種植蘋果樹對渭北果園土壤膠結(jié)物質(zhì)分布的影響

　　摘要: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10a、20a的蘋果園和農(nóng)田(冬小麥-夏玉米輪作,對照)各4個(gè),在果樹冠層投影范圍內(nèi)距樹干2/3處逐層采集0~100cm土層土壤樣品和0~50cm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0~100cm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0~40cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田>10a果園>20a果園,40cm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0~100cm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0~100cm土層土壤CaCO3總儲量表現(xiàn)為10a果園>農(nóng)田>20a果園,但在0~40cm土層CaCO3含量及儲量表現(xiàn)為10a果園>農(nóng)田>20a果園,而40~100cm土層則為20a果園>10a>農(nóng)田。皮爾森相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)?0.25mm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(jiān)硬化程度。

　　關(guān)鍵詞: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]。

　　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1108m,年平均氣溫9.7℃,晝夜平均溫差11.7℃,年平均降水量579mm,無霜期180d,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(gè)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10a和20a的蘋果園各4個(gè)作為研究對象。果樹品種均為喬化‘紅富士’,果樹株行距為3m×4m。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(gè)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0~10cm、10~20cm、20~30cm、30~40cm、40~50cm、50~60cm、60~80cm和80~100cm的間距逐層采取土樣,將同一個(gè)果園內(nèi)不同取樣點(diǎn)的相同土層土樣混勻作為1個(gè)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(shí),按照10cm間距逐層采集0~50cm土層原狀土壤樣品約1kg,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1cm以上的小土塊,剔除其中植物殘?bào)w,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(gè)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(gè)級別,分別為>2mm、1~2mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm、<0.25mm等[20]。

　　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0~40cm屬于黃土覆蓋層,40~100cm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0~40cm土層明顯低于40cm以下土層的特征(圖1)。值得關(guān)注的是土壤黏粒含量在0~40cm土層表現(xiàn)為農(nóng)田>10a果園>20a果園,40cm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0~40cm土層隨土層深度的增加逐漸遞增,40cm以下土層則遞增明顯;而農(nóng)田土壤黏粒含量在0~40cm土層基本保持一致,40cm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。

　　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0~40cm黃土覆蓋層之下有40~60cm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0~100cm土層范圍內(nèi)都隨土層深度的增加而遞減(圖2)。此外,在0~100cm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0~50cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)為10a果園?農(nóng)田?20a果園,而50~80cm土層則為20a果園?農(nóng)田?10a果園。而且10a幼齡果園和20a老齡果園間土壤有機(jī)質(zhì)含量差異極為明顯,而10a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0~100cm土層土壤有機(jī)質(zhì)總儲量,10a、20a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。

　　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0~100cm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40cm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40cm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(gè)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0~40cm土層處遞減明顯、40cm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。

　　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(gè)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]。

　　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,“活性黏粒”、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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