茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响

阳 祥,金 强,李先德,刘旭阳,尹晓雷,王维奇†,张永勋

(1.福建师范大学地理科学学院,350007,福州;2.中国农业科学院农业经济与发展研究所,100081,北京)

土壤团聚体作为土壤的基本结构和单元,是影响土壤质量和土壤健康的重要因素。不同粒径团聚体在改善土壤孔隙度、促进微生物活动和保持土壤养分方面发挥着不同作用,其稳定性对于预测土壤侵蚀、增强土壤肥力以及促进作物生长具有重要的参考价值[1]。同样,土壤碳、氮能够促进土壤团粒结构的形成,对提升团聚体稳定性也有重要作用[2]。因此,研究土壤团聚体与土壤碳、氮养分特征具有重要的意义。从国内外研究进展来看,关于土壤团聚体的研究大多关注于森林土壤、草甸土、水稻土等类型上[2-4],而关于亚热带茶园土壤团聚体的研究甚少。近年来,关于茶园土壤的研究主要集中在探讨植茶年限、土地利用变化、土壤改良剂应用等对其的影响上[5-7],虽然针对茶园土壤团聚体和碳氮养分的研究也开展了一些,但结论并不一致。因此,更为广泛地开展不同区域和管理模式下的茶园土壤团聚体及养分特征研究,对解释已有研究结论中不一致性的主要驱动因素,具有重要的理论价值,也可为茶园的科学管理提供技术支撑。

管理模式能改变土壤性质和结构,是影响茶树生长的直接因素[8]。即使在同一区域,不同种植管理模式下同一品种的产量和品质都有较大差异。亚热带地区,常见的茶园管理模式包括常规管理、覆盖与间作套种、配套现代技术模式等[8],但关于这些模式下土壤团聚体的变化特征研究均独立开展[6,9],而关于同一区域不同管理模式对茶园土壤团聚体和碳、氮含量特征影响的对比研究还鲜见报道。

福建作为中国茶叶的重要产地之一,具有悠久的茶文化和极佳的植茶气候条件。福建茶园面积为21.09万hm2,约占全国茶园总面积的10.5%,居全国第2[5]。福建省泉州市安溪县是全国最大的产茶县,全县共有茶园超过4万hm2,茶叶总产量6.8万t[10],安溪铁观音在当地经济发展中占有十分重要的地位,已成为脱贫致富的支柱产业,且作为中国重要农业文化遗产当前正在积极申报全球重要农业文化遗产。因此,全面评析不同茶园管理模式的综合效应十分必要。作为茶园功能的重要方面,土壤团聚体组成及其稳定性是否随着管理模式的改变而发生变化,这一演变与土壤碳、氮含量又有怎样的联系?为探索上述问题,笔者以安溪县3种不同管理模式下茶园土壤为研究对象,采用湿筛法研究不同茶园管理模式对土壤团聚体分布、稳定性及碳氮含量的影响,以期为茶园土壤科学管理、增产提质以及农业文化遗产地可持续发展提供理论依据和实践指导。

1 研究区概况

采样点位于福建省安溪县典型茶园分布区(E 118°6′35″、N 25°7′56″),该区域属亚热带海洋性季风气候,年均气温为19～21 ℃,年降雨量 1 600 mm,海拔271 m,茶树品种为安溪铁观音,土壤类型为红壤[11]。该地代表性管理模式如下:常规管理模式茶园(M1)(图1)、间作套种模式茶园(M2)和常规管理配套现代技术模式茶园(M3)。其中,M1模式是在2004年开始植茶,采用人工开沟覆土施肥,灌溉方式依靠自然降水和人工浇水,其他管理方式包括人工除草和修剪枯枝等措施。M2模式是在M1模式基础上套种龙眼树,从2012年开始套种,间作果树行株距为5 m×3 m,每亩(1亩=666.67 m2)套种50棵左右,管理方式为常规管理方式。而M3模式是在M1模式基础上配套采用现代滴灌、声控驱虫等技术,技术于2016年开始应用,灌溉模式采用自然降水与滴灌技术相结合。3种模式下茶树种植行株距均为 1.5 m×0.5 m,种植期间仅施加有机肥,有机肥由福建南安鸿盈有机肥公司生产,施肥时间为每年12月,施肥量均为 3.75 t/(hm2·a)。

图1 采样点示意图

2 材料与方法

2.1 土壤样品采集与测定

在采样点茶园设置M1、M2和M3共3个处理组,每个处理设置3个重复,共计9个小区,每个小区面积为25 m2。于2019年5月春茶采收期后进行土壤样品采集。在每个小区设置3个采样点,去除表面植被和枯枝落叶后,用便携式取土器采集 0～30 cm土层土样,每个样点均采集原状土壤,为减少运移过程的影响,每个原状土柱在取出后立即按 10 cm 间隔进行分层,共得到27个(3个处理×3个土层×3个重复)独立土壤样品。土样装入自封袋后通过便携式保温箱密封保存带回实验室,挑去残体根系后将土样一分为二,1份放入4 ℃冰箱冷藏待用,1份经自然风干后装入自封袋中保存待测。土壤pH值测定采用pH计(PHS-3C,美国)测定,水土比为2.5∶1;土壤电导率采用电导计(2265FS,美国)测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤密度采用环刀法测定;土壤全碳(total carbon, TC)、全氮(total nitrogen, TN)质量分数采用土壤碳氮元素分析仪(Elementar Vario MAX CN, 德国)测定[12]。

2.2 土壤团聚体测定与稳定性指标计算

团聚体测定参照Haynes[13]和Kong等[14]的方法做适当调整:称好已挑去肉眼可见杂质的鲜土100 g,装入自封袋并加适当水量浸泡24 h,将浸泡后的鲜土置于套筛顶部(套筛孔径从大到小依次为2.00、1.00、0.50和0.25 mm,底部装有底盒),并用网兜固定好整一套筛子,双手扶住套筛,确保套筛在水中不会分离,之后将套筛缓慢放入水桶中,使水面离套筛顶部约3 cm,以30次/min的速率在水中上下幅度保持3 cm左右震荡2 min,将各级粒径的土样分别洗入烧杯中,烘干后称量,记为Mi。土壤团聚体稳定性指标平均质量直径(mean weight diameter,MWD)和几何平均直径(geometric mean diameter,GMD)采用邱莉萍等[15]推导出的公式计算;土壤团聚体分形维数(fractal dimension,D)采用杨培岭等[16]推导的公式计算。

2.3 数据处理

原始数据的平均值及标准偏差的计算采用Excel 2016分析,并计算出土壤团聚体指标(包括百分含量Wi、D、MWD和GMD)的均值与标准差,0～30 cm土层综合的MWD、GMD和D是通过计算0～10、10～20和20～30 cm土层对应指标的平均值求得。不同管理模式相同土层和粒径的团聚体含量之间的差异性、相关参数以及土壤碳、氮含量之间的差异性均值用SPSS 23.0统计分析软件进行单因素方差分析(P<0.05),作图则用Origin 2019b软件。采用R语言对土壤理化性质与土壤团聚体各粒级含量及团聚体稳定性参数进行相关性分析。使用Cannoco 5软件,采用冗余分析进行土壤环境因子和团聚体稳定性参数的关系分析。

3 结果与分析

3.1 基本理化特征

总体来看,与M1相比,M2和M3土壤pH值均有所降低(图2),其中,M3土壤pH值在各土层中均显著低于M1(P<0.05),M2的土壤电导率在各土层上均显著高于M1(P<0.05)。特别是 0～10 cm 土层对管理模式的响应较为敏感,如M2在 0～10 cm 土层土壤pH值显著低于M1(P<0.05),土壤电导率、含水量显著高于M3(P<0.05)。土壤密度在不同土壤层次上差异均不显著。

不同小写字母表示同一土层下不同处理之间差异显著(P<0.05)(下同)。Different lowercase letters indicate significant differences between different treatments under the same soil layer (P<0.05) (the same below)

3.2 土壤团聚体的分布特征

M1、M2和M3在0～30 cm各土层以>0.25 mm粒级土壤团聚体为主,但其占全土的贡献及其组成中>0.25～0.50、>0.50～1.00和>1.00～2.00 mm 的相对比例在不同管理模式中也略有不同(图3)。对于0～0.25、>0.25～0.50和>0.50～1.00 mm 粒径团聚体来说,3种不同管理模式茶园土壤团聚体含量总体上在各土层的差异均不显著(P>0.05)。但>1.00～2.00 mm粒径团聚体含量在各土层上均呈现出M31.00～2.00 mm 粒径团聚体显著低于M1(P<0.05)。

图3 不同茶园管理模式下土壤团聚体的分布

3.3 土壤团聚体的稳定性特征

总体上看,M2和M3土壤团聚体稳定性参数MWD和GMD显著低于M1(表1,P<0.05),D均显著高于M1(图4a,P<0.05)。但在不同层次上的差异并不一致,在10～20 cm土层,土壤团聚体稳定性参数MWD和GMD表现出M30.05)。

表1 不同茶园管理模式下土壤团聚体MWD和GMD 含量特征

图4 不同茶园管理模式下土壤团聚体分形维数D及土壤碳、氮含量及C/N特征

3.4 土壤碳和氮质量分数特征

不同茶园管理模式下土壤碳、氮含量变化见图4b～d。总体来看,M1、M2和M3土壤碳、质量分数分别为(10.09±1.08)、(12.2±1.78)和(11.24±0.36) g/kg,M2和M3较M1分别增加20.82%和11.35%。M1、M2和M3土壤氮质量分数分别为(1.03±0.09)、(1.29±0.2)和(1.17±0.05) g/kg。M2和M3土壤碳氮含量一定程度上高于M1,但可能由于管理模式的改变年限较短,且采样样本量较小,在统计学上并未达到显著差异。这种M2和M3土壤碳氮含量略高于M1在不同土层中也有表现。

3.5 土壤团聚体各粒级含量、稳定性参数与土壤理化性质的相关性

选取土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD及不同粒级团聚体含量与pH值、含水量(water content)、土壤密度(bulk density)、电导率(conductivity)、C/N等环境因子进行冗余分析(图5)。第一轴和第二轴共同解释了变量的51.69%,其中pH值的解释度最大。分析发现pH值、电导率和C/N对土壤团聚体分布及稳定性有显著影响(P<0.05),根据各环境因子在第一轴的投影,pH值是影响茶园土壤团聚体分布和稳定性的主要因子。根据团聚体稳定性参数到环境因子的垂直距离越小,影响越大,因子间箭头的夹角呈锐角,则为正相关;夹角呈钝角,则为负相关。0～0.25 mm粒级土壤团聚体含量的主要影响因子是土壤C/N,呈负相关。>0.25～0.50 mm和>0.50～1.00 mm粒级土壤团聚体含量的主要影响因子是土壤全氮,呈正相关。MWD、GMD和>1.00～2.00 mm粒级土壤团聚体含量的主要影响因子是pH值,呈正相关。分形维数D的主要影响因子是电导率,呈正相关。

MWD、GMD和D为土壤团聚体稳定性参数;0～0.25、>0.25-0.50、>0.50-1.00和>1.00-2.00 mm为不同粒径土壤团聚体含量;TC为土壤全碳含量;TN为土壤全氮含量;C/N为土壤碳氮比。MWD, GMD and D are the stability parameters of soil aggregates. 0-0.25,>0.25～0.50,>0.50～1.00, and >1.00～2.00 mm are the content of soil aggregates of different particle sizes. TC is the total soil carbon content. TN is the total soil nitrogen content. C/N is the ratio of soil carbon to nitrogen

4 讨论

4.1 管理模式对茶园土壤理化性质的影响

同一地区不同栽培管理模式下,茶园土壤理化性质存在一定差异。土壤pH值会直接影响到土壤团聚体组成及其稳定性,并调节着植物根系养分吸收。本研究表明,M1、M2、M3茶园土壤pH值均较低,土壤存在一定的酸化特征。这与采样点的区位、环境条件、凋落物和根系分泌物等存在一定联系。首先,采样地高温多雨的气候条件会加速土壤有机质矿化和盐基物质淋失,使土壤中CEC和盐基饱和度降低,从而导致土壤pH值下降[17]。其次,茶树生长过程中会产生多酚类有机化合物,以凋落物和根际分泌物的形式长期积累也会引起土壤pH值的逐渐降低,且随着植茶年限的延长土壤酸化程度逐渐严重[18]。此外,由于茶树具有喜铵和聚集活性铝的作物特性而导致茶园土壤中H+含量增加,长期以来土壤pH值呈下降趋势[17]。同时,土壤酸碱度与管理模式下的水分管理以及外源有机物输入输出的动态平衡密切相关。试验区中均施加了等量有机肥,而水分管理的方式存在不同。这可能会影响土壤养分的淋溶下渗,从而间接使土壤微生态系统发生变化[10],微生物代谢产物与环境的相互作用也将进一步改变土壤酸度[8,10]。

另一方面,本研究表明,M2处理下土壤电导率和含水量均高于其他2种处理。研究发现,间作方式种植的茶园,不仅可增加土壤有机质含量和养分有效性[19],还可通过在茶园表层土壤留住水分或提高地下水含量以增加对植物根系有重要影响的0～20 cm土层的含水量,可以有效解决春茶采摘时期的水分供应不足问题[20]。多物种间作的复合茶园,由于果树等乔木的遮荫保水作用,减缓土壤水分流失的同时也增加了土壤水分保留量[8]。而土壤密度在处理间差异不大,这可能与M2和M3模式改变的年限小于10年,变化时间较短,土壤颗粒未发生太大变化有关,团聚体含量之间差异的不显著性,也进一步印证了这一观点。此外,在年均施肥量相同的情况下,M2和M3土壤碳、氮含量均较M1有所增加。这说明采用间作套种模式和配套现代技术对茶园土壤肥力提升具有一定的积极作用。

4.2 管理模式对茶园土壤团聚体组成和分布的影响

土壤团聚体作为有机碳存在的场所可以保护有机碳免遭降解,同时土壤中的碳又能反过来促进团粒结构的形成[1]。本研究表明,M1、M2和M3在 0～30 cm 土层均以>0.25 mm粒级团聚体为主,这与陈玉真等[7]对茶园团聚体的研究结果相类似。一般来说,>0.25 mm团聚体的含量越高,越有利于维持土壤结构的稳定性[21]。从不同管理模式来看,M1在0～30 cm土层的大团聚体含量高于M2和M3。其主要原因为:在M1模式基础上,通过新增套种果树或增加喷灌等现代技术,均会在一定程度上对原有茶园有所干扰。这种干扰也会在某种程度上使部分大团聚体发生破碎化[8-9],从而影响大团聚体的形成。此外,已有研究认为间作模式下土壤大团聚体的数量与土壤微生物群落组成有关[22],微生物是形成土壤团聚体最活跃的生物因素,其演变方向将决定团聚体的形成。孔维栋等[23]研究发现施用有机肥后反而导致土壤微生物多样性降低,将不利于土壤团聚体的形成。该因素是否是本研究中M2和M3模式大团聚体在短期内略有降低的原因,值得进一步研究。另一方面,<0.25 mm微团聚体在土壤碳固定方面更具优势,在物理保护作用下,微团聚体有机碳的稳定性比大团聚体更高[24]。本研究中M2和M3处理总体上碳含量高于M1,亦与此相互印证。同时,在<0.25 mm的微团聚体中存在较多的稳定性芳香族有机碳聚集[1],这将对茶园的地力提升发挥积极作用。与M1相比,M2和M3模式对土壤大团聚体物理作用对碳氮养分的固持作用减弱。这种演变是否会驱动土壤矿物固持以及微生物调控作用在碳与养分循环中的重要性凸显,仍不清楚,有待于今后进一步深入的研究予以揭示。

4.3 管理模式对茶园土壤团聚体稳定性的影响

土壤团聚体的稳定性是指团聚体抵抗外力作用或外部环境变化而保持其原有形态的能力。一般认为,MWD和GMD值越大,土壤抗侵蚀能力越强;D值越小,土壤团聚效果越好且团聚体结构越稳定[1]。本研究中,土壤团聚体稳定性参数MWD和GMD之间呈显著正相关,且两者均与分形维数D呈显著负相关,进一步印证了不同稳定性参数之间表征的规律具有一致性。这与陈晓旋等[2]的研究发现相一致。综观本研究的结果,土壤团聚体MWD和GMD均表现为M1>M2>M3,D值表现为M1

5 结论

1)与常规管理模式相比,间作套种模式和常规管理配套现代技术模式下土壤pH值均有所降低,间作套种模式茶园的土壤电导率在各土层上均显著高于常规管理模式,但土壤密度在各处理中差异均不显著。

2)3种管理模式在0～30 cm各土层均以>0.25 mm粒级团聚体为主,但其在不同模式中的相对贡献以及不同粒级大团聚体的组成并不一致。

3)间作套种模式和常规管理配套现代技术模式下土壤团聚体稳定性参数MWD和GMD显著低于常规管理模式(P<0.05),D均显著高于常规管理模式(P<0.05),3种稳定性指标对团聚体稳定性的表征具有一致性,总体上表现为:常规管理配套现代技术模式<间作套种模式<常规管理模式。

4)冗余分析表明茶园土壤pH值与土壤团聚体稳定性参数MWD、GMD呈显著正相关,这说明茶园土壤团聚体分布及其稳定性主要受土壤pH值调控。