土壤改良剂对黄土高原旱作苹果园土壤理化性质及经济效益的影响

杨世伟，王建平，刘 帅，苗育铭，张宇辰

（1.西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100；2.中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100；3.延安市宝塔区果业技术推广和营销服务中心，陕西延安 716000；4.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100）

0 引言

黄土高原是我国苹果的主产区和优生区之一[1]，以陕西为例，截止2018年，全省苹果种植面积达59.76万hm2，产量突破1 008.69万t，占全国总产量的四分之一，占世界总产量的七分之一[2]。黄土高原土壤类型多为典型的黄绵土，质地疏松，土壤结构差，土壤有机质含量低。同时，该区年均降雨量较少，年际降雨分布不均，土壤保水性较差，仅仅依靠降水储存的土壤水分难以满足苹果生长。土壤有机质含量低、土壤水分亏缺已成为制约该区苹果产业发展的主要因素之一。

近年来，生物炭、大分子保水剂和枯草芽孢杆菌等土壤改良剂已成为快速有效改善土壤结构、提升土壤有机碳含量、增加土壤保水性的有效措施之一[3]。尤其是生物炭，因其自身含有较高的有机碳及氮磷钾等速效养分，施入土壤后，可以快速提升土壤养分，同时生物炭具有较大的比表面积，可有效改善土壤结构，起到良好的保水作用[4]，但其目前大多施用在农田，果园土壤改良过程中施用的较少。枯草芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌作为近年来农业生产中广泛应用的土壤改良剂，施入土壤以后，可产生多种生物活性物质，具有调节土壤微生态、提高土壤酶活性、促进作物生长等功能[5,6]。除此之外，芽孢杆菌通过合成IAA、赤霉酸和1-氨基环丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylate，ACC）脱氨酶调节细胞内植物激素代谢，刺激作物生长。还有部分芽孢杆菌具有固碳、固氮及解磷功能，提高土壤养分。大分子保水剂是多年研究以来，发现保水性能较好的一种材料，因其在制备过程中，添加了羧基等亲水活性官能团，能与水分子结合形成氢键，起到保水作用[7]。当土壤结构中充斥适量的水分以后，更有利于土壤中有机质、氮磷钾等养分的周转和迁移[8]。以上3种类型的土壤改良剂因各具特点，在农田一年生农作物中被广泛研究和应用，但针对多年生果园土壤的改良，目前研究较少，而针对黄土丘陵区黄绵土施用这3种类型土壤改良剂的研究更是鲜有报道。

本研究针对黄土丘陵区旱作果园土壤有机碳含量较低、土壤结构差、保水能力低的问题，针对性选取生物炭、根际促生菌和大分子保水剂3种类型土壤改良剂，通过野外大田试验，分析不同改良剂对土壤理化性质、有机碳含量及果树生长和产量的影响，对比筛选适宜于黄土高原旱作果园的土壤改良剂，为黄土高原旱作果园土壤改良提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年4月-2020年10月在陕西省延安市宝塔区河庄坪镇余家沟村（36°41′15″N，109°21′24″E，1 277 m）的黄土丘陵旱作苹果园内进行，该地区属干旱半干旱地区，暖温带大陆性季风气候。试验区年平均温度为9.2℃，年平均降水为500 mm左右，但年内降雨分布不均，多集中在7-9月，该时段降雨量占全年降水量的70%以上。试验区土壤为黄绵土，按国际制土壤分类属粉质壤土，0～100 cm深度土层中，平均土壤容重为1.20～1.35 g/cm3，田间持水量为24.0%。土壤有机碳含量低，仅为2.69 g/kg，全氮含量为0.3 g/kg，土壤pH值为7.35。

1.2 试验设计

本研究共设置5个处理，分别为：添加生物炭（BC）、添加枯草芽孢杆菌（PGBS）、添加胶质芽孢杆菌（PGBM）、添加保水剂（SAP）和空白对照（CK）处理，每个处理3个重复。通过室内预实验结果发现生物炭施加量在65 t/hm2时，土壤水分含量最高；枯草芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌添加量在20 t/hm2时，土壤速效养分，如速效磷等含量最高；保水剂添加量为20 t/hm2时，土壤水分含量最高。因此，野外实验过程中生物炭施加量为65 t/hm2，枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和保水剂施加量均为20 t/hm2。生物炭购自陕西亿鑫生物能源科技开发有限公司，原材料主要为苹果枝，在500℃高温无氧条件下裂解，粒径为0.02～2.00 mm，pH值为8.98，有机碳含量306.25 g/kg，全氮含量8.97 g/kg，比表面积为60～150 m2/g。枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌和保水剂均购自济南金华峰辉生物科技有限公司，其中枯草芽孢杆菌有效活菌数大于等于2.0×1010CFU/g，胶质芽孢杆菌有效活菌数大于等于5.0×1010CFU/g，由于枯草芽孢杆菌与胶质芽孢杆菌是固态形式，因此施用前与红糖、麦麸1∶1混合均匀后，加30%的水，在25℃条件下发酵24 h。保水剂为腐殖酸型保水剂，外观为棕黄色颗粒状以及粉末状，不溶于水，在水中膨胀，形成抗压凝胶状，其吸水倍数为300～500倍，吸水能力在13～14 kg/m2。

根据试验区地形，将样地选在同一水平梯田上，共选取15棵长势相似、平均树高2.5 m、冠幅半径2.3 m、树龄为15年的盛果期红富士苹果树作为研究对象，其他修剪等田间管理措施一致。为使改良剂更好发挥作用，2019年4月中旬，在距离树干1.5 m处，人工开挖深60 cm、宽60 cm的环状土槽，将改良剂与开挖土壤混合均匀后，分层填入土槽中，空白对照（CK）处理仅开挖回填不施加任何材料，实验连续进行2年，第一年添加以后，后面不再添加改良剂。整个实验过程中，不再添加其他任何肥料，其他管理措施如除草，修剪均和当地管理措施一致。

1.3 测定指标与计算方法

本研究主要测试土壤理化性质及果树生长方面的指标。果树生长指标主要在果树开花期、新稍期、膨大期及成熟期进行测定。

土壤样品均于2020年10月（苹果成熟期），在环状土槽内采用土钻法收集，取样深度为60 cm，自深度20 cm处共取3层土样，每层3个重复，各指标值为3个重复的平均值。土壤容重采用环刀法进行测量；土壤饱和导水率使用Guelph2800K 1型渗透仪测定。土壤有机碳含量采用重铬酸钾外加热法测定。土壤硝态氮、铵态氮等土壤养分指标根据《土壤农化分析》第三版相关方法进行测定。土壤团聚体的测定采用湿筛法。

土壤有机碳和土壤全氮储量参照梁爱珍、Ellert[9,10]等人的方法计算。

式中：MSOC/TN为土壤有机碳或者全氮储量，t/hm2；Msoil为单位面积土壤质量，t/hm2；SOCC(TNN)为土壤有机碳或者全氮含量，g/kg；ρs为土壤容重，t/hm3；T为土壤深度，m。

在果树不同生育期测量新梢、果径等生长指标，在生育期结束后用根钻法获取土壤根系分布情况。

2 结果与分析

2.1 改良剂对果园土壤理化性质的影响

表1为施加不同改良剂后不同土层土壤理化性质。由表1可以看出，与对照相比，施加改良剂对土壤pH和土壤容重有一定影响，其中施用PGBS和PGBM可以有效提高土壤pH，但施用SAP后土壤pH有所降低。PGBS和SAP处理在一定程度上降低了土壤容重。其次，与对照相比，施用改良剂均显著影响了土壤导水率、土壤有机碳储量、土壤全氮、硝态氮、铵态氮以及土壤团聚体含量。BC处理的土壤导水率平均提高了2.48倍，在0～20 cm提升最为明显，SAP处理平均提升72.45%，在40～60 cm提升为最低。与对照相比，BC处理的土壤有机碳提升最为显著，平均高达3.70倍；其次是PGBM、SAP及PGBS处理，分别平均提升0.44、0.36、0.13倍。

表1 不同土层土壤理化性质特点Tab.1 Characteristics of soil physical and chemical properties in different soil layers

土壤全氮含量受不同改良剂的影响远小于土壤有机碳储量，BC、PGBS、PGBM及SAP处理土壤全氮含量较对照平均提升88.86%、30.05%、25.35%和49.38%；土壤硝态氮平均提升1.70、1.29、1.49和1.50倍。土壤铵态氮受不同改良剂的影响也较为显著，BC、PGBS、PGBM及SAP处理较CK平均提升高达29.01、12.75、22.60及2.37倍。BC和PGBS处理对土壤团聚体影响较为显著，分别平均提升1.41和1.42倍，而不同改良剂对土壤速效磷和速效钾的影响在不同土层表现有所不同。

2.2 改良剂对果园土壤有机碳储量的通径分析

土壤有机碳含量受土壤中多种因素的影响，且不同因素之间也存在一定影响。本研究为探究不同层次各因素的因果关系，以有机碳储量及其他土壤理化性质和速效养分进行逐步回归分析，首先将土壤pH、土壤容重、土壤导水率、硝态氮、铵态氮、速效钾、速效磷及土壤团聚体分别定义为：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8，Y为土壤有机碳储量。为避免由于各评价指标性质及量纲不同，且不同指标间相差较大而带来的影响，将所有指标用log函数转换后进行标准化。根据逐步回归分析结果，不同影响因素与土壤有机碳储量的因果关系见图1。由图1可以看出，8个影响因素中，土壤pH、土壤导水率、硝态氮对土壤有机碳的储量有直接影响。土壤容重、铵态氮、速效钾及土壤团聚体对土壤有机碳的储量起着间接影响。

图1 不同影响因素构成的因素层次图Fig.1 Factor hierarchy diagram of different influencing factors

根据统计结果，同一层影响因素之间的显著相关性见表2，说明第一层影响因素与土壤有机碳储量成正相关，第二层影响因素与第一层影响因素呈正相关。

表2 同一层次性状显著相关Tab.2 The characters at the same level were significantly correlated

根据影响因素构成图和各因素之间的相关系数得到影响因素间的直接/间接通径系数如表3所示，可以看出对土壤有机碳储量影响较大的因素为：土壤pH、土壤导水率、硝态氮，且土壤pH起负作用。土壤容重、铵态氮、速效钾及土壤团聚体通过影响土壤pH和土壤导水率对土壤有机碳储量起间接作用。

表3 影响因素间的直接/间接通径系数Tab.3 Direct/indirect path coefficient between influencing factors

2.3 改良剂对果树生长及产量的影响

图2为果树不同时期生理指标变化及产量变化。由图2可知，改良剂对新梢长度没有显著影响；与CK相比，各处理生长初期果径没有显著差异，在生长中期除PGBS处理与CK没有显著差异，其它处理比对照均明显增加。而且，施用改良剂后，尤其是生物炭，苹果产量有了显著提升。

由图2（c）可以发现在不同土层深度，不同处理与CK对比，根系密度差异显著。尤其在0～20 cm土层深度，BC处理较CK处理提升了3.05倍。在20～40 cm土层深度，添加不同添加剂处理均与CK表现出显著差异。在40～60 cm土层深度，除PGBM处理与CK没有显著差异，其他处理均与CK表现出显著差异。随着土层深度加深，BC处理在20～40 cm，40～60 cm土层根系密度有所降低，其他处理并没有表现出明显降低趋势。

图2 果树不同时期生理指标变化及产量Fig.2 Changes of physiological indexes in different periods and yield of fruit trees

2.4 不同改良剂使用后的经济效益评价分析

不同改良剂施入苹果园后，主要投入包含农机费用、材料费、田间管理人工费等（表4）。由表4可知，不同处理投入的差异主要表现在改良剂费用以及添加改良剂所需要的人工费方面，其它费用基本相同。不同改良剂的成本费和添加所需人工费投入一次，可以使用5年，在计算投入时需要折算为每1年的，因此从投入的角度来看，施用改良剂的处理均会因为改良剂的材料费和施加时所需的人工费而导致投入成本增加，PGBS处理和PGBM处理相同，BC处理和SAP处理基本一样。

表4 不同处理成本投入Tab.4 Different treatment cost inputs

表5为进行不同处理后的经济效益分析。由表5可知，施加改良剂以后相比对照均较大幅度地提高了苹果产量，进而提高了果园的经济收益，经济效益从大到小依次为BC、PGBS、PGBM、SAP处理。但由于投入成本较高，导致经济效益相对于对照处理有所降低。通过计算改良剂的改良效益发现除BC处理外，其它几种改良剂均为负收益。尤其是在废弃树枝有效利用的前提下，随着生物炭制备技术逐渐成熟，使得生物炭成本可进一步降低，因此生物炭的效益还有较大提升空间。

表5 不同处理经济效益Tab.5 Economic benefits of different treatments

3 讨论

3.1 土壤改良剂对土壤理化性质的影响

生物炭、根际促生菌和保水剂作为常用的土壤改良剂，施入土壤以后均可对土壤理化性质产生影响[11-13]。前人研究表明，生物炭由于自身含有较高的有机质、氮磷钾等养分，施入土壤后会迅速提升土壤中有机质、硝态氮、铵态氮等速效养分，加之生物炭具有较大的比表面积，对改善土壤水稳性结构、提升水稳性大团聚体比例起到促进作用[14]。本研究也发现施加生物炭处理与对照相比显著提升了土壤导水率，这主要是因为生物炭的添加，改变了土壤孔隙分布结构，增加了土壤孔隙，进而导致土壤导水率增加。除此之外，生物炭自身含有的含氧官能团对土壤水分的吸持也有一定影响[15]，当然这主要取决于土壤质地和生物炭种类。本研究中，添加生物炭后，生物炭中含氧官能团促进了土壤团聚体形成（表1），增加了土壤有效孔隙和过水断面，促进水流通道形成[16]，进而提高了土壤导水率。有机碳含量以及土壤水稳性团聚体含量均有所增加，其中土壤有机碳储量提升最为显著，这也与诸多研究结果一致[17]。不同原材料制备的生物炭在改良土壤时表现出的效果不一，有研究表明添加秋葵秸秆炭、水稻秸秆炭、废弃食用菌基质炭和稻壳炭为原料的生物炭均可显著提高土壤pH[18]，也有研究指出随着生物炭用量的增加，土壤速效养分呈先增加后减少的趋势[19]。本研究中与对照比较，生物炭处理对土壤pH和速效钾、速效磷的影响均不显著，这可能主要与添加量和生物炭类型有关。有研究表明施用PGBS或PGBM以后，土壤有机质、速效磷、速效钾等养分提升较为显著，速效磷高达3.42倍[20,21]，但本研究中提升效果不明显。这主要是因为研究区域处于黄土丘陵区，干旱缺水使得土壤水分含量较低，难以有效发挥PGBS或PGBM的菌活性，进而对土壤酶、土壤微生物等微环境影响微弱，因此对土壤养分及理化性质影响不显著。

SAP可以通过自身丰富的羧基等活性官能团，有效吸附土壤中的氮磷钾等元素，进而促进作物生长[22]。本研究中SAP处理较对照相比，土壤导水率、土壤有机碳储量及硝态氮含量提升较为显著。增加土壤导水率的原因主要在于SAP自身具有三维网状结构，分子结构中大量羧基、酰胺基等亲水基团能够与水分子结合形成氢键，起到吸附水分的作用[23]，当土壤水分较为充足以后，就可以改善土壤微环境，进而促进土壤养分的富集和循环，由此达到提高土壤水分且影响作物养分吸收的作用。

3.2 影响土壤有机碳固碳的主要因素

本研究发现土壤pH、土壤容重、硝态氮对土壤有机碳含量起到直接作用，这是因为土壤pH直接影响各种元素存在的形态、有效性及元素离子形态[24]。土壤pH对土壤有机碳的固定起负作用，这也与之前研究结果一致，土壤碱性越高，土壤微生物活性就越低，使得土壤有机碳周转下降，不利于土壤有机碳的积累[25]。土壤导水率受土壤有机碳的影响，反过来有机碳的积累和固定也受土壤导水率的影响[26]，当土壤导水率增大时，更利于土壤水分入渗，进而改变土壤微环境，促进土壤酶及微生物的活性，进而提高土壤有机碳的周转。土壤硝态氮对有机碳的固定也有积极效应，但表3中决策系数仅为0.002，说明土壤硝态氮的含量对有机碳固定的影响作用有限。但是添加自生有机碳含量较高的生物炭后，导致土壤C/N较高，因此需要土壤中积累更多的氮，由此促进了土壤中碳氮平衡。而且由图1发现，土壤容重、铵态氮、速效钾以及土壤团聚体通过影响土壤pH与土壤导水率，进而影响了土壤有机碳的固定，这主要是因为容重与土壤结构和孔隙密切相关，而两者又对土壤导水率有直接影响。土壤团聚体的含量和分布情况直接影响土壤溶液的迁移运动，而土壤铵态氮、速效钾等化学组分影响土壤溶液中元素间电子传递过程，进而影响土壤溶液酸碱性，从而对土壤有机碳的固定起到间接作用。

3.3 不同土壤改良剂的经济效益评价

近年来，土壤改良剂作为提升土壤有机碳及土壤水分快速且有效的措施之一，而被广泛应用在农田中[27]，但施用改良剂的投入成本和经济效益也应该是被考虑的因素之一。本研究中通过对比不同改良剂施用以后的投入成本和经济效益，发现投入成本主要差异表现在改良剂购买以及施用改良剂需要的人工费用上。从经济收益角度可以看出，施加不同土壤改良剂以后均提高了苹果产量，促进果园增加经济收益，但是除添加生物炭处理以外，其它改良剂添加以后，导致的苹果增产效益难以补偿施用改良剂的成本。因此建议将生物炭作为改良果园土壤的有效改良剂之一。

4 结论

（1）在黄土高原旱作果园中，施用生物炭后，土壤有机碳储量提升最为明显；施加生物碳、枯草芽孢杆菌、胶质芽孢杆菌以及保水剂土壤全氮含量较对照平均提升88.86%、30.05%、25.35%和49.38%；土壤硝态氮平均提升1.70、1.29、1.49和1.50倍。土壤铵态氮平均提升高达29.01、12.75、22.60及8.50倍。生物碳和枯草芽孢杆菌对土壤团聚体影响较为显著，分别平均提升1.41和1.42倍。

（2）土壤pH、土壤导水率及硝态氮直接影响土壤有机碳储量，且土壤pH起负作用。土壤容重、铵态氮、速效钾及团聚体通过影响土壤pH和土壤导水率间接影响土壤有机碳储量。

（3）施加土壤改良剂以后对苹果新稍、果径、根系分布及产量均有一定影响。尤其施加生物炭后，在0～20 cm土层深度根系密度较对照提升3.05倍，且产量明显提升。通过经济效益评价分析施加生物炭改良经济效益为正，达到1 149.26元/hm2。因此建议将施用生物炭作为改良果园土壤、提高苹果产量的有效途径之一。