施用有機(jī)肥對(duì)堿性土壤理化特征與作物生長(zhǎng)的影響*

施夢(mèng)馨， 王豪吉， 土馨雨， 馬佳輪， 朱興果，白雪， 官會(huì)林， 徐武美

(云南師范大學(xué) 高原特色中藥材種植土壤質(zhì)量演變退化與修復(fù)云南省野外科學(xué)觀測(cè)研究站；云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650500)

我國堿性土壤區(qū)主要集中在西北與華北地區(qū)，在東北腹地及濱海地區(qū)也有少量分布[1-2].此外，由于堿性污水排放及自然因素等，我國南方也存在少量堿性土壤區(qū)[3].鹽堿地的可持續(xù)利用是公認(rèn)的技術(shù)難題[4].土壤堿化會(huì)降低養(yǎng)分元素的供應(yīng)能力，進(jìn)而影響土壤生產(chǎn)力.比如，土壤pH升高會(huì)促進(jìn)土壤中銨態(tài)氮從離子態(tài)向分子態(tài)轉(zhuǎn)化，從而加速氮的揮發(fā)，降低土壤氮含量[5-6]；同時(shí)，土壤堿化也會(huì)影響土壤中P、Fe、Mo及Zn等養(yǎng)分元素的可利用性[7].此外，土壤pH直接影響著土壤酶活性，從而影響土壤物質(zhì)循環(huán)與養(yǎng)分供應(yīng)[8-9].

關(guān)于如何有效降低堿性土壤pH，提高土壤生產(chǎn)力，國內(nèi)外已有一定的研究報(bào)道[10-11]，如施用酸性木醋液能顯著降低堿性土壤pH，提升土壤酶活性與有效養(yǎng)分含量[9,12].施用硫酸鹽、硫黃和酒糟等也能有效調(diào)節(jié)堿性土壤pH，增加土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力[13-14].此外，施用水楊酸鈉對(duì)提高堿性土壤養(yǎng)分可利用性，促進(jìn)作物生長(zhǎng)也有明顯效果[15].酸性化學(xué)物質(zhì)對(duì)土壤的調(diào)酸效果較好，但大量使用也可能對(duì)土壤肥力造成一定的負(fù)面影響[16].有機(jī)肥含有豐富而全面的營(yíng)養(yǎng)元素，有機(jī)質(zhì)在分解過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的有機(jī)酸，且其本身對(duì)土壤pH具有一定的緩沖作用；然而，其對(duì)堿性土壤調(diào)酸增肥的效果與機(jī)理還少有研究.因此，本研究通過盆栽試驗(yàn)，探究了有機(jī)肥對(duì)堿性土壤的改良效果，并通過作物養(yǎng)分生理特征等的定量分析，探索了有機(jī)肥改良?jí)A性土壤肥力的內(nèi)在機(jī)理，旨在為提高堿性土壤生產(chǎn)力提供理論與試驗(yàn)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采自昆明市呈貢區(qū)的云南師范大學(xué)研究生實(shí)踐基地，由于施用石灰等原因，土壤呈堿性，pH值為8.04.有機(jī)肥由云南某肥料公司提供，以畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈為原料，經(jīng)高溫堆制腐熟工藝而成.土樣和有機(jī)肥的各項(xiàng)理化指標(biāo)見表1.供試作物為廣泛食用的白菜(Brassicarapavar.glabraRegel)，種子由山東某種業(yè)公司提供.

表1 供試土壤與有機(jī)肥的基本理化特征

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)圓形花盆中放入7 kg土樣，分別按照1%、2%或3%的施加量施用有機(jī)肥，標(biāo)記為T1、T2與T3，以不施加為對(duì)照(CK)，共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次.將有機(jī)肥與土壤混合均勻，澆水浸透后自然放置2周，于2020年7月12日統(tǒng)一移栽長(zhǎng)勢(shì)均一的白菜幼苗，每盆3株.作物栽種后進(jìn)行統(tǒng)一管理，栽種75 d后采收.

1.3 樣品采集

作物采收后，將其葉片和根分別洗凈，用烘箱在120 ℃環(huán)境下烘干30 min，隨后在60 ℃環(huán)境下烘干至恒重，用電子天平稱重，產(chǎn)量用葉重表示.將葉片粉碎過篩后測(cè)定氮和磷含量，表示植物氮和磷養(yǎng)分狀況.用100 cm3環(huán)刀采集新鮮土樣測(cè)定土壤容重，另采集土樣并自然風(fēng)干，分別過孔徑為0.85 mm和0.15 mm的篩，用于測(cè)定土壤理化因子與酶活性.

1.4 樣品分析

pH值參照農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1377-2007，水土比為2.5∶1，用pH計(jì)(雷磁PHS-25)進(jìn)行測(cè)定.電導(dǎo)率參照環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)HJ 802-2016，水土比為5∶1，用EC計(jì)(YN-EC100)進(jìn)行測(cè)定.容重參照農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.4-2006，用環(huán)刀法進(jìn)行測(cè)定.有機(jī)質(zhì)含量參照農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1121.6-2006，用濃硫酸-重鉻酸鉀溶液消解，標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵溶液進(jìn)行滴定.水解氮含量參照林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)LY/T 1229-1999，利用堿解擴(kuò)散法進(jìn)行測(cè)定.有效磷(Olsen P)含量參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]，用0.5 mol/L碳酸氫鈉溶液浸提，用紫外分光光度計(jì)(UV-8000，上海元析儀器有限公司)進(jìn)行測(cè)定.速效鉀用1 mol/LNH4OAC溶液浸提，用連續(xù)流動(dòng)火焰光度計(jì)(SealAA3,Model 410 Flame Photometer,Germany)進(jìn)行測(cè)定.土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性均參照相關(guān)文獻(xiàn)用紫外分光光度計(jì)(UV-8000)進(jìn)行測(cè)定[18-19].作物氮磷含量參照農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2017-2011，經(jīng)硫酸-過氧化氫溶液消解后用流動(dòng)分析儀(AA3,Seal Analytical Ltd.，Germany)進(jìn)行測(cè)定.

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Shapiro-Wilk檢驗(yàn)分析各變量的正態(tài)性，土壤和作物各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均服從正態(tài)分布(P>0.05).用單因素方差分析(One-way ANOVA)與Duncan多重比較檢驗(yàn)不同處理對(duì)土壤理化因子、酶活性、作物氮、磷含量和產(chǎn)量的影響.用Pearson相關(guān)分析探究土壤理化指標(biāo)、酶活性與作物產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性.以上分析均利用SPSS 20.0進(jìn)行(SPSS Inc.,Chicago,IL).

2 研究結(jié)果

2.1 施加有機(jī)肥對(duì)堿性土壤理化特征與酶活性影響

單因素方差分析表明：施用有機(jī)肥對(duì)堿性土壤pH、有機(jī)質(zhì)、水解氮、有效磷含量以及磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性均具有顯著影響(P<0.05)，而對(duì)土壤電導(dǎo)率、容重和速效鉀的影響不顯著(P>0.05)(表2).Duncan多重比較分析表明：與對(duì)照相比，施加有機(jī)肥顯著降低了堿性土壤pH(P>0.05)，T2處理下pH降至7.52，接近中性水平(圖1A).不同有機(jī)肥處理均顯著增加了堿性土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮和有效磷含量(P<0.05)(圖1B-D).T3處理下有機(jī)質(zhì)含量最高，與對(duì)照相比增加了3.25倍；同樣，T3處理下水解氮和有效磷含量最高，但較T2無顯著差異.施用有機(jī)肥顯著增加了堿性土壤磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性，但過氧化氫酶活性降低(P<0.05)(圖1E-H).T3處理下磷酸酶和脲酶的活性最高，過氧化氫酶活性最低，T2處理下蔗糖酶活性最高，但T2與T3處理對(duì)不同土壤酶活性的影響均不顯著(P>0.05).

表2 施用有機(jī)肥影響堿性土壤理化特征和酶活性的單因素方差分析

僅展示不同處理下具有顯著差異的土壤因子，不同字母標(biāo)記表示基于Duncan多重比較的差異顯著性(P<0.05)，下同.

2.2 不同有機(jī)肥施加量對(duì)作物生長(zhǎng)及氮磷含量的影響

單因素方差分析表明，施用有機(jī)肥對(duì)作物生長(zhǎng)具有顯著影響(P<0.05)(表3).Duncan多重比較分析表明，作物葉重和根重均隨有機(jī)肥施用量的增加而顯著提高(P<0.05)，與對(duì)照相比，T3處理下葉重和根重分別提高了8.6倍和5.2倍(圖2A)；施用有機(jī)肥顯著降低了根冠比，使作物傾向于地上部分的生長(zhǎng)(圖2B)；葉氮和磷含量隨有機(jī)肥施用量的增加而顯著提高(P<0.05)(圖3).

表3 不同有機(jī)肥施用量影響作物生長(zhǎng)的單因素方差分析

圖2 施用有機(jī)肥對(duì)作物生長(zhǎng)的影響

圖中陰影部分表示95%置信區(qū)間.

2.3 作物產(chǎn)量與堿性土壤理化性質(zhì)和酶活性的關(guān)聯(lián)性

相關(guān)分析表明，作物產(chǎn)量與堿性土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)、有效磷、磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性呈顯著正相關(guān)(P<0.01)；土壤電導(dǎo)率、容重以及水解氮和速效鉀含量與作物產(chǎn)量之間的相關(guān)性不顯著(P>0.05)(表4).土壤pH與磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性呈顯著負(fù)相關(guān)，與過氧化氫酶活性呈顯著正相關(guān)(P<0.01).此外，土壤磷酸酶活性與有效磷含量呈顯著正相關(guān)(P<0.01)，脲酶活性與水解氮含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05).作物產(chǎn)量與根冠比的關(guān)系趨向于二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.845，P<0.001)，當(dāng)根冠比增加到一定范圍時(shí)，其與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)性逐漸降低(圖4).

表4 作物產(chǎn)量與堿性土壤理化因子和酶活性的關(guān)聯(lián)性

圖4 作物產(chǎn)量隨土壤pH和作物根冠比的變化

3 討論

3.1 有機(jī)肥對(duì)堿性土壤的調(diào)酸作用

土壤pH是反映堿性土壤改良效果的關(guān)鍵指標(biāo)，與土壤生產(chǎn)力具有密切的關(guān)聯(lián)性[20].土壤中的重碳酸鹽、碳酸鹽和硅酸鹽等堿金屬鹽的積累可導(dǎo)致土壤堿化，因此降低堿性鹽基離子活性，是改良?jí)A性土壤的關(guān)鍵[21].研究通過施加生物質(zhì)有機(jī)肥，顯著降低了堿性土壤pH，當(dāng)施加量為2%時(shí)，土壤pH降低至7.52，可能是由于有機(jī)肥吸附土壤中堿金屬離子所致.Chintala等[22]證實(shí)了施用有機(jī)肥能有效降低土壤中K+、Na+、Ca2+及Mg2+等金屬離子活性并降低土壤pH.同時(shí)，有機(jī)肥可為土壤微生物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，微生物分解有機(jī)質(zhì)的過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸對(duì)堿性土壤pH可起到緩沖或調(diào)節(jié)作用[23-24].

3.2 施用有機(jī)肥提高了堿性土壤養(yǎng)分可利用性

有機(jī)肥含有豐富的有機(jī)質(zhì)和無機(jī)養(yǎng)分，施用后可有效改善土壤物理環(huán)境，提高養(yǎng)分可利用水平[25-26].施用有機(jī)肥能顯著增加土壤微生物活性，促進(jìn)土壤有機(jī)物質(zhì)的分解與養(yǎng)分循環(huán)，從而增加土壤肥力[27].本研究表明，施用有機(jī)肥顯著增加了堿性土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮和有效磷含量，提升了土壤肥力.一方面是因?yàn)橛袡C(jī)肥中無機(jī)養(yǎng)分含量很高(表1)，施用后可直接提高速效養(yǎng)分含量；另一方面，施用有機(jī)肥降低了土壤pH，從而促進(jìn)了土壤無機(jī)養(yǎng)分的釋放[28].Du等[29]研究了長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤肥力的影響，發(fā)現(xiàn)其增加了土壤總養(yǎng)分含量，提升了土壤礦化有機(jī)物質(zhì)的能力，從而對(duì)提升土壤肥力產(chǎn)生積極影響.此外，由于有機(jī)肥富含有機(jī)質(zhì)，具有較強(qiáng)的吸附性與保肥能力，這也可能是使土壤持續(xù)保持較高肥力的原因.Hou等[30]研究表明，有機(jī)與無機(jī)肥料配合使用能有效減少土壤養(yǎng)分流失，提高無機(jī)養(yǎng)分利用率.

3.3 施用有機(jī)肥提高了堿性土壤酶活性

土壤酶是土壤微生物和植物根系分泌到土壤中的具有催化活性的物質(zhì)，對(duì)提高土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力具有重要意義[31-32].由于酶的主要成分為生物大分子物質(zhì)，對(duì)土壤環(huán)境較為敏感[33].施用有機(jī)肥能有效改善土壤環(huán)境，提高土壤微生物活性，從而使土壤酶活性增加[34].本研究中，施用有機(jī)肥顯著增加了堿性土壤磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性.Pearson相關(guān)分析表明，土壤pH與酶活性具有顯著的相關(guān)性(表4)，與曲成闖等[35]基于黃瓜連作土壤的研究結(jié)果一致，表明調(diào)節(jié)堿性土壤pH是提升堿性土壤酶活性的有效途徑.然而，施用有機(jī)肥降低了堿性土壤過氧化氫酶活性，這可能與施用有機(jī)肥改善了堿性土壤環(huán)境，且有機(jī)肥具有較低的氧化還原電位有關(guān)[19]，其內(nèi)在機(jī)理還需進(jìn)一步研究.

3.4 施用有機(jī)肥提高了作物氮、磷含量及產(chǎn)量

堿性土壤常因肥力供應(yīng)不足和pH過高等原因抑制了作物的生長(zhǎng)，不利于提高土壤生產(chǎn)力[36].有機(jī)肥是常用的土壤改良材料和化肥替代品，大量研究表明，施用有機(jī)肥可有效改善土壤環(huán)境，增加土壤養(yǎng)分含量，并顯著提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[37-39].本研究表明：施用有機(jī)肥顯著促進(jìn)了堿性土壤作物地上和地下部分生長(zhǎng)，提高了作物產(chǎn)量；此外，施用有機(jī)肥還提高了作物葉片氮和磷含量，且土壤pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷和酶活性與作物產(chǎn)量具有顯著相關(guān)性(表4)，表明有機(jī)肥的“調(diào)酸增肥”作用是作物增產(chǎn)的主要原因.此外，施用有機(jī)肥顯著降低了作物根冠比(圖4).王艷哲等[40]提出根冠比可反映土壤肥力供應(yīng)能力，根冠比越小，土壤肥力供應(yīng)越高.

4 結(jié)語

施用有機(jī)肥可顯著降低堿性土壤pH并增加土壤有機(jī)質(zhì)、水解氮和有效磷含量，并提高磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性.此外，施用有機(jī)肥顯著提高了作物產(chǎn)量，降低了作物根冠比，提高了葉片氮和磷含量.2%與3%的有機(jī)肥施加量對(duì)作物產(chǎn)量的影響無顯著差異，因此，基于供試土壤與有機(jī)肥的基本特征(表1)，建議施加量為2%.我國陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤容重平均值約為1.32 g/cm3[41]，以耕作層為地表10 cm進(jìn)行計(jì)算，每畝地的有機(jī)肥施加量約為1.7噸.研究為我國堿性土壤區(qū)耕地土壤改良與作物產(chǎn)量提升提供了理論與試驗(yàn)依據(jù).