連續多代次種植橡膠樹對土壤團聚體及土壤有機碳的影響

董豪 茶正早 張翔 郭澎濤 黃艷艷 朱紫依 王國葦

摘 ?要：土壤團聚體和土壤有機碳是指示土壤質量的重要指標，探究連續多代次種植橡膠對土壤團聚體和有機碳的影響可為了解橡膠園土壤質量演變規律提供理論支持。本研究采用時空互代法在海南儋州選取成土母質、土壤類型、氣候條件一致的不同代次（一代、二代和三代）的橡膠園，分層（0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm）采集土壤樣品，研究土壤團聚體、容重、孔隙度和有機碳（SOC）隨種植代次及土層深度的變化規律。結果表明：（1）第三代橡膠園土壤容重顯著高于第一代和第二代橡膠園（P<0.05），而第一代橡膠園的土壤孔隙度、MWD和GMD均顯著高于第三代橡膠園（P<0.05）;在不同土層深度中，孔隙度隨土層深度增加而顯著降低（P<0.05）。（2）第三代橡膠園土壤大、中團聚體占比顯著低于第一代橡膠園（P<0.05），不同土層間，0～20 cm土層土壤大、中團聚體占比顯著高于40～60 cm（P<0.05）;相反，土壤微團聚體占比表現為第一代膠園顯著低于第三代橡膠園（P<0.05），微團聚體占比隨土層深度增加而顯著增加（P<0.05）。（3）第一代土壤總有機碳含量顯著高于第三代橡膠園（P<0.05），不同土層間，0～20 cm土層有機碳含量顯著高于40～60 cm土層（P<0.05）;土壤大團聚體有機碳含量隨種植代次和土層深度增加顯著降低（P<0.05）;不同土層中，0～20 cm土層土壤中、微團聚體有機碳含量均顯著高于40～60 cm土層（P<0.05）。上述結果說明，連續多代次植膠后土壤出現退化趨勢。

關鍵詞：橡膠園;種植代次;土壤有機碳;團聚體穩定性;土壤退化

中圖分類號：S151.9 ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract： Soil aggregates and soil organic carbon （SOC） are important indicators of soil quality. Exploring the effects of successive multi-generation rubber planting on soil aggregates and SOC can provide theoretical support for understand-ing the evolution law of soil quality in rubber plantations. In this study， the spatial and temporal intergenerational me-thod was used to collect soil samples in layers （0–20 cm， 20–40 cm and 40–60 cm） from rubber plantations of dif-ferent generations （first generation， second generation and third generation） with the same parent material， soil type and climatic conditions in Danzhou， Hainan. The changes of soil aggregates， bulk density， porosity and organic carbon （SOC） with planting generations and soil depth were studied. Soil bulk density of the third generation was significantly higher than that of the first and second generation rubber plantations （P<0.05）， and porosity， MWD and GMD of the first generation were significantly higher than that of the third generation rubber plantations （P<0.05）. In different soil depth， porosity decreased significantly with the increase of soil depth （P<0.05）. The proportion of large and medium aggregates in the third generation was significantly lower than that in the first generation of rubber plantation （P<0.05）， and the proportion of large and medium aggregates in the 0–20 cm soil layer was significantly higher than that in the 40–60 cm soil layer （P<0.05）. On the contrary， the proportion of soil microaggregates in the first generation was significantly lower than that in the third generation （P<0.05）， and the proportion of microaggregates increased with the soil depth increasing （P<0.05）. The soil total organic carbon content of the first generation was significantly higher than that of the third generation （P<0.05）， and the soil organic carbon content of the 0–20 cm soil layer was significantly higher than that of the 40–60 cm soil layer （P<0.05）. The content of organic carbon in soil aggregates decreased significantly with the increase of planting generation and soil depth （P<0.05）. The organic carbon content of both medium and micro aggregates in 0–20 cm soil layer was significantly higher than that in 40–60 cm soil layer （P<0.05）. The above results indicated that the soil degraded in some degree after multiple successive generations of rubber tree plantation.

Keywords： rubber plantation; planting generation; soil organic matter; aggregate stability; soil degradation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.037

土壤團聚體在保持土壤結構穩定性方面發揮關鍵作用[1]，而其中的水穩性大團聚體的占比更是可以指示土壤質量[2]。橡膠林是熱帶地區重要的人工經濟林，其主要由砍伐當地原始森林和次生林種植而來[3]。熱帶地區的土地利用變化勢必會引起土壤質量發生改變[4-5]。許多學者研究了原始森林或次生林被替換為單一橡膠林后土壤團聚體和其他土壤理化性狀的變化[6]，結果表明原始森林或次生林的水穩性大團聚體數量以及有機質含量都要高于單一橡膠林[7-8]。然而，橡膠樹是一種多年生高大喬木，其生產周期可達20～30 a;加之在生產周期內，人為管理因素（割膠、施肥、修環山行、除草）也對土壤產生影響[9]。因此，在原始森林或次生林替換為橡膠林后，土壤團聚體以及其他土壤理化性狀如何隨橡膠種植代次變化也是值得研究的課題，這一問題的解答將有助于揭示橡膠林土壤質量內在演變規律。

目前，已有少數學者在不同地區開展了橡膠林土壤團聚體和其他一些理化性狀隨植膠年限發生變化的研究。Kurmi等[10]在印度的格里姆根杰地區研究了植膠10、15、25、34 a后土壤團聚體和土壤惰性碳的變化，發現不管哪種植膠年限的土壤中都是大土壤團聚體占主要部分，但是隨著土壤深度的增加，其所占比重逐漸減小;同時還發現隨著植膠年限的增加，平均重量直徑和幾何平均直徑以及土壤惰性碳的含量都隨著植膠年限的增加而增加。因此，他們認為成熟橡膠園在土壤質量恢復和減緩土壤退化過程中發揮著積極作用。王連曉等[11]研究了中國西雙版納地區不同植膠年限（10、20、30 a）橡膠林土壤團聚體分布特征，發現粒徑>5 mm的團聚體和粒徑>0.25 mm的水穩性團聚體的含量都是隨著林齡的增加呈現先增加后下降的趨勢;同時，土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的平均質量直徑和平均幾何直徑也表現出同樣的規律。因此，他們認為種植年限與表層土壤團聚體穩定性之間具有很強的相關性。

綜上所述，目前已有的相關研究都多數集中于橡膠林土壤團聚體和其他土壤理化性狀在橡膠樹一個生產周期內（約30 a）的變化狀況，缺乏在更長的時間尺度上（數個生產周期，一個生產周期之后對老的橡膠樹進行砍伐并重新種植）進行研究。而實際情況是橡膠樹的種植往往歷經數個生產周期，因此，單個生產周期內的變化情況并不一定能完全反映土壤團聚體以及其他土壤理化性狀在更長周期內的變化規律。同時，橡膠林土壤團聚體以及其他土壤理化性狀在更長周期內的變化規律對揭示橡膠林土壤質量演變機理也具有更大價值。本研究的目的是探究橡膠林土壤團聚體以及其他土壤理化性質在不同生產周期間的變化規律，以期為揭示橡膠林土壤質量演變機理提供理論依據。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究區域及樣地概況

研究區域位于海南省儋州市那大鎮，地理位置19°28′～19°54′ N，109°28′～109° 51′ E（圖1）。地形為丘陵山區，平均海拔139.3 m，年均氣溫23.2 ℃，屬于熱帶島嶼季風氣候。全年降雨受到季風影響，分布不均，旱季雨季明顯，雨季為5—10月，旱季為11月至翌年4月，年平均降雨量為1815.6 mm。土壤類型為花崗巖發育形成的磚紅壤，此類土壤土層淺薄，底層多礫石，土壤肥力易損失。

1.2 ?方法

1.2.1 ?土壤樣品采集 ?在選擇的橡膠林內按照“S”型路線選取10個代表性的樣點進行土壤樣品采集。采集土樣時，先去除地表凋落物，再用內徑為5.0 cm的土鉆按照0～20、20～40、40～60 cm的深度分層采集土壤樣品。同土層深度10個樣品混合帶回實驗室，風干、去雜質、過1 mm篩后測定土壤有機碳。

在選取的10個取樣點中，按單數選擇，挖取長×寬×深分別為1 m×1 m×0.6 m的剖面5個，將每個剖面分為0～20、20～40、40～60 cm三個土層，用環刀法采集每一土層的原狀土，用于測定土壤容重、孔隙度及團聚體。

1.2.2 ?測定方法 ?土壤容重用環刀法測定。土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）含量采用重鉻酸鉀氧化—外加熱法[12]測定。土壤團聚體穩定性用濕篩法測定[13]。將樣地采集的原狀土中的土塊破碎后過套篩（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm），按比例從各粒徑級中，稱取總重為50 g土樣。將分離出的土樣置于套篩（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm）頂部，沿桶壁加入去離子水，直至沒過土樣，浸泡10 min，豎直輕微震動5 min，緩慢取出套篩靜置，將留在篩上的團聚體沖洗至培養皿中[14]，分為水穩性大團聚體、水穩性中團聚體及水穩性微團聚體[15]，在60 ℃烘箱中烘干稱重，計算水穩性團聚體的質量分數，同時分析SOC濃度[16]。

1.3 ?數據處理

比較不同種植代次土壤屬性之間差異時，將同一代次不同土層的土壤屬性測試值進行平均，得到該代次的土壤屬性代表值。

土壤團聚體平均重量直徑（mean weight di-ameter，MWD）及平均幾何直徑（geometric mean diameter，GMD）[17]計算公式如下：

式中，xi 為第i和i-1個篩子孔徑的平均值（mm）;yi為第i個篩子上水穩性團聚體干重占總團聚體干重的比例（%）;wi是各粒徑土壤團聚體的重量。

采用雙因素方差分析檢驗種植代次和土層深度是否對不同土壤參數存在顯著影響（采用95%置信區間）。在方差分析之前，先對數據進行方差齊性檢驗。所有統計分析均在SPSS Statistics 20.0軟件中進行。

2 ?結果與分析

2.1 ?土壤容重、孔隙度、MWD和GMD隨植膠代次和土層深度的變化

表2給出了土壤容重、孔隙度、MWD和GMD隨植膠代次和土層深度變化的信息。可以看出，隨著植膠代次的增加，橡膠園土壤容重表現出增加趨勢，第三代橡膠園的土壤容重顯著高于第一代和第二代橡膠園;土壤容重隨土層深度的增加也呈增加趨勢，且不同土層深度之間的差異顯著。與土壤容重的變化規律相反，土壤孔隙度隨植膠代次的增加呈降低趨勢，第三代橡膠園土壤孔隙度顯著低于第一代、第二代橡膠園;土壤孔隙度隨土層深度的增加也呈降低趨勢，且不同土層深度之間差異顯著。與土壤孔隙度的變化規律相似，MWD也是隨著植膠代次的增加呈降低趨勢，且第一代與第二代、第三代之間的差異顯著;隨著土層深度的增加，不同土層之間無顯著性差異。GMD同樣隨著植膠代次的增加而呈降低趨勢，但僅第一代橡膠園和第三代橡膠園之間的差異顯著;GMD隨土層深度的增加呈降低趨勢，且0～ 20 cm土層與20～40 cm和40～60 cm土層之間的差異顯著。植膠代次和土層深度的交互作用僅對孔隙度和MWD產生顯著影響。

2.2 ?植膠代次和土壤深度對團聚體粒徑分布的影響

表3表示土壤大團聚體、中團聚體及微團聚體隨植膠代次和土層深度的變化情況。結果顯示，隨著植膠代次的增加，橡膠園土壤大團聚體占比呈降低趨勢，且第三代橡膠園土壤大團聚體占比顯著低于第一代橡膠園;土壤大團聚體占比隨土層深度的增加呈降低趨勢，40～60 cm土層土壤大團聚顯著低于0～20 cm土層。隨著種植代次的增加，不同代次之間土壤中團聚體占比無顯著性差異;土壤中團聚體占比隨土層深度的增加呈降低趨勢，40～60 cm土層土壤中團聚顯著低于0～20 cm土層。與土壤大、中團聚體占比變化趨勢相反，土壤微團聚體占比隨植膠代次的增加呈增加趨勢，第一代橡膠園土壤微團聚體占比顯著低于第二代和第三代橡膠園。土壤微團聚體占比隨土層深度的增加而增加，且不同土層深度之間的差異顯著。植膠代次和土層深度的交互作用對土壤大、中、微團聚體的影響不顯著。

2.3 ?不同土壤團聚體有機碳含量隨植膠代次和土層深度的變化

表4顯示土壤有機碳及不同粒徑團聚體有機碳含量隨植膠代次和土層深度的變化趨勢。結果顯示，隨著植膠代次的增加，橡膠園土壤有機碳含量呈降低趨勢，且第一代橡膠園的土壤有機碳含量要顯著高于第二代和第三代橡膠園;土壤有機碳含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，0～20 cm土層土壤有機碳含量顯著高于20～40 cm和40～ 60 cm土層。土壤大團聚體有機碳含量隨種植代次和土層深度的增加呈降低趨勢，在不同種植代次之間的差異均達到了顯著水平;同時，不同土層深度之間的差異也達到了顯著水平。隨著種植代次的增加，土壤中團聚體有機碳含量也呈降低趨勢，但不同代次之間無顯著差異;在不同土層中，0～20 cm土層土壤中團聚體有機碳含量顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層。土壤微團聚體有機碳含量在各種植代次間的差異不顯著;土壤微團聚體有機碳含量隨土層深度的增加呈降低趨勢，且0～20 cm土層與40～60 cm土層之間的差異顯著。植膠代次和土層深度的交互作用對土壤大團聚體有機碳含量產生顯著影響。

2.4 ?容重、孔隙度、有機碳、大團聚體、中團聚體、微團聚體、MWD及GMD相關性

表5顯示土壤參數之間的相關性。結果顯示，土壤容重與孔隙度、大團聚體、中團聚體、微團聚體以及GMD呈顯著負相關，容重與有機碳和呈顯著負相關。土壤孔隙度與有機碳、大團聚體、中團聚體及GMD呈顯著正相關，孔隙度與MWD呈顯著正相關，孔隙度與微團聚體呈顯著負相關。

土壤有機碳與大團聚體、中團聚體MWD及GMD呈顯著正相關，而與微團聚體呈顯著負相關。大團聚體與中團聚體、MWD及GMD呈顯著正相關，但與微團聚體呈顯著負相關。中團聚體與GMD呈顯著正相關，與MWD顯著正相關，而與微團聚體呈顯著負相關。微團聚體與GMD呈顯著負相關，與MWD呈顯著負相關。MWD和GMD呈顯著正相關。

3 ?討論

隨著土層深度增加土壤容重呈增加趨勢，而土壤孔隙度、MWD和GMD則呈降低趨勢。這一變化趨勢與印度[10]和中國[11]的研究結果相一致。隨著植膠代次增加，土壤容重呈增加趨勢，土壤孔隙度、MWD和GMD呈降低趨勢，證明土壤結構穩定性是隨著種植代次增加逐步降低的。韓藝師等[18]在海南針對4個不同種植代次的桉樹林進行研究，同樣發現隨著連栽代次增加，土壤容重增加，而總孔隙度和穩定性顯著降低。造成這一結果原因可能如下：一是人工管理過程中，壓實表層土壤，導致土壤緊實度增加，孔隙度降低;二是人工管理（主要是鋤草）減少了橡膠園土壤根系生物量，而根系具有錨固和抵抗土壤擾動的能力，因此，根系生物量的減少會導致橡膠園土壤物理性質的退化[19];三是由于連栽過程中，對土壤的翻耕等活動，可能對土壤結構造成擾動，從而降低土壤穩定性。

土壤大、中團聚體占比隨著植膠代次的增加呈降低趨勢，其原因可能為種植代次間的橡膠樹砍伐和翻耕導致了土壤團聚體遭到破壞，同時由于行間帶雜草的收割以及樹葉等凋落物的收攏，減少了橡膠園有機物的輸入量，而凋落物分解后產生的腐殖酸是形成大、中團聚體過程中很好的粘結劑[20]。同時，由于橡膠林是單一林種，且常年受到強烈的人為管理活動干擾，導致林下物種豐度較低[21]以及土壤動物和微生物活動弱，而土壤動物和微生物在活動過程中分泌的有機膠結物質也是土壤大、中團聚體形成的重要粘合劑[22]。由于上述原因導致土壤團聚體遭到破壞后難以補充[23]，進而引起橡膠林土壤水穩性大、中團聚體隨植膠代次增減而減少。

橡膠園有機碳及大團聚體有機碳含量隨著植膠代次的增加而降低，這一結果可能跟橡膠園管理方式有很大關系。一是本研究中的橡膠園每年都要進行行間雜草處理（用砍刀收割或打除草劑），導致行間土壤裸露，加之海南島降雨量大，因而很容易造成橡膠園水土流失[24]，引起土壤有機質降低;二是橡膠園得不到充足的有機物料的輸入，橡膠樹基本不施有機肥，僅有的有機物料即為橡膠樹自身凋落的葉片。這兩個原因可能導致本研究中橡膠園土壤大團聚體有機碳含量隨植膠代次增加而逐漸減少[25]。

綜上，本研究結果顯示：（1）橡膠林連續多代次種植后，土壤容重顯著增加，土壤孔隙度、MWD和GMD顯著降低;（2）土壤水穩性大、中團聚體粒徑分布隨種植代次增加而減少，表明土壤結構穩定性隨種植代次增加而減弱;（3）橡膠林團聚體土壤有機碳的變化趨勢符合團聚體占比的變化趨勢，表明不同種植代次下，土壤團聚體變化可能是導致土壤SOC變化的重要原因。本研究的結果將有助于揭示磚紅壤在多代次種植橡膠樹條件下的質量演變規律。

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