不同覆蓋模式對櫻桃園土壤團聚體及碳氮的影響

黃圣杰, 陳俊樸, 陳 濤, 方從剛, 黃成毅,4

(1.四川農業大學 水利水電學院, 四川 雅安 625014; 2.四川農業大學 生命科學學院,四川 雅安 625014; 3.成都市國土資源信息中心, 成都 610041; 4.四川農業大學 環境學院, 成都 611130)

土壤團聚體是土壤結構的基本組成單位，是土壤物理、化學以及生物等多種因素經過一系列復雜作用下的結果，其具有協調水肥氣熱，提供良好的養分供給環境的作用[1-2]。團聚體的分布和穩定性狀況是反映土壤結構好壞的重要指標，但是不同粒徑大小的團聚體在營養元素的供應轉化方面發揮的作用有所差別[3-4]。其中土壤有機碳(SOC)和全氮(TN)與土壤團聚體的形成密不可分，是影響土壤結構不可忽視的要素[5-6]。一方面，有機質有粘結力，具備膠結作用，可以大大增加土壤顆粒的團聚潛力，進而能夠促進土壤團聚體的形成；另外一方面，土壤團聚體也可以給有機碳、全氮起到一定程度的保護作用，更有利于有機碳、全氮在土壤中的穩定累積[7]。

土地質量的可持續性，是果園能長期發展的關鍵。覆被是一種能夠改良土壤質量，防止果園水土流失的重要管理方式。當前已有許多學者對果園生草覆蓋的管理方式進行了大量的研究。結果均表明生草覆蓋能夠改善土壤微生態環境，一定程度上可以增加土壤中有機碳及養分含量，在保持果園土壤肥力，修復果園土壤生態方面具有明顯作用[8-9]。付學琴等[10]研究表明，與清耕對照相比，生草栽培可以顯著提高土壤各粒徑團聚體有機碳和養分含量。閆濤宇[11]研究認為，白三葉、小冠花和雞腳草覆蓋顯著提高了蘋果園0—20 cm土層>0.25 mm粒徑的團聚體有機碳對土壤總有機碳的貢獻率。防草布，即園藝地布能有效控制田間雜草生長，并且具有良好的透氣性、透水性，耐拉伸和使用壽命較長等特點[12-13]。前人研究表明，園藝地布能夠蓄水保墑，減少土壤水分的蒸散發，提高土壤含水量、果樹葉片光合速率及水分利用效率，達到促進增產的作用[14-15]。目前，在茶園、桑園、蘋果園及橘園雜草防治方面，防草布的應用已見諸文獻[13]，卻鮮見櫻桃園采用防草布的報道。此外，櫻桃園長期在傳統起壟清耕模式下造成了土壤養分流失、土壤板結，進而引起土地質量下降等一系列問題。為了解決這些問題，則有必要探索櫻桃園新型管理模式。因此，本文以傳統清耕為對照，研究自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋下櫻桃園團聚體分布、穩定性和水穩性團聚體碳氮含量的變化特征，以期為改良櫻桃園土壤質量、改進櫻桃園管理方式提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與供試材料

試驗區位于四川省新津縣新平鎮萬街村(30°26′08″N，103°45′35″E)，地處成都平原南部，屬于亞熱帶季風氣候，年均氣溫16.4℃，年均降雨量987 mm，年均無霜期297 d，多年平均日照1 119.1 h。試驗區土壤屬于平壩沖積性水稻土，土壤容重1.41 g/cm3，pH6.0，有機碳14.04 g/kg，全氮1.41 g/kg，堿解氮89.81 mg/kg，速效磷7.32 mg/kg。供試覆蓋材料：自然生草種類：春季主要有棒頭草(PolypogonfugaxNeesexSteud.)、豬秧秧(GaliumspuriumL.)、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、薺菜[Capsellabursa-pastoris(Linn.)Medic.]、毛茛(RanunculusjaponicusThunb.)和蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)；夏季主要有牛筋草[Eleusineindica(L.)Gaertn.]、苦苣菜(SonchusoleraceusL.)、蒿(Artemisia)和龍葵(SolanumnigrumL.)。野豌豆種類為一年生長柔毛野豌豆。覆蓋地布由江蘇無錫飛洋塑業提供，為黑色防老化UV和PP材質，單幅寬1.5 m，使用壽命約為5 a。供試櫻桃品種為成熟最早的短低溫大粒紅色中國櫻桃——“南早紅”。櫻桃園耕作方式采取壟作，單壟長15 m，寬2.5 m，每壟種植6棵櫻桃樹，樹齡6 a。

1.2 試驗設計

本研究采用定位試驗，于2018年9月末開始，試驗共設置清耕(CK)、自然生草覆蓋(NGC)、野豌豆覆蓋(VC)和地布覆蓋(GCM)4個處理。每個處理3次重復，每一壟為一小區，共12個小區，每個小區面積37.5 m2。清耕處理采用人工耕作結合化學除草劑定期清理雜草。自然生草覆蓋處理的雜草生長到一定高度時留茬刈割，每年刈割3～4次，刈割后就地全小區覆蓋。野豌豆覆蓋處理采取自然腐解還田，種子分別于2018年和2019年10月末撒播，播種量為37.5 kg/hm2，播種前微松表層土壤并除去雜草等異物。地布覆蓋處理于2018年10月末覆蓋地布，覆蓋前把小區表面清理干凈，地布完全覆蓋整個小區表面。地布除施肥揭開外，全年覆蓋于小區表面。基肥為每年9月末施用，各處理小區按羊糞2 250 kg/hm2，地補樂450 kg/hm2，磷酸二銨375 kg/hm2和鈣肥37.5 kg/hm2一并施入。各處理除覆蓋材料不同，其余管理方式均相同。

1.3 樣品采集與測定

樣品于2020年4月′南早紅′生殖生長期間采集，應用多點取樣法分別采集各試驗小區0—10 cm和10—20 cm兩個土層的原狀土樣。利用四分法取夠土樣后，將樣品裝入塑封袋，放于保鮮盒中運回實驗室。取足量的土樣并挑揀出動植物殘體及石礫，將土樣掰成指甲蓋大小，于陰涼避光處自然風干后待測。

機械穩定性團聚分布體根據沙維諾夫法測定。篩組按5，2，1，0.5，0.25 mm、篩盒的順序由上到下套好，將風干土樣過10 mm不銹鋼篩后稱取200.00 g，放于篩組最上層。手動振蕩篩組5 min，每分鐘約60下，振幅約為42 cm。篩好后從上往下依次取下篩子，小心取出樣品，稱重，計算不同粒徑機械穩定性團聚體的含量。

水穩性團聚體分布根據約德爾法測定。將干篩好的各個粒級團聚體按比例稱重配置成50 g后，放于團粒分析儀(TTF-100型)篩組最上層。篩組順序從上往下為5，2，1，0.5，0.25，0.053 mm，注水時調整水面高度，使篩組移到最高點時最上層團聚體淹沒在水面下。振蕩時間30 min，上下振幅4 cm，頻率30次/min。結束后將篩組團聚體小心洗入燒杯中，于烘箱60℃烘干后分別稱重，計算不同粒徑水穩性團聚體的含量。再將烘干稱重后的團聚體磨碎，過0.25 mm不銹鋼篩待測。不同粒徑團聚體有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定，不同粒徑團聚體全氮采用凱氏定氮法測定[16]。

1.4 分析內容及計算方法

分析內容包括不同粒徑團聚體含量，團聚體穩定性，水穩性團聚體有機碳和全氮，具體公式如下：

團聚體含量=Mi/MT×100%

(1)

式中:Mi表示各粒徑團聚體質量；MT表示團聚體總重。

團聚體穩定性的評估指標采用大團聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體破壞率(PAD)和不穩定團粒指數(Elt)[17-19]。

R0.25=Mr>0.25/MT×100%

(2)

(3)

(4)

PAD=(DR0.25-WR0.25)/DR0.25×100%

(5)

式中:DR0.25表示機械穩定性大團聚體含量；WR0.25表示水穩性大團聚體含量。

Elt=(WT-Wr>0.25)/WT×100%

(6)

式中:WT表示濕篩團聚體總重；Wr>0.25表示濕篩>0.25 mm團聚體質量。

1.5 數據分析

采用WPS處理數據并制圖，采用SPSS 21.0進行單因素方差分析(ANOVA)，差異性分析采用LSD法，用不同小寫字母表示不同處理之間存在顯著性差異(p<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋模式對團聚體分布的影響

由機械穩定性團聚體粒徑分布(表1)可知，各處理0—10 cm和10—20 cm土層均以>5 mm粒徑團聚體含量最高，范圍分別在35.16%～53.24%和48.00%～67.60%，且以NGC處理的含量最高，并與其余3種處理之間呈現出顯著性差異(p<0.05)。5～2 mm粒徑團聚體次之，范圍分別在25.32%～27.31%和19.41%～26.07%，且以GCM含量最高。0—10 cm和10—20 cm土層機械穩定性團聚體R0.25規律分別為GCM>NGC>VC>CK和NGC>GCM>VC>CK，都以CK最低，且與其余3種處理之間的差異存在顯著性(p<0.05)。

由水穩性團聚體粒徑分布(表2)可知，0—10 cm和10—20 cm土層各個處理也均以>5 mm和5～2 mm粒徑團聚體含量較高，范圍分別在20.00%～36.79%和23.02%～53.05%及18.98%～23.24%和19.93%～26.96%。4個處理之間>5 mm粒徑團聚體以NGC處理的含量最高，并與其余3種處理之間存在顯著性差異(p<0.05)，而5～2 mm粒徑團聚體含量以GCM最高。0—10 cm和10—20 cm土層水穩性團聚體R0.25規律均為NGC>VC>GCM>CK，都以CK最低，且與NGC之間的差異呈顯著性(p<0.05)。

2.2 不同覆蓋模式對MWD和GMD的影響

由表1可知，機械穩定性團聚體平均重量直徑(MWD)在0—10 cm和10—20 cm兩個土層均以NGC最高，以CK最低，NGC和CK分別與其余3種處理呈顯著性差異(p<0.05)。0—10 cm土層，NGC，VC和GCM的MWD值分別比CK增加22.80%，9.77%和12.05%；10—20 cm土層，NGC，VC和GCM的MWD值分別比CK增加18.03%，9.01%和7.89%。機械穩定性團聚體幾何平均直徑(GMD)規律與MWD規律一致。0—10 cm土層，NGC，VC和GCM的GMD值分別比CK增加39.11%，15.56%和22.67%；10—20 cm土層，NGC，VC和GCM的GMD值分別比CK增加31.43%，16.79%和16.07%。

表1 不同覆蓋模式下機械穩定性團聚體粒徑分布

由表2可知，水穩性團聚體MWD值在0—10 cm和10—20 cm兩個土層也都以NGC最高，CK最低，且NGC與其他3種處理之間呈顯著性差異(p<0.05)。0—10 cm土層，NGC，VC和GCM的MWD值分別比CK增加31.65%，6.88%和1.38%；10—20 cm土層，NGC，VC和GCM的MWD值分別比CK增加61.57%，28.38%和19.65%。水穩性團聚體GMD呈現的規律與MWD規律類似。0—10 cm土層，NGC，VC和GCM的GMD值分別比CK增加48.70%，8.70%和2.61%；10—20 cm土層，NGC，VC和GCM的GMD值分別比CK增加141.18%，63.03%和47.06%。

表2 不同覆蓋模式下水穩性團聚體粒徑分布

2.3 不同覆蓋模式對PAD和Elt的影響

不同覆蓋模式下，團聚體破壞率(PAD)隨土層深度增加而減小(圖1)。0—10 cm土層，CK，NGC，VC和GCM的PAD值分別為9.85%，7.58%，10.26%和11.74%；而10—20 cm土層，CK，NGC，VC和GCM的PAD值分別為8.74%，2.24%，4.38%，6.41%。由圖可知，除CK處理的PAD值隨深度增加下降幅度較小外，其余3種處理下降幅度較大且一致。

不同覆蓋模式下，不穩定團粒指數(Elt)也隨著土層深度增加而減小(圖1)。0—10 cm土層，CK，NGC，VC和GCM的Elt值分別為16.74%，11.66%，15.84%和16.42%；10—20 cm土層，CK，NGC，VC和GCM的Elt值分別為13.21%，6.05%，10.01%和10.97%。由圖可知，NGC，VC和GCM的Elt值隨深度增加而減小的幅度也要高于CK。

圖1 不同覆蓋模式下團聚體破壞率和不穩定團粒指數

2.4 不同覆蓋模式對水穩性團聚體有機碳、全氮的影響

由圖2可知，0—10 cm土層不同粒徑水穩性團聚體有機碳含量都以NGC最高，CK最低，并且兩者間差異顯著(p<0.05)。此外，VC和GCM處理的水穩性團聚體有機碳都要高于CK。10—20 cm土層各粒徑水穩性團聚體有機碳含量基本規律為NGC>VC>GCM>CK，且NGC，VC和GCM水穩性團聚體有機碳含量基本都顯著高于CK(p<0.05)。綜上可見，自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋均可以提高水穩性團聚體有機碳含量，并且以自然生草覆蓋處理的效果最好。

圖2 不同覆蓋模式下水穩性團聚體有機碳含量

由圖3可知，0—10 cm土層不同粒徑水穩性團聚體全氮含量基本規律為VC>NGC>GCM>CK，且除0.5～0.25 mm粒徑團聚體外，VC處理的其余粒徑團聚體全氮含量均要顯著高于GCM和CK，而與NGC差異普遍不存在顯著性(p<0.05)。隨著土層深度的變化，不同粒徑水穩性團聚體全氮含量規律基本一致。綜上可見，自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋均可以提高水穩性團聚體全氮含量，以野豌豆覆蓋處理效果最好。但是野豌豆覆蓋與自然生草覆蓋基本無顯著性差異，與地布覆蓋差異顯著(p<0.05)。

圖3 不同覆蓋模式下水穩性團聚體全氮含量

3 討 論

3.1 不同覆蓋模式對土壤團聚體分布及穩定性的影響

土壤團聚體作為土壤結構的基本組成單元，其分布和穩定性是表征土壤結構狀況的重要指標，是影響果樹生長發育的重要因素。大量研究表明，生草覆蓋對果園土壤團聚體的分布和穩定性具有正面效應[20]。王明亮等[21]研究發現不同作物覆蓋模式均有利于5～2 mm粒徑的機械穩定性團聚體的形成；郝淑英等[22]研究結果顯示蘋果園生草兩年后，>1 mm團聚體比清耕增加了10.2%～12.2%。本研究中，0—10 cm和10—20 cm兩個土層，3種覆蓋模式都不僅顯著提升了>5 mm團聚體的含量，還提高了櫻桃園大團聚體含量。主要是自然生草和野豌豆產生了大量的根系和菌絲，其纏繞、膠結作用能夠促進土壤中大團聚體(>250 μm)的形成[23]。而地布覆蓋能夠提高土壤有機質的含量，進而間接提高了大團聚體的數量和增強了團聚體穩定性[24]。但是機械穩定性團聚體R0.25在0—10 cm和10—20 cm土層規律和水穩性團聚體不太一樣，這主要是因為機械穩定性團聚體反映的是土壤非水穩性和水穩性的總體狀況，而水穩性團聚體只反映土壤的水穩定性特征，導致二者的結果不太一致[25]。

平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團聚體破壞率(PAD)和不穩定團粒指數(Elt)都是反映土壤水穩性團聚體穩定性的常用指標。MWD值和GMD值越大或PAD和Elt越小均表示團聚體各個粒徑團聚度越強，穩定性越高。王義祥等[26]發現生草栽培處理的0—20 cm土壤水穩性團聚體R0.25，MWD值和GMD值比順坡清耕和梯臺清耕均有明顯的提高。不但覆蓋作物能提高水穩性團聚體的穩定性[27]，而且在中度施氮條件下，覆膜處理也能很好地提高MWD值和GMD值[24]。付學琴等[28]發現與清耕相比，橘園行間播種白三葉草和黑麥草不僅提高了MWD值和GMD值，同時也降低了PAD值，與本試驗結果一致。而0—10 cm土層清耕處理團聚體破壞率低于野豌豆覆蓋和地布覆蓋，可能是因為清耕會破壞土壤表層的團粒結構，使得機械穩定性團聚體的大團聚體含量降低，進而導致了團聚體破壞率降低。

3.2 不同覆蓋模式對土壤團聚體有機碳、全氮的影響

各項研究表明，在梨園[29]、油桃園[26]、蘋果園[30]中生草栽培均能增加土壤有機質含量，提高團聚體有機碳氮含量。付學琴[10]研究認為′南豐蜜橘′園行間播種白三葉草、黑麥草比清耕對照不僅顯著提高了土壤團聚體有機碳含量，還顯著提高了團聚體全氮、全磷、全鉀、硝態氮、速效磷等養分指標。張帆等[31]研究發現，果園壟膜覆蓋比清耕能有效地提高0—30 cm土壤有機質和養分。以上研究結果與本研究中自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋相較清耕對照均能提高團聚體有機碳、全氮含量的結果一致，表明地面覆蓋后減少了人為因素的干擾，為土壤有機碳和全氮的積累提供了相對穩定的環境。而自然生草覆蓋和野豌豆覆蓋下團聚體有機碳和全氮均要高于地布覆蓋，這與張少宏[32]的研究結果相似。產生這樣結果的原因是，自然生草刈割還田與野豌豆自然腐解還田增加了有機物的輸入，為土壤有機碳和全氮的積累提供了重要來源。因此，自然生草覆蓋和野豌豆覆蓋下團聚體有機碳和全氮的含量要高于沒有外源有機物輸入的地布覆蓋。

果園土壤團聚體有機碳、全氮含量與生草覆蓋的植被種類有很大關系[8-9,33-35]，自然覆蓋更好地提高土壤團聚體有機碳含量，而野豌豆覆蓋更好地提高團聚體全氮含量。這主要是因為自然生草種類豐富，全年多次刈割，還田生物量比野豌豆大；而野豌豆屬豆科，較自然生草種類具有更好的固氮作用。野豌豆覆蓋與自然生草覆蓋的團聚體全氮含量差異不顯著，可能是因為試驗年限比較短，團聚體全氮含量提升不顯著。

4 結 論

(1)自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋、地布覆蓋和清耕在0—10 cm和10—20 cm土層的機械穩定性團聚體均以>5 mm粒徑含量最高，水穩性團聚體以>5 mm和5～2 mm粒徑含量較高。在兩個土層中，不同覆蓋模式與清耕相比，均提高了R0.25。

(2)與清耕相比，不同覆蓋模式不僅提高了0—20 cm土壤機械穩定性團聚體和水穩性團聚體的MWD值和GMD值，還有效降低了PAD值和Elt值，說明不同覆蓋模式均能提高櫻桃園土壤團聚體穩定性。而且自然生草覆蓋的MWD值和GMD值顯著高于野豌豆覆蓋、地布覆蓋和清耕(p<0.05)。

(3)不同覆蓋模式與清耕相比，均可以提高水穩性團聚體有機碳、全氮含量，且有機碳提升效果以自然生草覆蓋處理最好，而全氮提升效果以野豌豆覆蓋處理最好。