长期有机无机肥配施对陕南核桃林地土壤肥力质量的影响

问 宏，马爱生，张建国，贺海耘，翟梅枝

(1.西北农林科技大学 资源环境学院，陕西 杨陵 712100；2.西北农林科技大学 林学院核桃研究中心，陕西 杨陵 712100)

核桃(Juglansregia)在我国栽培历史悠久，在食用和油用上占有重要地位[1]。随着核桃产业的快速发展，核桃的栽种面积不断扩大，但近年来核桃价格不稳定且总体偏低，农户为了效益最大化，实行成本控制，在核桃种植上进行粗放式管理，盲目施用化肥，淡化生物有机肥，甚至不施肥，造成土壤性状破坏，导致土壤肥力下降，肥料利用率降低，土壤质量整体偏低，严重制约了核桃产业的发展[2-4]。

土壤质量是土壤肥力的核心内容，土壤肥力会影响土壤的生产力[5-6]。目前，很多学者对核桃土壤肥力进行了相关研究，比如：邬奇峰等[7]研究了农用核桃林地土壤肥力特征，发现磷普遍缺乏，提出应增施有机肥；倪幸等[8]研究了有机物料对山核桃林地土壤的培肥改良效果，得出有机物料能够提高土壤速效养分，提升土壤肥力；孙薇等[9]研究生物有机肥对核桃园土壤微生物群落和酶的影响，得出生物有机肥可显著提高土壤有机质及养分含量，改善土壤性状；刘杜玲等[10]通过研究氮磷钾配方肥对核桃产量和品质的影响，得出不同配方肥对核桃产量及单果重影响不同。化肥时配施有机肥可以改善作物根系周围的土壤环境，提高土壤质量[11-12]。近年来对于核桃土壤的研究多集中在表层养分方面，对于养分在土壤中的垂直变化及不同配肥模式下土壤肥力质量的研究相对较少。因此，笔者通过研究长期有机无机肥配肥模式下核桃林地土壤物理性状、化学养分以及微生物量氮碳的变化，综合评价不同配肥模式对土壤肥力质量影响，以期筛选出合理的配肥模式，为核桃生产园施肥和土壤养分管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地点位于陕西省山阳县郭家村西北农林科技大学核桃试验示范站(33°31′17″N,109°57′33″E)，地处秦岭东南侧，属北亚热带和暖温带交界区域，季风性半湿润山地气候，土壤为红黏土，土壤肥力较差。长期定位试验从2013年春开始，已进行8 a施肥，供试品种为早实核桃‘香玲’，株行距为5 m×6 m南北行向定植，树势健壮，长势均匀。供试肥料为有机肥(有机质30%、蛋白质含量30%、氨基酸含量12%、钙含量12%)；化肥(N∶P2O5∶K2O含量比18∶18∶18)；生物有机肥(有机质40%、活菌数0.2亿/g)。施肥时间为每年10月下旬，施肥位置在树干两侧1 m向下开沟30 cm。

1.2 研究方法

长期有机无机配施试验结合当地施肥习惯及试验数据共设置5种配肥模式：不施肥(CK)；单施化肥(T1)；化肥配施有机肥(T2)；化肥配施生物有机肥(T3)；化肥配施有机肥和生物有机肥(T4)，具体配肥方案见表1。于2020年8月份核桃成熟期时，在不同配肥的核桃林地随机选取4个采样点，采样位置位于树干与施肥位置中间，分别采集0～5 、5～10 、10～20 、20～30 、30～40 、40～50 、50～60 cm土层土样，每个土样分鲜土和干土2部分，鲜土用于测定土壤硝态氮、铵态氮、微生物量N、微生物量C，干土分别过2、1 mm和0.149 mm筛，用于测定土壤主要化学性质(pH、EC、有机质、全N、全P、全K、有效P、速效K)。

土壤基本理化性状采用常规分析法测定[13]。有机质采用重铬酸钾容量法测定；全N含量采用元素分析仪测定；全P含量采用NaOH熔融钼锑抗比色法测定；全K含量采用NaOH熔融火焰光度计测定；硝、铵态N采用1 mol·L-1KCl浸提，AA3连续流动分析仪测定；有效P含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效K含量采用1 mol·L-1NH4OAc浸提，火焰光度计测定；土壤pH和EC值采用酸度计和电导仪测定；土壤微生物量N、C采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法测定[14]。

1.3 数据处理与土壤肥力质量评价

利用Microsoft Excel 2016进行数据整理统计，运用SPSS软件进行方差分析及主成分分析，其中方差分析采用最小显著差异法(LSD)进行多重比较(P<0.05)，利用主成分分析法提取主成分并计算土壤肥力质量综合得分。评价步骤如下：1)评价指标选取；2)评价指标进行标准化处理；3)对标准化后的指标进行主成分分析，提取能反映原始数据信息总量85.00%以上的主成分；4)以各主成分得分计算土壤肥力质量综合得分[15]。主成分分析计算土壤肥力质量综合得分公式：F=F1·δ1+F2·δ2+…Fn·δn。式中，F指土壤肥力综合得分；F1指主成分分析中提取出的第1主成分的得分；δ1为第1主成分的方差贡献率；Fn指主成分分析中提取的第n主成分的得分；δn为第n主成分的方差贡献率。

2 结果与分析

2.1 不同配肥模式对土壤化学性质的影响

2.1.1 不同配肥模式对土壤有机质、pH、EC的影响 由图1A可知，不同处理有机质含量随土层深度的增加而逐渐降低。在表层0～5 cm，T4处理有机质含量(8.66 g/kg)显著高于(CK)5.73 g/kg(P<0.05)，T3与T2处理之间无显著差异；在5～10 cm土层，T4处理比CK高34.46%，差异显著；在20～30 cm土层，各处理土壤有机质含量大小关系为：T4(8.04 g/kg)>T3(6.55 g/kg)>T2(5.36 g/kg)>T1(5.21 g/kg)>CK(4.96 g/kg)，且在P<0.05水平，T4处理较10～20 cm土层提高了9.9%，对有机质的提升作用比较明显；在40～50、50～60 cm土层，T1、T2、T3处理间无显著差异，T4处理显著高于其他各处理。

图1 不同配肥模式土壤有机质、pH、EC的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of soil organic matter,pH and EC under different combined fertilization models

由图1B可知，随着土层深度的增加，不同处理土壤pH均呈先升高后降低趋势。在0～5、5～10 cm土层，各处理差异不显著；在10～20 cm土层，T1处理pH显著高于CK、T2、T3、T4处理；在20～30 cm土层，不同处理整体降低，T4处理为7.97，显著低于其他处理，且较10～20 cm土层降低4.26%，降幅最大；在30～40、40～50 cm土层，T4处理显著低于CK处理，且T2、T3处理差异不显著。

由图1C可知，不同处理的土壤EC随着土层深度的增加均呈现为先升高后降低趋势。在0～5、5～10 cm土层，CK处理显著低于其他处理；在10～20、20～30 cm土层，T3、T4处理呈升高趋势，且显著高于CK；在30～40 cm土层，各处理均呈升高趋势，T1、T2、T3处理差异不显著，T4处理增幅最大，显著高于其他处理，是CK的1.11倍；在40～50、50～60 cm土层，各处理均继续降低，且T1处理显著高于其他处理。

2.1.2 不同配肥模式对土壤全量养分的影响 由图2可知，不同处理土壤全N、全P、全K含量随土层深度的增加均呈下降趋势。图2A表明，各处理土壤全N含量在0～5、5～10、10～20 cm土层无显著差异；在20～30 cm土层，T4处理为0.48 g/kg，显著高于CK；在30～40 cm土层，T2、T3、T4处理无显著差异，但高于CK、T1(P<0.05)，在50～60 cm土层，各处理土壤全N含量无显著差异。

由图2B可知，在0～5、5～10 cm土层，各处理差异不显著；在10～20 cm土层，T4处理为0.56 g/kg，是CK的1.1倍(P<0.05)，与T3、T2无显著差异；在20～30 cm土层，各处理较10～20 cm土层呈明显降低趋势，T4处理土壤全P含量为0.51 g/kg，显著高于其他各处理；在30～40 、40～50 cm土层，各处理均呈下降趋势，无显著差异；在50～60 cm土层，T4处理为0.45 g/kg，高于CK(P<0.05),CK、T1、 T2、T3处理间无显著差异。

由图2C可知，在0～5、5～10、10～20 cm土层，各处理土壤全K含量无显著差异，趋势比较平缓；在20～30 、30～40、40～50 cm土层，各处理较表层下降趋势明显，处理间无显著差异；在50～60 cm土层，各处理都呈明显降低趋势，T4处理为23.93 g/kg，较40～50 cm土层降低0.83%，降幅最低。

图2 不同配肥模式土壤全N、全P、全K含量的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of soil total nitrogen,total phosphorus and total potassium contents under different fertilization models

2.1.3 不同配肥模式对土壤速效养分的影响 由图3A可知，不同处理土壤硝态氮含量随土层深度的增加逐渐降低。在0～5 cm土层，T4、T3处理显著高于其他各处理，相互间无显著差异；在5～10 cm土层，各处理的土壤硝态N含量均有小幅度的增高，T3处理含量最高，比CK高18.9%，T1、T2、T3处理间无显著差异；在20～30 cm土层，各处理土壤硝态氮含量的大小关系为T4(2.46 mg/g)>T3(2.38 mg/g)>T2(2.29 mg/g)>T1(2.14 mg/g)>CK(1.88 mg/g)(P<0.05)；在40～50 cm土层，T2、T3、T4处理的土壤硝态N含量较30～40 cm土层分别降低16.94%、24.89%、28.75%，T1处理明显升高，显著高于其他各处理；在50～60 cm土层，T1处理含量为2.11 mg/kg，显著高于其他各处理，较40～50 cm土层增加12.83%。

由图3B可知，随着土层深度的增加，不同处理铵态氮含量均呈先升高后降低趋势。在0～5、5～10 cm土层，T1处理的土壤铵态N含量分别为4.25 mg/kg、4.52 mg/kg，显著高于其他各处理(P<0.05)；在10～20 cm土层，CK、T3、T4处理大幅降低，T1处理含量最高，显著高于其他各处理，是CK处理的1.43倍(P<0.05)；在40～50、50～60 cm土层，T1处理的土壤铵态N含量降至为3.17 mg/kg、3.05 mg/kg，显著低于T4处理(P<0.05)。

由图3C可知，不同处理土壤有效P含量随土层深度的增加而逐渐降低。在0～5 cm土层，T4、T2处理无显著差异，T3、T1处理无显著差异；在5～10 cm土层，T4处理最高，是CK的1.16倍，T1、T2、T3处理无显著差异；在10～20 cm土层，CK、T1处理的土壤有效P含量显著低于其他各处理，比5～10 cm土层分别降低30.28%、24.64%，T4、T2处理无显著差异；在20～30 cm土层，各处理土壤有效P含量的大小关系为：T4(37.09 mg/kg)>T2(35.52 mg/kg)>T3(33.85 mg/kg)>T1(28.95 mg/kg)>CK(24.96 mg/kg)(P<0.05)；在30～60 cm土层，T4、T3、T2处理显著高于CK，相互间无显著差异。

由图3D可知，不同处理土壤速效钾含量随土层深度的增加呈降低-升高-降低趋势。在0～5 cm土层，T4处理显著高于其他各处理，比CK高22.96%，T1、T2处理无显著差异；在5～10 cm土层，T4处理显著高于其他各处理，T2、T3处理无显著差异；在10～20 cm土层，T4、T3处理无显著差异，T3处理最高，是CK的1.19倍(P<0.05)；在20～30 cm土层，T4、T3、T2处理无显著差异，T4处理较10～20 cm土层增加5.07%，增幅最大；在30～40、40～50、50～60 cm土层，T4处理显著高于其他各处理(P<0.05)，T1、T2、T3处理无显著差异。

图3 不同配肥模式土壤硝态氮、铵态氮、有效P、速效K含量的垂直分布特征Fig.3 Vertical distribution of soil nitrate nitrogen,ammonium nitrogen,available phosphorus and available potassium under different combined fertilization modes

2.2 不同配肥模式对土壤微生物N、C的影响

由图4可知，不同处理土壤微生物量N、C随土层深度的增加均呈下降趋势。图4A表明，在0～5 cm土层，T4处理的土壤微生物量N为10.34 mg/kg，显著比CK高2.08 mg/kg，T2、T3处理无显著差异；在5～10 cm土层，CK处理较0～5 cm土层降低51.69%，T4处理显著高于其他各处理，是CK、T1、T2、T3的2.17、1.62、1.41、1.31倍(P<0.05)；在10～20、20～30 cm土层，T4处理的土壤微生物量N分别为6.12 mg/kg、5.04 mg/kg，显著高于其他各处理，比CK高106.28%、118.29%；在30～40 cm土层，CK、T1处理较20～30 cm土层分别降低61.45%、44.36%，T2、T3处理无显著差异，T4处理显著高于其他各处理；在40～50 、50～60 cm土层，各处理变化比较平缓，CK、T1处理无显著差异，但显著低于其他各处理。

由图4B可知，在0～5 cm土层，T4处理的土壤微生物碳含量最高为97.95 mg/kg，显著高于CK处理(P<0.05)；在5～10 cm土层，T4处理显著高于其他各处理，CK、T1处理比0～5 cm土层分别降低51.88%、49.48%，T2、T3处理无显著差异；在20～30cm土层，各处理的土壤微生物碳含量大小关系为T4(58.03 mg/kg)>T3(38.28 mg/kg)>T2(30.79 mg/kg)>T1(23.76 mg/kg)>CK(16.22 mg/kg)(P<0.05)；在40～50、50～60 cm土层，T1处理显著低于其他各处理，比T4处理分别低57.57%、55.28%。

图4 不同配肥模式土壤微生物量N、C的垂直分布特征Fig.4 Vertical distribution of soil microbial biomass nitrogen and microbial biomass carbon under differentcombined fertilization modes

2.3 不同配肥模式土壤肥力质量评价

对涉及的土壤肥力指标进行主成分分析，以累计方差贡献率≥85%作为提取原则，取得2个主成分，第1主成分对方差贡献率为78.87%，第2主成分对方差贡献率为10.16%，前2个主成分累计贡献率达89.04%，说明前2个主成分可代表所有肥力指标89.04%的信息(表3)。比较各指标在2个主成分因子下的载荷分布(图5)可以看出，F1以有机质、全N、全P、全K、有效P、速效K、硝态N、铵态N、微生物量N、微生物量C、pH、EC为主要影响因子，其中有机质、全K、速效K是反映土壤肥力的重要因指标，全N、全P表征土壤总N、总P水平，土壤硝态N、铵态N、有效P、速效K反映土壤养分供应状况，土壤微生物量N和土壤微生物量C反映土壤生物性状；土壤EC值在F2中载荷值最大，表明土壤含盐量是影响作物生长的关键因子。

图5 旋转因子载荷分布Fig.5 Loading distribution of the rotated factors

表3 土壤肥力质量性状的主成分提取及旋转因子载荷矩阵Table 3 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality

对不同处理结果进行统计分析计算出F1与F2得分，并与之相应的方差贡献率作为权数进行加权求和计算出土壤肥力质量综合得分(图6)。不同处理土壤肥力质量得分随土层深度的增加均呈降低趋势，在0～5、5～10 cm土层，各处理土壤肥力质量得分均为正；在10～20 cm土层，CK处理得分-0.59，低于其他各处理；在20～30 cm土层，T4处理的土壤质量综合得分为1.01， CK、T1、T2、T3处理的土壤肥力质量得分均为负；在30～40、40～50、50～60 cm土层，不同处理土壤肥力质量得分均为负，且T4处理得分高于其他各处理。

图6 土壤肥力质量综合得分Fig.6 Comprehensive score of soilfertility quality

3 讨论

3.1 不同配肥模式对核桃林地土壤化学性质的影响

Cong等[16]研究认为，相比于普通有机肥，施用生物有机肥提高了土壤微团粒结构及土壤有机碳含量。土壤肥力变化和养分吸收是一个复杂的过程，土壤有机质是土壤肥力的重要基础物质，李彦等[17]通过定位试验发现，长期施用有机肥能明显提高土壤有机质含量。本研究发现，配施有机肥和生物有机肥可显著提高土壤有机质含量，这与前人研究结果[18-19]一致。在20～30 cm土层，配施有机肥及生物有机肥的土壤有机质含量比不施肥和单施化肥分别高62.09%、54.32%，一方面增加了外源有机质，另一方面生物有机肥中的微生物进行生命活动。

本研究表明，化肥配施有机肥和生物有机肥模式，可有效提高土壤全N、全P含量，这与高菊生等[20]研究相似。土壤中N的形态可分为无机态N和有机态N，无机态N主要是指土壤中的硝态N和铵态N，是植物主要吸收的N素，但含量一般只占全N的1%～2%，施用有机肥可直接增加土壤有机氮含量，其中富里酸氮、氨基糖态氮和氨基酸态氮增加较多[21]，不仅能够提高土壤中的硝态N含量，也防止硝酸盐的淋洗和铵态N挥发。由图3A可以看出，配施有机肥和生物有机肥的硝态氮含量在20～30 cm土层显著(P<0.05)高于单施化肥，而在40～50、50～60 cm土层，单施化肥的土壤硝态氮含量呈升高趋势，且显著(P<0.05)高于其他处理，说明硝态N的淋洗比较严重。由图3B可以看出，单施化肥的铵态N含量在0～30 cm土层显著(P<0.05)高于其他处理，且在5～10 cm土层最高，可能是在没有增施有机肥的情况下，土壤N素易以铵态氮的形式发生挥发，损失在环境中。由此可见，在施化肥的基础上配施生物有机肥对于提高土壤N素含量具有重要意义。土壤的酸碱性对P的形态及有效性影响较大，同时配施有机肥和生物有机肥的土壤pH在20～30 cm土层下降明显，而土壤有效P显著(P<0.05)高于其他处理，这可能是有机质在分解的时候产生一定的有机酸，不仅降低了土壤pH，还可通过对部分有机P进行矿化、溶解等方式活化土壤中难利用的P，减少P素的固定，从而提高土壤P的有效性[22-23]，土壤pH是影响核桃土壤养分有效性的重要因素之一[24]，由图3D可以看出，在20～30 cm土层，同时配施有机肥和生物有机肥的土壤速效钾含量显著(P<0.05)高于其他配肥模式，可能是有机肥和生物有机肥中的K素有效转化率高于化学K肥。与化学K肥相比，有机肥速效K和缓效K被土壤固定程度明显降低，故在土壤中有效性较高[25]。

3.2 不同配肥模式对核桃林地土壤微生物生物量的影响

土壤微生物生物量既是土壤有机质和土壤养分转化与循环的动力，又可作为土壤中植物有效养分的储备库[26]。有机物料与化肥配合施用使土壤微生物固定无机N的能力增强，但固定量和固定强度因碳源物质、施用量和腐解条件而异[27]。本研究表明，配施有机肥和生物有机肥相比于不施肥和单施化肥，明显提高了土壤微生物量N、C，这与李春越等[28]的研究结果相似。同时配施有机肥和生物有机肥的土壤微生物量N、C显著(P<0.05)高于其他处理，一方面可能是有机质源比较丰富，配施的生物有机肥里面微生物可以最大程度地进行繁殖，加速土壤有机质矿化分解，改善土壤理化性状，进而维持较高的土壤微生物量[29]；另一方面可能是由于施用生物有机肥可使N的表现利用率提高，有效缓解了土壤中NH3的挥发及NO3-的淋洗，通过同化作用使较多的N素迁移到微生物体内进行暂时固定[30]。

3.3 不同配肥模式下核桃林地土壤肥力质量变化

土壤肥力质量是土壤质量综合评价的一个重要方面，虽然评价方法较多但目前尚无统一的方法。本研究利用较为常用的主成分分析法[31]对不同配肥模式核桃林地土壤肥力质量进行评价，将12个原始指标降维，提取2个主成分，累计贡献率达89.04%。比较2个主成分发现，第1主成分的累计贡献率为78.87%，而第2主成分贡献率仅为10.16%。从各指标的变化看，配施有机肥及生物有机肥的土壤有机质、有效P、速效K均显著(P<0.05)高于不施肥和单施化肥，这与主成分分析法所得到的土壤肥力评价结果具有一致性[32,34]。土壤肥力质量得分的土层间变化表明，不同配肥模式土壤肥力质量得分随土层深度持续下降，说明土壤肥力随土层深度也在逐渐降低。在施肥层位置，同时配施有机肥和生物有机肥的土壤肥力质量得分最高且为正，说明配施有机肥和生物有机肥对土壤肥力具有提高作用。一方面可能是有机质本身含有一定的养分；另一方面可能是增加的微生物进行养分分解，促进了有效养分的释放。这与温延臣等[35]的研究结果相似，可见长期施用生物有机肥能提高土壤肥力。

4 结论

长期化肥配施有机肥和生物有机肥的模式对核桃土壤肥力质量提升的效果最显著。配施有机肥和生物有机肥对土壤有机质及微生物的提升效果显著，有较强的培肥效应，可提高土壤整体N、P及K水平。

在施化肥的基础上配施有机肥和生物有机肥可显著改变土壤的酸碱性，平衡土壤内部环境，不仅提高有效养分的转化率，还减少N的淋洗和挥发。

为了保证陕南核桃土壤肥力质量的持续提高，建议应用化肥配施有机肥和生物有机肥的合理施肥模式。