两种果园土壤质量综合评价及生物量与土壤元素的关系

史进，李文胜，张俊苗

(新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐　830052)



两种果园土壤质量综合评价及生物量与土壤元素的关系

史进，李文胜，张俊苗

(新疆农业大学林学与园艺学院，乌鲁木齐830052)

摘要：【目的】果园土壤质量受多方面因素影响，生草栽培是改善土壤肥力、营养状况的可行方法之一，为开发实用和普遍的果园土壤管理方式提供基础资料。【方法】采用果园生草法和清耕法2种不同处理方式的田间试验，采用PCA、SQI、相关性分析方法。【结果】反映土壤肥力状况的OM、TN、AP、AK和土壤盐分特征的Ca、Cu、Fe、Zn、Mn是果园土壤立地条件的主导因子。果园经过长时间的生草栽培可以明显提高不同年限果园土壤质量综合评价指数，增强了土壤的肥力条件和营养状况。果园地下生物量(UB)与土壤中AN、OM、TP、TK、AK、Ca、Cu、Fe、Mn、pH相关性显著，与土壤养分含量和SQI存在显著的线性关系。【结论】果园通过生草的方式改善了土壤的理化性质，提高了土壤质量综合评价指数，增强了土壤生物量与土壤元素的相关性，使得土壤生物量和SQI及土壤养分含量的关系更为密切。

关键词：生草栽培；苹果；土壤质量；主成分分析；综合评价

0引 言

【研究意义】果园生草是一种常见的果园管理方法[1]，此技术在我国采用的相对较少，我国绝大部分果园仍然为清耕果园，而在许多西方国家此技术已被广泛运用[2]。果园生草能够延长根系的生长，优化土壤的团粒结构，改善林木生长的土壤条件[3]。林木生长的土壤条件是最为重要的外部环境，正确认识生草对土壤条件的改善作用是林木经营、立地树种选择及SQI的基础，这对于干旱半干旱地区的果园管理和土壤结构优化显得尤为重要。目前，有关土壤立地条件划分的研究很多[4-7]，并已成为一个实用行、成熟行、大众行的研究领域。在影响土壤条件的各因素中，植被条件是最主要的影响因素，其中土壤肥力状况的高低不仅是影响土壤立地条件的重要指标，更直接影响林木生长所需要的物质供给基础，土壤质量综合评价对合理利用土地资源和优化土壤理化性质具有重要意义。【前人研究进展】果园生草是西方发达国家较为推崇的果园土壤管理方式[8]，我国有关果园生草栽培与立地条件的关系研究大多分布在南方的果园[9]，干旱半干旱地区研究相对较少，目前基本上是进行果园土壤营养状况试验研究，以及果园不同草种种植对果园气候的影响，而果园长时间的动态观测缺乏实质有效的观测依据[10]。果园生草栽培对不同土壤层次的土壤改善效果不同，改善效果与果园生草的时间长短有关[11]。生草可以明显提高土壤中有机质的含量，优化土壤立地条件[12]。渭水以北和鸦金高原生草园和清耕园试验表明，生草园较清耕园土壤容重降低了6.5%，增加田间持水量7.19%，增加了直径1.0 mm以上的土壤团粒，土壤孔隙度增加4%左右，土壤总孔隙度提高更为明显[13-15]。【本研究切入点】基于土壤剖面调查及采样分析，采用PCA对土壤理化性质进行分析，以确定果园土壤综合质量评价的主导因子为切入点。【拟解决的关键问题】研究选择新疆阿克苏红旗坡地区的“新红一号”富士果园，测定和分析生草园和清耕园土壤养分含量变化及主成分分析中各因子的载荷量，探讨该地区苹果园生草与土壤立地条件的相互关系，为该区域果园生草技术及改善果园土壤管理方式提供理论依据。

1材料与方法

1.1材 料

试验地点位于新疆阿克苏地区红旗坡农场，地处天山南麓中段，南临阿克苏市，西毗温宿县，该地区空气干燥，云量少，晴天多，属于暖温带大陆性干旱气候，光热条件较好，热量资源丰富。年平均气温为10.8 ℃，年平均≥10 ℃稳定积温达3 953 ℃，果园土壤表面年平均温度13.5 ℃，无霜期7个月左右，冻土层深度一般在50 cm以上。试验园土壤类型为盐土，土层较厚。

1.2方 法

试验于2014年4～11月红旗坡地区“新红1号”富士果园进行，分别选取生长着树龄为3、5、10、15、20 a果树的生草园(果园I)和清耕园(果园II)，且其修剪、水肥、管理等一致的富士苹果生产园，在不同年限的果园中分别按照“S”型取样方法选取5个试验样点，并用GPS进行位置记录，再根据果树根系的生长情况，确定挖土深度为60 cm，分层采集0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土层的土壤样品，并带回实验室进行土壤理化性质分析。分析指标包括：有机质(OM)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)、碱解氮(AN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)、Ca、Mg、Cu、Fe、Zn、Mn、pH共14项指标，分析方法均采用常规分析法。

将果园土壤生草所产生的生物量分为地上部分和地下部分，每个果园在果树的行间分别取5个1×1 m的样方，用镰刀贴地将地上部分割去，放在80 ℃烘箱中，持续24 h，烘干后称重，记为地上生物量(AB)。地上部分去除后，按照1×1 m的面积在再往地面以下1 m取1 m3的土，取出的土用200目的筛子进行筛选，小心取出筛子上的植物的根系部分，同地上部分一样放入烘箱，烘干后称重，记为地下生物量(UB)。

果园I：果园地面以自然条件下所生长的杂草为主。

果园II：果园土壤采用全面中耕除草的耕作方式，其中除草主要利用除草剂和人工除草两种方式。

以50个样点的OM、TN、TP等14项指标的分析结果为试验参数，分析土壤的立地条件情况，借以反应土壤的真实情况，并依据各项参数与苹果果树生长的关系确定各项指标的隶属函数，对于OM、AP、AK等有利于植物生长的条件确定为“S”型隶属函数，对于Ca、pH等盐类条件确定为反“S”型隶属函数。结合各年限苹果果园的真实情况，然后利用公式计算出各项指标的隶属度值。再根据PCA中的公因子方差占公因子方差和的百分数求出指标权重，最后通过公式(3)计算出各年限的土壤质量的综合评价指数。

S型隶属函数:

反S型隶属函数:

公式(3)中Wi为第i个指标的权重，Fi为第i个指标隶属度。

1.3数据统计

数据结果使用Microsoft Office Excel 2003、Spss17进行分析和处理，图形处理使用Orgini7.5进行绘图。

2结果与分析

2.1果园土壤主导因子

研究表明，经过对50个样方的土壤养分含量指标进行主成分分析，得到各主成分和土壤养分指标相关关系的因子载荷矩阵。结果显示前4个主成分累计贡献率达到73.614 %，基本可以反映土壤养分指标信息。依据各主成分与土壤养分的负荷系数可以看出，第一主成分中AK具有最大的正向载荷，达到了0.929，除此之外，OM、Cu、Fe、Zn、Mn、AP在第一主成分中的载荷也较大，只有pH值在第一主成分中的载荷为负，这说明第一主成分与土壤养分中的微量元素及OM、AK关系密切。第二主成分中TN、TP、TK、Ca具有较大的正向载荷，AN具有最大的负向载荷，其中TN、TP、TK、Ca是土壤最为主要的立地条件，AN是土壤植被最为重要的养分类型，这说明第二主层分与土壤营养结构和类型密不可分。第三主成分主要包括AN和pH这两个正向载荷因子，这两个土壤养分指标均与土壤酸碱程度有关，特别是pH值更能直接反应土壤的碱性程度。第四主成分中TP和Mg的正向载荷最大，但只有TP与土壤养分的主成分分析中因子的关系密切，Mg在第一、第二、第三主成分中载荷量均较小。因此在4个主成分分析中只有前3个主成分是最主要的，AK、OM、Cu、Fe、Zn、Mn、TN、TP、TK、Ca、AN、AP是决定土壤类型的空间变异趋势最为主要的因素。表1

表1　主成分因子负荷系数、贡献率及公因子方差

2.2果园土壤质量

土壤质量评价体系是建立在主成分分析(PCA)的基础上的，也是评价在土壤肥力条件的重要指标参数，可以对土壤的立地条件进行客观的定性评价，研究表明，以OM、TN、TP等为主要的指标参数。阿克苏红旗坡地区不同年限的苹果果园立地类型土壤质量综合评价指数为0.405～0.560，平均为0.458，由此可见各个苹果园土壤的质量较差，通过SQI的分析结果及隶属度值，再结合土壤的物理性质可以看出，各个苹果园土壤总体呈现养分较低、碱性大、土壤板结等特点，因此要想改善土壤的理化性质和达到创收的目的，必须优先改善土壤的立地条件，为了探讨生草对土壤质量的影响过程，对土壤属性进行定量和定性的评价。分析了土壤中物理和化学共16项指标。研究表明，经过长时间的生草栽培，果园I土壤养分总量有了明显提高，总体呈现上升趋势，而与之对应的果园II 20 a里土壤养分总量基本不变，呈平稳态势。果园I从最初的66 g/kg增加到108.9 g/kg，在20 a里单位质量上提高了42.9 g/kg，总体提高了65 %，其中在生草的前3年土壤养分含量增加的尤为明显，而由于果园II没有经过生草的处理，土壤质量没有明显的提高，导致土壤相对贫瘠。表2，表3，图1

研究表明，SQI作为土壤物理和化学性质的综合反映，随着生草年限的增加而变大，并且呈显著的线性相关。在生草的前3年，两果园的SQI指数没有较大的差异，果园I为0.424，果园II为0.431，但经过长时间的生草栽培处理后，两果园的土壤差异慢慢变大，从第5年开始，果园I的SQI指数就在缓慢变大，尤其是经过20 a生草处理之后，果园I的SQI指数已经达到0.560，而果园II在20 a里，SQI指数没有明显的变化，基本维持在0.461左右，可见生草对土壤质量的改善作用明显。可以看出，土壤生草对土壤质量产生了量变和质变的影响。图2

2.3土壤大量元素与生物量的相关性

研究表明，果园生物量的地上部分与土壤大量元素的相关性并不大，而地下部分与土壤的大量元素的相关性较大，且各元素之间的相关性也达到了显著或极显著水平。AB与UB有相关性，可相关性并不大，可见随着果园的年限增长，AB在一定程度上受到果园的微环境的影响导致AB不可能持续性的增长，AB与土壤中的大量元素的相关性并不大，其中与TN的相关性最大，达到0.417。UB与土壤中大量元素的相关性较大且均为正相关，并且与AN、OM、TP、AK的相关性均达到极显著水平，分别达到0.791、0.763、0.900、0.899，与TK和AP的相关性达到显著水平，分别为0.575和0.58，UB含量的多少与土壤大量元素关系密切。AN与土壤大量元素的相关性最大，与OM、TP、TK、AP、AK的相关性均为极显著正相关，分别为0.845、0.650、0.732、0.824、0.793。OM与TP、TK、AP、AK的相关性均达到极显著水平，分别为0.656、0.743、0.825、0.699，经过长时间的生草栽培使得土壤中OM含量显著增加，与UB的相关性也达到了极显著水平。TN是不能被植物体直接吸收的营养元素，与土壤的生物量和土壤中其它元素相关性不大，TP与AK的相关性水平达到了0.783，呈极显著水平，TK与AP的相关性达到极显著水平，相关性为0.944，与AK呈显著水平，相关性达到0.622，AP与AK作为植物体直接吸收的营养元素，相关性极显著，达到0.651。果园土壤表面的果园经过长时间的生草栽培使得地上部分的生物量逐渐向地下方向渗透，经过十几年UB逐年增加渐渐腐烂变质，最终变成植物体可以吸收的营养物质，这直接改善了土壤的物理化学性质，改善了果园土壤的营养状况。表4

图1　不同年限土壤养分含量变化

图2　不同年限土壤SQI演变特征

指标Variable3a5a10a15a20a果园I果园II果园I果园II果园I果园II果园I果园II果园I果园IIAN0.4710.3870.4580.4340.4970.4670.5480.4060.5060.456OM0.5240.4330.3800.4150.4730.4730.4500.3870.4600.508TN0.5030.4500.4500.4060.3000.6000.5000.4310.5690.446TP0.3620.5710.5500.4970.5760.4790.4780.4450.4430.516TK0.3980.5000.4370.3840.4950.4980.5190.4000.4460.375AP0.4130.3140.4200.3920.4540.4070.4660.4010.5990.413AK0.4120.3940.4910.3920.5170.4540.4650.4250.4900.361Ca0.4300.3990.5220.4890.4830.4590.5520.4000.5290.467Mg0.3820.4480.5050.5350.4480.4980.4920.3720.6280.413Cu0.4610.4920.4040.3590.4620.4670.4420.4230.4730.416Fe0.4740.4640.4340.4170.4820.4000.4970.3980.4040.432Zn0.3470.4340.4380.3320.4990.4720.4840.4930.4160.386Mn0.4630.3430.5390.3410.5100.3740.5630.3370.4790.494pH0.3430.4200.5430.3400.5400.4690.4670.3620.4520.520

表3　各年限立地类型评价指标的公因子方差

表4　果园生物量与土壤大量元素的相关性

注：*表示在0.05水平上显著相关，**表示在0.01水平上显著相关。下同

Note：*Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed)，**Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).the same as below

2.4土壤微量元素与生物量的相关性

研究表明，土壤微量元素是植物体正常生长的必要条件，土壤生物量与土壤微量元素的相关性密切，土壤生物量为果园土壤提供了有效的物质来源，为改善土壤的立地条件提供了保障。AB与土壤微量元素的关系不大，与UB呈负相关。UB与土壤微量元素的相关性较大，与Ca、Cu、Fe的相关性达到极显著水平，且呈极显著正相关，与pH值呈极显著负相关，相关性水平达到0.919、0832、0.721、-0.841，与Mn的相关性达到显著水平，相关性为0.516，这说明UB在一定程度上提高了土壤微量元素的含量，同时降低了土壤的碱性程度。Ca在土壤中容易结合氢氧根，可以使土壤碱化，Ca与Cu和Fe的相关性达到极显著正相关水平，与pH值的相关性达到极显著负相关水平，相关性分别为0.723、0.768、-0.730，与土壤中的Mn的相关性达到显著水平。Mg在土壤中的化学性质与Ca相似，但与土壤中的其它微量元素的相关性并不明显。Cu在土壤中含量较少，与Fe的相关性达到显著水平，与pH值的相关性为极显著负相关，相关性分别为0.519、-0.740。Fe的化学性质与Ca和Cu类似，与土壤pH值呈极显著负相关，与Zn的相关性达到显著水平，相关性分别为-0.691、0.566。土壤微量元素在土壤营养元素中的含量并不高，但确是土壤肥效的重要指标，果园经过多年的生草栽培可以明显提高土壤中微量元素的含量。表5

表5　果园生物量与土壤微量元素的相关性

2.5果园土壤生物量与土壤养分及SQI指数的线性关系

研究表明，果园土壤生物量与土壤养分含量的线性关系，果园土壤养分含量随着年限的增加逐年增加，AB的含量在20 a中先增加后减小，UB含量呈逐年增加的趋势。AB与土壤养分含量线性关系式为y=-3.288 4，x+90.717，R2=0.013，线性关系并不强，而UB与土壤养分含量线性关系式为y=693.21，x+48.932，R2=0.982 8，这说明随着UB的增加，土壤养分含量呈逐年递增趋势，结合AB和UB的关系可知，UB含量增加的基础是AB，只有AB增加才能使UB在长时间的生草栽培中逐渐增大。土壤养分含量作为土壤立地条件最直接的表达，从根本上说明了土壤的肥沃和贫瘠程度，同时，经过长时间的生物量积累可以明显改善土壤的立地条件，果园土壤的生物量积累又是通过生草栽培的方式实现的，所以，果园通过生草栽培明显提高了果园土壤养分含量，实现了果园土壤的量变。图3

研究表明，果园土壤生物量与土壤立地条件的SQI的线性关系，土壤AB与UB构成了果园土壤最为基础的生物能量来源，其中AB是UB的基础，UB是AB延续，果园经过多年的生草栽培并且通过翻耕等果园管理方式使得很大一部分的AB转化成UB，可见土壤的AB和UB是密不可分的。AB在多年的生草过程中并不是逐年增长的，在20 a的时间里总体呈现先上升后下降的趋势，在第10年时达到最大，SQI在20 a中是逐年增加的，特别是15～20 a期间，SQI与AB呈正相关，但关系并不显著，其线性关系为y=-0.079 1，x+0.527 2，R2=0.079。UB经过长时间在土壤中的积累、腐烂、转化，其总量在逐年增加，总体呈上升趋势，并且在一定程度上改善了土壤的理化性质，SQI随着UB的增大而增大，SQI作为土壤的综合评价指数与土壤立地条件、理化程度密切相关，所以提高土壤UB含量的同时也就间接的改善了果园的土壤环境，SQI与UB的线性关系式为y=1.948 7，x+0.372 9，R2=0.83，可见线性关系明显。总的来说，AB是UB在土壤中积累的基础，SQI的提高需要改善土壤的环境，UB通过直接改变土壤的环境而间接的提高了SQI，从而实现了土壤的质变。图4

图3土壤生物量与土壤养分的线性关系

Fig.3The linear relationship of soil biomass and soil nutrients

图4　土壤生物量与土壤综合质量指数的线性关系

3讨 论

3.1研究利用了主成分分析对果园土壤进行了主导因子分析，前四个主成分与土壤中土壤盐分和大多数养分元素指标存在明显的相关性，其累计方差贡献率为73.614%，不足80%，这可能是由于不同果园土壤理化性质差异性和第一、二、三主成分中主导因子多所致。有研究表明葡萄园进行行间生草栽培可以改变土壤的空间异质性[16]。

3.2土壤质量综合评价(SQI)是建立在主成分分析(PCA)的基础上的，是土壤肥力条件和理化性质的综合表现，生草栽培可以明显提高果园I的SQI指数，并且时间越长作用越明显，阿克苏红旗坡地处干旱地区，土壤条件较差，加上土壤板结日益严重，所以应选择一种长期并且有效的土壤改良方式来缓解干旱区土壤所面临的问题。

3.3果园土壤生物量分为地上生物量(AB)和地下生物量(UB)，AB主要是指土壤表面以上的部分，UB主要是指草经过干枯腐烂转移到土壤中的部分，地下生物量的增多可以使土壤变得疏松，增加土壤各种元素的含量，UB的逐年增加得益于充分的AB供给，AB与土壤中各种元素的相关性并不大，但UB与土壤中营养元素和微量元素及一些盐类关系密切。

3.4土壤生物量在一定基础上为优化土壤立地条件提供了保障，作为衡量土壤质量标准的土壤养分含量和SQI指数与UB存在显著的线性关系，AB是UB的基础，果园生草栽培又是土壤生物量的来源，这说明在以果园土壤为基础的理论前提下，AB、UB、土壤养分含量、SQI指数彼此之间存在紧密的联系。

4结 论

生草可有效的改善富士果园土壤理化性质，增强果园土壤的物质基础，果园经过一定年限的生草栽培还可以增加土壤养分含量，间接提高能反映土壤肥力的SQI指数，从而让果园生草栽培与土壤生物量和土壤养分含量关系变得更为密切。

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Fund project:Supported by Major Science and Technology Projects of " the 12th Five-year plan" of Xinjiang Uygur Autonomous Region "Research, integration and demonstration of the key technology of high efficiency and safety production of Xinjiang featured fruit tress" (201130102-1)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.06.015

收稿日期(Received)：2015-12-22

基金项目:新疆维吾尔自治区“十二五”科技重大专项“新疆特色果树高效安全生产关键技术研究集成与示范”课题(201130102-1)

作者简介:史进(1991-)，男，新疆人，硕士研究生，研究方向为果树栽培与生理，(E-mail)450990068@qq.com 通讯作者(Cotresponding author):李文胜(1968-)，男，新疆人，副教授，硕士研究生导师，研究方向为果树栽培与生理，(E-mail)lwxs@qq.com

中图分类号：S606+.1

文献标识码：A

文章编号：1001-4330(2016)06-1081-10

Comprehensive Evaluation of the Soil Quality and the Relationship between Biomass and Soil Elements in Two Orchards

SHI Jin， LI Wen-sheng， ZHANG Jun-miao

(CollageofForestryandHorticulture，XinjiangAgriculturalUniversity，Urumqi830052,China)

Abstract：【Objective】 The soil quality of orchard is affected by many factors，grass planting is one of the feasible methods to improve soil fertility and nutrition status，this project aims to provide basic data for the development of practical and universal soil management methods in orchards.【Method】Based on field trials of grass orchard and clean tillage orchard in two different treatments，using PCA and SQI, correlation analysis method.【Result】OM, TN, AP, AK can reflect the status of soil fertility and Ca, Cu, Fe, Zn, Mn can reflect characteristic of soil salinity, which are the dominant factors of soil site conditions in orchard．After a long time of orchard grass cultivation they can significantly improve the comprehensive evaluation of soil quality in different age orchard index, enhance soil fertility conditions and nutritional status. The correlation of TP, OM, TK, AK, Cu, Fe, pH, Mn, Ca, AN and UB were significantly correlated with the soil of the orchard, linear relationship with soil nutrient content and SQI.【Conclusion】The physical and chemical properties of the soil were improved by the way of planting grass and improved SQI, the correlation between soil biomass and soil elements was enhanced and the relationship between soil microbial biomass and SQI and soil nutrient content was more closely related.

Key words:sod culture; apple; soil quality; principal component analysis; integrated evaluation