不同园龄果园土壤腐殖质组分数量及其元素组成特征1)

刘文利 吴景贵 赵新宇 吕 岩

(吉林农业大学,长春,130118) (吉林省土壤肥料总站)

不同园龄果园土壤腐殖质组分数量及其元素组成特征1)

刘文利 吴景贵 赵新宇 吕 岩

(吉林农业大学,长春,130118) (吉林省土壤肥料总站)

以长期冻融条件下的典型中国北方果园土壤为研究对象，分析了不同园龄果园土壤腐殖质的结合态组分数量及其元素组成。结果表明：重组有机碳、松结态、稳结态腐殖质质量分数均逐年增加；紧结态腐殖质质量分数逐年减小。土壤重组有机碳、松结态腐殖质质量分数60 a间分别增加了11.59%、95.15%；果园土壤松/紧比逐年增大，种植60 a年均增长2.09%。近果园荒地土壤腐殖质以紧结态为主，占49.63%，种植60 a时果园土壤腐殖质结合形态以松结态和紧结态为主，分别为41.43%、38.50%；种植果树后，松结态、稳结态比例逐年上升，而紧结态比例逐年下降，松结态腐殖质相对质量分数上升了17.74%，紧结态腐殖质相对质量分数下降了11.13%。果园土壤松结态、稳结态胡敏酸(HA)、富里酸(FA)质量分数及其w(胡敏酸)/w(富里酸)均随种植年限逐年上升。种植果树60 a后，土壤松结态HA、FA质量分数分别增加了131.76%、66.67%。FA、HA中N、C质量分数逐年上升，H、O质量分数则呈下降趋势；FA、HA中N与C原子数量比均逐年上升且大于近果园荒地；H与C、O与C原子数量比均逐年下降且小于近果园荒地；HA中H与O原子数量比果园土壤均大于近果园荒地。果园土壤稳结态腐殖质HA中的N、C和H元素质量分数均大于FA；HA中O元素质量分数小于FA中O元素质量分数。FA、HA中N与C、H与O原子数量比均大于近果园荒地土壤，H与C、O与C原子数量比均小于近果园荒地。

果园土壤；结合态腐殖质；种植年限；元素组成

腐殖物质是土壤有机质的主要组成部分，属土壤中特殊的有机质，大约占土壤有机质的65%[1]。土壤腐殖质与无机矿物结合而形成的有机无机复合体是构成土壤肥力的物质基础。土壤中的腐殖质除少部分以游离态存在外，大部分与土壤矿质颗粒结合在一起形成有机无机复合体[2]，其结合形态可分为3种，即松结合态、稳结合态和紧结合态腐殖质[3]，3种结合态腐殖质的质与量组成与变化和土壤肥力关系密切，结合方式及松紧度不同对土壤肥力有着很大的影响[4]。

果园土壤作为整个土壤体系的组成部分，与种植粮食作物的土壤在基本性质是虽有共同之处，但其属于多年生植物，每年有大量的枯枝落叶归还于土壤，使得土壤有机质连年积累。有机质是土壤团聚体的重要组分，在土壤团聚体的形成中有重要作用[5]。国内外关于土壤腐殖质的研究报道很多，但关于果园土壤腐殖质结合形态方面的研究报道很少[6]。本研究针对长期冻融条件下的延边地区不同园龄果园土壤腐殖质结合形态组分数量及其元素组成进行了研究，旨在为提高果园土壤肥力，培肥土壤，稳定土壤结构，提高果园土壤生产力提供理论依据。

1 研究区概况

吉林省东部土壤为暗棕壤，延边朝鲜族自治区属中温带半湿润气候区，年平均气温5.8 ℃，全年无霜期为122～132 d，年平均降水量583 mm，平均日照2 294 h，结冰日达175 d左右。研究地点位于龙井市延边华龙果树农场苹果梨园，果园面积1 200 ha，属丘陵坡地15°～20°向阳坡。园地棕壤，通气性一般；果园行间清耕，无灌水设施，管理条件较好，砧木为山梨。果园施肥以尿素、磷酸二铵、硫酸钾为主，按肥料养分m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=1∶0.7∶0.5、春、季两季施肥，春季与秋季肥料质量比为1∶3，施肥量2 t/hm2。

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与分析

供试样品采于2012年5月。在同一母质发育、地形一致的暗棕壤果园内，按蛇形采样法随机选取栽培20、40、60 a的苹果梨树各5株，避开施肥点，距树干1 m，按对角线方向设置采样点，挖取果树根系集中分布的20～60 cm土层的土壤样品，按四分法混合成一个样品；另挖取近果园荒地土样，作为对照。带回实验室风干、磨细、备用。

2.2 腐殖质各组分的提取和纯化

各种结合形态腐殖质提取测定采用傅积平改进法[3]：采用密度为2.0的重液，将游离态有机质(轻组)和有机无机复合体(重组)分离，用0.1 mol/L NaOH反复处理重组土样，直至提取液无色或接近无色，提取部分为松结合态腐殖质；接着按同样方法用0.1 mol/L NaOH和0.1 mol/L Na4P2O7混合液提取稳结合态腐殖质；残渣中为紧结合态腐殖质(HM)。将上述松结态腐殖质提取液和稳结态腐殖质提取液用0.5 mol/L H2SO4调节pH值为1.0～1.5，使胡敏酸(HA)沉降，在60 ℃下使胡敏酸聚焦1 h，过夜后离心，溶液即为粗FA，沉淀即为粗HA；取一定量溶液(富里酸(FA))及热稀碱溶解后的沉淀(HA)分别置于三角瓶中水浴蒸干，提取残渣烘干称质量后，用外加热法测定FA、HA及HM质量分数，腐殖质组分均以有机碳量表征。粗HA、粗FA进一步提取纯化步骤见文献[7]。

2.3 数据处理

元素组成分析采用德国产VARIO ELⅢ型元素分析仪进行测定，应用CHN模式，O质量分数用差减法计算，并用差热分析的灰分和含水量数据对元素分析数据进行校正。

数据经Excel 2003整理后，采用SPSS 11.5软件包的相应程序进行相关分析，多重比较采用Duncan新复极差5%水平差异显著性分析。

3 结果与分析

3.1 不同园龄果园的土壤重组有机碳及各结合态腐殖质组分数量变化

土壤腐殖质的组成和性质反映了土壤形成条件及形成过程的特点，不同类型土壤的腐殖质组成及性质各不相同。由表1可以看出，不同园龄果园土壤重组有机碳及各种结合态腐殖质质量分数均高于近果园荒地土壤，且均与之呈显著差异。随园龄的增长，重组有机碳、松结态、稳结态腐殖质质量分数逐年增大；紧结态腐殖质质量分数逐年减小。与近果园荒地相比土壤重组有机碳、松结态腐殖质质量分数60 a间分别增加了11.59%、95.15%，年均分别增长0.19%、1.59%。高龄果园土壤稳结态、紧结态腐殖质均低于未开垦的近果园荒地土壤并与之呈显著差异。

表1 不同园龄果园土壤腐殖质组分数量及分布

注：同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

不同园龄果园土壤松/紧比逐年增大，每20 a的增加幅度依次为51.06%、10.01%、35.65%，种植60 a年均增长2.09%。从各结合形态腐殖质占重组有机碳比例上看，近果园荒地土壤腐殖质以紧结态为主，占49.63%，松结态与稳结态分别占23.69%、26.67%。随果树种植年限的延长，松结态、稳结态比例逐年上升，而紧结态腐殖质逐年下降。种植60 a时果园土壤腐殖质结合形态以松结态和紧结态为主，分别为41.43%、38.50%；与近果园荒地相比，松结态腐殖质相对质量分数上升了17.74%，紧结态腐殖质相对质量分数下降了11.13%。

3.2 不同园龄果园土壤结合态腐殖质FA、HA质量分数分布及w(胡敏酸)/w(富里酸)

由表2可知，果园土壤松结态HA、FA质量分数及w(胡敏酸)/w(富里酸)均随种植年限逐年增加且各种植年限间差异显著。种植果树60 a时，土壤松结态HA、FA质量分数较近果园荒地分别增加了131.76%，66.67%。各种植年限松结态HA质量分数均小于FA质量分数，w(胡敏酸)/w(富里酸)<1，松结态腐殖质中FA占优势。

果园土壤稳结态HA、FA质量分数及w(胡敏酸)/w(富里酸)随种植年限的变化与松结态一致。各年限稳结态HA质量分数均大于FA质量分数，w(胡敏酸)/w(富里酸)>1且逐年增大，HA占优势。各种植年限间的稳结态FA质量分数差异不显著，且均小于近果园荒地土壤并与之差异达显著水平。重组有机碳中的w(胡敏酸)/w(富里酸)逐年增加且均小于近果园荒地土壤并与之差异显著。

表2 不同园龄果园土壤结合态腐殖质FA、HA质量分数分布及土壤松/紧比

注：同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

近果园荒地土壤重组有机碳土壤松/紧比、松结态w(胡敏酸)/w(富里酸)比均小于果园土壤并与之差异显著，说明近果园荒地土壤腐殖质稳定性好、腐殖化程度高、品质差、活性低，其HA质量分数高，分子量增大，分子结构复杂[8]。

3.3 不同园龄果园土壤松结态腐殖质FA、HA元素组成

不同园龄果园土壤松结态腐殖质FA、HA元素组成列于表3。可以看出，松结态FA、HA中N、C质量分数均随种植年限延长呈上升趋势；而H、O质量分数则呈下降趋势。N、C、H、O质量分数均与近果园荒地差异显著。种植60 a时，FA中N、C质量分数较近果园荒地分别上升了173.93%，8.99%；H、O质量分数分别下降了19.34%，8.78%；HA中N、C质量分数较近果园荒地分别上升了91.34%，40.39%；H、O质量分数分别下降了20.86%，34.77%。同一年份的松结态HA的N，C和H元素质量分数均大于FA中元素质量分数，而O元素质量分数较FA低，说明了HA的腐殖化程度高。

FA、HA中N与C原子数量比均逐年上升且大于近果园荒地。H与C、O与C原子数量比均逐年下降且小于近果园荒地。FA中H与O原子数量比至60 a时下降至1.03，前40年与近果园荒地接近；HA中H与O原子数量比中果园土壤均大于近果园荒地。

表3 不同园龄果园土壤松结态FA、HA元素组成

注：同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

3.4 不同园龄果园土壤稳结态腐殖质FA、HA元素组成

表4为不同园龄果园土壤稳结态腐殖质FA、HA元素组成。可知，稳结态FA、HA中N、C、H、O质量分数变化与松结态FA、HA一致，且均与近果园荒地果园呈显著差异。种植60 a时，FA中N、C质量分数较近果园荒地分别上升了130.85%，11.99%；H、O质量分数分别下降了16.09%，19.21%；HA中N、C质量分数较近果园荒地分别上升了86.09%，34.74%；H、O质量分数分别下降了21.50%，37.96%。稳结态的N、C和H元素的质量分数，HA>FA；O元素质量分数HA

注：同列不同字母表示差异达显著水平(P<0.05)。

果园土壤中FA、HA中N与C原子数量比均大于近果园荒地土壤且逐年上升；H与C、O与C原子数量比均小于近果园荒地且逐年下降；H与O原子数量比均大于近果园荒地。

4 讨论

土壤腐殖质结合形态对土壤性质有重要的影响，松结合态碳对土壤有效养分的供应起着重要作用，而紧结合态碳在全量养分的保贮及稳定结构方面起着重要作用。土壤的肥力水平主要受松结态腐殖质比例的影响。果园土壤随种植年限延长松结态腐殖质相对质量分数上升，紧结态腐殖质相对质量分数下降，说明果园土壤松结态腐殖质的不断积累，增加了其在重组有机碳中的比例，土壤新老腐殖质转化活跃，不仅腐殖质总量增加，且使土壤腐殖质得到活化和更新，提高了果园土壤肥力水平。而近果园荒地土壤松结态在腐殖质中的比例较低，说明土壤腐殖质趋于老化，转化能力降低，对养分的调控能力减弱，土壤肥力水平不高。

一般认为松结态腐殖质主要影响到土壤养分的释放，紧结态腐殖质对于土壤结构以及碳的固定有重要影响。松/紧比值高，则土壤的腐殖化度高，对形成良好土壤结构的能力增强，土壤肥力提高，反之亦然[9]。果园土壤松紧比的逐年增加说明果树的种植增加了土壤中松结态腐殖质数量和比例，松结合态腐殖质主要是新鲜的腐殖质，它的活性大，因此土壤腐殖质的松/紧值高的土壤，肥力较高[10-12]。

自然土壤经开垦后，每年有大量的落叶、落果归还于土壤中分解转化，给土壤带来了大量的碳源，果园大量的落叶、落果腐解补充了有机质的消耗，也促进了与粘粒相复合的土壤重组有机碳的增加，使土壤中重组有机碳及稳结态、紧结态腐殖质质量分数保持平衡。果园土壤较近果园荒地相比有机质矿质化快，转化成速效性养分的速率大，质量分数高，土壤肥力较好，给果树的生长提供了良好的营养条件[6]。

HA、FA是土壤腐殖质在操作意义上的主要组成成分，胡富比(HA/FA)也常常作为衡量土壤腐殖质聚合程度的指标，w(胡敏酸)/w(富里酸)值大表明腐殖质聚合程度较高，相反则表明土壤具有较低的聚合程度。胡富比一定程度上是衡量土壤中腐殖酸活性的一个重要指标[13]。种植果树年限的延长，土壤松结态HA、FA质量分数逐年增加，w(胡敏酸)/w(富里酸)比逐年增大且松结态HA质量分数小于FA质量分数，说明松结态HA比例及腐殖化程度的逐年提高，促进了富里酸进一步缩合转化为芳香化程度高、结构复杂的胡敏酸，增加了土壤腐殖质的聚合程度与腐殖化度[14]。

各种植年限间的稳结态FA质量分数差异不显著，且小于近果园荒地土壤。果树根系对松结态腐殖质中养分的大量吸收减少了松结态腐殖质向稳结态腐殖质的转化[6]；同时稳结态腐殖质中富里酸为胡敏酸的合成提供必要的原料，均影响了稳结态FA质量分数的变化。

重组有机碳中的w(胡敏酸)/w(富里酸)逐年增加，说明土壤腐殖质的聚合程度随果树的种植逐年加大，相对富里酸而言，胡敏酸的芳构化程度更高、分子量更大，是稳定性较高、不溶于水的腐殖酸，胡富比的大小反映了土壤腐殖化程度的高低[15]，可以衡量土壤腐殖质的品质。种植果树后的果园土壤腐殖质在人为的干扰下，腐殖质聚合度较未开垦的近果园荒地土壤腐殖质低，腐殖质活性高，易被徽生物利用，有助于植物养分的供应，其较强的化学性和较活泼的胶结能力，既有利于土壤物理化学性质的改善，又能促进多级团聚体的形成，使土壤结构性、孔性更理想，有助于土壤肥力的提高。

元素组成分析是判别有机质结构和特性最简单、最重要的方法之一。通过计算其H与C、O与C、N与C等，可以简单判断有机质的可能组成与结构[16]。H与C原子数量比值越小，意味着有机质的化学结构以芳香结构为主，否则含有更多脂肪族的化合物[17]；而O与C原子数量比越大，表示有机物中含有更多羧基、酚基官能团或者碳水化合物[17-18]，较小的H与C原子数量比表明有机质不饱和程度和芳香性较高，较大的H与C原子数量比则表明其脂肪化程度高[17]。

果园土壤松结态FA、HA中N与C原子数量比均大于近果园荒地且逐增加大说明果树的种植有利于含氮基团的形成，表明随着土壤腐殖化的进程，腐殖质中N元素质量分数会增加。Chai等[19]研究填埋场内部的有机质时也得到相同的结论。Steelink等[17]研究表明，H与C原子数量小于1.3，才能意味着该提取物属于腐殖质。各FA的H与C原子数量比均小于1.3，排除了提取物为非腐殖质的可能。H与C原子数量比的减小意味着果园腐殖质的化学结构以芳香结构为居多[17]。果园土壤O与C原子数量比逐年下降且以近果园荒地土壤最高达1.12，说明近果园荒地土壤含有较多的烷氧基和羧基，而果园土壤松结态腐殖质中的烷氧基和羧基逐年减小；相应年限的HA中O与C原子数量比均小于FA，可知松结态FA中含有较多的烷氧基和羧基[20]。H与O原子数量比可有效地表征有机物的氧化程度，果园土壤H与O原子数量比逐年减小，说明松结态FA、HA中含有的羧基等含氧官能团逐年增加，其氧化程度高，极性强，疏水性弱，有利于松结态腐殖质的活性提高，使之矿质化加快，转化成速效性养分的速率大，提高了土壤速效养分强度。HA中H与O原子数量比大于FA，说明HA比FA更加稳定，分子结构复杂。

果园土壤中稳结态FA、HA中N与C原子数量比均大于近果园荒地土壤且逐年上升，说明果园土壤含氮基团较多，腐殖质中N元素质量分数会增加。H与C、O与C原子数量比均逐年下降且小于近果园荒地，果树的种植促进了土壤腐殖质的芳香结构形成及烷氧基和羧基，有助于腐殖质结构的稳定。HA、FA中H与O原子数量比均大于近果园荒地，意味着果园土壤稳结态FA、HA中含有的羧基等含氧官能团，有利于腐殖质的矿化。

5 结论

果园土壤重组有机碳及其结合态组分质量分数均高于近果园荒地土壤，且均与之呈显著差异。重组有机碳、松结态、稳结态腐殖质质量分数逐年增加；紧结态腐殖质质量分数逐年减小。近果园荒地土壤腐殖质以紧结态为主，果园土壤腐殖质以松结态和紧结态为主。

果园土壤松结态HA、FA质量分数及w(胡敏酸)/w(富里酸)均随种植年限逐年上升且各种植年限间差异显著。种植果树60 a时，土壤松结态HA质量分数均小于FA，FA占优势，稳结态HA质量分数均大于FA，且逐年增大，HA占优势。重组有机碳中的w(胡敏酸)/w(富里酸)逐年增加且均小于近果园荒地土壤并与之差异显著。

松结态FA、HA中N、C质量分数逐年上升；H、O质量分数则呈下降趋势。种植60 a时，FA中N、C质量分数上升了173.93%，8.99%；H、O质量分数分别下降了19.34%，8.78%；同年份HA中N，C和H元素质量分数均大于FA，而O元素质量分数较FA低。FA、HA中N与C原子数量比均逐年上升且大于近果园荒地。H与C、O与C原子数量比均逐年下降且小于近果园荒地。HA中H与O果园土壤均大于近果园荒地。

稳结态FA、HA中N、C、H、O质量分数变化与松结态FA、HA一致，且均与近果园荒地果园呈显著差异。种植60 a时，FA中N、C质量分数较近果园荒地分别上升了130.85%，11.99%；H、O质量分数分别下降了16.09%，19.21%。稳结态HA中的N、C和H元素质量分数均大于FA；HA中O元素质量分数小于FA中O元素质量分数。FA、HA中N与C原子数量比均大于近果园荒地土壤，H与C、O与C原子数量比均小于近果园荒地，H与O原子数量比均大于近果园荒地。

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Combined Humus and Elemental Composition in Orchards Soils of Different Cultivation Years

/Liu Wenli, Wu Jinggui, Zhao Xinyu(Jilin Agricultural University, Changchun 130118, P. R. China); Lü Yan(Soil and Fertilizer Station of Jilin Province)//

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(6).-68～72

We analyzed the effect of elemental composition and combined humus of typical orchard soils with different cultivation years in northern China under long-term freezing-thawing conditions. The content of the heavy fraction organic carbon, the loosely combined humus, the stably combined humus are increased with the cultivation year, and the tight combined humus is gradually decreased. The content of the heavy fraction organic carbon and the loosely combined humus annual growth rates are 11.59% and 95.15% in 60 years, respectively. The ratio of loosely and tightly in the orchards soil shows annual increasing trend by 2.09%. On uncultivated area near the orchard, the tight combined humus is main part about 49.63%, the loosely combined humus and the tight combined humus are main parts in the orchards soil, and respectively 11.59% and 95.15% in the 60th year. After the planting of fruit trees, the relative content of the loosely combined humus are increased by about 17.74% with the cultivation year, and the relative content of the tight combined humus is gradually decreased by about 11.13%. The contents of the loosely combined humus acid (HA), the loosely combined fulvic acid (FA) annual growth rates are 131.76% and 66.67% in 60 years, respectively. On elemental composition the loosely combined humus, the contents of nitrogen (N) and carbon(C) are increased with the cultivation year, and hydrogen (H) and oxygen (O) are gradually decreased. N/C is increased and it is higher than that in wasteland soil, and H/C and O/C was opposite. H/O of HA is higher than that in uncultivated area near the orchard. On the stably combined humus in orchard soil, the contents order of N, C, N is HA>FA, and that of O is HA

Orchard soils; Combined humus; Cultivation years; Elemental composition

1) “十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD14B05、2013BAD14B05)；吉林省科技成果转化项目(20130309005NY)资助。

刘文利,男,1971年11月生,吉林农业大学资源与环境学院，博士研究生；现工作于延边大学农学院,副教授。

吴景贵,吉林农业大学资源与环境学院,教授。E-mail：wujingguiok@163.com。

2013年8月27日。

S153.622

责任编辑：潘 华。