不同肥力提升措施对马尾松侵蚀林地表层土壤质量的影响

黄荣珍，席永新，朱丽琴，王金平，管鸿智，林丽靖，李燕燕，廖迎春，房焕英

(1.南昌工程学院 江西省退化生态系统修复与流域生态水文重点实验室，江西 南昌 330099；2.奉新县水利局，江西 奉新 330070)

近30多年来，江西省大面积的侵蚀退化地生态修复工作取得了举世瞩目的成就，使得全省森林覆盖率高居全国第二，但大规模侵蚀劣地上形成的乔木成林而地表裸露的“空中森林”是我们不得不面对的“瓶颈”。这类林地土壤肥力低、质量差，容易形成低效林，且林下植被难以生长，裸露的地表极容易造成水土流失。因此，提高侵蚀林地土壤肥力，改善土壤质量是一项基础且迫切的工作，但是目前对于侵蚀退化红壤植被恢复过程中土壤质量改善方面的研究显然偏少。

利用有机肥提高土壤肥力早有大量报道，如万辰[1]等研究结果表明添加有机肥使油菜田土壤铵态氮、硝态氮、有效磷短时间大幅度提高；王奉军[2]等研究结果表明化肥配施有机肥增加了芹菜田有机碳及其碳组分含量；而逢娜[3]等的研究则表明有机肥明显提高了玉米地黑土速效养分含量和酶活性。生物炭改良土壤受到广泛重视，它是生物质原料在完全或部分缺氧条件下经高温热解产生的一类高度芳香化、稳定性高的富碳有机物质，具有孔隙结构发达、比表面积大、吸附能力强、富含养分等特点[4-5]，在改良土壤中具有较大的应用潜力，相关研究也证实生物炭能改良酸性土壤、提高土壤养分含量、提高土壤酶活性[6-7]。微生物肥在土壤改良中也越来越受关注，微生物肥是由特定微生物与营养物质复合而成，为具有改良土壤、提高农产品产量、改善农产品品质等作用的活体微生物制品[8]。孙中涛[9]等的研究表明微生物肥可改善棉田土壤生态环境，提高土壤肥力，增加土壤有效磷、碱解氮和速效钾，乌音嘎[10]等的研究显示微生物肥能显著提高玉米田土壤酶活性、微生物碳氮、有机质和速效养分含量，过氧化氢酶、脲酶、磷酸活性酶和蔗糖酶活性。因此，有机肥、生物炭和微生物肥料均能用来改良土壤，提高土壤肥力，但这些肥力提升措施主要用于农业土壤，用于林地土壤的改良较少见，且它们对林地土壤质量改良效果孰优孰劣尚无定论。

本研究以江西省严重侵蚀地恢复后形成的林下裸露的马尾松(Pinusmassoniana)林地为对照，以添加有机肥、生物炭和石灰+微生物肥等肥力提升措施林地为研究对象，研究不同肥力提升措施对表层土壤酸碱度、养分含量以及酶活性的影响，比较各肥力提升措施对土壤质量的改善作用，以期为红壤区侵蚀林地土壤质量的提升提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与试验设计

试验地位于江西省吉安市井冈山水土保持科技示范园内(泰和县老虎山小流域)，位于东经114°52′～114°54′，北纬26°50′～26°51′，海拔80～200 m。境内多平缓丘坡，坡度多为5 ℃，属中亚热带湿润季风气候，多年平均降雨量为1 363 mm，极端气温分别为40.4 ℃和-6 ℃，平均气温为18.6 ℃，无霜期为288 d，土壤为第四纪红色粘土发育而成的红壤，厚度约为3～40 cm，属于强度侵蚀退化红壤。试验地属1984年种植的马尾松林地，株行距为2 m×2 m，林下水土流失严重。

1.2 试验设计与采样

试验地设于马尾松林内，以马尾松裸露林地为空白对照(CK)，添加有机肥(A)、生物质炭(B)、石灰+微生物肥料(T)为处理，每个处理分别随机设3个小区，每个小区大小为25 m×25 m。有机肥处理每个小区施加12 kg有机肥，有机肥为当地的油菜枯饼。该有机肥含有机质70.3%、全氮5.01%、五氧化二磷1.08%、氧化钾1.82%。生物炭处理每个小区施加12 kg生物质炭。生物炭购于宜春市丰城宁能生物质发电有限公司，原料为水稻秸秆，采用连续立式生物质化炉生产，炭化温度为450 ℃，生物炭的基本性质为pH 10.4，有机碳467.0(g/kg)、全氮5.90(g/kg)、全磷1.50(g/kg)、全钾29.50(g/kg)。石灰+微生物肥料处理每个小区施加12 kg微生物肥料+1 kg石灰。微生物肥料购买于江苏新天地生物肥料工程中心有限公司，是南京农业大学植物营养与肥料系研制的Bio抗土传病高效生物肥(抗病菌种有效活菌数≥5·g-1肥料，有机质≥25%、氮+磷+钾≥6%)。2018年6月施肥，2020年9月在每个处理的3个重复地块内以“之”型各自选取9个采样点，分别采集0～2 cm和2～5 cm土层的土样，同一地块9个采样点同一深度土层所取土样混合均匀后装入自封袋，共24袋样品，带回实验室过2 mm土筛，分成2份，一份自然风干用于测定土壤质量相关指标，另一份存于4 ℃冰箱用于测定土壤酶活性。

1.3 土壤质量相关指标的测定

土壤pH值和养分含量测定参照《土壤农业化学分析方法》[11]：土壤pH值采用电位法(水∶土=1∶5)，土壤有机碳(SOC)采用重铬酸钾—比色法测定，全氮(TN)采用凯氏定氮法测定，全磷(TP)采用碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定，全钾(TK)采用乙酸铵浸提—火焰光度计法测定。土壤过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法，脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定[12]；转化酶参照王佳[13]等的方法。

1.4 数据处理与计算方法

采用SPSS 19.0软件对不同肥力添加处理土壤pH值、土壤养分含量和土壤酶活性进行Duncan法多重比较(Multiple comparisons)(P<0.05)，采用Origin 8.5作柱状图，图中结果以“平均值±标准误”形式表示。采用Excel 2007作各处理土壤质量相关指标的雷达图。

采用模糊数学中的隶属函数法综合比较不同肥力提升措施之间表层土壤的质量。具体过程为先对选取的土壤质量相关指标求其隶属函数值，然后对各个质量指标的隶属函数值进行累加求其平均值，一般用△值表示，△值越高说明处理的土壤质量越好，△值越小说明处理的土壤质量越差。

本研究将土壤质量指标归纳为土壤酸碱度(pH)、土壤养分指标(有机质、有机碳、全氮、全磷、全钾)、土壤酶活性指标(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和转化酶)几大类，在计算每个测定指标的隶属函数值的基础上求得大类指标的隶属函数值，再计算综合平均值，并进行排序。如果某一土壤质量相关指标与土壤质量呈正相关，则：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

式中X为不同处理同一土层某一指标的测定值；Xmax为同一土层某一指标测定值中的最大值；Xmin为同一土层该指标的最小值。

把每个肥力添加处理各土层的土壤质量指标的隶属函数值进行累加，计算其平均值(△)。

2 结果与讨论

2.1 不同肥力提升措施对土壤酸碱度和养分含量的影响

土壤pH值影响养分的有效性，土壤过酸(低pH值)会导致铝、锰等有害元素活化以及钙、镁等营养元素的大量淋失，降低土壤肥力，从而影响植物生长[14]。石灰本身是碱性物质能中和土壤酸性[15]，生物炭含有一定量的碱性基团也能改善土壤酸碱环境[16]，因此，添加生物炭和石灰+微生物肥显著提高了林地两个土层pH值，提高值分别为10.5%(P<0.05)和7.8%。本研究中，添加有机肥也提高了土壤pH值，且对2～5 cm土层土壤pH的提高值达显著水平(P<0.05)，这与孙楠等[17]的研究结果一致，这是因为有机肥一方面能归还部分碱性物质，另一方面通过络合作用降低土壤交换性铝的含量[18]。有机肥处理、对照处理和石灰+微生物肥处理的2～5 cm土层土壤pH值显著高于0～2 cm土层(图1a)(P<0.05)，这是因为0～2 cm土层土壤有机质含量和有机碳含量更高(图1b和图1c)，微生物活性更强，能释放出更多的有机酸。

土壤养分包括土壤有机碳以及氮磷钾等元素的含量。大量研究表明有机肥、生物炭和微生物有助于提高土壤养分含量[3，6，10]。本研究结果表明，添加有机肥、生物炭和石灰+微生物肥均显著提高了两个土层土壤有机碳含量(P<0.05)，提高值平均分别为147.5%、69.9%和54.9%(图1b和图1c)。各处理0～2 cm土层土壤全氮含量均显著高于2～5 cm土层(P<0.05)。添加石灰+微生物肥对0～2 cm和2～5 cm土层土壤全氮含量均有提高作用，提高值分别为124.0%(P<0.05)和64.6%(P<0.05)。添加生物炭只提高了2～5 cm土层土壤全氮含量，提高值为73.1%(P<0.05)，而添加有机肥则对土壤全氮含量无显著影响(图1d)。对于土壤全磷含量，添加有机肥的提高效果好，其对0～2 cm和2～5 cm土层土壤全磷含量的提高值分别为30.5%(P<0.05)和57.0%(P<0.05)。添加石灰+微生物肥只显著提高了2～5 cm土层土壤全磷含量(P<0.05)，而添加生物炭对0～2 cm土层土壤全磷含量则起降低作用(P<0.05)(图1e)。对于土壤全钾含量，各肥力提升措施对2～5 cm土层土壤全钾含量影响不显著，添加生物炭只提高了0～2 cm土层土壤全钾含量，提高值为20.0%(P<0.05)，而添加石灰+微生物肥则相反(图1f)。

注：OF表示有机肥，BC表示生物碳，CK为空白对照，LMF表示石灰+微生物肥。不同小写字母表示0～2 cm土层中处理间差异显著，大写字母表示2～5 cm土层中处理间差异显著，“*”表示同一处理0～2 cm和2～5 cm土层间差异显著，*(P<0.05)，**(P<0.01)，***(P<0.001)，下同。图1 不同肥力提升措施对土壤酶活性的影响

2.2 不同肥力提升措施对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤有机质分解、养分转化和循环的驱动力，是土壤质量和生态稳定性的重要指标，影响土壤养分的有效性。脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、转化酶和多酚氧化酶为土壤中与碳、氮、磷养分循环及氧化还原相关的主要酶类。脲酶是指示土壤氮循环过程的重要酶类，可将有机物中的碳-氮键水解生成氨、二氧化碳和水，促进有机氮向矿质氮的转化，其活性与土壤的微生物数量、有机质含量和全氮含量呈正相关[19]。本研究中，各处理0～2 cm土层土壤脲酶活性显著高于2～5 cm土层土壤(P<0.05)(图2a)，说明表层土壤的氮循环速率更快。各肥力提升措施对林地0～2 cm和2～5 cm土层土壤脲酶活性均无显著影响。磷酸酶能够催化土壤中磷酸单酯和磷酸二酯水解，指示有机磷向有效磷的转化过程。各处理0～2 cm和2～5 cm土层间土壤酸性磷酸酶活性无显著差异(图2b)。各肥力提升措施中，添加石灰+微生物肥降低了0～2 cm土层土壤酸性磷酸酶活性，降低值为6%(P<0.05)。蔗糖酶可反映土壤有机碳积累、分解与转化的规律，是评价土壤熟化程度和肥力水平的指标，蔗糖酶活性越高，土壤肥力越高[20]。本研究中，有机肥、石灰+微生物肥和生物炭均显著提高了0～2 cm土层土壤蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值为259.6%、231.3%和105.1%。而对于2～5 cm土层土壤，则只有添加有机肥处理显著提高了蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值为107.6%。各肥力提升措施0～2 cm土层土壤蔗糖酶活性显著高于2～5 cm土层(P<0.05)(图2c)，说明表层(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。

图2 不同肥力提升措施对土壤酶活性的影响

多酚氧化酶活性在土壤芳香化合物的转化方面起着关键作用，是生态系统中的重要氧化还原酶，可以反映土壤的腐殖化程度[21]。本研究结果表明，添加石灰+微生物肥显著提高了0～2 cm土层土壤多酚氧化酶活性(P<0.05)，提高值为18.3%，而添加有机肥则相反，这主要是由于微生物会对表层(0～2 cm)土壤凋落物进行分解，加快其腐殖化进程。各肥力提升措施对2～5 cm土层土壤多酚氧化酶活性无显著影响(图2d)。土壤转化酶是衡量土壤生物学活性的重要指标，不仅很大程度上表征土壤有机质的转化强度，还促进土壤中易溶性营养物质增加，是土壤碳循环的关键因素之一[22]。本研究中，添加有机肥、石灰+微生物肥和生物炭均显著提高了0～2 cm土层土壤转化酶活性(P<0.05)，提高值分别为558.3%、349.8%和222.0%，却对2～5 cm土层土壤转化酶均无显著影响。各肥力提升措施0～2 cm土层土壤转化酶活性显著高于2～5 cm土层(图2e)(P<0.05)，说明各肥力提升措施均有利于有机质的转化，肥力的积累。

2.3 不同肥力提升措施提高土壤质量的综合评估

雷达图可以更直观地表达不同肥力添加处理下土壤质量相关指标的差异。由图3可知，各肥力提升措施均可改善土壤质量，与空白对照相比，添加有机肥主要提高了土壤有机碳含量、全磷含量、蔗糖酶活性、转化酶活性和pH值；添加生物炭主要提高了土壤pH值、全钾含量、全氮含量、有机碳含量和转化酶活性；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、有机碳含量、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和转化酶活性。

图3 各肥力添加处理土壤质量相关指标的雷达图

为了综合评价各肥力提升措施对林地表层土壤质量的影响，应用隶属函数法进行评价。由结果(表1)可知，各肥力提升措施对土壤酸碱度的改善作用为生物碳>石灰+微生物肥>有机肥；各肥力提升措施对土壤养分的改善作用为有机肥>生物炭>石灰+微生物肥；各肥力提升措施对土壤酶活性的提高作用为有机肥>石灰+微生物肥>生物炭。隶属函数综合值(△)排序为有机肥(0.562)>石灰+微生物肥(0.526)>生物炭(0.498)>空白对照(0.303)，因此，各肥力提升措施对林地土壤质量的改善作用为有机肥>石灰+微生物肥>生物炭。

表1 各处理土壤质量隶属函数值的比较

3 结论

(1)综合上述研究，3种肥力提升措施均能大幅度提高林地表层土壤质量，提高效果依序为有机肥>石灰+微生物肥>生物炭。

(2)各肥力提升措施均能提高表层土壤养分含量，表现为有机肥>生物炭>石灰+微生物肥，其中，添加有机肥主要提高土壤有机碳和全磷含量，添加生物炭主要提高土壤全钾、全氮和有机碳含量，添加石灰+微生物肥主要提高全氮、全磷和有机碳含量。因此，3种肥料配合添加对土壤养分元素的提高会更全面，提高效果会更好。

(3)林地0～2 cm土层土壤pH值低于2～5 cm土层，各肥力提升措施均能提高表层土壤pH值，提高作用为生物碳>石灰+微生物肥>有机肥，且对2～5 cm土层土壤pH值提高作用更大。

(4)林地0～2 cm土层土壤酶活性高于2～5 cm土层，各肥力提升措施主要提高了0～2 cm土层土壤酶活性，提高作用为有机肥>石灰+微生物肥>生物炭，其中，添加有机肥主要提高了土壤蔗糖酶活性和转化酶活性，添加生物炭主要提高土壤转化酶活性，添加石灰+微生物肥主要提高了蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和转化酶活性。