濱海蘋(píng)果園土壤碳氮空間分布及動(dòng)態(tài)變化研究*

付傳城 章海波 涂 晨 李連禎 周 倩 李 遠(yuǎn)，4 駱永明，4?

（1中國(guó)科學(xué)院海岸帶環(huán)境過(guò)程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（煙臺(tái)海岸帶研究所），山東煙臺(tái) 264003 ）

（2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100049）

（3 浙江農(nóng)林大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院, 浙江省土壤污染生物修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 311300）

（4 中國(guó)科學(xué)院土壤環(huán)境與污染修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京土壤研究所)，南京 210008）

土壤有機(jī)碳（SOC）和全氮（STN）是土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)，是維持農(nóng)業(yè)土壤生產(chǎn)力，保持土壤可持續(xù)利用的關(guān)鍵因子［1］。我國(guó)是世界蘋(píng)果第一生產(chǎn)大國(guó)，栽培面積和產(chǎn)量分別占世界的42%和54%［2］。我國(guó)蘋(píng)果園分布跨越不同氣候帶，在內(nèi)陸和濱海形成了各具特色的主產(chǎn)區(qū)。然而，我國(guó)蘋(píng)果園總體上管理粗放，片面追求產(chǎn)量，不夠重視均衡施肥［3］，導(dǎo)致了土壤有機(jī)質(zhì)含量低、氮磷含量過(guò)高等問(wèn)題［4-6］。因此，探究蘋(píng)果園土壤碳氮的時(shí)空分布與變化特征對(duì)指導(dǎo)果園土壤管理，促進(jìn)果業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

前人對(duì)我國(guó)不同區(qū)域蘋(píng)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(guó)蘋(píng)果園SOC和STN含量普遍偏低，不同區(qū)域差異較大。黃土高原蘋(píng)果園SOC和STN具有中等空間相關(guān)性［8］，并隨著種植年限呈先增后降的變化趨勢(shì)［9-10］。然而，我國(guó)蘋(píng)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(shí)空分布特征可能具有區(qū)域性，濱海蘋(píng)果園土壤碳氮空間分布及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律尚未系統(tǒng)研究，其與內(nèi)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(píng)果園為研究區(qū)，基于地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析SOC、STN含量和密度（SOCD、STND）及碳氮比（C/N）的空間異質(zhì)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(píng)果園SOC、STN含量和密度及C/N分布的影響因素，進(jìn)而通過(guò)與內(nèi)陸地區(qū)蘋(píng)果園的比較，進(jìn)一步闡明濱海果園碳氮時(shí)空分布與變化特征，為膠東濱海蘋(píng)果園乃至全國(guó)果園土壤可持續(xù)管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

膠東半島地處東經(jīng)119°45’—122°75’，北緯35°50’—38°85’之間（圖1），包括青島、煙臺(tái)和威海三市，總面積30 825 km2，人口約1900萬(wàn)。膠東半島屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)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(wú)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(píng)果種植面積約為22.85萬(wàn)hm2，主要分布在平原和相對(duì)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(píng)果園土壤488件（圖1）。果園種植年限信息通過(guò)咨詢果農(nóng)獲取。采樣深度為0～20 cm，在每個(gè)樣點(diǎn)以10 m為半徑，采集5個(gè)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(hào)，帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干。采樣中心位置采用Garmin GPS 60CSx記錄。

樣品風(fēng)干后，剔除動(dòng)植物殘?bào)w、石塊及可見(jiàn)侵入體等，用陶瓷研缽研磨至分別完全通過(guò)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(cè)定。對(duì)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(jì)（Mettler Toledo Five Easy Plus FE20）測(cè)定。具體分析方法參考文獻(xiàn)［11］。分析時(shí)，設(shè)置10%樣品重復(fù)，以檢驗(yàn)分析質(zhì)量。

土壤有機(jī)碳密度（SOCD，kg m-2）、全氮密度（STND，kg m-2）按照如下公式［12］進(jìn)行計(jì)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(jìn)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(jù)《煙臺(tái)市土壤》［14］進(jìn)行估算。

1.3 數(shù)據(jù)處理

經(jīng)典統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)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(dòng)態(tài)變化分析中，對(duì)各年限數(shù)據(jù)取平均值后再進(jìn)行制圖和擬合。運(yùn)用地統(tǒng)計(jì)學(xué)手段進(jìn)行SOC、SOCD、STN、STND和C/N空間異質(zhì)性分析，半方差函數(shù)的擬合在GS+ 9.0軟件上進(jìn)行。將GS+中獲得的最優(yōu)擬合參數(shù)導(dǎo)入ArcGIS 10.2 軟件的地統(tǒng)計(jì)模塊（Geostatistical Analyst）中，運(yùn)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(shù)據(jù)，采用ArcGIS 10.2軟件計(jì)算得到。

2 結(jié)果與討論

2.1 果園土壤碳、氮的含量和密度

由表1可見(jiàn)，膠東蘋(píng)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(guó)其他典型蘋(píng)果園相比，膠東蘋(píng)果園SOC、STN的含量和密度處于相對(duì)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(píng)果園處于溫帶濕潤(rùn)丘陵地區(qū)，地勢(shì)起伏幅度較小，土壤質(zhì)地較疏松；受渤黃海海洋性氣候影響，水熱相對(duì)充足，但蒸發(fā)量約是降雨量的2倍，水土流失較弱，果樹(shù)生長(zhǎng)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(jī)肥使用少，STN的積累速率快于SOC。葛順?lè)宓龋?］認(rèn)為土壤C/N比處于21～23有利于提高氮素的利用率，并促進(jìn)蘋(píng)果植株的生長(zhǎng)。膠東果園C/N遠(yuǎn)低于此范圍，說(shuō)明該區(qū)土壤碳氮比例失調(diào)，可供微生物利用的碳源較少，微生物活性可能較低，可能會(huì)影響氮素的轉(zhuǎn)化。

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

表1 膠東蘋(píng)果園SOC、STN含量和密度及C/N的統(tǒng)計(jì)特征及其與我國(guó)內(nèi)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(jié)果（表2）顯示，膠東果園SOC、SOCD、STN、STND和C/N均符合指數(shù)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(qiáng)度的空間異質(zhì)性［19］。這表明五者均受到結(jié)構(gòu)性因素（如土壤類型、成土母質(zhì)、地形條件等）和隨機(jī)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(duì)典型黃土高原果園的分析結(jié)果一致，說(shuō)明濱海果園與內(nèi)陸果園SOC和STN具有相似的空間異質(zhì)性，且控制空間異質(zhì)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(shì)一致，反映在兩者的顯著相關(guān)性上（r=0.800，p＜0.01），同時(shí)暗示著C/N具有相對(duì)的穩(wěn)定性［21］。膠東果園SOC分布以10.00～12.00 g kg-1區(qū)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(qū)間為主。

表2 膠東蘋(píng)果園SOC、STN含量和密度及C/N的最優(yōu)半方差函數(shù)擬合參數(shù)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(píng)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(dòng)態(tài)變化

因膠東蘋(píng)果園SOC、STN 和SOCD、STND的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律基本一致，故本文僅以SOC和STN指示土壤碳氮的動(dòng)態(tài)變化。膠東蘋(píng)果園SOC、STN和C/N隨種植年限的變化趨勢(shì)如圖3所示。SOC含量隨種植年限的增加呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但上升的過(guò)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(guān)。在種植約30年時(shí)SOC呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，此時(shí)間節(jié)點(diǎn)與蘋(píng)果樹(shù)的“枯果期”基本一致。我國(guó)果園多處在瘠薄土壤上，立地條件較差［22］。且果園改建對(duì)土壤擾動(dòng)強(qiáng)烈，使得有機(jī)質(zhì)暴露，有利于微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化分解［23］，因此果園利用初期SOC含量較低。隨著經(jīng)營(yíng)年限的延長(zhǎng)，以凋落物和有機(jī)肥形式輸入的碳素，使微生物呼吸作用增強(qiáng)，在釋放新增碳的同時(shí)，也釋放出已貯存的有機(jī)質(zhì)［24］，因而SOC含量不斷上升。SOC含量的升高促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成，進(jìn)而也增強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性［25］。對(duì)于樹(shù)齡超過(guò)30年的果園土壤，處于退化階段，果樹(shù)細(xì)根的生物量減小［26］，根系分泌物減少，果樹(shù)的光合生理功能也變?nèi)酰?］。此外，老果園常因產(chǎn)量低而疏于施肥［27］，這些因素均可導(dǎo)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(zhǎng)而呈上升趨勢(shì)，但增長(zhǎng)率不斷減小。氮肥、有機(jī)肥的施用及凋落物輸入是果園STN的主要來(lái)源，其含量是礦化與積累的平衡結(jié)果。果樹(shù)生長(zhǎng)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(méi)有降低。在我國(guó)蘋(píng)果生產(chǎn)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(fā)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(zhǎng)，長(zhǎng)期單一、過(guò)量施用氮肥導(dǎo)致土壤蓄積養(yǎng)分能力下降［29］，因此STN增長(zhǎng)率逐漸下降。此外，老果園施肥不受重視，果樹(shù)歸還量降低，導(dǎo)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(guī)律與SOC和STN不同。隨著年限的延長(zhǎng)，土壤C/N呈先下降、后上升、再下降的趨勢(shì)。幼齡果園因生產(chǎn)需要而氮肥投入大，氮素積累，因而C/N降低。隨著年限進(jìn)一步延長(zhǎng)，SOC不斷積累，土壤微生物數(shù)量會(huì)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(kāi)始下降，土壤微生物數(shù)量相應(yīng)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(bào)道，內(nèi)陸蘋(píng)果園碳氮表現(xiàn)出隨種植年限動(dòng)態(tài)變化。然而，不同于膠東蘋(píng)果園，可能由于受水分條件限制，內(nèi)陸蘋(píng)果園的生產(chǎn)周期一般較短，如渭北塬區(qū)20年限蘋(píng)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(qū)果園SOC也隨種植年限變化［31］，但不如膠東地區(qū)果園顯著，這可能與不同區(qū)域果園管理措施、區(qū)域氣候條件和土壤特征有關(guān)。膠東果園水熱相對(duì)充足，植被生產(chǎn)力高，土壤微生物活動(dòng)更旺盛，因此土壤的碳氮?jiǎng)討B(tài)變化會(huì)強(qiáng)于內(nèi)陸果園，其碳氮周轉(zhuǎn)的速率會(huì)更快。

2.4 果園土壤碳氮時(shí)空分布的影響因素

圖3 膠東蘋(píng)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(xiàn)代果園管理措施中，常采用“清園”管理，導(dǎo)致地表凋落物殘?bào)w很少。因而，施肥被認(rèn)為是影響土壤碳氮含量的主要因素［32］。不同地區(qū)蘋(píng)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(dòng)態(tài)變化變得更加復(fù)雜。據(jù)報(bào)道，膠東果園施用化學(xué)氮肥水平在612.6 kghm-2，局部地區(qū)高達(dá)1 000 kg hm-2以上，而有機(jī)肥投入?yún)s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(jī)肥投入比例較低［27，34］。這意味著不同地區(qū)果園的集約化程度不同，共同的是大量使用化肥，有機(jī)肥投入量過(guò)少［27,33-34］。這影響著不同區(qū)域果園碳氮的均衡性和時(shí)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(shí)空變化［32］。

種植年限是衡量果園管理強(qiáng)度的重要指標(biāo)，代表了果園的開(kāi)墾歷史、管理強(qiáng)度，因而會(huì)對(duì)SOC、STN含量和密度及C/N有顯著影響。同時(shí)，不同果園因種植年限不同而使其SOC、STN含量和C/N不同，進(jìn)而在空間上呈現(xiàn)出異質(zhì)性。由圖4可見(jiàn)，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(zhǎng)約1倍，說(shuō)明長(zhǎng)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(píng)果園碳氮水平也表現(xiàn)出顯著的差異（圖2），同樣也印證了施肥等田間管理對(duì)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(xiàn)出顯著性差異（p＜0.05）（圖5），F(xiàn)值分別為2.06和1.85，說(shuō)明土壤類型影響碳氮的時(shí)空分布。在土壤分類體系中，土屬主要根據(jù)成土母質(zhì)及區(qū)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(zhì)和地形的影響。膠東果園土壤的成土母質(zhì)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(zhì)，又受母質(zhì)控制的土壤性質(zhì)（如質(zhì)地）的影響，從而表現(xiàn)出與成土母質(zhì)的關(guān)聯(lián)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(zhì)差別很大，即使在同等的管理強(qiáng)度下，肥力水平也各不相同。土壤類型也影響土壤有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定性，進(jìn)而可影響碳氮礦化的速率［35］。

氣候在土壤碳氮的積累過(guò)程中扮演重要角色。一方面，氣候影響果園植被的生產(chǎn)力和生物量，控制輸入土壤的碳氮量；另一方面，氣候通過(guò)土壤水分、溫度等來(lái)影響微生物對(duì)碳氮的分解和轉(zhuǎn)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(píng)果園與我國(guó)其他內(nèi)陸果園存在著顯著的氣候條件差別。膠東蘋(píng)果園深受渤黃海海洋性氣候的影響，水熱條件相對(duì)充足，碳氮的周轉(zhuǎn)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(huì)影響碳氮的時(shí)空分布特征，需要進(jìn)一步研究。

膠東果園SOC、STN和C/N與地形因子的相關(guān)性見(jiàn)表3?？傮w而言，SOC、STN和C/N比值與膠東地形因子有關(guān)。SOC和STN與海拔呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），相關(guān)系數(shù)分別為0.161和0.172；SOC和TN與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）。與張彬等［20］對(duì)黃土高原果園的研究結(jié)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(guān)。

膠東蘋(píng)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(shí)的數(shù)值，膠東果園土壤嚴(yán)重酸化［7］。膠東果園土壤SOC與pH存在顯著正相關(guān)（r=0.102，p＜0.05）（表3），但土壤STN與pH呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=-0.124，p＜0.01），可能與化學(xué)氮肥在硝化過(guò)程中產(chǎn)生大量H+和NO3-導(dǎo)致土壤pH降低有關(guān)［34］。土壤C/N比值和pH呈極顯著正相關(guān)（r=0.265，p＜0.01）。土壤pH的高低會(huì)影響土壤微生物的活動(dòng)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)土壤微生物都對(duì)酸敏感［36］。土壤的細(xì)菌和放線菌適宜生活在中性至微堿性的土壤環(huán)境中，當(dāng)土壤pH過(guò)低時(shí)，它們的活性會(huì)受到嚴(yán)重影響，使得土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率下降［37］。低pH可限制硝化微生物的生長(zhǎng)，抑制土壤硝化作用，進(jìn)而影響氮素的周轉(zhuǎn)［38］。與膠東濱海果園不同，黃土高原等內(nèi)陸果園土壤pH多為堿性，碳酸鹽對(duì)酸緩沖能力強(qiáng)，因而在現(xiàn)階段，內(nèi)陸蘋(píng)果園土壤酸化對(duì)土壤碳氮含量及密度分布的影響可能不顯著。

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

圖4 膠東蘋(píng)果園典型土壤類型SOC和STN含量在2014年與1980年之間的對(duì)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(tǒng)計(jì)的膠東蘋(píng)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(jié) 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(zhì)量較高。膠東果園SOC、STN含量和密度及C/N表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的空間分布變異性，受到果樹(shù)種植和管理年限的顯著影響。在種植年限30年之內(nèi)，SOC和STN含量持續(xù)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(nèi)陸蘋(píng)果園的土壤碳氮空間分布和動(dòng)態(tài)變化存在異同性。