黃太慶，譚裕模，江澤普，邢 穎，廖 青，梁潘霞

(廣西農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007)

【研究意義】甘蔗是重要的糖料作物，廣西每年的甘蔗種植面積約為100萬hm2，種植面積和蔗糖產(chǎn)量均占全國一半以上[1]。廣西蔗地土壤質(zhì)量變化直接影響廣西甘蔗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。土壤團聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其粒級的大小及組成在一定程度上反映了土壤的保水、保肥及通透性等功能，同時也是判斷土壤侵蝕、壓實、板結(jié)等物理過程與作用的關(guān)鍵因素，因此成為了土壤質(zhì)量評價的重要指標之一[2]。進行蔗地土壤團聚體對比研究，對評價和保護蔗地土壤質(zhì)量具有重要的理論及應(yīng)用意義。【前人研究進展】干篩法和濕篩法是分離土壤團聚體的兩種常用方法。李娟等[3]用干篩和濕篩結(jié)合的方法研究了黃土高原丘陵溝壑區(qū)土地利用方式下土壤團聚體特征，李輝信等[4]用干篩法研究了不同施肥處理紅壤水稻土團聚體有機碳分布狀況，李欣雨等[5]用濕篩法研究了稻田植茶后土壤團聚體的變化特征。研究中通常把<0.25 mm的團聚體視為微團聚體，>0.25 mm為大團聚體，大團聚體是土壤中最好的結(jié)構(gòu)體，其數(shù)量與土壤的肥力狀況密切相關(guān)，能較好的反應(yīng)土壤結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣[6]。此外，土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GMD)及分形維數(shù)(D)等參數(shù)也是評價土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)劣及土壤團聚體質(zhì)量變化的重要方法。周虎等[7]運用MWD、GMD和分形維數(shù)D值研究了華北平原保護性耕作對土壤團聚體數(shù)量、大小和穩(wěn)定性的影響，并認為免耕能促進表層土壤團聚體的形成，并提高其穩(wěn)定性；旋耕和翻耕降低了耕作層內(nèi)土壤團聚體的團聚度和穩(wěn)定性。研究認為，耕作[8-9]、施肥、土地利用方式或利用方式改變[10-11]均對土壤團聚體組成及有機碳分布有重要影響?！颈狙芯壳腥朦c】目前已有大量有關(guān)甘蔗生理生化、養(yǎng)分循環(huán)及蔗地土壤生態(tài)等的研究，但對廣西蔗地土壤團聚體的研究還較少。廣西金光農(nóng)場地處典型甘蔗種植區(qū)，并存在多年未種植甘蔗的林地，是研究甘蔗種植對土壤質(zhì)量變化影響的理想地點?！緮M解決的關(guān)鍵問題】用干篩法和濕篩法測定蔗地與林地土壤團聚體組成狀況，分析>0.25 mm團聚體數(shù)量(R0.25)、平均質(zhì)量直徑(MWD)、平均幾何直徑(GMD)及分形維數(shù)(D)，以及土壤理化性質(zhì)等指標，探討甘蔗種植對土壤養(yǎng)分、土壤有機碳和土壤團聚體分布狀況及穩(wěn)定性的影響，為蔗地土壤質(zhì)量評價提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

廣西農(nóng)墾國有金光農(nóng)場位于廣西南寧市西郊，與南寧相距60 km，多為坡耕地，處于亞熱帶季風氣候區(qū)，陽光充足，年均氣溫為21 ℃左右，年降雨量為1300 mm左右。從20世紀80年代起，甘蔗逐漸成為農(nóng)場的主要經(jīng)濟作物，目前甘蔗種植面積約3300 hm2，年產(chǎn)原料蔗32萬t。本研究的采樣點在淋油分場，農(nóng)場耕地以紅泥土為主，土壤母質(zhì)為第四紀紅土，農(nóng)場在土地管理上堅持技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，增施有機肥、種地養(yǎng)地相結(jié)合、堅持蔗葉碎葉還田、進行測土配方施肥等管理措施。

1.2 試驗方法

本研究選擇有代表性的連續(xù)種植甘蔗15年以上的地塊采集蔗地土壤，并采集附近對應(yīng)的15年以上未進行耕作的矮灌木林地土壤樣品為對照，兩地塊在成土母質(zhì)、地形條件、氣候環(huán)境條件等方面基本一致。分別測定養(yǎng)分狀況及土壤團聚體組成。

甘蔗收獲后，在蔗地和林地上分別選擇6個樣點采集土壤樣品，在每個取樣點上，先去除地表覆蓋物，然后均勻采集0～20 cm土層土壤1 kg左右，裝入布袋中，帶回室內(nèi)處理。土壤未風干之前，先將土壤沿其結(jié)構(gòu)自然剖面掰成直徑約為10 mm 的小團塊，并剔除有機殘體和石塊，放在室內(nèi)陰涼通風處自然晾干，待測。

1.3 測定項目及方法

土壤團聚體分布狀況和穩(wěn)定性采用干篩法[12]和濕篩法[13]相結(jié)合的方法分析測定。

干篩法：取100 g風干土樣置于套篩(孔徑依次為5、2、1、0.5 和0.25 mm)頂部，以30 次/min 手工上下震蕩5 min，測定各孔徑篩子上土樣重量。

濕篩法：將50 g風干土樣置于1 L 量筒中，沿量筒邊緣緩慢加去離子水至飽和，然后將飽和土樣轉(zhuǎn)移至放置于水桶中的套篩(孔徑依次為5、2、1、0.5 和0.25 mm)頂部，利用自制的震蕩儀以30 次/min上下震蕩5 min，將各級孔徑篩子上土樣置于鋁盒，烘干，稱重。

1.4 統(tǒng)計分析

利用各粒級團聚體百分含量計算大于0.25 mm團聚體含量R0.25，平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)、平均幾何直徑(geometric mean diameter,GMD)和重量分形維數(shù)(fractal dimension,D)[7]，計算方法如下：

(1)

式中，Mr>0.25為粒徑大于0.25 mm團聚體重量，MT為團聚體總重量。

(2)

(3)

(4)

表1 蔗地與林地土壤的基本性狀

兩邊取對數(shù)，可得：

(5)

團聚體破壞率 (PAD) 參考江春玉等[15]的方法。

PAD(%)=(大于0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量-大于0.25 mm水穩(wěn)性團聚體含量)/大于0.25 mm機械穩(wěn)定性團聚體含量×100

(6)

采用Excel 2007制作圖表，使用SPSS 22.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔗地與林地土壤的理化性質(zhì)

如表1所示，連續(xù)多年種植甘蔗后土壤的容重、全磷、全鉀含量及pH值略高于其附近林地土壤；而土壤全氮和有機質(zhì)含量則略低于林地土壤。多重比較分析結(jié)果表明，常年種植甘蔗土壤與未種植甘蔗的林地土壤，在土壤全氮、全磷、全鉀、土壤容重及pH值等理化指標上并沒有顯著差異。說明，對比耕作擾動較少的林地土，長期種植甘蔗對土壤質(zhì)量的影響也較小。

2.2 蔗地與林地土壤團聚體數(shù)量分布特征

不同粒級團聚體對土壤養(yǎng)分的保持與供應(yīng)、孔隙組成、水力性質(zhì)、生物運動等都具有不同的作用[16-17]。本研究結(jié)果表明，蔗地與對應(yīng)林地土壤的機械穩(wěn)定性團聚體均以>5 mm粒級的含量最高，<0.25 mm 粒級的含量最低。蔗地土壤>5 mm機械穩(wěn)定性團聚體占比高于對應(yīng)林地土壤，兩者之間的差異達顯著水平；其它粒級的機械穩(wěn)定團聚體均以林地土壤的高于蔗地土壤，但差異均不顯著(表2)。蔗地與林地土壤大于0.25 mm粒徑團聚體(R0.25)占比分別為93.62 %和89.67 %，但兩者之間的差異也不顯著。

濕篩法獲得的水穩(wěn)性團聚體數(shù)量分布狀反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、持水性、通透性和抗侵蝕的能力。水穩(wěn)性團聚體對保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有重要的貢獻，比機械穩(wěn)定性團聚體更為重要。無論是蔗地還是林地土壤，水穩(wěn)性團聚體數(shù)量均以<0.25 mm 粒級的最高，>5 mm粒級的最低。蔗地土壤>5 mm粒級水穩(wěn)性團聚體數(shù)量顯著低于林地土壤，其它各粒級之間差異不顯著。由于團聚體浸水后比較容易破碎，所以水穩(wěn)性大團聚體R0.25占比顯著低于機械穩(wěn)定性團聚體，而水穩(wěn)性微團聚體的含量相比于機械穩(wěn)定性團聚體有明顯提高。蔗地與對應(yīng)林地土壤的大團聚體R0.25含量分別為68.13 %和74.34 %，兩者之間的差異不顯著(表2)。

2.3 甘蔗種植對土壤有機碳變化的影響

如表3所示，蔗地和林地土壤相同粒級之間的土壤有機碳含量差異不顯著。蔗地與林地土壤團聚體均以>5 mm 粒級的有機碳含量最高，其次為5～2 mm粒級，以<0.25 mm粒級的有機碳含量最低。蔗地與林地土壤的有機碳在各粒級中累積的比例，以在<0.25 mm粒級中累積的占比最高，其次依次為1～0.5 mm、2～1 mm、0.5～0.25 mm(圖1)，2種土壤中的以上4個粒級土壤有機碳累積占比之間差異不顯著；只有>5 mm粒級的林地土壤有機碳累積占顯著高于蔗地土壤。此外，在6個有機碳團聚體粒級中，>5 mm、5～2 mm和2～1 mm粒級的有機碳累積占比以林地土壤的高于蔗地土壤；1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒級有機碳累積占比以蔗地土壤的高于林地土壤。

表2 蔗地與林地土壤團聚體組成特征

注：相同方法同列指標后不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

Note: In the same method, different letters in the same column mean significantly different at 5 % level of probability.

表3 蔗地與林地土壤有機碳含量特征

注：不同小寫字母表示同粒級不同土樣之間的差異達顯著水平，不同大寫字母表示同土樣不同粒級之間差異達顯著水平(P<0.05)(LSD)。

Note: The different lowercase letters mean significant difference between different soil sample. The different capital letters mean significant difference between different fractions of aggregates in particle size(P<0.05)(LSD).

相同粒級團聚體下不同土樣間不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。下同On the same aggregates size, different letter on the different soil means significantly different (P<0.05). The same as below圖1 蔗地與林地土壤有機碳在各團聚體粒級中累積占比Fig.1 The accumulation ratio of soil organic carbon in each aggregate size of sugarcane field and woodland

2.4 蔗地與林地土壤聚體大小及穩(wěn)定特征

土壤團聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)和平均幾何直徑(GMD)是表述土壤團聚體綜合大小的常用指標，其能反映土壤團聚體的變化情況[18]。表4結(jié)果表明，在干篩法中，蔗地土壤的MWD和GMD值均大于林地土壤，說明在干旱條件下，蔗地土壤的團聚體穩(wěn)定性更強；在濕篩法中，林地土壤的MWD和GMD值均大于蔗地土壤，說明蔗地土壤的團聚體的水穩(wěn)性要強于林地土壤，但顯著性分析表明，無論干

篩法還是濕篩法，2種土壤的MWD和GMD值的差異均不顯著。造成干篩法和濕篩法之間MWD和GMD結(jié)果差異的主要原因，可能與蔗地土壤的團聚體破壞率顯著高于林地土壤的破壞率有關(guān)。

2.5 蔗地與林地土壤分形維數(shù)特征

分形維數(shù)是用來描述團聚體分布狀態(tài)的重要指標。周虎等[7]對比研究了免耕、翻耕和旋耕之后認為，分型維數(shù)D值的結(jié)果比MWD及GMD值更可信的反映土壤團聚體的特征。研究表明，干篩法蔗地土壤的D值為2.28，略低于林地土壤，之間的差異不顯著；在濕篩法中，蔗地土壤的D值為2.64，略高于林地土壤，之間的差異也不顯著。一般認為，土壤團粒結(jié)構(gòu)越好、結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定則分形維數(shù)越小。可見，本研究分形維數(shù)D值描述的土壤團聚體變化趨勢與MWD及GMD值表達指征相一致。

3 討 論

有研究表明，金光農(nóng)場大部分蔗地土壤的養(yǎng)分屬中等及以上水平[19]。本研究種植甘蔗對蔗地與林地土壤團聚分析表明，除了>5 mm粒級，其它粒級團聚體含量在兩種土壤間差異并不顯著。該結(jié)果與之前的一些研究相似[20]。說明本研究中甘蔗地與林地均屬于旱地，種植甘蔗后雖進行耕作，但一般會留3～5年或更長年限的宿根蔗，相對其它旱地作物，種植甘蔗對土壤的擾動相對較少。金光農(nóng)場長期堅持蔗葉還田及科學施肥管理，有效的保護了土壤質(zhì)量。濕篩法蔗地與林地各粒級土壤的有機碳含量差異不顯著，但大粒級之間的有機碳含量比小粒級之間的差異更大，原因可能是種植甘蔗的土壤，由于有機肥的投入，及每年大量的蔗葉還田，有助于土壤有機質(zhì)的形成，但新形成的有機質(zhì)多結(jié)合在大土壤團聚體中，并且因甘蔗種植對土壤的擾動，大團聚體中的有機質(zhì)轉(zhuǎn)化較林地土壤大團聚體的快。本研究中，蔗地與林地土壤累積的有機碳均主要集中在1～0.5 mm、0.5～0.25 mm和<0.25 mm粒級之中，分別占總累積有機碳的65 %和74 %，且這3個粒級中的有機碳累積量占比均為蔗地土壤高于林地土壤，這進一步說明了種植甘蔗后，土壤有機質(zhì)一方面向更小粒級團聚體固定，另一方面是在大團聚體中快速轉(zhuǎn)化。

表4 蔗地與林地土壤團聚體破壞率(PAD)、平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)

Table 4 The percentage of aggregate destruction(PAD), mean weight diameter(MWD), geometric mean diameter (GMD) in sugarcane field and woodland soil aggregates

土樣Soil sample團聚體破壞率(%)Percentage of aggregate destruction干篩法 Dry sieving濕篩法 Wet sievingMWDGMDMWDGMD林地 Woodland17.1 b2.1 a1.4 a1.2 a0.8 a蔗地 Sugarcane field27.2 a2.7 a1.8 a0.9 a0.6 a

注：同列后不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)。

Note: Different letters in the same column mean significantly different at 5 % level of probability.

圖2 蔗地與林地土壤團聚體分形維數(shù)值Fig.2 Fractal dimension of soil aggregates in sugarcane field and woodland

本研究結(jié)果表明，在干篩法中蔗地土壤的MWD和GMD均高于林地土壤，而分形維數(shù)D則是蔗地土壤的低于林地土壤；濕篩法分離團聚體所得的結(jié)果與干篩法正好相反，即林地土壤的MWD和GMD高于蔗地土壤，D值則是蔗地的高于林地土壤。MWD和GMD值越大表示團聚體的平均粒徑團聚度越高，穩(wěn)定性越強[21]，而D值越小，則表明土壤結(jié)構(gòu)越好，穩(wěn)定性越強，抗侵蝕能力越強[22]。土壤的MWD和GMD高，則分形維數(shù)D則低，反之，分形維數(shù)則高，很多研究也表現(xiàn)出這樣的結(jié)果[23-24]，但也有研究顯示，這3個指標對土壤評價的結(jié)果不一致，且認為D值的結(jié)果比MWD及GMD值能更好的反映土壤團聚體特征[7]。在本研究中，MWD及GMD值反映的團聚體狀況與D值反映的狀況一致，在干旱情況下，蔗地土壤團聚體更穩(wěn)定，抗機械破壞能力更強；在濕潤或水飽和狀態(tài)下，林地土壤團聚體更穩(wěn)定，坑侵蝕能力更強。干篩法和濕篩法的結(jié)果不一致，可能與團聚體的形成過程及穩(wěn)定機制相關(guān)，土壤團聚體的膠結(jié)物質(zhì)主要有無機氧化物膠體(如無定形的硅膠、氧化鐵、氧化鋁等)和有機物質(zhì)(有機殘體及菌絲等)，耕作管理及施肥等措施影響土壤理化性質(zhì)，進而影響土壤團聚體穩(wěn)定性。由于種植甘蔗時施肥、蔗葉還田、耕作等因素，使蔗地物質(zhì)循環(huán)較林地的快，且物質(zhì)組成及分布發(fā)生了變化，可能導(dǎo)致大粒級的團聚體膠結(jié)物質(zhì)有差異，蔗地土壤大團聚體的膠結(jié)物質(zhì)親水性或膨脹性更強，遇水后破裂為小團聚體。但種植甘蔗后土壤團聚體膠結(jié)物質(zhì)的變化如何，有待進一步研究。

4 結(jié) 論

廣西金光農(nóng)場長期種植甘蔗的土壤與對應(yīng)未進行耕作的林地土壤理化性質(zhì)差異不大。蔗地與林地在>5 mm粒級團聚體含量上差異顯著，且甘蔗種植有利于增加大粒徑團聚體的有機質(zhì)含量。在干篩法中蔗地土壤的MWD和GMD均高于林地土壤，D值為蔗地土壤的低于林地土壤；在濕篩法中蔗地土壤的MWD和GMD低于林地土壤，D值為蔗地高于林地土壤。說明在干旱情況下，蔗地土壤團聚體更穩(wěn)定，抗機械破壞能力更強；在濕潤或水飽和狀態(tài)下，林地土壤團聚體更穩(wěn)定，坑侵蝕能力更強。