黃圣杰, 陳俊樸, 陳 濤, 方從剛, 黃成毅,4
(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 雅安 625014; 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,四川 雅安 625014; 3.成都市國(guó)土資源信息中心, 成都 610041; 4.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 成都 611130)
土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單位,是土壤物理、化學(xué)以及生物等多種因素經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜作用下的結(jié)果,其具有協(xié)調(diào)水肥氣熱,提供良好的養(yǎng)分供給環(huán)境的作用[1-2]。團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性狀況是反映土壤結(jié)構(gòu)好壞的重要指標(biāo),但是不同粒徑大小的團(tuán)聚體在營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)轉(zhuǎn)化方面發(fā)揮的作用有所差別[3-4]。其中土壤有機(jī)碳(SOC)和全氮(TN)與土壤團(tuán)聚體的形成密不可分,是影響土壤結(jié)構(gòu)不可忽視的要素[5-6]。一方面,有機(jī)質(zhì)有粘結(jié)力,具備膠結(jié)作用,可以大大增加土壤顆粒的團(tuán)聚潛力,進(jìn)而能夠促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成;另外一方面,土壤團(tuán)聚體也可以給有機(jī)碳、全氮起到一定程度的保護(hù)作用,更有利于有機(jī)碳、全氮在土壤中的穩(wěn)定累積[7]。
土地質(zhì)量的可持續(xù)性,是果園能長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵。覆被是一種能夠改良土壤質(zhì)量,防止果園水土流失的重要管理方式。當(dāng)前已有許多學(xué)者對(duì)果園生草覆蓋的管理方式進(jìn)行了大量的研究。結(jié)果均表明生草覆蓋能夠改善土壤微生態(tài)環(huán)境,一定程度上可以增加土壤中有機(jī)碳及養(yǎng)分含量,在保持果園土壤肥力,修復(fù)果園土壤生態(tài)方面具有明顯作用[8-9]。付學(xué)琴等[10]研究表明,與清耕對(duì)照相比,生草栽培可以顯著提高土壤各粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳和養(yǎng)分含量。閆濤宇[11]研究認(rèn)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(tuán)聚體有機(jī)碳對(duì)土壤總有機(jī)碳的貢獻(xiàn)率。防草布,即園藝地布能有效控制田間雜草生長(zhǎng),并且具有良好的透氣性、透水性,耐拉伸和使用壽命較長(zhǎng)等特點(diǎn)[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(fā),提高土壤含水量、果樹(shù)葉片光合速率及水分利用效率,達(dá)到促進(jìn)增產(chǎn)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(yīng)用已見(jiàn)諸文獻(xiàn)[13],卻鮮見(jiàn)櫻桃園采用防草布的報(bào)道。此外,櫻桃園長(zhǎng)期在傳統(tǒng)起壟清耕模式下造成了土壤養(yǎng)分流失、土壤板結(jié),進(jìn)而引起土地質(zhì)量下降等一系列問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題,則有必要探索櫻桃園新型管理模式。因此,本文以傳統(tǒng)清耕為對(duì)照,研究自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋下櫻桃園團(tuán)聚體分布、穩(wěn)定性和水穩(wěn)性團(tuán)聚體碳氮含量的變化特征,以期為改良櫻桃園土壤質(zhì)量、改進(jìn)櫻桃園管理方式提供一定的依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于四川省新津縣新平鎮(zhèn)萬(wàn)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(fēng)氣候,年均氣溫16.4℃,年均降雨量987 mm,年均無(wú)霜期297 d,多年平均日照1 119.1 h。試驗(yàn)區(qū)土壤屬于平壩沖積性水稻土,土壤容重1.41 g/cm3,pH6.0,有機(jī)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(zhǎng)柔毛野豌豆。覆蓋地布由江蘇無(wú)錫飛洋塑業(yè)提供,為黑色防老化UV和PP材質(zhì),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(guó)櫻桃——“南早紅”。櫻桃園耕作方式采取壟作,單壟長(zhǎng)15 m,寬2.5 m,每壟種植6棵櫻桃樹(shù),樹(shù)齡6 a。
本研究采用定位試驗(yàn),于2018年9月末開(kāi)始,試驗(yàn)共設(shè)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(gè)處理。每個(gè)處理3次重復(fù),每一壟為一小區(qū),共12個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積37.5 m2。清耕處理采用人工耕作結(jié)合化學(xué)除草劑定期清理雜草。自然生草覆蓋處理的雜草生長(zhǎng)到一定高度時(shí)留茬刈割,每年刈割3~4次,刈割后就地全小區(qū)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(qū)表面清理干凈,地布完全覆蓋整個(gè)小區(qū)表面。地布除施肥揭開(kāi)外,全年覆蓋于小區(qū)表面?;蕿槊磕?月末施用,各處理小區(qū)按羊糞2 250 kg/hm2,地補(bǔ)樂(lè)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。
樣品于2020年4月′南早紅′生殖生長(zhǎng)期間采集,應(yīng)用多點(diǎn)取樣法分別采集各試驗(yàn)小區(qū)0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)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(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。取足量的土樣并挑揀出動(dòng)植物殘?bào)w及石礫,將土樣掰成指甲蓋大小,于陰涼避光處自然風(fēng)干后待測(cè)。
機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚分布體根據(jù)沙維諾夫法測(cè)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(fēng)干土樣過(guò)10 mm不銹鋼篩后稱取200.00 g,放于篩組最上層。手動(dòng)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(jì)算不同粒徑機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的含量。
水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布根據(jù)約德?tīng)柗y(cè)定。將干篩好的各個(gè)粒級(jí)團(tuán)聚體按比例稱重配置成50 g后,放于團(tuán)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(shí)調(diào)整水面高度,使篩組移到最高點(diǎn)時(shí)最上層團(tuán)聚體淹沒(méi)在水面下。振蕩時(shí)間30 min,上下振幅4 cm,頻率30次/min。結(jié)束后將篩組團(tuán)聚體小心洗入燒杯中,于烘箱60℃烘干后分別稱重,計(jì)算不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量。再將烘干稱重后的團(tuán)聚體磨碎,過(guò)0.25 mm不銹鋼篩待測(cè)。不同粒徑團(tuán)聚體有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定,不同粒徑團(tuán)聚體全氮采用凱氏定氮法測(cè)定[16]。
分析內(nèi)容包括不同粒徑團(tuán)聚體含量,團(tuán)聚體穩(wěn)定性,水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮,具體公式如下:
團(tuán)聚體含量=Mi/MT×100%
(1)
式中:Mi表示各粒徑團(tuán)聚體質(zhì)量;MT表示團(tuán)聚體總重。
團(tuán)聚體穩(wěn)定性的評(píng)估指標(biāo)采用大團(tuán)聚體含量(R0.25)、平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體破壞率(PAD)和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(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(jī)械穩(wěn)定性大團(tuán)聚體含量;WR0.25表示水穩(wěn)性大團(tuán)聚體含量。
Elt=(WT-Wr>0.25)/WT×100%
(6)
式中:WT表示濕篩團(tuán)聚體總重;Wr>0.25表示濕篩>0.25 mm團(tuán)聚體質(zhì)量。
采用WPS處理數(shù)據(jù)并制圖,采用SPSS 21.0進(jìn)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)。
由機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)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(tuán)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(xiàn)出顯著性差異(p<0.05)。5~2 mm粒徑團(tuán)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25規(guī)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(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布(表2)可知,0—10 cm和10—20 cm土層各個(gè)處理也均以>5 mm和5~2 mm粒徑團(tuán)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(gè)處理之間>5 mm粒徑團(tuán)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(tuán)聚體含量以GCM最高。0—10 cm和10—20 cm土層水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25規(guī)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)。
由表1可知,機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)在0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體幾何平均直徑(GMD)規(guī)律與MWD規(guī)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體粒徑分布
由表2可知,水穩(wěn)性團(tuán)聚體MWD值在0—10 cm和10—20 cm兩個(gè)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(wěn)性團(tuán)聚體GMD呈現(xiàn)的規(guī)律與MWD規(guī)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(wěn)性團(tuán)聚體粒徑分布
不同覆蓋模式下,團(tuán)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(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(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(tuán)聚體破壞率和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)
由圖2可知,0—10 cm土層不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)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(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳都要高于CK。10—20 cm土層各粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本規(guī)律為NGC>VC>GCM>CK,且NGC,VC和GCM水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量基本都顯著高于CK(p<0.05)。綜上可見(jiàn),自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋均可以提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)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(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳含量
由圖3可知,0—10 cm土層不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量基本規(guī)律為VC>NGC>GCM>CK,且除0.5~0.25 mm粒徑團(tuán)聚體外,VC處理的其余粒徑團(tuán)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(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量規(guī)律基本一致。綜上可見(jiàn),自然生草覆蓋、野豌豆覆蓋和地布覆蓋均可以提高水穩(wěn)性團(tuán)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(wú)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(wěn)性團(tuán)聚體全氮含量
土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本組成單元,其分布和穩(wěn)定性是表征土壤結(jié)構(gòu)狀況的重要指標(biāo),是影響果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素。大量研究表明,生草覆蓋對(duì)果園土壤團(tuán)聚體的分布和穩(wěn)定性具有正面效應(yīng)[20]。王明亮等[21]研究發(fā)現(xiàn)不同作物覆蓋模式均有利于5~2 mm粒徑的機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的形成;郝淑英等[22]研究結(jié)果顯示蘋果園生草兩年后,>1 mm團(tuán)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(gè)土層,3種覆蓋模式都不僅顯著提升了>5 mm團(tuán)聚體的含量,還提高了櫻桃園大團(tuán)聚體含量。主要是自然生草和野豌豆產(chǎn)生了大量的根系和菌絲,其纏繞、膠結(jié)作用能夠促進(jìn)土壤中大團(tuán)聚體(>250 μm)的形成[23]。而地布覆蓋能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)的含量,進(jìn)而間接提高了大團(tuán)聚體的數(shù)量和增強(qiáng)了團(tuán)聚體穩(wěn)定性[24]。但是機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體R0.25在0—10 cm和10—20 cm土層規(guī)律和水穩(wěn)性團(tuán)聚體不太一樣,這主要是因?yàn)闄C(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體反映的是土壤非水穩(wěn)性和水穩(wěn)性的總體狀況,而水穩(wěn)性團(tuán)聚體只反映土壤的水穩(wěn)定性特征,導(dǎo)致二者的結(jié)果不太一致[25]。
平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)、團(tuán)聚體破壞率(PAD)和不穩(wěn)定團(tuán)粒指數(shù)(Elt)都是反映土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的常用指標(biāo)。MWD值和GMD值越大或PAD和Elt越小均表示團(tuán)聚體各個(gè)粒徑團(tuán)聚度越強(qiáng),穩(wěn)定性越高。王義祥等[26]發(fā)現(xiàn)生草栽培處理的0—20 cm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體R0.25,MWD值和GMD值比順坡清耕和梯臺(tái)清耕均有明顯的提高。不但覆蓋作物能提高水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[27],而且在中度施氮條件下,覆膜處理也能很好地提高M(jìn)WD值和GMD值[24]。付學(xué)琴等[28]發(fā)現(xiàn)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(shí)也降低了PAD值,與本試驗(yàn)結(jié)果一致。而0—10 cm土層清耕處理團(tuán)聚體破壞率低于野豌豆覆蓋和地布覆蓋,可能是因?yàn)榍甯麜?huì)破壞土壤表層的團(tuán)粒結(jié)構(gòu),使得機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體的大團(tuán)聚體含量降低,進(jìn)而導(dǎo)致了團(tuán)聚體破壞率降低。
各項(xiàng)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(jī)質(zhì)含量,提高團(tuán)聚體有機(jī)碳氮含量。付學(xué)琴[10]研究認(rèn)為′南豐蜜橘′園行間播種白三葉草、黑麥草比清耕對(duì)照不僅顯著提高了土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,還顯著提高了團(tuán)聚體全氮、全磷、全鉀、硝態(tài)氮、速效磷等養(yǎng)分指標(biāo)。張帆等[31]研究發(fā)現(xiàn),果園壟膜覆蓋比清耕能有效地提高0—30 cm土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分。以上研究結(jié)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(duì)照均能提高團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量的結(jié)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(jī)碳和全氮的積累提供了相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境。而自然生草覆蓋和野豌豆覆蓋下團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮均要高于地布覆蓋,這與張少宏[32]的研究結(jié)果相似。產(chǎn)生這樣結(jié)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(jī)物的輸入,為土壤有機(jī)碳和全氮的積累提供了重要來(lái)源。因此,自然生草覆蓋和野豌豆覆蓋下團(tuán)聚體有機(jī)碳和全氮的含量要高于沒(méi)有外源有機(jī)物輸入的地布覆蓋。
果園土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量與生草覆蓋的植被種類有很大關(guān)系[8-9,33-35],自然覆蓋更好地提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳含量,而野豌豆覆蓋更好地提高團(tuán)聚體全氮含量。這主要是因?yàn)樽匀簧莘N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(tuán)聚體全氮含量差異不顯著,可能是因?yàn)樵囼?yàn)?zāi)晗薇容^短,團(tuán)聚體全氮含量提升不顯著。
(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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體均以>5 mm粒徑含量最高,水穩(wěn)性團(tuán)聚體以>5 mm和5~2 mm粒徑含量較高。在兩個(gè)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(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD值和GMD值,還有效降低了PAD值和Elt值,說(shuō)明不同覆蓋模式均能提高櫻桃園土壤團(tuán)聚體穩(wěn)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(wěn)性團(tuán)聚體有機(jī)碳、全氮含量,且有機(jī)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。