土壤改良剂对废弃砂石坑造林地土壤性质和银杏生理特性的影响1)

于丹丹 贾黎明 李宇 贾忠奎 马履一 李媚

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

土壤改良剂对废弃砂石坑造林地土壤性质和银杏生理特性的影响1)

于丹丹 贾黎明 李宇 贾忠奎 马履一 李媚

(省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)

以北京市平原地区造林工程中废弃砂石坑地类土壤造林地位研究对象，将园林废弃腐熟物、生物有机肥进行组合设计应用于平原造林工程中以对困难立地土壤进行改良。试验共分4种处理：对照(无任何处理)；处理1(园林废弃腐熟物)；处理2(生物有机肥)；处理3(园林废弃腐熟物+生物有机肥)。测定了4种处理的土壤理化性质、土壤微生物群落数量、土壤酶活性、植物生理指标以及造林成活率及成本等。结果表明：处理3较其他3种处理表现出更好的改良土壤理化性质、促进植物生长及减少造林成本的效果。与对照相比，处理3的土壤孔隙状况及持水特性显著提高；土壤养分质量分数显著提高，土壤有机质和土壤全氮质量分数提高1倍以上；土壤微生物群落数量显著提高；土壤脲酶、过氧化氢酶等酶活性显著提高；银杏单叶含水量、相对含水量、叶绿素等生理指标质量分数显著提高，叶片全磷、全钾养分质量分数显著提高，丙二醛、可溶性糖、脯氨酸等抗旱指标质量分数显著降低，根系活力显著；土壤改良后造林成活率达到88.57%，每公顷降低造林成本28 245元。

平原造林；土壤改良；园林废弃物腐熟物；生物有机肥

With the waste sand and gravel pits in Beijing Plain Planting sites afforestation, we put the garden waste humus and biological organic fertilizer in combination design and used them in the plain afforestation project for improving the difficult site. The test was divided into four treatments including Treatment 1 with nothing as a control, Treatment 2 with garden waste humus, Treatment 3 with biological organic fertilizer, and Treatment 4 with both garden waste humus and biological organic fertilizer. We measured the soil physical and chemical properties, the number of soil microbial communities, soil enzyme activity, plant physiological indexes, afforestation survival rate and cost calculation of four treatments. Treatment 3 showed better effect in improving soil physical and chemical properties, promoting plant growth and reducing the cost of afforestation, compared with the other three treatments. Compared with control, Treatment 3 could significantly increase soil porosity and moisture characteristics. The soil nutrient content increased significantly, and soil organic matter and total nitrogen content increased by 100%. The number of soil microbial communities significantly increased. The soil urease and the catalase increased significantly. The leaf water content, relative water content, chlorophyll content and other physiological index content, significantly increased. The P and K in leaf significantly increased, but the drought resistance index contents of MDA, soluble sugar and Pro significantly reduced, and the root activity increased significantly. The afforestation survival rate increased to 88.57%, and the afforestation cost was reduced by 28245 yuan per hectare.

北京市为构建大尺度的城市森林，提高生态文明建设水平，体现城市现代化水平和宜居化程度，计划自2012年开始，5 a内全市新增森林面积6.67万hm2，平原地区森林覆盖率达到25%以上。按照造林规划，造林地类主要包括废弃砂石坑、建筑腾退地、沙地、农耕地等。废弃砂石坑土壤中，石砾比例高，养分质量分数极低，漏水漏肥严重。如何在此地类上造林，保证造林成活率及林木后期生长，成为急需解决的关键问题。

园林废弃腐熟物是将园林废弃物经过收集、粉碎、堆肥、翻堆和后腐熟五个阶段形成的堆肥基质[1]。园林废弃物堆肥形成基质重新应用于园林、城市绿化及平原造林，既可以减少对环境的污染，又可节约资源，实现资源的持续利用。园林废弃物堆肥化始于美国、加拿大等欧美国家[2-3]。在我国，随着城市绿化面积的扩大，园林绿化废弃物急剧增多[4]。北京地区建立多处废弃物消纳基地，对园林废弃物进行加工利用。相关研究表明，园林废弃物能够有效增大土壤孔隙度[5]、提高土壤保水能力[6-8]、提高土壤养分质量分数[1，7-8]、增加土壤微生物数量[9]、提高植物光合能力[10]。

生物有机肥是指以动植物残体(农作物秸秆、枯枝落叶、家畜粪便等)为底物进行消毒等无害化处理腐熟后，添加微生物继续发酵形成的具有生物肥料及有机肥双重效应的环保肥料[11]。我国从20世纪50年代开始进行微生物肥料的研究和应用[12]，相关研究表明生物有机肥料在改善土壤孔隙状况[13]、提高土壤肥力[13-14]、增强微生物活性[15]、提土壤相关转化酶的活性[16]、提高植物光合能力[17]、促进植物根系生长[18]、提高植物营养物质合成[19]等方面具有重要的作用，越来越多的人开始利用生物有机肥进行土壤改良。

本试验利用园林废弃腐熟物与生物有机肥组合设计对废弃砂石坑土壤进行改良，旨在研究在废弃砂石坑困难立地条件下，土壤改良技术对土壤理化性质的改良作用以及对植物生长的促进作用，提出适合困难立地造林的土壤改良技术措施，为北京市平原地区废弃砂石坑等困难立地造林提供相应的技术支持。

1 研究区概况

本试验研究区位于北京市昌平区马池口镇丈头村。该地属暖温带大陆性季风气候，年平均气温11.8 ℃，年平均降水量不足600 mm，年蒸发量超过1 500 mm，属于严重缺水地段。造林地类为废弃砂石坑，立地条件较差，地面砂石裸露，石砾含量30%～40%，土壤密度1.39 g·cm-3，pH值约为8.2，有机质质量分数7.14 g·kg-1，全氮质量分数0.119 g·kg-1，有效磷质量分数11.2 mg·kg-1，速效钾质量分数6.9 mg·kg-1，土壤养分质量分数整体处于极低水平。土壤漏水漏肥、保水保肥性能较差，土壤养分流失严重。

2 研究方法

2.1 试验对象

废弃砂石坑造林于2013年春季3月中旬开始，4月中下旬结束。造林前，利用机械(推土机)对造林地原有土壤进行简单平整及垃圾清理，利用挖掘机挖掘栽植穴，种植穴直径为1.2 m左右。试验树种为银杏(GinkgobilobaLinn.)，高度7～8 m，采用胸径为8 cm左右的土坨苗进行造林，株行距为4 m×4 m，种植密度为630～675株·hm-2。苗木栽植后立即对树体进行穴灌，坐实土壤。利用WET土壤水分速测仪进行简单快速测定，当土壤含水量低于田间持水量的40%时进行灌溉，每次灌溉量控制在200 L，2013年共计灌溉6次。其他管护措施按照《平原地区森林生态体系建设技术规程》进行。

2.2 试验材料

生物土壤有机肥选用善耕牌(善耕原生物科技发展有限公司生产)生物有机肥料土壤改良剂(干基有机质质量分数406 g·kg-1、全氮质量分数41.4 g·kg-1)。

园林抚育废弃腐熟物选用朝阳园林废弃物消纳基地生产的园林绿化废弃物资源化利用土壤改良基质。园林抚育废弃腐熟物腐熟时间2～3 a、pH值6.06、全氮质量分数55.2 g·kg-1、全磷质量分数28.8 g·kg-1、全钾质量分数15.2 g·kg-1。

2.3 试验设计

将生物有机肥与园林废弃腐熟物进行组合，采用完全随机试验设计，试验共设4个处理，每个处理分3个重复，每个重复60株，试验地1.13 hm2。对照(无任何处理)；处理1将园林废弃腐熟物与土壤按照1∶2(体积比)的比例混合后回填，回填深度30 cm；处理2将5 kg生物有机肥与土壤进行均匀混合后回填，回填深度30 cm；处理3将园林废弃腐熟物与土壤按照1∶2(体积比)的比例混合，再加入5 kg生物有机肥，均匀混合后回填，回填深度30 cm。

2.4 样品采集及处理

土壤样品采集自2013年6月开始，每2个月取样1次。每个重复内随机抽取5个样点，按0～10 cm(表层)、>10～30 cm(中层)、>30～50 cm(底层)3个土层进行。利用环刀(体积100 cm3)采集土样，每个土层取样1 kg，土壤微生物测定的样品及时放入冰盒，带回实验室，测定物理性质指标、土壤养分指标和土壤微生物数量。

银杏叶片样品采集于2014年8月进行，每个重复选取10株，在树体朝阳方位大致3 m处，同一位置取大小、形状一致的叶片数片，放入冰盒内及时带回实验室，叶片分为两部分，一部分进行脯氨酸、可溶性糖、丙二醛、叶绿素、叶片含水量、叶水势测定，另一部分立即杀青(105 ℃，30 s)后，烘干、粉碎后备用，进行营养元素(N、P、K)的测定。

2.5 土壤理化性质及银杏叶片生理指标测定

采用环刀称重法测定土壤物理指标；采用WET土壤水分速测仪测定土壤含水量。选取7月20—24日5个标准日，每个处理随机选取15个样本，分0～10、>10～30、>30～50 cm土层进行测定，后取平均值，比较不同处理在一天内不同时间土壤含水量的变化。

土壤有机质、土壤全氮、有效磷、速效钾的质量分数，根据土壤农业化学分析方法[20]进行测定；土壤微生物采用稀释平板法进行测定[20]；土壤脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶、蛋白酶测定方法详见文献[20]；银杏叶片脯氨酸、丙二醛、可溶性糖、叶绿素、含水量、叶水势、叶片氮磷钾的分析方法详见文献[21]。

2.6 数据处理

使用Excel 2013对数据进行初步整理，利用SPSS 20.0软件进行方差分析，在P=0.05显著性水平下采用LSD法对数据进行多重比较及因子分析。

3 结果与分析

3.1 土壤改良剂对土壤物理性质的影响

3.1.1 土壤改良剂对土壤密度及孔隙度的影响

由表1可知，各处理能够显著提高土壤孔隙度，大致表现出处理3>处理1>处理2>对照。在3个土层，处理3对土壤孔隙度的改善效果最好，处理3非毛管孔隙比对照显著提高2.3%～2.9%，毛管孔隙比对照显著提高5%～9%，总孔隙比对照提高7%～12%；在0～10 cm土层，处理2对土壤孔隙度的改善效果较低，毛管孔隙度较对照提高2.6%，土壤总孔隙度较对照提高1.8%～4%。

表1 不同处理对孔隙度的影响

3.1.2 土壤改良剂对土壤含水量的影响

由表2可知，各处理与对照相比能够显著提高土壤含水量，为植物的生长提供有力的水分保障。各处理0～10、>10～30 cm土层土壤瞬时含水量较对照均有显著性提高，大体上表现为处理3>处理1>处理2>对照。各处理较对照显著提高5%～8%。>30～50 cm土层土壤含水量处理3比其他处理显著；各处理本身土壤含水量随土层加深呈递增趋势，且各处理在1 d中随时间变化，整体上呈现下降的趋势。

表2 不同处理各土层土壤含水量日变化

3.1.3 土壤改良剂对土壤蓄水量及涵养水源量的影响

表3表明，土壤涵养水源量及最大蓄水量不同处理间存在显著差异，大致表现为处理3>处理1>处理2>对照。处理3土壤水源涵养量最高，与对照存在显著性差异，0～10、>10～30、>30～50 cm各土层涵养水源量较对照有较大提高，提高程度接近100%；处理1、处理2各土层土壤水源涵养量无显著性差异。最大蓄水量处理3最高，与对照存在显著性差异；0～10、>10～30、>30～50 cm各土层土壤最大蓄水量较对照有较大提高，提高程度20%～30%；处理1改良层(0～30 cm)最大蓄水量与对照相比存在显著差异，但效果不及处理3，处理2与对照之间无显著性差异。

3.2 土壤改良剂对土壤化学性质的影响

3.2.1 土壤改良剂对土壤有机质的影响

由表4可知，各处理均能显著提高土壤有机质质量分数。各处理不同土层土壤有机质质量分数在不同时间较对照相比均有显著提高(P<0.05)，表现为处理3>处理1>处理2>对照。处理3，在0～10 cm土层，不同时间土壤有机质质量分数较对照分别提高11.22、22.04、49.02 g·kg-1；>10～30 cm土层，不同时间土壤有机质质量分数分别较对照提高6.12、11.58、28.60 g·kg-1；>30～50 cm土层，不同时间土壤有机质质量分数分别较对照提高3.31、9.86、17.97 g·kg-1。随时间变化，处理3及处理1土壤有机质质量分数显著提高，处理2有机质质量分数小幅提高，对照土壤有机质质量分数不断下降，各处理本身有机质质量分数差值越来越大。处理3、处理1、处理2非改良层(30～50 cm)土壤有机质质量分数随时间也有提高趋势，与对照存在显著差异。

表3 不同处理对土壤涵养水源量及最大蓄水量的影响

表4 不同处理对土壤有机质质量分数的影响

3.2.2 土壤改良剂对土壤氮磷钾质量分数的影响

3.2.2.1 土壤改良剂对土壤全氮质量分数的影响

由表5可知，各处理土壤全氮质量分数与对照相比均有显著性提高，表现为处理3>处理1>处理2>对照。处理3，0～10 cm土层不同时间土壤全氮质量分数较对照分别提高25.06、125.27、252.59 mg·kg-1；>10～30 cm土层不同时间土壤全氮质量分数分别较对照分别提高10.02、75.75、179.79 mg·kg-1；>30～50 cm土层不同时间土壤全氮质量分数分别较对照分别提高1.83、67.79、121.43 mg·kg-1。随时间的变化，土壤全氮质量分数对照呈下降趋势，土壤全氮质量分数处理3、处理1、处理2都呈上升趋势，各处理与对照土壤氮质量分数的差值越来越大，处理3较对照的差值最大。

表5 不同处理对土壤全氮质量分数的影响

3.2.2.2 土壤改良剂对土壤有效磷及速效钾质量分数的影响

由表6—7可知，各处理土壤有效磷、速效钾质量分数与对照相比均有显著提高(P<0.05)，表现为处理3>处理2>处理1>对照。

表6 不同处理对土壤有效磷质量分数的影响

表7 不同处理对土壤速效钾质量分数的影响

6月份，处理3在0～10、>10～30、>30～50 cm土层有效磷质量分数分别较对照提高18.22、19.71、22.69 mg·kg-1；8月份、10月份0～30 cm各处理之间基本无显著性差异；>30～50 cm土层处理3较对照有显著提高，由于有效磷下渗到深层土壤，而引起>30～50 cm土层有效磷质量分数的变化。

6月份，处理3在0～10、>30～50 cm土层速效钾质量分数分别较对照显著提高2.22、1.79 mg·kg-1；>10～30 cm土层速效钾质量分数各处理之间无显著性差异。8月份、10月份，0～10 cm土层，速效钾质量分数各处理之间均无显著性差异；>10～30 cm土层，速效钾质量分数处理3较对照(3.52 mg·kg-1)提高2.23 mg·kg-1；30～50 cm土层速效钾质量分数各处理无显著性差异；10月份，>10～30 cm土层，处理3较对照(4.06 mg·kg-1)显著提高1.70 mg·kg-1；>30～50 cm的处理3较对照(3.60 mg·kg-1)提高1.67 mg·kg-1。总体表现为不同处理土壤有效磷及速效钾质量分数随时间不断降低，但始终高于对照。

3.3 土壤改良剂对土壤微生物数量的影响

由表8可知，各处理土壤微生物数量与对照相比有显著提高(P<0.05)，表现为处理3>处理2>处理1>对照。0～10、>10～30 cm土层，细菌群落数处理3较对照分别显著提高56.25%、100%，处理2较对照分别显著提高50%、43.75%；真菌群落数>10～30 cm土层存在显著差异，处理3较对照显著提高40%，处理2较对照显著提高38%；放线菌群落数处理3较对照显著提高40%～80%，处理2较对照显著提高20%～50%。总体上处理3及处理2对土壤微生物群落数的增加作用显著，尤其是对细菌及放线菌数量的增加效果显著。各处理表现出一致的生物群落分布规律，即中上层微生物数量(0～30 cm)高于深层(>30～50 cm)。

表8 不同处理对土壤微生物数量的影响

3.4 土壤改良剂对土壤酶活性的影响

由表9可知，各处理土壤酶活性与对照相比均有显著性提高。土壤酶活性表现为处理3>处理1>处理2>对照。处理3土壤酶活性较对照显著增加，其中土壤脲酶显著增加0.47 mg·kg-1，增幅达124%；土壤过氧化氢酶显著增加23.86 mg·kg-1，增幅达65%；酸性磷酸酶显著增加17.10 mg·kg-1，增幅达67%；土壤蛋白酶显著增加841 mg·kg-1，增幅达116%。处理1土壤酶活性提高程度次之，显著高于对照。

表9 不同处理对土壤酶活性的影响

mg·kg-1

3.5 土壤改良剂对植物生理指标的影响

3.5.1 土壤改良剂对植物光合生理指标的影响

由表10可知，各处理能够有效提高银杏生理指标，表现为处理3>处理1>处理2>对照。植物叶片含水量较对照有所提高，处理3、处理2单叶含水量较对照分别提高0.15、0.10 g，处理1较对照有所提高，但未达到显著性水平。叶片相对含水量较对照提高，处理3较对照提高9.38%。处理3、处理1、处理2叶绿素质量分数较对照分别提高5.82、4.98、2.37 mg·L-1，处理3效果最佳。处理3、处理1、处理2叶水势较对照分别提高0.49、0.33、0.26 Mpa。

表10 不同处理对植物光合生理指标的影响情况

3.5.2 土壤改良剂对植物叶片营养的影响

由表11可见，各处理叶片营养质量分数存在显著性差异，表现为处理3>处理2>处理1>对照。叶片全氮质量分数各处理间无显著性差异；全磷质量分数处理3、处理2差异不显著，处理3、处理2分别与处理1和对照存在显著性差异；全钾质量分数处理3较其他处理差异不显著，但比对照提高2.2 g·kg-1。

3.5.3 土壤改良剂对银杏抗旱性生理指标的影响

由表12可见，各处理的抗旱性较对照有显著提高。丙二醛、可溶性糖、脯氨酸质量分数大小表现为出处理3<处理1<处理2<对照。丙二醛质量分数处理3比对照和处理2分别降低1.04、0.99 μmol·g-1，与处理1相比虽有所下降但无显著性差异；可溶性糖质量分数处理3比对照和处理2分别降低0.76%、0.60%，与处理1无显著性差异；脯氨酸质量分数处理3与对照、处理1、处理2均存在显著性差异，分别降低115.74、103.03、87.65 μg·g-1。各处理根系活力均存在显著性差异，表现为处理3>处理1>处理2>对照，处理3、处理1、处理2较对照分别提高33.79、21.86、11.21 μg·g-1·h-1。

表11 不同处理对植物叶片营养的影响

3.6 土壤改良剂对造林成本的影响

由表13可知，各处理造林成活率存在较大差异，表现为处理3>处理2>对照>处理1。处理3造林成活率(88.57%)较对照(65%)提高23.57%，处理2造林成活率(77.07%)较对照(65%)提高12.07%，处理1造林成活率(58.64%)较对照(65%)降低6.36%。

表12 不同处理对植物抗旱性生理指标的影响

按照北京市造林相关要求，造林成活率不低于95%，死亡的植株需及时补植，因此，涉及到造林成本增加问题。处理3前期相对投入较高(5 857元)，但能够提高造林成活率(88.57%)，因此，处理3补植费用较对照降低5 379元，折合每公顷节约成本28 245元，大大节省造林投入。

表13 不同处理相对成本统计

4 结束语

通过比对试验，发现园林废弃物腐熟物与生物有机肥进行综合利用，使土壤孔隙状况得到显著改善，土壤蓄水保墒能力提高；土壤养分质量分数、土壤微生物群落数量显著增加；土壤酶活性显著提高；植物多项生理指标得到改善；造林成活率得到提高，造林相对成本降低。因此，园林废弃物腐熟物及生物有机肥处理具有较好的保水增肥、促进植物健康生长并有效降低造林成本效果。建议在土壤肥力较差、保水保肥能力低的地段等类似困难立地造林过程中，推广应用园林废弃物腐熟物及生物有机肥对土壤进行改良。

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Effect of Different Soil Conditioner on Soil Properties and Physiological Characteristics ofGinkgobilobain the Abandon Gravel Pit//

Yu Dandan, Jia Liming, LI Yu, Jia Zhongkui, Ma Lüyi, Li Mei

(Key Lab. for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083, P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University，2015,43(9)：56-61.

Plain afforestation; Soil improvement; Garden waste humus; Biological organic fertilizer

于丹丹，女，1989年7月生，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，硕士研究生。E-mail：ydd20082376@163.com。

贾忠奎，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，副教授。E-mail：jiazk@bjfu.edu.cn。马履一，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室(北京林业大学)，教授。E-mail：maluyi@bjfu.edu.cn。

2015年3月13日。

S714.6

1)北京市园林绿化局青年科技专项资金(京科绿研2014-4-8);北京市科技计划项目(Z121100008512002)。

责任编辑：王广建。