長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)果園土壤的影響
——以草莓和蘋果種植區(qū)為例

孫天晴 張 文 于家伊 楊澤慧* 劉 藝 董利鋒

（1國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局認(rèn)證認(rèn)可技術(shù)研究中心，北京 100020；2北京四良科技有限公司，北京 100015；3中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院飼料研究所，北京 100081）

土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，其與大氣以及陸地生物群落共同組成生態(tài)系統(tǒng)中碳的主要貯存庫(kù)和交換庫(kù)，在保障糧食安全、保障水環(huán)境安全、固碳緩解氣候變化、維持生物多樣性等方面發(fā)揮著重要作用[1]。利用有機(jī)源土壤調(diào)理劑改良農(nóng)田土壤，對(duì)于提升農(nóng)田質(zhì)量和增加土壤碳庫(kù)具有一定的作用[2-3]。土壤有機(jī)碳庫(kù)（SOC）是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫(kù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有1.4×1012～1.5×1012t碳是以有機(jī)質(zhì)的形式儲(chǔ)存于土壤中，土壤貢獻(xiàn)給大氣的二氧化碳量是化石燃料燃燒貢獻(xiàn)量的10倍[4]。土壤有機(jī)碳微小的變化就會(huì)影響大氣中溫室氣體的濃度，進(jìn)而引起全球氣候變化，因而提升土壤有機(jī)質(zhì)、提高土壤固碳量能夠大幅降低二氧化碳排放，減緩全球氣候變暖[5]。2015年巴黎氣候大會(huì)，法國(guó)等150多個(gè)國(guó)家和組織簽署了“千分之四”倡議，即每個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量每年提升4‰，并提出了利用農(nóng)業(yè)碳匯來消納碳排放與農(nóng)業(yè)固碳良性循環(huán)的全新經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式。

在固碳減排目標(biāo)驅(qū)使下，農(nóng)田土壤固碳研究得到了科學(xué)界的空前關(guān)注[6]。目前，土壤固碳量量化方法有很多，如IPCC方法、清查法、基于GIS的土壤有機(jī)質(zhì)機(jī)理模型等[7]。國(guó)內(nèi)也有很多學(xué)者研究了土壤碳儲(chǔ)量問題，如孟 磊等[5]研究了0～20 cm耕層下長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤碳儲(chǔ)量和作物固定碳的影響；王成己等[6]研究了0～20 cm耕層保護(hù)性耕作下農(nóng)田表土有機(jī)碳含量變化特征；李 琳等[7]研究了0～30 cm耕層保護(hù)性耕作土壤碳庫(kù)的管理指數(shù)；劉禹池等[8]研究了0～30 cm耕層稻—油輪作條件下長(zhǎng)期秸稈還田與施肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤理化性狀的影響。這些研究分別在0～20 cm耕層或0～30 cm耕層下開展，缺乏2種不同耕層深度之間土壤有機(jī)碳定量相關(guān)性研究，導(dǎo)致采用不同核算方法的結(jié)果不具可比性。為明確有機(jī)源調(diào)理劑的農(nóng)田土壤固碳效應(yīng)，解決固碳核算結(jié)果的可比性問題，本研究以北京市昌平區(qū)草莓和蘋果種植基地為對(duì)象，利用有機(jī)源調(diào)理劑對(duì)果園土壤進(jìn)行改良，系統(tǒng)研究了2006—2019年長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)不同土層深度土壤容重、有機(jī)質(zhì)等土壤理化指標(biāo)的影響。與此同時(shí)，采用實(shí)測(cè)法、估算法比較和分析了不同測(cè)算模型對(duì)土壤有機(jī)碳及固碳量等結(jié)果的影響，以期為我國(guó)有機(jī)源土壤調(diào)理劑改良土壤和農(nóng)田土壤固碳評(píng)估與方法選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)區(qū)位于北京市西北部昌平區(qū)，位置在115°50'～116°29'E、40°02'～40°23'N 之間。試驗(yàn)區(qū)地勢(shì)平坦，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，雨量集中在6—8月，年平均降水量為550.3 mm，年平均日照時(shí)數(shù)2 684 h，年平均氣溫11.8℃，無霜期200～203 d。試驗(yàn)區(qū)土壤類型以褐土為主，草莓種植面積為100 hm2，蘋果種植面積為20 hm2，兩者土壤基本性質(zhì)見表1。

表1 草莓和蘋果種植基地初始土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2006年3月至2019年6月進(jìn)行。試驗(yàn)開始前，草莓和蘋果種植區(qū)施用化肥。試驗(yàn)期間，草莓和蘋果種植區(qū)施用有機(jī)質(zhì)含量為75%、腐殖化率為60%的有機(jī)源土壤調(diào)理劑，施用量為6 t/hm2。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤理化指標(biāo)測(cè)定。在草莓和蘋果種植區(qū)分別選取5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用環(huán)刀法采集不同耕層深度0～20 cm和20～40 cm土壤樣品。將每個(gè)耕層的樣品混合均勻后作為一個(gè)處理的樣品。隨后，用自封袋將新鮮土壤樣品迅速帶回實(shí)驗(yàn)室，去除石礫和根系等雜物后過2 mm篩混合均勻，分別采用烘干法和油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測(cè)定土壤的容重和有機(jī)質(zhì)含量[9]。土壤酸堿度（pH）參照常規(guī)方法測(cè)定；全氮（TN）含量用半微量凱氏法測(cè)定；有效磷（AP）、有效鉀（AK）采用 M3浸提法測(cè)定[10]。

1.3.2 土壤固碳量和土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量。土壤固碳量為核算期最后一年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量與核算期初始年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的差值，計(jì)算方法如下：

式中：ΔC為土壤固碳量 （以每年二氧化碳當(dāng)量表示，單位為t）；SOCT為核算期最后一年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（t）；SOC0為核算期初始年的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量 （t）；T為一個(gè)單獨(dú)核算期的年數(shù)；44/12為換算系數(shù)。

土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量被用于衡量單位面積一定深度土體重的有機(jī)碳儲(chǔ)量。計(jì)算公式如下：

式中，SOCi為第 i年土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（t）；γi為第i年被估算土地的土壤容重（g/cm3）；A為土地面積（hm2）；OMi為第 i年土壤中有機(jī)質(zhì)含量（g/kg）；H 為耕層深度（cm）；0.58為有機(jī)質(zhì)換算為有機(jī)碳的換算系數(shù)；0.1為單位換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本試驗(yàn)采用Excel 2010進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，并采用SPSS 24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和方差分析，以P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤容重和有機(jī)質(zhì)的影響

本試驗(yàn)中，通過2006—2019年在草莓和蘋果種植區(qū)長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑，不同耕層土壤的容重發(fā)生了顯著變化（表2）。從表2可以看出，在經(jīng)過2006—2019年施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑之后，草莓種植區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重顯著增加（P<0.05），分別增加了74.7%和83.3%；蘋果種植區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重也顯著增加（P<0.05），分別增加了33.8%和99.2%。土壤容重是體現(xiàn)土壤疏松程度、保水保肥性、透水透氣性等性狀的重要指標(biāo)。在施用有機(jī)質(zhì)含量為75%、腐殖化率為60%的有機(jī)源土壤調(diào)理劑6 t/hm2進(jìn)行土壤改良后，土壤有機(jī)質(zhì)固定量約為2.7 t/hm2。

表2 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果土壤容重的影響

本試驗(yàn)中，通過2006—2019年在草莓和蘋果種植區(qū)長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑，不同耕層土壤中的有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著變化（表3）。從表3可以看出，在經(jīng)過2006—2019年施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑之后，草莓種植區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加 （P<0.05），分別增加了55.1%和46.8%；蘋果種植區(qū)0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量也顯著增加（P<0.01），分別增加了47.1%和59.6%。

表3 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.2 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳和固碳能力的影響

本研究采用實(shí)測(cè)法研究了長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳含量和土壤固碳能力的影響。結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑能顯著增加土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量（表4）。以草莓種植區(qū)為例，2006年有機(jī)碳儲(chǔ)量為3 841.9 t，施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑后，2019年其有機(jī)碳儲(chǔ)量為7 283.6 t，顯著提高了89.58%；同樣，蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量顯著提高了2.75倍。經(jīng)過計(jì)算，草莓種植區(qū)和蘋果種植區(qū)的年度土壤固碳量分別達(dá)到了970.74、351.04 t。

2.3 不同測(cè)算方法對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳和固碳能力的影響

采用實(shí)測(cè)法、估算法等3種測(cè)算模型對(duì)長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑的草莓和蘋果種植區(qū)有機(jī)碳庫(kù)和土壤固碳量進(jìn)行對(duì)比分析（圖1）。研究結(jié)果表明，基于IPCC[11]和 Li等[12]測(cè)算模型得到的 2006年和2019年有機(jī)碳儲(chǔ)量都高于基于實(shí)測(cè)法得出的結(jié)果。其中，基于實(shí)測(cè)法的2019年草莓和蘋果種植區(qū)的有機(jī)碳儲(chǔ)量分別為 7 283.6 t和 1 697.79 t，IPCC[11]的測(cè)算結(jié)果分別為7 297 t和2 415.07 t，基于Li等[12]的測(cè)算結(jié)果分別為8 715.9 t和2 526.34 t。同時(shí)，對(duì)于草莓和蘋果種植區(qū)來說，基于實(shí)測(cè)法的年度土壤固碳量顯著高于IPCC[11]和Li等[12]測(cè)算模型得到的結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

3.1 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤容重和有機(jī)質(zhì)的影響

本研究中，有機(jī)源土壤調(diào)理劑的有機(jī)質(zhì)含量為75%、腐殖化率為60%、施用量為6 t/hm2，施入土壤后有機(jī)質(zhì)固定量為2.7 t/hm2。在施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑進(jìn)行土壤改良期間，土壤有機(jī)質(zhì)年均增加0.2%～0.3%。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，草莓種植區(qū)連續(xù)施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑改良土壤5～10年后，土壤基本不用再施加化肥。同時(shí)，土壤的容重、比重、通氣性、透水性、養(yǎng)分狀況、黏結(jié)性等也得到改善。許多研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)可降低土壤密度、增加土壤持水力，并能夠以一定的速度釋放養(yǎng)分，滿足作物生長(zhǎng)所需的95%以上的氮和硫以及20%～70%的磷。本試驗(yàn)中，草莓和蘋果種植區(qū)連續(xù)施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑后，土壤的容重、比重、通氣性、透水性、養(yǎng)分狀況、黏結(jié)性等也得到改善，可達(dá)到不再施加化肥的效果。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤中各種有機(jī)化合物的總稱，不僅含有作物生長(zhǎng)所需的各種營(yíng)養(yǎng)素，也是土壤微生物活動(dòng)的重要來源，是衡量果園土壤肥力的一個(gè)重要指標(biāo)。董 鵬等[13]對(duì)山西省萬榮縣蘋果園土壤中有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其含量為6.39～16.48 g/kg，平均值為8.69 g/kg，該結(jié)果與本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一致。仲光緒等[14]發(fā)現(xiàn)，山東省煙臺(tái)市金陵鎮(zhèn)的蘋果園有機(jī)質(zhì)含量為18.76～40.66 g/kg，平均值為26.85 g/kg，顯著高于本試驗(yàn)中蘋果和草莓種植區(qū)土壤中有機(jī)質(zhì)含量。分析其原因：一方面，2個(gè)試驗(yàn)的土壤類型不同，本試驗(yàn)的土壤類型以褐土為主，而仲光緒等[14]的試驗(yàn)中以棕壤為主。棕壤土質(zhì)細(xì)致、易于耕作，也更容易保存有機(jī)質(zhì)。另一方面，仲光緒等[14]試驗(yàn)中采用了有機(jī)肥、復(fù)合肥和生物炭等3種混合物，因而有機(jī)質(zhì)含量最高可以達(dá)到40.66 g/kg。

3.2 長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳和固碳能力的影響

土壤有機(jī)碳庫(kù)的變化可及時(shí)反映土壤碳動(dòng)態(tài)和土壤質(zhì)量的變化狀況[15]。曲成闖等[16]研究了施用生物有機(jī)肥對(duì)黃瓜連作土壤有機(jī)碳庫(kù)的影響，結(jié)果表明，與對(duì)照相比，生物有機(jī)肥可顯著增加黃瓜連作土壤中總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳庫(kù)的有機(jī)碳含量。土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)變化與土壤中微生物多樣性、組成結(jié)構(gòu)以及酶活性存在顯著關(guān)系。有機(jī)肥等土壤調(diào)理劑能夠提高土壤中微生物種類和數(shù)量，通過新陳代謝的作用，提升土壤固碳能力。本試驗(yàn)中，長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑能夠顯著增加草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量，該結(jié)論與盧凱政等[17]等的結(jié)論一致。盧凱政等[17]通過施用有機(jī)肥的方式對(duì)蘋果種植園進(jìn)行改造，結(jié)果表明，與改造前的果園相比，改造后的蘋果園中20～40 cm深土層中有機(jī)質(zhì)含量增加了33.5%。張鵬鵬等[18]發(fā)現(xiàn)，施肥方式能夠顯著影響土壤有機(jī)碳庫(kù)及碳庫(kù)組分的變化，從而為土壤固碳和農(nóng)業(yè)資源高效利用提供依據(jù)。本研究中，施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑后，草莓種植區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量提高了89.58%，蘋果種植區(qū)的有機(jī)碳儲(chǔ)量提高了2.75倍。

3.3 不同測(cè)算方法對(duì)草莓和蘋果種植區(qū)土壤有機(jī)碳和固碳能力的影響

本文采用了3種不同的方法對(duì)長(zhǎng)期施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑影響草莓和蘋果種植區(qū)有機(jī)碳儲(chǔ)量和土壤固碳能力進(jìn)行了對(duì)比分析。采用實(shí)測(cè)法計(jì)算的土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量和土壤固碳量與估算法的結(jié)果存在顯著差異。對(duì)比實(shí)測(cè)法與估算法的計(jì)算值可以看出，對(duì)于蘋果種植區(qū)而言，IPCC[11]和Li等[12]測(cè)算模型測(cè)算土壤固碳量的結(jié)果都高于實(shí)測(cè)法。結(jié)合實(shí)際分析，主要原因?yàn)镮PCC[11]和Li等[12]測(cè)算模型中有機(jī)質(zhì)投入因子是依據(jù)糞肥投入得出的，而我國(guó)施用的有機(jī)肥有機(jī)質(zhì)含量和腐殖化率明顯高于糞肥，導(dǎo)致采用國(guó)內(nèi)估測(cè)值估算的結(jié)果要高于IPCC缺省值的估算結(jié)果，且更接近實(shí)測(cè)計(jì)算的結(jié)果。

綜上所述，有機(jī)源土壤調(diào)理劑具有涵養(yǎng)土壤、激活生物等土壤修復(fù)功能。通過對(duì)有機(jī)源土壤調(diào)理劑影響土壤固碳的實(shí)證研究總結(jié)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)源土壤調(diào)理劑影響土壤固碳潛力的機(jī)制主要是通過提高有機(jī)質(zhì)含量和腐殖化率，使得有機(jī)源土壤調(diào)理劑施入土壤后能夠固定較多的有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而增加土壤碳固定量。經(jīng)研究得出，連續(xù)施用有機(jī)源土壤調(diào)理劑改良土壤還能夠起到減少化肥施用、改善土壤物理性狀的作用。本研究結(jié)果表明，利用有機(jī)源土壤調(diào)理劑改良農(nóng)田土壤不但對(duì)增加土壤碳庫(kù)具有非常好的效果，而且對(duì)土壤質(zhì)量提升有顯著作用。該研究結(jié)果可為有機(jī)源土壤調(diào)理劑的利用以及我國(guó)農(nóng)業(yè)土壤碳固定核算提供方法和數(shù)據(jù)支持。