种植苹果树对渭北果园土壤胶结物质分布的影响

　　摘要:本研究通过系统研究种植果树对土壤胶结性物质的演化规律及其与土壤团聚体稳定性之间关系的影响,探索影响果园土壤团聚体状态的因素,以期为果园科学管理提供理论依据。在渭北旱塬苹果主产区分别选取10a、20a的苹果园和农田(冬小麦-夏玉米轮作,对照)各4个,在果树冠层投影范围内距树干2/3处逐层采集0~100cm土层土壤样品和0~50cm土层原状土壤样品,研究不同植果年限果园及农田土壤剖面黏粒、有机质、CaCO3等团聚体胶结物质的分布及其与团聚体稳定性之间的关系。结果发现:在0~100cm土层范围内,各果园土壤黏粒含量基本随土层深度的增加而递增,且在0~40cm土层表现为农田>10a果园>20a果园,40cm以下土层则呈现相反的态势;种植果树相比农田可显著增加0~100cm土层土壤有机质总储量,但随着种植果树年限的增加,土壤有机质总储量呈递减趋势;在0~100cm土层土壤CaCO3总储量表现为10a果园>农田>20a果园,但在0~40cm土层CaCO3含量及储量表现为10a果园>农田>20a果园,而40~100cm土层则为20a果园>10a>农田。皮尔森相关分析发现?0.25mm土壤团聚体的数量和平均重量直径(MWD)与土壤黏粒、有机质和CaCO3含量密切相关,其中机械稳定性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中CaCO3、有机质含量的影响,水稳性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中黏粒和CaCO3的影响。总之,植果显著改变了土壤中黏粒、有机质、CaCO3的演化过程和趋势,随植果年限增加,果园土壤黏粒和CaCO3在土壤较深土层淋溶淀积明显;各果园土壤有机质总储量虽然高于农田,但随植果年限增加,有逐渐减少的趋势。可见植果明显加速了渭北黄土塬地土壤的残积黏化和钙化过程,影响着表层土壤团聚作用和底层土壤的紧实化和坚硬化程度。

　　关键词:苹果园;种植年限;土壤胶结物质;黏粒;有机质;CaCO3;团聚体

　　胶结物质作为土壤团聚体形成的物质基础,其质量分数、空间变异与分布、组成特征、作用方式等是团聚体形成及稳定的物质基础与内在动力[1-2]。黄土高原特殊的成土环境使得该区土壤团聚体的形成与稳定具有明显的区域特性[3],其土壤中的胶结物质主要包括黏粒、有机碳和CaCO33类物质[4-5]。

　　1材料与方法

　　1.1试验区概况

　　试验选在具有较长植果历史的苹果主产区——陕西省彬县新民镇黄土塬区(35°06′N,108°09′E)。该区属渭北残塬沟壑地区,海拔约1108m,年平均气温9.7℃,昼夜平均温差11.7℃,年平均降水量579mm,无霜期180d,属典型大陆性暖温带半干旱气候特征。塬地的地带性土壤类型为黑垆土(系统分类名称为堆垫干润均腐土,Cumuli-UsticIsohumosols)。该区具有海拔较高、光照资源充足、昼夜温差大、气候较为干燥、空气和土壤无污染、土层深厚、土体疏松等优越的自然条件。苹果的种植历史和模式可代表整个渭北旱塬苹果产区的基本特征。果园管理方式多为清耕制,以施用化肥为主,主要施用尿素、(NH4)2HPO4和K2SO4,农家肥几乎不再施用。

　　1.2样品采集与测定

　　试验于苹果采收期间进行。选择自然生态条件相同、种植年限分别为10a和20a的苹果园各4个作为研究对象。果树品种均为乔化‘红富士’,果树株行距为3m×4m。并在果园周边选取4块农田作为对照,所选取的农田是经现场调研未曾种植苹果、按常规模式管理,实行冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制度的农田。在每个果园内随机选取具有代表性的果树4株,在果树冠层投影范围内距树干2/3处用土钻按照0~10cm、10~20cm、20~30cm、30~40cm、40~50cm、50~60cm、60~80cm和80~100cm的间距逐层采取土样,将同一个果园内不同取样点的相同土层土样混匀作为1个土壤样品,在室内风干、研磨、过筛后用于土壤相关性质的测定。同时,按照10cm间距逐层采集0~50cm土层原状土壤样品约1kg,装入硬质盒中运回室内风干,在风干过程中沿团聚体间自然裂隙轻轻掰分成直径在1cm以上的小土块,剔除其中植物残体,待充分风干后用于土壤团聚体组成测定。农田采样是在4块田地分别随机选取4个采样点,采样方式和样品处理方式与果园相同。土壤颗粒组成采用国际粒级分类制,用沉降分析的吸管法测定[23];土壤CaCO3含量用气量法测定[24];有机碳含量用重铬酸钾外加热法测定[24];土壤容重用环刀法测定[23];机械稳定性团聚体采用干筛法,水稳性团聚体采用湿筛法测定,团聚体大小设5个级别,分别为>2mm、1~2mm、0.5~1mm、0.25~0.5mm、<0.25mm等[20]。

　　2结果与分析

　　2.1种植果树对土壤剖面黏粒分布的影响

　　黏粒是决定土壤物理状态和化学特性的物质基础,该区土壤0~40cm属于黄土覆盖层,40~100cm属于质地相对黏重的黑垆土层,呈现出土壤黏粒含量在0~40cm土层明显低于40cm以下土层的特征(图1)。值得关注的是土壤黏粒含量在0~40cm土层表现为农田>10a果园>20a果园,40cm以下土层则呈现相反的态势。另外,果园土壤黏粒含量在0~40cm土层随土层深度的增加逐渐递增,40cm以下土层则递增明显;而农田土壤黏粒含量在0~40cm土层基本保持一致,40cm以下则随土层深度的增加而呈缓慢增加的趋势。可见,随植果年限增加,果园土壤黏粒有明显的从表层向深层淋溶与淀积的趋势,导致土壤剖面质地性状发生了明显变化,而农田土壤黏粒的淀积黏化过程不太明显,剖面质地性状基本稳定。果园表层土壤黏粒的递减必然会因基本胶结物质的丢失而影响土壤团聚作用,而淀积在下层的土壤黏粒又会影响土壤的紧实度,制约根系延伸和水分入渗。

　　2.2种植果树对土壤剖面有机质分布的影响

　　有机质作为土壤团聚作用最重要的胶结剂,其变化态势是分析土壤团聚体状况演变的重要因素。尽管渭北旱地土壤在0~40cm黄土覆盖层之下有40~60cm厚的古腐殖质层[26],然而,现在无论果园还是农田土壤,土壤有机质在0~100cm土层范围内都随土层深度的增加而递减(图2)。此外,在0~100cm土层范围内,土壤有机质含量因植被的更替亦呈现不同程度的空间变化特征,其中0~50cm土层土壤有机质含量呈现为10a果园?农田?20a果园,而50~80cm土层则为20a果园?农田?10a果园。而且10a幼龄果园和20a老龄果园间土壤有机质含量差异极为明显,而10a幼龄果园和农田土壤间差异相对较小。进一步分析植果对土壤有机质储量的影响发现(图3),植果相比农田可显著增加0~100cm土层土壤有机质总储量,10a、20a果园相比农田分别增加6.01%、3.84%,但随着植果年限的增加,土壤有机质总储量呈递减趋势,证明果树种植及其生长发育阶段对土壤碳库的影响显著。

　　3讨论

　　3.1种植果树对土壤各胶结物质的影响

　　渭北果园土壤在0~100cm土层范围内,土壤黏粒含量基本随土层深度的增加呈增加趋势。首先这是由土壤发生学特征决定的,渭北地区黄土残塬面土壤为黑垆土,属于堆积型土壤剖面构型,一般40cm以下土层埋藏着黏化程度相对较高、碳酸盐淋溶的古腐殖质层,被称为黑垆土层,而40cm以上土层是多年使用土粪和黄土继续沉积过程形成的覆盖层,覆盖层土壤黏粒含量一般低于黑垆土层。本研究得到的重要信息不应是土壤黏粒含量随土层深度变化的关系,而是不同植果年限间土壤剖面上黏粒变化的差异性。一般在同一个空间范围、自然降水相同的情况下,土壤的淀积黏化程度一方面取决于上层土壤的团聚状况,即自由黏粒的多少,一方面取决于土壤耕作管理模式。渭北土壤覆盖层因有机物含量少,土壤颗粒的团聚化程度低,且团聚体稳定性差,土壤中未被团聚的自由黏粒会在降雨期间随水分入渗逐渐向深层移动并不断聚集,发生着“淀积黏化”作用[22]。另外,对于果园土壤而言,由于翻耕扰动少,黏粒在土壤剖面的移动与聚集效应逐渐累积,淀积黏化效果明显,而农田每季作物收获后都要翻耕施肥和播种,将淋溶的黏粒又翻动至表层,延迟了淀积黏化过程的累积效应,从而产生了果园与农田土壤相比,果园土壤黏粒含量在0~40cm土层处递减明显、40cm以下土层逐渐累积的结果,且随植果年限增加,淀积黏化效果更加明显。黏粒的深层淀积,既影响表层土壤团聚的物质基础,也影响果园深层土壤的通透性,故属于一种果园土壤的隐形退化特征。

　　3.2土壤中胶结物质对团聚状况的影响

　　土壤团聚体的形成是一个极为复杂的过程,其很大程度上依赖于土壤中各种胶结物质的数量和性质[28]。黏粒、有机质和CaCO3是黄土性土壤团聚体形成的重要胶结物质,不仅对土壤有团聚作用,也对一些元素的固持及土壤酸碱缓冲作用有一定影响[29]。

　　4结论

　　植果显著改变了土壤中各胶结物质(黏粒、有机质、CaCO3)的演化过程和趋势,使其在土壤剖面发生了重新分配。随植果年限增加,黏粒和CaCO3在土壤较深土层淋溶淀积明显;各园龄段果园土壤有机质总储量虽然高于农田,但随植果年限增加,有逐渐减少的趋势。原因是黑垆土的团聚作用差,在降雨期间团聚体易分散,“活性黏粒”、CaCO3向深层移动淀积,在底土层逐渐积累,填充底层土壤孔隙,增加底层土壤紧实度和硬度。农田土壤虽然也会发生“淀积黏化”作用和“钙化”作用,但受到常年的人为翻耕扰动,使该作用表现不够明显。另外,各胶结物质均会对果园土壤团聚体的数量和质量造成影响,只是不同胶结物质的影响程度各不相同。机械稳定性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中CaCO3和有机质含量的影响,水稳性团聚体的数量和稳定性主要受土壤中黏粒和CaCO3的影响。

　　参考文献References

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　　[2]姚贤良,于德芬.赣中丘陵地区红壤及红壤性水稻土的胶结物质及其与土壤结构形成的关系[J].土壤学报,1964,(1):43–45YAOXL,YUDF.Thecementingmaterialofredsoilandredloampaddysoilinhillyregionanditsrelationshipwithsoilstructure[J].ActaPedologicaSinica,1964,(1):43–45

　　[3]张耀方,赵世伟,王子龙,等.黄土高原土壤团聚体胶结物质的分布及作用综述[J].中国水土保持科学,2015,13(5):146–150ZHANGYF,ZHAOSW,WANGZL,etal.DistributionandfunctionofcementingmaterialsofsoilaggregatesontheLoessPlateau,WesternChina[J].ScienceofSoilandWaterConservation,2015,13(5):146–150

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