中国生态农业学报  2018, Vol. 26 Issue (11): 1692-1700  DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180281
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引用本文 

魏彬萌, 王益权, 李忠徽. 种植苹果树对渭北果园土壤胶结物质分布的影响[J]. 中国生态农业学报, 2018, 26(11): 1692-1700. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180281
WEI B M, WANG Y Q, LI Z H. Effects of planting apple trees on distribution of soil cementing materials in Weibei apple orchards[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(11): 1692-1700. DOI: 10.13930/j.cnki.cjea.180281

基金项目

退化及未利用土地整治工程创新团队项目(2016KCT-23)资助

通讯作者

王益权, 主要从事土壤物理及改良方面的研究。E-mail:442516031@qq.com

作者简介

魏彬萌, 研究方向为土壤物理与改良。E-mail:weibinmeng@126.com

文章历史

收稿日期:2018-03-21
接受日期:2018-06-03
种植苹果树对渭北果园土壤胶结物质分布的影响*
魏彬萌1, 王益权1, 李忠徽2     
1. 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司/陕西省土地工程建设集团有限责任公司/国土资源部退化及未利用土地整治重点实验室 西安 710075;
2. 西北农林科技大学资源环境学院 杨凌 712100
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10 a、20 a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0~100 cm土层土壤样品和0~50 cm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0~100 cm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0~40 cm土层表现为农田 > 10 a果园 > 20 a果园,40 cm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0~100 cm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0~100 cm土层土壤CaCO3总储量表现为10 a果园 > 农田 > 20 a果园,但在0~40 cm土层CaCO3含量及储量表现为10 a果园 > 农田 > 20 a果园,而40~100 cm土层则为20 a果园 > 10 a > 农田。皮尔森相关分析发现 > 0.25 mm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    
Effects of planting apple trees on distribution of soil cementing materials in Weibei apple orchards*
WEI Binmeng1, WANG Yiquan1, LI Zhonghui2     
1. Institute of Land Engineering and Technology, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. /Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd. /Key Laboratory of Degraded and Unused Land Consolidation Engineering, Ministry of Land and Resources, Xi'an 710075, China;
2. College of Resources and Environment, Northwest A & F University, Yangling 712100, China
*This study was supported by the Degraded and Unutilized Land Renovation Engineering Innovation Team Project (2016KCT-23)
** Corresponding author, WANG Yiquan, E-mail:442516031@qq.com
Received Mar. 21, 2018; accepted Jun. 3, 2018
Abstract: The aim of this study was to explore the effects of planting apple trees on soil cementation substances, to determine the relationship between soil aggregate stability and soil cementation substances, to reveal the factors affecting soil aggregate state and to build theoretical basis for the scientific management of apple orchard in Weibei Plateau. Four replicates of 10-year-old and 20-year-old orchards and four farmlands (wheat-corn rotation, CK) were selected for the experiment in Binxian County, Shaanxi Province. Soil samples within two-thirds of the radius of apple tree canopy were collected. Four replicates of undisturbed core samples were taken by driving volumetric rings (100 cm3) into the 0-10 cm, 10-20 cm, 20-30 cm, 30-40 cm and 40-50 cm soil layers to determine soil aggregates. Another four replicates were collected from 10 cm and 20 cm intervals respectively over a depth of 0-60 cm and 60-100 cm in each plot to determine the soil contents of clay, organic matter (SOM) and calcium carbonate (CaCO3) contents. The results showed that soil clay content increased with increasing depth in the 0-100 cm soil layer. The increase was in the order of farmland > 10-year-old orchard > 20-year-old orchard for the 0-40 cm soil layer and reverse order was noted for the 40-100 cm soil layer. Planting apple trees increased SOM content in the 0-100 cm soil layer of the orchard. However, SOM content decreased with increasing planting age of orchard. The content of soil CaCO3 was in the order of 10-year-old orchard > farmland > 20-year-old orchard for the 0-40 cm soil layer, 20-year-old orchard > 10-year-old orchard > farmland for the 40-100 cm soil layer, and 10-year-old orchard > farmland > 20-year-old orchard for the 0-100 cm soil layer. Pearson correlation analysis showed that the quantity and mean weight diameter (MWD) of > 0.25 mm soil aggregates were closely link to soil clay, SOM and CaCO3 contents. Macro aggregates (> 0.25 mm) and MWD of mechanically stable aggregates were mainly affected by CaCO3 and SOM contents. However, the quantity and stability of water stable aggregates were mainly affected by soil clay and CaCO3 contents. Overall, planting apple trees changed the evolution processes of soil clay, SOM and CaCO3. Soil clay and CaCO3 migrated to deep soil with increasing age of orchard. The total storage of SOM in orchard was higher than that in farmland, but decreased with increasing planting age. It was concluded that planting apple trees enhanced soil residual viscosity and calcification, which affected aggregation of surface soil and compaction and hardness of bottom soil.
Keywords: Apple orchard     Planting age     Soil cementing materials     Soil clay     Soil organic matter     CaCO3     Soil aggregate    

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]

黏粒的胶结作用主要体现在它的凝聚作用。黄土高原土壤黏粒中伊利石、蒙脱石、蛭石等2:1型黏土矿物的同晶替代现象普遍, 大部分黏粒都带有负电荷, 矿物胶体性质突出, 单个土粒首先会通过土壤胶体的相互作用凝聚在一起[6]。然而, 这种方式形成的微凝聚体稳定性不高, 容易随着离子种类的改变而分散, 属于一种稳定性相对较差的胶结物质[7]。有机碳是通过基团分子极性静电引力等形成的较为稳定的多级团聚体[8]。大量研究表明, 有机碳决定了土壤水稳性团聚体(> 0.25 mm)的形成, 能够改善土壤水分环境, 增强团聚体的稳定性, 减少土壤流失。另外, 不同形态的有机碳对团聚体稳定性的影响也不尽相同[9]。关连珠等[10]研究发现, 紧结合态有机质对小粒级微团聚体的形成影响较大, 松结合态有机质以及多糖类物质则对较大级别微团聚体的形成作用较明显。CaCO3作为气凝材料, 是黄土中特有的一种重要胶结物质, 其在弱碱性环境下会发生次生碳酸盐化, 从难溶性沉淀物质转化为游离钙离子[11-12], 而钙离子会通过阳离子的键桥作用黏结土壤矿物质颗粒和有机碳, 从而形成稳定性高的土壤团聚体[13-14]。此外, 高质量分数的碳酸盐可以减少有机碳的矿化, 即通过影响有机碳的转化来调控土壤团聚体的形成过程[15]

土壤中的胶结物质会受到土地利用方式、土壤环境变化、耕作、施肥管理措施等多种因素的影响[16]。张义等[17]研究发现长期种植苹果树会使黄土高原沟壑区土壤有机质含量随植果年限的增加而下降。李鹏等[18]以陕西洛川县苹果园为研究对象发现, 长期种植果树会对土壤碳酸钙、水溶性钙、交换性钙有明显的耗竭作用, 钙素递减呈现出明显的时空效应。刘文利等[19]研究发现, 种植苹果树会使果园土壤结构日趋稳定, 抗侵蚀能力逐渐增强。但石宗琳等[20]则发现, 虽然种植果树在表观上可明显提高表层土壤机械稳定性大团聚体数量, 增强土壤抗风蚀能力, 但随植果年限增加, 土壤团聚体的农艺质量及其稳定性则呈下降趋势。孙蕾等[21]研究亦发现, 种植果树对0~30 cm土层土壤结构具有改善作用, 对30 cm以下土层土壤结构则有破坏作用, 而且种植果树年限超过20年会使果园土壤结构性整体变差。

渭北作为我国苹果生产的优生区之一, 自1980年农田大面积更替为果园以来, 植被、施肥、耕作管理以及地面小气候等的变化都会成为该区土壤胶结物质(黏粒、有机质、CaCO3等)及团聚体状况演化的动力[20]。目前有关果园土壤问题的研究多是针对土壤养分递减与不平衡、土壤结构退化等方面[22], 而关于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研究很鲜见。因此, 本研究以渭北相同自然条件下的苹果园土壤为研究对象, 以农田土壤作为对照, 研究不同种植年限果园土壤剖面上黏粒、CaCO3、有机质等重要胶结物质的分布及其与土壤团聚体稳定性之间的关系, 以期揭示影响果园土壤团聚体稳定性的因素, 为制定防止果园土壤质量退化以及促进果园可持续发展的管理措施提供科学依据。

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1 108 m, 年平均气温9.7 ℃, 昼夜平均温差11.7 ℃, 年平均降水量579 mm, 无霜期180 d, 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10 a和20 a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3 m×4 m。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0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm、30~40 cm、40~50 cm、50~60 cm、60~80 cm和80~100 cm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10 cm间距逐层采集0~50 cm土层原状土壤样品约1 kg, 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1 cm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 > 2 mm、1~2 mm、0.5~1 mm、0.25~0.5 mm、< 0.25 mm等[20]

1.3 数据计算与统计分析

该土壤不含直径 > 2 mm的石砾, 故土壤中有机质和CaCO3的储量按式(1)[25]计算:

$ M = \sum\limits_{i = 1}^n {\frac{{{C_i} \times {\rho _{bi}} \times {H_i}}}{{100}}} $ (1)

式中: M为有机质或CaCO3储量(kg·m-2), Cii层土壤有机质或CaCO3含量(g·kg-1), ρbii层土壤容重(g·cm-3), Hii层土层厚度(cm)。

土壤团聚体平均质量直径(MWD)计算方法见公式(2)[20]:

$ {\rm{MWD = }}\sum\nolimits_{i = 1}^n {{X_i} \times {W_i}} $ (2)

式中: Xii级别范围内团聚体的平均直径, Wi为对应于Xi的团聚体百分含量。

试验数据采用Microsoft Excel 2007进行数据的初步整理及绘制相关图形和表格, 采用SPSS 19.0对3个处理间土壤黏粒、有机质、碳酸钙含量进行单因素方差分析(ANOVA), 用LSD法进行差异显著性检验(P < 0.05)。

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0~40 cm属于黄土覆盖层, 40~100 cm属于质地相对黏重的黑垆土层, 呈现出土壤黏粒含量在0~40 cm土层明显低于40 cm以下土层的特征(图 1)。值得关注的是土壤黏粒含量在0~40 cm土层表现为农田 > 10 a果园 > 20 a果园, 40 cm以下土层则呈现相反的态势。另外, 果园土壤黏粒含量在0~40 cm土层随土层深度的增加逐渐递增, 40 cm以下土层则递增明显; 而农田土壤黏粒含量在0~40 cm土层基本保持一致, 40 cm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。

图 1 农田及不同园龄果园不同土层土壤黏粒含量的变化 Figure 1 Soil clay contents in different soil layers of farmland and orchards with different planting ages 10a: 10 a果园; 20a: 20 a果园。 10a: 10 years orchard; 20a: 20 years orchard.
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0~40 cm黄土覆盖层之下有40~60 cm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0~100 cm土层范围内都随土层深度的增加而递减(图 2)。此外, 在0~100 cm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0~50 cm土层土壤有机质含量呈现为10 a果园 > 农田 > 20 a果园, 而50~80 cm土层则为20 a果园 > 农田 > 10 a果园。而且10 a幼龄果园和20 a老龄果园间土壤有机质含量差异极为明显, 而10 a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0~100 cm土层土壤有机质总储量, 10 a、20 a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。

图 2 农田及不同园龄果园不同土层土壤有机质含量的变化 Figure 2 Soil organic matter contents in different soil layers of farmland and orchards with different planting ages 10a: 10 a果园; 20a: 20 a果园。 10a: 10 years orchard; 20a: 20 years orchard.
图 3 农田及不同园龄果园土壤有机质储量的变化 Figure 3 Soil organic matter storages in farmland and orchards with different planting ages 10a: 10 a果园; 20a: 20 a果园。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P < 0.05)。 10a: 10 years orchard; 20a: 20 years orchard. Different lowercase letters mean significant differences at 0.05 level.
2.3 种植果树对土壤剖面CaCO3分布的影响

北方石灰性土壤中CaCO3不仅是决定土壤物理状态的物质基础, 也是维系土壤缓冲性能的物质基础[11]。该土壤40~100 cm的黑垆土层属于古土壤层和CaCO3的淋溶层, 后来受人为开发利用、逐年使用黄土性土粪覆盖及黄土的继续沉积等作用, 在古土壤层上形成了40 cm左右厚度的黄土覆盖层[27], 故现在无论是果园还是农田土壤, 0~40 cm土层处土壤CaCO3含量显著高于40~100 cm土层, 在剖面上亦然呈现着极为显著的该土壤的发生学痕迹(图 4)。值得注意的是, 在0~100 cm土层范围, 两个不同植果年限的果园土壤CaCO3含量差异极为显著, 在0~40 cm土层范围内, 20 a果园土壤CaCO3含量显著低于10 a果园, 而40~100 cm土层则表现出相反的态势, 其空间差异特征表明植果有助于加速土壤CaCO3的淋溶与淀积过程。

图 4 农田及不同园龄果园不同土层土壤CaCO3含量的变化 Figure 4 Soil CaCO3 contents in different layers of farmland and orchards with different planting ages 10a: 10 a果园; 20a: 20 a果园。 10a: 10 years orchard; 20a: 20 years orchard.

果园与农田土壤CaCO3含量也存在明显差异。在0~40 cm土层, 10 a果园土壤CaCO3含量高于农田土壤, 而20 a果园土壤则显著低于农田土壤; 40~100 cm土层, 3个处理间土壤CaCO3含量差别相对较小, 20 a果园土壤CaCO3含量高于农田和10 a果园土壤。总之, 各处理土壤剖面CaCO3分布显示着CaCO3在0~40 cm土层的淋溶强度与40 cm以下土层的淀积强度, 只是0~40 cm土层中CaCO3含量的递减幅度高于40~100 cm土层的递增幅度, 说明果园土壤CaCO3的淋溶深度可能超越了100 cm, 也可能是土壤CaCO3溶解后被果树吸收所消耗。

进一步分析土壤剖面CaCO3储量(表 1)可以看出, 在0~40 cm土层, 20 a果园土壤CaCO3储量比10 a果园显著减少44.92%;而40~100 cm土层, 20 a果园土壤CaCO3储量则比10 a果园增加25.85%(表 1)。两个园龄段果园土壤CaCO3储量的空间分布趋势显示着长期植果明显驱动了土壤剖面CaCO3的淋溶与淀积过程。同样, 在0~100 cm土层范围内, 随植果年限的增加果园土壤CaCO3总储量明显降低, 说明果园土壤CaCO3的淋溶深度可能超过了100 cm, 也可能是因为苹果果实属于高钙产品, 土壤CaCO3溶解后被果树所吸收利用。

表1 农田及不同园龄果园不同土层土壤CaCO3储量变化 Table 1 Soil CaCO3 storages in different soil layers of farmland and orchards with different planting ages

10 a果园土壤CaCO3储量在0~40 cm、40~100 cm土层均显著高于农田土壤, 而20 a果园土壤0~40 cm土层CaCO3储量却显著低于农田土壤, 40~100 cm土层显著高于农田土壤。0~100 cm土层土壤CaCO3总储量10 a果园比农田土壤增加12.30%, 而20 a果园土壤比农田降低9.07%。显然, 植果并没有改变土壤CaCO3正常的地球化学演变过程, 只是在植果后的不同阶段, 对土壤剖面上CaCO3的演化程度有着一定的改变。

2.4 土壤胶结物质变化与土壤团聚体状况的相互关系

不同处理0~40 cm土层中各胶结物质与土壤团聚体稳定性指标间的相关性分析结果见表 2。可以看出, 土壤黏粒含量与 > 0.25 mm机械稳定性团聚体含量(DR0.25)、机械稳定性团聚体的平均重量直径(MWDD)相关性不显著, 但与 > 0.25 mm水稳性团聚体含量(WR0.25)、水稳性团聚体平均重量直径(MWDW)呈显著负相关关系; 土壤CaCO3含量与DR0.25、MWDD、WR0.25和MWDW都呈显著或极显著正相关关系; 土壤有机质与DR0.25、MWDD呈极显著负相关关系, 与WR0.25、MWDW相关性不显著。可见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。

表2 果园土壤不同胶结物质与团聚体稳定性指标间的相关性 Table 2 Correlation between soil binding materials and aggregate stability indexes in apple orchard soils
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0~100 cm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40 cm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40 cm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0~40 cm土层处递减明显、40 cm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。

渭北果园和农田土壤有机质含量的垂直空间分布特征反映了黑垆土的剖面特性。0~40 cm土层受长期施用农家土粪培肥以及耕作栽培管理措施等的综合影响, 土壤有机质含量从上到下依次递减; 40~100 cm为黑垆土的古腐殖质层, 其有机质含量也相对较高。对于果树而言, 根系分泌物是果园土壤根际有机质增加的主要原因, 随着植果年限的递增, 果树根系分布逐渐延伸至黑垆土层, 根系残留物的逐年累计使得20 a果园土壤有机质在50~80 cm处出现了累积峰值, 其土壤有机质含量在0~100 cm土层范围呈“S”型分布态势, 与聂晓燕等[27]研究结果一致。

土壤有机质含量变化依赖于有机物的投入量和土壤中生物矿化分解与累积程度。经过多次实地调查, 渭北地区自实施土地承包30余年里, 无论是农田还是果园土壤培肥均以化学肥料为主, 农家有机肥极少施用, 果园和农田土壤有机物的施入量并无明显差别。一般果园为了防止病虫害发生, 每年都要实施清园, 将落叶全部清除, 再加上农田收获后的作物根系残留量多于果园, 所以果园土壤有机物的实际投入量比农田低。但是试验区果园土壤有机碳含量却高于农田, 其根本原因在于果园土壤扰动远少于农田, 土壤有机物矿化分解率低于农田。随着果树老龄化发展, 根系分泌物递减, 化学肥料逐年使用, 加速了土壤有机物矿化与分解, 故呈现出20 a果园0~40 cm土层有机碳含量和0~100 cm土层有机碳储量均小于10 a果园的趋势。果园土壤表层有机质含量递减, 也是导致土壤自由黏粒增加, 促进淀积黏化发生的原因, 直接影响土壤团聚作用。

北方黄土母质发育的土壤富含CaCO3, 其CaCO3的淋溶与淀积, 即钙化作用是该区土壤的普遍成土过程。CaCO3从难溶态转化为可溶解、可移动状态一方面是受土壤空气中CO2的偏压控制, 转化为易溶性Ca(HCO3)2; 另一方面受土壤酸化作用转化为易溶盐[18]。土壤CaCO3的淋溶与淀积深度则依赖于降水量。就同一生态区的果园而言, 果树根系呼吸和土壤中有机物降解共同释放的CO2是土壤CaCO3移动的主要驱动力, 土壤亚表层以下土层紧实化是土体CO2累积和CaCO3移动的条件。其次, 长年使用无机氮肥、磷肥, 表层土壤酸化也是客观事实, 导致CaCO3溶解为水溶性钙随降雨淋失或被果树吸收利用。由于苹果是需钙量较高的植物, 随着植果年限的增加, 钙的携出量也在持续增加, 土壤CaCO3的递减是必然趋势。农田土壤播种时上下翻动, 能够部分矫正CaCO3的淋溶结果。

本研究得出, 两个园龄段果园在0~40 cm土层内CaCO3含量和储量均随植果年限的增加呈显著减少趋势, 而40~100 cm土层则有增加趋势。与农田相比, 10 a果园土壤0~40 cm、40~100 cm土层均显著高于农田土壤, 而20 a果园土壤0~40 cm土层CaCO3储量却显著低于农田土壤, 40~100 cm土层显著高于农田土壤。造成这种现象的原因是10 a的幼龄果园, 果树根系呼吸强度弱, 施用化肥量少, 对土壤CaCO3的溶解作用差, 再加上果树冠层对降雨的截留作用, 弱化了上层土壤CaCO3的淋溶[25]。但随着植果年限的增加, 虽然也会同样有果树冠层的保护效应, 但其效应难以抵消大量施用化学肥料和果树根区土壤内高CO2偏压对土壤CaCO3溶解与迁移的促进作用[18], 其次, 果树的携出量增加, 导致高龄果园土壤CaCO3含量在上层递减, 下层淀积。

在果园中建议采用科学的管理措施, 通过增施有机肥、钙肥并每年对果园深松1次, 以便减缓黏粒、碳酸钙的深层迁移与聚集, 改善土壤结构, 从而使土壤水、肥、气、热状况得到优化, 进而有利于果树根系的呼吸、延伸以及对养分的吸收, 最终使苹果产量和品质得到提高。

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]

> 0.25 mm团聚体含量、MWD是评价土壤团聚体状况的重要指标[30]。一般情况下认为 > 0.25 mm团聚体含量越高、MWD值越大的土壤团聚体稳定性越强, 土壤结构性越好[31]。本研究分析各处理0~40 cm土层不同胶结物质与土壤团聚体稳定性指标间的相关性发现, 土壤黏粒含量与WR0.25、MWDW呈显著负相关系, 与DR0.25、MWDD相关性不显著, 说明土壤黏粒会影响水稳性团聚体的数量及其稳定性, 而对机械稳定性团聚体影响不显著。李霄云等[32]对陕西交口灌区农田土壤团聚体研究也表明相同地域内土壤质地对土壤团聚体机械稳定性影响较小。

土壤CaCO3含量与DR0.25、MWDD、WR0.25、MWDW都呈显著或极显著正相关关系, 说明CaCO3含量会影响土壤机械稳定性、水稳性团聚体的数量及其稳定性。郭玉文等[33]也研究证实黄土中团粒结构的主要胶结剂是CaCO3, 大约参与了99%的团粒形成, 呈现团粒越大CaCO3含量越多的趋势。

土壤有机质与DR0.25、MWDD呈极显著负相关关系, 与WR0.25、MWDW相关性不显著, 说明渭北果区土壤有机碳影响机械稳定性团聚体数量及其稳定性, 但其含量还不足以明显影响土壤水稳性团聚体的形成, 这与王子龙等[34]的研究结果相悖, 其原因可能是不同形态有机碳对土壤团聚体的影响不尽相同。该区土壤中有机质含量较少, 有机物种类多属于瞬时性和临时性的、甚至是亲水的低分子量的活性有机物, 团聚体浸水就容易分解流失[35]。Bouajila等[36]研究也发现, 在石灰性土壤上, 提高有机质水平对土壤团聚体的稳定性没有显著影响, 而土壤pH和CaCO3增加有利于大团聚体的形成。

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。

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