王自豪，劉守江*，李金桓，劉佳欣，楊 苗

（1. 西華師范大學地理科學學院，四川 南充 637009；2. 西華師范大學四川省干旱河谷土壤侵蝕監(jiān)測與控制工程實驗室，四川 南充 637009；3. 嘉陵江流域研究所，四川 南充 637009）

葡萄是西昌地區(qū)最重要的經濟作物之一，長期以來，葡萄的種植和價格對當?shù)亟洕Y構起著至關重要的作用。然而現(xiàn)如今輪作制度的高度集約化[1]，如何利用單種連作最大限度提高經濟效率便成了學者們研究的主要問題。葡萄喜光，光照強度、日照時間以及光譜是影響它生長發(fā)育的3 個主要因素[2]。不同農作物的連作影響因子及障礙成因很多且差別較大，但對同一海拔相同氣候區(qū)的作物而言，最主要的影響因素還是來自土壤[3]。葡萄連作的障礙主要是土壤養(yǎng)分的流失、土壤微生物種類及數(shù)量的變化、土壤酶活性變化、土壤基本結構變化等[4]。本文主要探究土壤穩(wěn)定性和養(yǎng)分含量對所選作物的影響，通過研究連作年限土壤團聚體來分析其穩(wěn)定性[5]。土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其穩(wěn)定性對水汽平衡、養(yǎng)分循環(huán)和土壤侵蝕等有直接影響[6]。同時土壤團聚體能包裹有機碳，達到固定土壤有機碳的效果[7]，團聚體對有機碳提供物理保護作用，能夠通過調節(jié)其內外氧氣和水分的流通情況來降低微生物對有機碳的礦化分解作用[8]，所以研究土壤團聚體也能進一步分析土壤養(yǎng)分。0.5～0.25 mm 土壤水穩(wěn)性團聚體最為穩(wěn)定，對土壤養(yǎng)分的貢獻最大[9]。大于2 mm 團聚體含量隨種植年限延長呈先升高后降低的變化趨勢，而小于0.25 mm 團聚體比例則呈相反的變化趨勢[10]。隨輪作年限增加，顯著提高了團聚體幾何平均直徑（GMD）和平均重量直徑（WMD）以及大于0.25 mm團聚體和土壤總有機碳的含量[11]。因此，對連作葡萄地土壤進行團聚體顆粒組成及理化分析就顯得格外重要，不僅可以研究團聚體本身的影響，還可以明確種植年限和團聚體中土壤有機碳含量的變化，從而了解土壤肥力的變化?？蔀楦牧纪寥鲤B(yǎng)分提供一定的理論和技術指導。本研究以西昌市禮州鎮(zhèn)范圍內6 個不同耕作年限葡萄地塊為研究對象，主要對土壤團聚體進行粒徑分析、比較其顆粒組成、明確不同種植年限以及分析不同團聚體分布等各項指標的關系，以期為該地區(qū)農田的高效耕作和利用方式提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省涼山州西昌市禮州鎮(zhèn)田壩村及陳遠村（27°49'N,102°14'E），地處西昌市東北部，帽盒山和大坡山西麓。地勢北高南低、東高西低，地形為安寧河谷沖積平原，海拔1 680 m[12]。土壤類型為壤土，偏酸性，耕作層土壤有機碳含量約為5.23 mg/kg。地屬亞熱帶季風氣候，四季分明；夏季炎熱多雨，多年平均氣溫16 ℃，極端最高氣溫31 ℃，年均氣溫13～25 ℃，光熱條件良好，晝夜溫差大，宜于糖分的積累，無霜期年平均270 d，年平均日照時數(shù)2 700 h[13]。同時該區(qū)受印度洋西南暖流的影響，年平均降水量約為1 000 mm[14]，降雨集中在每年的6—9 月，為葡萄糖分積累、水源灌溉提供有利條件。土地主要利用類型為果園、菜地、人工林、天然林和濕地等。

1.2 野外采樣

野外土樣采集工作于2022 年4—7 月進行，采樣地點為西昌市禮州鎮(zhèn)田壩村及陳遠村的葡萄種植農田，當?shù)仄咸逊N植品種多為“陽光玫瑰”“克倫生”。農田采用大棚架式種植，行距2 m，單株種植，由當?shù)剞r民自行耕作，基本采用壟耕+滴灌的方式，生育期內滴灌12～18次，基肥多為黃腐酸鉀、磷酸二氫鉀、鈣肥、尿素或混合有機肥等。在該區(qū)域選擇地理位置相近且土壤質地基本一致的6種不同連作年限葡萄地，連作年限分別為1 年（1 a）、4 年（4 a）、5年（5 a）、8年（8 a）、11年（11 a）和30年（30 a）。每個連作年份設置一個試驗樣地（表1），共6個樣地，每個樣地面積約0.12 hm2，采樣前5～10 d 各樣地無灌溉。每個樣地內在距離葡萄主干約30 cm處隨機布設3 個樣方（3 次重復采樣），每個樣方面積為1 m×1 m，避開施肥點采集表面耕作層土樣（厚度約20 cm），取土時去除較明顯的根茬、石塊等雜物，將土塊捏碎后充分混勻，每層土樣用四分法裝袋帶回實驗室備用。

表1 不同連作年限葡萄樣地基本信息Table 1 Basic information on grape samples with different years of continuous cropping

1.3 試驗方法

本研究選擇的土壤組分包括團聚體、機械組成、含水量、容重、pH和有機碳。土壤團聚體采用薩維諾夫法[15]，首先用干篩法得到各粒級團聚體含量，再將干篩得到的各粒級土壤按所占比例配置100 g進行濕篩處理，最后用烘干測每個粒徑土壤的含量[16]；土壤機械組成采用沉降法[17]；土壤含水量和容重選擇烘干法[18]；土壤有機碳采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

土壤團聚體平均重量直徑[20]（MWD，mm）

土壤團聚體幾何平均直徑[21]（GMD，mm）

其中Xi是篩分出來的任意粒徑范圍內微團聚體的平均直徑（mm）;Wi是任意粒徑范圍內微團聚體的質量占土樣干重的百分比（%）[22]。

大于0.25 mm 土壤機械穩(wěn)定性（干篩，DR＞0.25）和水穩(wěn)定性（濕篩，WR＞0.25)團聚體含量公式[23]:

式中:MR為各粒徑團聚體質量（g）；MT為團聚體總質量(g)。

土壤團聚體結構破壞率（PAD，%）的公式為[24]:

土壤分形維數(shù)（D）用楊培嶺等[25]的模型:

式中：V0為全部粒級土粒質量之和（g）；Vi為團聚體粒徑小于Xi土粒的總質量（g）；Xmax為土壤粒徑的最大值(mm)；Xi為兩篩分粒之間粒徑的平均值(mm)[26]。采用Microsoft Excel 2021 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理并制作圖表，使用SPSS 26.0軟件進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)、多重比較、Pearson 相關性分析，采用Canoco 5.0進行冗余分析。

2 結果與分析

2.1 葡萄連作對土壤團聚體組成分布的影響

由表2可知，與其他年限相比，大團聚體含量在連作8 a時基本達到最大，為62.28%。相比于連作1年，除0.25～0.5 mm團聚體含量變化不顯著以外，各年限各粒級的土壤團聚體含量變化顯著(P＜0.05)。大于5 mm土壤團聚體含量呈現(xiàn)出一種先增大后減小的趨勢，且在連作8～11 a 含量最優(yōu)，增幅分別為112%、82%(P＜0.05)；2～5、1～2、0.5～1 mm團聚體變化無明顯規(guī)律，但在連作8 a含量依然最高，相比于連作1 a 分別顯著升高了100%、204%、130%(P＜0.05)；0.25～0.5 mm 團聚體含量基本呈現(xiàn)出先增后減再增的趨勢，在連作8 a達到最小值，為9.51%，相比于連作1 a顯著降低了39% (P＜0.05)；＜0.25 mm大致呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，在連作8 a時出現(xiàn)最小值，相比于連作1 a顯著降低了38%。

表2 不同連作年限葡萄樣地土壤水穩(wěn)性團聚體含量Table 2 Soil water stability aggregates in grape-like plots with different continuous cropping years %

2.2 葡萄連作對土壤機械組成的影響

由表3 可知，與其他年限相比，土壤中的粗砂礫、粘礫含量變化不顯著(P＜0.05)，中等粒級的土壤顆粒變化更顯著；而細砂礫含量隨著年限增長先增加后減少，含量在第4、5和11年顯著升高(P＜0.05)，第8年顯著降低(P＜0.05)；極細砂礫、粗粉礫、細粉礫含量隨著種植年限的增長而減小，而在5～8 a 增幅分別為130%、100%和129%，并且均在連作8 a達到最大，隨著年限的增加，極細砂礫和粗砂礫在8～11 a 顯著增加后趨于穩(wěn)定。其中整體的砂礫含量在第5年顯著升高21%(P＜0.05)，而在第8 年顯著降低31%(P＜0.05)；粉礫含量在第5 年顯著降低19% (P＜0.05)，而在第8年顯著升高29%(P＜0.05)。

表3 不同連作年限葡萄地土壤機械組成Table 3 Soil mechanical composition of grape plots with different continuous cropping years %

2.3 葡萄連作對土壤團聚體穩(wěn)定性的影響

由圖1、2可知，與其他年限相比，連作1～5 a的土壤MWD 和GMD 數(shù)值顯著降低(P＜0.05)；在連作8 a后土壤MWD增幅分別為10.51%、0.65%、26.59% (P＜0.05)，GMD 增幅分別為34.75%、7.82%、65.88% (P＜0.05)。由圖3、4 可知，D、PAD 均在連作4 a 達到最大，分別為2.71、56.02%；均在4～8 a持續(xù)減小，D在第5年后逐漸降低，在第8年出現(xiàn)最小值2.47；PAD同樣在1～4 a 顯著增加，增加了42.98%(P＜0.05)，在連作4 a之后降低，在連作8 a出現(xiàn)最小值37.91%。

圖1 葡萄不同連作年限平均重量直徑Figure 1 Average weight diameter of grapes over different continuous cropping years

圖2 葡萄不同連作年限幾何平均直徑Figure 2 Geometric average diameter of grapes with different continuous cropping years

圖3 葡萄不同連作年限團聚體分形維數(shù)Figure 3 Fractal dimensions of aggregates of grapes with different continuous cropping years

圖4 葡萄不同連作年限團聚體結構破壞率Figure 4 Damage rate of agglomerate structure in grapes at different successive crop years

2.4 葡萄連作對土壤化學性質的影響

由表4可知，與其他年限相比，葡萄連作第5、8年的土壤pH 顯著升高，比前1 年限升高了9.98%(P＜0.05)，在連作8 a之后又降低，比前1個年限降低了26.72%，其他年限無明顯變化；有機質含量在連作8 a 顯著升高，相比前1 個年限增加了123.35%(P＜0.05)，后1 個年限比8 a 年限降低了65.15%；其他年限肥力指標無明顯變化。

表4 不同連作年限土壤化學性質Table 4 Soil chemical properties for different continuous cropping years

2.5 土壤團聚體穩(wěn)定性及土壤理化性狀的冗余分析

冗余分析結果圖5（a）表明，前2 個軸累計解釋了團聚體穩(wěn)定性總變異的98.63%，表明土壤團聚體穩(wěn)定性對團聚體分布的大部分的原因，其中又因為土壤團聚體2～5、＜0.25 和0.5～1 mm 的向量權重較大，這幾個團聚體粒徑是影響團聚體穩(wěn)定性變化的主要因子。土壤團聚體＞5、2～5、0.5～1 mm與MWD、GMD呈正相關關系，與PAD、D呈負相關關系，土壤團聚體＜0.25、0.25～0.5 mm 與PAD、D呈正相關關系。圖5（b）前2 個軸累計解釋了團聚體分布總變異的87.77%，表明土壤機械組成、土壤養(yǎng)分對團聚體分布的大部分原因，其中又因為細粉礫、有機質、含水量、黏粒以及容重的向量權重較大，這些是影響團聚體分布變化的主要因子。細粉礫、含水量、有機質、容重、粘粒與＞5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm團聚體呈正相關關系，與＜0.25 mm和0.25～0.5 mm團聚體呈反相關關系。

圖5 團聚體分布與團聚體穩(wěn)定性(a)及土壤理化性質與團聚體分布(b)的冗余分析Figure 5 Redundancy analysis of soil aggregate stability and aggregate distribution (a) and soil aggregate distribution and soil physicochemical properties (b)

2.6 團聚體含量及穩(wěn)定性與理化性質的相關分析

由表5 可知，大團聚體含量與粗顆粒組成的相關性極強，土壤2～5 mm團聚體含量與極細砂礫、有機質含量呈顯著正相關，與細砂粒含量呈顯著負相關。土壤有機質含量與1～2 mm團聚體含量顯著正相關，與細砂礫含量顯著負相關。土壤有機質含量與0.5～1 mm 團聚體含量顯著正相關；土壤0.25～0.5 mm團聚體含量與粗砂礫含量顯著正相關，與細粉礫、粘礫含量顯著負相關；團聚體穩(wěn)定性指數(shù)MWD 與極細砂礫含量顯著正相關；團聚體穩(wěn)定性指數(shù)GMD與有機質含量顯著正相關，D與有機質含量的關系正好相反。

表5 土壤團聚體各項指標與顆粒組成及理化性質的Pearson相關性分析Table 5 Pearson correlation analysis of soil aggregates and particle composition and physicochemical properties

3 討論

已有研究表明，土壤團聚體是土壤結構的基本單元，其穩(wěn)定性對于水汽平衡、養(yǎng)分循環(huán)和土壤侵蝕等有直接影響[27]；不同粒徑的團聚體對土壤pH、有機質含量以及團聚體包裹碳的保持、供應、轉化能力不同[28]。同時，作物連作深刻影響著土壤團聚體。張喜煥等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄連作對土壤團聚體的分布有顯著影響，穩(wěn)定的土壤團聚體能夠保持自身結構的平衡，承受外界環(huán)境的干擾，同時對土壤的水分滲透和抵抗侵蝕發(fā)揮著重要作用。作物的連作可以改善土壤不同粒徑的團聚體分布。石巖松等[28]的研究就表明，不同連作年限土壤中的有機碳、全氮主要集中在粒徑＞1 mm 和0.25～1 mm 的團聚體中；王篤超等[30]的研究表明，連作可以促進水穩(wěn)性微團聚體向水穩(wěn)性大團聚體轉變。本研究發(fā)現(xiàn)，一定年限（5～11 a）的葡萄連作顯著改變了不同粒徑團聚體的分布，但低于5 a的葡萄連作未能有效的促進土壤中大團聚體的形成，這可能是因為時間較短，短期內難以明顯改善土壤理化性質，土壤團聚體的形成需要適當?shù)臅r間，這一結果與吳鵬豹等[31]的研究一致。土壤中粒徑大于0.25 mm團聚體含量越多，團聚體的平均重量直徑、幾何平均直徑越大，結構破壞率、分形維數(shù)越小，土壤結構也越穩(wěn)定[32]。本研究中，葡萄連作在5～11 a間土壤中＞0.25 mm粒級團聚體含量升高，連作8 a 時大團聚體含量達到最大值；但當連作時間過長時，大團聚體含量反而逐漸降低。因此，本研究表明，葡萄連作對土壤中大團聚體含量的提升在一定時間段內有促進作用，這可能是因為連作時間超過8 a 后，土壤的無機膠體含量降低，進而很難形成穩(wěn)定的大團聚體；也可能是因為葡萄連作在一定時間（8 a）內對于土壤的改良及葡萄的生長是有益的，而連作時間過長，這種穩(wěn)定性遭到了破壞，并導致葡萄產量及質量也隨之降低，原因可能是有機肥料的過度使用或長期施肥使得土壤團聚體穩(wěn)定性發(fā)生改變，也有可能是長期的種植使得耕作層土壤微生物群落發(fā)生改變，進而影響團聚體的穩(wěn)定性。

隨著連作年限的增加，長期施肥和對農藥的使用會造成土壤鈣化程度增高、鹽分含量增高，土壤pH 降低，土壤酸化現(xiàn)象加劇[33-34]。除此之外，土壤資源高強度的持續(xù)利用以追求經濟產量的情況下，連作容易導致水土流失加劇，作物選擇性吸收土壤養(yǎng)分，從而造成部分養(yǎng)分虧損而另一些養(yǎng)分過剩累積的養(yǎng)分失衡現(xiàn)象[35]。機械組成、土壤有機質和土壤養(yǎng)分會影響土壤團聚體分布及穩(wěn)定性變化[36]。本研究結果表明，年限過長的連作導致土壤理化性質發(fā)生顯著變化，連作土壤pH 顯著降低，這與楊陽等[35]的研究結果一致。一定年限的葡萄連作對土壤碳含量的提高、土壤肥力的增加以及土壤質量的改善等方面可以發(fā)揮重要作用[37]。本研究表明，6 個連作年限相比，連續(xù)種植8 a 的土壤中極細砂礫和細粉礫含量顯著增高，對于大團聚體的形成有促進作用，可能是因為連續(xù)種植土壤膠結物增多促使團粒聚集形成大團聚體。冗余分析結果表明，土壤有機質、細粉粒和黏粒是引起團聚體分布的關鍵指標；在團聚體組成中，大團聚體含量與土壤有機質、含水量、容重、細粉粒和黏粒含量呈顯著正相關關系，并且大團聚體含量解釋了團聚體穩(wěn)定性指標的大部分原因，說明葡萄連作的土壤中大團聚體含量變化，使得團聚體穩(wěn)定性變化，這一結果與李丹等[38]的研究結果一致。因此，葡萄連作年限不同會造成團聚體含量、組成、穩(wěn)定性發(fā)生不同變化，對于團聚體穩(wěn)定性和土壤肥力來講，5～11 a 的連作能夠使其達到較好狀態(tài)。

4 結論

① 葡萄連作對不同粒徑團聚體的影響程度不相同，使＞0.25 mm團聚體含量隨著連作時間的增長先增高后降低，在連作8 a 時達到最大值，同時降低了表土耕作層＜0.25 mm 粒級團聚體含量，0.25～0.5 mm 粒級團聚體含量也有所降低，但1～2 mm 和0.5～1 mm粒級團聚體含量顯著增加。

② 葡萄連作在一定時間內可以有效提升團聚體穩(wěn)定性，使土壤團聚體平均重量直徑、幾何平均直徑顯著升高，結構破壞率、分形維數(shù)顯著降低。

③ 隨著葡萄連作年限的增長，土壤pH 值和有機質含量先增高后降低，葡萄連作5～11 a最適宜改善土壤條件。