剩余物堆腐處理對華北落葉松人工林土壤質(zhì)量的影響

尹歡宇，趙匡記，劉彥青，紀福利，劉彥文，賈忠奎

（1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.塞罕壩機械林場，河北 承德 068466）

剩余物堆腐處理對華北落葉松人工林土壤質(zhì)量的影響

尹歡宇1，趙匡記1，劉彥青2，紀福利2，劉彥文2，賈忠奎1

（1.北京林業(yè)大學 林學院，北京 100083；2.塞罕壩機械林場，河北 承德 068466）

以華北落葉松Larix principis-rupprechtii人工林間伐剩余物為研究對象，研究剩余物堆腐處理對土壤質(zhì)量的影響。共設(shè)置5種處理：處理1(清除)、處理2(帶狀堆放)、處理3(平鋪)、處理4(粉碎)、處理5(堆腐)。研究結(jié)果表明：(1)處理1.5年后，堆腐處理的剩余物分解速率最高為18.75%，是其他處理的1.02～1.48倍。(2)堆腐處理的土壤毛管孔隙度、飽和含水量和飽和蓄水量變化量最高，分別為10.15%、8.84%和3534.63 t/hm2，比其他處理的高9.04%～10.52%、2.53%～18.44%和474.26～1030.19 t/hm2；堆腐處理的非毛管孔隙度僅次于粉碎處理。(3)堆腐處理的土壤pH值、全氮、有效磷變化量最高分別為0.44、1.46 g/kg和2.00 mg/kg，其pH和有效磷變化量比其他處理高0.21～1.04和1.08～3.63 mg·kg-1，其全氮變化量是其他處理的1.09～1.90倍。綜上所述，與其他處理相比，堆腐處理對加速剩余物分解，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量最為有利。

間伐剩余物；堆腐；分解速率；土壤質(zhì)量

人工林土壤質(zhì)量下降會導致二代人工林生產(chǎn)力的下降，制約著我國林業(yè)的發(fā)展[1]。如何提高人工林土壤質(zhì)量，改善林木生長，實現(xiàn)人工林生產(chǎn)力的長期維持是林學研究中急需解決的重要問題[2-4]。剩余物處理會影響土壤的理化性質(zhì)、微生物的生命活動、酶的活性和林木的生長[5-6]，研究合理的剩余物處理方式對提高土壤質(zhì)量是十分有必要的。我國主要通過火燒、移除、平鋪、堆放等傳統(tǒng)方式對剩余物進行處理和利用[7-9]。這些處理方式較簡單，剩余物分解速度較慢，不利于養(yǎng)分的返還[10]。加速剩余物分解，增加土壤養(yǎng)分含量、改善土壤結(jié)構(gòu)，已成為研究的趨勢。

近年來，堆腐處理作為園林廢棄物再利用的一種處理方式逐漸受到人們的重視。堆腐是通過添加菌劑和營養(yǎng)物質(zhì)等，保證高濕度，營造合適的環(huán)境，使廢棄物、秸稈等快速發(fā)酵腐熟成為有機肥的處理[11]。對園林廢棄物進行堆腐的研究較多，研究多集中在氮源、菌劑和木醋液等不同添加物對堆腐過程[12-13]和效果[14-15]的影響，研究表明調(diào)節(jié)C/N比、添加木酢液和EM菌均有利于堆肥的發(fā)酵腐熟。但堆腐所產(chǎn)生的堆肥對土壤質(zhì)量的影響和將堆腐應(yīng)用到剩余物處理上的研究較少。

華北落葉松Larix principis-rupprechtii為我國北方的面積較大的樹種，對生態(tài)環(huán)境的改善和林業(yè)的發(fā)展有重要的作用。本試驗以河北省承德市圍場縣的塞罕壩機械林場總場陰河林場前曼甸地區(qū)華北落葉松人工純林內(nèi)的間伐剩余物為研究對象，設(shè)置清除、平鋪、帶狀堆放、粉碎和堆腐共5種處理方式，測定各處理方式下剩余物分解速率和土壤理化性質(zhì)各指標的變化，通過對比不同處理間的差異，研究堆腐處理對華北落葉松人工林土壤質(zhì)量的影響，為改善剩余物處理方式提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究地位于河北省塞罕壩機械林場總場陰河林場前曼甸營林區(qū)的沙坑溝梁頭小班，地理坐標為北緯 42°02′～ 42°36′，東經(jīng) 116°05′～ 117°39′，海拔1 600～1 800 m。該地區(qū)屬于寒溫帶半干旱半濕潤季風氣候，一年四季差別明顯、光照時間和強度都很高，全年的平均氣候溫度為-1.5 ℃，全年的平均降水量為530.9 mm，6～8月降水量占全年降水量67.8%。土壤為暗灰色森林土，厚度在50 cm左右，腐殖質(zhì)層厚3 cm左右，華北落葉松為其優(yōu)勢樹種，以純林為主。

2 研究方法

2.1 試驗材料和儀器

粉碎機：維邦園林的樹枝粉碎機（FS1024H）；氮源：河北省承德市圍場縣富興牌尿素；菌劑：選用密碼生物有限公司生產(chǎn)的EM菌；木醋液：俍頊實業(yè)（上海）有限公司的木醋液。

2.2 固定標準地的設(shè)置及處理

2014年5月在研究地選取土壤類型、初植密度、立地條件都相同、生長正常的華北落葉松人工林進行固定標準地的設(shè)置。5種處理方式，每個處理設(shè)3個重復，共布設(shè)15塊面積為20 m×20 m的標準地。試驗地林分基本信息為：坡向為陽坡，土層厚50 cm，林齡為28，間伐前密度為780 株/hm2，伐后密度為510株/hm2，間伐產(chǎn)生的剩余物體積為17.25 m3/hm2。

標準樣地標定后，采用5種不同的處理方式對樣地內(nèi)的間伐剩余物（主要是砍伐留下的側(cè)枝和樹梢）進行處理：處理1（清除）、處理2（帶狀堆放）、處理3（平鋪）、處理4（粉碎）、處理5（堆腐）。

各處理中：“清除”表示將樣地內(nèi)剩余物全部移除；“平鋪”表示將剩余物均勻平鋪在樣地中；“粉碎”表示用粉碎機粉碎剩余物，粉碎后得到的顆粒物直徑0.5～2.0 cm，含水量24.08%，容重257.8 kg/m3，噴水使得顆粒含水量達到65%，混勻后均勻撒到樣地中；“堆腐”表示粉碎剩余物后加水，添加尿素（6 kg/m3），并按剩余物比EM菌液500∶1的體積比添加EM菌液和木醋液（用熱水將100 g紅糖溶解，冷卻后加入50 g EM菌，定容至10L，培養(yǎng)48 h后加入20 mL木醋液），混勻后將剩余物倒入林地內(nèi)事先挖好的2 m×2 m坑中，每周定期噴水，使其堆腐，兩月后混勻撒到樣地中。

2.3 主要指標的測定及方法

2.3.1 剩余物年平均分解率的測定

每塊樣地（除處理1外）放置重量相同并進行過對應(yīng)處理的凋落物袋3個，1.5a后取回實驗室，在105 ℃的烘箱內(nèi)烘至恒重，稱重后用以下公式計算年平均分解率：

式（1）中：v表示剩余物年平均分解率（%）；m0表示剩余物初始重量（為6.00 g），m1表示1.5 a后剩余物重量（g），n表示年數(shù)（1.5）。

2.3.2 林地土壤物理性質(zhì)的測定

用環(huán)刀法測定表層土壤（0～20 cm）的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、飽和含水量，具體測定方法見文獻[16]。計算土壤飽和蓄水量的公式為：

式（2）中：WA表示土壤飽和蓄水量（t/hm2）；WC表示土壤毛管蓄水量（t/hm2）；WO表示土壤毛管蓄水量非毛管蓄水量（t/hm2）。

式（3）中：W表示土壤毛管飽和蓄水量或非毛管飽和蓄水量；h表示土層厚度（本地區(qū)為0.5 m）；p表示毛管孔隙度或非毛管孔隙度（%）；r表示水容重（1 t/m3）。

2.3.3 林地土壤肥力指標的測定

在2014年5月（處理前）、2015年11月進行取樣，華北落葉松細根主要分布在0～20 cm土層，在每塊樣地中以“S”型選取5個點，各取0～20 cm土壤200 g左右混合成一份土樣（過篩后大概要用100 g左右），重復3次。土壤經(jīng)風干、過篩后，用于土壤養(yǎng)分指標的測定。

各指標測定方法為：有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法；pH值采用酸度計法（水土比2.5∶1）；全氮采用凱氏定氮法測定；有效磷采用氟化銨鹽酸浸提法測定；全鉀采用火焰光度計法測定。以上測定方法具體見文獻[17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 各處理方式對剩余物分解速率的影響

剩余物分解速率是最直觀衡量各處理對剩余物分解影響的指標。對2014年5月和2015年11月兩次測定的剩余物質(zhì)量這兩組數(shù)據(jù)進行差異性檢驗，結(jié)果差異性極顯著（P＜0.01），說明1.5 a間剩余物發(fā)生了顯著變化。如表1所示，各處理剩余物分解速率由大到小為：處理5＞處理4＞處理3＞處理2，其中處理5、處理4的剩余物年分解速率顯著大于處理3、處理2（P＜0.05），處理5和處理4都的剩余物都進行了粉碎，說明粉碎能加速剩余物的分解。處理5的年平均分解率最高為18.75%，是其他處理的1.02～1.48倍，但處理5和處理4之間差異性不顯著（P＞0.05）。說明堆腐處理能在一定程度上加速剩余物的分解，該處理對加速剩余物分解最為有利。

表1 各處理對剩余物分解速率的影響?Table 1 Effects of treatments on residue decomposition rate

3.2 各處理方式對土壤物理性質(zhì)的影響

土壤肥力質(zhì)量評價指標的選擇要遵循相對穩(wěn)定性原則，主要有機質(zhì)含量、飽和含水量、容重、總氮、速效磷等[18]。毛管孔隙度和非毛管孔隙度決定土壤對水分的存貯能力和通氣性能[19]。

兩次測定的土壤容重差異性不顯著（P＜0.01），說明1.5 a間土壤容重變化不明顯。且不同處理方式對容重的影響不顯著（P＞0.05）。

毛管孔隙能儲存水分，毛管孔隙度越大土壤儲存水分的能力越強。兩次測定的土壤毛管孔隙度差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤毛管孔隙度發(fā)生了顯著變化。如表2所示，各處理毛管孔隙度變化量由大到小為：處理5＞處理3＞處理4＞處理1＞處理2。其中處理3、處理4、處理5的毛管孔隙度變化量顯著大于處理1、處理2，說明處理3、處理4、處理5更有助于土壤毛管孔隙的增加。處理5的毛管孔隙度變化量最高為10.15%，比其他處理的高9.04%～10.52%，且差異性顯著（P＜0.05）。所以處理5即堆腐處理更有助于土壤毛管孔隙的增加，該處理最有利于提高土壤的儲存水分的能力。

表2 各處理方式對土壤物理性質(zhì)的影響?Table 2 Effects of treatment methods on soil physical properties

非毛管孔隙指孔隙的直徑大于0.1 mm的土壤孔隙，其中常常充滿空氣，其主要功能為通氣和透水。兩次測定的土壤非毛管孔隙度差異性顯著（P＜0.05），說明1.5a間土壤非毛管孔隙度發(fā)生了顯著變化。各處理非毛管孔隙度變化量由大到小為：處理4＞處理5＞處理1＞處理3＞處理2。其中處理4、處理5的毛管孔隙度變化量較高為4.40%、2.70%，比其他處理的高1.93%～5.27%，說明與其他處理相比，處理4、處理5更有利于土壤非毛管孔隙的增加，提高土壤的通氣透水能力。其中處理5的非毛管孔隙度變化量低于處理4的，但差異性不顯著。

飽和含水量是衡量土壤水源涵養(yǎng)能力的重要指標。兩次測定的土壤飽和含水量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤飽和含水量發(fā)生了顯著變化。各處理飽和含水量變化量由大到小為：處理5＞處理4＞處理1＞處理3＞處理2。其中處理5、處理4的飽和含水量變化量較高分別為8.84%、6.31%，比其他處理高2.41%～18.44%，說明處理5、處理4更有利于土壤飽和含水量的提高。其中處理5的飽和含水量最高，比其他處理高2.53%～18.44%，說明堆腐處理對提高土壤飽和含水量，增強土壤的水源涵養(yǎng)能力最為有利。

飽和蓄水量能更為全面地評價土壤地蓄水能力[20]。兩次測定的土壤飽和蓄水量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤飽和蓄水量發(fā)生了顯著變化。各處理土壤飽和蓄水量變化量由大到小為：處理5＞處理4＞處理3＞處理1＞處理2。其中處理3、處理4、處理5的飽和蓄水量變化量比處理1、處理2高144.62～1030.19 t/hm2，說明處理3、處理4、處理5對提高土壤的飽和蓄水量更為有利。處理5的飽和蓄水量變化量最高為3 534.63 t/hm2，比其他處理高474.26～1 030.19 t/hm2，說明堆腐處理對提高土壤飽和蓄水量，改善土壤蓄水能力最為有利。

3.3 各處理方式對土壤化學性質(zhì)的影響

有機質(zhì)為土壤營養(yǎng)物質(zhì)的儲藏庫，是評價土壤質(zhì)量的重要指標[21]。兩次測得的土壤有機質(zhì)含量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤有機質(zhì)含量發(fā)生了顯著變化。如表3所示，各處理有機質(zhì)變化量由大到小為：處理4＞處理3＞處理5＞處理2＞處理1,。其中處理3、處理4、處理5有機質(zhì)變化量是處理1、處理2的1.11～1.49倍，在一定程度上能說明處理3、處理4、處理5更有助于有機質(zhì)的提高。其中，堆腐處理有機質(zhì)變化量低于平鋪和粉碎處理，但差異性不顯著。

表3 各處理方式對土壤化學性質(zhì)的影響?Table 3 Effects of treatment methods on on soil chemical properties

土壤pH值能夠影響土壤肥力，營養(yǎng)物質(zhì)的含量則是評價土壤肥力質(zhì)量的關(guān)鍵指標，兩者綜合反映了人工林肥力狀況[22]。兩次測得的土壤pH值差異性不顯著（P＞0.05），但可以看出一定規(guī)律。各處理pH值變化量由大到小為：處理5＞處理3＞處理4＞處理2＞處理1。其中處理3、處理4、處理5的pH值升高，而處理1、處理2的降低，說明處理3、處理4、處理5對提高土壤pH值，緩解土壤酸化問題更為有利。其中處理5的pH值變化量最高為0.44，比其他處理高0.21～1.04，且與除處理3外的其他處理差異性顯著（P＜0.05），說明堆腐處理對提高土壤pH值，緩解土壤酸化最為有利。

氮元素是自然界中最重要元素之一，是林木生長過程中必需的大量元素[23]。兩次測得的土壤全氮含量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤全氮含量發(fā)生了顯著變化。各處理全氮變化量由大到小為：處理5＞處理3＞處理4＞處理1＞處理2。其中處理3、處理4、處理5全氮變化量是處理1、處理2的1.32～1.90倍，說明處理3、處理4、處理5對提高土壤全氮含量更為有利。處理5全氮變化量最高為1.46 g/kg，是其他處理的1.09～1.90倍，且與處理1、處理2差異性顯著（P＜0.05），說明堆腐處理對土壤全氮含量的增加最為有利。

磷是林木必需的營養(yǎng)元素，對林木生長發(fā)育起著重要作用[24-25]。兩次測得的土壤有效磷含量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤有效磷含量發(fā)生了顯著變化。各處理有效磷含量由大到小為：處理5＞處理4＞處理3＞處理2＞處理1。其中處理4、處理5的有效磷含量增加，而處理1、處理2、處理3的降低，且差異性顯著（P＜0.05），說明處理4、處理5對提高土壤有效磷含量更為有利。處理5有效磷變化量最高為2.00 mg/kg，比其他處理的高1.08～3.63 mg/kg，說明堆腐處理對土壤有效磷含量的增加最為有利。

鉀素是植物的三大營養(yǎng)要素之一，對林木的生長起著重要作用[26]。兩次測得的土壤全鉀含量差異性顯著（P＜0.05），說明1.5 a間土壤全鉀含量發(fā)生了顯著變化。各處理的全鉀含量都有不同程度的下降。劉杰研究表明，22 a和38 a生華北落葉松人工林土壤全鉀含量會隨間伐強度的升高而降低[27]。推測間伐是導致本試驗各處理全鉀含量都下降的原因。各處理全鉀降低量由小到大為：處理4＜處理2＜處理3＜處理5＜處理1。其中處理2、處理3、處理4的全鉀降低量比處理1、處理5低，處理4的全鉀減低量最低，說明處理2、處理3、處理4對提高土壤全鉀含量更為有利。原因可能為，剩余物分解會產(chǎn)生含鉀的營養(yǎng)物質(zhì)。堆腐處理全鉀變化量較低，原因可能為鉀易溶解于水，容易被淋失[28]，在堆腐過程中鉀被淋溶。粉碎處理剩余物分解速率比帶堆和平鋪高（見表1），所以其全鉀變化量最高。

4 結(jié)論與討論

粉碎能促進剩余物的分解。原因可能為粉碎增加了剩余物與外界環(huán)境的接觸面積，更有利于微生物的侵入[29]，加速分解過程。在粉碎基礎(chǔ)上外加氮源、EM菌和木醋液并進行堆腐，能進一步加速剩余物的分解。外加氮源能為微生物提供營養(yǎng)，外加EM菌和木醋液能提高微生物的數(shù)量和促進其生命活動。堆腐過程中，堆體內(nèi)部溫度會上升，更有助于微生物的生長繁殖[14]，進而加速剩余物腐熟發(fā)酵過程。所以堆腐處理對加速剩余物分解最為有利。

與其他處理相比，堆腐處理對提高土壤毛管孔隙度、飽和含水量和飽和蓄水量最為有利，對非毛管孔隙度的促進作用僅次于粉碎處理。原因可能為堆腐處理剩余物的分解速度最快，更有助于土壤持水、透氣能力、水源涵養(yǎng)和蓄水能力的提高。堆腐處理對提高土壤pH值、全氮、有效磷含量最為有利，對土壤有機質(zhì)含量的提高作用低于粉碎和平鋪處理，但差異性并不明顯。堆腐處理鉀的變化量較低，原因可能為鉀易溶解于水，容易被淋失，在堆腐過程中會有一部分鉀淋溶，說明在堆腐坑底部和四周鋪上塑料袋以防止鉀的淋失很有必要。總體來看，堆腐處理對土壤化學性質(zhì)的提高最為有利。與本研究結(jié)果相似，王樸等研究表明園林廢棄物（發(fā)酵腐熟以后）的覆蓋能一定程度上降低了土壤的容重和pH值，能促進土壤形成和保持良好的結(jié)構(gòu)，能提高土壤有機質(zhì)和其它養(yǎng)分的含量，起到培肥土壤的作用[30]。張虎等研究結(jié)果也表明，秸稈堆腐還田處理能提高土壤的有機質(zhì)、速效磷、速效鉀的含量，降低容重，具有改良田地土壤，培肥地力的作用[31]。

綜上所述，與其他處理相比，堆腐處理對加速剩余物分解，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤質(zhì)量最為有利。

在研究過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：在林地內(nèi)堆腐最好用塑料將堆體包住，以減少水分的流失，更好的保持堆體的濕度，同時能夠防止養(yǎng)分的淋溶（尤其是鉀）；堆體中心溫度較高，容易干燥，應(yīng)經(jīng)常噴水，以保持其濕度；剩余物返還應(yīng)采用集中在樹木根系的分布區(qū)域進行平鋪，這樣對關(guān)鍵區(qū)域土壤的改善作用更強，更有利于林木的生長。

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Effects of residue composting treatment on soil quality of Larix principis-rupprechtii plantation

YIN Huan-yu1, ZHAO Kuang-ji1, LIU Yan-qing2, JI Fu-li2, LIU Yan-wen2, JIA Zhong-kui1
(1.College of Forestry Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;2.Saihanba Mechanical Forest Farm, Chengde 068466, Hebei, China)

The thinning residue of Larix principis-rupprechtii plantation was chosen as the research object to study the effects of of residue composting treatment on the soil quality. The fi ve kinds of treatments include: treatment 1 (clear away), treatment 2 (stack in the belt-like shape), treatment 3 (tile), treatment 4 (smash), treatment 5 (composting). The study results show: (1) One and a half years after the residue has been treated, the residue decomposition rate of composting treatment was 18.75%, ranking the highest, which was 1.02-1.48 times that of the other treatments. (2) the soil capillary porosity and saturated water content and saturation water capacity changes of composting treatment respectively 10.15%, 8.84% and 3 534.63 t/hm2, ranking the highest, which was 9.04%-10.52%, 2.53%-18.44%and 474.26-1030.19 t/hm2higher than that of other treatments; the non-capillary porosity change of treatment 5 was the second highest after treatment 4. (3) the soil pH and total nitrogen and available phosphorus changes of treatment 5 respectively 0.44、1.46 g/kg and 2.00 mg/kg, ranking the highest; the pH and available phosphorus changes of treatment 5 were higher 0.21-1.04 and 1.08-3.63 mg·kg-1than that of other treatments; the total nitrogen change of treatment 5 was 1.91-3.63 times that of other treatments. In summary, compared with other treatments, composting treatment was the most conducive to accelerating the decomposition of residues, improve physical and chemical characteristics of soil and enhancing soil quality.

thinning residue; composting; decomposition rate; soil quality

S714.6；S750

A

1673-923X(2016)11-0022-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.004

2016-04-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（TD2011－08）；國家林業(yè)公益性行業(yè)專項（201004021）

尹歡宇，碩士研究生 通訊作者：賈忠奎，副教授；E-mail：jiazk@bjfu.edu.cn

尹歡宇，趙匡記，劉彥青，等.剩余物堆腐處理對華北落葉松人工林土壤質(zhì)量的影響[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(11): 22-27.

[本文編校：吳 毅]