植茶年限對珍稀“四球茶”茶園土壤團(tuán)聚體分布特征及穩(wěn)定性的影響

盧 青，吳傳美，劉鴻雁，黃春艷，楊謹(jǐn)銘，甘正剛，何 季*

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省普安縣茶業(yè)發(fā)展中心，貴州 黔西南 561500)

土壤團(tuán)聚體是指直徑在0.25～10 mm之間的近似球形、表面疏松多孔、具有機(jī)械彈性、水穩(wěn)性和一定生物學(xué)穩(wěn)定性的小團(tuán)塊或小團(tuán)粒的結(jié)構(gòu)[1]。土壤團(tuán)聚體的粒級分布構(gòu)成了土壤的基本結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量和含量影響土壤中的肥力狀況，是土體抗蝕能力的體現(xiàn)以及評價土壤質(zhì)量好壞的關(guān)鍵指標(biāo)之一[2]。土壤團(tuán)聚體狀況在保證和協(xié)調(diào)土壤水分、土壤肥力狀況、土壤物理結(jié)構(gòu)、土壤中微生物種群的變化及酶活性等方面起到重要作用[3-5]。近幾年，土壤團(tuán)聚體的粒徑分布及其穩(wěn)定機(jī)制[6-7]、土壤中養(yǎng)分變化情況[8-9]以及土壤團(tuán)聚體與有機(jī)質(zhì)的相互作用[10]成為研究熱點(diǎn)。而土壤團(tuán)聚體的粒徑分布及其穩(wěn)定性受氣候條件、施肥水平、土地利用方式以及種植年限等因素的影響[11-14]。有研究指出[11]，間歇性降雨可導(dǎo)致>0.25 mm團(tuán)聚體比例的減少和<0.25 mm粒級團(tuán)聚體比例的增加，即降雨降低了土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，破壞土壤結(jié)構(gòu)的完整性。Huang等[12]通過水稻土的研究得出，有機(jī)質(zhì)對紅壤性水稻土團(tuán)聚體的穩(wěn)定性具有重要的作用。任榮秀等[13]研究表明，相比農(nóng)田，自然植被恢復(fù)和人工造林均提高了土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，自然植被恢復(fù)是改善團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量的有效方式。有專家在不同年限旱砂田土壤團(tuán)聚體的研究得出10年之內(nèi)旱砂田主要以>5 mm粒級團(tuán)聚體為主，而10年以上旱砂田主要以0.05～0.25 mm粒級團(tuán)聚體為主[14]。綜上，不同因素對土壤團(tuán)聚體的分布及穩(wěn)定性的影響不同。在茶園土壤中，隨著種植年限的增加，茶園土壤理化性質(zhì)會發(fā)生一系列的變化，如引起土壤嚴(yán)重酸化、導(dǎo)致土壤中有毒、抗菌性物質(zhì)的積累，嚴(yán)重影響土壤質(zhì)量、土壤結(jié)構(gòu)以及土壤的可持續(xù)發(fā)展[15]，因此研究種植年限和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性之間的關(guān)系具有重要意義。

四球茶(CamelliatetracoccaZhang)是生長于貴州黔西南州普安縣境內(nèi)群山茂林內(nèi)的珍稀古茶樹，是山茶屬茶亞屬Subgen.Thea茶組Sect.Thea五室茶系Ser.Quiquelocularis中的一種，為貴州所特有，屬于喬木型茶樹。近年來，普安四球茶樹開發(fā)和人工種植的較多，因生長緩慢、種植區(qū)土壤環(huán)境以及技術(shù)方面的原因?qū)е滤那虿璨枞~在不同時期的產(chǎn)量和品質(zhì)有很大的差異性。以往對土壤團(tuán)聚體分布及其穩(wěn)定性影響的研究大多集中在不同的施肥水平、氣候條件、土壤類型以及土地利用類型方面，而對于珍稀四球茶在人工種植條件下土壤團(tuán)聚體的組成及穩(wěn)定性研究還未見報道。因此，本研究以普安四球茶茶園土壤為研究對象，通過分析不同種植年限下茶園土壤團(tuán)聚體粒級組成及其穩(wěn)定性的變化特征，以期揭示不同種植年限對四球茶茶園土壤團(tuán)聚體的分布特征及其穩(wěn)定性的影響，為普安四球茶茶園的管理以及茶園土壤的合理利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省黔西南布依族苗族自治州普安縣，地處東經(jīng)104°51′10″～105°09′24"，北緯25°18′31"～26°10′35"。該區(qū)平均海拔1400 m，年均氣溫14℃，無霜期290 d左右，年均日照1563 h，年均降雨量1360 mm，屬低緯度、高海拔的亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候。土壤類型為黃壤，pH4.4～5.1，露出地層以三疊系碳酸鹽巖為主。該地區(qū)生態(tài)環(huán)境優(yōu)良，空氣、土壤污染小，重金屬含量低，對發(fā)展綠色食品茶和生態(tài)有機(jī)茶具有得天獨(dú)厚的條件。普安縣茶園種植年代久遠(yuǎn)，從上世紀(jì)80年代以來，普安大力發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)，為了讓“世界唯一、普安獨(dú)有”的喬木型珍稀古茶樹更好的發(fā)展，開展了四球茶的種植工作，形成了不同植茶年限的茶園，以便進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計和土壤采集

選擇地理位置相對集中、成土母質(zhì)、施肥管理和茶樹種植情況相對一致的種植年限分別為5年、15年、25年、40年的四球茶茶園土壤為研究對象，在每個植茶年限下隨機(jī)布設(shè)3個典型樣地，共12個樣地，每個樣地面積約為50 m2。

2019年7月，每個樣地按“S”形設(shè)置采樣點(diǎn)，具體采樣點(diǎn)設(shè)在茶樹樹冠邊緣垂直下方且避開施肥點(diǎn)，分0～20 cm，20～40 cm兩個層次采集原狀土樣，在采集和運(yùn)輸過程中盡量避免擠壓，做好標(biāo)記帶回實(shí)驗(yàn)室，待測。

1.3 樣品處理

沿土壤的自然結(jié)構(gòu)將樣品掰成直徑1cm的小土塊，除去植物根莖、小石塊、枯落物以及其他無關(guān)物質(zhì)后，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干后用沙維諾夫干篩法[16]分離出>5 mm、2～5 mm、1～2 mm、0.5～1 mm、0.25～0.5 mm、<0.25 mm 6個粒級的團(tuán)聚體，分別稱重后，得到不同粒級團(tuán)聚體的含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

各粒級團(tuán)聚體質(zhì)量百分含量=各粒級團(tuán)聚體質(zhì)量/土壤樣品總質(zhì)量×100%

團(tuán)聚體的平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GWD)計算采用邱莉萍等[17]的公式進(jìn)行計算。R0.25(>0.25mm團(tuán)聚體含量)計算參照姜敏[18]等的公式進(jìn)行計算：

其中，Ri為某級團(tuán)聚體平均直徑，Wi為某級團(tuán)聚體組分的干重，Mr>0.25為直徑大于0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量，MT為團(tuán)聚體總重量。

(1)

對公式(1)兩邊取對數(shù)，可得：

(2)

采用Excel 2010和DPS 11.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以LSD多重比較法進(jìn)行顯著性檢測，圖表采用Excel 2010制作，文中數(shù)據(jù)均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植茶年限下茶園土壤團(tuán)聚體的分布特征

由表1可知，在0～20 cm土層中，各植茶年限下，>2 mm粒級團(tuán)聚體含量占主導(dǎo)地位，約占總體的53.63%～63.61%，其中植茶5年最多，最少為植茶15年。>5 mm團(tuán)聚體的含量隨植茶年限的增加均呈先增大后減小的趨勢，植茶25年顯著高于其他年限(P<0.05)，比其他年限高39.12%～51.47%，植茶40年最??；1～2 mm團(tuán)聚體中的含量隨年限的增加而減小，植茶40年明顯低于其他年限(P<0.05)，比其他年限低18.34%～37.16%。<0.25 mm團(tuán)聚體的含量隨植茶年限的增加均呈逐漸增大的趨勢，植茶40年顯著高于其他年限(P<0.05)，比其他年限高64.15%～187.60%，其中植茶5年最低。從粒徑分布可得，團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)隨粒徑的減小先增大后減小的趨勢，在不同粒徑中，以2～5 mm粒級團(tuán)聚體含量最多，<0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量最??；2～5 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著高于其他各粒級(P<0.05)。

表1 不同植茶年限土壤團(tuán)聚體的分布特征Table 1 Distribution of soil aggregates in areas of different C. tetracocca tea-planting history

2.2 不同植茶年限下茶園土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性

在20～40 cm土層中，>1 mm粒級團(tuán)聚體的含量隨植茶年限的增加呈先增大后減小的趨勢。>2 mm粒級團(tuán)聚體含量占主導(dǎo)地位，約占總體的40.92%～65.02%，在植茶15年時最多，在植茶40年時最少。>5 mm粒級團(tuán)聚體含量在植茶15年在顯著高于其他年限(P<0.05)，比其他年限高20.08%～31.42%，植茶40年最小。0.5～1 mm粒級團(tuán)聚體的含量植茶年限的增加呈先降低再增加的趨勢，其中植茶15年顯著低于其他年限，相比其他年限低42.31%～48.91%。<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量隨植茶年限的增加而增加，植茶40年顯著高于其他年限(P<0.05)，相比其他年高114.65%～236.78%，植茶5年最低。從粒徑分布可得，團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)隨粒徑的減小先增大后減小再增大再減小的趨勢，在不同粒級中，2～5 mm團(tuán)聚體含量最多，<0.25 mm的土壤團(tuán)聚體含量最少。2～5 mm粒級團(tuán)聚體與其他粒級呈顯著差異(P<0.05)。

2.2.1 植茶年限對MWD和GMD的影響 從表2可知，在0～20 cm土層中，土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)隨著年限的增加呈先減小再增加再減小的趨勢。MWD的值為植茶25年>植茶5年>植茶40年>植茶15年，植茶25年與其他年限之間有顯著差異(P<0.05)；GMD的值為植茶5年>植茶25年>植茶40年>植茶15年，植茶15年與植茶5年、25年之間有顯著差異(P<0.05)。R0.25的值為植茶5年>植茶15年>植茶25年>植茶40年，即R0.25隨年限的增加呈逐漸降低的趨勢，不同年限下R0.25之間無顯著差異(P>0.05)。在20～40 cm土層，R0.25、平均重量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)隨年限的增加呈先增加后降低的趨勢，R0.25、MWD和GMD的值均為植茶15年>植茶5年>植茶25年>植茶40年，植茶40年顯著低于其他年限(P<0.05)。0～20 cm土層的MWD、GMD和R0.25的值均大于20～40 cm土層。

表2 不同植茶年限土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)Table 2 Stability of soil aggregates in areas of different C. tetracocca tea-planting history

2.2.2 植茶年限對土壤團(tuán)聚體分形特征的影響 如圖1所示，分形維數(shù)(D)隨年限的增大而不斷增加。在0～20 cm土層中，分形維數(shù)均為植茶40年(2.05)>植茶25年(1.93)>植茶15年(1.78)>植茶5年(1.63)，其中，40年顯著高于5、15、25年(P<0.05)，比5、15、25年分別高24.24%，15.17%，6.22%。在20～40cm土層中，分形維數(shù)均為植茶40年(2.20)>植茶25年(1.90)>植茶15年(1.79)>植茶5年(1.78)，其中，40年顯著高于5、15、25年(P<0.05)，比5、15、25年分別高22.35%、22.34%、15.26%。分形維數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，但在不同土層中之間的分形維數(shù)相差很小，相差值在0.01～0.15之間，相同年限不同土層間的分形維數(shù)無顯著差異(P>0.05)。

圖1 不同年限下土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)Fig.1 Fractal dimension of soil aggregates in areas of different C. tetracocca tea-planting history注：不同小寫字母表示相同年限不同深度差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示同一深度不同年限間差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 植茶年限對土壤團(tuán)聚體分布特征的影響

土壤團(tuán)聚體組成決定著土壤結(jié)構(gòu)的好壞，尤其是>0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量越高，土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)就越好[20]。在不同的植茶年限中，大粒級團(tuán)聚體的損失，會影響土壤的穩(wěn)定性，導(dǎo)致土壤肥力下降，且不利于土壤環(huán)境中水、肥、氣、熱等的循環(huán)和保存[21]。本研究中，>5 mm粒級團(tuán)聚體含量隨植茶年限的增大先增大后減小，在植茶25年達(dá)到最大值，與劉敏英等[6]對老川茶的茶園土壤的研究基本相符，說明植茶25年時，茶園土壤的團(tuán)聚體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)較好。可能是由于茶園土壤中的二價陽離子較多，如鈣鎂離子，且在一定年限下茶園中茶樹的枯枝落葉積累、茶葉的修剪以及施肥等使得土壤中的有機(jī)質(zhì)也逐漸增多，積累土壤的有機(jī)質(zhì)和二價陽離子可以促進(jìn)土壤中小團(tuán)聚體或微團(tuán)聚體的膠結(jié)，促使土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的增強(qiáng)[22-23]。<0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量隨植茶年限的增加而增加，在植茶40年時最大，與李露露[24]等人的研究一致。一方面是由于隨著植茶年限的繼續(xù)增長，茶樹生長開始趨于緩慢，枯枝落葉以及茶樹的修剪量減少，土壤中有機(jī)物下降且土壤所受淋溶作用隨年限增加而增強(qiáng)，導(dǎo)致大團(tuán)聚體破碎形成小團(tuán)?；蛭F(tuán)粒，茶園土壤中團(tuán)聚體穩(wěn)定性降低[25]，另一方面長期植茶連作，使得茶園土壤中的微生物群落過于單一，導(dǎo)致有機(jī)物質(zhì)分解困難，不利于形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[26-27]。0～20 cm土層各粒級團(tuán)聚體含量均高于20～40 cm土層，這與Bandyopadhyay等人[28]的研究相符，主要由于茶園中茶葉的修剪以及枯枝落葉主要集中在土壤表層，在一定程度上不僅可以促進(jìn)土壤表層有機(jī)質(zhì)的合成，還可以增加0～20 cm土層中的微生物活性，而土壤微生物產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物以及多種胞外酶，使得微團(tuán)聚體產(chǎn)生膠結(jié)作用[29]。土壤的穩(wěn)定性與土壤中大團(tuán)聚體含量有關(guān)，大團(tuán)聚體含量多，土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，茶園土壤的穩(wěn)定性好能有效改善土壤孔性狀況，增強(qiáng)土壤通氣性，同時還能增加茶園土壤的抗風(fēng)蝕能力，有利于茶樹的生長。本研究中土壤團(tuán)聚體粒級大多以>2 mm粒級團(tuán)聚體為主，且>0.25 mm粒級團(tuán)聚體占總體的90%以上，表明該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。但在植茶40年時，土壤中大團(tuán)聚體有所下降，微團(tuán)聚體數(shù)量有所增多，表明該研究在植茶40年時土壤穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)有所下降。

3.2 植茶年限對土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)以及R0.25的值越大，土壤結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力、保水保肥能力也就越好[30]。在本研究中，R0.25的值隨著植茶年限的增加呈降低的趨勢，MWD和GWD的值均隨植茶年限的增加呈先增加再減小的趨勢。MWD和GWD在0～20 cm土層中，分別在植茶25年、植茶5年時達(dá)到最大值；20～40 cm土層中在植茶15年達(dá)到最大值，這在一定程度上可以說明在植茶5～25年時，該茶園土壤的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)較好。植茶40年時，MWD、GMD以及R0.25的值均有所下降，可能產(chǎn)生的原因是由于茶園土壤團(tuán)聚體受耕作、施肥、除草方式等管理方式影響較大，年周期內(nèi)茶園土壤的修剪、采摘等所產(chǎn)生的踩踏行為以及雨水沖涮隨著年限的積累導(dǎo)致已形成的土壤團(tuán)聚體的破壞。0～20 cm土層的MWD、GMD和R0.25的值均大于20～40 cm土層，這是因?yàn)殡S著土層的增加，土壤微生物活動和有機(jī)質(zhì)含量下降，加上20～40 cm土層團(tuán)聚體受到水分下滲影響[31]，導(dǎo)致20～40 cm土層土壤團(tuán)聚體含量低于0～20 cm土層。

分形維數(shù)(D)可以表明土壤顆粒的大小、分布及其均一程度，土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)越小，土壤容重越小，土壤越疏松，土壤含蓄水分和水土保持的功能越強(qiáng)。土壤團(tuán)聚體分形維數(shù)越大，土壤結(jié)構(gòu)越不穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越差[30]。在本研究中，在不同土層中，分形維數(shù)隨植茶年限的增加而增大。分形維數(shù)均在植茶5年最小，植茶40年時達(dá)到最大，這在一定程度說明該研究區(qū)域在植茶40年時土壤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，抗侵蝕能力較弱，保水保肥能力也相對較差。分形維數(shù)隨著深度的增加呈現(xiàn)增大的趨勢，與王賢[32]等人對重慶四面山幾種林地土壤的研究一致，與陳旸等人[33]的研究結(jié)果相反。這可能是由于貴州屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，平均降水量大，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致下層土壤的黏粒含量高，使下層的分形維數(shù)增大。

綜上所述，本研究區(qū)域應(yīng)在植茶40年左右時，多施易分解的有機(jī)肥，有機(jī)肥能有效增加茶園土壤中的有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高茶園土壤的保水保肥能力。其次，減少園區(qū)內(nèi)的土地耕作，以促進(jìn)該茶園土壤大團(tuán)聚體的形成與維持。

4 結(jié)論

(1)不同種植年限茶園的團(tuán)聚體含量呈現(xiàn)隨粒徑的減小先增大后減小再增大再減小的趨勢；該地區(qū)土壤團(tuán)聚體主要以>2 mm粒級團(tuán)聚體最多，占總體的40.92%～65.02%；>5 mm粒級團(tuán)聚體含量均隨植茶年限增加呈先增加再減小的趨勢，在植茶15～25年時達(dá)到最大。<0.25 mm粒級團(tuán)聚體的含量隨植茶年限的增加均呈逐漸增大的趨勢，植茶40年顯著高于其他年限(P<0.05)；2～5 mm粒級團(tuán)聚體含量最多，<0.25 mm粒級團(tuán)聚體含量最??；2～5 mm粒級團(tuán)聚體含量顯著高于其他各粒級團(tuán)聚體含量(P<0.05)。

(2)在不同土層中，平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和R0.25的值均在植茶40年時有所降低；分形維數(shù)隨年限的增加而不斷增加，植茶40年時分形維數(shù)最大。該地區(qū)茶園土壤團(tuán)聚體>0.25 mm粒級含量較多，表明該地區(qū)土壤結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，但長期種植(40年)會導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性有所下降，建議植茶年限較長時應(yīng)注意多施有機(jī)肥增強(qiáng)茶園土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，提高該研究區(qū)土壤可持續(xù)發(fā)展，進(jìn)而提高茶葉的產(chǎn)量與品質(zhì)。