连续多代次种植橡胶树对土壤团聚体及土壤有机碳的影响

董豪 茶正早 张翔 郭澎涛 黄艳艳 朱紫依 王国苇

摘  要：土壤團聚体和土壤有机碳是指示土壤质量的重要指标，探究连续多代次种植橡胶对土壤团聚体和有机碳的影响可为了解橡胶园土壤质量演变规律提供理论支持。本研究采用时空互代法在海南儋州选取成土母质、土壤类型、气候条件一致的不同代次（一代、二代和三代）的橡胶园，分层（0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm）采集土壤样品，研究土壤团聚体、容重、孔隙度和有机碳（SOC）随种植代次及土层深度的变化规律。结果表明：（1）第三代橡胶园土壤容重显著高于第一代和第二代橡胶园（P<0.05），而第一代橡胶园的土壤孔隙度、MWD和GMD均显著高于第三代橡胶园（P<0.05）;在不同土层深度中，孔隙度随土层深度增加而显著降低（P<0.05）。（2）第三代橡胶园土壤大、中团聚体占比显著低于第一代橡胶园（P<0.05），不同土层间，0～20 cm土层土壤大、中团聚体占比显著高于40～60 cm（P<0.05）;相反，土壤微团聚体占比表现为第一代胶园显著低于第三代橡胶园（P<0.05），微团聚体占比随土层深度增加而显著增加（P<0.05）。（3）第一代土壤总有机碳含量显著高于第三代橡胶园（P<0.05），不同土层间，0～20 cm土层有机碳含量显著高于40～60 cm土层（P<0.05）;土壤大团聚体有机碳含量随种植代次和土层深度增加显著降低（P<0.05）;不同土层中，0～20 cm土层土壤中、微团聚体有机碳含量均显著高于40～60 cm土层（P<0.05）。上述结果说明，连续多代次植胶后土壤出现退化趋势。

关键词：橡胶园;种植代次;土壤有机碳;团聚体稳定性;土壤退化

中图分类号：S151.9      文献标识码：A

Abstract： Soil aggregates and soil organic carbon （SOC） are important indicators of soil quality. Exploring the effects of successive multi-generation rubber planting on soil aggregates and SOC can provide theoretical support for understand-ing the evolution law of soil quality in rubber plantations. In this study， the spatial and temporal intergenerational me-thod was used to collect soil samples in layers （0–20 cm， 20–40 cm and 40–60 cm） from rubber plantations of dif-ferent generations （first generation， second generation and third generation） with the same parent material， soil type and climatic conditions in Danzhou， Hainan. The changes of soil aggregates， bulk density， porosity and organic carbon （SOC） with planting generations and soil depth were studied. Soil bulk density of the third generation was significantly higher than that of the first and second generation rubber plantations （P<0.05）， and porosity， MWD and GMD of the first generation were significantly higher than that of the third generation rubber plantations （P<0.05）. In different soil depth， porosity decreased significantly with the increase of soil depth （P<0.05）. The proportion of large and medium aggregates in the third generation was significantly lower than that in the first generation of rubber plantation （P<0.05）， and the proportion of large and medium aggregates in the 0–20 cm soil layer was significantly higher than that in the 40–60 cm soil layer （P<0.05）. On the contrary， the proportion of soil microaggregates in the first generation was significantly lower than that in the third generation （P<0.05）， and the proportion of microaggregates increased with the soil depth increasing （P<0.05）. The soil total organic carbon content of the first generation was significantly higher than that of the third generation （P<0.05）， and the soil organic carbon content of the 0–20 cm soil layer was significantly higher than that of the 40–60 cm soil layer （P<0.05）. The content of organic carbon in soil aggregates decreased significantly with the increase of planting generation and soil depth （P<0.05）. The organic carbon content of both medium and micro aggregates in 0–20 cm soil layer was significantly higher than that in 40–60 cm soil layer （P<0.05）. The above results indicated that the soil degraded in some degree after multiple successive generations of rubber tree plantation.

Keywords： rubber plantation; planting generation; soil organic matter; aggregate stability; soil degradation

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.12.037

土壤团聚体在保持土壤结构稳定性方面发挥关键作用[1]，而其中的水稳性大团聚体的占比更是可以指示土壤质量[2]。橡胶林是热带地区重要的人工经济林，其主要由砍伐当地原始森林和次生林种植而来[3]。热带地区的土地利用变化势必会引起土壤质量发生改变[4-5]。许多学者研究了原始森林或次生林被替换为单一橡胶林后土壤团聚体和其他土壤理化性状的变化[6]，结果表明原始森林或次生林的水稳性大团聚体数量以及有机质含量都要高于单一橡胶林[7-8]。然而，橡胶树是一种多年生高大乔木，其生产周期可达20～30 a;加之在生产周期内，人为管理因素（割胶、施肥、修环山行、除草）也对土壤产生影响[9]。因此，在原始森林或次生林替换为橡胶林后，土壤团聚体以及其他土壤理化性状如何随橡胶种植代次变化也是值得研究的课题，这一问题的解答将有助于揭示橡胶林土壤质量内在演变规律。

目前，已有少数学者在不同地区开展了橡胶林土壤团聚体和其他一些理化性状随植胶年限发生变化的研究。Kurmi等[10]在印度的格里姆根杰地区研究了植胶10、15、25、34 a后土壤团聚体和土壤惰性碳的变化，发现不管哪种植胶年限的土壤中都是大土壤团聚体占主要部分，但是随着土壤深度的增加，其所占比重逐渐减小;同时还发现随着植胶年限的增加，平均重量直径和几何平均直径以及土壤惰性碳的含量都随着植胶年限的增加而增加。因此，他们认为成熟橡胶园在土壤质量恢复和减缓土壤退化过程中发挥着积极作用。王连晓等[11]研究了中国西双版纳地区不同植胶年限（10、20、30 a）橡胶林土壤团聚体分布特征，发现粒径>5 mm的团聚体和粒径>0.25 mm的水稳性团聚体的含量都是随着林龄的增加呈现先增加后下降的趋势;同时，土壤机械稳定性团聚体和水稳性团聚体的平均质量直径和平均几何直径也表现出同样的规律。因此，他们认为种植年限与表层土壤团聚体稳定性之间具有很强的相关性。

综上所述，目前已有的相关研究都多数集中于橡胶林土壤团聚体和其他土壤理化性状在橡胶树一个生产周期内（约30 a）的变化状况，缺乏在更长的时间尺度上（数个生产周期，一个生产周期之后对老的橡胶树进行砍伐并重新种植）进行研究。而实际情况是橡胶树的种植往往历经数个生产周期，因此，单个生产周期内的变化情况并不一定能完全反映土壤团聚体以及其他土壤理化性状在更长周期内的变化规律。同时，橡胶林土壤团聚体以及其他土壤理化性状在更长周期内的变化规律对揭示橡胶林土壤质量演变机理也具有更大价值。本研究的目的是探究橡胶林土壤团聚体以及其他土壤理化性质在不同生产周期间的变化规律，以期为揭示橡胶林土壤质量演变机理提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  研究区域及样地概况

研究区域位于海南省儋州市那大镇，地理位置19°28′～19°54′ N，109°28′～109° 51′ E（图1）。地形为丘陵山区，平均海拔139.3 m，年均气温23.2 ℃，属于热带岛屿季风气候。全年降雨受到季风影响，分布不均，旱季雨季明显，雨季为5—10月，旱季为11月至翌年4月，年平均降雨量为1815.6 mm。土壤类型为花岗岩发育形成的砖红壤，此类土壤土层浅薄，底层多砾石，土壤肥力易损失。

1.2  方法

1.2.1  土壤样品采集  在选择的橡胶林内按照“S”型路线选取10个代表性的样点进行土壤样品采集。采集土样时，先去除地表凋落物，再用内径为5.0 cm的土钻按照0～20、20～40、40～60 cm的深度分层采集土壤样品。同土层深度10个样品混合带回实验室，风干、去杂质、过1 mm筛后测定土壤有机碳。

在选取的10个取样点中，按单数选择，挖取长×宽×深分别为1 m×1 m×0.6 m的剖面5个，将每个剖面分为0～20、20～40、40～60 cm三个土层，用环刀法采集每一土层的原状土，用于测定土壤容重、孔隙度及团聚体。

1.2.2  测定方法  土壤容重用环刀法测定。土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）含量采用重铬酸钾氧化—外加热法[12]测定。土壤团聚体稳定性用湿筛法测定[13]。将样地采集的原状土中的土块破碎后过套筛（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm），按比例从各粒径级中，称取总重为50 g土样。将分离出的土样置于套筛（5、2、1、0.5、0.25、0.053 mm）顶部，沿桶壁加入去离子水，直至没过土样，浸泡10 min，竖直轻微震动5 min，缓慢取出套筛静置，將留在筛上的团聚体冲洗至培养皿中[14]，分为水稳性大团聚体、水稳性中团聚体及水稳性微团聚体[15]，在60 ℃烘箱中烘干称重，计算水稳性团聚体的质量分数，同时分析SOC浓度[16]。

1.3  数据处理

比较不同种植代次土壤属性之间差异时，将同一代次不同土层的土壤属性测试值进行平均，得到该代次的土壤属性代表值。

土壤团聚体平均重量直径（mean weight di-ameter，MWD）及平均几何直径（geometric mean diameter，GMD）[17]计算公式如下：

式中，xi 为第i和i-1个筛子孔径的平均值（mm）;yi为第i个筛子上水稳性团聚体干重占总团聚体干重的比例（%）;wi是各粒径土壤团聚体的重量。

采用双因素方差分析检验种植代次和土层深度是否对不同土壤参数存在显著影响（采用95%置信区间）。在方差分析之前，先对数据进行方差齐性检验。所有统计分析均在SPSS Statistics 20.0软件中进行。

2  结果与分析

2.1  土壤容重、孔隙度、MWD和GMD随植胶代次和土层深度的变化

表2给出了土壤容重、孔隙度、MWD和GMD随植胶代次和土层深度变化的信息。可以看出，随着植胶代次的增加，橡胶园土壤容重表现出增加趋势，第三代橡胶园的土壤容重显著高于第一代和第二代橡胶园;土壤容重随土层深度的增加也呈增加趋势，且不同土层深度之间的差异显著。与土壤容重的变化规律相反，土壤孔隙度随植胶代次的增加呈降低趋势，第三代橡胶园土壤孔隙度显著低于第一代、第二代橡胶园;土壤孔隙度随土层深度的增加也呈降低趋势，且不同土层深度之间差异显著。与土壤孔隙度的变化规律相似，MWD也是随着植胶代次的增加呈降低趋势，且第一代与第二代、第三代之间的差异显著;随着土层深度的增加，不同土层之间无显著性差异。GMD同样随着植胶代次的增加而呈降低趋势，但仅第一代橡胶园和第三代橡胶园之间的差异显著;GMD随土层深度的增加呈降低趋势，且0～ 20 cm土层与20～40 cm和40～60 cm土层之间的差异显著。植胶代次和土层深度的交互作用仅对孔隙度和MWD产生显著影响。

2.2  植胶代次和土壤深度对团聚体粒径分布的影响

表3表示土壤大团聚体、中团聚体及微团聚体随植胶代次和土层深度的变化情况。结果显示，随着植胶代次的增加，橡胶园土壤大团聚体占比呈降低趋势，且第三代橡胶园土壤大团聚体占比显著低于第一代橡胶园;土壤大团聚体占比随土层深度的增加呈降低趋势，40～60 cm土层土壤大团聚显著低于0～20 cm土层。随着种植代次的增加，不同代次之间土壤中团聚体占比无显著性差异;土壤中团聚体占比随土层深度的增加呈降低趋势，40～60 cm土层土壤中团聚显著低于0～20 cm土层。与土壤大、中团聚体占比变化趋势相反，土壤微团聚体占比随植胶代次的增加呈增加趋势，第一代橡胶园土壤微团聚体占比显著低于第二代和第三代橡胶园。土壤微团聚体占比随土层深度的增加而增加，且不同土层深度之间的差异显著。植胶代次和土层深度的交互作用对土壤大、中、微团聚体的影响不显著。

2.3  不同土壤团聚体有机碳含量随植胶代次和土层深度的变化

表4显示土壤有机碳及不同粒径团聚体有机碳含量随植胶代次和土层深度的变化趋势。结果显示，随着植胶代次的增加，橡胶园土壤有机碳含量呈降低趋势，且第一代橡胶园的土壤有机碳含量要显著高于第二代和第三代橡胶园;土壤有机碳含量随土层深度的增加呈降低趋势，0～20 cm土层土壤有机碳含量显著高于20～40 cm和40～ 60 cm土层。土壤大团聚体有机碳含量随种植代次和土层深度的增加呈降低趋势，在不同种植代次之间的差异均达到了显著水平;同时，不同土层深度之间的差异也达到了显著水平。随着种植代次的增加，土壤中团聚体有机碳含量也呈降低趋势，但不同代次之间无显著差異;在不同土层中，0～20 cm土层土壤中团聚体有机碳含量显著高于20～40 cm和40～60 cm土层。土壤微团聚体有机碳含量在各种植代次间的差异不显著;土壤微团聚体有机碳含量随土层深度的增加呈降低趋势，且0～20 cm土层与40～60 cm土层之间的差异显著。植胶代次和土层深度的交互作用对土壤大团聚体有机碳含量产生显著影响。

2.4  容重、孔隙度、有机碳、大团聚体、中团聚体、微团聚体、MWD及GMD相关性

表5显示土壤参数之间的相关性。结果显示，土壤容重与孔隙度、大团聚体、中团聚体、微团聚体以及GMD呈显著负相关，容重与有机碳和呈显著负相关。土壤孔隙度与有机碳、大团聚体、中团聚体及GMD呈显著正相关，孔隙度与MWD呈显著正相关，孔隙度与微团聚体呈显著负相关。

土壤有机碳与大团聚体、中团聚体MWD及GMD呈显著正相关，而与微团聚体呈显著负相关。大团聚体与中团聚体、MWD及GMD呈显著正相关，但与微团聚体呈显著负相关。中团聚体与GMD呈显著正相关，与MWD显著正相关，而与微团聚体呈显著负相关。微团聚体与GMD呈显著负相关，与MWD呈显著负相关。MWD和GMD呈显著正相关。

3  讨论

随着土层深度增加土壤容重呈增加趋势，而土壤孔隙度、MWD和GMD则呈降低趋势。这一变化趋势与印度[10]和中国[11]的研究结果相一致。随着植胶代次增加，土壤容重呈增加趋势，土壤孔隙度、MWD和GMD呈降低趋势，证明土壤结构稳定性是随着种植代次增加逐步降低的。韩艺师等[18]在海南针对4个不同种植代次的桉树林进行研究，同样发现随着连栽代次增加，土壤容重增加，而总孔隙度和稳定性显著降低。造成这一结果原因可能如下：一是人工管理过程中，压实表层土壤，导致土壤紧实度增加，孔隙度降低;二是人工管理（主要是锄草）减少了橡胶园土壤根系生物量，而根系具有锚固和抵抗土壤扰动的能力，因此，根系生物量的减少会导致橡胶园土壤物理性质的退化[19];三是由于连栽过程中，对土壤的翻耕等活动，可能对土壤结构造成扰动，从而降低土壤稳定性。

土壤大、中团聚体占比随着植胶代次的增加呈降低趋势，其原因可能为种植代次间的橡胶树砍伐和翻耕导致了土壤团聚体遭到破坏，同时由于行间带杂草的收割以及树叶等凋落物的收拢，减少了橡胶园有机物的输入量，而凋落物分解后产生的腐殖酸是形成大、中团聚体过程中很好的粘结剂[20]。同时，由于橡胶林是单一林种，且常年受到强烈的人为管理活动干扰，导致林下物种丰度较低[21]以及土壤动物和微生物活动弱，而土壤动物和微生物在活动过程中分泌的有机胶结物质也是土壤大、中团聚体形成的重要粘合剂[22]。由于上述原因导致土壤团聚体遭到破坏后难以补充[23]，进而引起橡胶林土壤水稳性大、中团聚体随植胶代次增减而减少。

橡胶园有机碳及大团聚体有机碳含量随着植胶代次的增加而降低，这一结果可能跟橡胶园管理方式有很大关系。一是本研究中的橡胶园每年都要进行行间杂草处理（用砍刀收割或打除草剂），导致行间土壤裸露，加之海南岛降雨量大，因而很容易造成橡胶园水土流失[24]，引起土壤有机质降低;二是橡胶园得不到充足的有机物料的输入，橡胶树基本不施有机肥，仅有的有机物料即为橡胶树自身凋落的叶片。这两个原因可能导致本研究中橡胶园土壤大团聚体有机碳含量随植胶代次增加而逐渐减少[25]。

综上，本研究结果显示：（1）橡胶林连续多代次种植后，土壤容重显著增加，土壤孔隙度、MWD和GMD显著降低;（2）土壤水稳性大、中团聚体粒径分布随种植代次增加而减少，表明土壤结构稳定性随种植代次增加而减弱;（3）橡胶林团聚体土壤有机碳的变化趋势符合团聚体占比的变化趋势，表明不同种植代次下，土壤团聚体变化可能是导致土壤SOC变化的重要原因。本研究的结果将有助于揭示砖红壤在多代次种植橡胶树条件下的质量演变规律。

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责任编辑：白  净