有机种植在茉莉土壤团聚体稳定性提升中的应用

刘小慧， 汪旭明， 任洪昌， 王维奇

(福建师范大学 地理研究所， 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室， 福建 福州 350007)



有机种植在茉莉土壤团聚体稳定性提升中的应用

刘小慧， 汪旭明， 任洪昌， 王维奇

(福建师范大学 地理研究所， 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室， 福建 福州 350007)

选取福州茉莉种植土壤，对常规与有机种植模式下的0～50 cm土层土壤团聚体组成与分布、平均质量直径DMW、几何平均直径DGM、分形维数(D)进行了测定与分析。结果表明：① 常规茉莉种植土壤在0～50 cm土层以微团聚体(<0.25 mm)含量最高， 67.63%，而>1 mm粒级团聚体含量最低， 4.13%；有机茉莉种植土壤在0～20 cm土层以大团聚体(R0.25)含量居多， 59.30%，在20～50 cm土层以微团聚体(<0.25 mm)所占比重大， 53.36%；② 有机种植在0～50 cm土层(R0.25)含量增加，分别提高了84.27%、126.85%、235.38%；③ 与常规种植相比，有机茉莉种植土壤团聚体DMW和DGM在0～50 cm土层均有所提高，常规和有机茉莉种植土壤团聚体D分别为2.84～2.92和2.53～ 2.85，有机茉莉种植土壤团聚体D相对较低，表明有机种植提高了土壤团聚体的稳定性。

有机种植； 土壤团聚体； 稳定性； 茉莉

0 引 言

土壤团聚体是土壤的重要组成部分，也是土壤结构的基本单元，对土壤的众多物理化学性质有重要影响[1]。一方面，土壤团聚体数量反映了土壤供储养分、持水性、通透性等能力的高低;另一方面，土壤团聚体稳定性影响着土壤物理性质以及植物的生长[2]。因此，团聚体是形成良好土壤结构的物质基础，能够综合反映土壤的肥力状况。有些研究以0.25 mm为界线将团聚体划分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)[3]。不同粒级团聚体具有不同的碳含量及稳定性，在土壤养分元素的保持、供应及转化能力等方面发挥着不同的作用。有研究证明[4]，在土壤表层从壤土到黏土各种质地土壤的大团聚体比微团聚体土壤微生物C和矿化C浓度高，并且保存于大团聚体的碳，具较低的碳分解速率和更长的周转速率[5]。因此大团聚体含量越高，土壤结构越稳定。

单施有机肥是有机栽培的关键措施，因为有机肥可以提高土壤质量[6]，增加土壤有机C含量[7]，增加土壤大团聚体含量，提高土壤结构的稳定性。而传统施肥却伴随着土壤退化，土壤有机C含量的降低[8]，从而降低了土壤团聚体的稳定性。关于有机肥对土壤团聚体的影响研究主要集中在稻田土壤、旱农区土壤以及黑土等土地类型。苗淑杰等9]在不同施肥处理对黑土有机碳矿化和团聚体碳分布的研究中表明，单施有机肥增加了土壤有机碳含量，促进了土壤中大颗粒团聚体的形成，尤其以2～1 mm粒级团聚体增加的比例最大，毛霞丽等[10]在研究施肥对稻田土壤团聚体影响研究中证实施用有机肥或者有机无机配施处理通过促进土壤总有机碳的积累和提高化学抗性化合物所占百分比，进而提高了土壤团聚体以及团聚体有机碳的稳定性。

目前，国内的研究者对土壤团聚体的研究也做过有效的探讨，但大部分研究区集中在森林和耕地[11]。关于河滨农业用地土壤团聚体的相关研究则鲜见报道，且大多与土壤侵蚀[12]和土地利用方式[13]联系在一起，而关于有机肥对河滨地带灌丛地土壤团聚体的影响研究相对较匮乏。福州是福建地区茉莉花茶产业重地，茉莉种植已有悠久历史，该种植基地不仅是福州农业的重要组成部分，同时也为许多生物提供生存环境，2014年茉莉与茶文化系统更被列为全球重要农业文化遗产。因此如何维持与提高茉莉种植土壤的质量等生态功能成为农业文化遗产保护的核心内容之一。本文综合运用湿筛法所得平均质量直径(DMW)、几何平均直径(DGM)、分形维数(D)以及团聚体R0.25等指标来描述福州湿地茉莉种植园土壤团聚体的分布状况和稳定性特征，探讨有机种植方式对土壤团聚体的分布和稳定性特征的影响，以期为茉莉种植方式的选择提供理论依据。

1 研究区概况和研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省福州市，介于东经118°08′～120°31′，北纬25°15′～26°39′。属于海洋性亚热带季风气候，全年冬短夏长，温暖湿润，无霜期326 d，年平均日照数1 700～1 980 h。年平均降水量900～2 100 mm，年平均气温16～20 ℃，最冷月1～2月，最热月7～8月，年相对湿度约77%[14]。

本文选取位于福州市乌龙江滨官产洲的茉莉种植园为研究样地，该试验地土壤是闽江沿岸的淤积沙质土壤，湿润，透水性高，是茉莉生长的理想之地。包括2种不同种植方式(常规茉莉种植园和有机茉莉种植园)的土壤。有机茉莉种植园供试土壤质地以粉砂砾为主，占59.8%，砂砾和粘粒的质量分数分别为14.7%、25.5%，土壤pH 4.4，盐度0.15 mS/cm，土壤总碳、总氮、总磷和总钾分别为12.9、1.1、0.6和12.8 g/kg。常规茉莉种植园供试土壤质地以粉砂粒为主，占59.0%，砂砾和粘粒的质量分数分别为14.1%、24.9%，土壤pH 4.38，盐度0.15 mS/cm，土壤总碳、总氮、总磷和总钾分别为11.7、1.1、0.5和13.3 g/kg。各采样点基本情况见表1。

1.2 土壤样品采集与测定方法

2013年3月，在福州市乌龙江滨官产洲常规和有机茉莉种植园2个试验样地采集土壤样品。在距茉莉花植株10 cm处取0～50 cm深度的土壤，每个土壤剖面按0～10、10～20、20～30、30～40和40～50 cm 共分5层进行采样，对每个样区随机挖取3个土壤剖面作为重复。将每一层土壤样品装入自封袋带回实验室，采回的鲜土样品自然风干后，挑去残体根系，放入自封袋中，待实验备用。

表1 福州茉莉种植园基本情况

团聚体的测定方法：将套筛(孔径依次为1、0.5和0.25 mm)用绳子固定好，确保套筛放在水里不会分离，将组土样置于套筛顶部，放入水桶中，再向水桶中注水使水面离套筛顶部约3 cm，在水中静置浸泡10 min，浸泡的同时用重物压住套筛使之不会移动。浸泡结束后，双手固定套筛，并以30次min的速率在水中上下震荡2 min，上下移动的垂直距离不超过3 cm，将各级孔径的土样分别洗入烧杯中[15]，烘干后称量，记为Mwi。

1.3 土壤团聚体稳定性指标计算方法

稳定性团聚体含量计算参考南京土壤所编制的土壤理化分析方法[16]:

(1)

(2)

即

(3)

式中：wi为第i级团聚体质量所占的百分比；Mwi为团聚体各粒级团聚体的质量；DR0.25为>0.25 mm稳定性团聚体的含量。

DMW和DGW参考邱莉萍等[17]推导的公式确定：

(4)

(5)

D参考杨培岭等[18]推导的公式计算：

(6)

两边同时取对数，可得：

(7)

1.4 数据处理与分析

原始数据的平均值及标准差的计算采用MicrosoftExcel2003软件，采用Origin8.0软件进行作图。常规和有机种植土壤团聚体组成、DMW、DGM和D差异性分析检验均采用SPSS19.0 的单因素方差分析方法进行分析。利用Pearson相关性分析，对土壤团聚体各粒级含量及其各稳定性参数进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 有机种植对土壤团聚体含量分布特征的影响

常规和有机茉莉种植园在0～50cm各土层以<0.25mm和0.25～0.5mm粒级土壤团聚体含量居多，0.5～1.0mm粒级次之，>1mm粒级含量最少(图1)。常规茉莉种植园同一粒级团聚体含量在各土层差异不显著，在0～50cm土层大团聚体(R0.25)含量低于微团聚体(<0.25mm)含量。有机茉莉种植园>1mm、0.5～1.0mm、<0.25mm团聚体含量在0～50cm土层差异显著(P<0.05)，在0～20cm土层R0.25含量高于微团聚体(<0.25mm)含量，在20～50cm土层则以微团聚体(<0.25mm)所占比重大。

对于>1mm、0.5～1mm粒级团聚体，有机和常规茉莉种植园团聚体含量在0～30cm土层差异均不显著，在30～40、40～50cm土层差异显著(P<0.05)，有机种植>1mm粒级团聚体含量显著比常规种植分别提高了119.7%和180.32%，0.5～1.0mm粒级团聚体显著提高了80.7%、107.2% 。对于0.25～0.5mm、<0.25mm粒级团聚体，有机与常规茉莉种植园差异不显著。总体来看，与常规种植相比，有机种植在0～50cm土层增加了R0.25含量，有机茉莉种植园大团聚体含量比常规茉莉种植园分别提高了84.27%、126.85%、235.38%。

2.2 有机种植对土壤团聚体DMW和DGM的影响

常规茉莉种植园土壤团聚体DMW和DGM在0～10、10～20、20～30cm土层有随土层加深呈增加趋势(见表2)，在30～40、40～50cm土层降低，各土层均呈显著差异(P<0.05)。有机茉莉种植园土壤团聚体DMW和DGM在0～10、10～20、20～30cm土层有随土层加深呈降低趋势，在30～40、40～50cm规律不明显，各土层差异均不显著(P<0.05)。有机茉莉种植园土壤团聚体DMW和DGM在0～50cm土层(除20-30cm土层)均高于常规茉莉种植园，但差异均不显著。

2.3 有机种植对土壤团聚体分形维数的影响

常规茉莉种植园土壤团聚体D在0～50cm土层变化范围为2.84～2.92，在20～30cm上层D最小为2.84，在40～50cm土层D最大为2.92，各土层差异不显著，变化范围较小(见图2)。有机茉莉种植园土壤团聚体D在0～50cm土层变化范围为2.53～2.85，在0～10cm土层D最小为2.53，在20～30cmD最大为2.85，各土层差异均不显著(P<0.05)，在0～10、10～20、20～30cmD增加，在30～40、40～50cm趋于稳定。D在0～10、10～20、30～40、40～50cm土层均表现为有机茉莉种植园土壤团聚体低于常规茉莉种植园。

图1 茉莉种植园粒级土壤团聚体含量

图2 茉莉种植园土壤在不同种植方式下土壤分形维数

2.4 土壤团聚体各粒级含量与各稳定性参数相关性

利用Pearson相关性分析，评价土壤团聚体各粒级含量及其各稳定性参数之间的关系，结果见表3。其中，DMW与>1 mm 、0.5～1 mm粒级团聚体呈极显著正相关，DGM与>1、0.5～1.0以及0.25～0.5 mm粒级团聚体呈极显著正相关，DMW和DGM与<0.25 mm粒级团聚体呈极显著负相关，说明茉莉种植园土壤大团R0.25含量越高，DMW和DGM越大，土壤结构越稳定。D与<0.25 mm粒级团聚体呈极显著正相关，与>1、0.5～1.0以及0.25～0.5 mm粒级团聚体呈极显著负相关，说明茉莉种植土壤R0.25含量越低，其团聚体粒级分布的分形维数越高，土壤团聚体稳定性越差。

3 讨 论

3.1 有机种植对土壤团聚体分布特征的影响

在本研究中，有机种植提高了>1、0.5～1.0、0.25～0.5 mm粒级土壤团聚体含量，这一结果与前人研究结论相一致。有机种植促进土壤大团聚体形成的主要原因是施用有机肥能有效提高土壤有机质含量[19]，有机质在团聚体的胶结过程中发挥着胶结剂的重要作用，一般而言有机质含量与大团聚体的形成呈正相关关系。有研究表明[20],新鲜的有机物质及半分解的有机物主要存在于大团聚体中，因此有机物质对土壤大团聚体的形成具有重要作用，那么有机种植在一定程度上通过提高土壤有机质含量进而促进土壤大团聚体的形成。其次，土壤微生物，特别是真菌，在大团聚体的形成和稳定中起到重要作用。Degens等[21]在电子显微镜下发现团聚体中的沙粒是靠菌丝联结在一起，菌丝在团聚体的形成过程中起到绊缠物理作用，而有机肥能明显增加土壤微生物总量，包括土壤细菌、放线菌等，显著提高土壤酶活性。土壤真菌和其他微生物利用有机肥中易分解的碳和分泌物与土壤颗粒胶结形成大团聚体，因此本文中的有机种植通过增加微生物数量从而促进大团聚体的形成。另外，有机肥一方面能提供土壤稳定的外源有机碳；另一方面可以提高土壤肥力增加作物产量，因此相应地提高土壤中植物的残体和根系的归还量[22]，而茉莉种植园地处河滨，受水分影响比较明显，外源有机残体在水分作用下易于腐烂降解成小分子有机物质，保存于土壤中，从而有利于土壤有机碳含量的提高，加快土壤中胶结物质的积聚，从而促进大团聚体的形成。

表3 DMW、DGM、D与各粒径团聚体含量相关性分析(n=70)

注：**表示极显著相关，P<0.01；*表示显著相关，P<0.05

3.2 有机种植对土壤团聚体稳定性的影响

土壤粒径分布D是土粒对空间填充能力的体现，因此D可作为表征土壤稳定性重要参数。在本研究中，DMW、DGM和R0.25之间均极显著相关(P<0.01)，并且三者均与D极显著负相关，进一步说明,DMW、DGM和D均可用来表征土壤团聚体稳定性，且其在表征团聚体稳定性的过程中具有一致性。有机茉莉种植园土壤团聚体DMW和DGM在0～50 cm土层均高于常规茉莉种植园土壤团聚体，而D在0～50 cm(除20～30 cm)土层均低于常规茉莉种植园土壤团聚体，表明有机肥的施入提高了土壤团聚体的稳定性。这与有机种植促进土壤大团聚体的形成是密切相关的，本研究中大团聚体含量与DMW和DGM呈现显著正相关关系，与D呈现负相关关系也证实了这一观点(见表2)。随着大粒级团聚体含量的增加，DMW和DGM增大，D减小，团聚体稳定性增强。主要是因为有机肥通过影响土壤养分在团聚体的分布对团聚体的稳定产生直接或间接的影响[22]。

另外，有机茉莉种植园土壤团聚体在0～20 cm土层大团聚体含量高于微团聚体含量，分形维数低于20～50 cm土层，表明有机茉莉种植园土壤团聚体稳定性在表层高于深层土壤，可能因为有机种植采用花茎还田方式，表层土壤上存在大量枯落物，使得有机C含量随土层深度增加而降低，其对团聚体的影响的减小[23]，从而使表层土壤团聚体的稳定性高于深层土壤团聚体。

4 结 论

(1) 常规和有机茉莉种植园在0～50 cm土层团聚体分布以<0.25 mm和0.25～0.5 mm粒级为主，0.5～1 mm粒级次之，>1 mm粒级最少；常规茉莉种植园在0～50 cm各土层R0.25含量均高于微团聚体(<0.25 mm)含量，有机茉莉种植在0～20 cm土层以R0.25含量居多，在20～50 cm土层则以微团聚体(<0.25 mm)所占比重大。

(2) 与常规种植相比，有机种植提高了>1 mm、0.5～1 mm以及0.5～0.25 mm粒级土壤团聚体含量，降低了<0.25mm粒级土壤团聚体含量。

(3) 有机茉莉种植园土壤团聚体DMW和DGM在0～50 cm土层均高于常规茉莉种植园土壤团聚体，分形维数低于常规茉莉种植园，表明有机种植提高了土壤团聚体稳定性。

(4)DMW和DGM分别与>1、0.5～1.0和 0.25～0.5 mm粒级团聚体呈极显著正相关，与<0.25 mm粒级团聚体呈极显著负相关；D与>1、0.5～1.0和0.25～0.5 mm粒级团聚体含量呈极显著负相关，与<0.25 mm粒级团聚体呈极显著正相关。

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Application of Organic Cultivation in the Improvement of Soil Aggregates in Jasmine Plantation

LIUXiao-hui,WANGXu-ming,RENHong-chang,WANGWe-qi

(Key Laboratory of Humid Sub-tropical Eco-geographical Process of Ministry of Education, Institute of Geography, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, China)

In this paper, the soils of jasmine plantation from Fuzhou were taken as the study object. Soil aggregate composition, distribution and stability, including mean weight diameter (DMW), geometric mean diameter (DGM) and fractal dimension (D) of 0—50 cm soil layer under common and organic cultivation were measured and analyzed. The results showed that: (1) The soil aggregate in common jasmine cultivation is dominated by micro aggregate (<0.25 mm) in 0—50 cm soil layer , its percentage is 67.63%, While the soil aggregate of >1 mm is the lowest, its percentage only is 4.13%; The content of macro aggregate (R0.25) in 0—20 cm soil layer of organic Jasmine cultivation is majority, and the percentage is up to 59.30%; In the 20—50 cm soil layer, the percentage of micro aggregates is significant, and the percentage is 53.36%; (2) Compared with common cultivation, the organic cultivation in the 0—50 cm soil layer increases the content of macro aggregate(R0.25), reached 84.27%, 126.85% and 235.38%, respectively; (3) Compared with common cultivation, mean weight diameters (DMW) and geometrical mean diameters (DGM) of soil aggregates in organic jasmine cultivation are improved in 0—50 cm soil layer. The fractal dimensions numbers of soil aggregates in common and organic cultivation are ranged within 2.84—2.92 and 2.53—2.85, respectively. The fractal dimension numbers of soil aggregates in Organic Jasmine cultivation is relatively lower, which indicates that organic cultivation improves the stability of soil aggregates.

organic cultivation; soil aggregates; aggregate stability; Jasmine

2015-12-10

国家自然科学基金项目(41571287,31000209);福建省科技厅重点项目(2014Y0054,2014R1034-3);福州市科技计划项目(2014-G-66)

刘小慧(1991-)，女，湖南衡阳人，硕士生,主要研究方向为农业生态与环境。

Tel.:17805966215；E-mail.:503241366@qq.com

王维奇(1982-)，男，辽宁沈阳人，副研究员,主要研究方向为农业生态与环境。

Tel.:13459193831；E-mail.:wangweiqi15@163.com

S 151.9

A

1006-7167(2016)09-0015-05