林 誠，鄭祥洲，郭寶玲，丁 洪，解 鈺，張玉樹*

（1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，福州 350013；2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所，?？?571100）

土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是土壤肥力的主要指標(biāo)之一，不僅決定土壤肥力，還與土壤的抗蝕能力、固碳潛力和環(huán)境質(zhì)量等有直接關(guān)系[1]。良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)具有較好的持水性、孔隙度和通氣性，可以滿足植物對水、肥、氣、熱等因素的需求[2]。土壤團(tuán)聚體是有機(jī)碳儲(chǔ)存的場所，而有機(jī)碳又是水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成必需的膠結(jié)物質(zhì)[3]，因此土壤有機(jī)碳對增強(qiáng)土粒的團(tuán)聚性、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成有重要作用[4]。反之，團(tuán)聚體的形成又是有機(jī)碳固持與穩(wěn)定的重要過程。有機(jī)碳通過被吸附到黏土礦物表面而包被在團(tuán)聚體內(nèi)得到物理保護(hù)，穩(wěn)定的團(tuán)聚體可以對其可礦化有機(jī)質(zhì)進(jìn)行有效保護(hù)從而免受微生物的分解[5]。但不同粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量存在明顯差異。有研究表明，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量隨粒級(jí)的增加而降低[6-7]，但也有研究認(rèn)為大粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量更高，＜0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相對較低[8-9]。

由于果樹種植的經(jīng)濟(jì)效益較高，近幾十年來很多林地被開墾為果園，我國果樹種植面積由1980年的178萬hm2增加到2016年的1298萬hm2[10]。果園是一種特殊的經(jīng)濟(jì)林地，管理過程中踩踏多（農(nóng)藥化肥施用、采摘等）、翻耕少[11]，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律可能與常規(guī)農(nóng)業(yè)用地不同。此外，高溫多雨的氣候條件，亞熱帶土壤的高度風(fēng)化，脫硅富鋁化程度高，富含鐵、鋁氧化物等[12]，這些特點(diǎn)對于團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定性均有一定的影響[13]。本文以亞熱帶地區(qū)不同種植年限柑橘園土壤作為研究對象，分析土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)變化規(guī)律及有機(jī)碳、氮分布變化特征，旨在為果園土壤肥力形成和變化規(guī)律等相關(guān)研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇在福建省泉州市永春縣，地跨南亞熱帶雨林帶和中亞熱帶常綠闊葉林帶，原始地帶性植被為栲屬、石柯屬和青岡屬植物。土壤以紅壤為主，發(fā)育于花崗巖母質(zhì)。年均氣溫17～21℃，年均降水量1660～2100 mm，具有典型的亞熱帶土壤、氣候特征。此外，永春縣是我國著名的“蘆柑之鄉(xiāng)”，柑橘種植面積超過8667 hm2。

研究區(qū)域果園習(xí)慣施肥量為：開墾為果園后的前7 a每年施用的化肥氮、磷和鉀肥大約為300～500 kg N·hm-2、100～300 kg P2O5·hm-2和 150～350 kg K2O·hm-2，有機(jī)肥 2000～8000 kg·hm-2。種植 10 a后化肥氮、磷和鉀肥大約為500～600 kg N·hm-2，200～400 kg P2O5·hm-2和300～500 kg K2O·hm-2，有機(jī)肥 8000～10 000 kg·hm-2。其中化肥一般由尿素、碳酸銨、過磷酸鈣、氯化鉀和復(fù)合肥等組成，有機(jī)肥一般為農(nóng)家肥。

1.2 土樣采集與分析

選擇未開墾林地（0 a）和種植2、10、20、30 a的柑橘園土壤作為研究對象，每個(gè)種植年限選擇3個(gè)果園作為重復(fù)（每個(gè)果園間隔30 m以上）。所有果園的坡向、坡度和管理措施基本一致。于2012年11月（水果采收后）取樣。每個(gè)果園隨機(jī)選擇6株果樹作為研究對象，在每棵果樹滴水線內(nèi)以樹干為圓心、在2個(gè)不同半徑（大約0.5 m和0.8 m）圓周上各隨機(jī)取得3點(diǎn)，每個(gè)果園共36個(gè)子樣點(diǎn)混合成一個(gè)樣品。取樣時(shí)先剝離土壤表面的枯枝落葉和雜草，采用內(nèi)徑為5 cm土鉆采集0～20 cm土層樣品。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分離參照Elliott[14]的方法，采用德碼zy200型土壤團(tuán)粒分析儀分析。具體分析方法為：將采集的土壤樣品風(fēng)干后過5 mm篩，稱取100 g風(fēng)干土，置于2 mm土篩上，蒸餾水浸泡10 min，然后將土樣依次通過0.25 mm和0.053 mm的土篩，分離出＞2、2～0.25、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm共4級(jí)團(tuán)聚體，收集各級(jí)篩子上的團(tuán)聚體并分別轉(zhuǎn)移至鋁盒，于60℃下烘干，稱量。＜0.053 mm的團(tuán)聚體通過將溶液沉降、離心獲得。把＞0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性大團(tuán)聚體，＜0.25 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體稱為水穩(wěn)性微團(tuán)聚體。土壤有機(jī)碳用重鉻酸鉀外加熱法、全氮用凱氏定氮法測定[15]。不同種植年限果園土壤基本性質(zhì)見表1。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

采用SPSS 18.0進(jìn)行單因素方差分析，當(dāng)差異達(dá)到5%顯著水平時(shí)用Duncan進(jìn)行檢驗(yàn)。

表1 不同種植年限果園土壤基本性質(zhì)[16]Table 1 Soil properties of studied orchard and woodland[16]

2 結(jié)果與分析

2.1不同種植年限果園土壤團(tuán)聚體分布特征

圖1顯示，除未開墾林地土壤外，不同種植年限果園土壤團(tuán)聚體粒級(jí)含量表現(xiàn)為隨粒級(jí)減小而降低。土壤團(tuán)聚體粒級(jí)主要集中在＞2 mm和0.25～2 mm兩個(gè)粒級(jí)，分別占整個(gè)團(tuán)粒含量的40.1%～64.9%和30.6%～46.4%。與林地相比，開墾為果園后顯著增加土壤＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，顯著降低0.053～0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，但是對0.25～2 mm以及＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體沒有顯著影響。不同種植年限果園土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量無顯著差異。

圖1 不同種植年限果園土壤團(tuán)聚體分布特征Figure 1 Distribution of different aggregates in soils with different planting age

2.2 不同種植年限果園土壤有機(jī)碳分布特征

由圖2可知，土壤有機(jī)碳在各粒級(jí)團(tuán)聚體的分布特征總體表現(xiàn)為隨種植年限延長呈上升趨勢。與未開墾林地土壤相比，除種植2 a外，其余不同種植年限果園土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm粒級(jí)團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量分別增加3.69～8.71、4.55～21.86、4.82～15.31、4.67～15.80 g·kg-1，其中種植20 a和30 a與未開墾林地土壤有機(jī)碳含量的差異達(dá)到顯著水平。各粒級(jí)下土壤有機(jī)碳含量與種植年限呈顯著或極顯著正相關(guān)（表2）。

圖2 不同種植年限果園土壤有機(jī)碳含量Figure 2 Organic carbon contents in soils with different planting age

2.3 不同種植年限果園土壤全氮分布特征

從圖3可以看出，土壤全氮在各粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布特征與有機(jī)碳一致，各粒級(jí)下土壤全氮含量與種植年限呈極顯著正相關(guān)（表2）。與未開墾林地土壤相比，除種植2 a外，其余不同種植年限果園土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒級(jí)下全氮含量分別增加 0.27～0.87、0.39～2.17、0.49～1.59、0.50～1.84 g·kg-1，其中種植20 a和30 a果園土壤與未開墾林地差異達(dá)到極顯著水平，但種植20 a與30 a間無顯著差異。

圖3 不同種植年限果園土壤全氮含量Figure 3 Total nitrogen contents in soils with different planting age

表2 果園種植年限與團(tuán)聚體碳氮含量的關(guān)系Table 2 Relationship of plant age with organic content and total nitrogen content in aggregates

2.4 不同種植年限果園土壤各團(tuán)聚體C/N變化特征

從圖4可知，在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個(gè)粒級(jí)下土壤C/N平均值分別為12.2、12.0、10.9和10.6，隨團(tuán)聚體粒級(jí)減小呈下降趨勢。在同一粒級(jí)中，土壤C/N值與種植年限均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表2），其中＞2、0.25～2、＜0.053 mm呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。

圖4 不同種植年限果園土壤C/NFigure 4 The value of C/N in soils with different planting age

2.5 土壤有機(jī)碳和全氮含量與土壤團(tuán)聚體碳氮含量間的關(guān)系

將土壤有機(jī)碳、全氮含量與各團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)（圖5和圖6），不同種植年限耕層土壤有機(jī)碳、全氮含量與各團(tuán)聚體粒級(jí)下有機(jī)碳、全氮含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)。通過擬合的線性方程可以得出，耕層土壤每累積1 g·kg-1有機(jī)碳或全氮，＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個(gè)粒級(jí)下有機(jī)碳含量可增加 0.38、1.02、0.72、0.83 g·kg-1，全氮含量可增加0.62、1.62、1.20、1.48 g·kg-1，表明＜2 mm團(tuán)聚體粒級(jí)有利于土壤碳、氮存儲(chǔ)。聚體（＞0.25 mm團(tuán)聚體）含量越高，則團(tuán)聚體越穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)就越好，但＜0.25 mm的微團(tuán)聚體含量過多則會(huì)影響土壤通氣透水性和微生物活性[17-18]。有研究表

圖5 土壤有機(jī)碳與團(tuán)聚體有機(jī)碳間關(guān)系Figure 5 Relationship between organic carbon in soil and organic carbon content in aggregates

3 討論

團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單位，其組成和穩(wěn)定性直接影響土壤肥力和作物生長[11]，若土壤中水穩(wěn)性團(tuán)明，自然土壤（或荒地）開墾為農(nóng)田后，隨著利用年限的增加，＞0.25 mm水穩(wěn)定性團(tuán)聚體總量呈增加趨勢[19-20]。孫蕾等[21]在對渭北果區(qū)不同種植年限果園土壤的研究中指出，隨種植年限的延長，＞0.25 mm水穩(wěn)性土壤團(tuán)聚體含量有明顯增加趨勢，而＜0.25 mm團(tuán)聚體含量減少，果樹種植促進(jìn)了表層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。本研究中，果園耕作顯著提高了＞0.25 mm團(tuán)聚體含量，降低了＜0.25 mm團(tuán)聚體含量，與上述研究結(jié)果一致。林地開墾為果園后，由于有機(jī)肥和化肥的施用，僅開墾2 a的土壤有機(jī)質(zhì)含量就可增加86.6%（表1）?，F(xiàn)有研究表明，水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成主要依靠有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量有利于水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成[5]，這可能是林地開墾為果園后大團(tuán)聚體含量顯著提高的重要原因（圖1）。然而，該研究區(qū)域管理過程中，除每年開溝施肥翻耕果園外，年周期內(nèi)干擾強(qiáng)度較大的還有修剪、除草和采摘等所產(chǎn)生的踩踏行為，這些可能導(dǎo)致土壤緊實(shí)度加大，容易破壞已形成的土壤團(tuán)聚體[22]，造成隨著種植年限的增加，土壤各粒級(jí)團(tuán)聚體含量無顯著變化。

圖6 土壤全氮與團(tuán)聚體全氮間關(guān)系Figure 6 Relationship between total nitrogen in soil and total nitrogen content in aggregates

微團(tuán)聚體通常是由大團(tuán)聚體分解或黏粒與有機(jī)物膠結(jié)后形成的產(chǎn)物，其對有機(jī)碳的吸附能力隨土壤團(tuán)聚體粒級(jí)的減小而增強(qiáng)；微團(tuán)聚體的固持作用促進(jìn)有機(jī)無機(jī)膠體緊密結(jié)合，導(dǎo)致儲(chǔ)存在其中的有機(jī)碳不容易被微生物分解利用，從而使有機(jī)碳在微團(tuán)聚體中積累[23]。有研究表明土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、氮含量隨著粒級(jí)減小呈升高趨勢[24]。杜少平等[25]在不同年限旱砂田中的研究有相同結(jié)果，本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。土壤有機(jī)碳和全氮的變化趨勢通常具有一致性[1，8]，本研究結(jié)果也表明全氮在團(tuán)聚體中的含量與分布規(guī)律與有機(jī)碳類似，可能是因?yàn)橥寥缊F(tuán)聚體粒級(jí)越小，對NH+4的吸附能力越強(qiáng)，從而提高小粒級(jí)團(tuán)聚體全氮含量[26]。現(xiàn)有的長期試驗(yàn)表明[5，9]，不管是施用有機(jī)肥還是化肥，均能提高土壤團(tuán)聚體碳氮含量，但以施用有機(jī)肥的效果更加顯著。從相關(guān)分析結(jié)果來看，不同團(tuán)聚體粒級(jí)下土壤有機(jī)碳和全氮含量與種植年限呈顯著正相關(guān)。Six等[27]研究認(rèn)為，若在土壤中添加新鮮有機(jī)物料會(huì)促進(jìn)新一輪大團(tuán)聚體-微團(tuán)聚體循環(huán)進(jìn)行。果園常年施用化肥和有機(jī)肥，特別是有機(jī)肥施入土壤后，增加的有機(jī)碳和全氮會(huì)先進(jìn)入微團(tuán)聚體中，并逐漸向大團(tuán)聚體轉(zhuǎn)移并被儲(chǔ)存起來。土壤團(tuán)聚體對有機(jī)碳和全氮有著一定的物理保護(hù)作用；通過耕作提高土壤大團(tuán)聚體含量，增強(qiáng)了對土壤中原有的和新輸入的有機(jī)碳和全氮的保護(hù)作用，促進(jìn)了土壤中不同粒級(jí)下有機(jī)碳和全氮的積累[28]。相關(guān)分析結(jié)果揭示，亞熱帶地區(qū)果園土壤中有機(jī)碳和全氮的含量變化主要取決于＜2 mm團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的變化，這可能是由于孔隙較大的＞2 mm粒級(jí)的團(tuán)聚體可促進(jìn)物質(zhì)和氧氣的傳輸，提高土壤中微生物活性從而加快有機(jī)碳、氮的礦化分解，而小團(tuán)聚體孔隙度小、通氣性較差、內(nèi)部微生物活性較弱，且較小的孔隙也不利于 CO2釋放[29]。

一般來說，土壤C/N與有機(jī)質(zhì)分解速度呈反比[23]，即：土壤C/N低，其意味著土壤中有機(jī)質(zhì)礦化或者分解速度較快，可供微生物利用的碳源較少，微生物活性降低，從而影響?zhàn)B分的有效性[30]。從本研究結(jié)果來看，各粒級(jí)土壤C/N隨著種植年限的增加呈下降趨勢，這與長期大量施用氮肥促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解有關(guān)[31]。梁珊珊[32]通過研究我國柑橘主產(chǎn)區(qū)氮磷鉀施肥現(xiàn)狀發(fā)現(xiàn)，福建柑橘主產(chǎn)區(qū)化學(xué)氮肥投入量過量面積達(dá)到85.9%，氮肥有57.9%的減施潛力。而柑橘屬多年生木本果樹，其生命周期較長，樹體壽命可達(dá)數(shù)十年。因此，長期耕作的果園在施肥時(shí)要保持有機(jī)肥輸入，并適當(dāng)減施氮肥。

4 結(jié)論

（1）亞熱帶林地土壤開墾為果園后，土壤中＞2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量顯著提高；然而，開墾后的果園土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)對種植年限的響應(yīng)不顯著，團(tuán)聚體含量隨粒級(jí)的減小而降低。

（2）果園土壤中小粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量高于大粒級(jí)團(tuán)聚體，各粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮含量隨著種植年限的延長而增加，增加的有機(jī)碳和全氮主要分布于0.25～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體。