張文婷，王子邦

（1.長安大學(xué)建筑學(xué)院，西安710061；2.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 環(huán)境藝術(shù)學(xué)院，西安710038）

土壤團聚體是由土粒經(jīng)無機和有機物質(zhì)凝結(jié)作用而形成的土壤基礎(chǔ)單元結(jié)構(gòu)，是評價土壤結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的重要指標之一[1].團聚體內(nèi)部含有大量的持水孔隙，可避免土壤水分蒸發(fā)和有機碳被好氧微生物分解，保水保肥優(yōu)勢明顯；而團聚體間的充氣孔隙適宜好氧微生物生長繁殖，可促進有機質(zhì)快速分解，提高速效養(yǎng)分含量[2-3].因此，土壤團聚體協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱效果顯著，其大小、數(shù)量及排列方式是決定土壤通氣狀況、土壤肥力、固碳能力和抗蝕能力的重要因素[4].土壤有機碳（TOC）和團聚體關(guān)系密切，可相互影響：土壤有機碳通過膠結(jié)作用影響團聚體的形成和分布，而團聚體作為土壤有機碳的保存庫，其大小、數(shù)量及分布也決定著土壤有機碳的儲藏與分解[5].土壤有機碳庫變化主要以活性有機碳為主，主要包括可溶性有機碳（WSOC）、易氧化有機碳（EOOC）和土壤微生物生物量碳（MBC）.雖然活性有機碳含量在總有機碳中比例較低，但在提高土壤肥力及維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用[6].因此，研究土壤團聚體、有機碳及活性有機碳的分布對于了解不同地區(qū)和環(huán)境下土壤結(jié)構(gòu)變化和提高土壤生產(chǎn)力具有重要意義.

高質(zhì)量的城市綠化是城市發(fā)展進程中必不可少的一個環(huán)節(jié).城市綠化植物多為多年生植物，隨著種植年限的延長，綠化植物逐漸出現(xiàn)生長發(fā)育不良及病蟲害頻發(fā)等問題，對綠化效果造成嚴重破壞.土壤團聚體和有機碳分布特征對外界環(huán)境變化較為敏感，易受外界環(huán)境影響，是評價土壤質(zhì)量的重要指標，在提高土壤肥力、抗蝕性及維持土壤可持續(xù)發(fā)展方面具有重要作用[7].目前，關(guān)于種植年限對土壤團聚體和有機碳分布的影響已有較多研究報道，主要集中于棗園土壤[8]、蘋果園土壤[9]、茶園土壤[10]、設(shè)施土壤[11]、苜蓿地土壤[12]、旱砂田土壤[13]和生物梗護坡土壤[14]等，且結(jié)論存在差異.如劉文利等[15]研究發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限延長，果園土壤大粒級團聚體數(shù)量逐漸增加，穩(wěn)定性逐漸加強，容重逐年減?。慌嶂薪〉萚11]研究發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限延長，日光溫室土壤大粒級團聚體數(shù)量和穩(wěn)定性均逐漸降低；而李瑋等[10]研究發(fā)現(xiàn)，茶園土壤中大粒級團聚體數(shù)量、有機碳含量均隨種植年限延長而表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢.由此說明，團聚體和有機碳分布特征因土壤所處環(huán)境不同而異.

綠化土壤生態(tài)系統(tǒng)是城市生態(tài)系統(tǒng)的主體之一，對維持城市生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展意義重大.綠化土壤具有人為干擾形式多樣、強度大等特點，明顯區(qū)別于棗園土壤、茶園土壤等土壤類型.然而，關(guān)于種植年限對城市綠化土壤團聚體、有機碳以及活性有機碳分布特征的影響尚未見報道.本研究以西安市不同種植年限的綠化土壤為研究對象，分析不同種植年限對不同土層土壤團聚體、有機碳及活性有機碳分布特征的影響，以期為城市綠化土壤的科學(xué)養(yǎng)護和生態(tài)環(huán)境改善提供參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西安市地處中國西北部，地理位置為107.40°~109.49°E和33.42°~34.45°N，總面積10 108 km2，城市建成區(qū)綠地面積86.96 km2，人均綠地面積7.8 m2，于2010年被評為國家級園林城市.西安屬典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫13.0~13.7℃，年降水量522~719 mm，年平均日照時數(shù)1 646.1~2 114.9 h，平均無霜期218~230 d.西安市綠化土壤為褐土類型，土壤有機質(zhì)含量為13.85 g/kg，全氮含量為0.88 g/kg，全磷含量為0.56 g/kg，全鉀含量為13.68 g/kg.綠化植物有女貞（Ligustrum lucidum）、梧桐（Firmiana simplex）、黃楊（Buxus sinica）、國槐（Sophora japonica）、皂莢（Gleditsia sinensis）、月季（Rosa chinensis）等百余種.日常管理中常存在不及時中耕除草、不合理灌水及不合理施肥等問題，種植年限較長的區(qū)域植株生長發(fā)育不良，嚴重影響綠地景觀效果，此外，人為干擾（如踩踏、扔垃圾）也時有發(fā)生.

1.2 實驗設(shè)計

2019年7月開始進行實驗.在充分調(diào)研西安市各綠地廣場綠化樹種、種植年限以及管理措施的基礎(chǔ)上，選擇以早熟禾（Poa annuaL.）草坪草為主的綠化地為研究對象，同時配置有少量的金葉女貞，并按照種植年限劃分為4個區(qū)域，種植年限分別為0、3、6和10 a.每個區(qū)域內(nèi)設(shè)置3個實驗樣地，面積均為2.0 m×2.0 m.在每個樣地內(nèi)按照“S”型曲線選擇5個取樣點進行土壤取樣，按照0~20 cm和20~40 cm土層分層取樣，裝入塑料盒內(nèi)，維持土壤結(jié)構(gòu)原狀并避免擠壓，帶回實驗室后進行土壤團聚體組成和有機碳分布特征的測定.

1.3 樣品采集及測定方法

于室溫條件下將土壤自然風干后，稱取100 g土壤樣品，按原有自然結(jié)構(gòu)掰成直徑約1 cm的小土塊，剔除樣品雜質(zhì)（小石塊、動植物殘體等），過8 mm篩后備用.按照文獻[16]中的方法測定團聚體組成：處理后的土壤樣品按照濕篩法分為>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、0.5~1.0 mm、0.25~0.50 mm和<0.25 mm共6個粒級，將各粒級團聚體在60℃烘箱中烘干至恒重，稱重，計算各粒級團聚體的組成比例.其中，>5 mm和2~5 mm粒級為大團聚體；1~2 mm和0.5~1.0 mm粒級為中團聚體；0.25~0.50 mm粒級為小團聚體；<0.25 mm粒級為微團聚體.土壤有機碳含量測定方法：分別以烘干的原狀土壤和經(jīng)濕篩法獲得的7個粒級團聚體土壤為樣品，經(jīng)細磨后過0.25 mm篩，各樣品總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳和微生物生物量碳含量分別采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法、0.45 μm微濾膜-TOC儀法、333 mmol/L的高錳酸鉀氧化法和氯仿熏蒸-K2SO4浸提法測定.土壤團聚體穩(wěn)定性是決定土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素，常用平均質(zhì)量直徑（MWD，單位為mm）和平均幾何直徑（GMD，單位為mm）來表示，MWD和GMD值越大則團聚體越穩(wěn)定[13].MWD、GMD和團聚體有機碳貢獻率計算方法：

有機碳貢獻率（%）=（某粒級團聚體有機碳含量×該粒級團聚體占比）÷土壤總有機碳含量×100（3）式中：xi為某粒級團聚體的平均直徑；wi為某粒級團聚體的質(zhì)量分數(shù).

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Excel 2013對數(shù)據(jù)進行整理、計算及作圖；采用SPSS 19.0軟件對不同種植年限的土壤數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計學(xué)分析，計量數(shù)據(jù)用平均數(shù)±標準差表示（x±s），采用Duncan檢驗進行差異統(tǒng)計學(xué)意義的分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同年限城市綠化土壤團聚體的分布特征

西安城市綠化土壤6個粒級團聚體在不同年限的分布特征如表1所示.由表1可以看出，西安市城市綠化土壤主要以>2 mm和<0.25 mm粒級團聚體為主，數(shù)量顯著高于0.25~0.50 mm、0.5~1.0 mm和1~2 mm粒級團聚體數(shù)量（P<0.05）.隨著種植年限延長，城市綠化土壤0~20 cm土層中，>5 mm和2~5 mm粒級團聚體數(shù)量先升高后降低，而0.5~1.0 mm、0.25~0.50 mm和<0.25 mm粒級團聚體數(shù)量則先降低后升高.種植年限為6 a時，0~20 cm土層中>5 mm和2~5 mm粒級團聚體數(shù)量達到最高，0.5~1.0 mm、0.25~0.50 mm和<0.25 mm粒級團聚體數(shù)量達到最低.同一種植年限下，綠化土壤20~40 cm土層團聚體分布規(guī)律與0~20 cm土層類似，>2 mm和<0.25 mm粒級團聚體數(shù)量略低于0~20 cm土層中的數(shù)量，但差異不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）.

表1 不同年限城市綠化土壤團聚體分布特征Tab.1 Distribution of aggregates in urban greening soil under different planting years %

2.2 不同年限城市綠化土壤團聚體的穩(wěn)定性

不同種植年限城市綠化土壤不同土層的MWD和GMD值如圖1所示.由圖1可以看出，隨著種植年限的延長，城市綠化土壤的MWD和GMD值均表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢.種植年限為6 a時，綠化土壤團聚體穩(wěn)定性達到最大，0~20 cm土層土壤的MWD和GMD分別較種植年限為0 a的0~20 cm土層土壤顯著提升161.07%和231.58%（P<0.05）；與種植年限為0 a的20~40 cm土層土壤相比，種植年限為6 a的20~40 cm土層土壤MWD和GMD分別提升173.91%和325.00%，差異均具有統(tǒng)計學(xué)意義（P<0.05）.

2.3 不同種植年限總有機碳及活性有機碳的分布特征

不同種植年限城市綠化土壤不同土層的有機碳分布特征如圖2所示.隨著種植年限的延長，土壤TOC、WSOC、EOOC和MBC含量均表現(xiàn)為先升高后降低的變化規(guī)律.0~20 cm土層中，同種植年限為0 a相比，種植年限為6 a時土壤的TOC、WSOC、EOOC和MBC含量分別提高51.08%、46.33%、47.76%和57.82%（P<0.05）.其中，>5 mm粒級團聚體中4個指標分別提升127.96%、96.05%、226.67%和110.33%（P<0.05）；2~5 mm粒級團聚體中分別提升84.53%、72.08%、82.76%和82.74%（P<0.05）；1~2 mm粒級團聚體中分別提升60.59%、53.37%、61.31%和63.69%（P<0.05）；0.5~1.0 mm粒級團聚體中分別提升57.18%、56.92%、56.68%和63.18%（P<0.05）；0.25~0.50 mm粒級團聚體中分別提升34.43%、31.27%、34.34%和38.99%（P<0.05）；<0.25 mm粒級團聚體中分別提升24.77%、23.72%、24.93%和34.00%（P<0.05）.種植年限為6 a時，20~40 cm土層土壤的TOC、WSOC、EOOC和MBC分布特征與0~20 cm土層相似（P>0.05）.

圖1 不同年限城市綠化土壤團聚體穩(wěn)定性指數(shù)MWD和GMDFig.1 Values of MWD and GMD of soil aggregates under different planting years

圖2 不同年限城市綠化土壤各粒徑團聚體總有機碳及活性有機碳含量Fig.2 Total organic carbon and active organic carbon content of different aggregate sizes under different planting years

隨著團聚體粒級增大，TOC、WSOC、EOOC和MBC含量均逐漸降低.0~20 cm土層土壤中，與<0.25 mm粒級團聚體相比，4種年限的>5 mm、2~5 mm、1~2 mm、0.5~1 mm和0.25~0.5 mm粒級團聚體中，TOC平均含量分別顯著降低62.33%、54.73%、42.60%、36.67%和18.82%（P<0.05）；WSOC平均含量分別顯著降低59.28%、51.88%、40.44%、35.00%和17.78%（P<0.05）；EOOC平均含量分別顯著降低82.23%、78.69%、43.08%、36.66%和18.89%（P<0.05）；MBC平均含量分別顯著提升48.46%、43.41%、35.21%、28.74%和16.09%（P<0.05）.20~40 cm土層土壤TOC、WSOC、EOOC和MBC在團聚體中的分布情況與0~20 cm土層相似，且差異均不具有統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05）.

2.4 土壤團聚體對有機碳的貢獻率

不同種植年限城市綠化土壤團聚體對土壤有機碳的貢獻率如圖3所示.

圖3 不同年限城市綠化土壤各粒級團聚體對土壤有機碳含量的貢獻率Fig.3 Contribution rates of different aggregate sizes to soil organic carbon content under different planting years

由圖3可以看出，隨著種植年限的延長，不同粒級土壤團聚體對土壤有機碳的貢獻率逐漸發(fā)生變化，變化趨勢與土壤團聚體的分布特征類似.隨著種植年限的延長，城市綠化土壤>5 mm和2~5 mm粒級團聚體有機碳貢獻率呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，而0.25~0.50 mm和<0.25 mm粒級團聚體對土壤有機碳的貢獻率則呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢.種植年限為6 a時，0~20 cm土層中，0.25~0.50 mm和<0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率最高，分別為32.44%和32.12%.與種植年限為0 a相比，種植年限為6 a的0~20 cm土層中，>5 mm和2~5 mm粒級團聚體有機碳貢獻率分別顯著提升18.56%和15.17%，0.25~0.50 mm和<0.25 mm粒級團聚體有機碳貢獻率則分別顯著降低10.46%和23.26%（P<0.05）.20~40 cm土層土壤團聚體有機碳貢獻率變化規(guī)律與0~20 cm土層團聚體類似.

2.5 土壤團聚體與有機碳的相關(guān)性分析

不同粒級團聚體與土壤有機碳含量的相關(guān)性分析結(jié)果如表2所示.由表2可以看出，>5 mm粒級團聚體含量與土壤總有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳和土壤微生物生物量碳的含量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P<0.01）；<0.25 mm粒級團聚體含量與TOC、WSOC、EOOC和MBC含量達到極顯著負相關(guān)（P<0.01）；2~5 mm粒級團聚體含量與TOC、WSOC、EOOC和MBC含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)（P<0.05）；0.25~0.5 mm粒級團聚體含量則與TOC、WSOC、EOOC和MBC含量達到顯著負相關(guān)（P<0.05）；0.5~2 mm粒級團聚體含量與土壤總有機碳及各組分有機碳含量無明顯相關(guān)性（P>0.05）.

表2 土壤團聚體與土壤有機碳含量的相關(guān)性分析Tab.2 Correlations of aggregate with soil organic carbon components

3 討論與結(jié)論

團聚體是土壤有機碳的主要存儲空間，而有機碳則是團聚體的重要有機凝結(jié)物質(zhì)，二者相輔相成.土壤大粒級團聚體數(shù)量越多，土壤肥力越強、結(jié)構(gòu)越好[2-3].本研究發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限的延長，城市綠化土壤>2 mm粒級團聚體數(shù)量變化為先升高后降低，而<1 mm粒級團聚體數(shù)量則先降低后升高，以種植6 a年限為界.這說明種植綠化植物有助于改善城市土壤結(jié)構(gòu)，而種植年限超過6 a時，土壤穩(wěn)定性開始下降.本結(jié)果與李瑋等[10]對茶園土壤和周恒等[18]對紫花苜蓿草地的研究結(jié)果一致，而與王濤等[15]對黃花生物埂護坡土壤的研究結(jié)論存在一定差異，其原因可能是：①種植綠化植物可減少雨水濺蝕、淋溶及地表徑流，提高土壤抗蝕性，減輕土壤破壞；②隨著種植年限延長，綠化植物生長逐漸旺盛，土壤通過凋落物歸還量和根系分泌物等逐漸增多而提高土壤有機碳含量，促進土壤微團聚體向大團聚體轉(zhuǎn)化；③種植年限超過6 a時，連作導(dǎo)致綠化植物生長開始變緩，養(yǎng)護人員日常修剪及清掃等管理措施也導(dǎo)致土壤凋落物歸還量開始減少，另外還時常會有人為踩踏發(fā)生，導(dǎo)致>2 mm粒級團聚體穩(wěn)定性降低，開始向<1 mm粒級團聚體轉(zhuǎn)化；④種植年限、土壤環(huán)境及植被類型不同可能是造成綠化土壤團聚體變化差異的原因.平均質(zhì)量直徑（MWD）和平均幾何直徑（GMD）是衡量團聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要指標，MWD和GMD值越大表示結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[13].本研究中，隨著種植年限延長，綠化土壤團聚體MWD和GMD值均表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢.這說明種植綠化植物可明顯提高城市土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可能是因為種植綠化植物提高了土壤有機碳含量進而導(dǎo)致土壤大團聚體穩(wěn)定性上升.枯落物集中于表層土壤，進而提高了表層的土壤微生物活性和有機碳含量，這是表層土壤大團聚體數(shù)量及穩(wěn)定性略高于深層土壤的原因所在.

土壤有機碳是評價土壤質(zhì)量的核心要素之一，通過參與團聚體分布來影響土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[5].土壤有機碳庫變化主要以活性有機碳為主，雖然占比較低，但在提高土壤肥力及維持農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮重要作用.本研究中，隨著種植年限延長，城市綠化土壤總有機碳（TOC）、可溶性有機碳（WSOC）、易氧化有機碳（EOOC）和土壤微生物生物量碳（MBC）含量均表現(xiàn)為先升高后降低的變化規(guī)律，以種植6 a年限為界.這說明種植綠化植物有助于提升城市土壤有機碳及活性有機碳含量，而種植年限超過6 a時，土壤有機碳及活性有機碳含量下降.本結(jié)果與李瑋等[10]、周恒等[17]、陳哲等[18]的研究結(jié)果一致，其原因主要包括：①種植年限小于6 a時，隨著種植年限延長綠化土壤枯落物歸還量及根系分泌物等逐漸增多，微生物活性增加促進了有機碳含量提高；②種植年限小于6 a時，隨著種植年限延長土壤團聚體穩(wěn)定性逐漸上升，可對土壤有機碳起到一定的物理保護作用，減少有機碳礦化；③種植年限超過6 a時，綠化植物開始逐漸衰老長勢變?nèi)?，?dǎo)致綠化土壤歸還量減少，從而造成有機碳含量降低，同時團聚體穩(wěn)定性降低導(dǎo)致有機碳發(fā)生礦化，有機碳含量降低.表層土壤（0~20 cm）有機碳及活性有機碳含量均略高于深層土壤（20~40 cm），表現(xiàn)出一定的表層富集效應(yīng)，主要是因為植物枯枝落葉、生物殘體等有機物多分布在土壤表層，有助于改善表層土壤結(jié)構(gòu)，提高微生物活性從而促進有機物分解，提高了有機碳含量.

李瑋等[10]研究發(fā)現(xiàn)，不同種植年限下，土壤<0.5 mm粒級團聚體有機碳含量明顯高于>2 mm粒級團聚體的有機碳含量.本研究中隨著土壤團聚體粒級的減小，團聚體中有機碳含量逐漸升高，這是因為>2 mm粒級團聚體中以活性有機碳為主，而<0.25 mm粒級團聚中體則以難分解的腐殖質(zhì)碳為主.隨著種植年限的延長，>2 mm粒級團聚體對土壤有機碳的貢獻率表現(xiàn)為先升高后降低，而<0.5 mm粒級團聚體貢獻率則先降低后升高.這是因為種植年限小于6 a時，土壤>2 mm粒級團聚體的數(shù)量多，內(nèi)部有機碳含量高，導(dǎo)致對土壤總有機碳的貢獻率較大；種植年限超過6 a時，土壤凋落物歸還量降低，>2 mm粒級團聚體開始向<1 mm粒級團聚體轉(zhuǎn)化并造成內(nèi)部大量有機碳礦化分解，導(dǎo)致土壤<1 mm粒級團聚體有機碳含量以及對土壤有機碳的貢獻率升高.