自制多功能土壤改良劑對土壤性狀及核桃生長的影響

袁耀，郭建斌，陳志豪，曹遠博，于詩卓

(北京林業(yè)大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083,北京)

自制多功能土壤改良劑對土壤性狀及核桃生長的影響

袁耀，郭建斌?，陳志豪，曹遠博，于詩卓

(北京林業(yè)大學水土保持學院，水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，100083,北京)

采用盆栽試驗，通過測定不同土壤改良劑處理條件下土壤的物理性質以及苗木的生長和生理指標，探討土壤改良劑對土壤性質及核桃生長的影響，并利用方差分析和因子分析法，評價3種自制多功能土壤改良劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和1種市場土壤改良劑對核桃苗木生長的作用效果。結果表明：施用土壤改良劑能提高土壤孔隙度和土壤持水能力，降低土壤密度，并能促進核桃苗木的生長，且自制多功能土壤改良劑的作用效果明顯優(yōu)于市場土壤改良劑；與對照和市場土壤改良劑相比，施用自制多功能土壤改良劑Ⅰ的苗木，新稍長度分別增長44.1%和36.3%，地徑增長20.4%和11.6%，生物量增長32.3%和8.2%，光合速率提高35.6%和15.1%，蒸騰速率降低26.7%和15.6%——因此，自制多功能土壤改良劑Ⅰ為最優(yōu)配方。

土壤改良劑； 核桃幼苗； 盆栽試驗

我國黃土高原地區(qū)水土流失現象嚴重，水土流失在破壞土壤結構的同時也降低了土地生產力，尤其造成土壤肥力下降[1-2]，給農林業(yè)的可持續(xù)發(fā)展帶來嚴重的影響，極大地阻礙了當地生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)[3]。尋求一種改善土壤結構、提高土壤肥力的技術措施已成為土壤研究領域的重要研究方向。歷經數代人的研究，已存在的土壤改良劑有上千種，從天然結構土壤改良劑[4]、人工合成土壤改良劑到后來的生物土壤改良劑等，其功能也多種多樣[5-6]，應用于農林業(yè)生產之后，能明顯提高植物的生物量[7-8]，應用于干旱地區(qū)，能有效提高植物的抗旱性[9]，應用于鹽堿地中，能提高植物的發(fā)芽率和成活率[10]、改善土壤的物理性質[11]，作用效果顯著。土壤改良劑已被證實能夠有效地改善土壤機械組成，提高土壤養(yǎng)分，緩減土壤退化，增加農林業(yè)的產量和質量[12-13]；但是，多數土壤改良劑還存在改良效果單一、應用成本過高等不足[14-15]，因此，研究低量高效、天然環(huán)保的土壤改良劑[16]對農林業(yè)的發(fā)展有重要意義。筆者將自制的3種土壤改良劑應用于核桃(Juglansregia)苗木開展試驗，研究分析土壤改良劑對土壤物理性質以及對核桃苗木生長及其生理特性的影響，以期篩選出最優(yōu)的自制多功能土壤改良劑類型，為我國黃土區(qū)土壤改良劑的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2013年4—10月在北京林業(yè)大學八家苗圃進行。供試苗木為山西省方山縣3年生嫁接核桃苗。供試土樣來源于山西省呂梁山脈的黃綿土，質地均勻，土壤密度為1.3 g/cm3，其他各項化學性質見表1。試驗所用的土壤改良劑有4種，其中3種為自制多功能土壤改良劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，它們由3種天然黏土礦物、城市生活污泥和城市生活一級污水，按照不同比例混合并采用特定的工藝加工而成。自制多功能土壤改良劑Ⅰ為：膨潤土+高嶺石+沸石+城市生活污泥(質量比1∶1∶1∶3)；自制多功能土壤改良劑Ⅱ為：膨潤土+高嶺石+沸石+城市生活污泥(質量比3∶2∶1∶6)；自制多功能土壤改良劑Ⅲ(質量比1∶2∶3∶6)；另外1種為市場上購買的土壤改良劑，購于河北潤土礦業(yè)，主要由蛭石粉構成，該土壤改良劑為天然無毒礦物，在高溫下易膨脹,能改善土壤的孔隙度及通透性，從而影響植物生長。自制多功能土壤改良劑中的天然黏土礦物無毒無害，所選用的城市生活污水符合GB 20922—2007《城市污水再生利用農田灌溉用水水質》標準，城市生活污泥符合GB/T 23486—2009《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質》標準；因此，產品是安全的，具有生態(tài)、環(huán)保性，是種多功能土壤改良劑。

1.2 試驗設計

采用盆栽對比試驗，選用26 cm(內徑)×30 cm(高)的花盆進行試驗，共設置5個不同的處理(A、B、C、D、CK)，分別添加不同質量的土壤改良劑：自制多功能土壤改良劑Ⅰ300 g，自制多功能土壤改良劑Ⅱ300 g，自制多功能土壤改良劑Ⅲ300 g，市場土壤改良劑300 g，對照不添加土壤改良劑。土壤改良劑的添加量占土壤基質的6%[14]，盆中基質總質量為5 kg，每個處理設置5個重復，對照試驗設計見表2。選取長勢相近的3年生核桃幼苗進行栽植，并澆水，之后每隔1個月澆水1次，使每次澆水后土壤含水率達到55%左右。

表1 供試土壤的基本化學性質

表2 試驗設計

1.3 土壤物理指標的測定

土壤物理指標包括土壤密度、相對體積質量、土壤孔隙度和土壤含水率。土壤密度、相對體積質量、土壤孔隙度是衡量土壤物理性質的重要指標，相對體積質量的大小受土壤固相組成物質的種類和相對含量的影響，土壤密度反應了土壤質地和緊實程度，而孔隙度和非毛管孔隙比直接影響土壤養(yǎng)分和水分的擴散[17]。土壤密度和孔隙度采用環(huán)刀法測定。相對體積質量采用排水稱重法測定。土壤含水率使用便攜式土壤水分測定儀RQ-SQ01測定，在其2次澆水期間內每隔7天測定一次。

1.4 植物生長指標的測定

植物生長指標包括核桃苗木的新稍長度、地徑和生物量。其中核桃苗木的新稍長度、地徑在其生長季內每隔15 d測量一次。生物量為一個生長季內植物有機物的積累值，其計算公式為

W=W1-W2。

式中：W為核桃苗的生物量，g；W1為生長季結束后核桃苗的鮮質量，g；W2為栽植前核桃苗的鮮質量，g。

1.5 植物生理指標的測定

選擇7—9月的晴天，采用LI-6400型便捷式光合測定系統(tǒng)測定苗木光合速率、蒸騰速率和氣孔導度。采用美國產的Psypro露點水勢儀測定苗木的葉水勢，從08:00—18:00，每隔2 h測定一次，每月測定2次。采用SPAD-502葉綠素儀測定苗木葉綠素質量分數。

1.6 數據分析

應用Excel2007、Origin8.0、SPSS18.0軟件分析處理觀測所獲得的數據。應用Excel2007、Origin8.0軟件對不同處理下土壤物理性質的指標進行處理分析；應用SPSS18.0軟件對不同處理下核桃苗木的生長指標(新稍長度、地徑、生物量)和生理指標(葉水勢、葉綠素、光合速率、蒸騰速率和氣孔導度)進行方差分析、多重比較和因子分析[18]，其中生長指標選取生長季末的測量均值，生理指標選取生長旺盛期的測定均值。

2 結果與分析

2.1 不同土壤改良劑對土壤物理性質的影響

不同處理土壤物理性質測定結果見表3?？梢钥闯?，添加土壤改良劑的處理，其相對體積質量和土壤密度較對照都有明顯的降低，與對照CK相比，處理A的相對體積質量和土壤密度分別降低13.9%和19.7%，與處理D相比，處理A的相對體積質量和土壤密度分別降低10.2%和14.1%，而土壤孔隙度與土壤密度呈負相關，土壤密度越小，孔隙度越大，不同處理下土壤孔隙度大小依次為A>C>D>B>CK，其中處理A的土壤孔隙度較對照CK增加27.2%，非毛管孔隙比的變化規(guī)律與孔隙度相似，且各處理之間差異顯著，以處理A的作用效果最佳。這主要是由于土壤改良劑中包含多種礦物質，形成較強的靜電場，添加后可以把周圍較細的黏土顆粒吸附過來，聚成小團塊，使得水穩(wěn)性團聚體數量較對照明顯增加[19-20]，從而使孔隙度增大，土壤密度減小，導致土壤的透水性和透氣性增強。此結果表明，自制多功能土壤改良劑Ⅰ在改善土壤物理性狀方面具有明顯優(yōu)勢。

表3 不同處理土壤物理性狀的測定結果

注：小寫字母表示用LSD多重比較法分析得出的不同處理間差異顯著情況(P<0.05)，小寫字母相同表示差異不顯著，小寫字母不同表示差異顯著，下同。Note: Lowercase letters stand for significant difference among different treatments by using LSD multiple comparison method atP<0.05, the same lowercase letter means no significant difference and the different lowercase letters mean significant difference. The same as below.

植物生長與土壤水分含量密切相關，土壤水分不僅是植物生長的必備物質，還能溶解土壤中的化合物，有利于植物對土壤養(yǎng)分的吸收。在其他外界條件一致的情況下，土壤含水率越高說明土壤改良劑對提高土壤持水性越強。不同處理下土壤含水率變化情況見圖1。從整體看：土壤含水率在澆水之后的30 d內呈下降趨勢，施用土壤改良劑的處理，其土壤含水率均高于對照；從變化幅度分析，A、B、C、D、CK各處理分別下降26.7%、31.7%、29.2%、31.1%、37.7%，下降程度表現為A

圖1 不同處理對土壤含水率的影響(1個澆水周期)Fig.1 Effects of different treatments on soil moisture content (one watering cycle)

2.2 不同土壤改良劑對核桃苗木生長的影響

2.2.1 對核桃苗木生長指標影響的差異性 不同土壤改良劑處理對核桃苗木生長指標差異性分析結果見表4?？芍翰煌幚砗颂颐缧律蚤L度表現為A>C>B>D>CK，其中處理A高出對照44.1%，處理C高出對照28.1%，與處理D相比，處理A高出36.3%，多重比較發(fā)現，處理D與處理B、D、CK差異不顯著，其余處理兩兩差異顯著；不同處理核桃苗地徑大小表現為A>C>D>B>CK，其中與對照相比，處理A、C分別高出20.4%和18.9%，多重比較結果顯示，處理A與C差異不顯著，與處理B、D、CK差異顯著，處理C與處理B、D、CK差異顯著，處理B、D、CK之間差異不顯著；不同處理核桃苗生物量累積量順序為A>D>B>C>CK，處理A高出對照32.3%，處理D高出對照22.4%，多重比較表明，處理B與C差異不顯著，其余處理之間差異顯著。因此，就核桃苗木的生長特性而言，處理A的促進作用最為明顯，即自制多功能土壤改良劑Ⅰ的作用效果最好，說明施用土壤改良劑能對核桃苗木的生長產生促進作用，這與蔣坤云等[21]對檉柳(Tamarixchinensis)的研究結果相一致。當自然條件相同的情況下，唯一差異因素是土壤改良劑，因此，土壤改良劑是造成植物生長差異的主要原因。土壤改良劑的加入，有效改善了土壤的通透性和持水能力，并且土壤改良劑帶有較多的電荷離子，能較好的進行離子交換[22-23]，提高土壤養(yǎng)分元素的利用率，加速植物的生長發(fā)育。

2.2.2 對核桃苗木生理指標影響的差異性 不同土壤改良劑處理對核桃苗木生理指標差異性分析結果見表4。從不同處理核桃苗木的葉綠素來看，各處理之間差異不顯著；從葉水勢來看，表現為C>A>D>B>CK，通過多重比較可知，處理A與C差異不顯著，與其他3種處理差異顯著；處理C與處理B、D、CK差異顯著；處理B與D差異不顯著，與對照差異顯著;處理D、CK之間差異顯著。從光合、蒸騰速率來看，由多重比較可知，處理A與B、C差異不顯著，與處理D、CK差異顯著；處理B與CK差異顯著，與處理C、D差異不顯著；處理C與D、CK差異顯著；處理D與CK差異顯著。從氣孔導度來看，表現為B>A>C>D>CK，通過多重比較可知，處理A與B差異不顯著，與C、D、CK差異顯著；對照與處理C、D差異顯著；處理C、D之間差異不顯著?？傮w來說，施用土壤改良劑明顯優(yōu)于對照，其中處理A較對照光合速率提高35.6%，氣孔導度提高24.4%，蒸騰速率降低26.7%；而與處理D相比，處理A的光合速率提高13.2%，氣孔導度提高10.9%，蒸騰速率降低15.6%，表明處理A的作用遠高于對照，說明自制多功能土壤改良劑Ⅰ的作用效果最為明顯。

表4 不同處理核桃苗木生長和生理指標均值

注：表中數字由平均值±標準差組成。Note: The data of table is mean ± standard deviation.

2.2.3 核桃苗木生長和生理指標綜合因子分析 采用SPSS軟件對核桃苗木的8個生長和生理指標進行因子分析，新稍長度、地徑、生物量、葉水勢、葉綠素、光合速率、蒸騰速率和氣孔導度分別用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8表示。求得第1因子(主成分)特征值5.78，方差貢獻率72.3%，是最重要的主成分；第2因子(主成分)的特征值1.66，方差貢獻率20.7%，是次重要的主成分。二者累積方差貢獻率達到93%，大于85%的方差貢獻率基準值，所以，選取這2個特征值建立旋轉因子載荷陣[24](表5)。第1因子中，新稍長度、地徑、生物量、葉水勢、光合速率和蒸騰速率占有較大載荷，第2因子中，葉綠素和氣孔導度占有較大載荷。

根據因子得分系數(表5)，得到2個因子由各變量表示的線性組合關系:

F1=0.203X1+0.251X2+0.133X3+0.218X4-
0.173X5+0.129X6+0.143X7-0.013X8,
F2=-0.083X1-0.210X2+0.077X3-0.115X4+
0.547X5+0.135X6+0.096X7+0.377X8。

根據以上公式，計算出第1因子和第2因子的因子得分值(因子得分系數與原始變量標準化的乘積)，結果見表6。根據第1因子對不同處理進行評價，因子得分表現為A>C>D>B>CK，其中處理A、C的因子得分為正，表明對核桃苗木的生長有促進作用，且處理A的作用效果優(yōu)于處理C的作用效果，處理B、D、CK的因子得分為負，說明對核桃苗木的生長影響不顯著；根據第2因子對不同處理進行評價，因子得分依次為B>D>A>CK>C，其中處理B的因子得分為正，表明對核桃苗木的生長有促進作用，其他處理的因子得分為負，表明對核桃苗木生長作用不明顯。

表5 旋轉后因子載荷矩陣

根據第1因子和第2因子的因子得分值以及貢獻率，求得不同處理的綜合得分值如表6?？梢钥闯觯C合得分表現為A>C>B>D>CK，說明施用土壤改良劑對核桃苗木的生長有促進作用，而且3種自制多功能土壤改良劑優(yōu)于市場改良劑，其中自制多功能土壤改良劑Ⅰ的作用效果最佳，這與觀測指標的結果相符。

表6 不同處理的評選結果

3 討論

在添加土壤改良劑之后，不同處理的相對體積質量和土壤密度均減小，與對照相比，自制多功能土壤改良劑Ⅰ的相對體積質量降低13.9%，土壤密度降低 19.7%，而土壤孔隙度增加27.2%，這與張賓賓等[25]研究結果一致。此外，與對照相比，添加土壤改良劑之后，土壤含水率下降減緩，說明土壤持水能力和供水水平增強，提高了水分利用率，而李志洪等[14]研究結果顯示土壤改良劑對含水率作用不明顯，可能是土壤基質不同所致。自制多功能土壤改良劑對改善土壤物理性質具有一定的效果，有利于提高土壤的保水保肥能力，從而影響植物生長。

通過對不同土壤改良劑的對比分析得出，添加土壤改良劑有利于核桃苗木的生長，能夠顯著提高核桃苗木的新稍長度、地徑及生物量，這與王文靜等[3]研究結果相似。此外，土壤改良劑的使用提高了核桃苗木的光合速率，降低了核桃苗木的蒸騰速率；但對葉綠素含量影響不大，其中自制多功能土壤改良劑Ⅰ的作用效果最好。王志玉等[7]對MDM改良劑的研究試驗，證明土壤改良劑提高了植株的生物量；而本研究的自制多功能土壤改良劑能有效改善植物的生理特性，光合作用增強、蒸騰作用減弱，有利于半干旱區(qū)植物的生長和存活，具有一定應用價值。

由于試驗采用盆栽方法，與植物生長的自然環(huán)境還是有一定的差別，因此，研究結論可能存在一定的局限性；但是，由礦物質材料、城市生活污泥、城市生活污水等制成的土壤改良劑的使用，對探索環(huán)保復合型土壤改良劑有一定的指導作用，具有社會環(huán)境效益。

4 結論

1)本研究的自制多功能土壤改良劑能改善土壤結構，提高土壤保水保肥水平，影響植物光合作用和蒸騰作用，從而促進植物生長，提高土地生產能力，具有多重功效。

2)根據因子分析結果，綜合評定出的最佳配方是自制多功能土壤改良劑Ⅰ，其次是自制多功能土壤改良劑Ⅲ、自制多功能土壤改良劑Ⅱ，并且3種自制多功能土壤改良劑的作用效果均優(yōu)于市場土壤改良劑。

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(責任編輯：宋如華)

Effects of self-made multifunctional soil conditioners on soil properties and the growth ofJuglansregia

Yuan Yao, Guo Jianbin, Chen Zhihao, Cao Yuanbo, Yu Shizhuo

(School of Soil and Water Conservation，Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

A pot experiment was conducted to explore the effects of soil conditioners on soil properties and growth ofJuglansregiaseedlings, through the determination of soil physical properties and the indexes of growth and physiological onJ.regiaseedlings with different treatments. The effects of three self-made multifunctional soil conditioners (Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ) on the growth ofJ.regiaseedlings were compared with an ordinary soil conditioner by using variance analysis and factor analysis on soil physical properties and the physiological indicators. The results showed that the application of soil conditioner could significantly improve soil porosity and soil water holding capacity, decrease soil bulk density, and promote the growth ofJ.regiaseedlings. Soil conditioners had significant influences on soil properties and growth ofJ.regiaseedlings. The effects of self-made multifunctional soil conditioners were better than the ordinary soil conditioner. The length of shoots treated with self-made multifunctional soil conditioner Ⅰ was 44.1% higher than that of the control group and 36.3% higher than that of the ordinary soil conditioner. Compared with the control group and the ordinary soil conditioner, the ground diameter of self-made multifunctional soil conditioners Ⅰ increased by 20.4% and 11.6%, and the biomass of self-made multifunctional soil conditioners Ⅰ increased by 32.3% and 8.2% ，and the photosynthetic rate of self-made multifunctional soil conditionerⅠ increased by 35.6% and 15.1%, while the transpiration rate of self-made multifunctional soil conditionerⅠdecreased by 26.7 % and 15.6%, respectively. Hence, the self-made multifunctional soil conditioner Ⅰcan be used as the optimal formula. This study had a certain guiding function for exploring soil conditioner of environmental protection composite.

soil conditioner;Juglansregiaseedlings; pot experiment

2014-06-20

2015-03-20

項目名稱： “948”國家林業(yè)局引進國際先進林業(yè)科學技術項目“天然高效環(huán)保土壤改良劑及應用技術引進”(2008-4-44)

袁耀(1990—)，男，碩士研究生。主要研究方向：生態(tài)環(huán)境工程與水土保持。E-mail: yuany221@126.com

?通信作者簡介： 郭建斌(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：生態(tài)環(huán)境工程與林業(yè)生態(tài)工程。E-mail: jianbinguo@bjfu.edu.cn

S156.2

A

1672-3007(2015)03-0069-07