寿宁设施葡萄园土壤有机碳与其物理性质的相关性分析

范晓晖，刘文婷，谢星，陈慕松，吴寿华

（1. 宁德市农业科学研究所，福建福安 355017；2. 宁德市扶贫开发服务中心，福建宁德 352100）

土壤是陆地生态系统中最大的碳库，全球约有1.5万亿吨碳以有机形态储存在土壤中。土壤有机碳库约是陆地植被碳库的2～3倍，已成为全球碳循环的重要组成部分[1-3]。土壤是生态系统的重要组成部分，农田土壤有机碳作为土壤肥力和土壤质量评价的重要指标得到广泛的关注[4-6]，而人类对耕地利用方式的改变是影响土壤有机碳循环的主要因素[7-9]。随着葡萄产业的发展，葡萄栽培模式也由原来的大田农业生产向避雨栽培模式转变[10]。设施栽培模式改变了葡萄园温度、光照、湿度等环境因素，使其形成一个高温、高湿、高蒸发、无雨淋溶的特殊小气候环境[11]，导致园内的土壤性质及环境也发生了很大的变化，因而越来越受到研究者的关注。

张永慧等[12]研究表明，设施葡萄与蔬菜间作可增加土壤有机质及其他养分含量，增加土壤酶活性，优化土壤团聚体结构。但关于葡萄园土壤有机碳含量的研究主要集中在对其丰缺度的评价。刘佳等[13]对京津冀地区葡萄园土壤肥力水平进行调查分析，结果表明研究区土壤有机质含量均值较低，且天津地区的有机质含量呈逐渐下降趋势。对广东东莞地区和黑龙江大庆地区葡萄园土壤养分进行分析均表明，葡萄园的土壤有机质含量较低[14-15]。而针对葡萄园土壤物理性质与有机碳含量关系的研究则鲜有报道。

诸多研究已表明，土壤有机碳与土壤物理性质之间关系密切且相互影响，土壤物理性质通过影响作物根系和土壤微生物的生存环境，影响土壤有机碳含量及其分布；土壤有机碳则通过影响土壤养分的供应能力，改变了作物根系生长和分布及土壤结构[16-18]。为此，本研究以福建省寿宁县千亩高优示范园区为研究对象，选取14个代表性设施葡萄园，测定设施葡萄园土壤剖面的土壤有机碳含量及相关土壤物理性质，旨在揭示设施葡萄园土壤有机碳含量与土壤物理性质的关系，以提高福建省设施葡萄园科学管理水平，并为福建省设施葡萄园土壤改良及碳库研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

寿宁县位于福建东北部，海拔500～1200 m，属中亚热带山地气候，年平均气温13～19 ℃，年日照时数1760 h，活动积温达4745～6570 ℃，≥10 ℃的有效积温4249 ℃，年降水量1976 mm，无霜期250 d，气候条件有利于优质葡萄生产。研究区位于寿宁县凤阳镇，与福安市晓阳镇、周宁县纯池镇接壤。调查区设施葡萄园常规管理。基肥：11月亩施腐熟有机肥 1000～2000 kg，钙镁磷肥 100 kg；萌芽肥：3月上旬，萌芽前10～15 d，亩施复合肥30～40 kg；膨果肥：6月上旬，果实黄豆粒大时，亩施复合肥30～40 kg；转色肥：7 月中下旬（套袋前10 d），果实进入二次膨大，亩施复合肥20 kg、硫酸钾25～30 kg。设施葡萄园内保持排水顺畅不积水，农户撒施化肥前后各浇水一次，遇旱则及时灌水。

1.2 样品采集及测定

通过对寿宁县千亩高优农业示范园区（葡萄）实地调查，选取代表性设施葡萄园，共布设采样点14个。按照0～20、20～40、40～60 cm深度分层取样，其中3号和6号样点取样深度至40 cm，故共采集有效土壤样品40个。每个土壤样品按照“四分法”取1.0 kg装入洁净的塑料自封袋中，带回实验室，自然风干，并去除杂草、砾石等杂物，再研磨过筛分装。土壤有机碳含量采用重铬酸钾容量法测定；土壤孔隙度、土壤容重采用环刀法测定，土壤机械组成采用比重计法测定[19]。

1.3 数据分析

数据采用Excel 2010整理，通过SPSS 19.0统计软件进行相关分析和通径分析。通径分析参照杜家菊等[20]的方法进行，将相关系数分解为直接通径系数和间接通径系数分别计算。

2 结果与分析

2.1 土壤有机碳含量及土壤物理性质统计分析

由表1可知，寿宁设施葡萄园土壤有机碳含量随土层深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤有机碳含量相较于20～40、40～60 cm分别高出了1.81 g·kg-1和3.76 g·kg-1，存在明显的表聚性特点，但各土层间差异不显著。各土层土壤有机碳含量分布变异系数依次为：0～20 cm＞40～60 cm＞20～40 cm，均属于中等变异。

表1 寿宁设施葡萄园土壤有机碳含量及土壤物理性质统计分析Table 1 The statistical values of soil organic carbon content and soil physical properties of facility vineyards in Shouning

寿宁设施葡萄园土壤总孔隙度、土壤毛管孔隙度和土壤通气孔隙度随着土壤深度的增加而降低，其中0～20 cm土壤总孔隙度显著高于20～40 cm和40～60 cm土层，分别高出8.60、11.60个百分点；0～20 cm土壤毛管孔隙度显著高于20～40 cm和40～60 cm土层，分别高出8.31、11.11个百分点；0～20 cm土壤通气孔隙度分别高出20～40 cm和40～60 cm土层0.29、0.49个百分点，但各土层间差异不显著。土壤容重则随土壤深度的增加而增加，0～20 cm土壤容重相较于20～40 cm和40～60 cm分别降低了6.98%和10.45%，但各土层间差异不显著。

寿宁设施葡萄园土壤机械组成中，土壤粘粒含量随土壤深度的增加而降低；0～20 cm和20～40 cm土壤粉粒含量均值相等，且均低于40～60 cm，但土壤粉粒含量最高值出现在20～40 cm，各土层的最小值均为8%；而土壤砂粒含量的分布状况则随土壤深度的增加而增加，各土层的土壤机械组成之间差异均不显著。

2.2 土壤有机碳与土壤物理性质的通径分析

本研究选取的土壤物理性质除土壤总孔隙度和土壤粘粒含量外，其他指标均与土壤有机碳含量存在一定的相关性。其中由表2可知，寿宁设施葡萄园0～20 cm土壤有机碳含量与土壤物理性质相关性均不显著。其中，0～20 cm土壤有机碳含量与土壤通气孔隙度的直接通径系数绝对值最高（﹣0.745），但与两者相关系数（﹣0.287）相差较大，这主要是因为土壤通气孔隙度通过其他4个土壤物理性质对0～20 cm土壤有机碳含量的总间接作用值较大，且除土壤砂粒含量外均为正效应。土壤毛管孔隙度对0～20 cm土壤有机碳含量的直接影响为正效应，但由于受到土壤通气孔隙度和土壤砂粒含量对0～20 cm土壤有机碳含量间接负效应的影响，使得两者的相关系数仅为0.001。土壤容重对0～20 cm土壤有机碳含量的直接影响为负效应，受到土壤通气孔隙度和土壤砂粒含量对0～20 cm土壤有机碳含量间接正效应的影响，使得两者相关系数降低。土壤粉粒对0～20 cm土壤有机碳含量的直接影响为负效应，但由于受土壤砂粒和土壤通气孔隙度对0～20 cm土壤有机碳间接正效应的影响，最终使得两者的相关性呈正相关。土壤砂粒对0～20 cm土壤有机碳含量的直接影响为负效应，受到土壤毛管孔隙度、土壤容重和土壤粉粒对0～20 cm土壤有机碳含量的间接正效应的影响，使得两者相关性强度降低。

表2 寿宁设施葡萄园0～20 cm土壤有机碳含量和土壤物理性质的通径系数Table 2 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 0-20 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

由表3可知，土壤物理性质与20～40 cm土壤有机碳含量的相关性强度依次为：土壤容重>土壤毛管孔隙度>土壤通气孔隙度>土壤砂粒含量>土壤粉粒含量。其中，20～40 cm土壤有机碳含量仅与土壤容重呈极显著负相关，与土壤毛管孔隙度、土壤通气孔隙度和土壤粉粒含量均为正相关。土壤毛管孔隙度对20～40 cm土壤有机碳含量的直接影响较小，虽然土壤通气孔隙度和土壤粉粒含量对20～40 cm土壤有机碳含量产生一定的负效应，但由于土壤容重对20～40 cm土壤有机碳含量的间接正效应值较大，从而使得土壤毛管孔隙度与20～40 cm土壤有机碳含量的相关性增加。土壤容重对20～40 cm土壤有机碳含量的直接影响最大，且为负效应，同时土壤其它物理特性因子对20～40 cm土壤有机碳含量的间接效应也为负效应，因此进一步增加了土壤容重与20～40 cm土壤有机碳含量的相关性。土壤粉粒含量与对20～40 cm土壤有机碳含量的影响为负效应，但由于受到土壤砂粒含量对20～40 cm土壤有机碳含量间接正效应的影响，最终使得两者的相关性呈正相关。

表3 寿宁设施葡萄园20～40 cm土壤有机碳含量和土壤物理特性的通径系数Table 3 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 20-40 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

由表4可知，土壤物理性质与40～60 cm土壤有机碳含量的相关性强度依次为：土壤容重>土壤毛管孔隙度>土壤粉粒含量>土壤通气孔隙度>土壤砂粒含量。其中，40～60 cm土壤有机碳含量仅与土壤容重呈极显著负相关。土壤毛管孔隙度和土壤通气孔隙度与40～60 cm土壤有机碳含量的相关性为正相关，但对40～60 cm土壤有机碳含量直接影响均为负效应，这主要受到土壤容重对40～60 cm土壤有机碳含量间接正效应的影响，最终使得两者的相关性呈正相关；土壤容重对40～60 cm土壤有机碳含量的直接影响最大，而土壤砂粒含量对40～60 cm土壤有机碳含量间接负效应的影响较小，且其他土壤物理性质对40～60 cm土壤有机碳含量间接影响为正效应，但两者间的相关性强度依然较高；土壤粉粒含量对40～60 cm土壤有机碳含量的直接影响强度仅次于土壤容重，且为正效应，但由于受到土壤容重、土壤砂粒含量对40～60 cm土壤有机碳含量间接负效应的影响，所以两者的相关性呈负相关。土壤砂粒含量对40～60 cm土壤有机碳含量的直接影响为正效应，但由于受到土壤粉粒对40～60 cm土壤有机碳含量的间接负效应的影响，从而减弱了两者的相关性。

表4 寿宁设施葡萄园40～60 cm 土壤有机碳含量和土壤物理特性的通径系数Table 4 The path coefficients of soil organic carbon and soil physical properties in 40-60 cm soil layer of facility vineyards in Shouning

2.3 土壤有机碳与土壤物理性质之间的回归模型

由表5可知，设施葡萄园各土层土壤物理性质与土壤有机碳含量之间的多元线性回归模型的决定系数（R2）随着土层深度的增加而增加，说明多元线性回归模型对设施葡萄园土壤有机碳含量垂直分布的解释能力不断增加；同时剩余通径系数则随之降低，0～20 cm和20～40 cm剩余通径系数均＞0.5，说明除本研究选取的土壤物理性质外，其他对0～20 cm和20～40 cm土壤有机碳含量影响较大的因素还未被考虑进来；40～60 cm剩余通径系数＜0.5，说明土壤毛管孔隙度、土壤通气孔隙度、土壤容重、土壤粉粒和土壤砂粒含量是影响40～60 cm设施葡萄园土壤有机碳含量的主要影响因素。

表5 寿宁设施葡萄园土壤有机碳含量和土壤物理特性的多元线性回归模型Table 5 Multiple linear regression model of soil organic carbon content and soil physical properties of facility vineyards in Shouning

3 讨论与结论

本研究结果表明，设施葡萄园土壤有机碳具有表聚性，且随土壤深度的增加而减少，这主要是因为葡萄园作为人工种植园，表层土壤受到施肥、翻耕等人为经营措施的干扰，物质和能量在土壤中向下传递的过程明显被削弱[21]，且土壤微生物的活性及固碳能力也随着土壤深度的增加而减弱[22]，因此，设施葡萄园土壤有机碳含量呈垂直递减的分布规律。按照我国目前沿用的“Van Bemmelen因数”1.724作为有机碳和有机质的转换系数[23]，本研究区设施葡萄园0～20、20～40、40～60 cm土壤有机质含量分别为33.07、29.95、26.58 g·kg-1，参照我国第二次土壤普查养分分级标准，0～20 cm土壤有机质含量处于较丰富水平、20～40 cm和40～60 cm土壤有机质含量处于中等水平。

设施葡萄园0～20 cm土壤有机碳含量与土壤物理性质相关关系均不显著，20～40 cm和40～60 cm土壤有机碳含量均与土壤容重呈极显著负相关，其中20～40 cm土壤物理性质的直接通径系数绝对值依次为：土壤容重>土壤砂粒含量>土壤粉粒含量>土壤通气孔隙度>土壤毛管孔隙度，40～60 cm土壤物理性质的直接通径系数绝对值依次为：土壤容重>土壤粉粒含量>土壤砂粒含量>土壤毛管孔隙度>土壤通气孔隙度。因此，20～40 cm和40～60 cm土壤容重主要通过直接作用影响土壤有机碳含量，而其他土壤物理性质则通过因子间的相互作用影响土壤有机碳含量。分析其原因，可能是设施葡萄园土壤在受到人为扰动的环境下，加之设施避雨栽培模式使得土壤环境状况受到改变，从而导致其与土壤物理性质之间的直接相关关系减弱。

设施葡萄园各土层土壤有机碳含量与土壤物理性质的多元线性回归模型拟合结果表明，设施葡萄园各土层土壤物理性质与土壤有机碳含量之间的多元线性回归模型的决定系数（R2）随着土层深度的增加而增加，但0～20 cm和20～40 cm回归模型的剩余通径系数＞0.5，说明除了本研究所选取的土壤物理性质外，还有较大的其他影响因素未被考虑到[24]，这有待接下来进一步研究。而40～60 cm回归模型的剩余通径系数＜0.5，说明本研究所选取的土壤毛管孔隙度、土壤通气孔隙度、土壤容重、土壤粉粒含量和土壤砂粒含量是主要影响因素。

针对当前设施葡萄园土壤结构差、板结严重等普遍性问题，土壤物理性质作为影响土壤有机碳含量的重要因素，应引起大家的重视。在设施葡萄园管理过程中不仅要注重土壤养分的补充，还需要加强对土壤物理结构的改良提升，促进土壤环境健康发展，提高设施葡萄园土壤固碳能力，提升土壤有机碳含量，以保障设施葡萄园土壤的可持续利用。