不同肥力提升措施對馬尾松侵蝕林地表層土壤質(zhì)量的影響

黃榮珍，席永新，朱麗琴，王金平，管鴻智，林麗靖，李燕燕，廖迎春，房煥英

(1.南昌工程學(xué)院 江西省退化生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)與流域生態(tài)水文重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330099；2.奉新縣水利局，江西 奉新 330070)

近30多年來，江西省大面積的侵蝕退化地生態(tài)修復(fù)工作取得了舉世矚目的成就，使得全省森林覆蓋率高居全國第二，但大規(guī)模侵蝕劣地上形成的喬木成林而地表裸露的“空中森林”是我們不得不面對的“瓶頸”。這類林地土壤肥力低、質(zhì)量差，容易形成低效林，且林下植被難以生長，裸露的地表極容易造成水土流失。因此，提高侵蝕林地土壤肥力，改善土壤質(zhì)量是一項(xiàng)基礎(chǔ)且迫切的工作，但是目前對于侵蝕退化紅壤植被恢復(fù)過程中土壤質(zhì)量改善方面的研究顯然偏少。

利用有機(jī)肥提高土壤肥力早有大量報(bào)道，如萬辰[1]等研究結(jié)果表明添加有機(jī)肥使油菜田土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷短時(shí)間大幅度提高；王奉軍[2]等研究結(jié)果表明化肥配施有機(jī)肥增加了芹菜田有機(jī)碳及其碳組分含量；而逢娜[3]等的研究則表明有機(jī)肥明顯提高了玉米地黑土速效養(yǎng)分含量和酶活性。生物炭改良土壤受到廣泛重視，它是生物質(zhì)原料在完全或部分缺氧條件下經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類高度芳香化、穩(wěn)定性高的富碳有機(jī)物質(zhì)，具有孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力強(qiáng)、富含養(yǎng)分等特點(diǎn)[4-5]，在改良土壤中具有較大的應(yīng)用潛力，相關(guān)研究也證實(shí)生物炭能改良酸性土壤、提高土壤養(yǎng)分含量、提高土壤酶活性[6-7]。微生物肥在土壤改良中也越來越受關(guān)注，微生物肥是由特定微生物與營養(yǎng)物質(zhì)復(fù)合而成，為具有改良土壤、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)等作用的活體微生物制品[8]。孫中濤[9]等的研究表明微生物肥可改善棉田土壤生態(tài)環(huán)境，提高土壤肥力，增加土壤有效磷、堿解氮和速效鉀，烏音嘎[10]等的研究顯示微生物肥能顯著提高玉米田土壤酶活性、微生物碳氮、有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量，過氧化氫酶、脲酶、磷酸活性酶和蔗糖酶活性。因此，有機(jī)肥、生物炭和微生物肥料均能用來改良土壤，提高土壤肥力，但這些肥力提升措施主要用于農(nóng)業(yè)土壤，用于林地土壤的改良較少見，且它們對林地土壤質(zhì)量改良效果孰優(yōu)孰劣尚無定論。

本研究以江西省嚴(yán)重侵蝕地恢復(fù)后形成的林下裸露的馬尾松(Pinusmassoniana)林地為對照，以添加有機(jī)肥、生物炭和石灰+微生物肥等肥力提升措施林地為研究對象，研究不同肥力提升措施對表層土壤酸堿度、養(yǎng)分含量以及酶活性的影響，比較各肥力提升措施對土壤質(zhì)量的改善作用，以期為紅壤區(qū)侵蝕林地土壤質(zhì)量的提升提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于江西省吉安市井岡山水土保持科技示范園內(nèi)(泰和縣老虎山小流域)，位于東經(jīng)114°52′～114°54′，北緯26°50′～26°51′，海拔80～200 m。境內(nèi)多平緩丘坡，坡度多為5 ℃，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，多年平均降雨量為1 363 mm，極端氣溫分別為40.4 ℃和-6 ℃，平均氣溫為18.6 ℃，無霜期為288 d，土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育而成的紅壤，厚度約為3～40 cm，屬于強(qiáng)度侵蝕退化紅壤。試驗(yàn)地屬1984年種植的馬尾松林地，株行距為2 m×2 m，林下水土流失嚴(yán)重。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與采樣

試驗(yàn)地設(shè)于馬尾松林內(nèi)，以馬尾松裸露林地為空白對照(CK)，添加有機(jī)肥(A)、生物質(zhì)炭(B)、石灰+微生物肥料(T)為處理，每個(gè)處理分別隨機(jī)設(shè)3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)大小為25 m×25 m。有機(jī)肥處理每個(gè)小區(qū)施加12 kg有機(jī)肥，有機(jī)肥為當(dāng)?shù)氐挠筒丝蒿灐Ｔ撚袡C(jī)肥含有機(jī)質(zhì)70.3%、全氮5.01%、五氧化二磷1.08%、氧化鉀1.82%。生物炭處理每個(gè)小區(qū)施加12 kg生物質(zhì)炭。生物炭購于宜春市豐城寧能生物質(zhì)發(fā)電有限公司，原料為水稻秸稈，采用連續(xù)立式生物質(zhì)化爐生產(chǎn)，炭化溫度為450 ℃，生物炭的基本性質(zhì)為pH 10.4，有機(jī)碳467.0(g/kg)、全氮5.90(g/kg)、全磷1.50(g/kg)、全鉀29.50(g/kg)。石灰+微生物肥料處理每個(gè)小區(qū)施加12 kg微生物肥料+1 kg石灰。微生物肥料購買于江蘇新天地生物肥料工程中心有限公司，是南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)與肥料系研制的Bio抗土傳病高效生物肥(抗病菌種有效活菌數(shù)≥5·g-1肥料，有機(jī)質(zhì)≥25%、氮+磷+鉀≥6%)。2018年6月施肥，2020年9月在每個(gè)處理的3個(gè)重復(fù)地塊內(nèi)以“之”型各自選取9個(gè)采樣點(diǎn)，分別采集0～2 cm和2～5 cm土層的土樣，同一地塊9個(gè)采樣點(diǎn)同一深度土層所取土樣混合均勻后裝入自封袋，共24袋樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室過2 mm土篩，分成2份，一份自然風(fēng)干用于測定土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)，另一份存于4 ℃冰箱用于測定土壤酶活性。

1.3 土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的測定

土壤pH值和養(yǎng)分含量測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[11]：土壤pH值采用電位法(水∶土=1∶5)，土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀—比色法測定，全氮(TN)采用凱氏定氮法測定，全磷(TP)采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用乙酸銨浸提—火焰光度計(jì)法測定。土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[12]；轉(zhuǎn)化酶參照王佳[13]等的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算方法

采用SPSS 19.0軟件對不同肥力添加處理土壤pH值、土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性進(jìn)行Duncan法多重比較(Multiple comparisons)(P<0.05)，采用Origin 8.5作柱狀圖，圖中結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”形式表示。采用Excel 2007作各處理土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的雷達(dá)圖。

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法綜合比較不同肥力提升措施之間表層土壤的質(zhì)量。具體過程為先對選取的土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)求其隸屬函數(shù)值，然后對各個(gè)質(zhì)量指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加求其平均值，一般用△值表示，△值越高說明處理的土壤質(zhì)量越好，△值越小說明處理的土壤質(zhì)量越差。

本研究將土壤質(zhì)量指標(biāo)歸納為土壤酸堿度(pH)、土壤養(yǎng)分指標(biāo)(有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀)、土壤酶活性指標(biāo)(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和轉(zhuǎn)化酶)幾大類，在計(jì)算每個(gè)測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值的基礎(chǔ)上求得大類指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，再計(jì)算綜合平均值，并進(jìn)行排序。如果某一土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)與土壤質(zhì)量呈正相關(guān)，則：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

式中X為不同處理同一土層某一指標(biāo)的測定值；Xmax為同一土層某一指標(biāo)測定值中的最大值；Xmin為同一土層該指標(biāo)的最小值。

把每個(gè)肥力添加處理各土層的土壤質(zhì)量指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，計(jì)算其平均值(△)。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同肥力提升措施對土壤酸堿度和養(yǎng)分含量的影響

土壤pH值影響?zhàn)B分的有效性，土壤過酸(低pH值)會(huì)導(dǎo)致鋁、錳等有害元素活化以及鈣、鎂等營養(yǎng)元素的大量淋失，降低土壤肥力，從而影響植物生長[14]。石灰本身是堿性物質(zhì)能中和土壤酸性[15]，生物炭含有一定量的堿性基團(tuán)也能改善土壤酸堿環(huán)境[16]，因此，添加生物炭和石灰+微生物肥顯著提高了林地兩個(gè)土層pH值，提高值分別為10.5%(P<0.05)和7.8%。本研究中，添加有機(jī)肥也提高了土壤pH值，且對2～5 cm土層土壤pH的提高值達(dá)顯著水平(P<0.05)，這與孫楠等[17]的研究結(jié)果一致，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥一方面能歸還部分堿性物質(zhì)，另一方面通過絡(luò)合作用降低土壤交換性鋁的含量[18]。有機(jī)肥處理、對照處理和石灰+微生物肥處理的2～5 cm土層土壤pH值顯著高于0～2 cm土層(圖1a)(P<0.05)，這是因?yàn)?～2 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量和有機(jī)碳含量更高(圖1b和圖1c)，微生物活性更強(qiáng)，能釋放出更多的有機(jī)酸。

土壤養(yǎng)分包括土壤有機(jī)碳以及氮磷鉀等元素的含量。大量研究表明有機(jī)肥、生物炭和微生物有助于提高土壤養(yǎng)分含量[3，6，10]。本研究結(jié)果表明，添加有機(jī)肥、生物炭和石灰+微生物肥均顯著提高了兩個(gè)土層土壤有機(jī)碳含量(P<0.05)，提高值平均分別為147.5%、69.9%和54.9%(圖1b和圖1c)。各處理0～2 cm土層土壤全氮含量均顯著高于2～5 cm土層(P<0.05)。添加石灰+微生物肥對0～2 cm和2～5 cm土層土壤全氮含量均有提高作用，提高值分別為124.0%(P<0.05)和64.6%(P<0.05)。添加生物炭只提高了2～5 cm土層土壤全氮含量，提高值為73.1%(P<0.05)，而添加有機(jī)肥則對土壤全氮含量無顯著影響(圖1d)。對于土壤全磷含量，添加有機(jī)肥的提高效果好，其對0～2 cm和2～5 cm土層土壤全磷含量的提高值分別為30.5%(P<0.05)和57.0%(P<0.05)。添加石灰+微生物肥只顯著提高了2～5 cm土層土壤全磷含量(P<0.05)，而添加生物炭對0～2 cm土層土壤全磷含量則起降低作用(P<0.05)(圖1e)。對于土壤全鉀含量，各肥力提升措施對2～5 cm土層土壤全鉀含量影響不顯著，添加生物炭只提高了0～2 cm土層土壤全鉀含量，提高值為20.0%(P<0.05)，而添加石灰+微生物肥則相反(圖1f)。

注：OF表示有機(jī)肥，BC表示生物碳，CK為空白對照，LMF表示石灰+微生物肥。不同小寫字母表示0～2 cm土層中處理間差異顯著，大寫字母表示2～5 cm土層中處理間差異顯著，“*”表示同一處理0～2 cm和2～5 cm土層間差異顯著，*(P<0.05)，**(P<0.01)，***(P<0.001)，下同。圖1 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

2.2 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤有機(jī)質(zhì)分解、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的驅(qū)動(dòng)力，是土壤質(zhì)量和生態(tài)穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，影響土壤養(yǎng)分的有效性。脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、轉(zhuǎn)化酶和多酚氧化酶為土壤中與碳、氮、磷養(yǎng)分循環(huán)及氧化還原相關(guān)的主要酶類。脲酶是指示土壤氮循環(huán)過程的重要酶類，可將有機(jī)物中的碳-氮鍵水解生成氨、二氧化碳和水，促進(jìn)有機(jī)氮向礦質(zhì)氮的轉(zhuǎn)化，其活性與土壤的微生物數(shù)量、有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量呈正相關(guān)[19]。本研究中，各處理0～2 cm土層土壤脲酶活性顯著高于2～5 cm土層土壤(P<0.05)(圖2a)，說明表層土壤的氮循環(huán)速率更快。各肥力提升措施對林地0～2 cm和2～5 cm土層土壤脲酶活性均無顯著影響。磷酸酶能夠催化土壤中磷酸單酯和磷酸二酯水解，指示有機(jī)磷向有效磷的轉(zhuǎn)化過程。各處理0～2 cm和2～5 cm土層間土壤酸性磷酸酶活性無顯著差異(圖2b)。各肥力提升措施中，添加石灰+微生物肥降低了0～2 cm土層土壤酸性磷酸酶活性，降低值為6%(P<0.05)。蔗糖酶可反映土壤有機(jī)碳積累、分解與轉(zhuǎn)化的規(guī)律，是評價(jià)土壤熟化程度和肥力水平的指標(biāo)，蔗糖酶活性越高，土壤肥力越高[20]。本研究中，有機(jī)肥、石灰+微生物肥和生物炭均顯著提高了0～2 cm土層土壤蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值為259.6%、231.3%和105.1%。而對于2～5 cm土層土壤，則只有添加有機(jī)肥處理顯著提高了蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值為107.6%。各肥力提升措施0～2 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于2～5 cm土層(P<0.05)(圖2c)，說明表層(0～2 cm)土壤熟化程度和肥力更高，各肥力提升措施均提高了土壤肥力。

圖2 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

多酚氧化酶活性在土壤芳香化合物的轉(zhuǎn)化方面起著關(guān)鍵作用，是生態(tài)系統(tǒng)中的重要氧化還原酶，可以反映土壤的腐殖化程度[21]。本研究結(jié)果表明，添加石灰+微生物肥顯著提高了0～2 cm土層土壤多酚氧化酶活性(P<0.05)，提高值為18.3%，而添加有機(jī)肥則相反，這主要是由于微生物會(huì)對表層(0～2 cm)土壤凋落物進(jìn)行分解，加快其腐殖化進(jìn)程。各肥力提升措施對2～5 cm土層土壤多酚氧化酶活性無顯著影響(圖2d)。土壤轉(zhuǎn)化酶是衡量土壤生物學(xué)活性的重要指標(biāo)，不僅很大程度上表征土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化強(qiáng)度，還促進(jìn)土壤中易溶性營養(yǎng)物質(zhì)增加，是土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵因素之一[22]。本研究中，添加有機(jī)肥、石灰+微生物肥和生物炭均顯著提高了0～2 cm土層土壤轉(zhuǎn)化酶活性(P<0.05)，提高值分別為558.3%、349.8%和222.0%，卻對2～5 cm土層土壤轉(zhuǎn)化酶均無顯著影響。各肥力提升措施0～2 cm土層土壤轉(zhuǎn)化酶活性顯著高于2～5 cm土層(圖2e)(P<0.05)，說明各肥力提升措施均有利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，肥力的積累。

2.3 不同肥力提升措施提高土壤質(zhì)量的綜合評估

雷達(dá)圖可以更直觀地表達(dá)不同肥力添加處理下土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的差異。由圖3可知，各肥力提升措施均可改善土壤質(zhì)量，與空白對照相比，添加有機(jī)肥主要提高了土壤有機(jī)碳含量、全磷含量、蔗糖酶活性、轉(zhuǎn)化酶活性和pH值；添加生物炭主要提高了土壤pH值、全鉀含量、全氮含量、有機(jī)碳含量和轉(zhuǎn)化酶活性；添加石灰+微生物肥主要提高了土壤pH值、全氮含量、全磷含量、有機(jī)碳含量、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和轉(zhuǎn)化酶活性。

圖3 各肥力添加處理土壤質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)的雷達(dá)圖

為了綜合評價(jià)各肥力提升措施對林地表層土壤質(zhì)量的影響，應(yīng)用隸屬函數(shù)法進(jìn)行評價(jià)。由結(jié)果(表1)可知，各肥力提升措施對土壤酸堿度的改善作用為生物碳>石灰+微生物肥>有機(jī)肥；各肥力提升措施對土壤養(yǎng)分的改善作用為有機(jī)肥>生物炭>石灰+微生物肥；各肥力提升措施對土壤酶活性的提高作用為有機(jī)肥>石灰+微生物肥>生物炭。隸屬函數(shù)綜合值(△)排序?yàn)橛袡C(jī)肥(0.562)>石灰+微生物肥(0.526)>生物炭(0.498)>空白對照(0.303)，因此，各肥力提升措施對林地土壤質(zhì)量的改善作用為有機(jī)肥>石灰+微生物肥>生物炭。

表1 各處理土壤質(zhì)量隸屬函數(shù)值的比較

3 結(jié)論

(1)綜合上述研究，3種肥力提升措施均能大幅度提高林地表層土壤質(zhì)量，提高效果依序?yàn)橛袡C(jī)肥>石灰+微生物肥>生物炭。

(2)各肥力提升措施均能提高表層土壤養(yǎng)分含量，表現(xiàn)為有機(jī)肥>生物炭>石灰+微生物肥，其中，添加有機(jī)肥主要提高土壤有機(jī)碳和全磷含量，添加生物炭主要提高土壤全鉀、全氮和有機(jī)碳含量，添加石灰+微生物肥主要提高全氮、全磷和有機(jī)碳含量。因此，3種肥料配合添加對土壤養(yǎng)分元素的提高會(huì)更全面，提高效果會(huì)更好。

(3)林地0～2 cm土層土壤pH值低于2～5 cm土層，各肥力提升措施均能提高表層土壤pH值，提高作用為生物碳>石灰+微生物肥>有機(jī)肥，且對2～5 cm土層土壤pH值提高作用更大。

(4)林地0～2 cm土層土壤酶活性高于2～5 cm土層，各肥力提升措施主要提高了0～2 cm土層土壤酶活性，提高作用為有機(jī)肥>石灰+微生物肥>生物炭，其中，添加有機(jī)肥主要提高了土壤蔗糖酶活性和轉(zhuǎn)化酶活性，添加生物炭主要提高土壤轉(zhuǎn)化酶活性，添加石灰+微生物肥主要提高了蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和轉(zhuǎn)化酶活性。