陽 祥,金 強(qiáng),李先德,劉旭陽,尹曉雷,王維奇?,張永勛

(1.福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院,350007,福州;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所,100081,北京)

土壤團(tuán)聚體作為土壤的基本結(jié)構(gòu)和單元,是影響土壤質(zhì)量和土壤健康的重要因素。不同粒徑團(tuán)聚體在改善土壤孔隙度、促進(jìn)微生物活動(dòng)和保持土壤養(yǎng)分方面發(fā)揮著不同作用,其穩(wěn)定性對于預(yù)測土壤侵蝕、增強(qiáng)土壤肥力以及促進(jìn)作物生長具有重要的參考價(jià)值[1]。同樣,土壤碳、氮能夠促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成,對提升團(tuán)聚體穩(wěn)定性也有重要作用[2]。因此,研究土壤團(tuán)聚體與土壤碳、氮養(yǎng)分特征具有重要的意義。從國內(nèi)外研究進(jìn)展來看,關(guān)于土壤團(tuán)聚體的研究大多關(guān)注于森林土壤、草甸土、水稻土等類型上[2-4],而關(guān)于亞熱帶茶園土壤團(tuán)聚體的研究甚少。近年來,關(guān)于茶園土壤的研究主要集中在探討植茶年限、土地利用變化、土壤改良劑應(yīng)用等對其的影響上[5-7],雖然針對茶園土壤團(tuán)聚體和碳氮養(yǎng)分的研究也開展了一些,但結(jié)論并不一致。因此,更為廣泛地開展不同區(qū)域和管理模式下的茶園土壤團(tuán)聚體及養(yǎng)分特征研究,對解釋已有研究結(jié)論中不一致性的主要驅(qū)動(dòng)因素,具有重要的理論價(jià)值,也可為茶園的科學(xué)管理提供技術(shù)支撐。

管理模式能改變土壤性質(zhì)和結(jié)構(gòu),是影響茶樹生長的直接因素[8]。即使在同一區(qū)域,不同種植管理模式下同一品種的產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大差異。亞熱帶地區(qū),常見的茶園管理模式包括常規(guī)管理、覆蓋與間作套種、配套現(xiàn)代技術(shù)模式等[8],但關(guān)于這些模式下土壤團(tuán)聚體的變化特征研究均獨(dú)立開展[6,9],而關(guān)于同一區(qū)域不同管理模式對茶園土壤團(tuán)聚體和碳、氮含量特征影響的對比研究還鮮見報(bào)道。

福建作為中國茶葉的重要產(chǎn)地之一,具有悠久的茶文化和極佳的植茶氣候條件。福建茶園面積為21.09萬hm2,約占全國茶園總面積的10.5%,居全國第2[5]。福建省泉州市安溪縣是全國最大的產(chǎn)茶縣,全縣共有茶園超過4萬hm2,茶葉總產(chǎn)量6.8萬t[10],安溪鐵觀音在當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展中占有十分重要的地位,已成為脫貧致富的支柱產(chǎn)業(yè),且作為中國重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)當(dāng)前正在積極申報(bào)全球重要農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)。因此,全面評析不同茶園管理模式的綜合效應(yīng)十分必要。作為茶園功能的重要方面,土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性是否隨著管理模式的改變而發(fā)生變化,這一演變與土壤碳、氮含量又有怎樣的聯(lián)系?為探索上述問題,筆者以安溪縣3種不同管理模式下茶園土壤為研究對象,采用濕篩法研究不同茶園管理模式對土壤團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性及碳氮含量的影響,以期為茶園土壤科學(xué)管理、增產(chǎn)提質(zhì)以及農(nóng)業(yè)文化遺產(chǎn)地可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

采樣點(diǎn)位于福建省安溪縣典型茶園分布區(qū)(E 118°6′35″、N 25°7′56″),該區(qū)域?qū)賮啛釒ШＱ笮约撅L(fēng)氣候,年均氣溫為19～21 ℃,年降雨量 1 600 mm,海拔271 m,茶樹品種為安溪鐵觀音,土壤類型為紅壤[11]。該地代表性管理模式如下:常規(guī)管理模式茶園(M1)(圖1)、間作套種模式茶園(M2)和常規(guī)管理配套現(xiàn)代技術(shù)模式茶園(M3)。其中,M1模式是在2004年開始植茶,采用人工開溝覆土施肥,灌溉方式依靠自然降水和人工澆水,其他管理方式包括人工除草和修剪枯枝等措施。M2模式是在M1模式基礎(chǔ)上套種龍眼樹,從2012年開始套種,間作果樹行株距為5 m×3 m,每畝(1畝=666.67 m2)套種50棵左右,管理方式為常規(guī)管理方式。而M3模式是在M1模式基礎(chǔ)上配套采用現(xiàn)代滴灌、聲控驅(qū)蟲等技術(shù),技術(shù)于2016年開始應(yīng)用,灌溉模式采用自然降水與滴灌技術(shù)相結(jié)合。3種模式下茶樹種植行株距均為 1.5 m×0.5 m,種植期間僅施加有機(jī)肥,有機(jī)肥由福建南安鴻盈有機(jī)肥公司生產(chǎn),施肥時(shí)間為每年12月,施肥量均為 3.75 t/(hm2·a)。

圖1 采樣點(diǎn)示意圖

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集與測定

在采樣點(diǎn)茶園設(shè)置M1、M2和M3共3個(gè)處理組,每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共計(jì)9個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為25 m2。于2019年5月春茶采收期后進(jìn)行土壤樣品采集。在每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),去除表面植被和枯枝落葉后,用便攜式取土器采集 0～30 cm土層土樣,每個(gè)樣點(diǎn)均采集原狀土壤,為減少運(yùn)移過程的影響,每個(gè)原狀土柱在取出后立即按 10 cm 間隔進(jìn)行分層,共得到27個(gè)(3個(gè)處理×3個(gè)土層×3個(gè)重復(fù))獨(dú)立土壤樣品。土樣裝入自封袋后通過便攜式保溫箱密封保存帶回實(shí)驗(yàn)室,挑去殘?bào)w根系后將土樣一分為二,1份放入4 ℃冰箱冷藏待用,1份經(jīng)自然風(fēng)干后裝入自封袋中保存待測。土壤pH值測定采用pH計(jì)(PHS-3C,美國)測定,水土比為2.5∶1;土壤電導(dǎo)率采用電導(dǎo)計(jì)(2265FS,美國)測定;土壤含水量采用烘干法測定;土壤密度采用環(huán)刀法測定;土壤全碳(total carbon, TC)、全氮(total nitrogen, TN)質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用土壤碳氮元素分析儀(Elementar Vario MAX CN, 德國)測定[12]。

2.2 土壤團(tuán)聚體測定與穩(wěn)定性指標(biāo)計(jì)算

團(tuán)聚體測定參照Haynes[13]和Kong等[14]的方法做適當(dāng)調(diào)整:稱好已挑去肉眼可見雜質(zhì)的鮮土100 g,裝入自封袋并加適當(dāng)水量浸泡24 h,將浸泡后的鮮土置于套篩頂部(套篩孔徑從大到小依次為2.00、1.00、0.50和0.25 mm,底部裝有底盒),并用網(wǎng)兜固定好整一套篩子,雙手扶住套篩,確保套篩在水中不會(huì)分離,之后將套篩緩慢放入水桶中,使水面離套篩頂部約3 cm,以30次/min的速率在水中上下幅度保持3 cm左右震蕩2 min,將各級粒徑的土樣分別洗入燒杯中,烘干后稱量,記為Mi。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)平均質(zhì)量直徑(mean weight diameter,MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)采用邱莉萍等[15]推導(dǎo)出的公式計(jì)算;土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)(fractal dimension,D)采用楊培嶺等[16]推導(dǎo)的公式計(jì)算。

2.3 數(shù)據(jù)處理

原始數(shù)據(jù)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差的計(jì)算采用Excel 2016分析,并計(jì)算出土壤團(tuán)聚體指標(biāo)(包括百分含量Wi、D、MWD和GMD)的均值與標(biāo)準(zhǔn)差,0～30 cm土層綜合的MWD、GMD和D是通過計(jì)算0～10、10～20和20～30 cm土層對應(yīng)指標(biāo)的平均值求得。不同管理模式相同土層和粒徑的團(tuán)聚體含量之間的差異性、相關(guān)參數(shù)以及土壤碳、氮含量之間的差異性均值用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析(P<0.05),作圖則用Origin 2019b軟件。采用R語言對土壤理化性質(zhì)與土壤團(tuán)聚體各粒級含量及團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。使用Cannoco 5軟件,采用冗余分析進(jìn)行土壤環(huán)境因子和團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)的關(guān)系分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 基本理化特征

總體來看,與M1相比,M2和M3土壤pH值均有所降低(圖2),其中,M3土壤pH值在各土層中均顯著低于M1(P<0.05),M2的土壤電導(dǎo)率在各土層上均顯著高于M1(P<0.05)。特別是 0～10 cm 土層對管理模式的響應(yīng)較為敏感,如M2在 0～10 cm 土層土壤pH值顯著低于M1(P<0.05),土壤電導(dǎo)率、含水量顯著高于M3(P<0.05)。土壤密度在不同土壤層次上差異均不顯著。

不同小寫字母表示同一土層下不同處理之間差異顯著(P<0.05)(下同)。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments under the same soil layer (P<0.05) (the same below)

3.2 土壤團(tuán)聚體的分布特征

M1、M2和M3在0～30 cm各土層以>0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體為主,但其占全土的貢獻(xiàn)及其組成中>0.25～0.50、>0.50～1.00和>1.00～2.00 mm 的相對比例在不同管理模式中也略有不同(圖3)。對于0～0.25、>0.25～0.50和>0.50～1.00 mm 粒徑團(tuán)聚體來說,3種不同管理模式茶園土壤團(tuán)聚體含量總體上在各土層的差異均不顯著(P>0.05)。但>1.00～2.00 mm粒徑團(tuán)聚體含量在各土層上均呈現(xiàn)出M31.00～2.00 mm 粒徑團(tuán)聚體顯著低于M1(P<0.05)。

圖3 不同茶園管理模式下土壤團(tuán)聚體的分布

3.3 土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性特征

總體上看,M2和M3土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD和GMD顯著低于M1(表1,P<0.05),D均顯著高于M1(圖4a,P<0.05)。但在不同層次上的差異并不一致,在10～20 cm土層,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD和GMD表現(xiàn)出M30.05)。

表1 不同茶園管理模式下土壤團(tuán)聚體MWD和GMD 含量特征

圖4 不同茶園管理模式下土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)D及土壤碳、氮含量及C/N特征

3.4 土壤碳和氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)特征

不同茶園管理模式下土壤碳、氮含量變化見圖4b～d?？傮w來看,M1、M2和M3土壤碳、質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(10.09±1.08)、(12.2±1.78)和(11.24±0.36) g/kg,M2和M3較M1分別增加20.82%和11.35%。M1、M2和M3土壤氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為(1.03±0.09)、(1.29±0.2)和(1.17±0.05) g/kg。M2和M3土壤碳氮含量一定程度上高于M1,但可能由于管理模式的改變年限較短,且采樣樣本量較小,在統(tǒng)計(jì)學(xué)上并未達(dá)到顯著差異。這種M2和M3土壤碳氮含量略高于M1在不同土層中也有表現(xiàn)。

3.5 土壤團(tuán)聚體各粒級含量、穩(wěn)定性參數(shù)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

選取土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD、GMD及不同粒級團(tuán)聚體含量與pH值、含水量(water content)、土壤密度(bulk density)、電導(dǎo)率(conductivity)、C/N等環(huán)境因子進(jìn)行冗余分析(圖5)。第一軸和第二軸共同解釋了變量的51.69%,其中pH值的解釋度最大。分析發(fā)現(xiàn)pH值、電導(dǎo)率和C/N對土壤團(tuán)聚體分布及穩(wěn)定性有顯著影響(P<0.05),根據(jù)各環(huán)境因子在第一軸的投影,pH值是影響茶園土壤團(tuán)聚體分布和穩(wěn)定性的主要因子。根據(jù)團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)到環(huán)境因子的垂直距離越小,影響越大,因子間箭頭的夾角呈銳角,則為正相關(guān);夾角呈鈍角,則為負(fù)相關(guān)。0～0.25 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量的主要影響因子是土壤C/N,呈負(fù)相關(guān)。>0.25～0.50 mm和>0.50～1.00 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量的主要影響因子是土壤全氮,呈正相關(guān)。MWD、GMD和>1.00～2.00 mm粒級土壤團(tuán)聚體含量的主要影響因子是pH值,呈正相關(guān)。分形維數(shù)D的主要影響因子是電導(dǎo)率,呈正相關(guān)。

MWD、GMD和D為土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù);0～0.25、>0.25-0.50、>0.50-1.00和>1.00-2.00 mm為不同粒徑土壤團(tuán)聚體含量;TC為土壤全碳含量;TN為土壤全氮含量;C/N為土壤碳氮比。MWD, GMD and D are the stability parameters of soil aggregates. 0-0.25,>0.25～0.50,>0.50～1.00, and >1.00～2.00 mm are the content of soil aggregates of different particle sizes. TC is the total soil carbon content. TN is the total soil nitrogen content. C/N is the ratio of soil carbon to nitrogen

4 討論

4.1 管理模式對茶園土壤理化性質(zhì)的影響

同一地區(qū)不同栽培管理模式下,茶園土壤理化性質(zhì)存在一定差異。土壤pH值會(huì)直接影響到土壤團(tuán)聚體組成及其穩(wěn)定性,并調(diào)節(jié)著植物根系養(yǎng)分吸收。本研究表明,M1、M2、M3茶園土壤pH值均較低,土壤存在一定的酸化特征。這與采樣點(diǎn)的區(qū)位、環(huán)境條件、凋落物和根系分泌物等存在一定聯(lián)系。首先,采樣地高溫多雨的氣候條件會(huì)加速土壤有機(jī)質(zhì)礦化和鹽基物質(zhì)淋失,使土壤中CEC和鹽基飽和度降低,從而導(dǎo)致土壤pH值下降[17]。其次,茶樹生長過程中會(huì)產(chǎn)生多酚類有機(jī)化合物,以凋落物和根際分泌物的形式長期積累也會(huì)引起土壤pH值的逐漸降低,且隨著植茶年限的延長土壤酸化程度逐漸嚴(yán)重[18]。此外,由于茶樹具有喜銨和聚集活性鋁的作物特性而導(dǎo)致茶園土壤中H+含量增加,長期以來土壤pH值呈下降趨勢[17]。同時(shí),土壤酸堿度與管理模式下的水分管理以及外源有機(jī)物輸入輸出的動(dòng)態(tài)平衡密切相關(guān)。試驗(yàn)區(qū)中均施加了等量有機(jī)肥,而水分管理的方式存在不同。這可能會(huì)影響土壤養(yǎng)分的淋溶下滲,從而間接使土壤微生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化[10],微生物代謝產(chǎn)物與環(huán)境的相互作用也將進(jìn)一步改變土壤酸度[8,10]。

另一方面,本研究表明,M2處理下土壤電導(dǎo)率和含水量均高于其他2種處理。研究發(fā)現(xiàn),間作方式種植的茶園,不僅可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分有效性[19],還可通過在茶園表層土壤留住水分或提高地下水含量以增加對植物根系有重要影響的0～20 cm土層的含水量,可以有效解決春茶采摘時(shí)期的水分供應(yīng)不足問題[20]。多物種間作的復(fù)合茶園,由于果樹等喬木的遮蔭保水作用,減緩?fù)寥浪至魇У耐瑫r(shí)也增加了土壤水分保留量[8]。而土壤密度在處理間差異不大,這可能與M2和M3模式改變的年限小于10年,變化時(shí)間較短,土壤顆粒未發(fā)生太大變化有關(guān),團(tuán)聚體含量之間差異的不顯著性,也進(jìn)一步印證了這一觀點(diǎn)。此外,在年均施肥量相同的情況下,M2和M3土壤碳、氮含量均較M1有所增加。這說明采用間作套種模式和配套現(xiàn)代技術(shù)對茶園土壤肥力提升具有一定的積極作用。

4.2 管理模式對茶園土壤團(tuán)聚體組成和分布的影響

土壤團(tuán)聚體作為有機(jī)碳存在的場所可以保護(hù)有機(jī)碳免遭降解,同時(shí)土壤中的碳又能反過來促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[1]。本研究表明,M1、M2和M3在 0～30 cm 土層均以>0.25 mm粒級團(tuán)聚體為主,這與陳玉真等[7]對茶園團(tuán)聚體的研究結(jié)果相類似。一般來說,>0.25 mm團(tuán)聚體的含量越高,越有利于維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[21]。從不同管理模式來看,M1在0～30 cm土層的大團(tuán)聚體含量高于M2和M3。其主要原因?yàn)?在M1模式基礎(chǔ)上,通過新增套種果樹或增加噴灌等現(xiàn)代技術(shù),均會(huì)在一定程度上對原有茶園有所干擾。這種干擾也會(huì)在某種程度上使部分大團(tuán)聚體發(fā)生破碎化[8-9],從而影響大團(tuán)聚體的形成。此外,已有研究認(rèn)為間作模式下土壤大團(tuán)聚體的數(shù)量與土壤微生物群落組成有關(guān)[22],微生物是形成土壤團(tuán)聚體最活躍的生物因素,其演變方向?qū)Q定團(tuán)聚體的形成?？拙S棟等[23]研究發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥后反而導(dǎo)致土壤微生物多樣性降低,將不利于土壤團(tuán)聚體的形成。該因素是否是本研究中M2和M3模式大團(tuán)聚體在短期內(nèi)略有降低的原因,值得進(jìn)一步研究。另一方面,<0.25 mm微團(tuán)聚體在土壤碳固定方面更具優(yōu)勢,在物理保護(hù)作用下,微團(tuán)聚體有機(jī)碳的穩(wěn)定性比大團(tuán)聚體更高[24]。本研究中M2和M3處理總體上碳含量高于M1,亦與此相互印證。同時(shí),在<0.25 mm的微團(tuán)聚體中存在較多的穩(wěn)定性芳香族有機(jī)碳聚集[1],這將對茶園的地力提升發(fā)揮積極作用。與M1相比,M2和M3模式對土壤大團(tuán)聚體物理作用對碳氮養(yǎng)分的固持作用減弱。這種演變是否會(huì)驅(qū)動(dòng)土壤礦物固持以及微生物調(diào)控作用在碳與養(yǎng)分循環(huán)中的重要性凸顯,仍不清楚,有待于今后進(jìn)一步深入的研究予以揭示。

4.3 管理模式對茶園土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性是指團(tuán)聚體抵抗外力作用或外部環(huán)境變化而保持其原有形態(tài)的能力。一般認(rèn)為,MWD和GMD值越大,土壤抗侵蝕能力越強(qiáng);D值越小,土壤團(tuán)聚效果越好且團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定[1]。本研究中,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD和GMD之間呈顯著正相關(guān),且兩者均與分形維數(shù)D呈顯著負(fù)相關(guān),進(jìn)一步印證了不同穩(wěn)定性參數(shù)之間表征的規(guī)律具有一致性。這與陳曉旋等[2]的研究發(fā)現(xiàn)相一致。綜觀本研究的結(jié)果,土壤團(tuán)聚體MWD和GMD均表現(xiàn)為M1>M2>M3,D值表現(xiàn)為M1

5 結(jié)論

1)與常規(guī)管理模式相比,間作套種模式和常規(guī)管理配套現(xiàn)代技術(shù)模式下土壤pH值均有所降低,間作套種模式茶園的土壤電導(dǎo)率在各土層上均顯著高于常規(guī)管理模式,但土壤密度在各處理中差異均不顯著。

2)3種管理模式在0～30 cm各土層均以>0.25 mm粒級團(tuán)聚體為主,但其在不同模式中的相對貢獻(xiàn)以及不同粒級大團(tuán)聚體的組成并不一致。

3)間作套種模式和常規(guī)管理配套現(xiàn)代技術(shù)模式下土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD和GMD顯著低于常規(guī)管理模式(P<0.05),D均顯著高于常規(guī)管理模式(P<0.05),3種穩(wěn)定性指標(biāo)對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的表征具有一致性,總體上表現(xiàn)為:常規(guī)管理配套現(xiàn)代技術(shù)模式<間作套種模式<常規(guī)管理模式。

4)冗余分析表明茶園土壤pH值與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性參數(shù)MWD、GMD呈顯著正相關(guān),這說明茶園土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性主要受土壤pH值調(diào)控。