生草栽培对刺梨园土壤团聚体分布及有机碳含量的影响

何季 向仰州 张雪娇 郭广正 廖朝选

摘 要：为探究生草栽培对刺梨园土壤团聚体稳定性及有机碳含量的影响，以贵州省龙里县谷脚镇刺梨园为研究对象，设置人工草（AG）、自然草（NG）和清耕（CK）三种处理，测定三种模式下土壤各粒級水稳性团聚体含量和团聚体内有机碳含量。结果表明：（1）AG和NG模式下水稳性团聚体主要集中在>2mm粒径中，CK模式下水稳性团聚体主要集中在<0.25mm粒径中;生草栽培显著提高土壤水稳性大团聚数量和平均重量直径，增加了土壤结构的稳定性;（2）0～20cm层，NG和AG处理下，6个粒级团聚体的有机碳比CK分别高236.99%、188.52%、29576%、267.51%、290.14%、242.10%，和122.44%、84.46%、157.05%、91.19%、127.83%、110.46%;（3）生草栽培模式下团聚体有机碳贡献率主要集中在>0.25mm粒径大团聚体中，比例为86%～95%;CK处理下，其贡献率则主要来自于<0.25mm的微团聚体。综上所述，生草栽培能显著提高刺梨园土壤团聚体稳定性及有机碳含量，自然生长杂草对土壤有机碳的增加效果优于人工种植黑麦草，研究结果可为刺梨园的科学管理和施肥提供科学依据。

关键词：生草栽培;团聚体稳定性;有机碳;刺梨

中图分类号：S158文献标识码：A

文章编号：1008-0457（2020）04-0074-08 国际DOI编码：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2020.04.011

Abstract：In order to explore the effect of grass cultivation on the stability of soil aggregate and organic carbon content of the Rosa roxbunghii. orchard in Gujiao Town， Longli County， Guizhou Province. Three treatments，artificial grass （AG）， natural grass （NG） and clear tillage （CK） were set to measure the content of water-stable aggregates and organic carbon in the aggregates. The results showed that： （1） Water-stable aggregates in AG and NG treatments were mainly concentrated in the grain size of >2 mm， while that in CK was mainly concentrated in the grain size of < 0.25 mm. The number of large water stable aggregates and the average weight diameter of soil were improved because of grass cultivation significantly， as well as the stability of soil structure. （2） In 0～20 cm soil layer， the organic carbon contents of six particle aggregates in AG and NG treatments were 236.99%， 188.52%， 295.76%， 267.51%， 290.14%， 242.10% and 122.44%， 84.46%， 157.05%， 91.19%， 127.83%， 110.46% higher than that in CK， respectively. （3） The organic carbon contribution rate of the aggregates in the cultivation of grass was mainly concentrated in the larger aggregates with the size of>0.25 mm， accounting for 86%～95%. Under CK treatment， The organic carbon contribution rate of aggregates mainly came from the micro-aggregates of < 0.25 mm. In conclusion， the grass-cultivation could significantly improve the stability and organic carbon content of soil aggregates in Rroxbunghii orchard， and the effect of natural weeds on soil organic carbon was better than that of artificially grown ryegrass. The results can provide scientific basis for the scientific management and fertilization of R.roxbunghii  orchard.

Keywords：grass cultivation; aggregate stability;organic carbon; Rosa roxbunghii

刺梨（Rosa roxbunghii Tratt.）为蔷薇科多年生落叶灌木缫丝花的果实，有着“维C之王”的美誉，是云贵高原特有的野生资源。随着刺梨营养价值、药用价值的不断开发，其应用领域越来越广，种植前景广阔[1]。刺梨园长期进行清耕这种常规种植管理方式会造成土壤结构破坏，土壤质量下降，不利于果树生长、果实品质提高和土地资源的可持续利用[2]。生草栽培是目前许多发达国家采取的一种果园土壤管理措施，在果园全园或行间种植生草或农作物，在一定的规范性管理制度下，让果树和草类协调共生[3]。将生草栽培模式应用于刺梨园对改善果园土壤理化性质、调节果园生态环境、进行果树病虫害综合防治以及生产优质水果等方面有重要作用[4-6]。

团聚体是土壤的重要组成部分，既影响土壤的持水性和通透性，又影响土壤的水分和养分供应[7-8]。不同粒径团聚体在土壤中发挥的作用不同[9]。良好的土壤结构不仅要有较好的孔隙性质，還要有很好的稳定性，用来抵抗外力或外部环境的变化[10]。平均重量直径（MWD）是各级团聚体的综合指标，能够反映土壤中大团聚体的含量，并指示团聚体的稳定性。有机碳（SOC）是土壤生态系统中土壤肥力的物质基础和重要指标[11]。土壤有机碳作为土壤团聚体的主要胶结物质，与团聚体含量及其稳定性有着密切关系[12-14]。研究表明，土壤有机质含量的增加会促进土壤团聚体稳定性的增加，而土壤稳定性的增加又能增加土壤有机碳的含量，增强有机碳的保护和碳汇作用，二者相互依存[15-17]。大量研究表明，生草栽培对果园土壤的益处主要集中在理化性质的改良[6]、果园小气候的改善[4，18]、果树根系生长的促进[5]以及水土保持[19]等方面。生草栽培使土壤有机碳含量显著增加、微生物活性增强，但不同的草种类型对土壤团聚体和有机碳的影响不同[20]。例如，陈苏等[21]研究表明，豆科类牧草白三叶对总有机碳增加的能力高于禾本科类的黑麦草，而豆科类牧草对土壤养分的积累也具有显著正效应。因此，研究不同类型生草栽培对土壤性质影响的差异对刺梨园的科学管理、指导施肥以及促进刺梨产业的积极发展具有重要意义。

刺梨是近年来贵州大力发展的一种新型特色产业。目前关于刺梨的研究主要集中在刺梨园土壤性质[22-23]、刺梨营养成分的加工利用或工艺的改进[1，24]、刺梨育种繁殖及栽培技术[25]、刺梨产量和品质提高[26]及资源开发与产业发展[27]等方面，而关于生草栽培模式下刺梨园土壤团聚体分布和有机碳含量的研究还鲜见报道。因此，本文以贵州省龙里县谷脚镇刺梨园为对象，研究生草栽培对刺梨园土壤团聚体稳定性和有机碳含量的影响，为刺梨园土壤改良、科学管理以及实现果园刺梨果实优质高产及其可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在贵州省黔南布依族苗族自治州龙里县谷脚镇（为E106°45'18"～107°15'01"，N26°10'19"～26°49'33"），该地属于亚热带季风湿润气候，海拔1280～1500m，最高为1760m。年均降雨量为1088mm，多集中在夏季。年均日照时数为1060～1265h，无霜期280d。年均气温13.9℃，最高33.2℃，最低-2℃，冬无严寒，夏无酷暑。土壤类型主要为黄壤，土层厚度为50～80cm。

1.2 试验设计及样品采集

刺梨园种植刺梨品种为贵农五号，株行距为2m×3m，于2011年12月南北行向定植。

试验采用随机区组设计，在刺梨园共设置3个处理，处理1：人工草（AG，刺梨间作黑麦草，于2012年3月在刺梨园种植黑麦草，每亩的播种量为1.5kg）;处理2：自然草（NG，园内自然生长醡浆草、三叶草、狗尾草、牛筋草等杂草）。处理3：清耕（CK，刺梨单作，每年5月、7月、10月清除园内杂草）。每个处理设置3次重复，共9个试验小区，每个试验小区面积为20m×30m。采用常规方法管理刺梨园，刺梨修枝、施肥、病虫害防治等管理方式均一致[28]。

在2018年7月份对土壤样品进行采集。在各小区分别采用“S”形布点方法选取5个采样点，分别取0cm～20cm、20cm～40cm两个土层的原状土样，将每个取样点各个土层分层混匀，运用四分法取约1kg土，装在硬质塑料盒中内带回实验室，将原状土样沿其自然结构轻轻掰碎成小土块，去除动植物残体和碎石块等，在阴凉处自然风干。

1.3 指标测定及计算方法

土壤水稳性团聚体的测定：将采集的原状土样在阴凉干燥处自然风干，沿自然结构轻轻掰成直径约1cm的小土块，除去植物残体、小石块等，称取200.00g土样放入套有5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm筛子的套筛最上层，将套筛放在团粒分析仪的震荡架上，以3cm振幅、30次/min的频率震荡30min。再用自来水转移每一层剩余的土粒至铝盒，置于60℃烘箱中烘干称重，磨细过2mm和0.25mm筛，用自封袋装好标记，备用。

土壤有机碳含量的测定：重铬酸钾容量法—外加热法。

团聚体特征参数计算：

团聚体重量百分数：ωi=mim×100%;

团聚体平均重量直径：MWD=∑ni=1xi·ωi;

式中：ωi为各粒级团聚体重量百分数;MWD为团聚体平均重量直径（mm）;xi为每一粒级团聚体的平均直径（mm）。

各粒级团聚体对有机碳的贡献率：各粒径团聚体对于土壤有机碳含量的贡献率=该级团聚体中有机碳含量×该级团聚体重量百分数（%）/土壤中有机碳含量。

1.4 数据处理及分析

采用SPSS 17.0对数据进行统计分析。采用单因素方差分析（One-Way ANOVA）和最小显著极差法（LSD）对栽培黑麦草、自然草、清耕三种地表管理方式下刺梨园土壤各粒级团聚体质量分数ωi、平均重量直径MWD、有机碳含量和各粒级团聚体对有机碳的贡献率进行显著性检验和多重比较。显著性水平设置为a=0.05;数据用均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 生草栽培模式下刺梨园土壤水稳性团聚体分布特征

从表1可以看出，生草栽培对刺梨园土壤水稳性团聚体分布有显著影响（P<0.05）。AG和NG模式下不同土层水稳性团聚体粒径主要集中在>5mm和5～2mm，分别占团聚体总量的43.99%～48.13%（AG）和40.48%～48.15%（NG），CK模式下不同土层水稳性团聚体粒径主要集中在<025mm，占团聚体总量的30%以上。AG处理下，0～20cm层不同粒级的团聚体含量之间没有显著差异（P>0.05）;20～40cm土层>5mm团聚体含量显著高于其他粒级（P<0.05）;NG处理下，0～20cm土层>5mm团聚体含量显著高于其他粒级（P<0.05）;20～40cm土层>5mm团聚体含量显著高于5～2mm、2～1mm、0.5～0.25mm和<025mm（P<0.05）;CK处理下，0～20cm土层<0.25mm粒级团聚体重量百分数为35.73%，20～40cm土层<0.25mm粒级团聚体重量百分数为34.95%，二者均显著高于相同处理下其他粒级团聚体重量百分数（P<0.05）。

0～20cm层，AG的5～2mm团聚体含量显著高于CK（P<0.05），比CK高118.89%;CK<025mm团聚体含量显著高于AG和NG（P<005），比AG和NG分别高368.28%和341.66%;20～40cm，AG>5mm团聚体含量显著高于CK（P<005），比CK高189.41%;CK<0.25mm团聚体含量显著高于AG和NG（P<0.05），比人工草和自然草分别高380.08%和136.79%。

2.2 生草栽培模式下刺梨园土壤水稳性团聚体的平均重量直径

从表2可以看出，生草栽培对刺梨园土壤水稳性团聚体的MWD有显著影响（P<0.05），AG和NG模式下水稳性团聚体MWD未达到显著差异（P>005）。三个处理下，>5mm和5～2mm粒级的MWD均显著高于其他粒级（P<0.05）。

～20cm层，AG和NG的>5mm、5～2mm、2～1mm团聚体的平均重量直径显著高于CK（P<005），比CK分别高59.46%、120.51%、92.31%和9189%、76.92%、53.84%;CK的<0.25mm团聚体的平均重量直径显著高于AG和NG（P<005），分别是AG和NG的4.5倍;20～40cm，AG的>5mm团聚体含量显著高于CK（P<0.05），比CK高191.66%;CK的<0.25mm团聚体的平均重量直径显著高于AG和NG（P<0.05），分别是AG和NG的4.5倍和2.25倍。

2.3 生草栽培模式下刺梨园土壤团聚体有机碳分布特征

由图1可知，生草栽培对刺梨园土壤团聚体有机碳含量有显著影响（P<0.05）。0～20cm层，NG处理下，各粒级团聚体的有机碳含量均显著高于AG和CK，比AG和CK分别高51.50%、5641%、53.96%、89.11%、71.24%、62.55%和236.99%、188.52%、295.76%、267.51%、29014%、242.10%，AG显著高于CK，比CK高122.44%、84.46%、157.05%、91.19%、127.83%、110.46%;20～40cm层，NG的>5mm和1-05mm团聚体有机碳含量显著高于AG和CK（P<005），NG的2～1mm团聚体有机碳含量显著高于CK（P<0.05），5～2mm、0～5～0.25mm、<025mm三个粒级团聚体的有机碳含量在不同的處理之间没有显著差异（P>0.05）。

AG和NG的20～40cm土层各粒级有机碳含量均明显低于0～20cm土层（P<0.05）。NG处理下0～20cm和20～40cm土层有机碳含量平均值以51.13g/kg和21.12g/kg居最高，其中，0～20cm土层1～0.5mm粒级的团聚体有机碳含量显著高于<0.25mm粒级（P<0.05），其他各粒级之间没有显著差异（P>0.05）;20～40cm土层>5mm团聚体有机碳含量显著高于其他粒级（P<0.05）。AG处理下0～20cm和20～40cm土层有机碳含量均值为31.25g/kg和17.98g/kg，0～20mm土层各粒级的团聚体有机碳含量之间没有显著差异（P>0.05）;20～40cm土层>5mm团聚体有机碳含量显著高于0.5～025mm和<0.25mm（P<005）。CK处理下0～20 cm和20～40cm土层有机碳含量均值为14.64g/kg和14.85g/kg，各粒级的团聚体有机碳含量之间没有显著差异（P>005）。

2.4 生草栽培模式下刺梨园土壤各粒级团聚体对有机碳的贡献率

由表3可以看出，生草栽培模式下团聚体有机碳贡献率主要集中在>0.25mm粒径团聚体中，比例为86%～95%。AG处理团聚体对有机碳的贡献率随粒径的减小而减小;0～20cm和20～40cm土层中>5mm和5～2mm团聚体有机碳贡献率最大，分别为59.9%（0～20cm）和6631%（20～40cm）。NG处理下，0～20cm土层团聚体对有机碳的贡献率高低顺序为：>5mm、5-2mm、1～0.5mm、0.5～0.25mm、2～1mm、<0.25mm;20～40cm土层团聚体对有机碳的贡献率高低顺序为：1～0.5mm、>5mm、5～2mm、<0.25mm、2～1mm、05～0.25mm。CK处理下，0～20cm和20～40cm土层<0.25mm团聚体对有机碳贡献率均为最大，分别为3348%和30.24%，且与>0.25mm各粒径团聚体对有机碳贡献率之间差异达到显著水平（P<0.05）。

0～20cm土层，AG的2～1mm粒级团聚体对有机碳的贡献率显著高于CK，比CK高12232%;CK的<0.25mm粒级团聚体对有机碳的贡献率显著高于AG和NG，分别是AG和NG的4.22和444倍。20～40cm土层，AG的>5mm粒级团聚体对有机碳的贡献率显著高于CK，比CK高27718%;CK的<0.25mm粒级团聚体对有机碳的贡献率显著高于AG和NG，分别是AG和NG的6.08和2.11倍。

3 结论与讨论

3.1 生草栽培对刺梨园土壤团聚体分布及其稳定性的影响

土壤团聚体是土壤结构的基本单元[29]，湿筛法所测得的各粒级团聚体含量反映了团聚体水稳性大小，是反映土壤物理性质及土壤结构的重要指标[30]。粒径>0.25 mm的团聚体被称之为土壤大团聚体，是土壤结构好坏的决定因素[31]。生草栽培有利于土壤结构的改善、培肥地力和改善生态环境。研究表明，果园实施生草栽培后土壤表层水稳性大团聚体含量显著增加[15]。本研究中，生草栽培增加了刺梨园土壤>0.25mm大团聚体的数量，减少了<0.25mm小团聚体的数量，所得结果与多数果园生草栽培的研究结果一致[15，21]。人工栽培黑麦草和自然杂草处理后刺梨园土壤水稳性大团聚体重量百分数与清耕相比分别提高43.72%和43.01%（0～20cm）以及44.76%和33.08%（20～40cm）。说明生草栽培能有效提高大团聚体的百分含量，有利于刺梨园土壤团聚体的形成和保护，使土壤保持良好结构。

平均重量直径是反映土壤水稳性团聚体稳定性的常用指标，其值越大表示团聚体平均粒径团聚度越高，稳定性越高[32]。有研究表明果园间作能够显著提高水稳性大团聚体的平均重量直径[15，21]。本研究中，生草栽培后刺梨园土壤>025mm大团聚体的平均重量直径较传统清耕模式显著提高。人工栽培黑麦草和自然杂草处理后刺梨园土壤>5mm水稳性团聚体的平均重量直径均显著高于清耕。清耕处理下<0.25mm团聚体的平均重量直径分别为0.089mm和0.08mm，均高于生草栽培处理。说明了生草栽培能显著提高刺梨园土壤团聚体结构稳定性，而定期清除刺梨园杂草会破坏土壤团聚体的稳定性。研究认为团粒结构的形成包括粘结团聚过程和切割造型过程，微生物和植物根系在土粒粘结团聚过程中发挥重要作用[33]。生草栽培能提高刺梨园土壤团聚体稳定性，一方面是由于人工种植黑麦草和自然生长杂草能够显著促进根系微生物量、根长密度、根表面积的提高，增强团粒的粘结和团聚作用[34-35];另一方面，由于生草栽培增加了土壤表层有机物料，提高了土壤有机碳含量，团聚体的稳定性也相应提高[16]。

3.2 生草栽培对刺梨园土壤团聚体有机碳含量的影响

有机碳是土壤团聚体的主要胶结物质，是土壤各种养分的最重要来源，是评价土壤质量的重要指标[9]。生草栽培在提高土壤有机碳含量和固碳潜力方面发挥积极促进作用[36-37]。本研究中，人工种植黑麦草和自然生长杂草处理后刺梨园团聚体有机碳含量较清耕相比分别提高了23.74%～119.21%和42.20%～258.65%，说明生草栽培能显著提高刺梨园土壤团聚体有机碳含量（尤其是表层土壤），这与李会科等在渭北苹果园实行生草管理措施得到的结论基本一致[38]。主要是由于生草栽培对土壤有机碳的调节作用主要集中在可直接接触的0～20cm表层土壤[39]。此外，本研究还表明草种丰富的自然生长杂草对团聚体有机碳含量提高的效果优于草种单一的人工种植黑麦草。有研究表明豆科牧草与禾本科牧草轮作则可以快速增加土壤有机碳的储存，促进大团聚体的形成和微团聚体的稳定性，牧草混播比单播提高有机碳的效果更加显著[6]，因此本研究的结果可能与自然草长有三叶草、醡浆草、狗尾草等丰富多样的草种，固碳作用较强有关，具体原因还有待进一步研究。

土壤團聚体是土壤有机碳稳定和保护的载体[40]，表土中近90%的有机碳存在于团聚体内[41]，本研究中，生草栽培模式下土壤有机碳的贡献主要来源于粒径>0.25mm的大团聚体中。人工种植黑麦草土壤的0～20cm和20～40cm层以及自然生长杂草土壤的0～20cm层中>5mm团聚体的有机碳贡献率最大，主要是>5mm团聚体数量及有机碳含量都较高的缘故。清耕条件下0～20cm和20～40cm土层<0.25mm团聚体对有机碳贡献率均为最大，分别为33.48%和30.24%，这是因为清耕处理下<0.25mm团聚体重量百分数占绝对优势。生草栽培能有效提高土壤大团聚体和有机碳含量，使土壤重量百分数较大的团聚体提供更多的有机碳，有助于土壤团聚体和有机碳两者的平衡。

3.3 结论

人工种植黑麦草和自然生长杂草的刺梨园土壤水稳性大团聚数量和平均重量直径显著高于清耕处理，说明生草栽培能提高刺梨园土壤团聚体的稳定性，改良土壤结构。

人工种植黑麦草和自然生长杂草的刺梨园土壤水稳性团聚体各粒级有机碳含量比清耕的分别高122.44%、84.46%、157.05%、91.19%、12783%、110.46%和236.99%、188.52%、29576%、267.51%、290.14%、242.10%，草种丰富的自然生长杂草对有机碳的提高效果优于草种单一的人工种植黑麦草。

生草栽培模式下土壤水稳性团聚体对有机碳的贡献主要集中在>0.25mm的水稳性大团聚体，微团聚体贡献较小;清耕模式下有机碳的贡献则主要来自于<0.25mm的微团聚体。

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