不同栽培年限日光溫室土壤團聚體的組成及穩定性

裴中健, 梁成華, 尹 巖

(沈陽農業大學 土地與環境學院， 遼寧 沈陽 110866)

不同栽培年限日光溫室土壤團聚體的組成及穩定性

裴中健, 梁成華, 尹 巖

(沈陽農業大學 土地與環境學院， 遼寧 沈陽 110866)

摘要：[目的] 揭示不同栽培年限日光溫室土壤團聚體分布及穩定性的變化趨勢，為探明設施蔬菜栽培土壤結構變化規律提供理論依據。 [方法] 以遼寧省新民市設施蔬菜栽培基地溫室土壤為研究對象，并以溫室外露地土壤為對照，研究了栽培年限為2，5，8，16 a的日光溫室土壤團聚體不同粒級的組成分布、機械穩定性、水穩性和團聚體破壞率的變化趨勢。 [結果] 不同栽培年限的土壤>0.25 mm團聚體數量、機械穩定性和水穩性均呈降低趨勢，且低于露地土壤；栽培時間長于5 a后，>0.25 mm團聚體數量、機械穩定性和水穩定性有所升高。供試土壤在栽培初期，土壤中有機質對團聚體的形成和穩定性維持沒有起到促進作用，隨著栽培時間的增長，有機質促進了團聚體的形成和穩定。 [結論] 研究區域溫室土壤團聚體穩定性隨栽培年限的增長呈先降低后升高的趨勢。

關鍵詞：日光溫室; 團聚體; 栽培年限; 機械穩定性; 水穩性

設施蔬菜栽培土壤的質量退化問題近年來受到了土壤學者高度關注，土壤結構的退化是其中一個重要因素。團聚體是土壤結構的基本單位，是組成土壤的重要部分，土壤中團聚體的含量和穩定性能夠直接影響土壤結構質量的優劣，是評價土壤結構質量的重要指標[1-2]。在評價與調節土壤肥力、土壤抗侵蝕以及維持土壤功能等方面，團聚體具有不同程度的影響[3-5]。目前，很多學者[6-9]的研究集中在不同施肥條件、不同耕作模式和不同土地利用方式等因素對土壤團聚體組成分布及穩定性的影響。而對于日光溫室條件下栽培年限對土壤團聚體分布和穩定性的影響的研究還相對較少。與露地土壤不同，溫室土壤施肥量大、無自然雨淋條件、耕作頻率和集約利用程度都處于較高水平[10]，在溫室條件下，隨著栽培時間的增長土壤團聚體的組成和穩定性必然會受到一定的影響。本研究選取4組不同栽培年限的日光溫室土壤作為研究對象，并以日光溫室外露地土壤作對照，研究溫室土壤團聚體各個粒級組成分布、機械穩定性、水穩性和團聚體結構破壞率的變化趨勢，為探明設施蔬菜栽培土壤結構變化規律提供理論依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究區域位于遼寧省新民市大民屯鎮設施蔬菜種植基地(北緯41°32′N,東經120°23′E)，日光溫室面積約2 000 hm2，是遼寧省乃至全國具有代表性的日光溫室蔬菜種植區。試驗選取的溫室所在區域地勢平坦，土壤類型主要為耕型淤黃壤質草甸土，主要種植作物為生菜、油麥菜等葉菜植物；試驗所選用的溫室外露地對照土壤種植作物為玉米。溫室土壤所施用的有機肥主要以熟雞糞和作物秸稈等物料，每年施用的有機肥約80 t/hm2左右,化肥施用量約為3 000 kg/hm2左右，其中尿素約500 kg/hm2，磷酸氫二銨約1 200 kg/hm2，硫酸鉀約1 000 kg/hm2[11]。

1.2　樣品采集

采樣時間設在2013年10月，采集栽培年限為2，5，8，16 a的4組溫室土壤樣本，每個年限選取3個不同溫室棚土作平行，對照組采集相鄰露地旱田土壤3份。采集深度為0—20 cm的原狀土壤，帶回實驗室，自然風干。待土壤含水量為20%左右時，將原狀土掰成1 cm左右的小土塊，室溫下風干，盡量不破壞土壤自然結構。供試土壤基本理化性質詳見表1。

表1　供試土壤的基本理化性質

1.3　測定方法

各級風干性團聚體分離和含量測定采用干篩法[12]。用四分法取風干后的土樣500 g，放入2，0.25和0.053 mm孔徑的篩組，振蕩90 s，分別得到>2，2～0.25，0.25～0.053和<0.053 mm這4個粒級的風干團聚體，稱量各粒級團聚體干重，并計算各級團聚體所占比例。通過干篩法計算平均重量直徑(MWD)來評價團聚體機械穩定性。

各級水穩性團聚體采用濕篩法[13]測定。按風干團聚體所測得的團聚體比例配制50 g土樣，在水中浸泡30 min放入2，0.25和0.053 mm孔徑的篩組，用手緊抓篩組，上下勻速振蕩5 min鐘分別得到>2，2～0.25，0.25～0.053和<0.053 mm4個粒級的水穩性團聚體，烘干后稱重。通過濕篩法計算平均重量直徑來評價團聚體水穩性。

1.4　數據處理

團聚體機械穩定性和水穩性采用平均重量直徑(MWD)來評價，公式為：

(1)

團聚體結構破壞率(PAD)計算公式為：

PAD=(wd-ww)/wd

(2)

式中：wd——干篩大于0.25 mm團聚體所占的比例；ww——濕篩大于0.25 mm團聚體所占的比例。

利用SPSS 18.0軟件對數據進行統計分析。采用LSD法對不同栽培年限日光溫室土壤團聚體粒徑組成及穩定性指標進行差異顯著性檢驗。采用Pearson法進行相關性分析，確定不同粒級團聚體之間及其與穩定性指標之間的相關關系。

2結果與分析

2.1　不同栽培年限土壤團聚體的組成

2.1.1不同栽培年限風干團聚體的組成由干篩法得到的團聚體是土壤風干團聚體，粒徑<0.25 mm的團聚體為微團聚體，>0.25 mm的團聚體稱為土壤團粒結構，這部分團聚體是土壤中較為良好好的結構體，其數量與土壤肥力呈現正相關關系[14]，因此更能反映土壤結構的優劣狀況。從表2可以看出，與CK相比，當栽培年限為2和5 a時，>0.25 mm的團聚體含量均呈降低趨勢，說明棚齡小于5 a的溫室土壤其團粒結構有明顯的破碎現象。隨栽培時間的增長，這部分團聚體含量隨栽培年限的延長呈顯著升高趨勢(p<0.05)。與露地土壤相比，>0.25 mm的團聚體含量分別增加了4.26%(8 a)和4.43%(16 a)。溫室栽培初期，<0.25 mm的微團聚體含量隨栽培年限的延長而顯著升高；當棚齡高于5 a時，<0.25 mm的微團聚體含量呈下降趨勢，且降幅明顯，較露地土壤分別降低了24.63%和25.71%，其變化趨勢與>0.25 mm土壤團聚體含量的變化趨勢相反，這說明該區域日光溫室土壤團粒結構含量在種植初期階段，隨著栽培時間變長而逐步降低，破碎成微團聚體；種植年限達到一定時間后，隨著有機質在土壤中的積累，微團聚體在膠結作用下，聚合成大團聚體。這與團聚體中大團聚體由微團聚體膠結而成的理論相吻合[15]。

表2　不同栽培年限土壤團聚體組成(干篩法)　%

注：同一列中標有相同字母的數據表示在p=0.05水平上無顯著差異。下同。

2.1.2不同栽培年限水穩性團聚體的組成采用濕篩法獲得的團聚體是水穩性團聚體，水穩性團聚體具有抗水侵蝕的能力，能夠反映土壤的水穩性大小，這部分團聚體對于土壤結構穩定具有重要作用。由表3可以看出，2，5，8和16 a中大于0.25 mm的水穩性團聚體所占比例均小于露地土壤，說明溫室栽培對土壤大粒級水穩性團聚體的破壞較露地栽培嚴重。通過表1—2對比看出，溫室土壤和露地土壤大于0.25 mm水穩性團聚體所占比例很少，最大值為9.21%，遠小于干篩處理所得的團聚體組成最小值77.98%，優勢粒級主要集中在0.250～0.053 mm范圍內，這說明該土壤團聚體中大部分為非水穩性團聚體，水穩性團聚體含量較少，土壤結構性較差。

隨栽培年限的增長，大于0.25 mm水穩性團聚體含量呈先升高后降低的變化趨勢，在溫室使用前期，其土壤水穩性大團聚體隨種植時間增長而降低；當種植年限大于5 a后，其含量開始隨時間變化顯著升高(p<0.05)，其中8 a較5 a增長了9.38%，16 a較8 a增長了12.08%。說明隨著栽培時間的延長，團聚體水穩性有所好轉，但仍低于露地土壤。當棚齡較小時，小于0.25 mm的水穩性微團聚體含量隨年限顯著升高(p<0.05)，溫室栽培時間延長后，其含量呈明顯下降趨勢。說明栽培初期的溫室土壤，在外源水力的作用下，大粒級團聚體破碎成微團聚體；栽培時間大于一定年份后，微團聚體又膠結形成大團聚體。這表明日光溫室的種植模式對土壤中水穩性團聚體的轉化產生了一定影響。

表3　不同栽培年限土壤團聚體組成(濕篩法)　%

2.2　不同栽培年限溫室土壤團聚體穩定性的變化

2.2.1不同栽培年限團聚體MWD的變化在土壤中，不同粒徑的團聚體對于土壤保肥能力、通氣性和水力性質等方面具有不同的作用，因此，不同粒級的團聚體的分布狀況與土壤結構質量的好壞具有密切的關系[16]。一般常用平均重量直徑，即MWD，來反映土壤團聚體的分布狀況。

通過干篩法測得的平均重量直徑(MWD)能夠反映土壤團聚體的機械穩定性的大小，機械穩定性是指團聚體具有抵抗外力避免被壓碎或抵抗外部環境變化而保持原有形態的能力。從圖1可以看出，2~5 a，風干團聚體MWD降低了3.84%，且均低于露地土壤；栽培年限大于5 a后，團聚體MWD呈升高趨勢。其中，5~8 a的升高幅度顯著(p<0.05)，升高幅度達到了22.02%。說明在種植初期，溫室土壤的機械穩定性較差，可能由于早期頻繁的耕作，致使大粒徑團聚體破碎成小粒徑團聚體，隨著種植時間的增長，溫室土壤養分在土壤中積累，起到改善土壤結構的作用，進而促進了大團聚體的形成，團聚體的機械穩定性有所改善。這與表1中顯示的風干團聚體中大于0.25 mm團聚體的變化趨勢相一致。此外，棚齡為8和16 a的溫室土壤平均重量直徑較露地土壤分別高12.28%和14.23%，這表明栽培年限的延長，溫室土壤的機械穩定性優于露地土壤。

與其相比，濕篩法測得的平均重量直徑則定量地反映了團聚體水穩定性的大小，與水穩性團聚體的組成相結合可以全面、客觀地評價土壤結構抗水力侵蝕的能力。從表4中可以看出，風干團聚體MWD值明顯高于水穩性團聚體MWD值，說明土壤團聚體中大部分非水穩性團聚體在濕篩過程中破碎，因此水穩性團聚體MWD值更能反映該土壤結構穩定性的狀況。從表3濕篩MWD數據看出，隨年限變化，MWD值先降低后升高，這與大于0.25 mm水穩性團聚體的變化特征相同，說明研究區域土壤團聚體水穩定性與機械穩定性一樣，在初期耕作過程中，穩定性下降，栽培時間增長后，其穩定性升高。但不同的是，水穩性團聚體MWD值變化幅度不明顯，5 a較2 a降低了3.11%，8 a和16 a較5 a分別升高了3.67%和7.34%。除了16 a，其余3個年限的MWD值均小于露地土壤，而16 a與露地土壤的差別并不明顯，這說明日光溫室土壤的水穩定性比露地土壤差，但隨著栽培時間增長，溫室土壤結構的水穩定性一定程度上得到了改善。

圖1　不同年限團聚體平均重量直徑(MWD)

2.2.2不同栽培年限團聚體破壞率(PAD)的變化土壤團聚體破壞率(PAD)與土壤結構穩定性有顯著的相關性，團聚體破壞率越高，表明土壤結構的穩定性越差；相反，其值越低，則土壤結構越趨于穩定[17]。從圖2的團聚體破壞率數據來看，無論是露地土壤還是溫室土壤，其團聚體破壞率水平都很高，平均達到90.49%，說明該土壤結構的抗水蝕性較差，這與從濕篩團聚體的組成和MWD的變化趨勢得出的結論一致。

不同年限的溫室土壤的團聚體破壞率均高于露地土壤，升高幅度分別為1.60%，1.98%，2.41%和1.24%。這可能由于日光溫室的耕作頻繁導致土壤結構的水穩性下降。從2~16 a的總體趨勢看，2~8 a，溫室土壤團聚體破壞率呈升高趨勢，但變化不明顯，8 a較2 a只升高了0.79%。栽培年限高于8 a后，破壞率有所降低，16 a較8 a降低了1.14%。表明隨種植年限增加，團聚體水穩性有所增加。

圖2　不同年限團聚體破壞率(PAD)

2.2.3有機質與團聚體穩定性相關性分析有機質是土壤團聚體的重要膠結物質，在團聚體形成和穩定過程中起到重要作用。本研究在干篩和濕篩條件下，分析了不同結合態有機質與平均重量直徑和團聚體破壞率的相關性。如表4所示，輕組有機質與松結態有機質的含量與濕篩條件下的團聚體平均重量直徑呈正相關關系，說明這兩種形態的有機質對于團聚體的水穩定性起到了促進作用，其中，輕組有機質與團聚體破壞率有較高的負相關性，說明該形態有機質主要作用于水穩性維持方面。松結態有機質與干篩條件下的平均重量直徑呈顯著正相關，而其余3種有機質均為負相關，表明松結態有機質在維持團聚體機械結構穩定方面起到重要作用。

表4　有機質與團聚體MWD和團聚體

注：*表示相關性在0.05水平上顯著。

3討 論

影響團聚體穩定性的因素很多，耕作與施肥是影響土壤團聚體穩定性的重要因素。長期的耕作擾動，可導致土壤中團聚體穩定性的降低[18]。有學者[19]研究指出，常規模式的耕作可以降低團聚體穩定性，其具體影響是使大團聚體破碎，從而使其含量降低，同時微團聚體的含量升高。土壤耕作強度的增加還可以促進土壤中有機質的周轉速率，加速有機質的礦化分解[20-21]，從而對土壤的團聚作用產生不利影響。此外，施入有機肥可以增加土壤中有機質的含量。有機質是土壤團聚體的重要組成部分，在團聚體的形成過程中起重要作用[22-23]。有機質含量的提高可以促進土壤團粒結構的形成，從而對土壤結構的穩定性產生有利的影響[24]。

本研究結果顯示，無論在干篩條件還是濕篩條件下，棚齡較小的溫室土壤，其>0.25 mm團聚體含量隨年限增長而降低，<0.25 mm團聚體含量增加，團聚體的機械穩定性和水穩定性均呈降低趨勢；隨之栽培年限的增長，>0.25 mm的團聚體含量有所升高，微團聚體聚合成大團聚體，團聚體穩定性得到一定改善。而從測得的數據發現，有機質中輕組有機質和松結態有機質與團聚體穩定性相關性較好，是主要起膠結作用的有機質，通過不同年限的團聚體穩定性指標來看，在栽培初期，雖然有機質總量呈升高趨勢，但有機質并沒有對團聚體的穩定性起到促進作用，說明輕組和松結態有機質并沒有的得到積累，這可能是由于采樣區域是國家級蔬菜種植基地，耕作頻率和耕作強度處于比較高的水平，高強度的耕作可能導致輕組和松結態有機質的礦化程度較高，分解速率較快，使得其膠結作用被削弱。同時，耕作的擾動也可導致>0.25 mm的大團聚體破碎成微團聚體，從而降低了土壤團聚體的穩定性。種植年限升高后，團聚體水穩性和機械穩定性都呈升高趨勢，且與有機質的變化呈正相關關系，說明有機質含量的升高對團聚體穩定性起到了促進作用。日光溫室蔬菜種植常常施入大量有機肥，再者由于溫室高度集約化的利用模式，使得大量的腐枝爛葉以及根系殘體等有機物質殘留于溫室土壤中，使有機質在土壤中大量富集。伴隨栽培年限的延長，有機質富集量的升高，膠結作用較為明顯，從而提高了了土壤團聚體穩定性。但在本試驗中，整體趨勢顯示露地土壤的機械穩定性和水穩性均好于溫室土壤，并且露地土壤有機質的含量在5 a前高于溫室土壤，這與前人相關研究的結果不同，具體原因有待進一步研究分析。

4結 論

(1) 溫室土壤中大于0.25 mm風干團聚體占團聚體的主要部分，總體機械穩定性較好。隨栽培年限增長，機械穩定性呈先降低后升高趨勢。栽培初期，由于頻繁的耕作擾動，溫室土壤團聚體機械穩定性隨年限變化而降低，且低于露地土壤；栽培年限超過5 a后，機械穩定性有所升高，且高于露地土壤。

(2) 溫室土壤團聚體水穩定性較差，大于0.25 mm水穩性團聚體含量所占比例很低。水穩定性隨栽培年限增加呈先降低后升高的趨勢，但變化不明顯，并且除16 a外，其余年限的團聚體水穩性均小于露地土壤。

(3) 栽培年初期的溫室土壤中，有機質對團聚體穩定性并沒起到促進作用，隨著栽培年限的增長，有機質對團聚體穩定性的促進作用明顯加強。

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Size Hierarchy and Stability of Soil Aggregates in Solar Greenhouse Soils with Different Planted Years

PEI Zhongjian, LIANG Chenghua, YIN Yan

(CollegeofLandandEnvironment,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang,Liaoning110866,China)

Abstract：[Objective] Changing trends of size hierarchy and stability of soil aggregates in solar greenhouse soils were illustrated along years of plantation to provide some theoretical bases for the change of soil structure in vegetable cultivation. [Methods] Soils with different plantation years in four vegetable greenhouses(with 2, 5, 8 and 16 years of plantation)in Xinmin City of Liaoning Province were selected as the research objects, and nearby soils in open fields outside of the greenhouses were selected for comparison. Indices of composition, mechanical stability, water stability and damage rate of soil aggregate were measured. [Results] Within 5 years of plantation, quantity of >0.25 mm, mechanical stability and water stability of soil aggregates showed a decreasing trend along plantation, and they were lower than that of the comparative soil in open fields; After 5 years of plantation, they all were elevated significantly. At the beginning of the cultivation of the tested soil, organic matter didn’t play its role in the aggregate formation and stability maintenance; While, with the increase of planting time, organic matter began to promote the formation and maintain the stability of soil aggregates. [Conclusion] The stability of soil aggregate in the regional greenhouse decreased firstly and then increased with the increase of the planting years.

Keywords:solar greenhouse； aggregates； planted years； mechanical stability； water stability

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0070-05

中圖分類號：S152.4+7

通信作者：梁成華(1958—),男(漢族),遼寧省鐵嶺市人,博士,教授,博士生導師,主要從事污染土壤修復與利用、農業生態與環境方面的研究。E-mail:liang110161@163.com。

收稿日期：2014-08-29修回日期：2014-10-27

資助項目：國家自然科學基金項目“長期定位施肥對設施蔬菜栽培土壤團聚體穩定性的影響研究”(31171977); 遼寧環境科研教育123工程項目(CEPF2012-123-1-4)

第一作者：裴中健(1989—),男(漢族),遼寧省撫順市人,碩士研究生,研究方向為農業環境與生態。E-mail:jarvis198975@163.com。