郭鴻鑫，孫崇玉，孫立強(qiáng)，包先明，洪秀萍

長(zhǎng)期梨樹種植土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布特征①

郭鴻鑫，孫崇玉*，孫立強(qiáng)，包先明，洪秀萍

(淮北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽淮北 235000)

為探究長(zhǎng)期梨樹種植土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其對(duì)土壤有機(jī)碳的影響，以碭山縣良梨鎮(zhèn)共12個(gè)年限的梨樹土壤為研究對(duì)象，以果園附近農(nóng)田土壤為對(duì)照，分析不同梨樹種植年限土壤(0 ～ 20 cm)的團(tuán)聚體粒級(jí)分布、土壤及各團(tuán)聚體組分有機(jī)碳含量的動(dòng)態(tài)特征。研究結(jié)果表明：隨著種植年限的增加，土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量呈先上升后略有下降并趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，種植150 a處取得最大值達(dá)到798.8 g/kg。梨園土壤總有機(jī)碳含量、大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量相較對(duì)照農(nóng)田土壤顯著提高(<0.05)，分別提高了1.45倍和2.24倍，而微團(tuán)聚體(<0.25 mm)有機(jī)碳含量顯著下降。各個(gè)年限梨園土壤有機(jī)碳主要由大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)率為68.06% ～ 98.78%，相較農(nóng)田土壤(39.76%)貢獻(xiàn)率提高28.3% ～ 59.02%；微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率隨著年限的增加而下降，表明梨園的長(zhǎng)期種植促使有機(jī)碳從微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體分配。土壤大團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳含量呈極顯著正相關(guān)(<0.01)，均隨著種植年限的增加先上升后下降至穩(wěn)定趨勢(shì)。表明梨園種植有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤的固碳潛力。

梨園種植；土壤團(tuán)聚體；有機(jī)碳分布；貢獻(xiàn)率

長(zhǎng)期植果過程中的土壤質(zhì)量演變一直是土壤科學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)，長(zhǎng)期的種植年限會(huì)顯著影響土壤的結(jié)構(gòu)組成，主要體現(xiàn)在對(duì)土壤團(tuán)聚體的粒徑組分和穩(wěn)定性的影響[1-3]。大量研究表明，土壤團(tuán)聚體的粒徑組分隨耕種年限的不同而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化，耕種年限越長(zhǎng)，大團(tuán)聚體(>0.25 mm)的占比越高[4-5]。土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵組成單元，是土壤中穩(wěn)定性與非穩(wěn)定性團(tuán)聚體的總和，對(duì)土壤的孔隙度、持水性、透氣性和抗腐蝕性都有著重要的影響[6-7]。穩(wěn)定性是團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的核心要素，研究土壤水穩(wěn)態(tài)團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和粒徑組成是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)性能的重要指標(biāo)[8]。

土壤團(tuán)聚體的形成離不開多種形態(tài)膠結(jié)物質(zhì)的促進(jìn)過程，有機(jī)碳作為團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)形成的骨架，是土壤結(jié)構(gòu)的核心成分。土壤有機(jī)碳是地球碳循環(huán)的重要組成，是土壤質(zhì)量的關(guān)鍵核心，土壤的固碳效果與耕種年限之間有明顯的規(guī)律響應(yīng)[9]。研究表明，隨著種植年限的提高，果園有機(jī)碳含量出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)[9]，也有研究表明隨著種植年限的增加，土壤有機(jī)碳含量在逐漸減小[10]。土壤有機(jī)碳可以促進(jìn)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成[11-13]，不同粒徑的團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布不同，DeGryze等[14]通過研究白楊演替土壤中團(tuán)聚體與有機(jī)碳的關(guān)系，認(rèn)為土壤有機(jī)碳主要由微團(tuán)聚體(<0.25 mm)貢獻(xiàn)，主要是因?yàn)槲F(tuán)聚體受到的破損干擾較小，對(duì)有機(jī)碳具有良好的保護(hù)效果，有機(jī)碳在微團(tuán)聚體中不易被分解[15]。也有研究表明，土壤大團(tuán)聚體有機(jī)碳含量高于微團(tuán)聚體[16-18]，其原因在于大團(tuán)聚體是來自微團(tuán)聚體經(jīng)菌絲和植物根系的聚合效果而形成，大團(tuán)聚體中的有機(jī)碳狀態(tài)活躍程度較高。因此，探究長(zhǎng)期種植對(duì)團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)與有機(jī)碳累積之間的影響具有重要意義。

作為國(guó)家地理的標(biāo)志性產(chǎn)品，碭山酥梨的種植有著數(shù)千年的悠久歷史，到目前為止，碭山酥梨的產(chǎn)業(yè)體系已經(jīng)成為當(dāng)?shù)氐闹饕?jīng)濟(jì)來源，年加工能力達(dá)120萬噸，產(chǎn)品銷往美國(guó)、新西蘭等20多個(gè)國(guó)家[19]。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于長(zhǎng)期的農(nóng)田連作研究較為深入，而對(duì)于長(zhǎng)期梨園種植對(duì)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以及梨園土壤團(tuán)聚體與有機(jī)碳的相關(guān)性研究還尚未見有報(bào)道。因此，本研究以碭山梨園土壤樣品為研究對(duì)象，研究長(zhǎng)期梨樹種植土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)及其對(duì)土壤碳累積的影響，可以彌補(bǔ)碭山地區(qū)梨園生態(tài)系統(tǒng)中土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)碳固持等方面研究的不足，旨在為碭山梨園的合理管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域選擇在安徽省宿州市碭山縣，碭山縣位于安徽省的北部，地處暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫14 ℃，年平均降水量約773.6 mm，氣候溫和，日照充足，無霜期長(zhǎng)。本試驗(yàn)所采樣梨樹土壤位于碭山縣良梨鎮(zhèn)梨樹王園區(qū)(34°25′N，116°31′E)，土壤類型為黃壤砂土，所種植的梨樹品種均為酥梨，園區(qū)梨樹種植執(zhí)行統(tǒng)一施肥、人工授粉、除病蟲害管理。研究區(qū)種植梨樹前的土地使用方式為農(nóng)田，所種作物為小麥，休耕2 ～ 3 a后開始種植梨樹。研究區(qū)以百齡以上的梨樹為主，所占面積約67 000 m2，幼齡梨樹(10 ～ 60 a)所占面積約8 000 m2。研究區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH 7.82(土︰水=1︰2.5)、有機(jī)質(zhì)12.71 g/kg、全氮0.77 g/kg、全磷0.84 g/kg、有效磷8.75 mg/kg、速效鉀104.39 mg/kg、土壤容重1.35 g/cm3。

1.2 土樣采集與分析

樣品采集于2020年7月，通過查閱資料和與當(dāng)?shù)胤N植管理人員的詢問調(diào)查，選擇研究區(qū)內(nèi)梨樹種植10、20、30、50、60、100、150、200、240、250、280、300 a共12個(gè)年限的樣地，根據(jù)梨園年限的實(shí)際情況并遵循科學(xué)原則，按照每個(gè)年限共取回56份土壤樣品，同時(shí)選擇臨近的農(nóng)田為對(duì)照樣地。為了減少采樣誤差，所有研究樣地選擇地形條件、土壤類型均比較接近的區(qū)域。采樣選擇樹體大小、樹勢(shì)基本一致的代表性梨樹，避免梨樹相互距離太近的干擾，所采集土壤樣品的梨樹間距在20 m以上，并且避開施肥點(diǎn)。以梨樹為中心設(shè)置2 m × 2 m的正方形區(qū)域，在對(duì)角線上取點(diǎn)，每株以對(duì)角線方向距樹干1 m設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn)，去掉表層土壤與雜草，每點(diǎn)挖取0 ～ 20 cm深度的土壤，土樣采用四分法進(jìn)行均勻混合取對(duì)角兩組作為一個(gè)土壤樣品，避免擠壓，放入自封袋內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干并挑揀出植物殘?bào)w和石塊，保留篩分團(tuán)聚體的土壤樣品后，將其余土樣磨碎過篩后保存用于測(cè)定。

土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑組分分離采用濕篩法[6]進(jìn)行。具體方法為：稱取風(fēng)干土塊100 g，按照土塊自然裂隙掰成1 cm左右大小的土塊，將其放置由0.053、0.25、0.5、1、2 mm合成的套篩的頂處(2 mm處)，使土塊全部浸入到液面以下，靜置5 min后用團(tuán)粒結(jié)構(gòu)儀(TPF-100)以30 r/min的速度進(jìn)行篩分5 min。篩分結(jié)束后，將每粒徑篩上的團(tuán)聚體沖洗到燒杯中，獲得>2 mm、1 ～ 2 mm、0.5 ～ 1 mm、0.25 ～ 0.5 mm、0.053 ～ 0.25 mm、<0.053 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體。然后對(duì)燒杯中的團(tuán)聚體在60 ℃下進(jìn)行烘干、稱重，由此可獲得各種粒徑團(tuán)聚體的成分含量，將各組分團(tuán)聚體保留用于團(tuán)聚體組分粒徑有機(jī)碳的測(cè)定，土壤有機(jī)碳測(cè)定采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法。

團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率計(jì)算公式如下：

貢獻(xiàn)率=(1)×(1)×100/(2)

式中：(1) 為某粒徑層級(jí)土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量(g/kg)；(1)為該粒徑層級(jí)團(tuán)聚體的含量(g/kg)；(2)為該樣品土壤的總有機(jī)碳含量(g/kg)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

使用軟件Microsoft Excel 2015對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，使用SPSS軟件(Ver.25，2017)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)分析，使用Sigma Plot 14.0進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 梨園長(zhǎng)期種植土壤團(tuán)聚體分布特征

在團(tuán)聚體組分中，>0.25 mm的團(tuán)聚體粒徑組分稱之為大團(tuán)聚體(macro-aggregate)，<0.25 mm的團(tuán)聚體粒徑組分稱之為微團(tuán)聚體(micro-aggregate)[4]。由表1可知，梨園土壤以>2 mm粒徑團(tuán)聚體為主，占30.6%，隨著梨樹種植年限的增加，>2 mm粒徑團(tuán)聚體整體上呈先增加后下降的趨勢(shì)，在種植150 a處含量達(dá)到最大值576.2 g/kg，較對(duì)照農(nóng)田提高了173.3%。種植年限較短(10 ～ 50 a)的梨園土壤中>2 mm團(tuán)聚體的含量顯著低于長(zhǎng)期種植的土壤(<0.05)。粒徑在1 ～ 2 mm，0.5 ～ 1 mm和0.25 ～ 0.5 mm的團(tuán)聚體均呈現(xiàn)出和 >2 mm團(tuán)聚體相對(duì)一致的規(guī)律性。隨著梨園種植樹齡的增加，土壤中的水穩(wěn)性大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量表現(xiàn)出先增加后降低至穩(wěn)定趨勢(shì)，于種植150 a處取得最大值798.8 g/kg，相較10 a梨齡處土壤提高了69.8%，自種植200 a之后的土壤大團(tuán)聚體含量無顯著差異。而微團(tuán)聚體(<0.25 mm)的數(shù)量隨著梨樹種植年限增加呈降低趨勢(shì)，在0.053 ～ 0.25 mm組分中，種植10 ～ 50 a梨園土壤的含量顯著高于其他年限樣品，種植年限較長(zhǎng)的各梨園土壤之間無顯著性差異；在<0.053 mm組分中，除種植年限20 a梨園土壤外，其他年限土壤含量均顯著低于對(duì)照農(nóng)田的含量(318.3 g/kg)。

表1 不同種植年限土壤水穩(wěn)態(tài)團(tuán)聚體粒徑分布(g/kg)

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤；同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示同一粒徑團(tuán)聚體不同種植年限土壤間差異達(dá)0.05顯著水平；農(nóng)田為梨園土壤樣品對(duì)照；下同。

2.2 梨園長(zhǎng)期種植土壤團(tuán)聚體中有機(jī)碳分布特征

由表2可知，全土的有機(jī)碳含量隨著種植年限的增加而表現(xiàn)出先上升后下降至穩(wěn)定狀態(tài)，在種植150 a處顯著高于其他年限。隨著粒徑的不斷減小，10 ～ 300 a的梨園土壤團(tuán)聚體組分中的有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)，在1 ～ 2 mm粒徑組分中含量最高，微團(tuán)聚體(<0.25 mm)中有機(jī)碳含量最低。不同種植年限對(duì)土壤團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳分布有顯著影響，梨園土壤各粒徑組分有機(jī)碳含量均在種植150 a取得最大值，對(duì)照土壤團(tuán)聚體組分的有機(jī)碳有顯著升高(<0.05)。梨樹種植初期(20 a和30 a)，各粒徑中有機(jī)碳含量都較低，隨著梨園年限的增加，>2 mm和1 ～ 2 mm兩個(gè)大團(tuán)聚體組分內(nèi)有機(jī)碳含量變化顯著(<0.05)，呈增加趨勢(shì)。對(duì)于>2 mm粒徑團(tuán)聚體，有機(jī)碳含量在種植150 a取得最大值13.3 g/kg，相較于對(duì)照農(nóng)田和10 a梨園土壤分別提高了104.6%和54.7%；對(duì)于1 ～ 2 mm粒徑團(tuán)聚體，種植150 a土壤有機(jī)碳含量最高達(dá)到16.0 g/kg，相較于對(duì)照農(nóng)田和10 a梨園土壤分別提高了88.2% 和138.8%。而在其他粒徑較小的組分中，有機(jī)碳含量分布隨種植年限的變化不顯著。不同粒徑團(tuán)聚體中有機(jī)碳的分布于種植250 a處分布最均勻，極差值達(dá)到3.8 g/kg；而種植200 a處分布范圍最廣，極差值達(dá)到1.03 g/kg。

表2 全土和不同粒徑團(tuán)聚體內(nèi)有機(jī)碳含量(g/kg)

由圖1可知，除對(duì)照農(nóng)田外，所有種植年限的梨園土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率均是大團(tuán)聚體(>0.25 mm)高于微團(tuán)聚體(<0.25 mm)。隨著種植年限的增加，梨園土壤微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，梨樹種植初期(10 a和20 a)，微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著高于其他年限(<0.05)，分別達(dá)到56.46% 與58.26%，之后呈逐漸下降的趨勢(shì)，這主要是由于微團(tuán)聚體含量隨著種植年限的增加而下降的緣故；梨園長(zhǎng)期種植，即種植200 a后的微團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳貢獻(xiàn)率無顯著變化，呈穩(wěn)定趨勢(shì)。大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率顯著高于微團(tuán)聚體，貢獻(xiàn)率為68.06% ～ 98.78%，相較農(nóng)田土壤(39.76%)貢獻(xiàn)率提高28.3% ～ 59.02%，其中種植100 a處取得貢獻(xiàn)率最大值達(dá)到98.78%。梨園種植初期(10 ～ 50 a)，大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率波動(dòng)較大，然后逐漸趨于穩(wěn)定，種植年限達(dá)100 a后的大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率無顯著差異。

2.3 土壤大團(tuán)聚體與有機(jī)碳變化特征

由表3可知，土壤大團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量與總有機(jī)碳含量之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，而土壤微團(tuán)聚體(>0.25 mm)含量與總有機(jī)碳含量之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(<0.01)。

(圖中小寫字母不同表示不同種植年限土壤間差異達(dá)P<0.05顯著水平，下圖同)

表3 土壤總有機(jī)碳含量與團(tuán)聚體含量的相關(guān)性

注：**表示相關(guān)性達(dá)<0.01顯著水平。

由圖2可知，隨著種植年限的增加，梨園土壤有機(jī)碳含量和大團(tuán)聚體含量有著相同的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，均表現(xiàn)出先增加后降低至穩(wěn)定狀態(tài)，二者在種植150 a處取得最大值，有機(jī)碳含量達(dá)到10.8 g/kg，相較于對(duì)照農(nóng)田土壤顯著提高了41.7% (<0.05)；土壤大團(tuán)聚體含量達(dá)到798.8 g/kg，相較于對(duì)照農(nóng)田土壤提高了45.3%。這可能是由有機(jī)質(zhì)含量變化導(dǎo)致，有機(jī)質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體組成中良好的膠結(jié)物質(zhì)，其含量變化影響著土壤微團(tuán)聚體聚合為大團(tuán)聚體的過程，從而使團(tuán)聚體為有機(jī)碳良好的貯存累積提供了較穩(wěn)定的環(huán)境。梨園種植初期，土壤大團(tuán)聚體和有機(jī)碳含量有明顯上升趨勢(shì)，土壤大團(tuán)聚體含量在種植10 a處取得最小值；土壤有機(jī)碳含量在20 a處取得最小值，且與10 a處有機(jī)碳含量無顯著性差異。種植200 a后的大團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳含量均無顯著性差異變化。土壤種植年限的增加主要提升了種植50 ～ 150 a處的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖2 不同種植年限土壤有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體含量變化

3 討論

3.1 梨園長(zhǎng)期種植對(duì)土壤團(tuán)聚體粒徑組分的影響

土壤團(tuán)聚體是植物穩(wěn)定生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，通常將土壤團(tuán)聚體中高富含>0.25 mm的團(tuán)聚體組成認(rèn)為是較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。土地的開墾翻耕等人為方式會(huì)破壞原生態(tài)土壤已形成的穩(wěn)定的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[20]，但是隨著作物的長(zhǎng)期種植會(huì)對(duì)土壤的團(tuán)粒組織有新一層次的聚合效果。劉曉利和何園球[21]通過對(duì)荒地開墾為旱地、水田和菜園的團(tuán)聚體組成研究指出荒地開墾會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，隨著種植年限的增加，土壤大團(tuán)聚體含量組成會(huì)不斷上升，較長(zhǎng)年限處的大團(tuán)聚體含量會(huì)逐漸高于對(duì)照農(nóng)田土壤的狀態(tài)，并且在最長(zhǎng)100 a處取得最大值。本試驗(yàn)中選取的較短年限(10 ～ 50 a)土壤的大團(tuán)聚體含量隨著年限增加而增加(圖2)，但均屬于年限較短的幼齡梨樹團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，其大團(tuán)聚體含量均低于對(duì)照土壤；隨著種植年限的增加，在種植150 a處取得最大值798.8 g/kg (表1)，并且自種植100 a開始梨樹土壤的大團(tuán)聚體含量高于對(duì)照農(nóng)田(圖2)，這與上述研究結(jié)果一致，這主要是因?yàn)殡S著園區(qū)種植梨樹數(shù)量與年限的增加，土壤中根系生長(zhǎng)繁密，大大增加土壤的抗蝕性，并且植物根系的分泌物可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的聚合過程，防止水土流失。隨著種植年限的增加，日益深邃的梨樹根系對(duì)于改善土壤環(huán)境起到十分關(guān)鍵的作用。

本研究中種植年限150 ～ 300 a處土壤中大團(tuán)聚體開始表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定狀態(tài)(圖2)，目前有關(guān)種植年限的土壤研究還未達(dá)到300 a的土壤樣品，其大團(tuán)聚體自150 a處下降可能是因?yàn)槔淆g梨樹土壤有機(jī)質(zhì)含量下降影響，作為土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)的凝結(jié)物質(zhì)，有機(jī)質(zhì)是土壤結(jié)構(gòu)形成的關(guān)鍵因子，其分布與組成影響著土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)[22]。而種植200 a后梨樹土壤大團(tuán)聚體含量變化保持穩(wěn)定狀態(tài)，通過對(duì)研究區(qū)管理措施的研究而知，可能是因?yàn)槎嗄甓ㄆ诘男藜糁θ~與打藥除草，加之梨園游客的踩踏行為，會(huì)導(dǎo)致土壤縫隙減小、聚合度高而至緊實(shí)度增加，其中對(duì)于老齡梨樹更是表現(xiàn)較為明顯，這些因素導(dǎo)致老齡梨樹的大團(tuán)聚體含量保持穩(wěn)定。

3.2 梨園長(zhǎng)期種植對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響

隨著荒地的開墾，梨樹的種植參與土壤結(jié)構(gòu)的破損與重建。梨樹王園區(qū)的種植管理均有著規(guī)范的施肥和園林處理措施。在本研究中，隨著種植年限的增加，土壤總有機(jī)碳含量均表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，在150 a處取得最大值10.8 g/kg(圖2)，顯著高于其他種植年限(<0.05)，這可能是因?yàn)樵诶鎴@生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)中種植150 a 的梨樹屬于黃金時(shí)期的壯齡梨樹，梨樹的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)過程相對(duì)平衡旺盛，枝繁葉茂的梨樹生長(zhǎng)必然伴隨著大量枯枝落葉的還土過程，從而導(dǎo)致土壤的肥力增加，使得土壤有機(jī)碳維持在一個(gè)較高的水平。種植10 ～ 20 a的土壤有機(jī)碳含量顯著小于農(nóng)田土壤(<0.05)，這主要是因?yàn)橛g梨樹的種植破壞了未開墾土壤原有的穩(wěn)定團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，不利于碳組分的固持效果，使得有機(jī)碳含量的大量損失，并且幼齡梨樹的生長(zhǎng)齡較短，梨樹生長(zhǎng)主要在增加體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累，對(duì)土壤中的養(yǎng)分汲取程度較高，并且枯落物較為稀少，綜合導(dǎo)致土壤有機(jī)碳含量較低。隨著梨樹種植年限的增加，植物根系通過與微生物的共生效應(yīng)而進(jìn)行養(yǎng)分的吸收，從而導(dǎo)致有機(jī)碳含量逐漸地恢復(fù)升高[23-24]。自種植年限150 a后土壤有機(jī)碳含量呈下降趨勢(shì)(圖2)，這可能是因?yàn)橥寥烙袡C(jī)碳含量變化同時(shí)依賴于外界的輸入和系統(tǒng)循環(huán)的輸出作用[25]，在幼齡和壯齡期的梨樹會(huì)給予充分的肥料供應(yīng)水平，自種植200 a后的梨樹已屬老齡梨樹，軀干組織已無明顯變化狀態(tài)，果園管理過程中，追肥明顯少于幼齡梨樹，200 a后的土壤有機(jī)碳含量處于相對(duì)較高水平，其原因可能在于高齡多年的落葉等有機(jī)物的回歸土壤導(dǎo)致。李志軍[9]通過對(duì)新疆南部果園的有機(jī)碳研究得出：土壤有機(jī)碳含量隨著種植年限的增加而表現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，盛果期的果樹土壤有機(jī)碳含量取得最大值，高于老齡期和幼齡期。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與此保持一致。

3.3 土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)在有機(jī)碳含量變化過程中的作用

土壤大團(tuán)聚體的形成，主要依賴于團(tuán)粒結(jié)構(gòu)膠結(jié)物質(zhì)的聚合作用，有機(jī)質(zhì)作為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)支點(diǎn)接連著不同的團(tuán)粒組織。李景等[26]通過對(duì)河南豫西地區(qū)長(zhǎng)期耕作試驗(yàn)地為研究對(duì)象，探究團(tuán)聚體與有機(jī)碳的含量變化指出土壤中有機(jī)碳含量的變化與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的含量呈現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系。本試驗(yàn)中，依據(jù)圖2可知隨著種植年限的增加，土壤有機(jī)碳含量與水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量的變化趨勢(shì)保持一致狀態(tài)，均在種植150 a處取得最大值，這與上述研究結(jié)果一致。大團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)的相輔相成，是形成土壤良好肥力基礎(chǔ)的重要關(guān)節(jié)，穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)于土壤碳庫(kù)的保持效果顯著[25]。

團(tuán)聚體各粒徑土壤有機(jī)碳含量分布隨著種植年限變化，150 a處的有機(jī)碳含量在各粒徑層級(jí)中均為最高(表2)，這主要是因?yàn)?50 a處土壤總有機(jī)碳含量顯著高于其余各年限(<0.05)，加上大團(tuán)聚體含量在150 a處取得最大值，二者綜合影響。陳曉芬等[27]通過研究不同施肥處理對(duì)水稻土團(tuán)聚體和有機(jī)碳的影響得出在不同施肥情況下團(tuán)聚體1 ～ 2 mm組分的有機(jī)碳含量最高，并且有機(jī)碳主要由大團(tuán)聚體貢獻(xiàn)。易亞男[28]通過對(duì)湖南紅壤水稻團(tuán)聚體及有機(jī)碳組分研究得出土壤有機(jī)碳主要分布在大團(tuán)聚體處，且有機(jī)碳含量從大團(tuán)聚體到微團(tuán)聚體的過程中逐步減少。Six等[13]的研究也表明顆粒中的有機(jī)碳含量與大團(tuán)聚體的有機(jī)結(jié)合碳之間有明顯的正相關(guān)關(guān)系。本試驗(yàn)中測(cè)得團(tuán)聚體有機(jī)碳含量在1 ～ 2 mm粒級(jí)中取得最大值(表2)，<1 mm后隨著粒徑的減小有機(jī)碳含量也在逐步減小，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量主要分布在大團(tuán)聚體處。同時(shí)根據(jù)圖1貢獻(xiàn)率分析可知，大團(tuán)聚體是有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)源，大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率與土壤大團(tuán)聚體含量變化基本保持一致，種植年限對(duì)于團(tuán)聚體中有機(jī)碳含量的影響主要是通過影響土壤大團(tuán)聚體與微團(tuán)聚體組成差別導(dǎo)致。微團(tuán)聚體貢獻(xiàn)率隨著年限的增加而下降，主要是因?yàn)槲F(tuán)聚體含量占比組成減少導(dǎo)致，所采集的梨園土壤樣品有機(jī)碳貢獻(xiàn)率微團(tuán)聚體均低于大團(tuán)聚體，這與李瑋等[15]、王興等[20]的研究結(jié)果一致。這主要是因?yàn)榇髨F(tuán)聚體是由微團(tuán)聚體通過菌絲與植物根系聚合形成，微團(tuán)聚體被認(rèn)為是有機(jī)碳貯存的良好場(chǎng)所，長(zhǎng)期種植年限的梨樹在恢復(fù)過程中通過膠結(jié)物質(zhì)的作用下可以促進(jìn)土壤微團(tuán)聚體的大量結(jié)合而成大團(tuán)聚體，提升對(duì)有機(jī)碳的保護(hù)效果，以及隨著種植年限推移，團(tuán)聚體的穩(wěn)定性效果增加，綜合導(dǎo)致大團(tuán)聚體中貯存的有機(jī)碳含量較高[29]。種植10 a的土壤<0.053 mm粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量較高(表2)，可能是因?yàn)榉N植10 a的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，微團(tuán)聚體占比52.96%(表1)，并且種植年限10 a的土壤有機(jī)碳含量較低，為4.76 g/kg(圖2)，大部分土壤組織顆粒在水的分解作用下脫離原有的聚合組織，導(dǎo)致<0.053 mm粒徑處的黏粒含量較高，容易形成有機(jī)碳復(fù)合體。

4 結(jié)論

1)梨園的長(zhǎng)期種植可以有效提升土壤大團(tuán)聚體的占比組成，土壤大團(tuán)聚體含量隨著種植年限的增加而表現(xiàn)出先上升后略有下降并趨于穩(wěn)定，在150 a處取得最大值，達(dá)到798.8 g/kg。

2)隨著梨園種植年限的增加，土壤碳固持能力增加，團(tuán)聚體有機(jī)碳含量均在150 a處取得最大值，團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率主體為大團(tuán)聚體，種植年限梨樹土壤大團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率為68.06% ～ 98.78%，而微團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率隨著年限的增加而下降，梨園的長(zhǎng)期種植促使有機(jī)碳從微團(tuán)聚體向大團(tuán)聚體分配。

3)土壤大團(tuán)聚體含量與有機(jī)碳含量之間呈極顯著的正相關(guān)性，良好的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)有利于土壤有機(jī)碳的累積。梨園種植對(duì)于改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤碳儲(chǔ)量有促進(jìn)作用。

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Aggregate Composition and Organic Carbon Distribution in Long-term Pear Planting Soil

GUO Hongxin, SUN Chongyu*, SUN Liqiang, BAO Xianming, HONG Xiuping

(College of Life Science, Huaibei Normal University, Huaibei, Anhui 235000, China)

In order to explore aggregate structure of long-term pear planting soil and its effect on soil organic carbon, pear planting soils in Liangli Town, Dangshan County, which has a total of 12 years from 10 to 300 years, were used as the research object, and the farmland soil near pear orchard was used as a control. Soil aggregate size distribution (0–20 cm), organic carbon contents in soils and aggregates were studied in order to explore the correlation between soil aggregates and organic carbon for long-term pear planting. The results showed that with the increase of planting years, the content of soil macro-aggregates (>0.25 mm) increased first, then decreased slightly and tended to stabilize, reached a maximum value (798.8 g/kg) in 150 years. The contents of soil total organic carbon and organic carbon of macro-aggregates significantly increased by 1.45 times and 2.24 times respectively compared with the control (<0.05), while organic carbon content of micro-aggregates (<0.25 mm) decreased significantly. Soil organic carbon was mainly contributed by large aggregates, with the contribution rate of 68.06%–98.78%, which was 28.3%–59.02% higher than that of control (39.76%). The contribution rate of micro-aggregate decreased with year, indicating that the long-term pear planting promoted the distribution of organic carbon from micro-aggregate to macro-aggregate. There was a significant positive correlation between the contents of macro-aggregates and organic carbon (<0.01), and they all increased first and then decreased to a stable trend with year. It shows that pear planting is beneficial to improve soil structure and increase carbon sequestration potential of the soil.

Pear planting; Soil aggregate; Organic carbon distribution; Contribution rate

S152.4

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.019

郭鴻鑫, 孫崇玉, 孫立強(qiáng), 等. 長(zhǎng)期梨樹種植土壤團(tuán)聚體組成及有機(jī)碳分布特征. 土壤, 2022, 54(2): 351–357.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41902172)、安徽省高等學(xué)校科學(xué)研究一般項(xiàng)目(KJ2020B19)和安徽高?？蒲衅脚_(tái)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(KJ2015TD001)資助。

(sunchongyu01@163.com)

郭鴻鑫(1998—)，男，安徽淮北人，碩士研究生，主要從事土壤生態(tài)研究。E-mail: 1397136067@qq.com