壽寧設施葡萄園土壤有機碳與其物理性質的相關性分析

范曉暉，劉文婷，謝星，陳慕松，吳壽華

（1. 寧德市農業科學研究所，福建福安 355017；2. 寧德市扶貧開發服務中心，福建寧德 352100）

土壤是陸地生態系統中最大的碳庫，全球約有1.5萬億噸碳以有機形態儲存在土壤中。土壤有機碳庫約是陸地植被碳庫的2～3倍，已成為全球碳循環的重要組成部分[1-3]。土壤是生態系統的重要組成部分，農田土壤有機碳作為土壤肥力和土壤質量評價的重要指標得到廣泛的關注[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的主要因素[7-9]。隨著葡萄產業的發展，葡萄栽培模式也由原來的大田農業生產向避雨栽培模式轉變[10]。設施栽培模式改變了葡萄園溫度、光照、濕度等環境因素，使其形成一個高溫、高濕、高蒸發、無雨淋溶的特殊小氣候環境[11]，導致園內的土壤性質及環境也發生了很大的變化，因而越來越受到研究者的關注。

張永慧等[12]研究表明，設施葡萄與蔬菜間作可增加土壤有機質及其他養分含量，增加土壤酶活性，優化土壤團聚體結構。但關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]對京津冀地區葡萄園土壤肥力水平進行調查分析，結果表明研究區土壤有機質含量均值較低，且天津地區的有機質含量呈逐漸下降趨勢。對廣東東莞地區和黑龍江大慶地區葡萄園土壤養分進行分析均表明，葡萄園的土壤有機質含量較低[14-15]。而針對葡萄園土壤物理性質與有機碳含量關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之間關系密切且相互影響，土壤物理性質通過影響作物根系和土壤微生物的生存環境，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分的供應能力，改變了作物根系生長和分布及土壤結構[16-18]。為此，本研究以福建省壽寧縣千畝高優示范園區為研究對象，選取14個代表性設施葡萄園，測定設施葡萄園土壤剖面的土壤有機碳含量及相關土壤物理性質，旨在揭示設施葡萄園土壤有機碳含量與土壤物理性質的關系，以提高福建省設施葡萄園科學管理水平，并為福建省設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，氣候條件有利于優質葡萄生產。研究區位于壽寧縣鳳陽鎮，與福安市曉陽鎮、周寧縣純池鎮接壤。調查區設施葡萄園常規管理?；剩?1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，畝施復合肥30～40 kg；膨果肥：6月上旬，果實黃豆粒大時，畝施復合肥30～40 kg；轉色肥：7 月中下旬（套袋前10 d），果實進入二次膨大，畝施復合肥20 kg、硫酸鉀25～30 kg。設施葡萄園內保持排水順暢不積水，農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農業示范園區（葡萄）實地調查，選取代表性設施葡萄園，共布設采樣點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、土壤容重采用環刀法測定，土壤機械組成采用比重計法測定[19]。

1.3 數據分析

數據采用Excel 2010整理，通過SPSS 19.0統計軟件進行相關分析和通徑分析。通徑分析參照杜家菊等[20]的方法進行，將相關系數分解為直接通徑系數和間接通徑系數分別計算。

2 結果與分析

2.1 土壤有機碳含量及土壤物理性質統計分析

由表1可知，壽寧設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依次為：0～20 cm＞40～60 cm＞20～40 cm，均屬于中等變異。

表1 壽寧設施葡萄園土壤有機碳含量及土壤物理性質統計分析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的通徑分析

本研究選取的土壤物理性質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性。其中由表2可知，壽寧設施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量與土壤物理性質相關性均不顯著。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絕對值最高（﹣0.745），但與兩者相關系數（﹣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。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，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的影響，使得兩者的相關系數僅為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，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的影響，使得兩者相關系數降低。土壤粉粒對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為負效應，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的影響，最終使得兩者的相關性呈正相關。土壤砂粒對0～20 cm土壤有機碳含量的直接影響為負效應，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的影響，使得兩者相關性強度降低。

表2 壽寧設施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量和土壤物理性質的通徑系數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，土壤物理性質與20～40 cm土壤有機碳含量的相關性強度依次為：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，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。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土壤有機碳含量產生一定的負效應，但由于土壤容重對20～40 cm土壤有機碳含量的間接正效應值較大，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，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也為負效應，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，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的影響，最終使得兩者的相關性呈正相關。

表3 壽寧設施葡萄園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，土壤物理性質與40～60 cm土壤有機碳含量的相關性強度依次為：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。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性為正相關，但對40～60 cm土壤有機碳含量直接影響均為負效應，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的影響，最終使得兩者的相關性呈正相關；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的影響較小，且其他土壤物理性質對40～60 cm土壤有機碳含量間接影響為正效應，但兩者間的相關性強度依然較高；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，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的影響，所以兩者的相關性呈負相關。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，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的影響，從而減弱了兩者的相關性。

表4 壽寧設施葡萄園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之間的回歸模型

由表5可知，設施葡萄園各土層土壤物理性質與土壤有機碳含量之間的多元線性回歸模型的決定系數（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；同時剩余通徑系數則隨之降低，0～20 cm和20～40 cm剩余通徑系數均＞0.5，說明除本研究選取的土壤物理性質外，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＜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設施葡萄園土壤有機碳含量的主要影響因素。

表5 壽寧設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 討論與結論

本研究結果表明，設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、翻耕等人為經營措施的干擾，物質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，設施葡萄園土壤有機碳含量呈垂直遞減的分布規律。按照我國目前沿用的“Van Bemmelen因數”1.724作為有機碳和有機質的轉換系數[23]，本研究區設施葡萄園0～20、20～40、40～60 cm土壤有機質含量分別為33.07、29.95、26.58 g·kg-1，參照我國第二次土壤普查養分分級標準，0～20 cm土壤有機質含量處于較豐富水平、20～40 cm和40～60 cm土壤有機質含量處于中等水平。

設施葡萄園0～20 cm土壤有機碳含量與土壤物理性質相關關系均不顯著，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，其中20～40 cm土壤物理性質的直接通徑系數絕對值依次為：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土壤物理性質的直接通徑系數絕對值依次為：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，可能是設施葡萄園土壤在受到人為擾動的環境下，加之設施避雨栽培模式使得土壤環境狀況受到改變，從而導致其與土壤物理性質之間的直接相關關系減弱。

設施葡萄園各土層土壤有機碳含量與土壤物理性質的多元線性回歸模型擬合結果表明，設施葡萄園各土層土壤物理性質與土壤有機碳含量之間的多元線性回歸模型的決定系數（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＞0.5，說明除了本研究所選取的土壤物理性質外，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＜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。

針對當前設施葡萄園土壤結構差、板結嚴重等普遍性問題，土壤物理性質作為影響土壤有機碳含量的重要因素，應引起大家的重視。在設施葡萄園管理過程中不僅要注重土壤養分的補充，還需要加強對土壤物理結構的改良提升，促進土壤環境健康發展，提高設施葡萄園土壤固碳能力，提升土壤有機碳含量，以保障設施葡萄園土壤的可持續利用。