土壤C/N随着种植年限的增加呈下降趋势，这与长期大量施用氮肥促进土壤有机质分解有关[31]。梁珊珊[32]通过研究我国柑橘主产区氮磷钾施肥现状发现，福建柑橘主产区化学氮肥投入量过量面积达到85.9%，氮肥有57.9%的减施潜力。而柑橘属多年生木本果树，其生命周期较长，树体寿命可达数十年。因此，长期耕作的果园在施肥时要保持有机肥输入，并适当减施氮肥。