黄土高原渭北地区以优越的自然条件成为苹果生产的优生区。在农业产业结构调整过程中,多数农田被更替为果园,果业产业的规模化极大地促进了社会经济与生态环境的发展。然而,随着种植年限的延长,盛果期变短,果树易衰老等问题逐渐凸显,各地区因果树老化砍伐已极为普遍,果树再植又遇到了明显的“忌地”障碍,影响果园的生产潜力和苹果产业的可持续发展。目前,迫切需要探索发展可持续果业生产的有效途径。本研究立足于生产实际,在重点研究果园土壤有机碳库演变的基础上,系统地开展农田植被更替与植果相关的土壤物理、化学以及生物质量指标的变化过程研究,以促进当地苹果产业的可持续发展。本文选定了渭北地区北部的洛川县和南部彬县不同园龄段苹果园作为主要研究对象,以周边农田土壤作为对照,采用空间代替时间的方法,研究了0~100cm范围不同园龄段果园土壤有机碳组分及碳储量、土壤理化性质和酶活性的剖面变化过程,在分析土壤各质量指标相互关系的基础上,对果园土壤质量进行了综合评价;结合干筛法和湿筛法,分析农田及果园不同级别土壤团聚体上有机碳的含量,运用傅立叶变换红外光谱技术对土壤有机碳和颗粒态有机碳的官能团进行了定性研究,以便揭示果园土壤有机碳组成与结构的变化规律,将对于准确评价果园土壤生态系统的固碳潜力以及长期植果对土壤质量的影响具有重要理论意义。研究获得如下主要结论:(1)<10a果园土壤有机碳含量和碳密度在0~40cm和60~80cm土层比农田高。随着植果年限增加,土壤有机碳含量及碳密度的空间分布趋势不同,在0~10cm和40~100cm土层随种植年限增加而增加,但在10~40cm土层处呈现振荡式渐增趋势,表现为在10~15a和大于25a时下降。0-100cm土层范围有机碳储量随植果年限增加而增加,在时间尺度大于15a以上时,增加幅度达到显著水平(P<0.05)。0~40cm土层是有机碳库存储的主要土层(份额比大于49.9%)。(2)渭北农田和果园土壤0~100cm土层范围碳储量以无机碳为主。从农田更替为果园对土壤无机碳的密度影响较小,但是种植果树不利于无机碳的稳定与累积,当种植年限大于25a时,无机碳储量才有回升趋势。受土壤碳酸钙淋移的影响,在垂直剖面上土壤无机碳密度随土层深度的增加而增加,果园土壤无机碳密度在0~40cm土层范围内变化较大,40~100cm土层是无机碳库的主要存储土层,且分布较为均匀。(3)渭北果园土壤在0~100cm土层范围内有机碳活度表现为,易氧化有机碳库、非活性碳库和LOC/TOC随土层深度的增加而减小,40~100cm土层易氧化有机碳储量趋向均匀化。农田更替为果园后提高了0~80cm土层中土壤有机碳的稳定性(LOC/TOC减小)。10~15a果园和>25a果园易氧化有机碳库、碳库活度、活度指数、碳库指数和碳库管理指数在剖面上多呈降低态势,尤其40~80cm深层处下降极为明显。15~25a土壤易氧化有机碳库、碳库活度、活度指数、碳库指数和碳库管理指数呈增加态势,即果园土壤有机碳库活度相关指数处于动荡的不稳定变化过程。(4)在0~100cm土层范围内土壤有机碳库的相对稳定性表现为,颗粒态有机碳库、矿物结合态有机碳以及poc/toc和poc/moc大致随土层深度的增加而减小。农田更替为果园后提高了0~20cm和80~100cm土层中颗粒态有机碳库、poc/toc和poc/moc。整体上植果有利于颗粒态有机碳库的增加,在10~15a果园和>25a果园,土壤颗粒态有机碳含量和碳密度、poc/toc、poc/moc在多数土层中呈下降趋势,但颗粒态有机碳的总储量却持续增加。(5)渭北农田和果园土壤紧实度和容重在0~20cm土层较小,但是在20cm以下土层紧实度和容重均已经超过了限制根系生长的阈值。农田和果园土壤的淀积粘化特征明显,淀积在约20~40cm土层处。随着植果年限增加到20a以上果园土壤紧实度和容重增加,粘粒在土壤深层40~60cm处淋溶淀积。随着植果年限增加,土壤ph、caco3和hco3-均呈现增-减-增的变化过程,果园土壤具有亚表层紧实化,上层土壤caco3淋失退化以及表土层的微酸化等退化过程。(6)农田更替为果园后提高了<10a果园土壤蔗糖酶和碱性磷酸酶活性,降低了脲酶和过氧化氢酶活性。土壤蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶随植果年限的增加呈现减-增-减的变化过程,在不同园龄间差异已达显著水平(p<0.05),过氧化氢酶仅在20~30cm土层有随园龄增加而增加态势,在其它土层变化规律不明显。在垂直剖面上土壤脲酶、碱性磷酸酶和蔗糖酶活性均随着土层深度增加而减小,在0~20cm土层土壤酶活性显著高于20cm以下土层,在土壤深层变化幅度较小。过氧化氢酶在剖面上变化规律不明显,但整体上在20~60cm土层活性较低。(7)渭北地区土壤机械稳定性团聚体以<0.25mm微团聚体为优势级别。不同处理间>10mm团聚体含量变化趋势为21a果园>10a果园>农田。果园土壤机械稳定性团聚体平均质量直径(mwd)、几何平均直径(gmd)和>0.25mm的水稳性团聚体数量(wr0.25)随着种植年限的延长而增大。水稳性团聚体含量随着团聚体直径减小而增加,<0.25mm微团聚体含量最高。农田土壤团聚体水稳定性高于果园土壤,表现为农田土壤各级别水稳定性大团聚体含量以及mwd、gmd、wr0.25和团聚体稳定性指数(asi)均高于果园土壤,d、团聚体分散度(pad0.25)和elt则低于果园土壤。(8)干筛处理下农田和果园土壤团聚体态有机碳含量随团聚体直径变化差异达显著水平(p<0.05),均以<0.25mm微团聚体中有机碳含量较高。在0~30cm土层,各级别机械稳定性团聚体中有机碳变化趋势为农田>21a果园>10a果园。各级别团聚体态有机碳含量随土层深度的增加而减少。但在30~40cm土层处,农田土壤中>3mm以上级别团聚体态有机碳含量低于果园土壤。农田和果园土壤均以3~2mm级别的团聚体有机碳储量及贡献率最低,<0.25mm和>7mm级别有机碳储量和贡献率相对较高。随着种植年限的增加,提高了>7mm大团聚体有机碳储量和贡献率,且在20~40cm土层显著高于0~20cm土层。湿筛处理下农田和<10a果园土壤中以直径>1 mm团聚体态有机碳含量较高,21a果园以2~0.5mm团聚体态有机碳含量较高,各处理均以<0.25mm微团聚体中有机碳含量为最低。各级别团聚体态有机碳含量随土层深度的增加而降低。在0~20cm土层中随植果年限的增加,>5mm团聚体态有机碳下降,同时在20~40cm土层5~2mm和1~0.25mm团聚体态有机碳含量下降,在其它级别团聚体中均呈现增加趋势。基于水稳性团聚体组成的作用,农田和果园土壤各级别水稳性团聚体态有机碳的储量和贡献率随团聚体直径减小而增加,<0.25mm水稳性微团聚体有机碳储量和贡献率显著高于其他级别(P<0.05)。不同处理下各级别团聚体态有机碳储量及贡献率在剖面上的变化趋势不尽相同。(9)农田和果园土壤有机碳和颗粒态有机碳中官能团主要有羟基、羧基、羰基、脂肪烃、芳香烃和碳水化合物等物质,其中碳水化合物是果园土壤有机碳主要物质种类,有机碳的稳定性差,可矿化性增强。(10)对16个与植被更替反应较为敏感的土壤质量指标进行主成分分析,并应用了土壤质量综合指数法和土壤退化指数法对渭北果区土壤质量进行了评价,得出植果期间土壤质量存在退化现象,尤其以10~15a盛果期果园在0~40cm的土层退化趋势明显。土壤质量随土层深度增加而递减,0~40cm土层变化显著,40cm土层变化幅度较小。