有机种植对茶园土壤团聚体组成及稳定性的影响

王 峰，陈玉真，孙 君，吴志丹，江福英，尤志明*

（1. 福建省农业科学院茶叶研究所，福建 福州 350013；2. 国家土壤质量福安观测实验站，福建 福安 355015）

0 引言

【研究意义】土壤团聚体是由一系列原生颗粒物质（沙粒、粉粒、黏粒）、胶结物质（土壤有机质与铁铝氧化物等）和孔隙组成的土壤最基本结构单元之一[1,2]，其团聚体各粒级组成和稳定性不仅影响着土壤孔隙状况、水气交换和养分物质周转循环[3,4]，而且在提高农田生产力、增强土壤抗侵蚀能力和改善植物生长和品质等方面有重要作用[5,6]。因此，维持良好的团聚体结构是提升土壤肥力和功能的关键。土壤团聚体组成和稳定性受到成土母质、种植模式、耕作管理措施及土壤生物扰动等因素的综合影响[7,8]。深入理解茶园土壤团聚体组成及稳定性对有机种植的响应规律，对于制定合理的茶园土壤管理措施具有重要意义，同时也为有机茶园土壤质量评价提供科学依据。【前人研究进展】有机种植模式是一种不依赖化学品（农药、化肥及生长调节剂等），而是在遵循生态学原理的基础上依靠合理耕作（间作培肥、免耕轮作及增施有机肥等）提供茶树生长养分的可持续稳定的农业生产体系[9]。有研究表明，有机种植有利于提高土壤肥力质量[10]，促进土壤生物多样性[11]，且降低了土壤重金属污染[12]，从而提高了农产品品质[13]。在瑞士温带粘壤土上进行的一项长期试验（15 a）研究结果表明[14]，有机种植中的免耕或少耕措施使得表层土壤有机碳、微生物生物量及活性明显增加，纯粪肥基础上增施堆肥肥料使得土壤有机碳增幅更大。姜瑢等[15]研究表明，有机种植提高了土壤中水稳性团聚体的平均重量直径和几何平均直径，降低了分形维数，提升了土壤水稳性团聚体稳定性和土壤抗侵蚀能力，有效改善土壤结构。对于茶园生态系统而言，有机种植可以提高茶园土壤养分、微生物数量和微生物生物量碳氮含量[16,17]，且明显改变茶园土壤细菌或真菌微生物群落结构及功能[18-20]。然而，有关有机种植模式下茶园土壤团聚体组成及稳定性变化趋势尚少见报道。【本研究切入点】植茶后，长期单一化种植模式过程中的耕作和施肥措施对土壤理化性质产生重要影响，种植模式的改变还会影响生态系统中养分物质及凋落物的循环过程，这些变化都会直接或间接影响土壤团聚体组成及稳定性。【拟解决的关键问题】本研究同时选取典型的常规和有机茶园种植基地，以周边林地为对照，探究不同种植模式对土壤团聚体组成和稳定性的影响，并解析其影响因素，为促进有机茶的进一步推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自福建省天湖茶业有限公司绿雪芽茶叶种植基地（27°10'09''N、120°18'72''E，记为LXY）和福鼎市芳茗茶业有限公司五里牌茶叶种植基地（27°9′24″N、120°9′6″E，记为WLP），海拔分别是755 m 和601 m，土壤类型均为山地黄红壤。基地内茶园多由次生林地开垦而来，林地优势树种为马尾松和其它灌木林，种植的茶树品种均为‘福鼎大毫茶’，植茶年限约为30 年。基地内常规茶园按照当地管理进行，每年施复合肥（N∶P∶K＝15∶15∶15）约2 250 kg·hm-2，全年按照3∶3∶4 比例进行施肥，施肥方式为撒施，梯壁清耕除草；有机茶园按照有机管理方式进行，定期补充有机肥（有机肥种类为市售有机肥），用量3 750～4 000 kg·hm-2，自然生草覆盖或间作绿肥。

1.2 土壤样品采集

在野外实地调查的基础上，分别在林地（Forest land，FD，对照）、常规茶园（Conventional tea，CT）和有机茶园（Organic tea，OT）各设3个取样小区，采用多点混合式取样（5 个样点分布于茶行中线1 个、两边茶树滴水线附近各2 个），采集表层0～20 cm 的土壤，样品采集时间为2021年5 月，两个基地共采集18 个土壤样品。采样时用硬质塑料盒装好，防止运输过程中破坏土壤团聚体结构。带回实验室后，土壤样品经自然风干，一部分用于土壤中水稳性团聚体测定；另一部分按要求过2 mm 和0.149 mm 用于土壤理化性质测定，土壤理化性质测定参考《土壤农业化学分析方法》[21]进行。

1.3 土壤水稳性团聚体测定

采用机械湿筛法进行土壤团聚体分级[22]，所用机械为恒温式土壤团粒分析仪（型号为DJWSI020，点将科技股份有限公司）：称取100 g 风干样品置于套筛顶部振荡，套筛从上到下孔径依次为5、2、1、0.5 和0.25 mm，筛底收集小于0.25 mm 的样品。先将套筛上的样品用水浸泡5 min 后，竖直上下振荡5 min，振荡频率为20次·min-1，振荡时保证最顶层筛的上边缘低于水面。结束后将各级筛层上的土粒转移至铝盒中，置于烘箱中烘至恒重，分别计算各粒径团聚体的质量百分比。

1.4 数据处理与统计分析

分别选取大于0.25 的水稳性团聚体含量（R0.25）、平均重量直径（MWD）、几何平均值（GWD）和分形维数（D）作为土壤团聚体稳定性评价指标，其计算公式分别参照邱莉萍[23]和杨培岭[24]推导的公式。数据处理采用Excel 2003 和SPSS 19.0 软件，使用Pearson 法对土壤团聚体特征与土壤理化性质进行相关性分析，采用冗余分析（RDA）进一步探索土壤理化性质与土壤团聚体特征之间的关系，绘图采用GraphPad Prism 9.0软件制作。

2 结果与分析

2.1 有机种植模式对土壤团聚体分布的影响

由图1 看出，种植模式及采样茶园对各粒径团聚体含量存在明显的差异。在绿雪芽（LXY）基地茶园，各种植模式下的土壤团聚体均以＞5 mm 粒径为主，占团聚体比例为27.84～78.16%；相比林地土壤，常规茶园土壤＞5 mm 团聚体含量显著下降了56.51%（P＜0.05），0.5 ～1 mm 和0.25～5 mm 团聚体含量分别显著增加了103.86%和148.87%（P＜0.05），其他粒径变化不显著；与林地土壤相比，有机茶园土壤＞5 mm 和＜0.25mm 团聚体含量均有所增加，其他粒径则有所降低，但均差异不显著；与常规茶园土壤相比，有机茶园土壤＞5 mm 团聚体含量显著增加180.74%，其它粒径的团聚体含量则显著降低（＜0.25 mm 微团聚体除外）。在五里牌（WLP）茶园基地，3 种种植模式下土壤团聚体组成仍以＞5 mm 粒径为主，所占比例为50.69～75.35%，但不同种植模式下土壤团聚体组成的变化趋势略有不同。林地转化为常规和有机茶园后，土壤＞5 mm 团聚体含量均有所降低，常规茶园土壤0.5～1 mm 和0.25～5 mm团聚体含量显著高于林地（P＜0.05），其他粒径均差异不显著。双因素方差分析结果显示（表1），种植模式对土壤＞5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm 团聚体含量有显著影响，采样位置对土壤各粒径团聚体含量均无显著影响，种植模式和采样位置的交互作用对土壤＞5 mm、2～5 mm、1～2 mm 和0.5～1 mm 的团聚体含量有显著影响。

表1 双因素方差分析种植模式和采样位置对土壤团聚体组成的影响Table 1 Two-way ANOVA on effects of tea cultivation practices and sampling location on composition of soil aggregates

图1 种植模式对土壤团聚体组成的影响Fig. 1 Effects of tea cultivation practices on composition of soil aggregates

2.2 有机种植模式对土壤团聚体稳定性指标的影响

不同种植模式对土壤水稳性团聚体稳定性的影响各异（图2）。在绿雪芽基地中，各种植模式下土壤团聚体R0.25 变化不显著，常规茶园土壤团聚体的MWD 和GMD 均显著低于林地和有机茶园（P＜0.05），有机茶园土壤团聚体的MWD 和GMD 高于林地，但均差异不显著（P＞0.05）；有机茶园土壤团聚体D值显著高于林地（P＜0.05），常规和有机茶园之间差异不显著（P＞0.05）。在五里牌基地中，林地、常规和有机茶园土壤团聚体R0.25 和D值变化不显著（P＞0.05），常规茶园土壤团聚体的MWD 和GMD 均显著低于林地（P＜0.05），常规和有机茶园之间差异不显著（P＞0.05），林地和有机茶园之间差异也不显著（P＞0.05）。双因素方差分析结果显示，种植模式对土壤团聚体MWD、GMD 和D值均有显著影响，采样位置对土壤团聚体稳定性指标均无显著性影响，种植模式和采样位置的交互作用对土壤团聚体GMD 有显著影响。由此可见，林地转变为常规茶园后，均明显降低了土壤团聚体稳定性指标，有机种植则更有利于提高茶园土壤团聚体稳定性。

图2 不同种植模式对土壤团聚体稳定性指标的影响Fig. 2 Effects of tea cultivation practices on stability of soil aggregates

2.3 不同种植模式下土壤团聚体稳定性影响因素分析

利用Pearson 相关分析，评价土壤水稳性团聚体各粒级含量及其各稳定性参数之间的关系，结果见表2。其中＞5 mm 团聚体含量与土壤R0.25、MWD 与GWD 之间呈显著正相关；2～5 mm 团聚体含量与土壤MWD、GWD 和D之间呈显著负相关；土壤1～2 mm、0.5～1 mm、和0.25～0.5 mm团聚体含量与土壤MWD 和GWD 之间呈显著负相关；＜0.25 mm 团聚体含量与土壤R0.25、MWD、GWD 之间呈显著负相关，与D之间呈显著正相关。

表2 土壤团聚体各项指标与各粒径团聚体含量Pearson 相关性分析Table 2 Pearson correlation between stability indicators and composition of varied sized soil aggregates

由表3 可以看出，土壤＞5 mm 团聚体含量分别与土壤有机质、全氮和pH 之间显著正相关；土壤2～5 mm 团聚体含量与土壤全氮、碱解氮和全磷含量之间显著负相关，与土壤容重之间呈显著正相关；土壤1～2 mm 团聚体含量与土壤pH 之间显著负相关，与土壤容重之间呈显著正相关；土壤0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 团聚体含量与土壤有机质、全氮、碱解氮和pH 之间显著负相关；土壤＜0.25 mm 微团聚体含量与土壤pH 之间显著负相关。R0.25 团聚体含量与土壤pH 之间显著正相关；土壤MWD 和GWD 与土壤有机质、全氮、碱解氮、全钾和之间显著正相关；D则与土壤全磷含量呈显著正相关，与pH 和土壤容重之间呈显著负相关。

表3 土壤团聚体指标与土壤理化性质相关性分析Table 3 Pearson correlation between stability indicators and physiochemical properties of varied sized soil aggregates

进一步采用冗余分析（RDA）研究土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质之间的关系，获得对土壤团聚体特征影响的排序图（图3）。结果显示，前两个排序轴分别解释了土壤团聚体指标变化的72.34%和10.48%，共解释总变异的84.82%，其中土壤pH（P＝0.002）和土壤容重（P＝0.031）是驱动土壤团聚体变化的关键环境因子（表4）。

表4 土壤理化性质对RDA 结果的解释权重Table 4 Explanatory weights of soil physiochemical properties on RDA results

图3 土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质的RDA 分析Fig. 3 RDA on relationship between stability and physiochemical properties of soil aggregates

3 结论与讨论

土壤团聚体的形成过程（颗粒物质的胶结作用）涉及一系列的复杂物理、化学及生物过程，团聚体组成和稳定性决定了土壤养分循环、蓄水保墒、抗侵蚀及生产力等性能的高低[25]。本研究中，林地和茶园中土壤团聚体均以＞5 mm 的团粒结构为主，所占比例为27.84～78.16%，其他各粒径分布较为均匀，这与前人对该区域林地和茶园土壤团聚体大小分布规律基本一致[26,27]。不同种植模式下土壤团聚体组成存在明显差异，林地转变为常规茶园后，土壤中＞5 mm 的大团聚体比例分别下降了56.51%（绿雪芽基地）和32.73%（五里牌基地），而土壤0.5～1 mm 和0.25～5 mm 团聚体含量则明显增加，这说明长期集约化植茶管理导致土壤大团聚体下降。这与陈玉真[25]的研究结果类似，其原因可能是林地生态系统具备更高的植被多样性，并且植物凋落物和地上、地下生物量均要明显高于茶园系统[28]，较高的地被凋落物既能减少雨水对表层土壤的溅蚀作用，又可促使土壤有机质的积累和提高微生物活性，从而使得土壤颗粒之间的有机质胶结作用增强，进而促进土壤大团聚体的形成[29]；另一方面，林地土壤中拥有庞大的根系，根系在土壤中的交错、穿插、固结及根土黏结作用能有效促进土壤团粒结构的形成，同时丰富的根系也意味着大量根系分泌物的形成，这些分泌物的积累也促进了土壤团聚体的形成[30]。同时，林地和有机茶园土壤团聚体各粒径和水稳性团聚体含量（R0.25）之间均差异不显著，但是有机茶园土壤＞5 mm 的大团聚体含量明显高于常规茶园，这说明有机种植方式能够促进土壤大团聚体的形成，提高土壤中水稳性团聚体的数量和稳定性。有机茶园日常管理过程中施用有机肥提高了土壤有机质含量，有机茶园土壤有机质含量分别为62.97 g·kg-1（绿雪芽）和28.2 g·kg-1（五里亭），要明显高于茶园土壤的33.63 g·kg-1（绿雪芽）和26.24 g·kg-1（五里亭），有机质含量高的土壤中有机质胶结作用有利于土壤中大团聚体的形成，从而提高了土壤中大团聚体的数量和稳定性；另外，有机茶园中的间作绿肥和生草免耕管理措施也能促进土壤中分泌物、有机酸和多糖等胶结物质的不断积累[31]，增强了微团聚体的胶结作用，进一步增强土壤团聚体的稳定性[32]。

土壤团聚体MWD 和GWD 是表征土壤团聚体稳定性能的常用指标，其值越大表示团聚体的平均粒径团聚度越高，土壤结构愈加稳定[33]。本研究发现，林地转变为常规茶园后，2 个样地常规茶园土壤团聚体MWD 和GWD 均显著降低，有机茶园和林地之间则无明显差异。同时，R0.25、MWD、GWD 均与＞5 mm 的大团聚体含量呈显著正相关，且MWD 和GWD 与2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm 之间呈显著负相关，这就说明＞5 mm 的大团聚体越多，土壤结构越稳定。因此综合以上原因，林地转变为茶园后，集约化管理措施（偏施化肥、清耕除草）导致常规茶园土壤团聚体重新分布，土壤大团聚体含量明显降低，土壤团聚体MWD 和GWD 也明显下降；有机管理模式则促进了土壤大团聚体的形成，增强了土壤团聚体稳定性。

土地利用方式改变导致的植被类型变化会显著影响土壤理化性质，进而导致土壤团聚体粒径的重新分配和稳定性的差异[34]。Wang 等[35]的研究表明土壤理化性质（土壤有机质、全氮、全磷和pH）对土壤团聚体的稳定性有显著影响；张先凤等[36]研究发现，土壤有机质、全氮和碱解氮与集约化种植潮土大团聚体的质量比例及其稳定性显著正相关；李欣雨等[37]对稻田植茶后土壤团聚体变化趋势的研究结果也表明，土壤有机质、阳离子交换量和有效磷是影响稻田植茶后土壤团聚体稳定性变化的主要因素。本研究中，茶园土壤有机质与土壤＞5 mm 团聚体含量、MWD 和GWD呈显著正相关，与0.5～1 mm 和0.25～0.5 mm 团聚体含量呈显著负相关，这说明土壤有机质影响土壤团聚体形成和稳定性，这与以往的研究结果基本一致。土壤大团聚体的形成主要依靠有机物质的胶结作用，土壤有机质的增加时，可促进大团聚体形成来提高团聚体稳定性[38]。林地转变为常规茶园后，土壤有机质含量显著下降了55.75%和28.32%，因而其团聚体稳定性能显著降低；有机茶园大量有机肥的投入且配合有机管理方式（间作绿肥或自然生草），较多的有机质输入和杂草凋落物等可以促进土壤腐殖质组分的形成，加速有机质转化过程并为土壤微生物提供碳源，这一过程也促进碳的封存和团聚体的稳定[39]。同时，土壤全氮与铵态氮与团聚体各稳定性参数之间的相关性规律与土壤有机质基本一致，这也在一定程度上说明土壤碳氮之间的密切联系，也意味着稳定的土壤团聚体为碳氮的积累提供了积极的影响。另外，土壤pH 值与土壤＞5 mm 团聚体含量、R0.25、MWD 和GWD 呈显著正相关，与1～2mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm 和＜0.25 mm 粒径团聚体含量呈显著负相关，这说明长期植茶导致的土壤酸化降低了大团聚体含量和团聚体稳定性，这与徐海东等[40]研究结果一致。土壤容重与土壤团聚体D之间呈显著负相关，土壤容重越大，土壤越紧实，通气和持水性能越弱，限制了微生物的活动，从而不利于团聚体胶结物质的形成[41]。结合RDA 结果显示，土壤有机质、全氮和碱解氮与土壤团聚体稳定性指标有很好的相关性，但pH 和土壤容重才是影响土壤团聚体稳定性的关键环境因子，分别解释了团聚体稳定性变异的58.57%和35.52%（表4），这说明土壤团聚体稳定性与土壤养分变化密切相关，并受土壤pH 的调控[42]。