不同覆盖模式对樱桃园土壤团聚体及碳氮的影响

2022-12-27黄圣杰陈俊朴方从刚黄成毅

水土保持研究 2022年1期

黄圣杰, 陈俊朴, 陈涛, 方从刚, 黄成毅,4

(1.四川农业大学水利水电学院, 四川雅安 625014; 2.四川农业大学生命科学学院,四川雅安 625014; 3.成都市国土资源信息中心, 成都 610041; 4.四川农业大学环境学院, 成都 611130)

土壤团聚体是土壤结构的基本组成单位，是土壤物理、化学以及生物等多种因素经过一系列复杂作用下的结果，其具有协调水肥气热，提供良好的养分供给环境的作用[1-2]。团聚体的分布和稳定性状况是反映土壤结构好坏的重要指标，但是不同粒径大小的团聚体在营养元素的供应转化方面发挥的作用有所差别[3-4]。其中土壤有机碳(SOC)和全氮(TN)与土壤团聚体的形成密不可分，是影响土壤结构不可忽视的要素[5-6]。一方面，有机质有粘结力，具备胶结作用，可以大大增加土壤颗粒的团聚潜力，进而能够促进土壤团聚体的形成；另外一方面，土壤团聚体也可以给有机碳、全氮起到一定程度的保护作用，更有利于有机碳、全氮在土壤中的稳定累积[7]。

土地质量的可持续性，是果园能长期发展的关键。覆被是一种能够改良土壤质量，防止果园水土流失的重要管理方式。当前已有许多学者对果园生草覆盖的管理方式进行了大量的研究。结果均表明生草覆盖能够改善土壤微生态环境，一定程度上可以增加土壤中有机碳及养分含量，在保持果园土壤肥力，修复果园土壤生态方面具有明显作用[8-9]。付学琴等[10]研究表明，与清耕对照相比，生草栽培可以显著提高土壤各粒径团聚体有机碳和养分含量。闫涛宇[11]研究认为，白三叶、小冠花和鸡脚草覆盖显著提高了苹果园0—20 cm土层>0.25 mm粒径的团聚体有机碳对土壤总有机碳的贡献率。防草布，即园艺地布能有效控制田间杂草生长，并且具有良好的透气性、透水性，耐拉伸和使用寿命较长等特点[12-13]。前人研究表明，园艺地布能够蓄水保墒，减少土壤水分的蒸散发，提高土壤含水量、果树叶片光合速率及水分利用效率，达到促进增产的作用[14-15]。目前，在茶园、桑园、苹果园及橘园杂草防治方面，防草布的应用已见诸文献[13]，却鲜见樱桃园采用防草布的报道。此外，樱桃园长期在传统起垄清耕模式下造成了土壤养分流失、土壤板结，进而引起土地质量下降等一系列问题。为了解决这些问题，则有必要探索樱桃园新型管理模式。因此，本文以传统清耕为对照，研究自然生草覆盖、野豌豆覆盖和地布覆盖下樱桃园团聚体分布、稳定性和水稳性团聚体碳氮含量的变化特征，以期为改良樱桃园土壤质量、改进樱桃园管理方式提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与供试材料

试验区位于四川省新津县新平镇万街村(30°26′08″N，103°45′35″E)，地处成都平原南部，属于亚热带季风气候，年均气温16.4℃，年均降雨量987 mm，年均无霜期297 d，多年平均日照1 119.1 h。试验区土壤属于平坝冲积性水稻土，土壤容重1.41 g/cm3，pH6.0，有机碳14.04 g/kg，全氮1.41 g/kg，碱解氮89.81 mg/kg，速效磷7.32 mg/kg。供试覆盖材料：自然生草种类：春季主要有棒头草(PolypogonfugaxNeesexSteud.)、猪秧秧(GaliumspuriumL.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、荠菜[Capsellabursa-pastoris(Linn.)Medic.]、毛茛(RanunculusjaponicusThunb.)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)；夏季主要有牛筋草[Eleusineindica(L.)Gaertn.]、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、蒿(Artemisia)和龙葵(SolanumnigrumL.)。野豌豆种类为一年生长柔毛野豌豆。覆盖地布由江苏无锡飞洋塑业提供，为黑色防老化UV和PP材质，单幅宽1.5 m，使用寿命约为5 a。供试樱桃品种为成熟最早的短低温大粒红色中国樱桃——“南早红”。樱桃园耕作方式采取垄作，单垄长15 m，宽2.5 m，每垄种植6棵樱桃树，树龄6 a。

1.2 试验设计

本研究采用定位试验，于2018年9月末开始，试验共设置清耕(CK)、自然生草覆盖(NGC)、野豌豆覆盖(VC)和地布覆盖(GCM)4个处理。每个处理3次重复，每一垄为一小区，共12个小区，每个小区面积37.5 m2。清耕处理采用人工耕作结合化学除草剂定期清理杂草。自然生草覆盖处理的杂草生长到一定高度时留茬刈割，每年刈割3～4次，刈割后就地全小区覆盖。野豌豆覆盖处理采取自然腐解还田，种子分别于2018年和2019年10月末撒播，播种量为37.5 kg/hm2，播种前微松表层土壤并除去杂草等异物。地布覆盖处理于2018年10月末覆盖地布，覆盖前把小区表面清理干净，地布完全覆盖整个小区表面。地布除施肥揭开外，全年覆盖于小区表面。基肥为每年9月末施用，各处理小区按羊粪2 250 kg/hm2，地补乐450 kg/hm2，磷酸二铵375 kg/hm2和钙肥37.5 kg/hm2一并施入。各处理除覆盖材料不同，其余管理方式均相同。

1.3 样品采集与测定

样品于2020年4月′南早红′生殖生长期间采集，应用多点取样法分别采集各试验小区0—10 cm和10—20 cm两个土层的原状土样。利用四分法取够土样后，将样品装入塑封袋，放于保鲜盒中运回实验室。取足量的土样并挑拣出动植物残体及石砾，将土样掰成指甲盖大小，于阴凉避光处自然风干后待测。

机械稳定性团聚分布体根据沙维诺夫法测定。筛组按5，2，1，0.5，0.25 mm、筛盒的顺序由上到下套好，将风干土样过10 mm不锈钢筛后称取200.00 g，放于筛组最上层。手动振荡筛组5 min，每分钟约60下，振幅约为42 cm。筛好后从上往下依次取下筛子，小心取出样品，称重，计算不同粒径机械稳定性团聚体的含量。

水稳性团聚体分布根据约德尔法测定。将干筛好的各个粒级团聚体按比例称重配置成50 g后，放于团粒分析仪(TTF-100型)筛组最上层。筛组顺序从上往下为5，2，1，0.5，0.25，0.053 mm，注水时调整水面高度，使筛组移到最高点时最上层团聚体淹没在水面下。振荡时间30 min，上下振幅4 cm，频率30次/min。结束后将筛组团聚体小心洗入烧杯中，于烘箱60℃烘干后分别称重，计算不同粒径水稳性团聚体的含量。再将烘干称重后的团聚体磨碎，过0.25 mm不锈钢筛待测。不同粒径团聚体有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定，不同粒径团聚体全氮采用凯氏定氮法测定[16]。

1.4 分析内容及计算方法

分析内容包括不同粒径团聚体含量，团聚体稳定性，水稳性团聚体有机碳和全氮，具体公式如下：

团聚体含量=Mi/MT×100%

(1)

式中:Mi表示各粒径团聚体质量；MT表示团聚体总重。

团聚体稳定性的评估指标采用大团聚体含量(R0.25)、平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(Elt)[17-19]。

R0.25=Mr>0.25/MT×100%

(2)

(3)

(4)

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

(5)

式中:DR0.25表示机械稳定性大团聚体含量；WR0.25表示水稳性大团聚体含量。

Elt=(WT-Wr>0.25)/WT×100%

(6)

式中:WT表示湿筛团聚体总重；Wr>0.25表示湿筛>0.25 mm团聚体质量。

1.5 数据分析

采用WPS处理数据并制图，采用SPSS 21.0进行单因素方差分析(ANOVA)，差异性分析采用LSD法，用不同小写字母表示不同处理之间存在显著性差异(p<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖模式对团聚体分布的影响

由机械稳定性团聚体粒径分布(表1)可知，各处理0—10 cm和10—20 cm土层均以>5 mm粒径团聚体含量最高，范围分别在35.16%～53.24%和48.00%～67.60%，且以NGC处理的含量最高，并与其余3种处理之间呈现出显著性差异(p<0.05)。5～2 mm粒径团聚体次之，范围分别在25.32%～27.31%和19.41%～26.07%，且以GCM含量最高。0—10 cm和10—20 cm土层机械稳定性团聚体R0.25规律分别为GCM>NGC>VC>CK和NGC>GCM>VC>CK，都以CK最低，且与其余3种处理之间的差异存在显著性(p<0.05)。

由水稳性团聚体粒径分布(表2)可知，0—10 cm和10—20 cm土层各个处理也均以>5 mm和5～2 mm粒径团聚体含量较高，范围分别在20.00%～36.79%和23.02%～53.05%及18.98%～23.24%和19.93%～26.96%。4个处理之间>5 mm粒径团聚体以NGC处理的含量最高，并与其余3种处理之间存在显著性差异(p<0.05)，而5～2 mm粒径团聚体含量以GCM最高。0—10 cm和10—20 cm土层水稳性团聚体R0.25规律均为NGC>VC>GCM>CK，都以CK最低，且与NGC之间的差异呈显著性(p<0.05)。

2.2 不同覆盖模式对MWD和GMD的影响

由表1可知，机械稳定性团聚体平均重量直径(MWD)在0—10 cm和10—20 cm两个土层均以NGC最高，以CK最低，NGC和CK分别与其余3种处理呈显著性差异(p<0.05)。0—10 cm土层，NGC，VC和GCM的MWD值分别比CK增加22.80%，9.77%和12.05%；10—20 cm土层，NGC，VC和GCM的MWD值分别比CK增加18.03%，9.01%和7.89%。机械稳定性团聚体几何平均直径(GMD)规律与MWD规律一致。0—10 cm土层，NGC，VC和GCM的GMD值分别比CK增加39.11%，15.56%和22.67%；10—20 cm土层，NGC，VC和GCM的GMD值分别比CK增加31.43%，16.79%和16.07%。

表1 不同覆盖模式下机械稳定性团聚体粒径分布

由表2可知，水稳性团聚体MWD值在0—10 cm和10—20 cm两个土层也都以NGC最高，CK最低，且NGC与其他3种处理之间呈显著性差异(p<0.05)。0—10 cm土层，NGC，VC和GCM的MWD值分别比CK增加31.65%，6.88%和1.38%；10—20 cm土层，NGC，VC和GCM的MWD值分别比CK增加61.57%，28.38%和19.65%。水稳性团聚体GMD呈现的规律与MWD规律类似。0—10 cm土层，NGC，VC和GCM的GMD值分别比CK增加48.70%，8.70%和2.61%；10—20 cm土层，NGC，VC和GCM的GMD值分别比CK增加141.18%，63.03%和47.06%。

表2 不同覆盖模式下水稳性团聚体粒径分布

2.3 不同覆盖模式对PAD和Elt的影响

不同覆盖模式下，团聚体破坏率(PAD)随土层深度增加而减小(图1)。0—10 cm土层，CK，NGC，VC和GCM的PAD值分别为9.85%，7.58%，10.26%和11.74%；而10—20 cm土层，CK，NGC，VC和GCM的PAD值分别为8.74%，2.24%，4.38%，6.41%。由图可知，除CK处理的PAD值随深度增加下降幅度较小外，其余3种处理下降幅度较大且一致。

不同覆盖模式下，不稳定团粒指数(Elt)也随着土层深度增加而减小(图1)。0—10 cm土层，CK，NGC，VC和GCM的Elt值分别为16.74%，11.66%，15.84%和16.42%；10—20 cm土层，CK，NGC，VC和GCM的Elt值分别为13.21%，6.05%，10.01%和10.97%。由图可知，NGC，VC和GCM的Elt值随深度增加而减小的幅度也要高于CK。

图1 不同覆盖模式下团聚体破坏率和不稳定团粒指数

2.4 不同覆盖模式对水稳性团聚体有机碳、全氮的影响

由图2可知，0—10 cm土层不同粒径水稳性团聚体有机碳含量都以NGC最高，CK最低，并且两者间差异显著(p<0.05)。此外，VC和GCM处理的水稳性团聚体有机碳都要高于CK。10—20 cm土层各粒径水稳性团聚体有机碳含量基本规律为NGC>VC>GCM>CK，且NGC，VC和GCM水稳性团聚体有机碳含量基本都显著高于CK(p<0.05)。综上可见，自然生草覆盖、野豌豆覆盖和地布覆盖均可以提高水稳性团聚体有机碳含量，并且以自然生草覆盖处理的效果最好。

图2 不同覆盖模式下水稳性团聚体有机碳含量

由图3可知，0—10 cm土层不同粒径水稳性团聚体全氮含量基本规律为VC>NGC>GCM>CK，且除0.5～0.25 mm粒径团聚体外，VC处理的其余粒径团聚体全氮含量均要显著高于GCM和CK，而与NGC差异普遍不存在显著性(p<0.05)。随着土层深度的变化，不同粒径水稳性团聚体全氮含量规律基本一致。综上可见，自然生草覆盖、野豌豆覆盖和地布覆盖均可以提高水稳性团聚体全氮含量，以野豌豆覆盖处理效果最好。但是野豌豆覆盖与自然生草覆盖基本无显著性差异，与地布覆盖差异显著(p<0.05)。

图3 不同覆盖模式下水稳性团聚体全氮含量

3 讨论

3.1 不同覆盖模式对土壤团聚体分布及稳定性的影响

土壤团聚体作为土壤结构的基本组成单元，其分布和稳定性是表征土壤结构状况的重要指标，是影响果树生长发育的重要因素。大量研究表明，生草覆盖对果园土壤团聚体的分布和稳定性具有正面效应[20]。王明亮等[21]研究发现不同作物覆盖模式均有利于5～2 mm粒径的机械稳定性团聚体的形成；郝淑英等[22]研究结果显示苹果园生草两年后，>1 mm团聚体比清耕增加了10.2%～12.2%。本研究中，0—10 cm和10—20 cm两个土层，3种覆盖模式都不仅显著提升了>5 mm团聚体的含量，还提高了樱桃园大团聚体含量。主要是自然生草和野豌豆产生了大量的根系和菌丝，其缠绕、胶结作用能够促进土壤中大团聚体(>250 μm)的形成[23]。而地布覆盖能够提高土壤有机质的含量，进而间接提高了大团聚体的数量和增强了团聚体稳定性[24]。但是机械稳定性团聚体R0.25在0—10 cm和10—20 cm土层规律和水稳性团聚体不太一样，这主要是因为机械稳定性团聚体反映的是土壤非水稳性和水稳性的总体状况，而水稳性团聚体只反映土壤的水稳定性特征，导致二者的结果不太一致[25]。

平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)、团聚体破坏率(PAD)和不稳定团粒指数(Elt)都是反映土壤水稳性团聚体稳定性的常用指标。MWD值和GMD值越大或PAD和Elt越小均表示团聚体各个粒径团聚度越强，稳定性越高。王义祥等[26]发现生草栽培处理的0—20 cm土壤水稳性团聚体R0.25，MWD值和GMD值比顺坡清耕和梯台清耕均有明显的提高。不但覆盖作物能提高水稳性团聚体的稳定性[27]，而且在中度施氮条件下，覆膜处理也能很好地提高MWD值和GMD值[24]。付学琴等[28]发现与清耕相比，橘园行间播种白三叶草和黑麦草不仅提高了MWD值和GMD值，同时也降低了PAD值，与本试验结果一致。而0—10 cm土层清耕处理团聚体破坏率低于野豌豆覆盖和地布覆盖，可能是因为清耕会破坏土壤表层的团粒结构，使得机械稳定性团聚体的大团聚体含量降低，进而导致了团聚体破坏率降低。

3.2 不同覆盖模式对土壤团聚体有机碳、全氮的影响

各项研究表明，在梨园[29]、油桃园[26]、苹果园[30]中生草栽培均能增加土壤有机质含量，提高团聚体有机碳氮含量。付学琴[10]研究认为′南丰蜜橘′园行间播种白三叶草、黑麦草比清耕对照不仅显著提高了土壤团聚体有机碳含量，还显著提高了团聚体全氮、全磷、全钾、硝态氮、速效磷等养分指标。张帆等[31]研究发现，果园垄膜覆盖比清耕能有效地提高0—30 cm土壤有机质和养分。以上研究结果与本研究中自然生草覆盖、野豌豆覆盖和地布覆盖相较清耕对照均能提高团聚体有机碳、全氮含量的结果一致，表明地面覆盖后减少了人为因素的干扰，为土壤有机碳和全氮的积累提供了相对稳定的环境。而自然生草覆盖和野豌豆覆盖下团聚体有机碳和全氮均要高于地布覆盖，这与张少宏[32]的研究结果相似。产生这样结果的原因是，自然生草刈割还田与野豌豆自然腐解还田增加了有机物的输入，为土壤有机碳和全氮的积累提供了重要来源。因此，自然生草覆盖和野豌豆覆盖下团聚体有机碳和全氮的含量要高于没有外源有机物输入的地布覆盖。

果园土壤团聚体有机碳、全氮含量与生草覆盖的植被种类有很大关系[8-9,33-35]，自然覆盖更好地提高土壤团聚体有机碳含量，而野豌豆覆盖更好地提高团聚体全氮含量。这主要是因为自然生草种类丰富，全年多次刈割，还田生物量比野豌豆大；而野豌豆属豆科，较自然生草种类具有更好的固氮作用。野豌豆覆盖与自然生草覆盖的团聚体全氮含量差异不显著，可能是因为试验年限比较短，团聚体全氮含量提升不显著。