張玉軍，郭風(fēng)民，姜桂英，孫桂琴*，王 升，李 楠

（1.鄭州市城市園林科學(xué)研究所，河南 鄭州 450051；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 450002）

土壤有機(jī)質(zhì)含量不僅是表征土壤肥力的重要指標(biāo)，也是重要的碳庫(kù)，土壤有機(jī)碳庫(kù)對(duì)全球氣候環(huán)境變化具有重要作用［1］。但是，土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)反應(yīng)土壤的質(zhì)量變化以及對(duì)異質(zhì)性復(fù)合物的礦化和合成的轉(zhuǎn)化速率反映不靈敏［2］。溶解性有機(jī)碳、微生物生物量、輕組有機(jī)質(zhì)等活性有機(jī)質(zhì)被認(rèn)為對(duì)土壤碳的變化較非活性有機(jī)質(zhì)敏感得多，與土壤性質(zhì)的關(guān)系比總有機(jī)質(zhì)密切［3-5］。Logninow等［6］提出有機(jī)質(zhì)被不同濃度的KMnO4氧化的數(shù)量，把易氧化有機(jī)質(zhì)分為高、中、低3個(gè)程度不同的等級(jí)。Lefroy等［7］在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出碳庫(kù)管理指數(shù)的概念（carbon management index，CMI），近年來(lái)逐漸成為評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量和土壤管理的重要指標(biāo)，目前已成為研究國(guó)內(nèi)外不同土地利用方式下碳庫(kù)變化應(yīng)用最廣泛的方法［8-10］。

月季作為50多個(gè)城市的市花，是我國(guó)十大傳統(tǒng)名花之一，有極佳的觀賞性，是重要的園林花卉［11］。程文娟等［12］研究發(fā)現(xiàn)，不同種植年限的玫瑰，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著種植年限的增加有緩慢降低的趨勢(shì)。顏安等［13］研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)碳含量隨著開墾年限呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。連續(xù)多年的種植，土壤肥力變化特征對(duì)月季的品質(zhì)及觀賞性有很大的影響，因此研究不同種植年限月季土壤的肥力變化特征具有重要意義。盡管目前不同土地管理措施下土壤活性有機(jī)質(zhì)和土壤碳庫(kù)管理指數(shù)變化方面的研究開展較多［14-15］，但對(duì)不同種植年限下月季土壤不同土層活性有機(jī)質(zhì)及與碳庫(kù)管理指數(shù)的研究尚未見報(bào)道。本研究以鄭州市月季公園的不同種植年限月季為研究對(duì)象，研究不同種植年限月季土壤不同土層的活性有機(jī)質(zhì)與碳庫(kù)管理指數(shù)的變化特征。本研究對(duì)于月季栽培的精細(xì)化管理、園林土壤的可持續(xù)利用及生態(tài)系統(tǒng)碳庫(kù)變化和相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以鄭州市城市園林科學(xué)研究所的月季公園為依托，單位自1980年創(chuàng)建以來(lái)，一直以月季為主要栽培研究對(duì)象。鄭州市月季公園位于東經(jīng)113°37′，北緯34°46′，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。四季分明，光照充足，年平均氣溫14.5℃，年均降水量615 mm，年蒸發(fā)量1 450 mm，年均日照時(shí)數(shù)2 324 h。試驗(yàn)地土壤為潮土，成土母質(zhì)為黃河沖積物。月季公園月季栽培管理方式統(tǒng)一，每年1月份月季修剪后為月季基肥施肥期，基肥施復(fù)合肥750 kg/hm2，有機(jī)肥3 000 kg/hm2；4、9月為追肥期，追施復(fù)合肥225 kg/hm2；其中復(fù)合肥的N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17，有機(jī)肥的有機(jī)質(zhì)含量≥45%，N、P、K含量≥6%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于時(shí)空互代法，2018年1月份月季修剪后施肥前，本研究選取4種不同種植年限的月季土壤作為供試樣地，每個(gè)種植年限處理月季選擇3個(gè)地塊做重復(fù)，每個(gè)地塊35 m2，所選處理地塊月季種植前為草坪，選取4個(gè)處理分別為：（1）草坪土對(duì)照；（2）1～5年種植年限月季土壤；（3）6～10年種植年限月季土壤；（4）11～15年種植年限月季土壤。月季品種為緋扇，采樣時(shí)先除去地面凋落物，按照“S”型選12點(diǎn)，鉆取0～20、20～40 cm土層土樣分別進(jìn)行混合。將樣品中的可見植物殘?bào)w、土壤動(dòng)物及石塊等挑出，將采集的新鮮土樣自然風(fēng)干后過(guò)0.25 mm篩，測(cè)定總有機(jī)質(zhì)和活性有機(jī)質(zhì)含量。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀—外加熱法?；钚杂袡C(jī)質(zhì)含量測(cè)定根據(jù)Logninow等［6］提出的測(cè)定方法，按照KMnO4氧化劑的濃度（33、167、333 mmol/L）將活性有機(jī)質(zhì)分為3組，分別稱為高活性有機(jī)質(zhì)、中活性有機(jī)質(zhì)和低活性有機(jī)質(zhì)，不能被KMnO4氧化的稱為非活性有機(jī)質(zhì)。

具體方法：稱取過(guò)0.25 mm篩的風(fēng)干土樣1.5 g于100 mL離心管中，加入333 mmol/L（或167、33 mmol/L）KMnO425 mL，在溫度25℃條件下振蕩1 h，離心5 min（轉(zhuǎn)速2 000 r/min），取上清液用去離子水按1∶250稀釋，然后將稀釋液在565 nm比色，重復(fù)3次。根據(jù)KMnO4濃度的變化計(jì)算活性有機(jī)碳含量（氧化過(guò)程中1 mmol/L MnO4-消耗0.75 mmol/L或9 mg碳）。各指標(biāo)的計(jì)算參考徐明崗等［9］的方法：

碳庫(kù)管理指數(shù)（CMI）=CPI×LI×100；

碳庫(kù)指數(shù)（CPI）=樣品總有機(jī)質(zhì)含量/參照土壤總有機(jī)質(zhì)含量；活度指數(shù)（LI）=樣品的不穩(wěn)定性/對(duì)照的不穩(wěn)定性；碳庫(kù)活度（L）=樣品中的活性有機(jī)質(zhì)/樣品中的非活性有機(jī)質(zhì)。

式中：CPI為土壤管理措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響，其參照土壤為對(duì)照處理土壤；L為土壤碳的不穩(wěn)定性；LI為碳損失及其對(duì)穩(wěn)定性的影響；CMI為綜合反映人為影響下土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤碳庫(kù)活度兩方面對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，LSD法進(jìn)行方差分析，采用Origin 8.5進(jìn)行圖形繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限月季土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

如圖1所示，土壤有機(jī)質(zhì)含量總體與土層深度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系。0～20 cm土層，1～5年的月季土壤有機(jī)質(zhì)含量與CK相比無(wú)顯著差異，6～10年的月季土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK處理，達(dá)到12.9 g/kg，11～15年的月季土壤有機(jī)質(zhì)含量比CK相比，明顯降低；這表明月季種植年限對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響很顯著，月季在一定的種植年限內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)具有一定的累積作用，但超過(guò)一定年限范圍后，月季種植年限越長(zhǎng)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的累積作用越弱。在20～40 cm土層，與CK相比，1～5年、11～15年的月季土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著降低，其中6～10年的土壤有機(jī)質(zhì)含量最大，達(dá)到5.7 g/kg。

圖1 不同年限土壤不同層次有機(jī)質(zhì)含量

2.2 不同土層土壤活性有機(jī)質(zhì)含量的變化

土壤活性有機(jī)質(zhì)用來(lái)指示土壤質(zhì)量，反映土壤有機(jī)質(zhì)的有效性。圖2顯示，相同月季種植年限下土壤活性有機(jī)質(zhì)的含量依次表現(xiàn)為高活性有機(jī)質(zhì)＜中活性有機(jī)質(zhì)＜低活性有機(jī)質(zhì)。

圖2 不同種植年限不同土層土壤高活性、中活性和低活性有機(jī)質(zhì)含量

隨土層的加深，土壤高活性有機(jī)質(zhì)總體上表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)（圖2a）。其中0～20 cm土層，土壤高活性有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢(shì)，與CK相比，6～10年的月季土壤高活性有機(jī)質(zhì)顯著提高，達(dá)到1.3 g/kg，11～15年顯著降低，降到0.9 g/kg。20～40 cm土層，與CK相比，6～10年的月季土壤高活性有機(jī)質(zhì)顯著提高，達(dá)到1.4 g/kg。

中活性有機(jī)質(zhì)隨土層的加深，降低的幅度較大（圖2b）。其中0～20 cm土層，與CK相比，土壤中活性有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高，提高幅度在不同年限的月季土壤有所不同，6～10年的月季土壤中活性有機(jī)質(zhì)最大，達(dá)到3.4 g/kg。20～40 cm土層，6～10年的月季土壤中活性有機(jī)質(zhì)含量明顯較高，達(dá)到1.5 g/kg，其他處理土壤中活性有機(jī)質(zhì)含量變化不大。

低活性有機(jī)質(zhì)隨土層的加深，變化比較顯著（圖2c）。在各個(gè)土層，低活性有機(jī)質(zhì)的變化趨勢(shì)一致。與CK相比，不同種植年限月季土壤低活性有機(jī)質(zhì)6～10年的變化顯著，其他種植年限的月季土壤低活性有機(jī)質(zhì)沒(méi)有顯著差異。其中0～20 cm土層，6～10年的土壤低活性有機(jī)質(zhì)達(dá)到7.0 g/kg；20～40 cm土層，6～10年低活性有機(jī)質(zhì)達(dá)到2.4 g/kg。整體來(lái)看，在各個(gè)土層，6～10年的土壤活性有機(jī)質(zhì)含量最高。

2.3 不同土層的不同活性組分分布比例

如圖3所示：在不同土層，土壤不同活性有機(jī)質(zhì)所占的比例差別很大。其中0～20 cm土層低活性有機(jī)質(zhì)占的比例最大，達(dá)到38.8%～44.9%；20～40 cm土層非活性有機(jī)質(zhì)占的比例最大，達(dá)到39.7%～52.6%。說(shuō)明上層土的活性有機(jī)質(zhì)占有機(jī)質(zhì)的比例較大，隨著土層的加深，土壤有機(jī)質(zhì)中活性有機(jī)質(zhì)的比例隨之降低。

圖3 不同種植年限不同土層活性有機(jī)質(zhì)組分比例

如圖3a所示：在0～20 cm土層，與CK相比，各個(gè)年限的土壤非活性有機(jī)質(zhì)比例均有所下降，活性有機(jī)質(zhì)組分比例增加。11～15年的非活性有機(jī)質(zhì)比例降低幅度最大，降到13.5%，6～10年的高活性有機(jī)質(zhì)所占比例有所降低，降到了7.4%。整體來(lái)看，各個(gè)年限主要增加到了低活性有機(jī)質(zhì)和中活性有機(jī)質(zhì)所占的比例。如圖3b所示：在20～40 cm土層，與CK相比，各個(gè)年限主要增加了低活性有機(jī)質(zhì)和中活性有機(jī)質(zhì)所占的比例，其中低活性有機(jī)質(zhì)的比例達(dá)到了28.6%～29.0%，中活性有機(jī)質(zhì)的比例達(dá)到17.5%～18.9%。6～10年的高活性有機(jī)質(zhì)增幅最大，達(dá)到13.7%。

2.4 不同年限月季對(duì)不同土層土壤碳庫(kù)管理指數(shù)的影響

碳庫(kù)指數(shù)、活度指數(shù)、碳庫(kù)活度以及土壤碳庫(kù)管理指數(shù)是一組相互關(guān)聯(lián)的指標(biāo)，碳庫(kù)管理指數(shù)是土壤管理措施引起土壤有機(jī)質(zhì)變化的指標(biāo)，它是系統(tǒng)的、敏感的土壤碳變化監(jiān)測(cè)指標(biāo)，能夠反映栽培措施使土壤質(zhì)量下降或更新的程度［16］。從表1可以看出，在0～20 cm土層，相比CK處理，碳庫(kù)指數(shù)呈現(xiàn)先上升再下降趨勢(shì)，其中6～10年最大，達(dá)到1.4，說(shuō)明6～10年土壤有機(jī)質(zhì)含量提升最明顯。在20～40 cm土層，與CK相比，6～10年變化不大，其他年限的碳庫(kù)指數(shù)均降低。說(shuō)明隨著土層的加深，土壤有機(jī)質(zhì)含量的累積效果在降低，其中6～10年的土壤有機(jī)質(zhì)積累效果最好。

從表1可知，在0～20 cm土層，與CK相比，不同種植年限月季土壤在高、中、低活性有機(jī)質(zhì)的碳庫(kù)管理指數(shù)均大于100，且均以11～15年的碳庫(kù)管理指數(shù)最大，分別達(dá)到153.6、294.4、173.7。在20～40 cm土層，高活性有機(jī)質(zhì)的碳庫(kù)管理指數(shù)以6～10年最大，達(dá)到121.9；1～5年、11～15年的高活性有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)管理指數(shù)均小于100。與CK相比，不同種植年限月季土壤的中、低活性有機(jī)質(zhì)碳庫(kù)管理指數(shù)均有一定程度的提高，其中6～10年最大，分別達(dá)到128.8、188.1。

表1 不同年限月季不同土層土壤碳庫(kù)指數(shù)、碳庫(kù)活度、活度指數(shù)、碳庫(kù)管理指數(shù)

3 討論

城市園林綠化的精細(xì)化管理越來(lái)越引起人們的關(guān)注，月季在城市園林中的應(yīng)用越來(lái)越多，目前對(duì)不同種植年限的月季缺乏精細(xì)化的管理。本研究通過(guò)分析不同種植年限月季的土壤有機(jī)質(zhì)發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨種植年限的變化而變化；整體來(lái)看，有機(jī)質(zhì)含量隨著土層的加深而降低。在土壤表層，月季在一定的種植年限內(nèi)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)具有一定的累積作用，但超過(guò)一定年限范圍后，月季種植年限越長(zhǎng)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的累積作用越弱。徐坤等［17］研究發(fā)現(xiàn)土壤有機(jī)質(zhì)在一定年限內(nèi)隨種植年限的增加而增大，隨土層深度增加而顯著減小，與本研究結(jié)果一致。超過(guò)10年土壤有機(jī)質(zhì)含量降低，可能是因?yàn)樵录痉N植需肥量大，土壤有機(jī)質(zhì)積累速度小于分解速率，再加上園林花卉種植重化肥輕有機(jī)肥，致使土壤有機(jī)質(zhì)含量隨種植年限的增加而減少。土壤活性有機(jī)質(zhì)相對(duì)總有機(jī)質(zhì)對(duì)土壤管理措施響應(yīng)更為敏感，不同活性有機(jī)質(zhì)表現(xiàn)不同的變化特征，整體來(lái)看，6～10年月季土壤對(duì)活性有機(jī)質(zhì)提高最顯著。種植月季土壤的活性有機(jī)質(zhì)低于草坪土壤的活性有機(jī)質(zhì)的現(xiàn)象，可能是草坪土處于免耕狀態(tài)，免耕等保護(hù)性耕作因減少土壤擾動(dòng)，降低了土壤有機(jī)碳的分解，能顯著提高耕層大團(tuán)聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性，提高了土壤的活性有機(jī)質(zhì)含量［18］，楊永輝等［19］的研究也表明了免耕處理明顯提高了土壤活性有機(jī)碳含量。土壤活性有機(jī)質(zhì)整體隨土層的加深呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樯蠈痈导巴寥郎锘顒?dòng)頻繁，根系和土壤生物分泌物及其殘?bào)w中的活性成分相對(duì)較多所致。CMI綜合反映人為影響下土壤碳庫(kù)指標(biāo)和土壤碳庫(kù)活度兩方面對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)性質(zhì)的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm表層土壤，各組分有機(jī)質(zhì)的CMI隨種植年限逐漸增加，隨著種植年限的增加，逐漸改善了表層土壤的碳庫(kù)質(zhì)量，增強(qiáng)了土壤碳匯功能，邱莉萍等［20］對(duì)不同封育草地的研究與本研究的結(jié)果一致。在20～40 cm土層，6～10年的土壤活性有機(jī)質(zhì)的CMI最大，可能是因?yàn)?～10年的月季已經(jīng)有了較大的根冠比，根部分泌物增多，增加了20～40 cm土層的土壤碳庫(kù)。0～5年、11～15年高活性有機(jī)質(zhì)的CMI低于100，這可能與水分管理等措施也有關(guān)系，水分管理等措施直接影響著土壤中有機(jī)碳的累積效果［21］。

4 結(jié)論

月季土壤的有機(jī)質(zhì)及活性有機(jī)質(zhì)在一定年限內(nèi)隨種植年限的增加而增大，超過(guò)10年，逐漸減低，對(duì)10年以上的月季的管理要適當(dāng)?shù)脑鍪┯袡C(jī)肥。月季不同種植年限的不同活性有機(jī)質(zhì)在0～20 cm土層的比例上升，CMI均高于100，表明隨種植年限的延長(zhǎng)，對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的改善也在加深，提高了土壤的碳匯能力；在20～40 cm土層，6～10年的有機(jī)質(zhì)、活性有機(jī)質(zhì)及CMI均最大，表明6～10年月季對(duì)土壤深層有機(jī)質(zhì)的改善效果最好。整體來(lái)看，種植6～10年的月季對(duì)土壤的碳匯增加效果最好。