亞熱帶地區不同種植年限果園土壤團聚體結構及有機碳、氮分布特征

林 誠，鄭祥洲，郭寶玲，丁 洪，解 鈺，張玉樹*

（1.福建省農業科學院土壤肥料研究所，福州 350013；2.海南省農業科學院農業環境與土壤研究所，海口 571100）

土壤團聚體結構是土壤肥力的主要指標之一，不僅決定土壤肥力，還與土壤的抗蝕能力、固碳潛力和環境質量等有直接關系[1]。良好的團聚體結構具有較好的持水性、孔隙度和通氣性，可以滿足植物對水、肥、氣、熱等因素的需求[2]。土壤團聚體是有機碳儲存的場所，而有機碳又是水穩性團聚體形成必需的膠結物質[3]，因此土壤有機碳對增強土粒的團聚性、促進團粒結構的形成有重要作用[4]。反之，團聚體的形成又是有機碳固持與穩定的重要過程。有機碳通過被吸附到黏土礦物表面而包被在團聚體內得到物理保護，穩定的團聚體可以對其可礦化有機質進行有效保護從而免受微生物的分解[5]。但不同粒級團聚體有機碳含量存在明顯差異。有研究表明，團聚體有機碳含量隨粒級的增加而降低[6-7]，但也有研究認為大粒級團聚體有機碳含量更高，＜0.25 mm粒級團聚體有機碳含量相對較低[8-9]。

由于果樹種植的經濟效益較高，近幾十年來很多林地被開墾為果園，我國果樹種植面積由1980年的178萬hm2增加到2016年的1298萬hm2[10]。果園是一種特殊的經濟林地，管理過程中踩踏多（農藥化肥施用、采摘等）、翻耕少[11]，土壤團聚體結構的變化規律可能與常規農業用地不同。此外，高溫多雨的氣候條件，亞熱帶土壤的高度風化，脫硅富鋁化程度高，富含鐵、鋁氧化物等[12]，這些特點對于團聚體的形成及穩定性均有一定的影響[13]。本文以亞熱帶地區不同種植年限柑橘園土壤作為研究對象，分析土壤團聚體結構變化規律及有機碳、氮分布變化特征，旨在為果園土壤肥力形成和變化規律等相關研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

研究區域選擇在福建省泉州市永春縣，地跨南亞熱帶雨林帶和中亞熱帶常綠闊葉林帶，原始地帶性植被為栲屬、石柯屬和青岡屬植物。土壤以紅壤為主，發育于花崗巖母質。年均氣溫17～21℃，年均降水量1660～2100 mm，具有典型的亞熱帶土壤、氣候特征。此外，永春縣是我國著名的“蘆柑之鄉”，柑橘種植面積超過8667 hm2。

研究區域果園習慣施肥量為：開墾為果園后的前7 a每年施用的化肥氮、磷和鉀肥大約為300～500 kg N·hm-2、100～300 kg P2O5·hm-2和 150～350 kg K2O·hm-2，有機肥 2000～8000 kg·hm-2。種植 10 a后化肥氮、磷和鉀肥大約為500～600 kg N·hm-2，200～400 kg P2O5·hm-2和300～500 kg K2O·hm-2，有機肥 8000～10 000 kg·hm-2。其中化肥一般由尿素、碳酸銨、過磷酸鈣、氯化鉀和復合肥等組成，有機肥一般為農家肥。

1.2 土樣采集與分析

選擇未開墾林地（0 a）和種植2、10、20、30 a的柑橘園土壤作為研究對象，每個種植年限選擇3個果園作為重復（每個果園間隔30 m以上）。所有果園的坡向、坡度和管理措施基本一致。于2012年11月（水果采收后）取樣。每個果園隨機選擇6株果樹作為研究對象，在每棵果樹滴水線內以樹干為圓心、在2個不同半徑（大約0.5 m和0.8 m）圓周上各隨機取得3點，每個果園共36個子樣點混合成一個樣品。取樣時先剝離土壤表面的枯枝落葉和雜草，采用內徑為5 cm土鉆采集0～20 cm土層樣品。土壤水穩性團聚體的分離參照Elliott[14]的方法，采用德碼zy200型土壤團粒分析儀分析。具體分析方法為：將采集的土壤樣品風干后過5 mm篩，稱取100 g風干土，置于2 mm土篩上，蒸餾水浸泡10 min，然后將土樣依次通過0.25 mm和0.053 mm的土篩，分離出＞2、2～0.25、0.25～0.053 mm和＜0.053 mm共4級團聚體，收集各級篩子上的團聚體并分別轉移至鋁盒，于60℃下烘干，稱量。＜0.053 mm的團聚體通過將溶液沉降、離心獲得。把＞0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性大團聚體，＜0.25 mm粒級的團聚體稱為水穩性微團聚體。土壤有機碳用重鉻酸鉀外加熱法、全氮用凱氏定氮法測定[15]。不同種植年限果園土壤基本性質見表1。

1.3 數據統計方法

采用SPSS 18.0進行單因素方差分析，當差異達到5%顯著水平時用Duncan進行檢驗。

表1 不同種植年限果園土壤基本性質[16]Table 1 Soil properties of studied orchard and woodland[16]

2 結果與分析

2.1不同種植年限果園土壤團聚體分布特征

圖1顯示，除未開墾林地土壤外，不同種植年限果園土壤團聚體粒級含量表現為隨粒級減小而降低。土壤團聚體粒級主要集中在＞2 mm和0.25～2 mm兩個粒級，分別占整個團粒含量的40.1%～64.9%和30.6%～46.4%。與林地相比，開墾為果園后顯著增加土壤＞2 mm粒級團聚體含量，顯著降低0.053～0.25 mm粒級團聚體含量，但是對0.25～2 mm以及＜0.053 mm粒級團聚體沒有顯著影響。不同種植年限果園土壤各粒級團聚體含量無顯著差異。

圖1 不同種植年限果園土壤團聚體分布特征Figure 1 Distribution of different aggregates in soils with different planting age

2.2 不同種植年限果園土壤有機碳分布特征

由圖2可知，土壤有機碳在各粒級團聚體的分布特征總體表現為隨種植年限延長呈上升趨勢。與未開墾林地土壤相比，除種植2 a外，其余不同種植年限果園土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm 和＜0.053 mm粒級團聚體中有機碳含量分別增加3.69～8.71、4.55～21.86、4.82～15.31、4.67～15.80 g·kg-1，其中種植20 a和30 a與未開墾林地土壤有機碳含量的差異達到顯著水平。各粒級下土壤有機碳含量與種植年限呈顯著或極顯著正相關（表2）。

圖2 不同種植年限果園土壤有機碳含量Figure 2 Organic carbon contents in soils with different planting age

2.3 不同種植年限果園土壤全氮分布特征

從圖3可以看出，土壤全氮在各粒級團聚體中的分布特征與有機碳一致，各粒級下土壤全氮含量與種植年限呈極顯著正相關（表2）。與未開墾林地土壤相比，除種植2 a外，其余不同種植年限果園土壤＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm粒級下全氮含量分別增加 0.27～0.87、0.39～2.17、0.49～1.59、0.50～1.84 g·kg-1，其中種植20 a和30 a果園土壤與未開墾林地差異達到極顯著水平，但種植20 a與30 a間無顯著差異。

圖3 不同種植年限果園土壤全氮含量Figure 3 Total nitrogen contents in soils with different planting age

表2 果園種植年限與團聚體碳氮含量的關系Table 2 Relationship of plant age with organic content and total nitrogen content in aggregates

2.4 不同種植年限果園土壤各團聚體C/N變化特征

從圖4可知，在＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個粒級下土壤C/N平均值分別為12.2、12.0、10.9和10.6，隨團聚體粒級減小呈下降趨勢。在同一粒級中，土壤C/N值與種植年限均呈負相關關系（表2），其中＞2、0.25～2、＜0.053 mm呈顯著或極顯著負相關。

圖4 不同種植年限果園土壤C/NFigure 4 The value of C/N in soils with different planting age

2.5 土壤有機碳和全氮含量與土壤團聚體碳氮含量間的關系

將土壤有機碳、全氮含量與各團聚體有機碳、全氮含量進行相關分析發現（圖5和圖6），不同種植年限耕層土壤有機碳、全氮含量與各團聚體粒級下有機碳、全氮含量均呈顯著或極顯著正相關。通過擬合的線性方程可以得出，耕層土壤每累積1 g·kg-1有機碳或全氮，＞2、0.25～2、0.053～0.25 mm和＜0.053 mm 4個粒級下有機碳含量可增加 0.38、1.02、0.72、0.83 g·kg-1，全氮含量可增加0.62、1.62、1.20、1.48 g·kg-1，表明＜2 mm團聚體粒級有利于土壤碳、氮存儲。聚體（＞0.25 mm團聚體）含量越高，則團聚體越穩定，結構就越好，但＜0.25 mm的微團聚體含量過多則會影響土壤通氣透水性和微生物活性[17-18]。有研究表

圖5 土壤有機碳與團聚體有機碳間關系Figure 5 Relationship between organic carbon in soil and organic carbon content in aggregates

3 討論

團聚體是土壤結構的基本單位，其組成和穩定性直接影響土壤肥力和作物生長[11]，若土壤中水穩性團明，自然土壤（或荒地）開墾為農田后，隨著利用年限的增加，＞0.25 mm水穩定性團聚體總量呈增加趨勢[19-20]。孫蕾等[21]在對渭北果區不同種植年限果園土壤的研究中指出，隨種植年限的延長，＞0.25 mm水穩性土壤團聚體含量有明顯增加趨勢，而＜0.25 mm團聚體含量減少，果樹種植促進了表層土壤水穩性團聚體的形成。本研究中，果園耕作顯著提高了＞0.25 mm團聚體含量，降低了＜0.25 mm團聚體含量，與上述研究結果一致。林地開墾為果園后，由于有機肥和化肥的施用，僅開墾2 a的土壤有機質含量就可增加86.6%（表1）。現有研究表明，水穩性大團聚體的形成主要依靠有機質的膠結作用，增加土壤有機質含量有利于水穩性大團聚體的形成[5]，這可能是林地開墾為果園后大團聚體含量顯著提高的重要原因（圖1）。然而，該研究區域管理過程中，除每年開溝施肥翻耕果園外，年周期內干擾強度較大的還有修剪、除草和采摘等所產生的踩踏行為，這些可能導致土壤緊實度加大，容易破壞已形成的土壤團聚體[22]，造成隨著種植年限的增加，土壤各粒級團聚體含量無顯著變化。

圖6 土壤全氮與團聚體全氮間關系Figure 6 Relationship between total nitrogen in soil and total nitrogen content in aggregates

微團聚體通常是由大團聚體分解或黏粒與有機物膠結后形成的產物，其對有機碳的吸附能力隨土壤團聚體粒級的減小而增強；微團聚體的固持作用促進有機無機膠體緊密結合，導致儲存在其中的有機碳不容易被微生物分解利用，從而使有機碳在微團聚體中積累[23]。有研究表明土壤團聚體有機碳、氮含量隨著粒級減小呈升高趨勢[24]。杜少平等[25]在不同年限旱砂田中的研究有相同結果，本研究結果也發現類似規律。土壤有機碳和全氮的變化趨勢通常具有一致性[1，8]，本研究結果也表明全氮在團聚體中的含量與分布規律與有機碳類似，可能是因為土壤團聚體粒級越小，對NH+4的吸附能力越強，從而提高小粒級團聚體全氮含量[26]。現有的長期試驗表明[5，9]，不管是施用有機肥還是化肥，均能提高土壤團聚體碳氮含量，但以施用有機肥的效果更加顯著。從相關分析結果來看，不同團聚體粒級下土壤有機碳和全氮含量與種植年限呈顯著正相關。Six等[27]研究認為，若在土壤中添加新鮮有機物料會促進新一輪大團聚體-微團聚體循環進行。果園常年施用化肥和有機肥，特別是有機肥施入土壤后，增加的有機碳和全氮會先進入微團聚體中，并逐漸向大團聚體轉移并被儲存起來。土壤團聚體對有機碳和全氮有著一定的物理保護作用；通過耕作提高土壤大團聚體含量，增強了對土壤中原有的和新輸入的有機碳和全氮的保護作用，促進了土壤中不同粒級下有機碳和全氮的積累[28]。相關分析結果揭示，亞熱帶地區果園土壤中有機碳和全氮的含量變化主要取決于＜2 mm團聚體有機碳和全氮的變化，這可能是由于孔隙較大的＞2 mm粒級的團聚體可促進物質和氧氣的傳輸，提高土壤中微生物活性從而加快有機碳、氮的礦化分解，而小團聚體孔隙度小、通氣性較差、內部微生物活性較弱，且較小的孔隙也不利于 CO2釋放[29]。

一般來說，土壤C/N與有機質分解速度呈反比[23]，即：土壤C/N低，其意味著土壤中有機質礦化或者分解速度較快，可供微生物利用的碳源較少，微生物活性降低，從而影響養分的有效性[30]。從本研究結果來看，各粒級土壤C/N隨著種植年限的增加呈下降趨勢，這與長期大量施用氮肥促進土壤有機質分解有關[31]。梁珊珊[32]通過研究我國柑橘主產區氮磷鉀施肥現狀發現，福建柑橘主產區化學氮肥投入量過量面積達到85.9%，氮肥有57.9%的減施潛力。而柑橘屬多年生木本果樹，其生命周期較長，樹體壽命可達數十年。因此，長期耕作的果園在施肥時要保持有機肥輸入，并適當減施氮肥。

4 結論

（1）亞熱帶林地土壤開墾為果園后，土壤中＞2 mm粒級團聚體含量顯著提高；然而，開墾后的果園土壤團聚體結構對種植年限的響應不顯著，團聚體含量隨粒級的減小而降低。

（2）果園土壤中小粒級團聚體有機碳和全氮含量高于大粒級團聚體，各粒級團聚體有機碳和全氮含量隨著種植年限的延長而增加，增加的有機碳和全氮主要分布于0.25～2 mm粒級團聚體。