兩種果園土壤質量綜合評價及生物量與土壤元素的關系

史進，李文勝，張俊苗

(新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊　830052)

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兩種果園土壤質量綜合評價及生物量與土壤元素的關系

史進，李文勝，張俊苗

(新疆農業大學林學與園藝學院，烏魯木齊830052)

摘要：【目的】果園土壤質量受多方面因素影響，生草栽培是改善土壤肥力、營養狀況的可行方法之一，為開發實用和普遍的果園土壤管理方式提供基礎資料。【方法】采用果園生草法和清耕法2種不同處理方式的田間試驗，采用PCA、SQI、相關性分析方法。【結果】反映土壤肥力狀況的OM、TN、AP、AK和土壤鹽分特征的Ca、Cu、Fe、Zn、Mn是果園土壤立地條件的主導因子。果園經過長時間的生草栽培可以明顯提高不同年限果園土壤質量綜合評價指數，增強了土壤的肥力條件和營養狀況。果園地下生物量(UB)與土壤中AN、OM、TP、TK、AK、Ca、Cu、Fe、Mn、pH相關性顯著，與土壤養分含量和SQI存在顯著的線性關系。【結論】果園通過生草的方式改善了土壤的理化性質，提高了土壤質量綜合評價指數，增強了土壤生物量與土壤元素的相關性，使得土壤生物量和SQI及土壤養分含量的關系更為密切。

關鍵詞：生草栽培；蘋果；土壤質量；主成分分析；綜合評價

0引 言

【研究意義】果園生草是一種常見的果園管理方法[1]，此技術在我國采用的相對較少，我國絕大部分果園仍然為清耕果園，而在許多西方國家此技術已被廣泛運用[2]。果園生草能夠延長根系的生長，優化土壤的團粒結構，改善林木生長的土壤條件[3]。林木生長的土壤條件是最為重要的外部環境，正確認識生草對土壤條件的改善作用是林木經營、立地樹種選擇及SQI的基礎，這對于干旱半干旱地區的果園管理和土壤結構優化顯得尤為重要。目前，有關土壤立地條件劃分的研究很多[4-7]，并已成為一個實用行、成熟行、大眾行的研究領域。在影響土壤條件的各因素中，植被條件是最主要的影響因素，其中土壤肥力狀況的高低不僅是影響土壤立地條件的重要指標，更直接影響林木生長所需要的物質供給基礎，土壤質量綜合評價對合理利用土地資源和優化土壤理化性質具有重要意義。【前人研究進展】果園生草是西方發達國家較為推崇的果園土壤管理方式[8]，我國有關果園生草栽培與立地條件的關系研究大多分布在南方的果園[9]，干旱半干旱地區研究相對較少，目前基本上是進行果園土壤營養狀況試驗研究，以及果園不同草種種植對果園氣候的影響，而果園長時間的動態觀測缺乏實質有效的觀測依據[10]。果園生草栽培對不同土壤層次的土壤改善效果不同，改善效果與果園生草的時間長短有關[11]。生草可以明顯提高土壤中有機質的含量，優化土壤立地條件[12]。渭水以北和鴉金高原生草園和清耕園試驗表明，生草園較清耕園土壤容重降低了6.5%，增加田間持水量7.19%，增加了直徑1.0 mm以上的土壤團粒，土壤孔隙度增加4%左右，土壤總孔隙度提高更為明顯[13-15]。【本研究切入點】基于土壤剖面調查及采樣分析，采用PCA對土壤理化性質進行分析，以確定果園土壤綜合質量評價的主導因子為切入點。【擬解決的關鍵問題】研究選擇新疆阿克蘇紅旗坡地區的“新紅一號”富士果園，測定和分析生草園和清耕園土壤養分含量變化及主成分分析中各因子的載荷量，探討該地區蘋果園生草與土壤立地條件的相互關系，為該區域果園生草技術及改善果園土壤管理方式提供理論依據。

1材料與方法

1.1材 料

試驗地點位于新疆阿克蘇地區紅旗坡農場，地處天山南麓中段，南臨阿克蘇市，西毗溫宿縣，該地區空氣干燥，云量少，晴天多，屬于暖溫帶大陸性干旱氣候，光熱條件較好，熱量資源豐富。年平均氣溫為10.8 ℃，年平均≥10 ℃穩定積溫達3 953 ℃，果園土壤表面年平均溫度13.5 ℃，無霜期7個月左右，凍土層深度一般在50 cm以上。試驗園土壤類型為鹽土，土層較厚。

1.2方 法

試驗于2014年4～11月紅旗坡地區“新紅1號”富士果園進行，分別選取生長著樹齡為3、5、10、15、20 a果樹的生草園(果園I)和清耕園(果園II)，且其修剪、水肥、管理等一致的富士蘋果生產園，在不同年限的果園中分別按照“S”型取樣方法選取5個試驗樣點，并用GPS進行位置記錄，再根據果樹根系的生長情況，確定挖土深度為60 cm，分層采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土層的土壤樣品，并帶回實驗室進行土壤理化性質分析。分析指標包括：有機質(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全鉀(TK)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn、pH共14項指標，分析方法均采用常規分析法。

將果園土壤生草所產生的生物量分為地上部分和地下部分，每個果園在果樹的行間分別取5個1×1 m的樣方，用鐮刀貼地將地上部分割去，放在80 ℃烘箱中，持續24 h，烘干后稱重，記為地上生物量(AB)。地上部分去除后，按照1×1 m的面積在再往地面以下1 m取1 m3的土，取出的土用200目的篩子進行篩選，小心取出篩子上的植物的根系部分，同地上部分一樣放入烘箱，烘干后稱重，記為地下生物量(UB)。

果園I：果園地面以自然條件下所生長的雜草為主。

果園II：果園土壤采用全面中耕除草的耕作方式，其中除草主要利用除草劑和人工除草兩種方式。

以50個樣點的OM、TN、TP等14項指標的分析結果為試驗參數，分析土壤的立地條件情況，借以反應土壤的真實情況，并依據各項參數與蘋果果樹生長的關系確定各項指標的隸屬函數，對于OM、AP、AK等有利于植物生長的條件確定為“S”型隸屬函數，對于Ca、pH等鹽類條件確定為反“S”型隸屬函數。結合各年限蘋果果園的真實情況，然后利用公式計算出各項指標的隸屬度值。再根據PCA中的公因子方差占公因子方差和的百分數求出指標權重，最后通過公式(3)計算出各年限的土壤質量的綜合評價指數。

S型隸屬函數:

反S型隸屬函數:

公式(3)中Wi為第i個指標的權重，Fi為第i個指標隸屬度。

1.3數據統計

數據結果使用Microsoft Office Excel 2003、Spss17進行分析和處理，圖形處理使用Orgini7.5進行繪圖。

2結果與分析

2.1果園土壤主導因子

研究表明，經過對50個樣方的土壤養分含量指標進行主成分分析，得到各主成分和土壤養分指標相關關系的因子載荷矩陣。結果顯示前4個主成分累計貢獻率達到73.614 %，基本可以反映土壤養分指標信息。依據各主成分與土壤養分的負荷系數可以看出，第一主成分中AK具有最大的正向載荷，達到了0.929，除此之外，OM、Cu、Fe、Zn、Mn、AP在第一主成分中的載荷也較大，只有pH值在第一主成分中的載荷為負，這說明第一主成分與土壤養分中的微量元素及OM、AK關系密切。第二主成分中TN、TP、TK、Ca具有較大的正向載荷，AN具有最大的負向載荷，其中TN、TP、TK、Ca是土壤最為主要的立地條件，AN是土壤植被最為重要的養分類型，這說明第二主層分與土壤營養結構和類型密不可分。第三主成分主要包括AN和pH這兩個正向載荷因子，這兩個土壤養分指標均與土壤酸堿程度有關，特別是pH值更能直接反應土壤的堿性程度。第四主成分中TP和Mg的正向載荷最大，但只有TP與土壤養分的主成分分析中因子的關系密切，Mg在第一、第二、第三主成分中載荷量均較小。因此在4個主成分分析中只有前3個主成分是最主要的，AK、OM、Cu、Fe、Zn、Mn、TN、TP、TK、Ca、AN、AP是決定土壤類型的空間變異趨勢最為主要的因素。表1

表1　主成分因子負荷系數、貢獻率及公因子方差

2.2果園土壤質量

土壤質量評價體系是建立在主成分分析(PCA)的基礎上的，也是評價在土壤肥力條件的重要指標參數，可以對土壤的立地條件進行客觀的定性評價，研究表明，以OM、TN、TP等為主要的指標參數。阿克蘇紅旗坡地區不同年限的蘋果果園立地類型土壤質量綜合評價指數為0.405～0.560，平均為0.458，由此可見各個蘋果園土壤的質量較差，通過SQI的分析結果及隸屬度值，再結合土壤的物理性質可以看出，各個蘋果園土壤總體呈現養分較低、堿性大、土壤板結等特點，因此要想改善土壤的理化性質和達到創收的目的，必須優先改善土壤的立地條件，為了探討生草對土壤質量的影響過程，對土壤屬性進行定量和定性的評價。分析了土壤中物理和化學共16項指標。研究表明，經過長時間的生草栽培，果園I土壤養分總量有了明顯提高，總體呈現上升趨勢，而與之對應的果園II 20 a里土壤養分總量基本不變，呈平穩態勢。果園I從最初的66 g/kg增加到108.9 g/kg，在20 a里單位質量上提高了42.9 g/kg，總體提高了65 %，其中在生草的前3年土壤養分含量增加的尤為明顯，而由于果園II沒有經過生草的處理，土壤質量沒有明顯的提高，導致土壤相對貧瘠。表2，表3，圖1

研究表明，SQI作為土壤物理和化學性質的綜合反映，隨著生草年限的增加而變大，并且呈顯著的線性相關。在生草的前3年，兩果園的SQI指數沒有較大的差異，果園I為0.424，果園II為0.431，但經過長時間的生草栽培處理后，兩果園的土壤差異慢慢變大，從第5年開始，果園I的SQI指數就在緩慢變大，尤其是經過20 a生草處理之后，果園I的SQI指數已經達到0.560，而果園II在20 a里，SQI指數沒有明顯的變化，基本維持在0.461左右，可見生草對土壤質量的改善作用明顯。可以看出，土壤生草對土壤質量產生了量變和質變的影響。圖2

2.3土壤大量元素與生物量的相關性

研究表明，果園生物量的地上部分與土壤大量元素的相關性并不大，而地下部分與土壤的大量元素的相關性較大，且各元素之間的相關性也達到了顯著或極顯著水平。AB與UB有相關性，可相關性并不大，可見隨著果園的年限增長，AB在一定程度上受到果園的微環境的影響導致AB不可能持續性的增長，AB與土壤中的大量元素的相關性并不大，其中與TN的相關性最大，達到0.417。UB與土壤中大量元素的相關性較大且均為正相關，并且與AN、OM、TP、AK的相關性均達到極顯著水平，分別達到0.791、0.763、0.900、0.899，與TK和AP的相關性達到顯著水平，分別為0.575和0.58，UB含量的多少與土壤大量元素關系密切。AN與土壤大量元素的相關性最大，與OM、TP、TK、AP、AK的相關性均為極顯著正相關，分別為0.845、0.650、0.732、0.824、0.793。OM與TP、TK、AP、AK的相關性均達到極顯著水平，分別為0.656、0.743、0.825、0.699，經過長時間的生草栽培使得土壤中OM含量顯著增加，與UB的相關性也達到了極顯著水平。TN是不能被植物體直接吸收的營養元素，與土壤的生物量和土壤中其它元素相關性不大，TP與AK的相關性水平達到了0.783，呈極顯著水平，TK與AP的相關性達到極顯著水平，相關性為0.944，與AK呈顯著水平，相關性達到0.622，AP與AK作為植物體直接吸收的營養元素，相關性極顯著，達到0.651。果園土壤表面的果園經過長時間的生草栽培使得地上部分的生物量逐漸向地下方向滲透，經過十幾年UB逐年增加漸漸腐爛變質，最終變成植物體可以吸收的營養物質，這直接改善了土壤的物理化學性質，改善了果園土壤的營養狀況。表4

圖1　不同年限土壤養分含量變化

圖2　不同年限土壤SQI演變特征

指標Variable3a5a10a15a20a果園I果園II果園I果園II果園I果園II果園I果園II果園I果園IIAN0.4710.3870.4580.4340.4970.4670.5480.4060.5060.456OM0.5240.4330.3800.4150.4730.4730.4500.3870.4600.508TN0.5030.4500.4500.4060.3000.6000.5000.4310.5690.446TP0.3620.5710.5500.4970.5760.4790.4780.4450.4430.516TK0.3980.5000.4370.3840.4950.4980.5190.4000.4460.375AP0.4130.3140.4200.3920.4540.4070.4660.4010.5990.413AK0.4120.3940.4910.3920.5170.4540.4650.4250.4900.361Ca0.4300.3990.5220.4890.4830.4590.5520.4000.5290.467Mg0.3820.4480.5050.5350.4480.4980.4920.3720.6280.413Cu0.4610.4920.4040.3590.4620.4670.4420.4230.4730.416Fe0.4740.4640.4340.4170.4820.4000.4970.3980.4040.432Zn0.3470.4340.4380.3320.4990.4720.4840.4930.4160.386Mn0.4630.3430.5390.3410.5100.3740.5630.3370.4790.494pH0.3430.4200.5430.3400.5400.4690.4670.3620.4520.520

表3　各年限立地類型評價指標的公因子方差

表4　果園生物量與土壤大量元素的相關性

注：*表示在0.05水平上顯著相關，**表示在0.01水平上顯著相關。下同

Note：*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)，**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).the same as below

2.4土壤微量元素與生物量的相關性

研究表明，土壤微量元素是植物體正常生長的必要條件，土壤生物量與土壤微量元素的相關性密切，土壤生物量為果園土壤提供了有效的物質來源，為改善土壤的立地條件提供了保障。AB與土壤微量元素的關系不大，與UB呈負相關。UB與土壤微量元素的相關性較大，與Ca、Cu、Fe的相關性達到極顯著水平，且呈極顯著正相關，與pH值呈極顯著負相關，相關性水平達到0.919、0832、0.721、-0.841，與Mn的相關性達到顯著水平，相關性為0.516，這說明UB在一定程度上提高了土壤微量元素的含量，同時降低了土壤的堿性程度。Ca在土壤中容易結合氫氧根，可以使土壤堿化，Ca與Cu和Fe的相關性達到極顯著正相關水平，與pH值的相關性達到極顯著負相關水平，相關性分別為0.723、0.768、-0.730，與土壤中的Mn的相關性達到顯著水平。Mg在土壤中的化學性質與Ca相似，但與土壤中的其它微量元素的相關性并不明顯。Cu在土壤中含量較少，與Fe的相關性達到顯著水平，與pH值的相關性為極顯著負相關，相關性分別為0.519、-0.740。Fe的化學性質與Ca和Cu類似，與土壤pH值呈極顯著負相關，與Zn的相關性達到顯著水平，相關性分別為-0.691、0.566。土壤微量元素在土壤營養元素中的含量并不高，但確是土壤肥效的重要指標，果園經過多年的生草栽培可以明顯提高土壤中微量元素的含量。表5

表5　果園生物量與土壤微量元素的相關性

2.5果園土壤生物量與土壤養分及SQI指數的線性關系

研究表明，果園土壤生物量與土壤養分含量的線性關系，果園土壤養分含量隨著年限的增加逐年增加，AB的含量在20 a中先增加后減小，UB含量呈逐年增加的趨勢。AB與土壤養分含量線性關系式為y=-3.288 4，x+90.717，R2=0.013，線性關系并不強，而UB與土壤養分含量線性關系式為y=693.21，x+48.932，R2=0.982 8，這說明隨著UB的增加，土壤養分含量呈逐年遞增趨勢，結合AB和UB的關系可知，UB含量增加的基礎是AB，只有AB增加才能使UB在長時間的生草栽培中逐漸增大。土壤養分含量作為土壤立地條件最直接的表達，從根本上說明了土壤的肥沃和貧瘠程度，同時，經過長時間的生物量積累可以明顯改善土壤的立地條件，果園土壤的生物量積累又是通過生草栽培的方式實現的，所以，果園通過生草栽培明顯提高了果園土壤養分含量，實現了果園土壤的量變。圖3

研究表明，果園土壤生物量與土壤立地條件的SQI的線性關系，土壤AB與UB構成了果園土壤最為基礎的生物能量來源，其中AB是UB的基礎，UB是AB延續，果園經過多年的生草栽培并且通過翻耕等果園管理方式使得很大一部分的AB轉化成UB，可見土壤的AB和UB是密不可分的。AB在多年的生草過程中并不是逐年增長的，在20 a的時間里總體呈現先上升后下降的趨勢，在第10年時達到最大，SQI在20 a中是逐年增加的，特別是15～20 a期間，SQI與AB呈正相關，但關系并不顯著，其線性關系為y=-0.079 1，x+0.527 2，R2=0.079。UB經過長時間在土壤中的積累、腐爛、轉化，其總量在逐年增加，總體呈上升趨勢，并且在一定程度上改善了土壤的理化性質，SQI隨著UB的增大而增大，SQI作為土壤的綜合評價指數與土壤立地條件、理化程度密切相關，所以提高土壤UB含量的同時也就間接的改善了果園的土壤環境，SQI與UB的線性關系式為y=1.948 7，x+0.372 9，R2=0.83，可見線性關系明顯。總的來說，AB是UB在土壤中積累的基礎，SQI的提高需要改善土壤的環境，UB通過直接改變土壤的環境而間接的提高了SQI，從而實現了土壤的質變。圖4

圖3土壤生物量與土壤養分的線性關系

Fig.3The linear relationship of soil biomass and soil nutrients

圖4　土壤生物量與土壤綜合質量指數的線性關系

3討 論

3.1研究利用了主成分分析對果園土壤進行了主導因子分析，前四個主成分與土壤中土壤鹽分和大多數養分元素指標存在明顯的相關性，其累計方差貢獻率為73.614%，不足80%，這可能是由于不同果園土壤理化性質差異性和第一、二、三主成分中主導因子多所致。有研究表明葡萄園進行行間生草栽培可以改變土壤的空間異質性[16]。

3.2土壤質量綜合評價(SQI)是建立在主成分分析(PCA)的基礎上的，是土壤肥力條件和理化性質的綜合表現，生草栽培可以明顯提高果園I的SQI指數，并且時間越長作用越明顯，阿克蘇紅旗坡地處干旱地區，土壤條件較差，加上土壤板結日益嚴重，所以應選擇一種長期并且有效的土壤改良方式來緩解干旱區土壤所面臨的問題。

3.3果園土壤生物量分為地上生物量(AB)和地下生物量(UB)，AB主要是指土壤表面以上的部分，UB主要是指草經過干枯腐爛轉移到土壤中的部分，地下生物量的增多可以使土壤變得疏松，增加土壤各種元素的含量，UB的逐年增加得益于充分的AB供給，AB與土壤中各種元素的相關性并不大，但UB與土壤中營養元素和微量元素及一些鹽類關系密切。

3.4土壤生物量在一定基礎上為優化土壤立地條件提供了保障，作為衡量土壤質量標準的土壤養分含量和SQI指數與UB存在顯著的線性關系，AB是UB的基礎，果園生草栽培又是土壤生物量的來源，這說明在以果園土壤為基礎的理論前提下，AB、UB、土壤養分含量、SQI指數彼此之間存在緊密的聯系。

4結 論

生草可有效的改善富士果園土壤理化性質，增強果園土壤的物質基礎，果園經過一定年限的生草栽培還可以增加土壤養分含量，間接提高能反映土壤肥力的SQI指數，從而讓果園生草栽培與土壤生物量和土壤養分含量關系變得更為密切。

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Fund project:Supported by Major Science and Technology Projects of " the 12th Five-year plan" of Xinjiang Uygur Autonomous Region "Research, integration and demonstration of the key technology of high efficiency and safety production of Xinjiang featured fruit tress" (201130102-1)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.06.015

收稿日期(Received)：2015-12-22

基金項目:新疆維吾爾自治區“十二五”科技重大專項“新疆特色果樹高效安全生產關鍵技術研究集成與示范”課題(201130102-1)

作者簡介:史進(1991-)，男，新疆人，碩士研究生，研究方向為果樹栽培與生理，(E-mail)450990068@qq.com 通訊作者(Cotresponding author):李文勝(1968-)，男，新疆人，副教授，碩士研究生導師，研究方向為果樹栽培與生理，(E-mail)lwxs@qq.com

中圖分類號：S606+.1

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4330(2016)06-1081-10

Comprehensive Evaluation of the Soil Quality and the Relationship between Biomass and Soil Elements in Two Orchards

SHI Jin， LI Wen-sheng， ZHANG Jun-miao

(CollageofForestryandHorticulture，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052,China)

Abstract：【Objective】 The soil quality of orchard is affected by many factors，grass planting is one of the feasible methods to improve soil fertility and nutrition status，this project aims to provide basic data for the development of practical and universal soil management methods in orchards.【Method】Based on field trials of grass orchard and clean tillage orchard in two different treatments，using PCA and SQI, correlation analysis method.【Result】OM, TN, AP, AK can reflect the status of soil fertility and Ca, Cu, Fe, Zn, Mn can reflect characteristic of soil salinity, which are the dominant factors of soil site conditions in orchard．After a long time of orchard grass cultivation they can significantly improve the comprehensive evaluation of soil quality in different age orchard index, enhance soil fertility conditions and nutritional status. The correlation of TP, OM, TK, AK, Cu, Fe, pH, Mn, Ca, AN and UB were significantly correlated with the soil of the orchard, linear relationship with soil nutrient content and SQI.【Conclusion】The physical and chemical properties of the soil were improved by the way of planting grass and improved SQI, the correlation between soil biomass and soil elements was enhanced and the relationship between soil microbial biomass and SQI and soil nutrient content was more closely related.

Key words:sod culture; apple; soil quality; principal component analysis; integrated evaluation