柑橘林下養雞對土壤團粒結構分形特征的影響

蔡 煜，王景燕，龔 偉，呂向楠，舒正悅，閆思宇，趙昌平

（四川農業大學 林學院 水土保持與荒漠化防治四川省重點實驗室，四川 成都611130）

柑橘林下養雞對土壤團粒結構分形特征的影響

蔡 煜，王景燕，龔 偉，呂向楠，舒正悅，閆思宇，趙昌平

（四川農業大學 林學院 水土保持與荒漠化防治四川省重點實驗室，四川 成都611130）

在四川盆周低山丘陵區柑橘Citrus reticulata林下養雞Gallus domesticus，研究不同養雞密度（0，600，1 200和2 400只·hm－2）對表層（0～20 cm）土壤團聚體組成、分形維數、理化性質、微生物數量和土壤酶活性的影響，探討分形維數與土壤理化性質、微生物數量及土壤酶活性的關系。結果表明：林下養雞使＞0.25 mm粒徑團聚體（干篩）和＞0.25 mm粒徑水穩性團聚體（濕篩）含量分別增加1.9%～5.0%和7.3%～24.5%，且隨養雞密度的增加而增加。土壤分形維數為2.174～2.760，且分形維數隨養雞密度、＞0.25 mm粒徑團聚體（干篩）和水穩性團聚體（濕篩）含量的增加而降低，與＞0.25 mm和＞5.00 mm水穩性團聚體含量呈極顯著相關（P＜0.01）。林下養雞降低了土壤容重、改善了土壤孔隙，增加了土壤養分、微生物數量和酶活性，其土壤肥力的提高作用隨養雞密度的增加而增加，且土壤理化性質、微生物數量和酶活性與分形維數間呈顯著相關（P＜0.05）。說明柑橘林下養雞能有效改善土壤團聚體組成和土壤肥力，降低土壤團聚體和水穩性團聚體分形維數。表5參35

土壤學；柑橘林；林下養雞；團粒結構；分形維數；土壤肥力

團粒結構及其穩定性是土壤質量的敏感性物理指標［1］，能決定土壤物理性質和調節土壤肥力，影響土壤通透性、孔隙性和持水性［2］。良好的團粒結構能起到協調養分的消耗和積累、穩定土壤溫度、改善土壤肥力和利于植物根系伸展的作用［3］。改良土壤有多種方式，林下養雞Gallus domesticus是其中一種新興的培肥改土方式。林下養雞會增加雞糞含量，雞糞是優質的有機肥料［4］，雞糞中含有豐富的有機物質、氮、磷、鉀和其他植物必需養分，能提高土壤養分含量［5］和促進培肥改土，兼顧良好的經濟效益和社會效益，具有改良土壤、節省林地肥料、滅蟲鋤草和促進樹木生長等優點［6－8］，且有機肥有利于增加土壤團聚體含量、提高土壤團聚體穩定性和改善土壤結構［9－10］。土壤是具有分形特征的系統，土壤團粒結構可以用分形維數來描述［11］。TURCOTTE［11］提出多孔介質材料的粒徑分布與分形維數的關系公式；楊培嶺等［12］提出了用粒徑的質量分布取代粒徑的數量分布來描述土壤分形特征，此法具有精確簡便的優點，應用更為廣泛。分形維數可以客觀反映土壤粒徑大小［13］、結構性狀［14］和理化性質［15－16］，并能夠定量化描述土壤肥力狀況［17］。目前，有關林下養雞的研究主要集中在養雞密度管理和養雞對土壤理化性質等的影響方面，而有關林下養雞對土壤分形特征影響方面的研究尚未見報道。本研究通過在四川盆周低山丘陵區柑橘林下養雞，研究不同養雞密度對土壤團粒結構分形特征、理化性質和微生物數量及土壤酶活性的影響，探討分形維數與土壤理化性質、微生物數量及土壤酶活性的關系，為構建林下養雞復合經營模式和了解林下養雞對林地土壤肥力的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區自然概況

試驗地位于四川省丹棱縣紅石村退耕還林示范區（30°03′N，103°29′E），海拔為495～583 m。該區地處于四川盆地西南邊緣，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，地帶性植被為亞熱帶常綠闊葉林。根據丹棱縣氣象站（海拔496.2 m）的歷年氣象觀測資料統計，全年日平均氣溫為16.6℃，最熱月均溫25.6℃，最冷月均溫6.3℃，全年降水量為1 232.8 mm，年降水天數為170.2 d，降水集中于5－8月，年蒸發量為1 002.6 mm。2007年9月上旬開始在柑橘Citrus reticulate林下設置不同的養雞密度（0，600，1 200和2 400只·hm－2）進行長期養雞試驗，研究養雞對土壤理化性質的影響。柑橘林下雞的放養時間是每年的9月上旬至第2年的4月中下旬，5－8月林下不養雞。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調查和樣本采集 試驗地柑橘園建于2000年，株行距為3 m×4 m，土壤為黃壤。在調查柑橘園試驗區的基礎上，根據典型性、代表性的原則，分別在坡向、坡度、坡位和海拔高度基本一致的柑橘園中設置不同養雞密度處理（0，600，1 200和2 400只·hm－2，以下分別以ck,T600，T1200和T2400表示）。設置3次重復·處理－1，共12個小區，各小區面積為20 m×20 m。各小區用絲網隔離，雞群在限定的養殖區活動，以保證其密度。選擇大小基本一致的脫溫雛雞進行放養；放養期間雞苗如意外死亡，應及時清理后補充與該群體平均質量相當的健康雞苗，保證小區雞密度恒定。各試驗小區柑橘及雞苗的管理均按常規進行，雞飼料的投放量按雞數量等比例增加。于2012年8月上旬在每個標準地內采用蛇形5點取樣法分別采集0～20 cm土層混合樣品，帶回實驗室后分成2份，一份鮮樣用于測定微生物數量，另一份風干后用于測定土壤團聚體、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶。同時用環刀采集0～20 cm土層原狀土壤樣品以測定土壤容重和孔隙度。

1.2.2 測定方法 土壤團聚體組成采用機械篩分法；土壤有機質用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；土壤全氮采用半微量凱氏法；堿解氮采用堿解-擴散法；有效磷采用雙酸浸提法；速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法［18］；微生物數量采用平板法測定［19］，酶活性采用比色法測定［20］；土壤團聚體分形維數采用楊培嶺法計算，分形維數的計算過程與方法如下［12,21］：

具有自相似結構的多孔介質——土壤，由大于某一粒徑di（di＞di+1，i=1，2，…）的土粒構成的體積V（δ＞di）可由類似Katz的公式表示：

式（1）中：δ是碼尺；A，k是描述形狀、尺度的常數。

通常粒徑分析資料是由一定粒徑間隔的顆粒質量分布表示的，以表示兩篩分粒級di與di+1間粒徑的平均值，忽略各粒級間土粒比重ρ的差異，即ρi=ρ（i=1，2，…），則：

則由式（2）得：

由式（2）和式（3）導出：

1.2.3 數據處理與計算 采用SPSS 19.0軟件對文中數據進行統計分析，表中數據均為平均值±標準差，采用單因子方差分析（ANOVA）和鄧肯法（SSR）檢驗不同模式土壤各變量之間的顯著性差異。

2 結果與分析

2.1 土壤團粒結構分形維數

由表1可知：各處理土壤分形維數（干篩和濕篩）、土壤結構體破壞率和不穩定團粒指數均呈現出ck＞T600＞T1200＞T2400變化規律，其中各處理間的分形維數（干篩和濕篩）差異顯著，T1200與T600，T600與ck間的土壤結構體破壞率差異不顯著，各處理間的不穩定團粒指數差異顯著；＞0.25 mm粒級團聚體（干篩和濕篩）均呈現出ck＜T600＜T1200＜T2400的變化規律，且各處理間差異顯著。回歸分析發現，干篩條件下團聚體分形維數與＞5.00 mm，5.00～2.00 mm，2.00～1.00 mm，1.00～0.50 mm和＞0.25 mm粒級團聚體質量分數呈顯著負相關（P＜0.05），與0.50～0.25 mm粒級團聚體質量分數、結構體破壞率和不穩定團粒指數呈顯著正相關（P＜0.05）；濕篩條件下，土壤團聚體分形維數與＞5.00 mm，5.00～2.00 mm，1.00～0.50 mm和＞0.25 mm粒級團聚體質量分數呈顯著負相關（P＜0.05），與2.00～1.00 mm，0.50～0.25 mm粒級團聚體質量分數、結構體破壞率和不穩定團粒指數呈顯著正相關（P＜0.05）。因此，林下養雞增加土壤團聚體及水穩性團聚體質量分數，降低土壤結構體破壞率和提高土壤結構體穩定性。土壤團粒結構分形維數可以表征林下養雞對各粒級團聚體質量分數狀況及土壤結構與穩定性的影響。

表1 養雞處理對土壤團聚體組成和分形維數的影響Table 1 Effects of different raising chicken treatments on soil aggregate composition and fractal dimension

2.2 分形維數與土壤理化性質的關系

與ck相比（表2），T600，T1200和T2400處理土壤容重分別降低2.6%，9.7%和12.0%，各處理除T600外均與ck差異顯著，T1200與T2400處理間差異無顯著；非毛管孔隙僅T2400處理顯著高于ck，但兩者與其余處理差異不顯著；毛管孔隙各處理間差異無顯著；總孔隙僅T2400處理顯著高于ck處理，其他處理與ck差異不顯著，T1200與T2400處理差異不顯著。對土壤物理性質與土壤團粒結構分形維數回歸分析結果表明（表3）：土壤團粒結構分形維數（干篩和濕篩）與土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙和總孔隙間呈顯著或極顯著相關。說明林下養雞對提高土壤物理性質具有較好的作用；團粒結構分形維數越低，土壤物理性質越好。因此，土壤團粒結構分形維數的高低能夠表征柑橘林下養雞對土壤物理性質的影響。

各處理間土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀質量分數差異顯著（表2）。與ck相比，T600，T1200和 T2400處理有機質質量分數分別增加 26.5%，44.4%和 66.7%；堿解氮分別增加 45.7%，69.6%和110.0%；有效磷分別增加15.2倍、20.9倍和29.1倍；速效鉀分別增加1.3倍、2.3倍和3.5倍。對土壤養分與土壤團粒結構分形維數回歸分析結果表明（表3）：干篩和濕篩得到的土壤團粒結構分形維數與土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀均呈極顯著負相關。說明柑橘林下養雞條件下土壤團粒結構分形維數越高，土壤養分含量越低。因此，土壤團粒結構分形維數的高低能夠表征土壤養分狀況。

表2 養雞對土壤理化性質的影響Table 2 Effects of different raising chicken treatments on soil physical and chemical properties

2.3 分形維數與土壤微生物和酶的關系

由表4可知:各處理間細菌、真菌、放線菌和總微生物數量、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性差異顯著。與ck相比，T600，T1200和T2400處理細菌數量分別增加73.3%，177.5%和221.9%；真菌數量分別增加46.2%，75.7%和213.8%；放線菌數量分別增加57.6%，81.8%和133.2%；總微生物數量分別增加72.9%，175.6%和220.2%；蔗糖酶活性分別增加22.4%，35.2%和75.4%；脲酶活性分別增加70.2%，104.5%和179.2%；磷酸酶活性分別增加178.1%，207.0%和400.4%。對土壤微生物數量及酶活性與土壤團粒結構分形維數回歸分析結果表明（表5），土壤團粒結構分形維數（干篩和濕篩）與細菌、真菌、放線菌和總微生物數量、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性均呈極顯著負相關。因此，林下養雞有利于提高土壤的生物活性，且土壤團粒結構分形維數能夠表征土壤微生物數量和土壤酶活性的狀況。

表3 分形維數與土壤理化性質的關系Table 3 Relationship between fractal dimension and soil physical and chemical properties

表4 養雞對土壤微生物數量和酶活性的影響Table 4 Effects of different raising chicken treatments on soil microbial population and enzyme activities

表5 分形維數與土壤微生物數量和酶活性的關系Table 5 Relationship between fractal dimension and microbial population or enzyme activities

3 討論

土壤團聚體組成、穩定性和孔隙狀況對土壤肥力及結構穩定性有重要影響［3］。團聚體是土壤有機質的主要固存場所［22－23］，有機質是形成土壤團聚體主要的黏結劑［24－25］。本研究發現：柑橘林下養雞后有機質含量增加，＞0.25 mm粒級團聚體（干篩和濕篩）質量分數也增加。林下養雞和雞糞還林增加土壤有機物質輸入，使林地土壤有機膠體增加，土壤顆粒間膠結作用加強，土壤中大粒級團聚體增加和穩定性增強［26］。周萍等［27］研究發現：＞0.25 mm粒級團聚體越少，其分形維數越高，反之，則越低；何東進等［28］對毛竹Phyllostachys edulis-杉木Cunninghania lanceolata混交林土壤團粒結構分形特征的研究結果表明，土壤團粒結構分形維數與＞0.25 mm和＞5.00 mm粒級土壤水穩定性團聚體含量之間呈顯著負相關。本研究發現：團聚體和水穩定性團聚體質量分數越高，分形維數越低，這與何東進等［28］的研究結果相同。李陽兵等［29］研究發現：土壤團聚體分形維數與其結構及穩定性關系密切，團粒結構粒徑分布的分形維數越小，則土壤結構與穩定性越好。本研究發現，分形維數與土壤結構體破壞率和不穩定指數呈顯著性正相關，團粒結構分形維數對結構體破壞率和不穩定指數具有較好的表征作用，進一步說明土壤團粒結構分形維數與土壤結構及其穩定性關系密切。這與其他學者［29－31］的研究結果相同，即＞0.25 mm團聚體質量分數越高，分形維數越低，土壤孔性越好，結構越穩定，肥力越高。因此，土壤團粒結構的分形維數可以作為表征土壤結構和性質的重要參數，也可以作為表征土壤穩定性的指標，是理想的土壤肥力評價指標［3,21］。

土壤孔隙狀況直接影響土壤通氣性、透水性及根系穿插的難易程度，對土壤中水、肥、氣、熱和生物活性等具有重要的調節作用［32］。柑橘林下養雞后土壤容重降低，而＞0.25 mm粒級的團聚體質量分數（干篩和濕篩）、其他理化性質（容重除外）、微生物數量和酶活性均增加；且隨養雞密度的增加，土壤物理性質、化學性質及生化特性的影響作用加強，并以2 400只·hm－2處理對土壤的改良效果最好。土壤容重的降低與孔隙度的提高主要是由于柑橘林下養雞后，雞糞產量增多（即有機肥施入增多），土壤變肥沃，促進植物良好生長，植物根系尤其是細根對土壤的穿插作用增強，從而使土壤相對疏松多孔，容重變小；同時，土壤中有機質提高，有利于增加土壤中大粒級團聚體的形成與穩定，且為土壤動物活動提供了相對更多的能源物質，使土壤動物活動更為頻繁，對土壤的疏松起到了更好的促進作用［33－34］，所以柑橘林下養雞對改善土壤物理性質具有較好的促進作用。雞糞中含有豐富的有機物質及氮、磷、鉀等養分，在雞群糞尿排泄物施入土壤后，這些養分直接增加了土壤養分含量和肥力。另外，雞糞有機肥輸入林地土壤后為微生物活動提供了碳源、養分和豐富的酶促基質，促進土壤微生物的生長和繁殖，進而改善土壤理化性質和提高酶活性［35］。本研究結果發現，土壤團粒結構分形維數與土壤容重、非毛管孔隙、毛管孔隙、總孔隙、有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀、細菌、真菌、放線菌、總微生物、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性呈顯著或極顯著相關。因此，土壤團粒結構分形維數能夠較好的評價林下養雞后土壤理化性質變化、微生物數量和土壤酶活性狀況，是評價土壤肥力的一個綜合性指標［29］。

4 結論

柑橘林下養雞能增加＞0.25 mm粒級土壤團聚體和水穩性團聚體質量分數及穩定性，降低團粒結構分形維數，且在0～2 400只·hm－2密度范圍內，養雞密度高，分形維數低。柑橘林下養雞能改良土壤結構和提升土壤肥力，且在一定密度范圍內（0～2 400只·hm－2）土壤肥力隨養雞密度的增加而增加。無論濕篩還是干篩條件下，土壤分形維數與＞0.25 mm和＞5.00 mm粒級團聚體質量分數呈顯著相關。土壤團粒結構分形維數與土壤理化性質、微生物數量及酶活性均呈顯著相關，可以作為柑橘林下養雞處理后土壤肥力變化的綜合性評價指標。

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Raising chickens in citrus orchards on fractal features of soil aggregates

CAI Yu,WANG Jingyan,GONG Wei,Lü Xiangnan,SHU Zhengyue,YAN Siyu,ZHAO Changping
（Sichuan Provincial Key Laboratory of Soil&Water Conservation and Desertification Control,College of Forestry, Sichuan Agricultural University,Chengdu 611130,Sichuan,China）

Raising chickens under trees or bushes could improve the soil.To research the influence of the surface layer’s（0－20 cm）soil aggregate composition,fractal dimension,physical and chemical properties,microbial population,and enzyme activities for different chicken raising densities and to probe relationships between fractal dimension and soil physical and chemical properties,microbial population,and enzyme activities;citrus orchards in the Sichuan Basin low mountain hilly area were selected with four chicken density treatments（0, 600,1 200,and 2 400 chichens per hm2）and each treatment had three replications;the 12 plots of 20 m×20 m each were arranged in a randomized block design.Soils in the surface layer （0－20 cm）in each plot were collected,by snake-shaped five-point sampling method,to determine soil properties,such as soil aggregate composition and fractal dimension.Results showed a significant（P＜0.05）increase of 1.9%－5.0%in content of the＞0.25 mm particle-sized soil aggregates（dry-sieved）and 7.3%－24.5%in water-stable aggregates（wetsieved）in citrus orchards that were raising chickens,with both increasing as chicken density increased.Soil fractal dimension ranged from 2.174 to 2.760 and significantly （P＜0.05）decreased as chicken density（by 1.3%－8.7%）and the＞0.25 mm particle-sized soil aggregates （dry-sieved）and water-stable aggregates（wetsieved）increased.Soil fractal dimension was significantly correlated with the content of＞0.25 mm（r=－0.929, P＜0.05）and＞0.50 mm （r=－0.915,P＜0.05）particle-sized water-stable aggregates （wet-sieved）.Raisingchickens in citrus orchards significantly（P＜0.05）decreased soil bulk density（except 600 chichens per hm2）, significantly （P＜0.05）improved soil total porosity （except 600 chichens per hm2）,and significantly （P＜0.05）increased nutrient content,microbial population,and enzyme activities;soil fertility also increased as chicken density increased.Soil physical and chemical properties,microbial population,and enzyme activities were significantly（P＜0.05）correlated with soil fractal dimension.These findings indicated that raising chickens in citrus orchards could improve soil aggregate composition and soil fertility with fractal dimension of the soil aggregate and water-stable aggregate decreasing;fractal dimension of soil aggregate could also be used as an important comprehensive quantitative index to evaluate soil physical and chemical properties when raising chickens in a forest ecosystem.［Ch,5 tab.35 ref.］

soil science;citrus orchard;free range chickens under trees and bushes;aggregate structure;fractal dimension;soil fertility

S714.2

A

2095-0756（2017）02-0225-08

10.11833/j.issn.2095-0756.2017.02.004

2016-04-01；

2016-05-06

國家自然科學基金資助項目（41201296，41061140515）； “十二五”國家科技支撐計劃項目（2011BAC09B05）；土壤與農業可持續發展國家重點實驗室資助項目（0812201244）

蔡煜，從事林業生態工程等研究。E-mail：627200302@qq.com。通信作者：龔偉，教授，博士，從事土壤生態等研究。E-mail：gongwei@sicau.edu.cn