種植蘋果樹對渭北果園土壤膠結(jié)物質(zhì)分布的影響*

魏彬萌, 王益權(quán), 李忠徽

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種植蘋果樹對渭北果園土壤膠結(jié)物質(zhì)分布的影響*

魏彬萌1, 王益權(quán)1**, 李忠徽2

(1. 陜西地建土地工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司/陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司/國土資源部退化及未利用土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710075; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院 楊凌 712100)

本研究通過系統(tǒng)研究種植果樹對土壤膠結(jié)性物質(zhì)的演化規(guī)律及其與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間關(guān)系的影響, 探索影響果園土壤團(tuán)聚體狀態(tài)的因素, 以期為果園科學(xué)管理提供理論依據(jù)。在渭北旱塬蘋果主產(chǎn)區(qū)分別選取10 a、20 a的蘋果園和農(nóng)田(冬小麥-夏玉米輪作, 對照)各4個, 在果樹冠層投影范圍內(nèi)距樹干2/3處逐層采集0~100 cm土層土壤樣品和0~50 cm土層原狀土壤樣品, 研究不同植果年限果園及農(nóng)田土壤剖面黏粒、有機(jī)質(zhì)、CaCO3等團(tuán)聚體膠結(jié)物質(zhì)的分布及其與團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn): 在0~100 cm土層范圍內(nèi), 各果園土壤黏粒含量基本隨土層深度的增加而遞增, 且在0~40 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田>10 a果園>20 a果園, 40 cm以下土層則呈現(xiàn)相反的態(tài)勢; 種植果樹相比農(nóng)田可顯著增加0~100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)總儲量, 但隨著種植果樹年限的增加, 土壤有機(jī)質(zhì)總儲量呈遞減趨勢; 在0~100 cm土層土壤CaCO3總儲量表現(xiàn)為10 a果園>農(nóng)田>20 a果園, 但在0~40 cm土層CaCO3含量及儲量表現(xiàn)為10 a果園>農(nóng)田>20 a果園, 而40~100 cm土層則為20 a果園>10 a>農(nóng)田。皮爾森相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)>0.25 mm土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和平均重量直徑(MWD)與土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)和CaCO3含量密切相關(guān), 其中機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性主要受土壤中CaCO3、有機(jī)質(zhì)含量的影響, 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性主要受土壤中黏粒和CaCO3的影響?？傊? 植果顯著改變了土壤中黏粒、有機(jī)質(zhì)、CaCO3的演化過程和趨勢, 隨植果年限增加, 果園土壤黏粒和CaCO3在土壤較深土層淋溶淀積明顯; 各果園土壤有機(jī)質(zhì)總儲量雖然高于農(nóng)田, 但隨植果年限增加, 有逐漸減少的趨勢?？梢娭补黠@加速了渭北黃土塬地土壤的殘積黏化和鈣化過程, 影響著表層土壤團(tuán)聚作用和底層土壤的緊實(shí)化和堅硬化程度。

蘋果園; 種植年限; 土壤膠結(jié)物質(zhì); 黏粒; 有機(jī)質(zhì); CaCO3; 團(tuán)聚體

膠結(jié)物質(zhì)作為土壤團(tuán)聚體形成的物質(zhì)基礎(chǔ), 其質(zhì)量分?jǐn)?shù)、空間變異與分布、組成特征、作用方式等是團(tuán)聚體形成及穩(wěn)定的物質(zhì)基礎(chǔ)與內(nèi)在動力[1-2]。黃土高原特殊的成土環(huán)境使得該區(qū)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定具有明顯的區(qū)域特性[3], 其土壤中的膠結(jié)物質(zhì)主要包括黏粒、有機(jī)碳和CaCO33類物質(zhì)[4-5]。

黏粒的膠結(jié)作用主要體現(xiàn)在它的凝聚作用。黃土高原土壤黏粒中伊利石、蒙脫石、蛭石等2∶1型黏土礦物的同晶替代現(xiàn)象普遍, 大部分黏粒都帶有負(fù)電荷, 礦物膠體性質(zhì)突出, 單個土粒首先會通過土壤膠體的相互作用凝聚在一起[6]。然而, 這種方式形成的微凝聚體穩(wěn)定性不高, 容易隨著離子種類的改變而分散, 屬于一種穩(wěn)定性相對較差的膠結(jié)物質(zhì)[7]。有機(jī)碳是通過基團(tuán)分子極性靜電引力等形成的較為穩(wěn)定的多級團(tuán)聚體[8]。大量研究表明, 有機(jī)碳決定了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體(>0.25 mm)的形成, 能夠改善土壤水分環(huán)境, 增強(qiáng)團(tuán)聚體的穩(wěn)定性, 減少土壤流失。另外, 不同形態(tài)的有機(jī)碳對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響也不盡相同[9]。關(guān)連珠等[10]研究發(fā)現(xiàn), 緊結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)對小粒級微團(tuán)聚體的形成影響較大, 松結(jié)合態(tài)有機(jī)質(zhì)以及多糖類物質(zhì)則對較大級別微團(tuán)聚體的形成作用較明顯。CaCO3作為氣凝材料, 是黃土中特有的一種重要膠結(jié)物質(zhì), 其在弱堿性環(huán)境下會發(fā)生次生碳酸鹽化, 從難溶性沉淀物質(zhì)轉(zhuǎn)化為游離鈣離子[11-12], 而鈣離子會通過陽離子的鍵橋作用黏結(jié)土壤礦物質(zhì)顆粒和有機(jī)碳, 從而形成穩(wěn)定性高的土壤團(tuán)聚體[13-14]。此外, 高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳酸鹽可以減少有機(jī)碳的礦化, 即通過影響有機(jī)碳的轉(zhuǎn)化來調(diào)控土壤團(tuán)聚體的形成過程[15]。

土壤中的膠結(jié)物質(zhì)會受到土地利用方式、土壤環(huán)境變化、耕作、施肥管理措施等多種因素的影響[16]。張義等[17]研究發(fā)現(xiàn)長期種植蘋果樹會使黃土高原溝壑區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量隨植果年限的增加而下降。李鵬等[18]以陜西洛川縣蘋果園為研究對象發(fā)現(xiàn), 長期種植果樹會對土壤碳酸鈣、水溶性鈣、交換性鈣有明顯的耗竭作用, 鈣素遞減呈現(xiàn)出明顯的時空效應(yīng)。劉文利等[19]研究發(fā)現(xiàn), 種植蘋果樹會使果園土壤結(jié)構(gòu)日趨穩(wěn)定, 抗侵蝕能力逐漸增強(qiáng)。但石宗琳等[20]則發(fā)現(xiàn), 雖然種植果樹在表觀上可明顯提高表層土壤機(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體數(shù)量, 增強(qiáng)土壤抗風(fēng)蝕能力, 但隨植果年限增加, 土壤團(tuán)聚體的農(nóng)藝質(zhì)量及其穩(wěn)定性則呈下降趨勢。孫蕾等[21]研究亦發(fā)現(xiàn), 種植果樹對0~30 cm土層土壤結(jié)構(gòu)具有改善作用, 對30 cm以下土層土壤結(jié)構(gòu)則有破壞作用, 而且種植果樹年限超過20年會使果園土壤結(jié)構(gòu)性整體變差。

渭北作為我國蘋果生產(chǎn)的優(yōu)生區(qū)之一, 自1980年農(nóng)田大面積更替為果園以來, 植被、施肥、耕作管理以及地面小氣候等的變化都會成為該區(qū)土壤膠結(jié)物質(zhì)(黏粒、有機(jī)質(zhì)、CaCO3等)及團(tuán)聚體狀況演化的動力[20]。目前有關(guān)果園土壤問題的研究多是針對土壤養(yǎng)分遞減與不平衡、土壤結(jié)構(gòu)退化等方面[22], 而關(guān)于系統(tǒng)研究種植果樹對土壤膠結(jié)性物質(zhì)的演化規(guī)律及其與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間關(guān)系的研究很鮮見。因此, 本研究以渭北相同自然條件下的蘋果園土壤為研究對象, 以農(nóng)田土壤作為對照, 研究不同種植年限果園土壤剖面上黏粒、CaCO3、有機(jī)質(zhì)等重要膠結(jié)物質(zhì)的分布及其與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系, 以期揭示影響果園土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的因素, 為制定防止果園土壤質(zhì)量退化以及促進(jìn)果園可持續(xù)發(fā)展的管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選在具有較長植果歷史的蘋果主產(chǎn)區(qū)——陜西省彬縣新民鎮(zhèn)黃土塬區(qū)(35°06′N, 108°09′E)。該區(qū)屬渭北殘塬溝壑地區(qū), 海拔約1 108 m, 年平均氣溫9.7 ℃, 晝夜平均溫差11.7 ℃, 年平均降水量579 mm, 無霜期180 d, 屬典型大陸性暖溫帶半干旱氣候特征。塬地的地帶性土壤類型為黑壚土(系統(tǒng)分類名稱為堆墊干潤均腐土, Cumuli-UsticIsohumosols)。該區(qū)具有海拔較高、光照資源充足、晝夜溫差大、氣候較為干燥、空氣和土壤無污染、土層深厚、土體疏松等優(yōu)越的自然條件。蘋果的種植歷史和模式可代表整個渭北旱塬蘋果產(chǎn)區(qū)的基本特征。果園管理方式多為清耕制, 以施用化肥為主, 主要施用尿素、(NH4)2HPO4和K2SO4, 農(nóng)家肥幾乎不再施用。

1.2 樣品采集與測定

試驗(yàn)于蘋果采收期間進(jìn)行。選擇自然生態(tài)條件相同、種植年限分別為10 a和20 a的蘋果園各4個作為研究對象。果樹品種均為喬化‘紅富士’, 果樹株行距為3 m×4 m。并在果園周邊選取4塊農(nóng)田作為對照, 所選取的農(nóng)田是經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研未曾種植蘋果、按常規(guī)模式管理, 實(shí)行冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制度的農(nóng)田。在每個果園內(nèi)隨機(jī)選取具有代表性的果樹4株, 在果樹冠層投影范圍內(nèi)距樹干2/3處用土鉆按照0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm、50~60 cm、60~80 cm和80~100 cm的間距逐層采取土樣, 將同一個果園內(nèi)不同取樣點(diǎn)的相同土層土樣混勻作為1個土壤樣品, 在室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過篩后用于土壤相關(guān)性質(zhì)的測定。同時, 按照10 cm間距逐層采集0~50 cm土層原狀土壤樣品約1 kg, 裝入硬質(zhì)盒中運(yùn)回室內(nèi)風(fēng)干, 在風(fēng)干過程中沿團(tuán)聚體間自然裂隙輕輕掰分成直徑在1 cm以上的小土塊, 剔除其中植物殘體, 待充分風(fēng)干后用于土壤團(tuán)聚體組成測定。農(nóng)田采樣是在4塊田地分別隨機(jī)選取4個采樣點(diǎn), 采樣方式和樣品處理方式與果園相同。

土壤顆粒組成采用國際粒級分類制, 用沉降分析的吸管法測定[23]; 土壤CaCO3含量用氣量法測定[24]; 有機(jī)碳含量用重鉻酸鉀外加熱法測定[24]; 土壤容重用環(huán)刀法測定[23]; 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體采用干篩法, 水穩(wěn)性團(tuán)聚體采用濕篩法測定, 團(tuán)聚體大小設(shè)5個級別, 分別為>2 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、<0.25 mm等[20]。

1.3 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

該土壤不含直徑>2 mm的石礫, 故土壤中有機(jī)質(zhì)和CaCO3的儲量按式(1)[25]計算:

式中:為有機(jī)質(zhì)或CaCO3儲量(kg×m-2),C為層土壤有機(jī)質(zhì)或CaCO3含量(g·kg-1),ρ為層土壤容重(g×cm-3),H為層土層厚度(cm)。

土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑(MWD)計算方法見公式(2)[20]:

式中:X為級別范圍內(nèi)團(tuán)聚體的平均直徑,W為對應(yīng)于X的團(tuán)聚體百分含量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)的初步整理及繪制相關(guān)圖形和表格, 采用SPSS 19.0對3個處理間土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)、碳酸鈣含量進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA), 用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種植果樹對土壤剖面黏粒分布的影響

黏粒是決定土壤物理狀態(tài)和化學(xué)特性的物質(zhì)基礎(chǔ), 該區(qū)土壤0~40 cm屬于黃土覆蓋層, 40~100 cm屬于質(zhì)地相對黏重的黑壚土層, 呈現(xiàn)出土壤黏粒含量在0~40 cm土層明顯低于40 cm以下土層的特征(圖1)。值得關(guān)注的是土壤黏粒含量在0~40 cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田>10 a果園>20 a果園, 40 cm以下土層則呈現(xiàn)相反的態(tài)勢。另外, 果園土壤黏粒含量在0~40 cm土層隨土層深度的增加逐漸遞增, 40 cm以下土層則遞增明顯; 而農(nóng)田土壤黏粒含量在0~40 cm土層基本保持一致, 40 cm以下則隨土層深度的增加而呈緩慢增加的趨勢?？梢? 隨植果年限增加, 果園土壤黏粒有明顯的從表層向深層淋溶與淀積的趨勢, 導(dǎo)致土壤剖面質(zhì)地性狀發(fā)生了明顯變化, 而農(nóng)田土壤黏粒的淀積黏化過程不太明顯, 剖面質(zhì)地性狀基本穩(wěn)定。果園表層土壤黏粒的遞減必然會因基本膠結(jié)物質(zhì)的丟失而影響土壤團(tuán)聚作用, 而淀積在下層的土壤黏粒又會影響土壤的緊實(shí)度, 制約根系延伸和水分入滲。

圖1 農(nóng)田及不同園齡果園不同土層土壤黏粒含量的變化

10a: 10 a果園; 20a: 20 a果園。10a: 10years orchard; 20a: 20 years orchard.

2.2 種植果樹對土壤剖面有機(jī)質(zhì)分布的影響

有機(jī)質(zhì)作為土壤團(tuán)聚作用最重要的膠結(jié)劑, 其變化態(tài)勢是分析土壤團(tuán)聚體狀況演變的重要因素。盡管渭北旱地土壤在0~40 cm黃土覆蓋層之下有40~60 cm厚的古腐殖質(zhì)層[26], 然而, 現(xiàn)在無論果園還是農(nóng)田土壤, 土壤有機(jī)質(zhì)在0~100 cm土層范圍內(nèi)都隨土層深度的增加而遞減(圖2)。此外, 在0~100 cm土層范圍內(nèi), 土壤有機(jī)質(zhì)含量因植被的更替亦呈現(xiàn)不同程度的空間變化特征, 其中0~50 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)為10 a果園>農(nóng)田>20 a果園, 而50~80 cm土層則為20 a果園>農(nóng)田>10 a果園。而且10 a幼齡果園和20 a老齡果園間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異極為明顯, 而10 a幼齡果園和農(nóng)田土壤間差異相對較小。進(jìn)一步分析植果對土壤有機(jī)質(zhì)儲量的影響發(fā)現(xiàn)(圖3), 植果相比農(nóng)田可顯著增加0~100 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)總儲量, 10 a、20 a果園相比農(nóng)田分別增加6.01%、3.84%, 但隨著植果年限的增加, 土壤有機(jī)質(zhì)總儲量呈遞減趨勢, 證明果樹種植及其生長發(fā)育階段對土壤碳庫的影響顯著。

圖2 農(nóng)田及不同園齡果園不同土層土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化

10a: 10 a果園; 20a: 20 a果園。10a: 10years orchard; 20a: 20 years orchard.

圖3 農(nóng)田及不同園齡果園土壤有機(jī)質(zhì)儲量的變化

10a: 10 a果園; 20a: 20 a果園。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。10a: 10years orchard; 20a: 20 years orchard. Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level.

2.3 種植果樹對土壤剖面CaCO3分布的影響

北方石灰性土壤中CaCO3不僅是決定土壤物理狀態(tài)的物質(zhì)基礎(chǔ), 也是維系土壤緩沖性能的物質(zhì)基礎(chǔ)[11]。該土壤40~100 cm的黑壚土層屬于古土壤層和CaCO3的淋溶層, 后來受人為開發(fā)利用、逐年使用黃土性土糞覆蓋及黃土的繼續(xù)沉積等作用, 在古土壤層上形成了40 cm左右厚度的黃土覆蓋層[27], 故現(xiàn)在無論是果園還是農(nóng)田土壤, 0~40 cm土層處土壤CaCO3含量顯著高于40~100 cm土層, 在剖面上亦然呈現(xiàn)著極為顯著的該土壤的發(fā)生學(xué)痕跡(圖4)。值得注意的是, 在0~100 cm土層范圍, 兩個不同植果年限的果園土壤CaCO3含量差異極為顯著, 在0~40 cm土層范圍內(nèi), 20 a果園土壤CaCO3含量顯著低于10 a果園, 而40~100 cm土層則表現(xiàn)出相反的態(tài)勢, 其空間差異特征表明植果有助于加速土壤CaCO3的淋溶與淀積過程。

果園與農(nóng)田土壤CaCO3含量也存在明顯差異。在0~40 cm土層, 10 a果園土壤CaCO3含量高于農(nóng)田土壤, 而20 a果園土壤則顯著低于農(nóng)田土壤; 40~100 cm土層, 3個處理間土壤CaCO3含量差別相對較小, 20 a果園土壤CaCO3含量高于農(nóng)田和10 a果園土壤?？傊? 各處理土壤剖面CaCO3分布顯示著CaCO3在0~40 cm土層的淋溶強(qiáng)度與40 cm以下土層的淀積強(qiáng)度, 只是0~40 cm土層中CaCO3含量的遞減幅度高于40~100 cm土層的遞增幅度, 說明果園土壤CaCO3的淋溶深度可能超越了100 cm, 也可能是土壤CaCO3溶解后被果樹吸收所消耗。

圖4 農(nóng)田及不同園齡果園不同土層土壤CaCO3含量的變化

10a: 10 a果園; 20a: 20 a果園。10a: 10years orchard; 20a: 20 years orchard.

進(jìn)一步分析土壤剖面CaCO3儲量(表1)可以看出, 在0~40 cm土層, 20 a果園土壤CaCO3儲量比10 a果園顯著減少44.92%; 而40~100 cm土層, 20 a果園土壤CaCO3儲量則比10 a果園增加25.85%(表1)。兩個園齡段果園土壤CaCO3儲量的空間分布趨勢顯示著長期植果明顯驅(qū)動了土壤剖面CaCO3的淋溶與淀積過程。同樣, 在0~100 cm土層范圍內(nèi), 隨植果年限的增加果園土壤CaCO3總儲量明顯降低, 說明果園土壤CaCO3的淋溶深度可能超過了100 cm, 也可能是因?yàn)樘O果果實(shí)屬于高鈣產(chǎn)品, 土壤CaCO3溶解后被果樹所吸收利用。

10 a果園土壤CaCO3儲量在0~40 cm、40~100 cm土層均顯著高于農(nóng)田土壤, 而20 a果園土壤0~40 cm土層CaCO3儲量卻顯著低于農(nóng)田土壤, 40~100 cm土層顯著高于農(nóng)田土壤。0~100 cm土層土壤CaCO3總儲量10 a果園比農(nóng)田土壤增加12.30%, 而20 a果園土壤比農(nóng)田降低9.07%。顯然, 植果并沒有改變土壤CaCO3正常的地球化學(xué)演變過程, 只是在植果后的不同階段, 對土壤剖面上CaCO3的演化程度有著一定的改變。

表1 農(nóng)田及不同園齡果園不同土層土壤CaCO3儲量變化

同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(<0.05)。Different small letters in the same line indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 土壤膠結(jié)物質(zhì)變化與土壤團(tuán)聚體狀況的相互關(guān)系

不同處理0~40 cm土層中各膠結(jié)物質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果見表2?？梢钥闯? 土壤黏粒含量與>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量(DR0.25)、機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWDD)相關(guān)性不顯著, 但與>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25)、水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWDW)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系; 土壤CaCO3含量與DR0.25、MWDD、WR0.25和MWDW都呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系; 土壤有機(jī)質(zhì)與DR0.25、MWDD呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與WR0.25、MWDW相關(guān)性不顯著?？梢姼髂z結(jié)物質(zhì)均會對果園土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量造成影響, 只是不同膠結(jié)物質(zhì)的影響程度各不相同。

表2 果園土壤不同膠結(jié)物質(zhì)與團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)性

DR0.25:>0.25 mm機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量; MWDD: 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體平均重量直徑; WR0.25: >0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量; MWDW: 水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑。*和**分別表示相關(guān)性達(dá)顯著(<0.05)和極顯著水平(<0.01)。DR0.25:content of >0.25 mm mechanical-stable aggregates; MWDD: mean weight diameter of mechanical-stable aggregates; WR0.25:content of >0.25 mm water-stable aggregates; MWDW: mean weight diameter of water-stable aggregates. * and ** represent significant correlation at 5% and 1% levels, respectively.

3 討論

3.1 種植果樹對土壤各膠結(jié)物質(zhì)的影響

渭北果園土壤在0~100 cm土層范圍內(nèi), 土壤黏粒含量基本隨土層深度的增加呈增加趨勢。首先這是由土壤發(fā)生學(xué)特征決定的, 渭北地區(qū)黃土殘塬面土壤為黑壚土, 屬于堆積型土壤剖面構(gòu)型, 一般40 cm以下土層埋藏著黏化程度相對較高、碳酸鹽淋溶的古腐殖質(zhì)層, 被稱為黑壚土層, 而40 cm以上土層是多年使用土糞和黃土繼續(xù)沉積過程形成的覆蓋層, 覆蓋層土壤黏粒含量一般低于黑壚土層。本研究得到的重要信息不應(yīng)是土壤黏粒含量隨土層深度變化的關(guān)系, 而是不同植果年限間土壤剖面上黏粒變化的差異性。一般在同一個空間范圍、自然降水相同的情況下, 土壤的淀積黏化程度一方面取決于上層土壤的團(tuán)聚狀況, 即自由黏粒的多少, 一方面取決于土壤耕作管理模式。渭北土壤覆蓋層因有機(jī)物含量少, 土壤顆粒的團(tuán)聚化程度低, 且團(tuán)聚體穩(wěn)定性差, 土壤中未被團(tuán)聚的自由黏粒會在降雨期間隨水分入滲逐漸向深層移動并不斷聚集, 發(fā)生著“淀積黏化”作用[22]。另外, 對于果園土壤而言, 由于翻耕擾動少, 黏粒在土壤剖面的移動與聚集效應(yīng)逐漸累積, 淀積黏化效果明顯, 而農(nóng)田每季作物收獲后都要翻耕施肥和播種, 將淋溶的黏粒又翻動至表層, 延遲了淀積黏化過程的累積效應(yīng), 從而產(chǎn)生了果園與農(nóng)田土壤相比, 果園土壤黏粒含量在0~40 cm土層處遞減明顯、40 cm以下土層逐漸累積的結(jié)果, 且隨植果年限增加, 淀積黏化效果更加明顯。黏粒的深層淀積, 既影響表層土壤團(tuán)聚的物質(zhì)基礎(chǔ), 也影響果園深層土壤的通透性, 故屬于一種果園土壤的隱形退化特征。

渭北果園和農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)含量的垂直空間分布特征反映了黑壚土的剖面特性。0~40 cm土層受長期施用農(nóng)家土糞培肥以及耕作栽培管理措施等的綜合影響, 土壤有機(jī)質(zhì)含量從上到下依次遞減; 40~100 cm為黑壚土的古腐殖質(zhì)層, 其有機(jī)質(zhì)含量也相對較高。對于果樹而言, 根系分泌物是果園土壤根際有機(jī)質(zhì)增加的主要原因, 隨著植果年限的遞增, 果樹根系分布逐漸延伸至黑壚土層, 根系殘留物的逐年累計使得20 a果園土壤有機(jī)質(zhì)在50~80 cm處出現(xiàn)了累積峰值, 其土壤有機(jī)質(zhì)含量在0~100 cm土層范圍呈“S”型分布態(tài)勢, 與聶曉燕等[27]研究結(jié)果一致。

土壤有機(jī)質(zhì)含量變化依賴于有機(jī)物的投入量和土壤中生物礦化分解與累積程度。經(jīng)過多次實(shí)地調(diào)查, 渭北地區(qū)自實(shí)施土地承包30余年里, 無論是農(nóng)田還是果園土壤培肥均以化學(xué)肥料為主, 農(nóng)家有機(jī)肥極少施用, 果園和農(nóng)田土壤有機(jī)物的施入量并無明顯差別。一般果園為了防止病蟲害發(fā)生, 每年都要實(shí)施清園, 將落葉全部清除, 再加上農(nóng)田收獲后的作物根系殘留量多于果園, 所以果園土壤有機(jī)物的實(shí)際投入量比農(nóng)田低。但是試驗(yàn)區(qū)果園土壤有機(jī)碳含量卻高于農(nóng)田, 其根本原因在于果園土壤擾動遠(yuǎn)少于農(nóng)田, 土壤有機(jī)物礦化分解率低于農(nóng)田。隨著果樹老齡化發(fā)展, 根系分泌物遞減, 化學(xué)肥料逐年使用, 加速了土壤有機(jī)物礦化與分解, 故呈現(xiàn)出20 a果園0~40 cm土層有機(jī)碳含量和0~100 cm土層有機(jī)碳儲量均小于10 a果園的趨勢。果園土壤表層有機(jī)質(zhì)含量遞減, 也是導(dǎo)致土壤自由黏粒增加, 促進(jìn)淀積黏化發(fā)生的原因, 直接影響土壤團(tuán)聚作用。

北方黃土母質(zhì)發(fā)育的土壤富含CaCO3, 其CaCO3的淋溶與淀積, 即鈣化作用是該區(qū)土壤的普遍成土過程。CaCO3從難溶態(tài)轉(zhuǎn)化為可溶解、可移動狀態(tài)一方面是受土壤空氣中CO2的偏壓控制, 轉(zhuǎn)化為易溶性Ca(HCO3)2; 另一方面受土壤酸化作用轉(zhuǎn)化為易溶鹽[18]。土壤CaCO3的淋溶與淀積深度則依賴于降水量。就同一生態(tài)區(qū)的果園而言, 果樹根系呼吸和土壤中有機(jī)物降解共同釋放的CO2是土壤CaCO3移動的主要驅(qū)動力, 土壤亞表層以下土層緊實(shí)化是土體CO2累積和CaCO3移動的條件。其次, 長年使用無機(jī)氮肥、磷肥, 表層土壤酸化也是客觀事實(shí), 導(dǎo)致CaCO3溶解為水溶性鈣隨降雨淋失或被果樹吸收利用。由于蘋果是需鈣量較高的植物, 隨著植果年限的增加, 鈣的攜出量也在持續(xù)增加, 土壤CaCO3的遞減是必然趨勢。農(nóng)田土壤播種時上下翻動, 能夠部分矯正CaCO3的淋溶結(jié)果。

本研究得出, 兩個園齡段果園在0~40 cm土層內(nèi)CaCO3含量和儲量均隨植果年限的增加呈顯著減少趨勢, 而40~100 cm土層則有增加趨勢。與農(nóng)田相比, 10 a果園土壤0~40 cm、40~100 cm土層均顯著高于農(nóng)田土壤, 而20 a果園土壤0~40 cm土層CaCO3儲量卻顯著低于農(nóng)田土壤, 40~100 cm土層顯著高于農(nóng)田土壤。造成這種現(xiàn)象的原因是10 a的幼齡果園, 果樹根系呼吸強(qiáng)度弱, 施用化肥量少, 對土壤CaCO3的溶解作用差, 再加上果樹冠層對降雨的截留作用, 弱化了上層土壤CaCO3的淋溶[25]。但隨著植果年限的增加, 雖然也會同樣有果樹冠層的保護(hù)效應(yīng), 但其效應(yīng)難以抵消大量施用化學(xué)肥料和果樹根區(qū)土壤內(nèi)高CO2偏壓對土壤CaCO3溶解與遷移的促進(jìn)作用[18], 其次, 果樹的攜出量增加, 導(dǎo)致高齡果園土壤CaCO3含量在上層遞減, 下層淀積。

在果園中建議采用科學(xué)的管理措施, 通過增施有機(jī)肥、鈣肥并每年對果園深松1次, 以便減緩黏粒、碳酸鈣的深層遷移與聚集, 改善土壤結(jié)構(gòu), 從而使土壤水、肥、氣、熱狀況得到優(yōu)化, 進(jìn)而有利于果樹根系的呼吸、延伸以及對養(yǎng)分的吸收, 最終使蘋果產(chǎn)量和品質(zhì)得到提高。

3.2 土壤中膠結(jié)物質(zhì)對團(tuán)聚狀況的影響

土壤團(tuán)聚體的形成是一個極為復(fù)雜的過程, 其很大程度上依賴于土壤中各種膠結(jié)物質(zhì)的數(shù)量和性質(zhì)[28]。黏粒、有機(jī)質(zhì)和CaCO3是黃土性土壤團(tuán)聚體形成的重要膠結(jié)物質(zhì), 不僅對土壤有團(tuán)聚作用, 也對一些元素的固持及土壤酸堿緩沖作用有一定影響[29]。

>0.25 mm團(tuán)聚體含量、MWD是評價土壤團(tuán)聚體狀況的重要指標(biāo)[30]。一般情況下認(rèn)為>0.25 mm團(tuán)聚體含量越高、MWD值越大的土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越強(qiáng), 土壤結(jié)構(gòu)性越好[31]。本研究分析各處理0~40 cm土層不同膠結(jié)物質(zhì)與土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 土壤黏粒含量與WR0.25、MWDW呈顯著負(fù)相關(guān)系, 與DR0.25、MWDD相關(guān)性不顯著, 說明土壤黏粒會影響水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性, 而對機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體影響不顯著。李霄云等[32]對陜西交口灌區(qū)農(nóng)田土壤團(tuán)聚體研究也表明相同地域內(nèi)土壤質(zhì)地對土壤團(tuán)聚體機(jī)械穩(wěn)定性影響較小。

土壤CaCO3含量與DR0.25、MWDD、WR0.25、MWDW都呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系, 說明CaCO3含量會影響土壤機(jī)械穩(wěn)定性、水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性。郭玉文等[33]也研究證實(shí)黃土中團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的主要膠結(jié)劑是CaCO3, 大約參與了99%的團(tuán)粒形成, 呈現(xiàn)團(tuán)粒越大CaCO3含量越多的趨勢。

土壤有機(jī)質(zhì)與DR0.25、MWDD呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與WR0.25、MWDW相關(guān)性不顯著, 說明渭北果區(qū)土壤有機(jī)碳影響機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體數(shù)量及其穩(wěn)定性, 但其含量還不足以明顯影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成, 這與王子龍等[34]的研究結(jié)果相悖, 其原因可能是不同形態(tài)有機(jī)碳對土壤團(tuán)聚體的影響不盡相同。該區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量較少, 有機(jī)物種類多屬于瞬時性和臨時性的、甚至是親水的低分子量的活性有機(jī)物, 團(tuán)聚體浸水就容易分解流失[35]。Bouajila等[36]研究也發(fā)現(xiàn), 在石灰性土壤上, 提高有機(jī)質(zhì)水平對土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性沒有顯著影響, 而土壤pH和CaCO3增加有利于大團(tuán)聚體的形成。

4 結(jié)論

植果顯著改變了土壤中各膠結(jié)物質(zhì)(黏粒、有機(jī)質(zhì)、CaCO3)的演化過程和趨勢, 使其在土壤剖面發(fā)生了重新分配。隨植果年限增加, 黏粒和CaCO3在土壤較深土層淋溶淀積明顯; 各園齡段果園土壤有機(jī)質(zhì)總儲量雖然高于農(nóng)田, 但隨植果年限增加, 有逐漸減少的趨勢。原因是黑壚土的團(tuán)聚作用差, 在降雨期間團(tuán)聚體易分散, “活性黏?！?、CaCO3向深層移動淀積, 在底土層逐漸積累, 填充底層土壤孔隙, 增加底層土壤緊實(shí)度和硬度。農(nóng)田土壤雖然也會發(fā)生“淀積黏化”作用和“鈣化”作用, 但受到常年的人為翻耕擾動, 使該作用表現(xiàn)不夠明顯。

另外, 各膠結(jié)物質(zhì)均會對果園土壤團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量造成影響, 只是不同膠結(jié)物質(zhì)的影響程度各不相同。機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性主要受土壤中CaCO3和有機(jī)質(zhì)含量的影響, 水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和穩(wěn)定性主要受土壤中黏粒和CaCO3的影響。

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Effects of planting apple trees on distribution of soil cementing materials in Weibei apple orchards*

WEI Binmeng1, WANG Yiquan1**, LI Zhonghui2

(1. Institute of Land Engineering and Technology, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. / Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. / Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, Ministry of Land and Resources, Xi’an 710075, China; 2. College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

The aim of this study was to explore the effects of planting apple trees on soil cementation substances, to determine the relationship between soil aggregate stability and soil cementation substances, to reveal the factors affecting soil aggregate state and to build theoretical basis for the scientific management of apple orchard in Weibei Plateau. Four replicates of 10-year-old and 20-year-old orchards and four farmlands (wheat-corn rotation, CK) were selected for the experiment in Binxian County, Shaanxi Province. Soil samples within two-thirds of the radius of apple tree canopy were collected. Four replicates of undisturbed core samples were taken by driving volumetric rings (100 cm3) into the 0–10 cm, 10–20 cm, 20–30 cm, 30–40 cm and 40–50 cm soil layers to determine soil aggregates. Another four replicates were collected from 10 cm and 20 cm intervals respectively over a depth of 0–60 cm and 60–100 cm in each plot to determine the soil contents of clay, organic matter (SOM) and calcium carbonate (CaCO3) contents. The results showed that soil clay content increased with increasing depth in the 0-100 cm soil layer. The increase was in the order of farmland > 10-year-old orchard > 20-year-old orchard for the 0-40 cm soil layer and reverse order was noted for the 40-100 cm soil layer. Planting apple trees increased SOM content in the 0-100 cm soil layer of the orchard. However, SOM content decreased with increasing planting age of orchard. The content of soil CaCO3was in the order of 10-year-old orchard > farmland > 20-year-old orchard for the 0-40 cm soil layer, 20-year-old orchard > 10-year-old orchard > farmland for the 40-100 cm soil layer, and 10-year-old orchard > farmland > 20-year-old orchard for the 0-100 cm soil layer. Pearson correlation analysis showed that the quantity and mean weight diameter (MWD) of>0.25 mm soil aggregates were closely link to soil clay, SOM and CaCO3contents. Macro aggregates (>0.25 mm) and MWD of mechanically stable aggregates were mainly affected by CaCO3and SOM contents. However, the quantity and stability of water stable aggregates were mainly affected by soil clay and CaCO3contents. Overall, planting apple trees changed the evolution processes of soil clay, SOM and CaCO3. Soil clay and CaCO3migrated to deep soil with increasing age of orchard. The total storage of SOM in orchard was higher than that in farmland, but decreased with increasing planting age. It was concluded that planting apple trees enhanced soil residual viscosity and calcification, which affected aggregation of surface soil and compaction and hardness of bottom soil.

Apple orchard; Planting age; Soil cementing materials; Soil clay; Soil organic matter; CaCO3; Soil aggregate

, E-mail: 442516031@qq.com

Mar. 21, 2018;

Jun. 3, 2018

S152.4

A

1671-3990(2018)11-1692-09

10.13930/j.cnki.cjea.180281

* 退化及未利用土地整治工程創(chuàng)新團(tuán)隊項目(2016KCT-23)資助

王益權(quán), 主要從事土壤物理及改良方面的研究。E-mail: 442516031@qq.com

魏彬萌, 研究方向?yàn)橥寥牢锢砼c改良。E-mail: weibinmeng@126.com

2018-03-21

2018-06-03

* This study was supported by the Degraded and Unutilized Land Renovation Engineering Innovation Team Project (2016KCT-23).

魏彬萌, 王益權(quán), 李忠徽. 種植蘋果樹對渭北果園土壤膠結(jié)物質(zhì)分布的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報, 2018, 26(11): 1692-1700

WEI B M, WANG Y Q, LI Z H. Effects of planting apple trees on distribution of soil cementing materials in Weibei apple orchards[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1692-1700