陳 旸， 謝修鴻， 杜鑫宇， 徐同良， 梁運江

(1.延邊大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林延吉 133002； 2.長春大學(xué)園林學(xué)院，吉林長春 130022

蘋果梨于1921年從朝鮮引入我國，該品種果形扁圓，果皮有點狀紅暈，酷似蘋果，故稱為蘋果梨。果園土壤是果園生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分之一，是果樹賴以生存的重要條件。果園土壤作為經(jīng)濟(jì)林地，土壤質(zhì)量直接影響著果實產(chǎn)量[1]。人為的翻耕施肥、踩踏、自然降雨等活動，使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因而果園土壤受到了大量土壤研究者的關(guān)注。土壤團(tuán)聚體是土壤中大小、粗細(xì)、形狀不同的土粒在各種力的作用下形成的，它是土壤的重要組成部分，影響著土壤侵蝕、持水、板結(jié)等物理性質(zhì)[2]，還對土壤有機(jī)碳的儲備能力及植物的生長有深遠(yuǎn)的影響[3]。國內(nèi)外近幾年的研究表明，土壤團(tuán)聚體是評價土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[4-5]，土地的管理措施、利用方式與土壤的結(jié)構(gòu)性能有著密切的聯(lián)系。人為耕作、施肥等活動使土壤的屬性、生物活性以及生活環(huán)境發(fā)生改變，這對團(tuán)聚體的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的變化會導(dǎo)致土壤水分運輸與保留、水土流失、土壤結(jié)殼、養(yǎng)分循環(huán)和糧食生產(chǎn)等受到重大影響[6]。對團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究通常用平均質(zhì)量直徑、幾何平均直徑、分形維數(shù)作為評價指標(biāo)。分形理論(Fractal theory)是對于自然界中復(fù)雜、不規(guī)則事物進(jìn)行描述的重要工具[7]。土壤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部存在微觀差異，由于土壤是具有局部和整體相似性的結(jié)構(gòu)，因此可以采用分形幾何學(xué)的理論與方法對其進(jìn)行研究。本研究通過運用干篩法及分形理論對延邊地區(qū)蘋果梨園土壤團(tuán)聚體不同粒級在不同年限、不同層次的分布與變化進(jìn)行探討，有助于彌補(bǔ)對我國北方果園土壤物理性質(zhì)研究的不足，并為土壤的合理利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域概況

延邊地區(qū)處于北半球中溫帶，屬于中溫帶濕潤季風(fēng)氣候，受亞洲大陸和太平洋高低氣壓季節(jié)變化的影響，形成了典型暗棕壤(冷涼淋溶土)。山地環(huán)繞以及東臨日本海，使其有冬暖夏涼的氣候特點。氣候和地理位置的特殊性，為蘋果梨提供了有利的生長環(huán)境。龍井市位于延邊州東南部，是延邊州下轄的一個縣級市。采樣點位于龍井市延邊華龍果樹農(nóng)場蘋果梨園(41°59′N～44°30′N，127°27′E～131°18′E)。平均降水量為400～650 mm，海拔高度280 m左右。

1.2 土壤樣品的采集與分析

于2015年5月，在栽植年限為11、25、40、50、60年的蘋果梨園，按五點取樣法選取代表性果樹5株，避開施肥點，距離樹干1 m處設(shè)置采樣點，挖取0～20、20～40、40～60 cm土層的原狀土，分別放入塑料盒內(nèi)。

根據(jù)沙維諾夫法將土塊延其自然結(jié)構(gòu)裂隙掰成10～12 cm 直徑的小塊，風(fēng)干后采用干篩法對團(tuán)聚體進(jìn)行測定[8]。將取回的土樣平鋪于通風(fēng)處，取風(fēng)干土樣1.5 kg左右，每次取100～200 g左右裝入一套直徑為20 cm，孔徑依次為10.00、7.00、5.00、3.00、2.00、1.00、0.50、0.25 mm的篩組(上方有蓋，下方有底)。篩完后分成>10.00、7.00～10.00、5.00～7.00、3.00～5.00、2.00～3.00、1.00～2.00、0.50～1.00、0.25～0.50、<0.25 mm的粒級，測定每個粒級的風(fēng)干土樣的質(zhì)量，并計算出各級干篩團(tuán)聚體的百分含量。

1.3 土壤團(tuán)聚體的評價方法

1.3.1 分形維數(shù)D團(tuán)聚體分形維數(shù)D的計算使用吳艷軍等推導(dǎo)的公式[9]：

式中：wi為各級團(tuán)聚體質(zhì)量百分比，xi為各級團(tuán)聚體直徑(mm)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 11.5軟件和Excel軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 栽植年限與層次對蘋果梨園土壤團(tuán)聚體分布的影響

土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性是評價其質(zhì)量高低的重要指標(biāo)，其中具有抵抗外力影響的團(tuán)聚體被稱為機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體。通過干篩法可測得各粒級團(tuán)聚體的含量，可評價團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性。從環(huán)境學(xué)的角度來看，表層土壤中>10.00 mm的團(tuán)聚體具有抗風(fēng)蝕的重要作用。表1、表2、表3為果園土壤在不同栽植年限中、不同層次土壤通過干篩法測得的團(tuán)聚體分布?？梢钥闯觯?10.00 mm的團(tuán)聚體以栽植年限為50年土壤最大，在不同層次中所占含量均大于22%，在40～60 cm層次中達(dá)到了38.0%，與其他年限土壤差異顯著，說明此年限土壤團(tuán)聚體的機(jī)械穩(wěn)定性最好。在<10 mm的粒級中，3.00～5.00 mm的粒級在20 cm以下的土層中均為第一優(yōu)勢組分，在栽植11年、25年和60年里的含量在21%～28%之間。0.5～1.0 mm的粒級在上部0～20 cm的土層中為第一優(yōu)勢組分，在栽植11年、25年和60年里的含量在20%～27%之間。由于栽植50年的果園土壤在各層次中大于10 mm的粒級含量最高，導(dǎo)致20 cm以下土層中3.00～5.00 mm粒級及0～20 cm中0.50～1.00 mm 的粒級含量較其他栽植年限的含量少。在11～40年之間0～20、20～40、40～60 cm等3個層次中>10.00 mm的團(tuán)聚體變化均呈現(xiàn)先減小后增加的變化趨勢，且在栽植年限為25年時達(dá)到最小值。0.25～10.00 mm 團(tuán)聚體是土壤在生物、化學(xué)、物理綜合作用后的結(jié)果。<0.25 mm的團(tuán)聚體稱為微團(tuán)聚體，其含量在不同層次中均最小，也隨著栽植年限的增加，含量不斷減少。說明果樹的栽植導(dǎo)致土壤中 <0.25 mm 微團(tuán)聚體的含量逐年降低，也使得>0.25 mm團(tuán)聚體含量逐年增加，使果園土壤的穩(wěn)定性隨著果樹栽植年限的增加而得到日益改善。

2.2 栽植年限對果園團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑的影響

平均質(zhì)量直徑(MWD)和幾何平均直徑(GMD)是判斷土壤團(tuán)聚體大小分布狀況的常用指標(biāo)，影響著土壤團(tuán)聚度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及土壤抗蝕性。由圖1、圖2可以看出，平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑變化趨勢隨著栽植年限的增加呈倒“N”形變化，在栽植25年時達(dá)到最小值，在栽植50年達(dá)到最大值。在栽植25～60年中，平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑的變化均隨著土層深度的增加而增大。說明根系生長旺盛的土層對土壤的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗侵蝕能力有促進(jìn)作用。栽植年限的增加使土壤結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抗侵蝕能力提高。在栽植50年和60年的果園土壤中，隨著土壤層次的增加，平均質(zhì)量直徑依次遞增17%，幾何平均直徑依次遞增13%。這是因為果樹已經(jīng)進(jìn)入老年狀態(tài)，果實產(chǎn)量降低，使人們減少對該年限果園的耕作，土壤結(jié)構(gòu)變化趨于穩(wěn)定。

表1 不同栽植年限0～20 cm土層果園團(tuán)聚體組成百分含量

注：表中數(shù)據(jù)為“平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差”。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示經(jīng)Duncan’s新復(fù)極差法檢驗在α=0.05水平差異顯著。下表同。

表2 不同栽植年限20～40 cm土層果園團(tuán)聚體組成百分含量

表3 不同栽植年限40～60 cm土層果園團(tuán)聚體組成百分含量

2.3 栽植年限對果園團(tuán)聚體分形維數(shù)D的影響

土壤團(tuán)聚體的形成與變化過程是由多重因素相互作用的結(jié)果，許多研究表明土壤團(tuán)聚體具有分形特征，可以利用分形維來描述其分布狀態(tài)[11]。不同栽植年限中土壤顆粒分布的分形維數(shù)在不同深度的土壤剖面變化規(guī)律見圖3。從圖中可以看出，0～20、20～40 cm的分形維數(shù)隨著栽植年限的增長呈倒“V”形變化，40～60 cm的分形維數(shù)呈“N”形變化。在 0～20、40～60 cm土層，栽植年限為25時分形維數(shù)最大，20～40 cm土層則是栽植年限為40時分形維數(shù)最大。各層次的分形維數(shù)均在栽植11年的果園土壤達(dá)到最小值，40～60 cm 土層的分形維數(shù)最小，為1.85，這是由于果樹處于開墾初期，人為的翻耕土壤、施肥等活動對該年限土壤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。同一栽植年限土壤團(tuán)聚體的分形維數(shù)隨深度增加逐漸減小，說明果樹的栽植對團(tuán)聚體的影響隨著深度增加而增加。這與劉陽等研究結(jié)果[12]基本一致。但王賢等研究重慶四面山幾種林地土壤顆粒分形特征時發(fā)現(xiàn)土壤顆粒分布分形維數(shù)的變化隨著土層深度增加而呈增大的趨勢[13]，本研究結(jié)論與之相反。這可能與植物的種植、土壤的翻耕作用有關(guān)。延邊地區(qū)位于溫帶地區(qū)，具有獨特的低溫近似海洋性大陸季風(fēng)氣候，土壤礦物風(fēng)化程度較小。而重慶地區(qū)位于亞熱帶，氣溫較高，降水量大，巖石風(fēng)化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致下層土壤黏粒含量高，使顆粒分布分形維數(shù)增大。

3 結(jié)論

果園土壤在栽植25～60年中，隨著栽植年限的增長， <0.25 mm 的團(tuán)聚體含量呈降低趨勢，0.25～10.00 mm的團(tuán)聚體含量呈增加趨勢。栽植50年的果園中>10.00 mm的團(tuán)聚體含量最大。在栽植25～50年中，平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑隨年限增長也逐年加大，50年和60年的果園土壤隨著土壤層次增加平均質(zhì)量直徑依次遞增17%，幾何平均直徑依次遞增13%。分形維數(shù)D隨著年限的增長而平穩(wěn)下降。

隨著土壤深度的增加，果園土壤<0.25 mm的團(tuán)聚體含量不斷減少，平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑呈上升趨勢。3.00～5.00 mm的團(tuán)聚體在20 cm以下的土層中為第一優(yōu)勢組分，含量在21%～28%之間；0.50～1.00 mm的團(tuán)聚體在上部0～20 cm的土層中為第一優(yōu)勢組分，含量在20%～27%之間。分形維數(shù)D隨著土壤深度增加而降低。

開墾初期11年果園的分形維數(shù)小于其他栽植年限，最小值為1.85。50年和60年果園進(jìn)入老年狀態(tài)，土壤結(jié)構(gòu)變化趨于穩(wěn)定。