種植年限對蘋果梨園春季土壤團聚體分布的影響

陳 旸， 謝修鴻， 杜鑫宇， 徐同良， 梁運江

(1.延邊大學農學院，吉林延吉 133002； 2.長春大學園林學院，吉林長春 130022

蘋果梨于1921年從朝鮮引入我國，該品種果形扁圓，果皮有點狀紅暈，酷似蘋果，故稱為蘋果梨。果園土壤是果園生態系統中重要的組成部分之一，是果樹賴以生存的重要條件。果園土壤作為經濟林地，土壤質量直接影響著果實產量[1]。人為的翻耕施肥、踩踏、自然降雨等活動，使土壤結構發生改變，因而果園土壤受到了大量土壤研究者的關注。土壤團聚體是土壤中大小、粗細、形狀不同的土粒在各種力的作用下形成的，它是土壤的重要組成部分，影響著土壤侵蝕、持水、板結等物理性質[2]，還對土壤有機碳的儲備能力及植物的生長有深遠的影響[3]。國內外近幾年的研究表明，土壤團聚體是評價土壤質量的重要指標[4-5]，土地的管理措施、利用方式與土壤的結構性能有著密切的聯系。人為耕作、施肥等活動使土壤的屬性、生物活性以及生活環境發生改變，這對團聚體的穩定性產生影響。土壤團聚體穩定性的變化會導致土壤水分運輸與保留、水土流失、土壤結殼、養分循環和糧食生產等受到重大影響[6]。對團聚體穩定性的研究通常用平均質量直徑、幾何平均直徑、分形維數作為評價指標。分形理論(Fractal theory)是對于自然界中復雜、不規則事物進行描述的重要工具[7]。土壤的結構復雜，其內部存在微觀差異，由于土壤是具有局部和整體相似性的結構，因此可以采用分形幾何學的理論與方法對其進行研究。本研究通過運用干篩法及分形理論對延邊地區蘋果梨園土壤團聚體不同粒級在不同年限、不同層次的分布與變化進行探討，有助于彌補對我國北方果園土壤物理性質研究的不足，并為土壤的合理利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

延邊地區處于北半球中溫帶，屬于中溫帶濕潤季風氣候，受亞洲大陸和太平洋高低氣壓季節變化的影響，形成了典型暗棕壤(冷涼淋溶土)。山地環繞以及東臨日本海，使其有冬暖夏涼的氣候特點。氣候和地理位置的特殊性，為蘋果梨提供了有利的生長環境。龍井市位于延邊州東南部，是延邊州下轄的一個縣級市。采樣點位于龍井市延邊華龍果樹農場蘋果梨園(41°59′N～44°30′N，127°27′E～131°18′E)。平均降水量為400～650 mm，海拔高度280 m左右。

1.2 土壤樣品的采集與分析

于2015年5月，在栽植年限為11、25、40、50、60年的蘋果梨園，按五點取樣法選取代表性果樹5株，避開施肥點，距離樹干1 m處設置采樣點，挖取0～20、20～40、40～60 cm土層的原狀土，分別放入塑料盒內。

根據沙維諾夫法將土塊延其自然結構裂隙掰成10～12 cm 直徑的小塊，風干后采用干篩法對團聚體進行測定[8]。將取回的土樣平鋪于通風處，取風干土樣1.5 kg左右，每次取100～200 g左右裝入一套直徑為20 cm，孔徑依次為10.00、7.00、5.00、3.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的篩組(上方有蓋，下方有底)。篩完后分成>10.00、7.00～10.00、5.00～7.00、3.00～5.00、2.00～3.00、1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50、<0.25 mm的粒級，測定每個粒級的風干土樣的質量，并計算出各級干篩團聚體的百分含量。

1.3 土壤團聚體的評價方法

1.3.1 分形維數D團聚體分形維數D的計算使用吳艷軍等推導的公式[9]：

式中：wi為各級團聚體質量百分比，xi為各級團聚體直徑(mm)。

1.4 數據分析

數據采用SPSS 11.5軟件和Excel軟件進行分析。

2 結果與分析

2.1 栽植年限與層次對蘋果梨園土壤團聚體分布的影響

土壤團聚體穩定性是評價其質量高低的重要指標，其中具有抵抗外力影響的團聚體被稱為機械穩定性團聚體。通過干篩法可測得各粒級團聚體的含量，可評價團聚體的機械穩定性。從環境學的角度來看，表層土壤中>10.00 mm的團聚體具有抗風蝕的重要作用。表1、表2、表3為果園土壤在不同栽植年限中、不同層次土壤通過干篩法測得的團聚體分布。可以看出，>10.00 mm的團聚體以栽植年限為50年土壤最大，在不同層次中所占含量均大于22%，在40～60 cm層次中達到了38.0%，與其他年限土壤差異顯著，說明此年限土壤團聚體的機械穩定性最好。在<10 mm的粒級中，3.00～5.00 mm的粒級在20 cm以下的土層中均為第一優勢組分，在栽植11年、25年和60年里的含量在21%～28%之間。0.5～1.0 mm的粒級在上部0～20 cm的土層中為第一優勢組分，在栽植11年、25年和60年里的含量在20%～27%之間。由于栽植50年的果園土壤在各層次中大于10 mm的粒級含量最高，導致20 cm以下土層中3.00～5.00 mm粒級及0～20 cm中0.50～1.00 mm 的粒級含量較其他栽植年限的含量少。在11～40年之間0～20、20～40、40～60 cm等3個層次中>10.00 mm的團聚體變化均呈現先減小后增加的變化趨勢，且在栽植年限為25年時達到最小值。0.25～10.00 mm 團聚體是土壤在生物、化學、物理綜合作用后的結果。<0.25 mm的團聚體稱為微團聚體，其含量在不同層次中均最小，也隨著栽植年限的增加，含量不斷減少。說明果樹的栽植導致土壤中 <0.25 mm 微團聚體的含量逐年降低，也使得>0.25 mm團聚體含量逐年增加，使果園土壤的穩定性隨著果樹栽植年限的增加而得到日益改善。

2.2 栽植年限對果園團聚體平均質量直徑和幾何平均直徑的影響

平均質量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是判斷土壤團聚體大小分布狀況的常用指標，影響著土壤團聚度、結構穩定性以及土壤抗蝕性。由圖1、圖2可以看出，平均質量直徑和幾何平均直徑變化趨勢隨著栽植年限的增加呈倒“N”形變化，在栽植25年時達到最小值，在栽植50年達到最大值。在栽植25～60年中，平均質量直徑和幾何平均直徑的變化均隨著土層深度的增加而增大。說明根系生長旺盛的土層對土壤的結構穩定性、抗侵蝕能力有促進作用。栽植年限的增加使土壤結構更加穩定，抗侵蝕能力提高。在栽植50年和60年的果園土壤中，隨著土壤層次的增加，平均質量直徑依次遞增17%，幾何平均直徑依次遞增13%。這是因為果樹已經進入老年狀態，果實產量降低，使人們減少對該年限果園的耕作，土壤結構變化趨于穩定。

表1 不同栽植年限0～20 cm土層果園團聚體組成百分含量

注：表中數據為“平均數±標準差”。同列數據后不同小寫字母表示經Duncan’s新復極差法檢驗在α=0.05水平差異顯著。下表同。

表2 不同栽植年限20～40 cm土層果園團聚體組成百分含量

表3 不同栽植年限40～60 cm土層果園團聚體組成百分含量

2.3 栽植年限對果園團聚體分形維數D的影響

土壤團聚體的形成與變化過程是由多重因素相互作用的結果，許多研究表明土壤團聚體具有分形特征，可以利用分形維來描述其分布狀態[11]。不同栽植年限中土壤顆粒分布的分形維數在不同深度的土壤剖面變化規律見圖3。從圖中可以看出，0～20、20～40 cm的分形維數隨著栽植年限的增長呈倒“V”形變化，40～60 cm的分形維數呈“N”形變化。在 0～20、40～60 cm土層，栽植年限為25時分形維數最大，20～40 cm土層則是栽植年限為40時分形維數最大。各層次的分形維數均在栽植11年的果園土壤達到最小值，40～60 cm 土層的分形維數最小，為1.85，這是由于果樹處于開墾初期，人為的翻耕土壤、施肥等活動對該年限土壤結構產生影響。同一栽植年限土壤團聚體的分形維數隨深度增加逐漸減小，說明果樹的栽植對團聚體的影響隨著深度增加而增加。這與劉陽等研究結果[12]基本一致。但王賢等研究重慶四面山幾種林地土壤顆粒分形特征時發現土壤顆粒分布分形維數的變化隨著土層深度增加而呈增大的趨勢[13]，本研究結論與之相反。這可能與植物的種植、土壤的翻耕作用有關。延邊地區位于溫帶地區，具有獨特的低溫近似海洋性大陸季風氣候，土壤礦物風化程度較小。而重慶地區位于亞熱帶，氣溫較高，降水量大，巖石風化作用強烈，導致下層土壤黏粒含量高，使顆粒分布分形維數增大。

3 結論

果園土壤在栽植25～60年中，隨著栽植年限的增長， <0.25 mm 的團聚體含量呈降低趨勢，0.25～10.00 mm的團聚體含量呈增加趨勢。栽植50年的果園中>10.00 mm的團聚體含量最大。在栽植25～50年中，平均質量直徑和幾何平均直徑隨年限增長也逐年加大，50年和60年的果園土壤隨著土壤層次增加平均質量直徑依次遞增17%，幾何平均直徑依次遞增13%。分形維數D隨著年限的增長而平穩下降。

隨著土壤深度的增加，果園土壤<0.25 mm的團聚體含量不斷減少，平均質量直徑和幾何平均直徑呈上升趨勢。3.00～5.00 mm的團聚體在20 cm以下的土層中為第一優勢組分，含量在21%～28%之間；0.50～1.00 mm的團聚體在上部0～20 cm的土層中為第一優勢組分，含量在20%～27%之間。分形維數D隨著土壤深度增加而降低。

開墾初期11年果園的分形維數小于其他栽植年限，最小值為1.85。50年和60年果園進入老年狀態，土壤結構變化趨于穩定。