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。
在位于研究区的中国热带农业科学院试验场三队、六队和十一队分别选取种植一代、二代和三代的橡胶林（表1）。其中,第一代橡胶林种植于2006年;第二代橡胶林初始种植于1981年,经砍伐后再于2008年种植第二代;第三代橡胶林初始种植于1959年,经过两轮砍伐后于2009年种植第三代。第一代、第二代和第三代橡胶林所处地块的成土母质、土壤类型以及所处区域的气候条件都是相同的,另外橡胶林的管理措施也是一致的。因此,本研究所选取的不同代次橡胶林所处样地的土壤属性本底值是相似的。
表1 研究样地基本情况Tab. 1 General information of sampling plots |
| 植胶代次 Planting generation | 纬度（N） Latitude | 经度（E） Longitude | 海拔 Elevation/m | 坡度 Slope/° |
|---|---|---|---|---|
| 第一代胶园（F1） | 19°54′ | 109°48′ | 194.00 | 15~20 |
| 第一代胶园（F2） | 19°47′ | 109°49′ | 115.64 | 0~5 |
| 第一代胶园（F3） | 19°54′ | 109°51′ | 130.69 | 0~5 |
| 第二代胶园（S1） | 19°52′ | 109°48′ | 144.00 | 0~5 |
| 第二代胶园（S2） | 19°48′ | 109°49′ | 108.53 | 0~5 |
| 第二代胶园（S3） | 19°54′ | 109°54′ | 113.12 | 0~5 |
| 第三代胶园（T1） | 19°54′ | 109°47′ | 149.22 | 0~5 |
| 第三代胶园（T2） | 19°51′ | 109°50′ | 146.00 | 0~5 |
| 第三代胶园（T3） | 19°54′ | 109°50′ | 139.54 | 0~5 |
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,将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 diameter,MWD）及平均几何直径（geometric mean diameter,GMD）[17]计算公式如下：
$MWD=\sum\limits_{i=1}^{n}{{{x}_{i}}{{y}_{i}}}$
$GMD=\frac{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{w}_{i}}ln{{x}_{i}}}}{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{y}_{i}}}}$
$GMD=\frac{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{w}_{i}}ln{{x}_{i}}}}{\sum\nolimits_{i=1}^{n}{{{y}_{i}}}}$
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。
表2 不同种植代次、土层深度及其交互作用下的土壤容重、孔隙度、MWD、GMD和SOC含量Tab. 2 Soil bulk density, porosity, MWD, GMD and SOC contents under different planting generations, soil depth and their interactions |
| 变量 Variable | 类别 Category | 土壤容重 Bulk density/(g·cm-3) | 孔隙度 Porosity/% | 平均重量直径 MWD/mm | 平均几何直径 GMD/mm |
|---|---|---|---|---|---|
| 植胶代次 | 第一代胶园 | 1.46±0.15b | 42.37±1.87a | 1.46±0.02a | 1.27±0.01a |
| 第二代胶园 | 1.48±0.01b | 41.14±0.78a | 1.28±0.02b | 1.25±0.01ab | |
| 第三代胶园 | 1.54±0.03a | 36.55±1.31b | 1.26±0.02b | 1.23±0.01b | |
| 土层深度 | 0~20 cm | 1.43±0.01c | 44.16±1.15a | 1.35±0.05a | 1.28±0.01a |
| 20~40 cm | 1.51±0.02b | 40.31±1.19b | 1.32±0.03a | 1.24±0.01b | |
| 40~60 cm | 1.55±0.02a | 35.61±0.92c | 1.33±0.03a | 1.23±0.01b | |
| P值 | 代次 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 |
| 深度 | <0.05 | <0.05 | 0.25 | <0.05 | |
| 代次×深度 | 0.09 | <0.05 | <0.05 | 0.82 |
注：土壤物理属性的统计值为均值,不同字母表示同一类别内不同种植代次、不同土层间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: The statistical values of soil physical properties are mean values, and different letters mean significant difference among different planting generations and different soil layers in the same category (P<0.05). |
表3 不同植胶代次、土层深度及其交互作用下的土壤大、中和微团聚体占比Tab. 3 Proportion of macro aggregates, medium aggregates and micro aggregates in soil under different plant gum generations, soil depth and interaction |
| 变量 Variable | 类别 Category | 土壤大团聚 Macro aggregates/% | 土壤中团聚体 Medium aggregates/% | 土壤微团聚体 Micro aggregates/% |
|---|---|---|---|---|
| 植胶代次 | 第一代胶园 | 5.62±0.57a | 45.78±1.38a | 47.49±1.84b |
| 第二代胶园 | 4.73±0.36ab | 41.42±1.46a | 50.81±1.98a | |
| 第三代胶园 | 3.21±0.39b | 40.61±1.61a | 53.10±1.63a | |
| 土层深度 | 0~20 | 5.60±0.55a | 47.27±1.10a | 44.59±1.07c |
| 20~40 | 4.74±0.47ab | 42.09±1.27b | 50.91±1.27b | |
| 40~60 | 3.21±0.32b | 38.46±0.91b | 55.91±1.07a | |
| P值 | 代次 | <0.05 | <0.05 | <0.05 |
| 深度 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | |
| 代次×深度 | 0.34 | 0.97 | 0.87 |
注：土壤物理属性的统计值为均值,不同字母表示同一类别内不同种植代次、不同土层间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: The statistical values of soil physical properties are mean values, and different letters mean significant difference among different planting generations and different soil layers in the same category (P<0.05). |
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异;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。
表4 不同植胶代次、土层深度及其交互作用下各粒径团聚体内有机碳的含量Tab. 4 Content of organic carbon in agglomerates with different particle sizes under different generations, soil depth and interaction |
| 变量 Variable | 类别 Category | 有机碳 SOC/(g·kg-1) | 大团聚体有机碳 Macro aggregates SOC/(g·kg-1) | 中团聚体有机碳 Medium aggregates SOC/(g·kg-1) | 微团聚体有机碳 Micro aggregates SOC/(g·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 种植代次 | 第一代胶园 | 18.38±1.01a | 2.85±0.62a | 6.34±0.87a | 7.21±0.69a |
| 第二代胶园 | 15.86±0.59b | 2.30±0.76b | 4.87±0.35a | 6.25±0.56a | |
| 第三代胶园 | 14.86±0.44b | 1.33±0.35c | 4.98±0.24a | 5.62±0.47a | |
| 土层深度 | 0~20 | 18.59±0.91a | 4.35±0.43a | 6.84±0.80a | 7.59±0.61a |
| 20~40 | 15.86±0.55b | 1.46±0.24b | 4.92±0.16b | 6.17±0.46ab | |
| 40~60 | 14.66±0.48b | 0.67±0.09c | 4.43±0.20b | 5.32±0.47b | |
| 代次×土层 | 代次 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | 0.14 |
| 深度 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | <0.05 | |
| 代次×深度 | 0.06 | <0.05 | 0.33 | 0.96 |
注：土壤物理属性的统计值为均值,不同字母表示同一类别内不同种植代次、不同土层间差异显著（P<0.05）。 | |
Note: The statistical values of soil physical properties are mean values, and different letters mean significant difference among different planting generations and different soil layers in the same category (P<0.05). |
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。
表5 表层土壤（0~20 cm）属性之间的相关性Tab. 5 Correlations between soil properties in depth 0-20 cm |
| 参数 Parameters | 容重 Bulk density | 孔隙度 Porosity | 有机碳 SOC | 大团聚体 Macro aggregates | 中团聚体 Medium aggregates | 微团聚体 Micro aggregates | 平均重量直径 MWD | 平均几何直径 GMD |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 容重 | 1 | -0.82** | -0.69* | -0.79** | -0.82** | -0.80** | -0.36 | -0.66** |
| 孔隙度 | 1 | 0.81** | 0.81** | 0.71** | -0.78** | 0.41* | 0.71** | |
| 有机碳 | 1 | 0.75** | 0.72** | -0.75** | 0.64** | 0.74** | ||
| 大团聚体 | 1 | 0.72** | -0.79** | 0.52** | 0.68** | |||
| 中团聚体 | 1 | -0.89** | 0.44* | 0.73** | ||||
| 微团聚体 | 1 | -0.40* | -0.79** | |||||
| MWD | 1 | 0.46* | ||||||
| GMD | 1 |
注： *表示显著相关（P<0.05）,**表示极显著相关（P<0.01）。 | |
Note: * indicates significant correlation (P<0.05), ** indicates extremely significant correlation (P<0.01). |
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。
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。