濱海蘋果園土壤碳氮空間分布及動態變化研究*

付傳城 章海波 涂 晨 李連禎 周 倩 李 遠，4 駱永明，4?

（1中國科學院海岸帶環境過程與生態修復重點實驗室（煙臺海岸帶研究所），山東煙臺 264003 ）

（2 中國科學院大學資源與環境學院，北京 100049）

（3 浙江農林大學環境與資源學院, 浙江省土壤污染生物修復重點實驗室，杭州 311300）

（4 中國科學院土壤環境與污染修復重點實驗室(南京土壤研究所)，南京 210008）

土壤有機碳（SOC）和全氮（STN）是土壤肥力和土壤質量的重要指標，是維持農業土壤生產力，保持土壤可持續利用的關鍵因子［1］。我國是世界蘋果第一生產大國，栽培面積和產量分別占世界的42%和54%［2］。我國蘋果園分布跨越不同氣候帶，在內陸和濱海形成了各具特色的主產區。然而，我國蘋果園總體上管理粗放，片面追求產量，不夠重視均衡施肥［3］，導致了土壤有機質含量低、氮磷含量過高等問題［4-6］。因此，探究蘋果園土壤碳氮的時空分布與變化特征對指導果園土壤管理，促進果業可持續發展具有重要意義。

前人對我國不同區域蘋果園碳氮水平及分布做了大量研究工作。Ge等［7］研究指出，我國蘋果園SOC和STN含量普遍偏低，不同區域差異較大。黃土高原蘋果園SOC和STN具有中等空間相關性［8］，并隨著種植年限呈先增后降的變化趨勢［9-10］。然而，我國蘋果園的氣候條件、土壤類型和管理方式差異很大，果園土壤碳氮的時空分布特征可能具有區域性，濱海蘋果園土壤碳氮空間分布及動態變化規律尚未系統研究，其與內陸果園的異同尚缺乏了解。為此，本研究以地處黃渤海之濱的膠東半島蘋果園為研究區，基于地統計學方法分析SOC、STN含量和密度（SOCD、STND）及碳氮比（C/N）的空間異質性，揭示SOC、STN含量和密度及C/N比值隨種植年限的變化特征，探討影響膠東蘋果園SOC、STN含量和密度及C/N分布的影響因素，進而通過與內陸地區蘋果園的比較，進一步闡明濱海果園碳氮時空分布與變化特征，為膠東濱海蘋果園乃至全國果園土壤可持續管理提供基礎數據和科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

膠東半島地處東經119°45’—122°75’，北緯35°50’—38°85’之間（圖1），包括青島、煙臺和威海三市，總面積30 825 km2，人口約1900萬。膠東半島屬暖溫帶半濕潤季風氣候，四季分明，光照充足，年降雨量約為650～850 mm，年均溫約12℃，平均無霜期約210 d。膠東半島屬丘陵地貌，海拔介于0～1 132 m之間，地帶性土壤類型為棕壤。膠東蘋果種植面積約為22.85萬hm2，主要分布在平原和相對緩平的丘陵之上。

1.2 樣品采集與分析

樣品采集于2014年4月至6月，共采集蘋果園土壤488件（圖1）。果園種植年限信息通過咨詢果農獲取。采樣深度為0～20 cm，在每個樣點以10 m為半徑，采集5個子樣，充分混合后，用四分法取出1 kg的樣品裝于聚乙烯塑料袋，注明編號，帶回實驗室，自然風干。采樣中心位置采用Garmin GPS 60CSx記錄。

樣品風干后，剔除動植物殘體、石塊及可見侵入體等，用陶瓷研缽研磨至分別完全通過2 mm（10目），和0.149 mm（100目）的尼龍篩。SOC和STN含量分析采用100目土樣，碳氮分析儀（Vario MAX CN Macro Elemental Analyzer）測定。對石灰性土壤樣品，分析前先采用0.5 molL-1鹽酸去除碳酸鹽，并用超純水洗滌，冷凍干燥保存。土壤pH分析采用10目土樣，土水比為1︰2.5，用pH計（Mettler Toledo Five Easy Plus FE20）測定。具體分析方法參考文獻［11］。分析時，設置10%樣品重復，以檢驗分析質量。

土壤有機碳密度（SOCD，kg m-2）、全氮密度（STND，kg m-2）按照如下公式［12］進行計算：

式中，BD為土壤容重（g cm-3），采用Song等［13］建立的回歸模型進行估算：BD=1.377×e（-0.0048×SOC）。H為土層厚度（20cm），δ為大于2mm礫石的體積比（%），依據《煙臺市土壤》［14］進行估算。

1.3 數據處理

經典統計分析、相關分析和單因素方差分析利用IBM SPSS 20軟件完成。在SOC、STN和C/N隨年限的動態變化分析中，對各年限數據取平均值后再進行制圖和擬合。運用地統計學手段進行SOC、SOCD、STN、STND和C/N空間異質性分析，半方差函數的擬合在GS+ 9.0軟件上進行。將GS+中獲得的最優擬合參數導入ArcGIS 10.2 軟件的地統計模塊（Geostatistical Analyst）中，運用普通克里格插值法（Ordinary Kriging）獲得SOC、STN和C/N的空間分布圖。海拔、坡度、坡向等均基于30m×30m分辨率的DEM數據，采用ArcGIS 10.2軟件計算得到。

2 結果與討論

2.1 果園土壤碳、氮的含量和密度

由表1可見，膠東蘋果園SOC、STN的平均含量為10.78～1.42 g kg-1，平均密度為2.81、0.37 k gm-2，平均C/N為7.70。與我國其他典型蘋果園相比，膠東蘋果園SOC、STN的含量和密度處于相對較高水平，但C/N偏低，其含量和密度均高于遼西和渭北果園，但低于京郊和伊犁果園。膠東蘋果園處于溫帶濕潤丘陵地區，地勢起伏幅度較小，土壤質地較疏松；受渤黃海海洋性氣候影響，水熱相對充足，但蒸發量約是降雨量的2倍，水土流失較弱，果樹生長較快，總體上有利于土壤碳氮的積累。目前，SOC含量處于較高水平；就氮而言，由于常年氮肥施用量大，而有機肥使用少，STN的積累速率快于SOC。葛順峰等［4］認為土壤C/N比處于21～23有利于提高氮素的利用率，并促進蘋果植株的生長。膠東果園C/N遠低于此范圍，說明該區土壤碳氮比例失調，可供微生物利用的碳源較少，微生物活性可能較低，可能會影響氮素的轉化。

圖1 研究區位置與土壤采樣點分布Fig. 1 Map of the study area and distribution of soil sampling sites

表1 膠東蘋果園SOC、STN含量和密度及C/N的統計特征及其與我國內陸主要果園的比較Table 1 Statistics of SOC,SOCD, STN, STND and C/N in the orchardsof Jiaodong Peninsula and their comparison with those in the typical inland orchards of China

2.2 果園土壤碳氮的空間分布

空間分析結果（表2）顯示，膠東果園SOC、SOCD、STN、STND和C/N均符合指數模型，塊基比分別為0.432、0.340、0420、0.387和0.391，均介于0.25～0.75之間，屬中等強度的空間異質性［19］。這表明五者均受到結構性因素（如土壤類型、成土母質、地形條件等）和隨機性因素（如肥料施用、翻耕灌溉、種植年限等）的共同影響［19］。這與郭宏［8］和張彬［20］等在相同尺度下對典型黃土高原果園的分析結果一致，說明濱海果園與內陸果園SOC和STN具有相似的空間異質性，且控制空間異質性的因素也是一致的。膠東果園SOC、SOCD、STN、STND和C/N的空間分布如圖2所示，SOC和STN分布趨勢一致，反映在兩者的顯著相關性上（r=0.800，p＜0.01），同時暗示著C/N具有相對的穩定性［21］。膠東果園SOC分布以10.00～12.00 g kg-1區間為主，SOCD以2.40～3.00 k gm-2為主，STN以1.20～1.60 g kg-1為主，STND以0.30～0.42 k gm-2為主，C/N以7.0～8.0區間為主。

表2 膠東蘋果園SOC、STN含量和密度及C/N的最優半方差函數擬合參數Table 2 Fitting parameters of the optimal semivariograms of SOC, SOCD, STN, STND and C/N in the orchards of Jiaodong Peninsula

圖2 膠東蘋果園SOC、STN含量和密度及C/N的空間分布Fig. 2 Spatial distribution of SOC, SOCD, STN, STND and C/N in the orchards of Jiaodong Peninsula

2.3 果園土壤碳氮的動態變化

因膠東蘋果園SOC、STN 和SOCD、STND的動態變化規律基本一致，故本文僅以SOC和STN指示土壤碳氮的動態變化。膠東蘋果園SOC、STN和C/N隨種植年限的變化趨勢如圖3所示。SOC含量隨種植年限的增加呈現上升趨勢，但上升的過程是有起伏的，可能與土壤類型及果園管理措施的差異有關。在種植約30年時SOC呈現下降趨勢，此時間節點與蘋果樹的“枯果期”基本一致。我國果園多處在瘠薄土壤上，立地條件較差［22］。且果園改建對土壤擾動強烈，使得有機質暴露，有利于微生物對有機質的礦化分解［23］，因此果園利用初期SOC含量較低。隨著經營年限的延長，以凋落物和有機肥形式輸入的碳素，使微生物呼吸作用增強，在釋放新增碳的同時，也釋放出已貯存的有機質［24］，因而SOC含量不斷上升。SOC含量的升高促進了團聚體的形成，進而也增強了有機質的穩定性［25］。對于樹齡超過30年的果園土壤，處于退化階段，果樹細根的生物量減小［26］，根系分泌物減少，果樹的光合生理功能也變弱［9］。此外，老果園常因產量低而疏于施肥［27］，這些因素均可導致老齡果園SOC含量的下降。

膠東果園STN含量隨著年限的延長而呈上升趨勢，但增長率不斷減小。氮肥、有機肥的施用及凋落物輸入是果園STN的主要來源，其含量是礦化與積累的平衡結果。果樹生長需要吸收大量氮素，尤其在盛果期，但因施肥量大，使得STN含量并沒有降低。在我國蘋果生產中，氮肥利用率僅為30%～50%［28］。盈余的氮素一部分被淋洗或揮發外，其余在土壤中漸漸積累，使得STN含量不斷增加。隨著年限延長，長期單一、過量施用氮肥導致土壤蓄積養分能力下降［29］，因此STN增長率逐漸下降。此外，老果園施肥不受重視，果樹歸還量降低，導致STN含量不再顯著提高。

SOC和STN積累并非同步，因此C/N變化規律與SOC和STN不同。隨著年限的延長，土壤C/N呈先下降、后上升、再下降的趨勢。幼齡果園因生產需要而氮肥投入大，氮素積累，因而C/N降低。隨著年限進一步延長，SOC不斷積累，土壤微生物數量會增加，氮素礦化率提高，因而C/N增加［30］。而在枯果期，果園SOC含量開始下降，土壤微生物數量相應降低，氮素利用率下降，故而C/N再次下降［30］。

甘卓亭等［9］研究報道，內陸蘋果園碳氮表現出隨種植年限動態變化。然而，不同于膠東蘋果園，可能由于受水分條件限制，內陸蘋果園的生產周期一般較短，如渭北塬區20年限蘋果園基本處于退化階段，其碳氮含量也隨之減少［9-10］。黃土高原和北京昌平、通州等地區果園SOC也隨種植年限變化［31］，但不如膠東地區果園顯著，這可能與不同區域果園管理措施、區域氣候條件和土壤特征有關。膠東果園水熱相對充足，植被生產力高，土壤微生物活動更旺盛，因此土壤的碳氮動態變化會強于內陸果園，其碳氮周轉的速率會更快。

2.4 果園土壤碳氮時空分布的影響因素

圖3 膠東蘋果園SOC、STN和C/N比值隨種植年限的變化Fig. 3 Variation of SOC, STN and C/N in the orchards of Jiaodong Peninsula with age

在現代果園管理措施中，常采用“清園”管理，導致地表凋落物殘體很少。因而，施肥被認為是影響土壤碳氮含量的主要因素［32］。不同地區蘋果園施肥量及肥料種類差異較大［33-34］，增大了土壤碳氮的空間變異性，使得果園土壤碳氮的空間分布和動態變化變得更加復雜。據報道，膠東果園施用化學氮肥水平在612.6 kghm-2，局部地區高達1 000 kg hm-2以上，而有機肥投入卻明顯不足［33］。渭北果園氮肥用量在672 kg hm-2，北京昌平果園氮肥用量約為1 000 kg hm-2，同樣有機肥投入比例較低［27，34］。這意味著不同地區果園的集約化程度不同，共同的是大量使用化肥，有機肥投入量過少［27,33-34］。這影響著不同區域果園碳氮的均衡性和時空特征。此外，灌溉、地膜覆蓋、生草和翻耕等措施也可能在不同程度上影響果園土壤的碳氮含量水平及時空變化［32］。

種植年限是衡量果園管理強度的重要指標，代表了果園的開墾歷史、管理強度，因而會對SOC、STN含量和密度及C/N有顯著影響。同時，不同果園因種植年限不同而使其SOC、STN含量和C/N不同，進而在空間上呈現出異質性。由圖4可見，2014年膠東果園典型土壤（以土屬為單元）SOC和STN含量較1980年增長約1倍，說明長期施肥等管理措施提高了果園的碳氮水平。在不同種植年限之間，膠東蘋果園碳氮水平也表現出顯著的差異（圖2），同樣也印證了施肥等田間管理對碳氮含量及密度的影響。

膠東果園SOC和STN含量在不同土屬之間表現出顯著性差異（p＜0.05）（圖5），F值分別為2.06和1.85，說明土壤類型影響碳氮的時空分布。在土壤分類體系中，土屬主要根據成土母質及區域水文控制的鹽分類型等地方性因素劃分，主要反映出母質和地形的影響。膠東果園土壤的成土母質主要包括殘積坡積物、酸性巖坡積洪積物和洪積沖積物等類型，果園SOC和STN含量既繼承于母質，又受母質控制的土壤性質（如質地）的影響，從而表現出與成土母質的關聯性。

土壤分布具有地帶性特征，而果園種植也受到地帶性土壤類型的影響。膠東果園和遼西果園等濱海果園以棕壤為主，渭北果園以黃綿土為主，伊犁果園多以潮土為主。這幾類土壤性質差別很大，即使在同等的管理強度下，肥力水平也各不相同。土壤類型也影響土壤有機質的穩定性，進而可影響碳氮礦化的速率［35］。

氣候在土壤碳氮的積累過程中扮演重要角色。一方面，氣候影響果園植被的生產力和生物量，控制輸入土壤的碳氮量；另一方面，氣候通過土壤水分、溫度等來影響微生物對碳氮的分解和轉化，因此溫度和降雨的綜合作用決定了果園土壤碳氮分布的地帶性特征［32］。膠東蘋果園與我國其他內陸果園存在著顯著的氣候條件差別。膠東蘋果園深受渤黃海海洋性氣候的影響，水熱條件相對充足，碳氮的周轉速度較快。膠東半島自身由于海陸、陸地下墊面分布不均勻，造成了冷熱水平和垂直分布的差異，使得濱臨渤海果園比濱臨黃海果園每年有100 mm降水量的差異，這可能會影響碳氮的時空分布特征，需要進一步研究。

膠東果園SOC、STN和C/N與地形因子的相關性見表3。總體而言，SOC、STN和C/N比值與膠東地形因子有關。SOC和STN與海拔呈極顯著正相關（p＜0.01），相關系數分別為0.161和0.172；SOC和TN與坡度呈顯著負相關（p＜0.05）。與張彬等［20］對黃土高原果園的研究結果相比，膠東果園碳氮受地形因子的影響較弱，這主要與膠東果園丘陵、低山為主，地形起伏不大以及水土流失較弱有關。

膠東蘋果園土壤pH平均為5.88，且隨種植年限快速降低；相比于第二次土壤普查時的數值，膠東果園土壤嚴重酸化［7］。膠東果園土壤SOC與pH存在顯著正相關（r=0.102，p＜0.05）（表3），但土壤STN與pH呈極顯著負相關關系（r=-0.124，p＜0.01），可能與化學氮肥在硝化過程中產生大量H+和NO3-導致土壤pH降低有關［34］。土壤C/N比值和pH呈極顯著正相關（r=0.265，p＜0.01）。土壤pH的高低會影響土壤微生物的活動，因為大多數土壤微生物都對酸敏感［36］。土壤的細菌和放線菌適宜生活在中性至微堿性的土壤環境中，當土壤pH過低時，它們的活性會受到嚴重影響，使得土壤有機質礦化速率下降［37］。低pH可限制硝化微生物的生長，抑制土壤硝化作用，進而影響氮素的周轉［38］。與膠東濱海果園不同，黃土高原等內陸果園土壤pH多為堿性，碳酸鹽對酸緩沖能力強，因而在現階段，內陸蘋果園土壤酸化對土壤碳氮含量及密度分布的影響可能不顯著。

表3 膠東蘋果園SOC、STN和C/N與地形因子、土壤pH的相關性Table 3 Pearson correlation of SOC, STN and C/N with terrain indices and soil pH

圖4 膠東蘋果園典型土壤類型SOC和STN含量在2014年與1980年之間的對比Fig. 4 Comparison between the years of 1980 and 2014 in SOC andSTN content in the orchards of Jiaodong Peninsula

圖5 基于土屬統計的膠東蘋果園SOC、STN含量和C/N 比值的分布Fig. 5 Distribution of SOC, STN content and C/N in the orchards of Jiaodong Peninsula on a soil family basis

3 結 論

膠東濱海果園SOC和STN含量和密度較高，總體上果園土壤肥力質量較高。膠東果園SOC、STN含量和密度及C/N表現出中等強度的空間分布變異性，受到果樹種植和管理年限的顯著影響。在種植年限30年之內，SOC和STN含量持續增加。土壤類型、酸堿性、地形、施肥等自然和人為因素共同影響著SOC和STN含量和密度及其變化。濱海與內陸蘋果園的土壤碳氮空間分布和動態變化存在異同性。