不同種植方式對溫室土壤微形態(tài)的影響①

申思雨，劉　哲，呂貽忠*

（1 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京　100193；2 漯河市農(nóng)產(chǎn)品質量安全檢測中心，河南漯河　462000）

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不同種植方式對溫室土壤微形態(tài)的影響①

申思雨1，2，劉哲1，呂貽忠1*

（1 中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193；2 漯河市農(nóng)產(chǎn)品質量安全檢測中心，河南漯河462000）

摘要：以河北曲周長期定位試驗站的溫室菜田土壤為研究對象，研究常規(guī)種植、無公害種植、有機種植 3種不同的種植方式對土壤微形態(tài)特征的影響。結果表明：有機種植下，土壤結構疏松；土壤團聚體發(fā)育良好，大團聚體數(shù)量較多；有機質含量增加100%；土壤孔隙的面積百分比最大，表層孔隙度達到了32%，當量孔徑＞0.1 mm孔隙比例最高，即有助于提高通氣孔隙含量，增加土壤的通氣性。因此，有機種植條件下土壤結構疏松、發(fā)育良好，易形成適合作物生長的良好土壤結構；常規(guī)種植條件下，土壤結構較為緊實，發(fā)育程度較低；無公害種植條件下，土壤結構發(fā)育程度居于兩者之間。

關鍵詞：土壤結構；土壤微形態(tài)；溫室土壤；有機種植

土壤結構是由各級土壤的組成物質和土壤孔隙形成的三維結構，是一個多尺度的立體概念，是土壤中各種過程進行的物理框架［1］。土壤是地球上最為復雜的生物材料［2］，對于其結構的研究，始終是土壤學領域的一個重大難題。

我國有機農(nóng)業(yè)起步于20世紀90年代，其核心是建立和恢復農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多樣性和良性循環(huán)，以促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［3］。國內外學者關于有機種植土壤的研究主要集中在土壤生物多樣性、土壤養(yǎng)分、土壤污染等方面［4-17］。有關土壤結構的研究，主要集中在土壤體積質量（容重）與團聚體變化方面。研究表明，有機種植條件下土壤的體積質量顯著低于常規(guī)農(nóng)場，有助于提高土壤孔隙度。通過有機與常規(guī)農(nóng)業(yè)對比，發(fā)現(xiàn)有機培肥有助于提高水穩(wěn)性大團聚體含量，增加土壤結構穩(wěn)定性［18-22］。土壤微形態(tài)概念由Kubiena于1938年提出［23］，是研究土壤結構發(fā)育及變化的重要方法。目前，對有機栽培條件下土壤微形態(tài)研究的較少。我國主要進行農(nóng)田土壤微形態(tài)研究，包括黑土、紅壤、紫色土、水稻土等［24-31］。關于溫室土壤僅有閻立梅和王麗華［32］、夏艷玲和東野光亮［33］等進行了不同棚齡下土壤微形態(tài)的研究，缺少對于不同種植方式下土壤微觀結構的對比研究。本文以河北省曲周縣不同種植措施下溫室菜田長期定位試驗的土壤為研究對象，通過對其微結構的定性及定量化研究，以揭示有機種植方式對于土壤微結構的影響。

1　樣區(qū)概況

試驗點位于中國農(nóng)業(yè)大學曲周長期定位試驗站（36°52′N，115°01′E），該區(qū)暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，年均溫13.1℃，無霜期約為210天，多年平均降水量604 mm。溫室菜田定位試驗始于2003年，設置常規(guī)種植、無公害種植、有機種植3種種植方式，小區(qū)面積大小：52 m × 74 m，約為0.04 hm2；每種種植方式設3個重復；種植制度為番茄-黃瓜輪作制。供試土壤為鹽化潮土，黏質壤土，施肥時間約為每年的3 ～ 5月，其中，不同處理間的施肥方式及施肥量如表1所示。

表1　不同處理施肥方式及施肥量Table 1　Fertilization methods and the amount of fertilizer used for different treatments

2　材料與方法

2.1土壤樣品的采集

常規(guī)土樣的采集：采用蛇形采樣法，在0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40 cm土層分別進行混合土樣的采集，每個處理取3個重復。

原狀土樣的采集：在試驗小區(qū)內，按“S”形路線選取合適的試驗點后，挖土壤剖面。分別在選定的深度（0 ～ 10、10 ～ 20、20 ～ 40 cm）用環(huán)刀采集原狀土。

2.2實驗分析方法

土壤體積質量（容重）：環(huán)刀法［34］；土壤有機質：重鉻酸鉀外加熱法［34］；土壤微團聚體：吸管法［35］。土壤微形態(tài)樣品的固化參照文獻［36］的固化方法，土壤薄片使用Nikon LV100 POL型號偏光顯微鏡進行觀察，使用連接顯微鏡的尼康數(shù)碼相機進行拍照，圖片大小：2 560 pixel × 1 920 pixel，相當于圖片大小：1.10 mm × 0.76 mm，存儲為TIF格式。在圖像處理方面：首先，使用Photoshop的閥值工具進行圖像二值化處理；其次，使用Matlab軟件的imadjust語句及中值濾波語句進行降噪以及圖像增強；最后，使用imsubtract語句以及regionprops語句的Area部分提取圖片中孔隙的像素面積，并除以圖片總面積即可得到切片中孔隙的面積比。

3　結果與討論

3.1不同種植方式對土壤體積質量和有機質的影響

由表2數(shù)據(jù)可知：在0 ～ 40 cm土層，土壤體積質量大小的變化順序為有機種植＜無公害種植＜常規(guī)種植。與常規(guī)種植相比，有機種植下各層土壤體積質量顯著降低；無公害種植條件下，0 ～ 10 cm土層土壤體積質量下降不顯著；10 ～ 20、20 ～ 40 cm土層土壤體積質量顯著降低。說明有機種植具有降低土壤體積質量，疏松土壤，改良土壤結構的作用。

不同種植模式土壤有機質含量在剖面上自上而下均呈下降趨勢。不同種植模式土壤有機質含量：有機種植＞無公害種植＞常規(guī)種植。有機種植下，0 ～10 cm土層土壤有機質含量達54.82 g/kg，約為常規(guī)種植的2倍，各層有機質含量均顯著增加；無公害種植下，其表層有機質含量也較高，10 ～ 20、20 ～ 40 cm土層，有機質含量增加不顯著。說明有機種植方式能夠明顯增加土壤有機質含量。

表2　不同種植方式下的土壤體積質量和有機質含量Table 2　Soil bulk density and soil organic matter content under different planting patterns

3.2不同種植方式對土壤團聚體的影響

從圖1可以看出：隨著土壤層次的加深，＞0.25 mm的團聚體含量逐漸降低。在0 ～ 10、10 ～ 20 cm土層，＜0.05 mm的微團聚體含量都較高。其中，常規(guī)種植下＜0.05 mm的微團聚體含量最高，0.05 ～ 0.25 mm的團聚體含量較低。＞0.25 mm的團聚體含量在有機種植下最高，無公害種植次之，常規(guī)種植最低。有機膠體、有機無機復合物作為土壤團聚體形成的膠結物，是土壤團聚體形成的基礎，在有機種植下，表層土壤有機質含量較高，有利于提高土壤大團聚體的含量，提高土壤的結構穩(wěn)定性。在20 ～ 40 cm土層土壤中各級團聚體的含量基本相同。

圖1　不同種植條件下土壤團聚體含量Fig. 1　Soil aggregates under different planting conditions

3.3不同種植方式對于土壤微形態(tài)的影響

土壤微形態(tài)描述按照Stoops［37］于2003年修訂的標準進行描述。具體見表3。

土壤中的礦物種類及其含量主要由母巖決定。根據(jù)不同種植方式下土壤切片的觀察，不同處理下土壤礦物組成基本相似。切片中的礦物顆粒主要以石英為主，占礦物量的90% 以上，粒徑在10 ～ 100 μm，星散斑點狀分布均勻。此外還有斜長石、云母等存在。

表3　不同種植方式下土壤微形態(tài)特征Table 3　Soil micro morphological characteristics under different planting patterns

圖2　不同處理下土壤微結構（1.10 mm×0.76 mm）Fig. 2　Micro structure under different planting conditions

不同種植方式下土壤微結構發(fā)生較大變化，在常規(guī)種植下，0 ～ 10 cm土層為中等分離的棱角狀結構，團聚體是弱發(fā)育的塊狀團聚體（圖2b），且數(shù)量少，土壤結構較緊實（圖2a）；土壤中新鮮植物殘體及有機質含量較少，有機-無機復合物含量少，且土壤生物活動痕跡較弱，反映該土壤不利于土壤團聚體的形成；下層土壤結構緊實。在無公害種植下，0 ～ 10 cm 土層土壤微結構中度分離棱角狀結構和輕度分離的團粒結構（圖2d），團聚體數(shù)量增多，土壤結構有所改善，土壤有機質含量有所增加，生物活動痕跡增強，說明在該條件下，土壤生物活性增強，有機質含量升高；下層土壤的緊實度有所降低，土壤結構較為疏松（圖 2c）。在有機種植下，0 ～ 10 cm 土層的土壤結構疏松（圖2e），微結構以團粒結構為主（圖 2f），發(fā)育良好的團聚體數(shù)量明顯增多，切片中可以觀察到大量新鮮有機質和半分解的植物殘體，生物排泄物及有機質分解形成的孔道；下層土壤結構也有明顯改善。說明使用有機肥有助于發(fā)育良好的團聚體的形成，土壤結構發(fā)育良好。

3.4不同種植方式對土壤大孔隙的影響

土壤孔隙是水分、空氣、根系、土壤微生物和土壤動物活動的地方，孔隙狀況在很大程度上能夠反映土壤質量的好壞。本次試驗中的土壤孔隙分析主要使用Photoshop和Matlab軟件進行數(shù)字圖像處理及定量化分析。

3.4.1土壤切片孔隙的定性化分析在常規(guī)種植下，主要為裂隙和簡單堆積孔隙，且20 ～ 40 cm 土層土壤孔隙度較低（表3）。裂隙和簡單堆積孔隙主要出現(xiàn)在結構性較差、肥力較低的土壤上，說明常規(guī)種植下，土壤結構性較差，土壤肥效較低。在無公害種植下，土壤結構有了進一步改善，孔隙以復合堆積孔隙為主，各層總孔度有所增加。在有機種植下，孔隙以復雜型堆積孔隙為主，還有面狀孔隙、囊孔和孔道等，總孔度增加，0 ～ 10 cm 土層孔度達到32%。即施用有機肥有助于孔隙發(fā)育，提高土壤總孔度，改良土壤結構，提高土壤保水能力。

3.4.2土壤切片孔隙的定量化分析通過對不同種植方式下土壤總孔隙面積進行分析（表4）可知：不同深度及處理間土壤總孔隙度變化與土壤體積質量的變化基本一致，但由于分辨率問題，很多非活性孔隙和小毛管孔隙觀察不到，導致總孔隙數(shù)值偏低。有機種植土壤孔隙面積百分比最高，0 ～ 10 cm土層有機種植土壤孔隙面積百分比高達約32%；常規(guī)種植的土壤孔隙面積百分比相對都較低，主要因為常規(guī)施肥區(qū)長年施用化肥，留在土壤中的植物殘體較少，土壤有機質含量低，土壤結構體和孔隙發(fā)育差，導致孔隙度較低。而在有機種植區(qū)，每年有大量的有機物質施入土壤中，使得土壤中的有機質含量增加，微生物和酶的活性相應提高，動物活動也增強，促使土壤結構體和孔隙發(fā)育良好，孔隙度較高。

不同種植方式不僅對土壤孔隙面積百分比有影響，而且對孔隙的當量孔徑分布也有一定的影響。孔隙可分為三類：小孔隙、中孔隙和大孔隙。小孔隙是指當量孔徑＜0.02 mm的孔隙，主要用于儲藏土壤水分；中孔隙是指0.02 ～ 0.1 mm的孔隙，是土壤水分運轉的重要通道；大孔隙是指＞0.1 mm的土壤孔隙，是土壤具有良好透氣性的基礎。由于顯微鏡的放大倍數(shù)及連接相機的分辨率，主要對＞0.02 mm的土壤孔隙進行分析。由表4數(shù)據(jù)可以看出：不同種植方式且不同深度，當量孔徑＞0.1 mm的孔隙面積比最大；0.02 ～ 0.1 mm的孔隙較少，而且各個粒級的孔隙度差距較大。不同種植條件下對當量直徑＞0.1 mm的孔隙影響較大。有機種植下，0 ～ 10 cm土層當量孔徑大于＞0.1 mm的孔隙最多，高達24.0%，無公害種植的較少，為20.4%。隨著土層的加深，在20 ～ 40 cm土層，0.02 ～ 0.1 mm的土壤孔隙含量：有機種植＞無公害種植＞常規(guī)種植，即有機種植不僅提高耕層以下土壤大孔隙的比例，也可以提高中孔隙的比例，有利于下層土壤水分的運移，保證土壤的通氣性。

表4　不同種植方式下土壤的孔隙結構特征（%）Table 4　The characteristics of the soil pore structure under different

4　結論

1） 有機種植下，土壤有機質含量增加顯著，且土壤體積質量下降明顯，表層土壤體積質量僅為1.17 g/cm3，即有機質有明顯的疏松土壤的作用。

2） 經(jīng)過9年的有機種植，土壤表層結構由中等分離的棱角狀結構為主變?yōu)閳F粒結構為主，發(fā)育良好的團聚體含量明顯增加。即施用有機肥有利于增加土壤團聚體含量，促進團聚結構的發(fā)育。有機種植下，土壤中新鮮生物排泄物含量增加，有機質含量增加，有機質形成的團聚體含量增加。

3） 有機種植下的孔隙由簡單堆積孔隙為主轉變?yōu)閺碗s堆積孔隙為主，土壤孔隙的面積百分比最大，表層孔隙度達到了32%；且＞0.02 mm的土壤孔隙明顯上升，提高了土壤中水分運轉速率及土壤的透氣性。

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Effects of Different Planting Patterns on Soil Micro Structure in Greenhouse

SHEN Siyu1，2， LIU Zhe1， LV Yizhong1*
（1 Resource and Environment College， China Agricultural University， Beijing100193， China；2 Agricultural Product Quality and Safety Testing Center of Luohe， Luohe， Henan462000， China）

Abstract：The greenhouse soils under the three different planting patterns from Quzhou County of Hubei Province were used to investigate the effects of planting patterns on soil micro morphological characteristics. Results indicated that the soil matrix and soil aggregates were well-developed and soil organic matters were increased by 100% under the organic planting conditions， compared with conventional cultivation. The organic planting led to the largest soil pore area and soil surface porosity reached 32%. The organic planting also improved the ventilation pore content and increased the ventilation of the soil with the highest pore proportion of ＞0.1 mm. Under the conditions of conventional cultivation， soil structure was tight and lower developed. Under the conditions of pollution-free cultivation， the development degree of soil structure was bigger than that under the conditions of conventional cultivation， but less than that under organic planting conditions. Therefore， soil structure was loose and well developed under the conditions of organic cultivation for the crop growth.

Key words：Soil structure； Soil micro morphology； Greenhouse soil； Organic planting

中圖分類號：S152.2

DOI：10.13758/j.cnki.tr.2016.02.022

基金項目：①國家自然科學基金項目（41571317）、“十二五”支撐計劃項目（2012BAD14B01）和環(huán)保公益性行業(yè)科研專項項目（2013467036）資助。

* 通訊作者（lyz@cau.edu.cn）

作者簡介：申思雨（1992—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為土壤結構。E-mail： ivyshen9213@163.com