壽寧設(shè)施葡萄園土壤有機碳與其物理性質(zhì)的相關(guān)性分析

范曉暉，劉文婷，謝星，陳慕松，吳壽華

（1. 寧德市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，福建福安 355017；2. 寧德市扶貧開發(fā)服務(wù)中心，福建寧德 352100）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫，全球約有1.5萬億噸碳以有機形態(tài)儲存在土壤中。土壤有機碳庫約是陸地植被碳庫的2～3倍，已成為全球碳循環(huán)的重要組成部分[1-3]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，農(nóng)田土壤有機碳作為土壤肥力和土壤質(zhì)量評價的重要指標得到廣泛的關(guān)注[4-6]，而人類對耕地利用方式的改變是影響土壤有機碳循環(huán)的主要因素[7-9]。隨著葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，葡萄栽培模式也由原來的大田農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向避雨栽培模式轉(zhuǎn)變[10]。設(shè)施栽培模式改變了葡萄園溫度、光照、濕度等環(huán)境因素，使其形成一個高溫、高濕、高蒸發(fā)、無雨淋溶的特殊小氣候環(huán)境[11]，導(dǎo)致園內(nèi)的土壤性質(zhì)及環(huán)境也發(fā)生了很大的變化，因而越來越受到研究者的關(guān)注。

張永慧等[12]研究表明，設(shè)施葡萄與蔬菜間作可增加土壤有機質(zhì)及其他養(yǎng)分含量，增加土壤酶活性，優(yōu)化土壤團聚體結(jié)構(gòu)。但關(guān)于葡萄園土壤有機碳含量的研究主要集中在對其豐缺度的評價。劉佳等[13]對京津冀地區(qū)葡萄園土壤肥力水平進行調(diào)查分析，結(jié)果表明研究區(qū)土壤有機質(zhì)含量均值較低，且天津地區(qū)的有機質(zhì)含量呈逐漸下降趨勢。對廣東東莞地區(qū)和黑龍江大慶地區(qū)葡萄園土壤養(yǎng)分進行分析均表明，葡萄園的土壤有機質(zhì)含量較低[14-15]。而針對葡萄園土壤物理性質(zhì)與有機碳含量關(guān)系的研究則鮮有報道。

諸多研究已表明，土壤有機碳與土壤物理性質(zhì)之間關(guān)系密切且相互影響，土壤物理性質(zhì)通過影響作物根系和土壤微生物的生存環(huán)境，影響土壤有機碳含量及其分布；土壤有機碳則通過影響土壤養(yǎng)分的供應(yīng)能力，改變了作物根系生長和分布及土壤結(jié)構(gòu)[16-18]。為此，本研究以福建省壽寧縣千畝高優(yōu)示范園區(qū)為研究對象，選取14個代表性設(shè)施葡萄園，測定設(shè)施葡萄園土壤剖面的土壤有機碳含量及相關(guān)土壤物理性質(zhì)，旨在揭示設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量與土壤物理性質(zhì)的關(guān)系，以提高福建省設(shè)施葡萄園科學(xué)管理水平，并為福建省設(shè)施葡萄園土壤改良及碳庫研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

壽寧縣位于福建東北部，海拔500～1200 m，屬中亞熱帶山地氣候，年平均氣溫13～19 ℃，年日照時數(shù)1760 h，活動積溫達4745～6570 ℃，≥10 ℃的有效積溫4249 ℃，年降水量1976 mm，無霜期250 d，氣候條件有利于優(yōu)質(zhì)葡萄生產(chǎn)。研究區(qū)位于壽寧縣鳳陽鎮(zhèn)，與福安市曉陽鎮(zhèn)、周寧縣純池鎮(zhèn)接壤。調(diào)查區(qū)設(shè)施葡萄園常規(guī)管理。基肥：11月畝施腐熟有機肥 1000～2000 kg，鈣鎂磷肥 100 kg；萌芽肥：3月上旬，萌芽前10～15 d，畝施復(fù)合肥30～40 kg；膨果肥：6月上旬，果實黃豆粒大時，畝施復(fù)合肥30～40 kg；轉(zhuǎn)色肥：7 月中下旬（套袋前10 d），果實進入二次膨大，畝施復(fù)合肥20 kg、硫酸鉀25～30 kg。設(shè)施葡萄園內(nèi)保持排水順暢不積水，農(nóng)戶撒施化肥前后各澆水一次，遇旱則及時灌水。

1.2 樣品采集及測定

通過對壽寧縣千畝高優(yōu)農(nóng)業(yè)示范園區(qū)（葡萄）實地調(diào)查，選取代表性設(shè)施葡萄園，共布設(shè)采樣點14個。按照0～20、20～40、40～60 cm深度分層取樣，其中3號和6號樣點取樣深度至40 cm，故共采集有效土壤樣品40個。每個土壤樣品按照“四分法”取1.0 kg裝入潔凈的塑料自封袋中，帶回實驗室，自然風干，并去除雜草、礫石等雜物，再研磨過篩分裝。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀容量法測定；土壤孔隙度、土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤機械組成采用比重計法測定[19]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理，通過SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行相關(guān)分析和通徑分析。通徑分析參照杜家菊等[20]的方法進行，將相關(guān)系數(shù)分解為直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)分別計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤有機碳含量及土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計分析

由表1可知，壽寧設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量隨土層深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤有機碳含量相較于20～40、40～60 cm分別高出了1.81 g·kg-1和3.76 g·kg-1，存在明顯的表聚性特點，但各土層間差異不顯著。各土層土壤有機碳含量分布變異系數(shù)依次為：0～20 cm＞40～60 cm＞20～40 cm，均屬于中等變異。

表1 壽寧設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量及土壤物理性質(zhì)統(tǒng)計分析Table 1 The statistical values of soil organic carbon content and soil physical properties of facility vineyards in Shouning

壽寧設(shè)施葡萄園土壤總孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤通氣孔隙度隨著土壤深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤總孔隙度顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層，分別高出8.60、11.60個百分點；0～20 cm土壤毛管孔隙度顯著高于20～40 cm和40～60 cm土層，分別高出8.31、11.11個百分點；0～20 cm土壤通氣孔隙度分別高出20～40 cm和40～60 cm土層0.29、0.49個百分點，但各土層間差異不顯著。土壤容重則隨土壤深度的增加而增加，0～20 cm土壤容重相較于20～40 cm和40～60 cm分別降低了6.98%和10.45%，但各土層間差異不顯著。

壽寧設(shè)施葡萄園土壤機械組成中，土壤粘粒含量隨土壤深度的增加而降低；0～20 cm和20～40 cm土壤粉粒含量均值相等，且均低于40～60 cm，但土壤粉粒含量最高值出現(xiàn)在20～40 cm，各土層的最小值均為8%；而土壤砂粒含量的分布狀況則隨土壤深度的增加而增加，各土層的土壤機械組成之間差異均不顯著。

2.2 土壤有機碳與土壤物理性質(zhì)的通徑分析

本研究選取的土壤物理性質(zhì)除土壤總孔隙度和土壤粘粒含量外，其他指標均與土壤有機碳含量存在一定的相關(guān)性。其中由表2可知，壽寧設(shè)施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量與土壤物理性質(zhì)相關(guān)性均不顯著。其中，0～20 cm土壤有機碳含量與土壤通氣孔隙度的直接通徑系數(shù)絕對值最高（﹣0.745），但與兩者相關(guān)系數(shù)（﹣0.287）相差較大，這主要是因為土壤通氣孔隙度通過其他4個土壤物理性質(zhì)對0～20 cm土壤有機碳含量的總間接作用值較大，且除土壤砂粒含量外均為正效應(yīng)。土壤毛管孔隙度對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為正效應(yīng)，但由于受到土壤通氣孔隙度和土壤砂粒含量對0～20 cm土壤有機碳含量間接負效應(yīng)的影響，使得兩者的相關(guān)系數(shù)僅為0.001。土壤容重對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為負效應(yīng)，受到土壤通氣孔隙度和土壤砂粒含量對0～20 cm土壤有機碳含量間接正效應(yīng)的影響，使得兩者相關(guān)系數(shù)降低。土壤粉粒對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為負效應(yīng)，但由于受土壤砂粒和土壤通氣孔隙度對0～20 cm土壤有機碳間接正效應(yīng)的影響，最終使得兩者的相關(guān)性呈正相關(guān)。土壤砂粒對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為負效應(yīng)，受到土壤毛管孔隙度、土壤容重和土壤粉粒對0～20 cm土壤有機碳含量的間接正效應(yīng)的影響，使得兩者相關(guān)性強度降低。

表2 壽寧設(shè)施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量和土壤物理性質(zhì)的通徑系數(shù)Table 2 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 0-20 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

由表3可知，土壤物理性質(zhì)與20～40 cm土壤有機碳含量的相關(guān)性強度依次為：土壤容重>土壤毛管孔隙度>土壤通氣孔隙度>土壤砂粒含量>土壤粉粒含量。其中，20～40 cm土壤有機碳含量僅與土壤容重呈極顯著負相關(guān)，與土壤毛管孔隙度、土壤通氣孔隙度和土壤粉粒含量均為正相關(guān)。土壤毛管孔隙度對20～40 cm土壤有機碳含量的直接影響較小，雖然土壤通氣孔隙度和土壤粉粒含量對20～40 cm土壤有機碳含量產(chǎn)生一定的負效應(yīng)，但由于土壤容重對20～40 cm土壤有機碳含量的間接正效應(yīng)值較大，從而使得土壤毛管孔隙度與20～40 cm土壤有機碳含量的相關(guān)性增加。土壤容重對20～40 cm土壤有機碳含量的直接影響最大，且為負效應(yīng)，同時土壤其它物理特性因子對20～40 cm土壤有機碳含量的間接效應(yīng)也為負效應(yīng)，因此進一步增加了土壤容重與20～40 cm土壤有機碳含量的相關(guān)性。土壤粉粒含量與對20～40 cm土壤有機碳含量的影響為負效應(yīng)，但由于受到土壤砂粒含量對20～40 cm土壤有機碳含量間接正效應(yīng)的影響，最終使得兩者的相關(guān)性呈正相關(guān)。

表3 壽寧設(shè)施葡萄園20～40 cm土壤有機碳含量和土壤物理特性的通徑系數(shù)Table 3 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 20-40 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

由表4可知，土壤物理性質(zhì)與40～60 cm土壤有機碳含量的相關(guān)性強度依次為：土壤容重>土壤毛管孔隙度>土壤粉粒含量>土壤通氣孔隙度>土壤砂粒含量。其中，40～60 cm土壤有機碳含量僅與土壤容重呈極顯著負相關(guān)。土壤毛管孔隙度和土壤通氣孔隙度與40～60 cm土壤有機碳含量的相關(guān)性為正相關(guān)，但對40～60 cm土壤有機碳含量直接影響均為負效應(yīng)，這主要受到土壤容重對40～60 cm土壤有機碳含量間接正效應(yīng)的影響，最終使得兩者的相關(guān)性呈正相關(guān)；土壤容重對40～60 cm土壤有機碳含量的直接影響最大，而土壤砂粒含量對40～60 cm土壤有機碳含量間接負效應(yīng)的影響較小，且其他土壤物理性質(zhì)對40～60 cm土壤有機碳含量間接影響為正效應(yīng)，但兩者間的相關(guān)性強度依然較高；土壤粉粒含量對40～60 cm土壤有機碳含量的直接影響強度僅次于土壤容重，且為正效應(yīng)，但由于受到土壤容重、土壤砂粒含量對40～60 cm土壤有機碳含量間接負效應(yīng)的影響，所以兩者的相關(guān)性呈負相關(guān)。土壤砂粒含量對40～60 cm土壤有機碳含量的直接影響為正效應(yīng)，但由于受到土壤粉粒對40～60 cm土壤有機碳含量的間接負效應(yīng)的影響，從而減弱了兩者的相關(guān)性。

表4 壽寧設(shè)施葡萄園40～60 cm 土壤有機碳含量和土壤物理特性的通徑系數(shù)Table 4 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 40-60 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

2.3 土壤有機碳與土壤物理性質(zhì)之間的回歸模型

由表5可知，設(shè)施葡萄園各土層土壤物理性質(zhì)與土壤有機碳含量之間的多元線性回歸模型的決定系數(shù)（R2）隨著土層深度的增加而增加，說明多元線性回歸模型對設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量垂直分布的解釋能力不斷增加；同時剩余通徑系數(shù)則隨之降低，0～20 cm和20～40 cm剩余通徑系數(shù)均＞0.5，說明除本研究選取的土壤物理性質(zhì)外，其他對0～20 cm和20～40 cm土壤有機碳含量影響較大的因素還未被考慮進來；40～60 cm剩余通徑系數(shù)＜0.5，說明土壤毛管孔隙度、土壤通氣孔隙度、土壤容重、土壤粉粒和土壤砂粒含量是影響40～60 cm設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量的主要影響因素。

表5 壽寧設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量和土壤物理特性的多元線性回歸模型Table 5 Multiple linear regression model of soil organic carbon content and soil physical properties of facility vineyards in Shouning

3 討論與結(jié)論

本研究結(jié)果表明，設(shè)施葡萄園土壤有機碳具有表聚性，且隨土壤深度的增加而減少，這主要是因為葡萄園作為人工種植園，表層土壤受到施肥、翻耕等人為經(jīng)營措施的干擾，物質(zhì)和能量在土壤中向下傳遞的過程明顯被削弱[21]，且土壤微生物的活性及固碳能力也隨著土壤深度的增加而減弱[22]，因此，設(shè)施葡萄園土壤有機碳含量呈垂直遞減的分布規(guī)律。按照我國目前沿用的“Van Bemmelen因數(shù)”1.724作為有機碳和有機質(zhì)的轉(zhuǎn)換系數(shù)[23]，本研究區(qū)設(shè)施葡萄園0～20、20～40、40～60 cm土壤有機質(zhì)含量分別為33.07、29.95、26.58 g·kg-1，參照我國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，0～20 cm土壤有機質(zhì)含量處于較豐富水平、20～40 cm和40～60 cm土壤有機質(zhì)含量處于中等水平。

設(shè)施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量與土壤物理性質(zhì)相關(guān)關(guān)系均不顯著，20～40 cm和40～60 cm土壤有機碳含量均與土壤容重呈極顯著負相關(guān)，其中20～40 cm土壤物理性質(zhì)的直接通徑系數(shù)絕對值依次為：土壤容重>土壤砂粒含量>土壤粉粒含量>土壤通氣孔隙度>土壤毛管孔隙度，40～60 cm土壤物理性質(zhì)的直接通徑系數(shù)絕對值依次為：土壤容重>土壤粉粒含量>土壤砂粒含量>土壤毛管孔隙度>土壤通氣孔隙度。因此，20～40 cm和40～60 cm土壤容重主要通過直接作用影響土壤有機碳含量，而其他土壤物理性質(zhì)則通過因子間的相互作用影響土壤有機碳含量。分析其原因，可能是設(shè)施葡萄園土壤在受到人為擾動的環(huán)境下，加之設(shè)施避雨栽培模式使得土壤環(huán)境狀況受到改變，從而導(dǎo)致其與土壤物理性質(zhì)之間的直接相關(guān)關(guān)系減弱。

設(shè)施葡萄園各土層土壤有機碳含量與土壤物理性質(zhì)的多元線性回歸模型擬合結(jié)果表明，設(shè)施葡萄園各土層土壤物理性質(zhì)與土壤有機碳含量之間的多元線性回歸模型的決定系數(shù)（R2）隨著土層深度的增加而增加，但0～20 cm和20～40 cm回歸模型的剩余通徑系數(shù)＞0.5，說明除了本研究所選取的土壤物理性質(zhì)外，還有較大的其他影響因素未被考慮到[24]，這有待接下來進一步研究。而40～60 cm回歸模型的剩余通徑系數(shù)＜0.5，說明本研究所選取的土壤毛管孔隙度、土壤通氣孔隙度、土壤容重、土壤粉粒含量和土壤砂粒含量是主要影響因素。

針對當前設(shè)施葡萄園土壤結(jié)構(gòu)差、板結(jié)嚴重等普遍性問題，土壤物理性質(zhì)作為影響土壤有機碳含量的重要因素，應(yīng)引起大家的重視。在設(shè)施葡萄園管理過程中不僅要注重土壤養(yǎng)分的補充，還需要加強對土壤物理結(jié)構(gòu)的改良提升，促進土壤環(huán)境健康發(fā)展，提高設(shè)施葡萄園土壤固碳能力，提升土壤有機碳含量，以保障設(shè)施葡萄園土壤的可持續(xù)利用。