石宗琳王加旭梁化學史紅平魏彬萌王益權?

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100）

（2 衡水學院生命科學系，河北衡水 053000）

（3 陜西省土地工程建設集團，西安 710075）

渭北不同園齡蘋果園土壤團聚體狀況及演變趨勢研究*

石宗琳1，2王加旭1梁化學1史紅平1魏彬萌3王益權1?

（1 西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌 712100）

（2 衡水學院生命科學系，河北衡水 053000）

（3 陜西省土地工程建設集團，西安 710075）

為了探索果業(yè)生產(chǎn)和果園管理措施對土壤質(zhì)量的影響，選取了渭北旱源蘋果主產(chǎn)區(qū)彬縣10a幼齡和21a老齡蘋果園0～40 cm土壤為研究對象，以農(nóng)田為對照，采用干篩法和濕篩法研究了不同種植年限果園土壤團聚狀況與演變趨勢。結果表明：渭北地區(qū)土壤機械穩(wěn)定性團聚體以＜0.25 mm微團聚體為優(yōu)勢級別，僅0～20 cm處隨園齡遞增果園土壤團聚化趨勢較為明顯，＞0.25 mm土壤團聚體含量（DSAC0.25）、平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）均顯著增大，團聚體分形維數(shù)（D）遞減，但是，10～0.25 mm和5～1 mm最有價值團聚體和團聚體系數(shù)（KCTP）均在遞減。渭北土壤水穩(wěn)性團聚組成中約60%為＜0.25 mm微團聚體，在0～30 cm處土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD和WSAC0.25呈現(xiàn)為農(nóng)田（對照CK）＞10a果園＞21a果園，隨園齡遞增有明顯增大趨勢。＞0.25 mm 團聚體的破壞率（PAD0.25）隨園齡增加顯著增大，遞增幅度隨土層深度增加而遞減。相關分析表明，土壤總有機碳（TOC）、顆粒態(tài)有機碳（POC）與機械穩(wěn)定性團聚體各項指標呈極顯著相關，土壤碳酸鈣含量、黏粒含量與水穩(wěn)定團聚體多項指標呈極顯著相關，PAD0.25與土壤理化性質(zhì)呈顯著相關。研究表明，果樹種植在表觀上明顯提高了渭北地區(qū)表層0～20 cm土壤機械穩(wěn)定性大團聚體數(shù)量，增強了土壤抗風蝕能力，但卻顯著降低了土壤團聚體的農(nóng)藝質(zhì)量及其穩(wěn)定性，果園土壤團聚體的農(nóng)藝質(zhì)量顯著退化與有機物及碳酸鈣含量遞減有著直接關系。

蘋果園；種植年限；土壤團聚體狀況；團聚體穩(wěn)定性

團聚體是影響土壤孔隙狀況以及水、肥、氣、熱狀況的重要因素［1-2］，是決定土壤抗蝕、壓實、板結等物理過程的關鍵指標，也是土壤中物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化的場所，對植物生長以及土壤有機碳儲備具有深遠的影響［1，3］。團聚體穩(wěn)定性作為土壤生態(tài)變化的重要指標而倍受關注［4］。渭北地區(qū)農(nóng)田大面積更替為蘋果園，研究隨植被更替以及果園年齡遞增、土壤管理措施的變化，土壤團聚狀況及其穩(wěn)定性演化趨勢，將是分析渭北地區(qū)果業(yè)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)健康的重要內(nèi)容。

土壤團聚體狀況及穩(wěn)定性不僅受顆粒組成、有機及無機膠結物、交換性陽離子組成的影響，而且很大程度上也受土壤環(huán)境變化、植被類型以及人為生產(chǎn)活動的強烈影響［2，5-6］。頻繁的耕作活動被認為是破壞土壤團聚體狀況的因素之一，隨耕作強度增加土壤團聚體含量減少、穩(wěn)定性降低［3］。平衡施肥和低肥處理的土壤團聚體較常規(guī)施肥的更穩(wěn)定。增施有機肥、有機無機配合施用、秸稈還田能顯著增加較大直徑水穩(wěn)性團聚體的含量，改善土壤團聚狀況［3］。黃土高原地區(qū)恢復禁牧草地與造林是增加土壤團聚體穩(wěn)定性、減少土壤侵蝕的有效方法［7］。上述工作足以證實不同耕作、施肥、土地利用措施變更均會不同程度地影響土壤團聚體的形成過程及團聚狀況。

渭北地區(qū)氣候獨特，自然生態(tài)條件優(yōu)越成為蘋果優(yōu)生區(qū)，自1980年以來大面積從農(nóng)田更替為果園，極大地改善了生態(tài)景觀，促進了經(jīng)濟快速發(fā)展［8］。然而，果園多年大量使用無機化肥、農(nóng)藥等不合理的土壤管理措施［9］，以及因為覆被更替使得果園土壤的干濕交替過程弱于農(nóng)田等，隨著植果年限增加，果樹明顯衰老、果實產(chǎn)量與品質(zhì)下降、果園土壤質(zhì)量退化明顯，尤其是在20～40 cm處土壤緊實化問題較為普遍，且有愈加嚴重趨勢，制約著蘋果生產(chǎn)和果業(yè)可持續(xù)發(fā)展［8，10］。因此系統(tǒng)研究果園土壤質(zhì)量演變趨勢顯得尤為必要。目前對渭北果園土壤質(zhì)量的研究多集中在養(yǎng)分狀況方面［9］，少有涉及容重、緊實度、孔隙度以及飽和導水率等指標的果園土壤物理退化研究［8，10］，隨園齡遞增土壤團聚體狀況演變過程及演變態(tài)勢少有人問津，至今仍然缺乏對渭北地區(qū)果樹衰老、果園退化以及果樹忌地發(fā)生的全面認識。本研究以渭北相同自然條件下的蘋果園土壤為研究對象，以農(nóng)田土壤為對照，分析不同植果年限的果園土壤及農(nóng)田土壤團聚體組成、穩(wěn)定性及其變化趨勢、進一步分析不同種植年限土壤的理化性質(zhì)與團聚體穩(wěn)定性的關系，旨在揭示果園生產(chǎn)與人為耕作管理對土壤質(zhì)量的影響，為果業(yè)可持續(xù)發(fā)展、防止果園土壤質(zhì)量退化提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選在陜西省渭北旱塬中西部蘋果主產(chǎn)區(qū)的彬縣，屬黃土溝壑塬區(qū)，平均海拔1108 m，年均氣溫9.7℃，晝夜溫差11.7℃，年均降水量579 mm，無霜期180d，屬典型大陸性暖溫帶半干旱氣候特征。試驗地點選在該縣新民鎮(zhèn)，此處蘋果規(guī)?；耘鄽v史較長，具有渭北果區(qū)氣候、土壤以及栽培管理模式的代表性，蘋果品種為紅富士。土壤類型為壤質(zhì)黑壚土，系統(tǒng)分類名稱為堆墊干潤均腐土（Cumuli-UsticIsohumosols）。

1.2 樣品采集

采樣時間為2014年5月份，選擇了自然生態(tài)條件相同、植果年限分別為10a的幼齡、21a的老齡蘋果園作為研究對象，每個園齡各選取3個果園作為試驗重復。在每個果園內(nèi)選取代表性的果樹3株，依據(jù)果樹根系分布特征以及施肥管理情況，在距離樹主干1m且非施肥位置處設置采樣點，按0～10、10～20、20～30、30～40 cm逐層采集原狀土柱樣品約1kg，并裝入硬質(zhì)盒中防止在運輸過程中受擠壓破壞?；谠摰貐^(qū)均是從農(nóng)田更替為果園的客觀現(xiàn)實，在果園旁邊選取未曾植果的、常規(guī)管理模式的農(nóng)田作為對照（CK），按相同層次采集土壤樣品。將所采集土樣運回室內(nèi)，在陰涼處自然風干，在風干過程中沿團聚體間自然裂隙輕輕掰分成直徑1cm左右的小土塊，剔除其中植物殘體，待充分風干后把同一個果園內(nèi)相同土層樣品混合備用，共獲得24個果園及12個農(nóng)田原狀土壤樣品。一部分用于土壤團聚體狀況測定，另一部分磨細后供土壤性質(zhì)測定。

1.3 樣品分析

土壤團聚體組成測定分別采用了干篩法和濕篩法。在干篩時稱取風干土樣約500 g，用孔徑為10、7、5、3、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，在8411型電動振篩分機上（浙江省上虞市道墟五四儀器廠）以30次min-1篩分5 min，將留在每級篩子上的團聚體稱重，計算各級團聚體占土樣總量的百分含量。然后按其百分比，配成2份質(zhì)量為50 g的土樣，作濕篩分析用。在濕篩時先將團聚體充分潤濕5 min后，再用孔徑為5、2、1、0.5、0.25 mm的套篩，在TTF-100型土壤團聚體分析儀（浙江省上虞市舜龍實驗器廠）上以30次min-1篩分6 min（振幅4 cm）。濕篩結束后將留在各級篩孔上的團聚體用水洗入鋁盒中，烘干后稱重，計算水穩(wěn)性團聚體組成。

供試土壤有機質(zhì)含量測定采用硫酸-重鉻酸鉀外加熱法，碳酸鈣含量測定采用氣量法，土壤容重測定采用環(huán)刀法，土壤機械組成采用沉降分析的吸管法［11］，土壤顆粒態(tài)有機碳含量參考Cambardella 和Elliott［12］的研究方法。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1，其中隨著園齡增長土壤碳酸鈣含量減少極為明顯。

1.4 土壤團聚體評價指標

團聚體平均重量直徑（MWD）和幾何平均直徑（GMD）計算采用式（1）和式（2）［13］

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the soils investigated

式中，X—i為某級別團聚體直徑（mm）的中值，Wi為團聚體的百分含量。

土壤團聚體分形維數(shù)（D）的計算采用楊培嶺等［14］的推導公式

式中，D為土壤團聚體的分形維數(shù)，W（r＜Ri）為直徑小于Ri累計土壤團聚體的質(zhì)量，r為土壤團聚體直徑，WT為總質(zhì)量，Ri為兩相鄰直徑Ri和Ri+1間團聚體的平均直徑，Rmax為最大級別的平均直徑。

＞0.25 mm團聚體破壞率計算公式［13］

式中，PAD0.25表示＞0.25 mm 團聚體破壞率，Wa表示＞0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量，Wb表示＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量。

土壤團聚體系數(shù)（KCTP）計算公式［15］

式中，分子為不同處理土壤10～0.25 mm團聚體的累積值，分母為直徑＞10 mm與直徑＜0.25 mm團聚體含量之和。

采用Excel2007和SAS8.0進行統(tǒng)計分析，多重比較采用鄧肯檢驗，顯著水平（p＜0.05）。

2 結 果

2.1 果園土壤機械穩(wěn)定性團聚體狀況演化趨勢

土壤團聚體組成是決定土壤質(zhì)量好壞的因素之一［13］。通過干篩法獲得不同試驗土壤的機械穩(wěn)定性團聚體組成。由圖1可知，不同處理下土壤團聚體的組成差異明顯。在0～10 cm土層，農(nóng)田對照（CK）土壤團聚體組成隨直徑減小呈現(xiàn)階梯式遞增態(tài)勢，＜0.25 mm微團聚體占據(jù)優(yōu)勢級別。當農(nóng)田更替為果園后，直徑較小的團聚體含量逐漸減少，直徑較大的團聚體增加，直至21a果園土壤團聚體組成呈現(xiàn)出M型分布態(tài)勢，具有直徑較大和較小團聚體兩個優(yōu)勢級別（圖1a）。在10～20 cm土層，不同處理土壤團聚體組成差異與0～10 cm具有一致規(guī)律，團聚體組成優(yōu)勢和變化幅度均小于0～10 cm土層（圖1b）。在20～40 cm土層各處理的土壤團聚體組成呈現(xiàn)出數(shù)量均勻化態(tài)勢，無明顯優(yōu)勢級別團聚體呈現(xiàn)（圖1c和圖1d）。

從團聚體的環(huán)境質(zhì)量考慮，＞10 mm團聚體在改善土壤孔性、增強土壤通透性、增強抗風蝕能力等方面具有重要價值，尤其是對于表層土壤而言更顯得重要［13-16］。與農(nóng)田相比，10a果園土壤＞10 mm團聚體含量在0～20 cm土層平均提高了36%以上（p＜0.05），但在20～40 cm土層降低了12%以上。21a果園土壤＞10 mm團聚體含量在0～40 cm土層均高于農(nóng)田和10a果園，分別為農(nóng)田和10a果園的1.24倍～3.76倍和1.30倍～2.75倍。＞10 mm的團聚體含量的增加對于提高果園土壤接納降水，減少地面徑流，增加土壤抗風蝕能力產(chǎn)生了一定的效果。

從土壤團聚體的農(nóng)藝質(zhì)量出發(fā)，直徑10～0.25 mm的團聚體是決定土壤物理、化學和生物性質(zhì)的重要指標，被稱之為理想團聚體［13，16］。＞10 mm團聚體含量過多會因結構體過大而影響土壤保墑性和作物出苗，直徑＜0.25 mm微團聚體含量過多會因結構體過小而影響土壤通氣透水性和微生物活性。與農(nóng)田相比，在0～40 cm土層范圍，果園土壤10～0.25 mm的團聚體含量有減小趨勢，10a果園土壤10～0.25 mm 團聚體含量較農(nóng)田土壤減少了0.34%～6.57%，21a果園土壤較農(nóng)田土壤減少了4.26%～15.71%。從農(nóng)田更替為果園，土壤團聚體的農(nóng)藝質(zhì)量有明顯下降趨勢，下降幅度最大的為0～10 cm表層。

圖1 果園土壤機械穩(wěn)定性團聚體組成Fig. 1 Composition of themechanically-stable soil aggregates in the orchards

目前，常用評價土壤團聚體狀況的指標有＞0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量（DSAC0.25）、平均重量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）、團聚體分形維數(shù)（D）［17］等。從土壤的整體團聚狀況來看（見表2），與農(nóng)田相比，10a果園＞0.25 mm團聚體含量，在10～20 cm土層顯著提高了5.43%（p＜0.05），其他土層下降范圍為3.46%～7.51%，達顯著水平（p＜0.05）。21a果園＞0.25 mm團聚體含量在0～40 cm土層范圍均大于農(nóng)田土壤，且較10a果園提高了1.19%～9.37%，除10～20 cm土層外，其他土層DSAC0.25增幅達到了顯著水平（p＜0.05）。說明在植被更替過程中土壤團聚體狀況是先減弱后增強的過程。

與農(nóng)田相比，1 0 a果園M W D和G M D在0～20 cm土層分別提高了13.80%～36.12%和 6.84%～48.82%，在20～40 cm土層分別下降了13%左右和22%以上（p＜0.05），分形維數(shù)D在0～10 cm和20～40 cm土層提高了0.64%～3.67%，在1 0～2 0 c m土層顯著降低了1.5 7%（p ＜0.05）。0～40 cm土層范圍21a果園MWD和GMD值分別較10a果園提高了7.66%～56.86%和8.04%～52.37%，除0～10 cm土層，21a果園團聚體分形維數(shù)D較10a果園下降了0.39%～4.26%。各處理土壤的MWD和GMD在20～40 cm土層大于0～20 cm土層，團聚體分形維數(shù)D變化趨勢相反。

表2 供試土壤機械穩(wěn)定性團聚體狀況Table 2 Mechanically-stable aggregate indexes of tested soils

土壤團聚體系數(shù)（KCTP）是以10～0.25 mm“優(yōu)質(zhì)”團聚體和＞10 mm及＜0.25 mm等“不良性狀”團聚體為綜合性指標，從“量”和“質(zhì)”兩個方面評價土壤團聚狀況［15］。從表2看出，農(nóng)田土壤的KCTP變化在2.29～2.52，各土層均高于果園土壤。隨園齡增加各土層KCPT有明顯遞減趨勢，其中以0～10 cm土層的遞減幅度最明顯，從農(nóng)田的2.44遞減至21a果園的1.40。

2.2 果園土壤水穩(wěn)性團聚體狀況及演變趨勢

水穩(wěn)性團聚體較非水穩(wěn)性團聚體對于保持土壤穩(wěn)定狀態(tài)更具重要價值［1］。從圖2看出，渭北土壤水穩(wěn)性團聚體狀況普遍較差，無論農(nóng)田還是果園土壤經(jīng)濕篩后的水穩(wěn)性團聚體組成均以＜0.25 mm的微團聚體作為優(yōu)勢級別，變化范圍為48.11%～76.57%，大部分土壤在60%以上。0～30 cm土層內(nèi)兩個園齡果園土壤的＜0.25 mm微團聚體含量均高于農(nóng)田，且隨園齡增加而增加，表層土壤的增加幅度高于底層，在0～20 cm土層范圍各處理間差異達顯著水平（p＜0.05），20～30 cm處差異不顯著，在30～40cm處，＜0.25 mm微團聚體含量從農(nóng)田到10a果園顯著遞增，進一步演變至21a果園又顯著遞減（p＜0.05）。

圖2 果園土壤水穩(wěn)性團聚體組成Fig. 2 Composition of the water-stable soil aggregates in the orchards

由表3可以看出，0～40 cm土層范圍內(nèi)農(nóng)田土壤中＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量（WSAC0.25）變化范圍為37.99%～44.86%，分別較10a和21a果園土壤提高了7.49%～41.76%和4.39%～83.18%，且隨園齡增加而減小。相同土層不同處理土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD和GMD的變化趨勢與WSAC0.25變化相一致，農(nóng)田土壤的MWD和GMD均顯著大于兩個園齡果園（p＜0.05）。土壤水穩(wěn)性團聚體的分形維數(shù)D變化范圍雖然小，但在相同土層間基本上也呈現(xiàn)出了從農(nóng)田到果園規(guī)律性的顯著遞增態(tài)勢（p ＜0.05）。總之，果園土壤水穩(wěn)性團聚性較農(nóng)田差，且隨園齡遞增水穩(wěn)性團聚狀況逐漸變差。

2.3 果園土壤團聚體穩(wěn)定性特征

土壤團聚體的穩(wěn)定性與其大小是同等重要的質(zhì)量指標，土壤科學發(fā)展更加關注團聚體的穩(wěn)定性，因為它直接關系到土壤對不同環(huán)境的適應與協(xié)調(diào)性能。比較表2和表3，渭北農(nóng)田、10a果園和21a果園土壤機械穩(wěn)定性團聚體與水穩(wěn)性團聚體的各項指標差異很大，機械穩(wěn)定性團聚體的MWD、GMD、 D和＞0.25mm團聚體含量分別是水穩(wěn)性團聚體的4.10倍～11.75倍、3.56倍～10.64倍、1.09倍～1.16倍和1.52倍～3.24倍，說明渭北土壤團聚體的水力學穩(wěn)定性較差。

團聚體破壞率（PAD0.25）是表示土壤團聚體在水力作用下分散程度的度量指標，其值越小表明土壤團聚體水力學穩(wěn)定性越高［13］。由圖3看出從農(nóng)田到果園土壤，PAD0.25值逐漸增大，只是在不同土層處其變化幅度有所差異。在0～40 cm土層范圍，農(nóng)田土壤的PAD0.25均低于兩個園齡果園土壤（p＜0.05）。在0～30 cm土層范圍，以21a果園土壤PAD0.25最大，范圍為60.82%～69.14%，是10a果園土壤的1.05倍～1.45倍，而在30～40 cm土層處，21a果園PAD0.25較10a果園減少了12.48%。除20～30cm土層外，其他各土層土壤PAD0.25值在處理間的差異達顯著水平（p＜0.05）。由此可以得出果園0～20 cm土層范圍土壤團聚體的水力學穩(wěn)定呈現(xiàn)出逐漸變差的過程。

2.4 果園土壤性質(zhì)與團聚體狀況之間的相關關系

相關關系表明（表4），土壤總有機碳（TOC）、顆粒態(tài)有機碳（POC）與機械穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD、D和DSAC0.25呈極顯著負相關或正相關，而與水穩(wěn)性團聚體各指標相關性不顯著，說明土壤有機碳影響機械穩(wěn)定性團聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性。土壤碳酸鈣含量與水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和WSAC0.25呈極顯著正相關，與D相關性不顯著，說明碳酸鈣含量影響水穩(wěn)性團聚體數(shù)量和穩(wěn)定性。砂粒、粉粒和黏粒含量與水穩(wěn)性團聚體MWD、 GMD和WSAC0.25呈顯著相關性，說明土壤質(zhì)地影響水穩(wěn)性團聚體的穩(wěn)定性。僅砂粒和粉粒與土壤機械穩(wěn)定性團聚體MWD呈顯著相關，與其他指標相關性均不顯著，說明土壤質(zhì)地對土壤團聚體機械穩(wěn)定性影響較小。土壤TOC、POC、碳酸鈣（CaCO3）、粉粒與團聚體破壞率（PAD0.25）均呈極顯著負相關，砂粒和黏粒與PAD0.25呈顯著或極顯著正相關。

表3 供試土壤水穩(wěn)性團聚體狀況Table 3 Water-stable aggregate indexes of tested soils

表4 土壤團聚體穩(wěn)定性指標與土壤理化性質(zhì)的相關性Table 4 Correlation between soil aggregate stability indexes and soil physicochemical properties

圖3 果園土壤＞0.25mm團聚體破壞率變化趨勢Fig. 3 Variation of ＞0.25mm soil aggregate in destruction rate as affected by orchard cultivation

3 討 論

3.1 渭北果園土壤團聚體狀況評價

渭北從農(nóng)田植被更替為果園，因有冠層的保護作用，以及對近地面空氣濕度、干濕變化程度等小氣候的影響，體現(xiàn)著明顯的氣候作用特征，表現(xiàn)為在0～20 cm土層范圍果園土壤＞10 mm團聚體含量大于農(nóng)田，且隨著種植年限的增加而增加，說明果園抗風蝕能力高于農(nóng)田，隨著年限增加，抗風蝕能力以及表層土壤通氣性得到了改善。盡管從農(nóng)田更替為果園以及隨種植年限的遞增，渭北土壤團聚體狀況有不同程度的變化，但是，對土壤團聚體的評價不能只依據(jù)變化方向和程度，更要依據(jù)它在土壤諸多因素方面的作用進行評價。

以干篩后10～0.25 mm團聚體含量和KCTP為指標評價土壤團聚狀態(tài)，土壤10～0.25mm含量＞60%為優(yōu)良團聚狀態(tài)，60%～40%為良好狀態(tài)，＜40%則為差等狀態(tài)；土壤KCPT＞1.5為優(yōu)良級別，1.5～0.67為良好，＜0.67為差等團聚狀態(tài)［15］。依據(jù)這兩個指標及其閾值和表2可以得出，目前渭北農(nóng)田和果園土壤多屬于優(yōu)良級團聚狀態(tài)，僅21a果園在0～10 cm土層的團聚狀態(tài)遞減至良好級別。但渭北果園各層土壤團聚狀態(tài)指標均逐漸逼近于上述指標閾值，意味著土壤團聚質(zhì)量正發(fā)生著潛在的退化過程，只是暫未表現(xiàn)出明顯的結果而已。綜上所述，以機械穩(wěn)定性團聚體的團聚水平為考量，渭北地區(qū)從農(nóng)田更替為果園后隨著植果年齡增加土壤團聚化水平有增加趨勢，但是，土壤團聚體的質(zhì)量水平則有明顯的退化態(tài)勢。

以濕篩后＞0.25 mm團聚體為指標，認為＜30%屬于不良團聚狀態(tài)，30%～40%屬于較差團聚狀態(tài)，40%～75%屬于良好狀態(tài)，＞75%屬于相當優(yōu)良狀態(tài)。依據(jù)表3可以看出，在0～20 cm土層范圍，渭北土壤團聚狀態(tài)已經(jīng)從農(nóng)田的良好級別演化為10a果園的較差狀態(tài)，又進一步演化為21a果園的不良狀態(tài)。而20～40 cm土層各處理間雖然均屬較差團聚狀態(tài)，級別沒有變化，但是＞0.25 mm團聚體存在明顯的遞減趨勢。

綜合干篩和濕篩后不同試驗處理土壤團聚體狀態(tài)變化情況可以得出，渭北果園土壤表觀上機械穩(wěn)定性團聚體似乎有增大的趨勢，提高了土壤抗風蝕的環(huán)境質(zhì)量，但是，從團聚體的農(nóng)藝性狀考量，渭北果園土壤團聚體質(zhì)量呈顯著的遞減和退化態(tài)勢。

3.2 植果對土壤團聚體狀況的影響

一般情況下認為干篩后＞0.25 mm團聚體含量（DSAC0.25）越高、MWD和GMD值越大表示土壤團聚體穩(wěn)定性越強，土壤結構性越好，而分形維數(shù)（D）與之相反，D值越小，表明土壤團聚體越穩(wěn)定，土壤結構狀態(tài)越好［13，18］。渭北地區(qū)果園土壤機械穩(wěn)定性團聚體的MWD、GMD和DSAC0.25隨種植年限延長而增大，隨土壤深度增加而增加；D則相反，隨園齡增大和隨土層深度增加而減小，說明植果提高了土壤團聚體的機械穩(wěn)定性，與劉文利等［13］對延邊地區(qū)蘋果梨園團聚體研究結果一致。在0～20 cm土層，10a果園土壤機械穩(wěn)定性團聚體MWD、GMD大于農(nóng)田，而在20～40 cm土層變化趨勢相反，說明農(nóng)田改建為果園提高了0～20 cm土層的土壤機械穩(wěn)定性，因為農(nóng)田土壤0～20 cm土層擾動較果園大，降低了＞10 mm大團聚體數(shù)量，因此MWD和GMD值減?。?9］。農(nóng)田、10a和21a果園土壤20～40 cm土層MWD和GMD值大于0～20 cm土層，與趙紅和呂貽忠［20］研究結果類似，說明20～40 cm土層土壤團聚體機械穩(wěn)定性優(yōu)于0～20 cm土層，這也是因為表層受人為活動干擾多，擾動頻繁，盡管有機質(zhì)含量高于下層，但在土壤擾動過程中易于暴露，分解速度大于下層，弱化了對機械穩(wěn)定性團聚體的膠結作用［19］。

土壤中較大直徑的水穩(wěn)性團聚體越多，對保持土壤結構穩(wěn)定狀態(tài)具有重要貢獻，也是衡量土壤抗侵蝕能力的指標之一［1］。本研究結果表明數(shù)量優(yōu)勢級別水穩(wěn)性團聚體隨直徑減小而增加，與Huang等［21］研究結果一致。數(shù)量上優(yōu)勢級別的水穩(wěn)性團聚體直徑越小，意味著團聚體在浸水條件下抵抗破壞能力越小，在濕篩過程中大部分非水穩(wěn)性團聚體散碎，形成了小直徑的水穩(wěn)性團聚體［22］。有研究表明，在同一母質(zhì)上發(fā)育的土壤因利用類型的不同，團聚體的組成和數(shù)量均可能發(fā)生巨大變化［6］。渭北農(nóng)田土壤水穩(wěn)性團聚體的MWD、GMD 和WSAC0.25大于果園土壤，D和PAD0.25均低于果園土壤，說明農(nóng)田土壤水穩(wěn)性高于果園土壤，土壤結構的穩(wěn)定性，抗侵蝕性、透水性則更強，與董莉麗［17］運用LB法對不同利用類型下土壤水穩(wěn)性團聚體研究結果相一致。這與農(nóng)田和果園的管理措施不同，有機質(zhì)輸入質(zhì)和量存在差別有關系［6］。一方面渭北地區(qū)果園土壤有機肥料投入少，為了預防病蟲害，多采取了清耕模式，減少了有機質(zhì)的投入［8］。另一方面，土地利用方式改變打破了土壤有機碳庫的周轉(zhuǎn)規(guī)律，有機碳含量減少［23］。農(nóng)田改為果園后處于生態(tài)系統(tǒng)調(diào)整與恢復期，有機質(zhì)大多為新形成的，有機黏結介質(zhì)多為暫時性的和瞬時性的物質(zhì)，容易分解，因而團聚體穩(wěn)定性較低［24］。與農(nóng)田相比，果園土壤＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體顯著下降，團聚性能變差，與孫蕾等［8］研究結果一致。

隨著種植年限延長，同樣降低水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD、WSAC0.25，而D和PAD0.25增加，說明隨著植果年限的延長土壤團聚體水穩(wěn)性明顯下降，土壤結構變差，抗侵蝕、通透性能下降。這是因為果園土壤長期大量施用的無機化肥［8］對團聚體穩(wěn)定性產(chǎn)生影響［25］，長期植果加速了土壤鈣素退化［26］，減少了水穩(wěn)性團聚體形成的膠結劑。劉文利等［13］對蘋果梨園土壤團聚體水穩(wěn)性研究得出，MWD、GMD隨著種植年限的增加而增加，D隨種植年限增加而減小，果園土壤結構日趨穩(wěn)定，抗侵蝕能力增強，其研究結果與本研究結果相反，原因可能與土壤礦物學性質(zhì)、果樹品種以及植果年限等相關。本研究中果園土壤機械穩(wěn)定性大于農(nóng)田，且隨種植年限延長而增加，但水穩(wěn)性低于農(nóng)田，且隨種植年限增加而減小，這可能受植被冠層和膠結物質(zhì)的種類及性質(zhì)影響，果園和農(nóng)田土壤濕度變異性不同，在作物生長季節(jié)里受干濕交替、凍融交替等物理-機械因素影響的團聚體基本上均是非水穩(wěn)性的［27］。任何土壤的團聚體越大，穩(wěn)定性也越差，這亦是在耕地中難以形成更大團聚體的原因［27］。

3.3 土壤團聚體穩(wěn)定性的影響因素

土壤團聚體的形成是土壤物理學界一直關注的重要課題，眾多學者已開展了卓有成效的研究工作。Edwards和Bremner［28］提出，大團聚體是由黏?！鄡r金屬—有機質(zhì)復合體組成的“有機-無機”復合模式；Puget和Chenu［29］認為，大團聚體的形成是微團聚體通過有機碳膠結形成，微團聚體與大團聚體之間的轉(zhuǎn)化和再分布受耕作方式和土地利用方式的影響。從農(nóng)田更替為果園，植被、施肥、耕作管理以及地面小氣候等變化是驅(qū)動土壤有機質(zhì)、碳酸鈣等性質(zhì)及其團聚體狀況演化的動力。渭北地區(qū)植果后0～40 cm土層的TOC、POC以及碳酸鈣含量均低于農(nóng)田土壤（表1），土壤團聚體狀況的物質(zhì)條件顯著地改變了，勢必會影響土壤的團聚作用。本研究結果表明土壤TOC、POC和土壤機械穩(wěn)定性MWD、GMD和DSAC0.25呈極顯著負相關性，與趙紅和呂貽忠［20］研究結果類似，說明田間情況下土壤機械穩(wěn)定性團聚體的形成不僅受有機碳數(shù)量，更重要受有機質(zhì)種類的影響［23］。TOC、POC與水穩(wěn)性團聚體指標相關性不顯著，說明在黃土性土壤中TOC和POC不是土壤水穩(wěn)性團聚體形成的主導因素，與趙紅和呂貽忠［20］研究結果相悖，這可能是因為該地區(qū)土壤中所含的有機質(zhì)含量少，種類多屬于瞬時性和臨時性的膠結劑，浸水容易分解流失［26］。

本研究結果在體現(xiàn)有機質(zhì)對團聚體作用的時候，似乎與一般認識和概念相悖。但是，這不能否定有機質(zhì)對土壤的團聚作用，只是在渭北地區(qū)自然條件下土壤有機質(zhì)含量和質(zhì)量對于礦物顆粒的膠結與團聚作用強度不夠明顯而已，較早時А.Н.Соколовский［30］就曾指出，“有決定意義的不是腐殖質(zhì)的總量，而是那些不可逆絮凝膠體腐殖質(zhì)的數(shù)量”，土壤腐殖質(zhì)含量愈高，團聚體的水穩(wěn)性越強，在本文中被PAD0.25與有機質(zhì)含量及顆粒態(tài)有機質(zhì)呈顯著負相關所佐證。已有研究表明，土壤團聚體水穩(wěn)性下降和水穩(wěn)性團聚體數(shù)量的減少均與有機質(zhì)含量下降有關［19，31］，增加土壤有機質(zhì)是促進團聚體穩(wěn)定性，防止土壤侵蝕的基本途徑［17］。也有研究表明，有機質(zhì)總量與團聚體穩(wěn)定性之間沒有顯著相關［32］。李霄云等［16］研究得出有機質(zhì)含量與干篩團聚體穩(wěn)定性指標相關性不顯著，而與濕篩團聚體穩(wěn)定性指標呈極顯著相關性。以上研究說明有機質(zhì)對團聚體穩(wěn)定性的影響非常復雜。

土壤團聚體的形成還依賴于其他因素。有研究認為，盡管黏粒和碳酸鈣的膠結力較腐殖質(zhì)弱［33］，但在石灰性土壤中有機質(zhì)并不是最重要團聚體膠結物［34］，碳酸鈣顯著影響團聚體形成［35］。在本研究地區(qū)土壤碳酸鈣含量與水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和WSAC0.25呈極顯著正相關，與D相關性不顯著，證實了“不溶性化合物會導致水穩(wěn)性團聚體的形成”［30］，對團聚體水穩(wěn)性起重要作用的是難溶性碳酸鈣（表4），與Virto等［35］研究結果一致。砂粒、粉粒和黏粒含量與水穩(wěn)性團聚體MWD、GMD和WSAC0.25呈顯著相關性，僅砂粒和粉粒與土壤機械穩(wěn)定性團聚體MWD呈顯著相關，與其他指標相關性均不顯著，這也與一般的邏輯相悖，是因為隨植被更替，近地層農(nóng)田氣候變化以及耕作強度的變化產(chǎn)生的團聚效應掩蓋了顆粒粒級效應的緣故。盡管農(nóng)田耕作較為頻繁，但是，在適耕期內(nèi)合理的機械耕作，會具有良好的結構并取得較好的收成。Д.Г.Виленский發(fā)現(xiàn)有意義的現(xiàn)象是在適宜濕度條件下的機械“拌合”會產(chǎn)生穩(wěn)固性團聚體，在土壤干燥時得以保存，并具有很高的水穩(wěn)性［30］。相同地域內(nèi)土壤質(zhì)地對土壤團聚體機械穩(wěn)定性影響較小，這與李霄云等［16］對陜西交口灌區(qū)農(nóng)田土壤團聚體研究結果一致。

4 結 論

渭北地區(qū)果樹種植提高了0～20 cm土層土壤抗風蝕的環(huán)境質(zhì)量和機械穩(wěn)定性，但隨種植年限增加，土壤團聚體的農(nóng)藝質(zhì)量下降。該地區(qū)土壤水穩(wěn)性團聚體含量隨直徑減小而增加，農(nóng)田土壤水穩(wěn)性高于果園土壤，結構更穩(wěn)定，抗侵蝕、保水保肥能力更強。并且隨著種植年限延長，0～30cm土層果園土壤團聚體水穩(wěn)性、抗侵蝕、保水保肥能力下降。該地區(qū)土壤團聚體機械穩(wěn)定性受TOC和POC影響顯著，受土壤質(zhì)地影響較?。欢鴮λ€(wěn)性起重要作用的是碳酸鈣和土壤質(zhì)地，而TOC不是水穩(wěn)性團聚體的主要膠結劑，對水穩(wěn)性團聚體影響較小。MWD、GMD、WSAC0.25、D和PAD0.25相互間關系達顯著水平，均可作為團聚體穩(wěn)定性評價指標。綜上所述，在該地果樹種植區(qū)域，應通過多施易分解的有機肥、適當深翻等土壤管理措施，增強土壤結構的穩(wěn)定性，減少老齡果園土壤退化問題，促進果業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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Status and Evolution of Soil Aggregates in Apple Orchards Different in Age in Weibei

SHI Zonglin1，2WANG Jiaxu1LIANG Huaxue1SHI Hongping1WEI Binmeng3WANG Yiquan1?
（1 College of Natural Resources and Environment，Northwest A&F University，Yangling，Shaanxi 712100，China）
（2 Department of Life Saienle，Hengshui University，Hengshui，Hebei 053000，China）
（3 Shaanxi Land Construction Group，Xi'an 710075，China）

【Objective】The semiarid region of Weibei is identified as one of the best“eugenic”apple-producing areas in China，owing to its unique eco-environmental conditions. Since the 1980，Weibei has adjusted its agricultural structure by converting large areas of farmland into apple orchard，in order to improve local ecological landscape and economy. But this change in land-use and implementation of a series of unscientific orchard managements（e.g.，inappropriately increasing the application of inorganic fertilizersand pesticides）has led to soil quality degradation，such as declining soil micro-ecosystem biodiversity，soil nutrient imbalance，and their subsequent impacts on yield and quality of the fruit getting more and more significant with increasing age of the apple orchards. Soil aggregates and their stability influence a wide range of soil properties，including carbon stabilization，soil porosity，water infiltration，bulk density，water erosion resistance，etc. Aggregate stability is an issue that has been a focus of increasing attention in recent years as one of the soil properties that can serve as an important indicator of soil quality. So it is necessary to study status and evolution of soil aggregates as affected by changes in land use and management practice and ongoing cultivation as apple orchard in an attempt to provide a scientific basis for maintaining sustainable development of the apply industry and the ecology in the region.【Method】In this study，two apple orchards different in age（10a，juvenile and 21a，over-mature）and a tract of farmland nearby were selected in the semiarid loess region of Weibei，Bin country，Shaanxi，China as objects for investigation of soil aggregates in the 0～40 cm soil layer. Soil samples collected from the sampling lots were analyzed for fractionation of soil aggregates with the dry-sieving and wet-sieving methods，and so for soil basic properties，and soil aggregate stability and correlation between the two.【Result】Results show that the fraction of ＜0.25 mm microaggregates dominated in the soil layers of the apple orchards and farmland（CK）.The topsoil（0～20 cm）in the apple orchards displayed a pronounced aggregation trend with age，which was embodied in significant increase in content of ＞0.25 mm soil aggregates（DSAC0.25），mean weight diameter（MWD）and geometric mean diameter（GMD）and decrease in fractal dimension（D），content of 10～0.25 mm and 5～1 mm valuable aggregates and coefficient of aggregate（KCTP）.The composition of water-stable soil aggregates in the soil of Weibei，about 60% was＜0.25 mm soil micro-aggregate. In terms MWD，GMD and WSAC0.25of waterstable soil aggregates in the 0～30 cm soil layer，an decreasing order of CK＞Orchard of 10a ＞Orchard of 21a was found，and the trend was getting more and more obvious with increasing orchard age. Soil water stable aggregates，soil structure，erosion resistance and fertility retention ability in the 0～30 cm soil layer of apple orchards decreased with increasing orchard age. WSAC0.25was significantly lower than DSAC0.25. Destruction rate of＞0.25 mm soil aggregates（PAD0.25）also significantly increased with increasing orchard age，and the increase declined in extent with soil depth. Correlation analysis shows that soil total organic carbon（TOC），and particulate organic carbon（POC）was closely related to various indices of mechanically-stable soil aggregates，while soil CaCO3content and clay content were significantly related to a number of indexes of water-stable soil aggregates，and PAD0.25to soil physical and chemical properties.【Conclusion】Orchard plantation apparently increases the content of mechanically-stable soil macro-aggregate content in the 0～20 cm，soil aggregation level，and hence its resistance to wind erosion，but significantly reduces agronomical quality and stability of soil aggregates. The significant degradation of agronomical quality of soil aggregates in apple orchards is directly related to the decrease in soil organic matter and CaCO3content in the soil. It is，therefore，recommended that in this semiarid region，more input of easy-to-decompose organic manure，and appropriate soil management measures be adopted to improve stability of the soil in structure，solve the problem of soil degradation in orchards，and promote sustainable development of the apple industry in the region.

Apple orchard；Planting age；Soil aggregate status；Soil aggregate stability

S151.9；S152.4

A

10.11766/trxb201606220093

（責任編輯：檀滿枝）

* 農(nóng)業(yè)部2010年農(nóng)村能源綜合建設項目（1251005507）、陜西省農(nóng)業(yè)廳2013農(nóng)業(yè)專項資金項目（2013182）資助。Supported by the 2010 Integrated Rural Energy Development Project of the Ministry of Agriculture of China（1251005507）and the 2013Agricultural Special Funds of Shaanxi Province（2013182）

? 通訊作者 Corresponding author，E-mail：soilphysics@163.com

石宗琳（1986—），女，重慶巴南人，博士研究生，主要從事果園土壤質(zhì)量研究。E-mail：missshilin@163.com

2016-06-22；

2016-09-08；優(yōu)先數(shù)字出版日期（www.cnki.net）：2016-11-22