有机物料对山核桃林地土壤的培肥改良效果

倪 幸，窦春英,2，丁立忠，石红静，马闪闪，赵伟明，赵科理，叶正钱*

（1 浙江农林大学环境与资源学院/浙江省土壤污染生物修复重点实验室，浙江临安 311300；2 安徽省宁国市种植业局，安徽宁国 242300；3 浙江省临安市林业技术推广中心，浙江临安 311300；4 浙江省杭州市林科院，浙江杭州 310020）

山核桃（Carya cathayensis）是浙江省特有的名优干果和木本油料作物，其果仁含丰富的粗蛋白、粗脂肪和微量元素等，具保健功能，有极高的经济价值[1]。在实际生产过程中，农户为了追求更高的经济效益，盲目大量地施用化学肥料，导致林地土壤pH急剧下降，土壤养分不平衡，土壤生产力下降[2]。山核桃产区土壤肥力状况的恶化，不仅引发了山核桃产量及品质的下降，还导致当前大面积树林早衰甚至死亡。

有机物料作为有机肥施用对土壤具有提供养分、改良土壤等功能，是众多土壤培肥措施中最有效、可靠的途径[3]。腐植酸肥料是潜在的土壤改良剂和植物生长促进剂[4]。李志鹏等[5]研究表明，腐植酸肥的施用有效地促进了烟草根系发育及土壤微生物的繁殖，提高了土壤速效养分。沼渣是农业及养殖业废弃物沼气无害化处理的固相产物[6]。肖洋等[7]研究表明，连年施用沼渣可以代替化肥，在增加玉米产量的同时，还可以提高土壤养分，降低土壤酸度。生物有机肥含有功能性有益微生物可以调控土壤微生物群落结构，减少土传病害，从而改良土壤性状[8]，提高了土壤微生物整体代谢能力，其效果优于常规肥料[9]。生物质炭作为一种具有酸性土壤改良、修复污染环境等功能的新型材料已成为近年来研究的热点[10]。生物质炭可以中和土壤酸度，降低铝对作物的毒害作用，并提高酸性土壤有效养分的含量[11]。

近年来，多数研究集中在对不同山核桃林地土壤肥力质量退化状况的报道[12]，缺少系统性地研究多种有机物料对不同山核桃林地土壤培肥改良的作用，缺乏对山核桃林地土壤科学施肥的理论指导。因此，笔者以山核桃生育期为培肥期，选取对当季山核桃生产最为密切相关的肥力指标为其培肥效果的评价指标，采用室内培养的方式，研究代表性的4种有机物料对山核桃林地土壤肥力关键性指标的动态变化影响。通过比较2种不同生产力的山核桃土壤对施肥的反应，评价有机物料的土壤改良和培肥效果，筛选出合理的培肥模式，以期为有机物料的合理施用和山核桃林地土壤的培肥提供理论依据，并为今后实际应用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤分别采自浙江省临安市山核桃主产区龙岗镇林坑村的红壤 (壤质黏土) 及岛石下塔村的石灰岩土 (重壤)。龙岗镇林坑村的林地土壤退化严重，山核桃树全部死亡，因新种山核桃幼树难以成活已荒废多年；岛石下塔村的山核桃林地为临安市山核桃高产林地[13]。供试土壤理化性质见表1。

供试有机物料为以下4种：生物有机肥 (商品名肥得力，含多种功能菌)、黄腐酸钾 (有机肥)、竹炭，这3种均为市售产品购得；沼渣 (取自某有机养猪场)，有机物料的基本性质见表2。

1.2 试验设计

山核桃树从早春3月树液流动到9月果实成熟期，11月份落叶，于2015年3月采集土壤进行室内培养实验。通过前期试验得出4种有机物料1%加入量水平下总体改良效果优于0.1%加入量[14]，故采用1%加入量进行室内培养试验，并以不加有机物料为对照，每个处理重复4次。

将600.00 g风干土壤与有机物料 (过2 mm筛)充分混匀后置于1.50 L塑料杯中，并用去离子水将土壤含水量调节到土壤田间持水量的70%，用保鲜膜及橡皮筋对塑料杯封口，并对保鲜膜留孔，便于气体交换并减少水分损失。将塑料杯置于25℃的恒温培养箱中培养，每周称重一次并补充水分，以保持土壤含水量恒定。在培养开始的0、30、60、90、180天取新鲜土样，自然风干，过筛供分析测定。

1.3 测定方法与数据分析

采用土壤农化常规分析方法进行样品分析[15]：土壤pH值采用 (水土比2.5∶1) pH计电位法测定；土壤碱解氮、有效磷、速效钾分别采用碱解扩散法、Olsen法和醋酸铵浸提–火焰光度法测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤有效态微量元素含量采用0.1 mol/L HCl浸提，ICP-OES(OPTIMA7000DV) 测定；土壤交换性酸、铝离子及氢离子测定采用1.00 mol/L氯化钾淋洗，0.02 mol/L氢氧化钠滴定法；有机物料pH参照土壤方法测定；有机物料有机质采用重铬酸钾外加热法测定；有机物料N、P、K及微量元素采用硫酸–过氧化氢消煮样品，分别用蒸馏法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定N、P、K，ICP-OES (OPTIMA7000DV) 测定微量元素；有机物料碱度采用马弗炉灰化、酸溶解和NaOH返滴定法测定[16]。

表1 供试土壤的基本性质 (0—20 cm)Table 1 Basic property of tested soils

表2 供试有机物料pH、碱度及全量养分含量Table 2 pH, alkalinity and total nutrient contents of the tested organic materials

采用ORIGIN8.5及SPSS20.0软件进行作图及统计分析。

2 结果与分析

2.1 有机物料对土壤基础肥力的影响

2.1.1 有机物料对土壤碱解氮的影响 2种土壤施用不同有机物料的效果不同 (图1)。整个培养期间，除沼渣处理外，其余物料处理的红壤的土壤碱解氮大致呈先升高后降低的趋势。培养0～90天，生物有机肥、黄腐酸钾、竹炭处理的红壤的土壤碱解氮含量随时间的增加均呈明显上升趋势，尤其前30天上升速度较快，其升幅分别为90.51、63.91、76.79 mg/kg。至90天时生物有机肥、黄腐酸钾的提升作用显著高于竹炭 (P ＜ 0.05)，分别高于对照146.56、157.93、95.03 mg/kg (P ＜ 0.05)，之后 90～180 天大幅度下降。而对照处理和沼渣处理的土壤碱解氮含量随培养时间的变化较平稳，分别保持在148.56～153.25 mg/kg、204.75～228.70 mg/kg，相比其它物料，沼渣对土壤碱解氮的提升效果最佳。

石灰岩土添加有机物料后，土壤碱解氮含量随着培养时间的增加均呈下降趋势。黄腐酸钾、沼渣和生物有机肥处理第1天，土壤碱解氮含量显著高于对照 (P ＜ 0.05)。但培养结束时，各处理间无显著差异，仅沼渣处理的2种土壤的碱解氮含量仍高于对照，石灰岩土的土壤碱解氮高于对照8.72 mg/kg，红壤的土壤碱解氮显著高于对照52.85 mg/kg (P ＜ 0.05)。

2.1.2 有机物料对土壤有效磷的影响 施用有机物料提高了土壤有效磷水平 (图1)。在整个培养期间，生物有机肥、黄腐酸钾处理的红壤的土壤有效磷的提升效果优于竹炭和沼渣。培养0～30天，红壤的土壤有效磷增加最显著，竹炭和沼渣处理的变化大于生物有机肥和黄腐酸钾。培养30～90天，土壤有效磷的变化较为平缓，之后开始下降。培养结束时，各物料处理的土壤有效磷都高于对照，生物有机肥、黄腐酸钾处理的提升效果显著高于竹炭和沼渣处理 (P ＜ 0.05)，生物有机肥、黄腐酸钾处理的土壤有效磷含量分别比对照高13.21、12.07 mg/kg (P ＜ 0.05)。

培养期间有机物料对2种土壤有效磷含量的影响不同，红壤的土壤有效磷较对照有所提高，而石灰岩土的土壤有效磷含量随着培养时间的增加而快速下降，培养0～60天，黄腐酸钾处理的土壤有效磷含量降幅最大，从22.30 mg/kg下降至11.98 mg/kg。60天后各处理有效磷含量下降趋势较前期缓和。培养结束时，生物有机肥、黄腐酸钾、沼渣、竹炭处理的石灰岩土的土壤有效磷含量仍显著高于对照4.67 、3.30 、2.76、1.52 mg/kg (P ＜ 0.05)。

2.1.3 有机物料对土壤速效钾的影响 不同于氮和磷的变化，施用有机物料可以稳定的提高土壤速效钾水平 (图1)。整个培养期，不同处理之间红壤的土壤速效钾含量稳定的保持为黄腐酸钾 ＞ 生物有机肥 ＞竹炭 ＞ 沼渣 ＞ CK。培养结束时，黄腐酸钾提高土壤速效钾的作用显著高于其余有机物料 (P ＜ 0.05)，黄腐酸钾、生物有机肥、竹炭、沼渣处理的土壤速效钾含量分别高于对照136.00、91.50、82.00、19.00 mg/kg(P ＜ 0.05)。有机物料对石灰岩土的土壤速效钾的提高效果总体不及红壤，但培养结束时，各处理土壤速效钾水平次序与红壤的相同，且黄腐酸钾处理对提高2种土壤的速效钾效果最显著。

2.1.4 有机物料对土壤pH的影响 有机物料的施用对土壤pH有明显的提升效果 (图2)。整个培养期间，除沼渣外，其余物料处理的红壤的土壤pH大致呈先升高后降低的趋势。培养0～30天，各物料处理的土壤pH升幅最明显，30～90天pH仍呈上升趋势，至90天时生物有机肥、竹炭、黄腐酸钾、竹炭处理的土壤pH显著高于沼渣 (P ＜ 0.05)，分别高于对照 0.65、0.50、0.49个单位 (P ＜ 0.05)。培养90～180天，除沼渣外，其余物料处理的土壤pH都大幅度降低。培养结束时，各物料处理的土壤pH仍高于对照，但只有沼渣处理的土壤pH提高显著，pH值高达5.25，高于对照0.86个单位 (P ＜ 0.05)。

在石灰岩土上，整个培养期间，有机物料处理的土壤pH都呈上升趋势。培养0～30天，生物有机肥、黄腐酸钾处理的土壤pH提升幅度比竹炭和沼渣处理的更为明显。培养60～180天，黄腐酸钾、竹炭、沼渣处理的土壤pH提升幅度均优于生物有机肥。培养结束时，各物料处理的石灰岩土的土壤pH均显著高于对照 (P ＜ 0.05)，其中黄腐酸钾处理的土壤pH高达6.97，提升效果最显著，高于对照0.98个单位 (P ＜ 0.05)。

2.2 有机物料对土壤微量元素的影响

2.2.1 有机物料对土壤有效铁的影响 施用有机物料，2种土壤有效铁含量随时间的增加，其变化趋势截然不同 (图3)。整个培养期，各处理的红壤的土壤有效铁含量总体呈下降趋势。培养0～30天，黄腐酸钾、生物有机肥处理的土壤有效铁含量降幅最大，分别降低了412.97、291.42 mg/kg，而30～180天，各有机物料处理的土壤有效铁含量下降趋势较为缓和。培养结束时，黄腐酸钾、生物有机肥、竹炭处理的土壤有效铁含量分别高于对照71.59 、48.21、51.62 mg/kg(P ＜ 0.05)，而沼渣处理的土壤有效铁含量显著低于对照42.75 mg/kg (P ＜ 0.05)。

整个培育期，除沼渣外，其余物料处理的石灰岩土的土壤有效铁含量均高于对照，其中黄腐酸钾和生物有机肥对土壤有效铁含量的提高作用巨大，效果优于竹炭和沼渣处理。黄腐酸钾处理的土壤有效铁含量0～30天增幅达264.70 mg/kg，生物有机肥处理的土壤有效铁含量0～60天增幅达155.45 mg/kg，而此后增幅变小。培养结束时，黄腐酸钾、生物有机肥处理的土壤有效铁含量显著高于竹炭和沼渣 (P ＜ 0.05)，均维持在300 mg/kg以上，分别高于对照 249.43、190.61 mg/kg (P ＜ 0.05)。

2.2.2 有机物料对土壤有效锰的影响 有机物料处理2种土壤的有效锰含量变化趋势与土壤有效铁的变化相似 (图3)。整个培养期，各有机物料处理的红壤的土壤有效锰含量都呈降低趋势。培养0～30天，黄腐酸钾、生物有机肥处理的土壤有效锰含量下降最明显，降幅分别为 146.33、109.30 mg/kg，而培养30～180天，各处理土壤有效锰降幅明显变小。培养结束时，除沼渣处理的土壤有效锰含量显著低于对照 (P ＜ 0.05)，其余处理间的土壤有效锰含量无显著差异。

与红壤相反，整个培养期，各物料处理的石灰岩土的土壤有效锰含量均大幅度提高，其中黄腐酸钾的提升作用最大。培养0～30天，除沼渣外，其余物料处理的土壤有效锰含量显著增加，生物有机肥处理的土壤有效锰含量最高，显著高于对照145.30 mg/kg (P ＜ 0.05)。培养 30～180 天，除黄腐酸钾处理的土壤有效锰含量继续上升外，其余各处理的土壤有效锰含量有所降低或变化微小。培养结束时，各物料处理的土壤有效锰含量仍高于对照，黄腐酸钾处理的土壤有效锰含量最高，显著高于对照155.96 mg/kg (P ＜ 0.05)。

2.2.3 有机物料对土壤有效铜的影响 有机物料的施用对2种土壤有效铜含量的作用效果不同 (图3)。整个培养期，各处理红壤的有效铜含量总体呈下降趋势。培养0～30天，各处理的土壤有效铜含量降幅最大，其变化范围为2.77～4.01 mg/kg。培养30～180天，各有机物料处理的土壤有效铜含量降幅变小，其变化范围为0.38～1.61 mg/kg。培养结束时，沼渣、黄腐酸钾、生物有机肥处理的土壤有效铜含量分别显著于低于对照 0.95、1.33、1.32 mg/kg (P ＜ 0.05)。

施用有机物料可以明显提高石灰岩土的土壤有效铜含量。培养0～30天，各处理的土壤有效铜含量都大幅度提高，其中黄腐酸钾处理的土壤有效铜增幅最大，由7.63 mg/kg提高至14.78 mg/kg，而此后各处理的土壤有效铜变化较小。培养结束时，各物料处理的土壤有效铜含量均高于对照，其中黄腐酸钾、生物有机肥处理的土壤有效铜含量分别显著高于对照 2.99、1.79 mg/kg (P ＜ 0.05)。

2.2.4 有机物料对土壤有效锌的影响 不同有机物料对土壤有效锌含量的作用效果不同 (图3)。整个培养期，各处理的红壤的土壤有效锌含量总体呈下降趋势。培养0～30天，沼渣处理的土壤有效锌含量降幅最大，降低了11.04 mg/kg，但其土壤有效锌含量仍明显高于其余处理，培养30～180天，各物料处理的土壤有效锌含量下降趋势较为缓和。培养结束时，只有竹炭处理的土壤有效锌含量仍显著高于对照 0.94 mg/kg (P ＜ 0.05)。

整个培养期，沼渣处理的石灰岩土的土壤有效锌含量水平最高，始终显著高于其余物料处理 (P ＜0.05)，其含量稳定的维持在15.10～16.14 mg/kg。培养结束时，沼渣、竹炭处理的土壤有效锌含量均显著高于对照 ，其中沼渣处理的提升效果最佳，高于对照 3.23 mg/kg (P ＜ 0.05)。

3 讨论

3.1 有机物料对土壤养分状况的影响

图3 培养过程中土壤中有效Fe、Mn、Cu、Zn的动态变化Fig. 3 Dynamic changes of soil available Fe, Mn, Cu, Zn content affected by different organic materials

本研究结果表明，施用有机物料可明显提高山核桃林地土壤速效养分含量，培养结束时，2种土壤中的碱解氮、有效磷、速效钾含量水平与供试物料中氮、磷、钾含量水平密切相关，但土壤碱解氮、有效磷分别在2种土壤中呈不同的变化趋势还与诸多因素有关 (图1)。一般情况下C/N比大于30，易分解的能源物质丰富，矿质氮的生物固持作用就大于有机物料中有机氮的矿化作用[17–18]。而本试验中生物有机肥、黄腐酸钾、沼渣C/N比均大于30，分别为27.82、19.82、9.52，施用后石灰岩土的土壤碱解氮却呈下降趋势，以氮固定为主。已有研究表明，土壤中初始值矿质氮含量较高会限制土壤氮矿化[19]，而在红壤施用有机物料后，土壤碱解氮的矿化并未得到抑制，反而大幅度提高。此现象可能与土壤pH对有机物料的矿化过程的影响有关，初始pH值高的土壤有机物料矿化氮多被微生物固定，而初始pH值低的土壤中，氮净矿化量较多[20]。

土壤的酸碱性对磷的形态及有效性影响很大，土壤pH值在6.0～6.5范围内土壤磷的有效性较高。施用有机物料后，石灰岩土的土壤有效磷始终呈下降趋势。这可能是因为施入有机物料后，丰富的养分条件下磷素养分的生物固定作用大于物料矿化作用，另外石灰岩土的土壤pH逐步由为弱酸性变为中性，会导致磷被钙固定，使土壤有效磷含量逐渐降低。在土壤酸性较强的红壤中磷酸根主要以磷酸铁、磷酸锰、磷酸铝的形态被固定，施用有机物料后，可通过易矿化的有机磷部分改善土壤磷素营养，还可通过络合溶解、有机酸溶解等方式活化土壤中难利用的磷，从而提高土壤磷的有效性[21]。

本研究结果表明，在强酸性的红壤中施用有机物料对土壤有效态微量元素含量的提升效果不佳，而在微酸性的石灰岩土中土壤有效态微量元素含量提升效果明显。土壤中微量元素有效态含量的变化与诸多因素有关，土壤酸碱度通常是影响微量元素有效性的首要因素，pH的提高会降低土壤中微量元素Cu、Zn、Mn有效态的含量[22–23]，同时小分子有机物对微量元素的螯合溶解对提高微量元素有效性也起重要作用[24]。本试验中石灰岩土的土壤pH及有效态微量元素含量均有所提高，这说明有机物料在石灰岩土中腐解产生的小分子有机物更可能是提高土壤有效态微量元素含量的关键。红壤中出现的现象可能与土壤中有效磷的含量变化及铁氧化物含量有关。强酸性的红壤中土壤有效磷严重匮乏，施用有机物料有效磷含量大幅度提升，会降低有效态及弱酸溶解态微量元素的含量[25]，同时红壤中存在大量的具有较大比表面积及活性官能团的铁氧化物，可通过较强的吸附力吸附有效态微量元素[26]。综上，在强酸性的山核桃低产林地上施用有机物料时，需注意配搭相应的微肥。

3.2 有机物料对土壤酸性的改良作用

本研究结果表明，在强酸性的红壤中施用有机物料不仅仅是改善了养分供应状况，其对土壤酸的改良和抑制铝的生物毒害作用是促进山核桃生长及提高产量更重要的作用机制。土壤酸化是当前山核桃林退化的最重要的障碍因子，而铝是严重限制酸性土壤植物生产力的因素之一[27–28]。当土壤中单体铝浓度达到0.04～0.15 mmol/L时，许多植物的生长会受到影响。由图4可知，土壤pH与交换性酸呈负相关关系，当土壤pH在4.5～5.0时，土壤交换性酸急剧升高，而土壤pH在 ＞ 5.5时，土壤交换性酸锐减。施用有机物料可以通过提高土壤pH，降低土壤交换性Al3+。由表3可知 (培养180天)，强酸性红壤的土壤交换性Al3+含量高达3.16 cmol/kg，生物有机肥、竹炭、沼渣处理的红壤的土壤交换性Al3+都低于对照土壤，尤其是沼渣处理土壤pH显著高于对照(P ＜ 0.05)，交换性Al3+显著低于对照3.04 cmol/kg(P ＜ 0.05)。而弱酸性的石灰岩土的土壤初始pH ＞5.5，施肥处理后土壤pH提高，不存在交换性Al3+过剩对山核桃生长带来毒害作用的现象。

4 结论

有机物料对不同产量水平的山核桃林地土壤的培肥改良作用不同。沼渣、生物有机肥、黄腐酸钾处理分别对2种山核桃土壤的碱解氮、有效磷、速效钾养分提升作用最佳，且有机物料对红壤的土壤速效养分含量的提升效果总体优于石灰岩土。而有机物料对土壤微量元素有效态含量的提升效果总体优于红壤，表现为黄腐酸钾对石灰岩土的土壤有效铁、锰、铜含量的提升效果显著，沼渣对石灰岩土的土壤有效锌含量的提升效果显著。有机物料对石灰岩土具有养分供应的提升和协调的作用，而对于过度酸化的红壤，4种有机物料中以沼渣提升土壤pH的效果最佳，可有效地缓解土壤铝对山核桃的毒害作用。

图4 土壤pH与交换性酸含量的关系Fig. 4 Correlation between soil pH and exchangeable acid content

表3 有机物料对土壤酸性的影响Table 3 Effect of organic materials on soil acidity