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摇第 21 卷摇 第 5 期2023 年 10 月中 国 水 土 保 持 科 学Science of Soil and Water ConservationVol.21摇 No.5Oct.2023茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响阳摇 祥1,金摇 强1,李先德2,刘旭阳1,尹晓雷1,王维奇1覮,张永勋2(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)摘要:为了分析不同茶园管理模式对土壤团聚体稳定性及碳、氮含量的影响,选取福建安溪铁观音茶园土壤为研究对象,设置常规管理模式茶园(M1)、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)3 种处理,采集 3 种茶园管理模式下 0 30 cm 土样,利用湿筛法获得 4 种粒级的土壤团聚体,通过平均质量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和分形维数(D)来表示团聚体的稳定性,并对土壤碳、氮含量进行测定。结果表明:1)M1、M2 和M3 模式均以 0郾 25 mm 粒级土壤团聚体为主;2)土壤团聚体稳定性综合表现为 M1 M2 M3;3)分形维数 D 与MWD、GMD 之间呈显著负相关(P 0郾 01),而土壤 pH 值与土壤团聚体稳定性参数 MWD、GMD 呈显著正相关,与 D呈显著负相关(P 0郾 25 mm were dominant.3)The stability of soil aggregates was M1 M2 M3.4)Soil carbon and nitrogen contents of M2 and M3treatments were higher than those of other management modes in M1 mode of 0-30 cm soil layers.5)Soil pH were positively correlated with MWD and GMD(P 0郾 01),and negatively correlated with D(P 0郾 01).Moreover,D was negatively correlated with MWD,and GMD(P 0郾 01).Redundancyanalysis showed that soil pH was the main factor affecting the distribution and stability of soil aggregatesin tea gardens.Conclusions On the whole,there were significant differences in the stabilitycharacteristics of tea garden soil aggregates under different management modes.Management modeaffected the distribution and stability of soil aggregates by changing the physical and chemical propertiesof tea garden soil.Keywords:soil aggregates;carbon and nitrogen;management modes;tea garden;intercropping;dripirrigation摇 摇 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郾 09 万 hm2,约占全国茶园总面积的10郾 5%,居全国第25。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郾 8 万 t10,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摇 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毅6忆35义、N 25毅7忆56义),该区域属亚热带海洋性季风气候,年均气温为 19 21 益,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 伊 3 m,每亩(1 亩=666郾 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28摇摇 第 5 期阳祥等:茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响图 1摇 采样点示意图Fig.1摇 Schematic diagram of sampling sites location摇套采用现代滴灌、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郾 5 m 伊 0郾 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郾 75 t/(hm2 a)。2摇 材料与方法2郾 1摇 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 伊3 个土层 伊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 益 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(PHS3C,美国)测定,水土比为 2郾 5颐 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郾 2摇 土壤团聚体测定与稳定性指标计算团聚体测定参照 Haynes13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郾 00、1郾 00、0郾 50 和 0郾 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 diame鄄ter,MWD)和几何平均直径(geometric mean diame鄄ter,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郾 3摇 数据处理原始数据的平均值及标准偏差的计算采用 Ex鄄cel 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 30cm 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郾 0 统计分析软件进行单因素方差分析(P 0郾 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摇 结果与分析3郾 1摇 基本理化特征总体来看,与 M1 相比,M2 和 M3 土壤 pH 值均38摇中国水土保持科学2023 年摇 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郾 05)(下同)。Different lowercase letters indicatesignificant differences between different treatments under the same soil layer(P 0郾 05)(the same below)图 2摇 茶园土壤基本理化性质Fig.2摇 Basic physical and chemical properties of tea garden soil摇有所降低(图 2),其中,M3 土壤 pH 值在各土层中均显著低于 M1(P 0郾 05),M2 的土壤电导率在各土层上均显著高于 M1(P 0郾 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郾 05),土壤电导率、含水量显著高于 M3(P 0郾 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郾 25 0郾 50、0郾 50 1郾 00 和 1郾 00 2郾 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郾 25、0郾 25 0郾 50 和 0郾 50 1郾 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郾 05)。但 1郾 00 2郾 00 mm 粒径团聚体含量在各土层上均呈现出 M3 M2 1郾 00 2郾 00 mm 粒径团聚体显著低于 M1(P 0郾 05)。3郾 3摇 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郾 05),D 均显著高于 M1(图 4a,P 0郾 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 M3 M2 M1 的一致规律(P 0郾 05),D 表现为 M1 M2 0郾 05)。3郾 4摇 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郾 09 依 1郾 08)、(12郾 2 依 1郾 78)和(11郾 24 依0郾 36)g/kg,M2 和 M3 较 M1 分别增加 20郾 82%和11郾 35%。M1、M2 和 M3 土壤氮质量分数分别为(1郾 03 依0郾 09)、(1郾 29 依 0郾 2)和(1郾 17 依 0郾 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。48摇摇 第 5 期阳祥等:茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响摇 摇 摇图 3摇 不同茶园管理模式下土壤团聚体的分布Fig.3摇 Distribution of soil aggregates under different tea garden management modes摇表 1摇 不同茶园管理模式下土壤团聚体 MWD 和 GMD 含量特征Tab.1摇 Content characteristics of soil aggregates MWD and GMD under different tea garden management modesmm指标 Index处理 Treatment0 10 cm10 20 cm20 30 cm综合 ComprehensiveM10郾 79 依0郾 04a0郾 84 依0郾 03a0郾 73 依0郾 10a0郾 79 依0郾 03aMWDM20郾 67 依0郾 08a0郾 63 依0郾 01b0郾 65 依0郾 01a0郾 65 依0郾 01bM30郾 64 依0郾 01a0郾 58 依0郾 02b0郾 61 依0郾 01a0郾 61 依0郾 02bM10郾 52 依0郾 01a0郾 55 依0郾 02a0郾 46 依0郾 08a0郾 51 依0郾 03aGMDM20郾 42 依0郾 05a0郾 39 依0郾 01b0郾 41 依0郾 01a0郾 41 依0郾 01bM30郾 43 依0郾 01a0郾 37 依0郾 03b0郾 38 依0郾 02a0郾 39 依0郾 02b摇 注:不同小写字母表示指标在同一列不同处理间差异显著(P 0郾 05).Notes:Different lowercase letters indicate significant differences betweendifferent treatments in the same column(P 0郾 05).3郾 5摇 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 con鄄tent)、土壤密度(bulk density)、电导率(conductivi鄄ty)、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郾 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郾 25 0郾 50 mm 和 0郾 50 1郾 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郾 00 2郾 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。4摇 讨论4郾 1摇 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58摇中国水土保持科学2023 年图 4摇 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Fig.4摇 Fractal dimension D of soil aggregates,and soil carbon and nitrogen content and C/N ratiocharacteristics under different management modes摇 MWD、GMD 和 D 为土壤团聚体稳定性参数;0 0郾 25、0郾 25-0郾 50、0郾 50-1郾 00 和 1郾 00-2郾 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 aggre鄄gates.0-0郾 25,0郾 25 0郾 50,0郾 50 1郾 00,and 1郾 00 2郾 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 con鄄tent.C/N is the ratio of soil carbon to nitrogen图 5摇 土壤团聚体稳定性指标与土壤理化性质的冗余分析Fig.5摇 Redundancy analysis of soil aggregate stabilityindicators and soil physical and chemical factors摇收。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68摇摇 第 5 期阳祥等:茶园管理模式对土壤团聚体稳定性与碳氮含量的影响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郾 2摇 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郾 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郾 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郾 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 M2 M3,D 值表现为 M1 M2 0郾 25 mm 粒级团聚体为主,但其在不同模式中的相78摇中国水土保持科学2023 年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郾 05),D 均显著高于常规管理模式(P 0郾 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。6摇 参考文献1摇 徐香茹,汪景宽.土壤团聚体与有机碳稳定机制的研究进展J.土壤通报,2017,48(6):1523.XU Xiangru,WANG Jingkuan.A review on different sta鄄bilized mechanisms of soil aggregates and organic carbonJ.Chinese Journal of Soil Science,2017,48(6):1523.2摇 陈晓旋,黄晓婷,陈优阳,等.炉渣与生物炭配施对福州平原稻田土壤团聚体及碳、氮分布的影响J.环境科学学报,2018,38(5):1989.CHEN Xiaoxuan,HUANG Xiaoting,CHEN 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