不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成及分形特征

李 森,涂衛(wèi)國,羅 勇,滕連澤

(1. 四川省自然資源科學(xué)研究院,成都 610015;2. 四川省科學(xué)技術(shù)研究成果檔案館,成都 610041)

土壤團(tuán)聚體是組成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,其組成和分布直接影響著土壤的水、肥、氣、熱等狀況,與土壤質(zhì)量密切相關(guān)[1]。根據(jù)土壤團(tuán)聚體抵抗外部環(huán)境變化、保持原有形態(tài)的能力,可分為水穩(wěn)定性、力學(xué)穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、生物穩(wěn)定性和酸堿穩(wěn)定性團(tuán)聚體[2],其中水穩(wěn)性團(tuán)聚體能直接反映土壤—水的界面過程,尤其與地表徑流和土壤侵蝕關(guān)系非常密切[3]。因此,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的粒徑大小、數(shù)量及分布特征反映了土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀況和抗侵蝕能力,在調(diào)節(jié)土壤理化、生化性質(zhì)方面具有重要作用。

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的不同粒級組成比例是造成土壤肥力差異的原因之一,通常以直徑為0.25～10mm的團(tuán)聚體來評價土壤結(jié)構(gòu)的好壞[4]。土壤團(tuán)聚體的組成受自然因素和人為活動的影響,其中土地利用變化等人為活動對土壤結(jié)構(gòu)影響較大,土壤結(jié)構(gòu)的好壞一定程度上會影響作物生長,作物的生長也會不同程度的影響土壤團(tuán)聚體的組成[5]。因此,從土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性方面研究土地利用方式是否科學(xué)、合理具有重要的意義。

為此,本研究以四川省名山區(qū)不同植茶年限下的老沖積黃壤為研究對象,研究不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的變化特征,探討長期植茶對土壤團(tuán)聚體粒徑組成和穩(wěn)定性的影響,以期為研究區(qū)茶園土壤質(zhì)量的改善和茶產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省名山區(qū)百丈鎮(zhèn)(30°10′N～30°12′N,103°10′E～103°11′E),海拔637.35～769.65m,屬于亞熱帶濕潤氣候區(qū),年均降雨量約1500mm,多年平均氣溫15.7℃,年平均無霜期299d,年平均陰雨天277d,全年平均日照時數(shù)1039.5h。研究區(qū)土壤類型為老沖積黃壤,其表層(0～20cm)土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 研究區(qū)表層土壤基本理化性質(zhì)

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 壤樣品采集于2020年10月,在對研究區(qū)內(nèi)的茶園地形地貌條件和管理措施進(jìn)行實地調(diào)查的基礎(chǔ)上,綜合選擇成土母質(zhì)相同、立地條件相似、管理措施相近、植茶年限相接近的茶園老沖積黃壤為研究對象。每個植茶年限茶園內(nèi)按照“S”形路線隨機布設(shè)5個采樣點,分別采集0～20cm和20～40cm土層土樣,各土樣均勻混合后裝入采樣袋中,帶回實驗室經(jīng)自然風(fēng)干后,一部分原狀土直接用于測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體,一部分研磨過2mm篩,用于測定土壤基本理化性質(zhì)。

1.2.2 樣品測定 壤團(tuán)聚體組成狀況采用濕篩法測定[6]。首先,將風(fēng)干原狀土先掰成10～12mm的土塊,在棄去粗根和小石塊后稱取風(fēng)干土樣500g,裝入孔徑依次為10、7、5、3、2、1、0.5和0.25mm篩組的最上層,往返勻速篩動篩組至樣品完全過篩,計算各粒級干篩團(tuán)聚體質(zhì)量比。然后,將各孔徑風(fēng)干土樣按比例配成50.00g,將其放置于套篩最上層,套篩從上至下依次由四個孔徑為2.00、1.00、0.50和0.25mm的尼龍網(wǎng)篩組成。將套篩放入水桶,調(diào)整桶內(nèi)水面高度使套篩移動到最高位置時,最上層網(wǎng)篩中的土壤團(tuán)聚體剛好能被桶中的水淹沒,套篩移動到最低位置時最下層網(wǎng)篩剛好接觸桶底,先將待測土樣在水面下浸泡10min后,以20次/min的頻度篩分20min后將各篩上的團(tuán)聚體分別沖洗至鋁盒烘干稱重,計算不同粒徑土壤團(tuán)聚體在原狀土樣中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

土壤pH采用電位法測定(土水比1:2.5),有機質(zhì)采用重鉻酸鉀—濃硫酸外加熱法測定,全氮采用凱氏定氮法測定,堿解氮采用堿解擴散法測定,有效磷采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法測定,速效鉀采用醋酸銨提取—火焰光度法測定。

1.2.3 數(shù)據(jù)計算與處理 壤團(tuán)聚體的幾何平均直徑(式1-1)、平均重量直徑(式1-2)采用邱莉萍等[7]推導(dǎo)的公式計算,分形維數(shù)(式1-3)采用楊培嶺和羅遠(yuǎn)培[8]推導(dǎo)的公式計算:

式中,GMD為團(tuán)聚體幾何平均直徑(mm);Wi為某一粒級水穩(wěn)性團(tuán)聚體重量(g),Ri為某一粒級團(tuán)聚體平均直徑(mm);MWD為團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(mm);wi為每一粒級團(tuán)聚體的重量百分含量(%);Ri為團(tuán)聚體的最大粒徑(mm);M(r

采用SPSS 19.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,處理間多重比較采用最小顯著極差法(LSD)在P<0.05水平上進(jìn)行,采用Microsoft Excel 2019軟件制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植茶年限茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布特征

土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和分布是反映土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗侵蝕能力的重要指標(biāo)之一[9]。由表2可知,不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨粒徑減小均呈降低—增加—降低—增加的變化趨勢。在0～20cm和20～40cm土層,土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體均是以粒徑>2mm和<0.25mm的占主要比重,0.5～1mm和0.25～0.5mm的占比分別次之,1～2mm的占比最小。其中,在植茶5年和10年的土壤中,>2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量均顯著高于<0.25mm的含量(P<0.05);而植茶30年的土壤中,>2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則顯著低于<0.25mm的含量(P<0.05)。

表2 不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布特征

同時,相同粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體在不同植茶年限間也存在明顯差異,隨植茶年限的增加,0～20cm和20～40cm土層土壤中>2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量呈顯著下降趨勢(P<0.05),而<0.25mm和0.5～1mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則呈顯著增加趨勢(P<0.05)。通常>0.25mm 團(tuán)聚體被稱為土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)體,該粒徑的水穩(wěn)性團(tuán)聚體是土壤中最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體,其含量與土壤穩(wěn)定性呈正相關(guān)[10]。然而,本研究中<0.25mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨植茶年限增加呈顯著增加趨勢,這可能與灌溉、耕作、施肥等人為擾動因素相關(guān)[11]。因為茶園主要以溝灌方式進(jìn)行灌溉,溝灌并不利于土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量的提高[12]。此外,茶園土壤翻耕也會導(dǎo)致土壤易隨雨水流失,不利于較大顆粒團(tuán)聚體的形成,反而會促進(jìn)大顆粒水穩(wěn)定性團(tuán)聚體破碎分解為粒徑更小的團(tuán)聚體[13]。表明植茶對老沖積黃壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有顯著破壞作用,導(dǎo)致其土體穩(wěn)定性隨著植茶年限增加逐漸下降。

2.2 不同植茶年限茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性特征

不同粒徑級別的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體在保持與供應(yīng)土壤養(yǎng)分、保持土壤結(jié)構(gòu)孔隙狀況、協(xié)調(diào)土壤生物學(xué)性質(zhì)和水力學(xué)性質(zhì)方面具有不同作用[14]。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑和平均重量直徑是反映其穩(wěn)定性的常用指標(biāo),值越大表示土壤的團(tuán)聚度越高,穩(wěn)定性越好[10]。如圖1所示,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑隨著植茶年限的增加呈逐漸減小的趨勢,在0～20cm表現(xiàn)為:植茶5年(1.04mm)>植茶10年(0.86mm)>植茶15年(0.72mm)>植茶30年(0.69mm),在20～40cm表現(xiàn)為:植茶5年(1.26mm)>植茶10年(1.15mm)>植茶15年(0.66mm)>植茶30年(0.63mm),且不同植茶年限間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均直徑隨著植茶年限的增加也呈逐漸減小的趨勢,在0～20cm土層表現(xiàn)為:植茶5年(2.07mm)>植茶10年(1.85mm)>植茶15年(1.66mm)>植茶30年(1.58mm),在20～40cm土層表現(xiàn)為:植茶5年(2.27mm)>植茶10年(2.12mm)>植茶15年(1.47mm)>植茶30年(1.40mm),且不同植茶年限間的差異達(dá)顯著水平(P<0.05)。可見,隨著植茶年限不斷增加,老沖積黃壤中較大粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體逐漸向較小粒級轉(zhuǎn)化。表明隨著植茶年限增加,老沖積黃壤的團(tuán)聚體水穩(wěn)性逐漸下降,抗沖蝕能力降低。

圖1 不同植茶年限茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑和平均重量直徑

圖2 不同植茶年限茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分形維數(shù)

2.3 不同植茶年限茶園土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形特征

土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)主要反映土體結(jié)構(gòu)幾何性狀的參數(shù),通常表現(xiàn)為土壤顆粒粒徑越小或者粘粒占比越高,土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的值越大[15]。如圖2所示,不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分形維數(shù)的值介于1.72～2.03,且0～20cm土層土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)值均小于20～40cm土層。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的值在0～20cm土層表現(xiàn)為:植茶5年(1.90)>植茶10年(1.85)>植茶15年(1.83)>植茶30年(1.72),其中植茶5年的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)值顯著高于其它三個植茶年限(P<0.05),而植茶30年的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)值顯著低于其它三個植茶年限(P<0.05)。說明在0～20cm土層,植茶5年時的土壤團(tuán)聚狀況最好,而植茶30年的土壤團(tuán)聚狀況較差。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)的值在20～40cm土層則表現(xiàn)為:植茶30年(2.03)>植茶15年(1.97)>植茶5年(1.93)>植茶10年(1.91),其中植茶30年的土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)值顯著高于其它三個植茶年限(P<0.05)。說明在20～40cm土層,植茶30年時的土壤具有較好的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。可能是20～40cm土層土壤受耕作、施肥等人為措施以及氣候、降水等自然因素的影響程度要小于0～20cm土層。因此,隨著植茶年限的增加,20～40cm土層土壤團(tuán)聚體的團(tuán)聚性有所增強。

3 結(jié)論

(1)不同植茶年限土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量總體隨粒徑減小呈降低—增加—降低—增加的變化趨勢,其中粒徑>2mm和<0.25mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占主要比重,1～2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體占比最小。植茶5年和10年的土壤中,>2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量顯著高于<0.25mm的含量,植茶30年的土壤中,>2mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量則顯著低于<0.25mm的含量。表明植茶對老沖積黃壤的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)具有顯著破壞作用,導(dǎo)致其土體穩(wěn)定性隨著植茶年限增加逐漸下降。

(2)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的幾何平均直徑和平均重量直徑均隨植茶年限增加呈逐漸減小的趨勢,不同植茶年限間的差異達(dá)顯著水平。分形維數(shù)的值在0～20cm表現(xiàn)為:植茶5年>植茶10年>植茶15年>植茶30年,在20～40cm則表現(xiàn)為:植茶30年>植茶15年>植茶5年>植茶10年。表明隨著植茶年限不斷增加,老沖積黃壤中較大粒級的水穩(wěn)性團(tuán)聚體逐漸向較小粒級轉(zhuǎn)化,團(tuán)聚體水穩(wěn)性逐漸下降,抗沖蝕能力降低。