不同生長年限對月季土壤不同層次活性有機質及碳庫管理指數(shù)的影響

張玉軍，郭風民，姜桂英，孫桂琴*，王 升，李 楠

（1.鄭州市城市園林科學研究所，河南 鄭州 450051；2.河南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，河南 鄭州 450002）

土壤有機質含量不僅是表征土壤肥力的重要指標，也是重要的碳庫，土壤有機碳庫對全球氣候環(huán)境變化具有重要作用［1］。但是，土壤有機質對反應土壤的質量變化以及對異質性復合物的礦化和合成的轉化速率反映不靈敏［2］。溶解性有機碳、微生物生物量、輕組有機質等活性有機質被認為對土壤碳的變化較非活性有機質敏感得多，與土壤性質的關系比總有機質密切［3-5］。Logninow等［6］提出有機質被不同濃度的KMnO4氧化的數(shù)量，把易氧化有機質分為高、中、低3個程度不同的等級。Lefroy等［7］在此基礎上進一步提出碳庫管理指數(shù)的概念（carbon management index，CMI），近年來逐漸成為評價土壤質量和土壤管理的重要指標，目前已成為研究國內外不同土地利用方式下碳庫變化應用最廣泛的方法［8-10］。

月季作為50多個城市的市花，是我國十大傳統(tǒng)名花之一，有極佳的觀賞性，是重要的園林花卉［11］。程文娟等［12］研究發(fā)現(xiàn)，不同種植年限的玫瑰，土壤有機質含量隨著種植年限的增加有緩慢降低的趨勢。顏安等［13］研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳含量隨著開墾年限呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。連續(xù)多年的種植，土壤肥力變化特征對月季的品質及觀賞性有很大的影響，因此研究不同種植年限月季土壤的肥力變化特征具有重要意義。盡管目前不同土地管理措施下土壤活性有機質和土壤碳庫管理指數(shù)變化方面的研究開展較多［14-15］，但對不同種植年限下月季土壤不同土層活性有機質及與碳庫管理指數(shù)的研究尚未見報道。本研究以鄭州市月季公園的不同種植年限月季為研究對象，研究不同種植年限月季土壤不同土層的活性有機質與碳庫管理指數(shù)的變化特征。本研究對于月季栽培的精細化管理、園林土壤的可持續(xù)利用及生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化和相應的生態(tài)環(huán)境效應評價具有重要的理論意義和實踐價值。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以鄭州市城市園林科學研究所的月季公園為依托，單位自1980年創(chuàng)建以來，一直以月季為主要栽培研究對象。鄭州市月季公園位于東經113°37′，北緯34°46′，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。四季分明，光照充足，年平均氣溫14.5℃，年均降水量615 mm，年蒸發(fā)量1 450 mm，年均日照時數(shù)2 324 h。試驗地土壤為潮土，成土母質為黃河沖積物。月季公園月季栽培管理方式統(tǒng)一，每年1月份月季修剪后為月季基肥施肥期，基肥施復合肥750 kg/hm2，有機肥3 000 kg/hm2；4、9月為追肥期，追施復合肥225 kg/hm2；其中復合肥的N∶P2O5∶K2O=17∶17∶17，有機肥的有機質含量≥45%，N、P、K含量≥6%。

1.2 試驗設計

基于時空互代法，2018年1月份月季修剪后施肥前，本研究選取4種不同種植年限的月季土壤作為供試樣地，每個種植年限處理月季選擇3個地塊做重復，每個地塊35 m2，所選處理地塊月季種植前為草坪，選取4個處理分別為：（1）草坪土對照；（2）1～5年種植年限月季土壤；（3）6～10年種植年限月季土壤；（4）11～15年種植年限月季土壤。月季品種為緋扇，采樣時先除去地面凋落物，按照“S”型選12點，鉆取0～20、20～40 cm土層土樣分別進行混合。將樣品中的可見植物殘體、土壤動物及石塊等挑出，將采集的新鮮土樣自然風干后過0.25 mm篩，測定總有機質和活性有機質含量。

1.3 測定項目與方法

土壤有機質含量采用重鉻酸鉀—外加熱法?；钚杂袡C質含量測定根據Logninow等［6］提出的測定方法，按照KMnO4氧化劑的濃度（33、167、333 mmol/L）將活性有機質分為3組，分別稱為高活性有機質、中活性有機質和低活性有機質，不能被KMnO4氧化的稱為非活性有機質。

具體方法：稱取過0.25 mm篩的風干土樣1.5 g于100 mL離心管中，加入333 mmol/L（或167、33 mmol/L）KMnO425 mL，在溫度25℃條件下振蕩1 h，離心5 min（轉速2 000 r/min），取上清液用去離子水按1∶250稀釋，然后將稀釋液在565 nm比色，重復3次。根據KMnO4濃度的變化計算活性有機碳含量（氧化過程中1 mmol/L MnO4-消耗0.75 mmol/L或9 mg碳）。各指標的計算參考徐明崗等［9］的方法：

碳庫管理指數(shù)（CMI）=CPI×LI×100；

碳庫指數(shù)（CPI）=樣品總有機質含量/參照土壤總有機質含量；活度指數(shù)（LI）=樣品的不穩(wěn)定性/對照的不穩(wěn)定性；碳庫活度（L）=樣品中的活性有機質/樣品中的非活性有機質。

式中：CPI為土壤管理措施對土壤有機質的影響，其參照土壤為對照處理土壤；L為土壤碳的不穩(wěn)定性；LI為碳損失及其對穩(wěn)定性的影響；CMI為綜合反映人為影響下土壤碳庫指標和土壤碳庫活度兩方面對土壤有機質性質的影響。

1.4 數(shù)據處理

采用Excel 2016和DPS 7.05進行數(shù)據統(tǒng)計與分析，LSD法進行方差分析，采用Origin 8.5進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 不同年限月季土壤有機質含量的變化

如圖1所示，土壤有機質含量總體與土層深度呈現(xiàn)負相關關系。0～20 cm土層，1～5年的月季土壤有機質含量與CK相比無顯著差異，6～10年的月季土壤有機質含量顯著高于CK處理，達到12.9 g/kg，11～15年的月季土壤有機質含量比CK相比，明顯降低；這表明月季種植年限對土壤有機質的影響很顯著，月季在一定的種植年限內對土壤有機質具有一定的累積作用，但超過一定年限范圍后，月季種植年限越長，對土壤有機質的累積作用越弱。在20～40 cm土層，與CK相比，1～5年、11～15年的月季土壤有機質含量顯著降低，其中6～10年的土壤有機質含量最大，達到5.7 g/kg。

圖1 不同年限土壤不同層次有機質含量

2.2 不同土層土壤活性有機質含量的變化

土壤活性有機質用來指示土壤質量，反映土壤有機質的有效性。圖2顯示，相同月季種植年限下土壤活性有機質的含量依次表現(xiàn)為高活性有機質＜中活性有機質＜低活性有機質。

圖2 不同種植年限不同土層土壤高活性、中活性和低活性有機質含量

隨土層的加深，土壤高活性有機質總體上表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢（圖2a）。其中0～20 cm土層，土壤高活性有機質表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，與CK相比，6～10年的月季土壤高活性有機質顯著提高，達到1.3 g/kg，11～15年顯著降低，降到0.9 g/kg。20～40 cm土層，與CK相比，6～10年的月季土壤高活性有機質顯著提高，達到1.4 g/kg。

中活性有機質隨土層的加深，降低的幅度較大（圖2b）。其中0～20 cm土層，與CK相比，土壤中活性有機質含量均顯著提高，提高幅度在不同年限的月季土壤有所不同，6～10年的月季土壤中活性有機質最大，達到3.4 g/kg。20～40 cm土層，6～10年的月季土壤中活性有機質含量明顯較高，達到1.5 g/kg，其他處理土壤中活性有機質含量變化不大。

低活性有機質隨土層的加深，變化比較顯著（圖2c）。在各個土層，低活性有機質的變化趨勢一致。與CK相比，不同種植年限月季土壤低活性有機質6～10年的變化顯著，其他種植年限的月季土壤低活性有機質沒有顯著差異。其中0～20 cm土層，6～10年的土壤低活性有機質達到7.0 g/kg；20～40 cm土層，6～10年低活性有機質達到2.4 g/kg。整體來看，在各個土層，6～10年的土壤活性有機質含量最高。

2.3 不同土層的不同活性組分分布比例

如圖3所示：在不同土層，土壤不同活性有機質所占的比例差別很大。其中0～20 cm土層低活性有機質占的比例最大，達到38.8%～44.9%；20～40 cm土層非活性有機質占的比例最大，達到39.7%～52.6%。說明上層土的活性有機質占有機質的比例較大，隨著土層的加深，土壤有機質中活性有機質的比例隨之降低。

圖3 不同種植年限不同土層活性有機質組分比例

如圖3a所示：在0～20 cm土層，與CK相比，各個年限的土壤非活性有機質比例均有所下降，活性有機質組分比例增加。11～15年的非活性有機質比例降低幅度最大，降到13.5%，6～10年的高活性有機質所占比例有所降低，降到了7.4%。整體來看，各個年限主要增加到了低活性有機質和中活性有機質所占的比例。如圖3b所示：在20～40 cm土層，與CK相比，各個年限主要增加了低活性有機質和中活性有機質所占的比例，其中低活性有機質的比例達到了28.6%～29.0%，中活性有機質的比例達到17.5%～18.9%。6～10年的高活性有機質增幅最大，達到13.7%。

2.4 不同年限月季對不同土層土壤碳庫管理指數(shù)的影響

碳庫指數(shù)、活度指數(shù)、碳庫活度以及土壤碳庫管理指數(shù)是一組相互關聯(lián)的指標，碳庫管理指數(shù)是土壤管理措施引起土壤有機質變化的指標，它是系統(tǒng)的、敏感的土壤碳變化監(jiān)測指標，能夠反映栽培措施使土壤質量下降或更新的程度［16］。從表1可以看出，在0～20 cm土層，相比CK處理，碳庫指數(shù)呈現(xiàn)先上升再下降趨勢，其中6～10年最大，達到1.4，說明6～10年土壤有機質含量提升最明顯。在20～40 cm土層，與CK相比，6～10年變化不大，其他年限的碳庫指數(shù)均降低。說明隨著土層的加深，土壤有機質含量的累積效果在降低，其中6～10年的土壤有機質積累效果最好。

從表1可知，在0～20 cm土層，與CK相比，不同種植年限月季土壤在高、中、低活性有機質的碳庫管理指數(shù)均大于100，且均以11～15年的碳庫管理指數(shù)最大，分別達到153.6、294.4、173.7。在20～40 cm土層，高活性有機質的碳庫管理指數(shù)以6～10年最大，達到121.9；1～5年、11～15年的高活性有機質碳庫管理指數(shù)均小于100。與CK相比，不同種植年限月季土壤的中、低活性有機質碳庫管理指數(shù)均有一定程度的提高，其中6～10年最大，分別達到128.8、188.1。

表1 不同年限月季不同土層土壤碳庫指數(shù)、碳庫活度、活度指數(shù)、碳庫管理指數(shù)

3 討論

城市園林綠化的精細化管理越來越引起人們的關注，月季在城市園林中的應用越來越多，目前對不同種植年限的月季缺乏精細化的管理。本研究通過分析不同種植年限月季的土壤有機質發(fā)現(xiàn)，土壤有機質含量隨種植年限的變化而變化；整體來看，有機質含量隨著土層的加深而降低。在土壤表層，月季在一定的種植年限內對土壤有機質具有一定的累積作用，但超過一定年限范圍后，月季種植年限越長，對土壤有機質的累積作用越弱。徐坤等［17］研究發(fā)現(xiàn)土壤有機質在一定年限內隨種植年限的增加而增大，隨土層深度增加而顯著減小，與本研究結果一致。超過10年土壤有機質含量降低，可能是因為月季種植需肥量大，土壤有機質積累速度小于分解速率，再加上園林花卉種植重化肥輕有機肥，致使土壤有機質含量隨種植年限的增加而減少。土壤活性有機質相對總有機質對土壤管理措施響應更為敏感，不同活性有機質表現(xiàn)不同的變化特征，整體來看，6～10年月季土壤對活性有機質提高最顯著。種植月季土壤的活性有機質低于草坪土壤的活性有機質的現(xiàn)象，可能是草坪土處于免耕狀態(tài)，免耕等保護性耕作因減少土壤擾動，降低了土壤有機碳的分解，能顯著提高耕層大團聚體的數(shù)量及其穩(wěn)定性，提高了土壤的活性有機質含量［18］，楊永輝等［19］的研究也表明了免耕處理明顯提高了土壤活性有機碳含量。土壤活性有機質整體隨土層的加深呈下降趨勢，這可能是因為上層根系及土壤生物活動頻繁，根系和土壤生物分泌物及其殘體中的活性成分相對較多所致。CMI綜合反映人為影響下土壤碳庫指標和土壤碳庫活度兩方面對土壤有機質性質的影響。本研究發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm表層土壤，各組分有機質的CMI隨種植年限逐漸增加，隨著種植年限的增加，逐漸改善了表層土壤的碳庫質量，增強了土壤碳匯功能，邱莉萍等［20］對不同封育草地的研究與本研究的結果一致。在20～40 cm土層，6～10年的土壤活性有機質的CMI最大，可能是因為6～10年的月季已經有了較大的根冠比，根部分泌物增多，增加了20～40 cm土層的土壤碳庫。0～5年、11～15年高活性有機質的CMI低于100，這可能與水分管理等措施也有關系，水分管理等措施直接影響著土壤中有機碳的累積效果［21］。

4 結論

月季土壤的有機質及活性有機質在一定年限內隨種植年限的增加而增大，超過10年，逐漸減低，對10年以上的月季的管理要適當?shù)脑鍪┯袡C肥。月季不同種植年限的不同活性有機質在0～20 cm土層的比例上升，CMI均高于100，表明隨種植年限的延長，對土壤有機質的改善也在加深，提高了土壤的碳匯能力；在20～40 cm土層，6～10年的有機質、活性有機質及CMI均最大，表明6～10年月季對土壤深層有機質的改善效果最好。整體來看，種植6～10年的月季對土壤的碳匯增加效果最好。