生草栽培对土壤团聚体影响

本文作者:王义祥 翁伯琦 黄毅斌 王成己 叶菁 单位：福建省农业科学院农业生态研究所

果园生草栽培是指在果树行间或全园种植多年生草本植物作为覆盖物的一种果园土壤管理方法和制度。已有研究认为，生草栽培能降低果园土壤容重，提高土壤团聚体的含量，亦可有效地提高土壤酶活性，激活土壤微生物的活动[1]。生草栽培同时能增加土壤有机质含量，生草栽培年限越长，有机质增加量就越多[2]。目前对生草果园土壤有机碳积累趋势研究中，涉及稳定容量的土壤机制、固过程与土壤管理关系的研究还少见报道[3]。土壤是一种具有分形特征的分散多孔介质，土壤结构的形态不仅受颗粒大小的支配，还受到各粒级土粒数量分布的影响。平均重量直径(Meanweightdiameter，MWD)和几何平均直径(Geometricmeandiameter,GMD)是反映土壤团聚体大小分布状况的常用指标。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[4]。土壤分形维数(Fractaldimension,D)是反映土壤结构几何形体的参数。关于土壤分形特征的研究认为，土壤粘粒含量越高，质地越细，分形维数越高；团粒结构越好、结构越稳定则分形维数越小[5]。另外，有研究认为，土壤团聚体是土壤有机碳稳定和保护的载体，土壤有机碳的固定效应与团聚体的保护机制密切相关，土壤有机碳对土壤团聚体的数量和大小分布具有重要影响，而团聚体的形成反过来影响土壤有机碳的分解[6]。有机碳的团聚体物理保护对有机碳的积累有重要的意义，并且土壤有机碳固定中团聚体的保护机制可以说明土壤有机碳(Soilorganiccarbon,SOC)的固定效应[7]。本研究综合应用>0.25mm水稳性团聚体比例(R0.25)、GWD、GMD和D等指标，探讨不同垦殖模式下果园土壤团聚体的水稳性差异，了解土壤有机碳累积与团聚体稳定性的关系，为果园生草体制下土壤团聚体稳定的保护机制研究提供科学依据。

1试验地概况

试验地位于福建省尤溪县西城镇玉池村，北纬26°25′，东经117°57′，属中亚热带季风性湿润气候，夏季暖热，冬季温凉，春夏多雨，降水丰富。年平均气温19.2℃，最冷月(1月)平均气温为8.0℃~12.0℃，最热月(7月)平均气温为26.6℃~28.9℃。光照资源比较丰富，全年光照时数为4422.8h。年平均降雨量为1620.6mm，年均蒸发量为1346.4mm，年内降水分布不均匀,10月至次年1月是少雨季,仅占年降雨量的13%左右；2–6月为春雨、梅雨季，大雨、暴雨较多,约占年降雨量的62%。本研究以尤溪玉池水土流失定位观测点为平台，试验地坡向为东南，坡度15o；成土母质为花岗岩残积坡积物，土壤类型为红壤。

2材料和方法

2.1试验设计供试果树为15年的油桃(Prunuspersicavar.nectarinaMaxim.)，试验地初始(1996年)土壤基础理化性状见表1。试验采用裂区设计，共3个处理，分别为顺坡开垦＋清耕(T1)，即在25m的小区坡面顺坡种植8株果树，坡面自然长草，每年中耕除草3~4次;梯台开垦＋清耕(T2)，即在25m的小区坡面修建8个梯台，台面宽4m，在梯台中间开挖直径80cm、深80cm的坑，种1株果树，台面自然长草，每年中耕除草3~4次；梯台开垦＋套种平托花生(Arachispintoi)(T3)，即在梯台的埂种植百喜草(Paspalumnatatu)和南非马唐(Digitariasmutsii)，台面种植平托花生，梯台设计和果树种植方式同T2。牧草套种方式为带状，每个处理3个重复，每个处理小区面积为100m2，随机排列。本试验自1996年开始，试验前各处理小区的立地条件基本一致。试验过程中果树的施肥管理相同，每年施肥2~3次，肥料为复合肥，每年施肥量根据果树长势和产果量而定，不施用有机肥。施肥点在每株油桃树冠滴水线附近，挖条形沟(宽15cm，深10cm)，均匀撒入肥料后即覆土。

2.2土壤取样于2009年4月下旬在每个小区按S形布设取样点5个，调查土壤剖面特征，用环刀法测定土壤容重，3次重复，每个取样点分0~20cm和20~40cm取原状土样，大小约为20cm×20cm，然后按四分法取混合土样1kg。将取回的原状土样，按土壤自然裂隙轻轻掰成10mm左右的团粒，在阴凉处风干。

2.3团聚体指标测定土壤团聚体的分离依据Elliott[8]的方法，并略作修改。称取风干土100g，把土样放在最大孔径筛上，在水中浸泡5min，用振荡式机械筛分仪(上下振幅3cm，30次min-1)筛5min，分离出>2mm、1~2mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm、0.106~0.25mm、<0.106mm的土壤团聚体，分别在50℃下烘干，称重。参照骆东奇等[4]的方法计算>0.25mm团聚体R0.25、平均重量直径(Meanweightdiameter,MWD)和几何平均直径(Geometricmeandiameter,GWD)。分形维数(Fractaldimension，D)采用杨培岭等[5]的方法计算。土壤团聚体有机碳贮量按下式计算：SOC=soc×W×ρ×H，式中：SOC为土壤团聚体有机碳贮量(thm-2)；soc为土壤团聚体有机碳含量(gkg-1)；W为团聚体质量比例；ρ为土壤容重(gcm-3)；H为土层厚度(cm)。

2.4测定方法土壤样品中的全氮采用开氏蒸馏法、碱解氮采用碱解扩散法、全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法、速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法,CEC测定采用乙酸铵法[9]。不同粒级土壤团聚体总有机碳含量的测定采用重铬酸钾外加热法[9]。

2.5数据处理用MicrosoftExcel2003和DPS7.05软件进行数据统计、差异显著性检验和相关性分析，多重比较采用LSD法。

3结果和分析

3.1生草栽培对土壤团聚体分布的影响由图1可以看出，T1、T2和T3处理对各粒级团聚体的分布表现出一定的相似性，但0~20cm土层>2mm的团聚体含量显著高于20~40cm土层的。不同垦殖方式在土壤团聚体的数量分布上存在一定的差异。就0~20cm土层而言，T1处理的>2mm团聚体含量比T2和T3处理的高8.35%和55.30%，其与T3处理的差异达显著水平，与T2处理的差异不显著。T3处理的1~2mm、0.5~1mm和0.25~0.5mm团聚体含量分别比T1和T2处理的增加46.70%和71.10%、53.53%和47.54%，51.92%和15.32%，其与T1处理的差异均达显著水平，但T1和T2处理间的差异不显著。另外，3种处理的0.106~0.25mm和＜0.106mm团聚体含量亦无显著差异。就20~40cm土层而言，T3处理的>2mm团聚体含量显著高于T1和T2处理的，但其0.5~1mm和0.25~0.5mm团聚体含量比T1和T2处理分别降低了23.52%和10.30%，19.12%和31.49%。

3.2生草栽培对桃园土壤团聚体稳定性的影响由表2可知，同一土层，T3处理的土壤团聚体R0.25、MWD和GWD分别比T1和T2处理的高3.78%~5.90%、16.82%~20.94%、13.33%~19.95%和3.81%~13.82%、5.86%~50.31%、7.50%~60.63%，且T3与T1处理间的差异达显著水平，说明T3处理的土壤团聚体结构比T1和T2处理的更稳定。同一处理，0~20cm土层的MWD和GWD分别比20~40cm土层的高16.93%~66.04%和16.02%~73.37%，且两土层间的差异达显著水平。由表2还可以看出，0~20cm土层，不同垦殖方式的土壤分形维数以T1>T2>T3；20~40cm土层为T2>T1>T3；T3处理的土壤分形维数分别比T1和T2处理的降低1.54%~2.35%和1.09%~9.64%，亦说明T3处理的团聚体稳定性优于T1和T2处理。

3.3生草栽培对土壤团聚体有机碳含量的影响表3显示，不同粒级土壤团聚体的有机碳含量存在差异，表现为大团聚体(>0.25mm)的有机碳含量高于微团聚体(<0.25mm)。就垂直分布来看，0~20cm土层各粒级土壤团聚体有机碳含量均高于20~40cm土层的。果园生草栽培显著增加了土壤有机碳含量，对土壤不同粒径团聚体的有机碳含量的影响也非常明显。由表3可见，在0~20cm土层，T3处理以>2mm和1~2mm团聚体有机碳含量较高，分别比T1和T2处理高52.53%和24.54%，且差异达显著水平；而T1处理以>2mm和0.5~1mm团聚体有机碳含量较高，T2处理以1~2mm和0.5~1mm团聚体有机碳含量较高。在20~40cm土层，不同垦殖方式下各粒级团聚体的有机碳含量均为>2mm>1~2mm>0.5~1mm>0.25~0.5mm>0.106~0.25mm。3.4生草栽培对桃园土壤团聚体有机碳分配的影响不同土层土壤团聚体有机碳贮量在不同垦殖方式下表现出相似的变化规律(表4)，大团聚体有机碳贮量占总有机碳贮量的比例(57.29%~69.78%)高于微团聚体有机碳贮量所占的比例，且0~20cm土层团聚体有机碳贮量均表现为>2mm>1~2mm>0.5~1mm>0.25~0.5mm>0.106~0.25mm。由表4可见，在0~20cm土层，T2和T3处理以>2mm团聚体有机碳贮量最高，分别占总贮量的34.46%和43.19%，而T1处理的<0.106mm团聚体有机碳贮量最高(占32.00%)；且T2和T3处理大团聚体(>0.25mm)有机碳贮量显著高于T1处理。在20~40cm土层，T1、T2和T3处理均以<0.106mm团聚体有机碳贮量最高，但T3处理>2mm团聚体有机碳贮量和分配比例明显高于T1和T2处理。另外，不同处理大团聚体(>0.25mm)有机碳贮量均为T3>T1>T2。

4讨论

长期生草栽培可增加果园土壤有机碳贮量并明显提高土壤团聚体的稳定性。李会科等[10]的研究表明，果园生草可降低土壤容重，增加孔隙度，提高水稳性团聚体含量，其影响主要集中在0~40cm土层。本研究也表明，果园生草处理使土壤团聚体的R0.25、MWD和GWD均高于顺坡清耕和梯台清耕处理，说明生草栽培使土壤团聚体的数量、分布和稳定性均优于清耕处理，可能是由于长期免耕和连续稳定输入有机物料，减少了人为扰动的频率和强度，有机物料在团聚体中富集的同时也促进了大团聚体的形成，进而增强土壤团聚体的稳定性。Tisdall等[11]的研究指出，大团聚体(>250μm)主要是由土壤根系和菌丝胶结作用而成，而微团聚体(<250μm)主要是通过多价阳离子桥和多糖形成的。生草模式增加了土壤中的根系密度，由于根系的缠绕作用，使矿物颗粒和有机物胶结而形成较大的团聚体。此外，土壤中的死亡根系腐解后的活性有机质的强持水性，以及由此产生的稳定热容量和颗粒表面电场的相对稳定，使得生草处理的土壤密度低于清耕处理，土壤孔隙类型和数量更适宜土壤稳定结构的形成[12]。长期生草处理使不同粒径团聚体有机碳含量比顺坡清耕和梯台清耕处理有明显提高，且大团聚体的有机碳含量显著高于微团聚体，大团聚体对有机碳具有较高的富集作用[13]。微团聚体有机碳含量低于大团聚体的，是因为有机质是团聚体形成的主要黏结介质，有机分子与粘粒和阳离子相互胶结形成微团聚体，微团聚体与周围基本粒子或微团聚体之间再相互胶结形成大团聚体[14]。大团聚体的解体又可形成微团聚体，从而使微团聚体的有机碳含量更低。但土壤良好的结构状态不仅是存在大团聚体，而且土壤微团聚体的数量和质量也很重要。由于土壤团聚体特定的孔隙特征，使得不同粒径团聚体中的有机碳不仅在数量上存在差异，在稳定性方面也不尽相同[15]。Buyanovsky等用14C标记法进行研究，结果表明，在1~2mm粒径团聚体中新有机碳的平均驻留时间为1年，而在100~250μm粒径团聚体中的保留时间为6年，即粗微团聚体中有机碳的生物可利用性较高，细的微团聚体中有机碳更新周期更长、更稳定[16]。本研究结果表明，长期生草处理果园土壤微团聚体有机碳含量分别比顺坡清耕和梯台清耕处理平均提高40.10%和2.72%，这与生草栽培能显著提高土壤有机碳含量有关。已有研究认为，土壤团聚体中有机碳的分配与结合机制反映了其有机碳的固定效应[17]。本研究结果表明，不同垦殖方式对土壤团聚体有机碳贮量和分配产生一定的影响。从团聚体有机碳的分配比例来看，果园生草栽培的大团聚体有机碳分配比例分别比顺坡清耕和梯台清耕处理提高7.95%和0.65%，而微团聚体有机碳的分配比例分别降低了14.54%和1.48%，说明长期生草处理过程中，外源有机碳的输入首先出现在大团聚体中，大团聚体的形成速度比微团聚体快。同时，微团聚体通过有机质的胶结形成大团聚体而减少了微团聚体有机碳的比例，从而增加了大团聚体有机碳分配比例，这与Gale等[18]的研究结果一致。由于大团聚体有机碳比微团聚体有机碳更易被微生物分解，能在较短的时间内分解释放部分养分供植物吸收利用[19]。因此，果园生草栽培使大团聚体有机碳比例增加，对于果树的生长具有积极意义。另外，与微团聚体结合的有机质大部分是由高度腐殖化的惰性组分组成，且受到物理保护，因此增加稳定微团聚体包裹态有机碳的数量，可降低微生物对其分解和延长周转时间[20]，从而增加长期的土壤碳汇。本研究结果表明，果园生草栽培的微团聚体有机碳贮量分别是清耕处理的1.01~1.02倍，说明果园生草处理增强了土壤有机碳的保护和碳汇作用，但对于果园生草管理措施下土壤团聚体对有机碳物理保护的饱和限还有待于进一步研究。