不同肥力提升措施對馬尾松侵蝕林地表層土壤質量的影響

黃榮珍，席永新，朱麗琴，王金平，管鴻智，林麗靖，李燕燕，廖迎春，房煥英

(1.南昌工程學院 江西省退化生態系統修復與流域生態水文重點實驗室，江西 南昌 330099；2.奉新縣水利局，江西 奉新 330070)

近30多年來，江西省大面積的侵蝕退化地生態修復工作取得了舉世矚目的成就，使得全省森林覆蓋率高居全國第二，但大規模侵蝕劣地上形成的喬木成林而地表裸露的“空中森林”是我們不得不面對的“瓶頸”。這類林地土壤肥力低、質量差，容易形成低效林，且林下植被難以生長，裸露的地表極容易造成水土流失。因此，提高侵蝕林地土壤肥力，改善土壤質量是一項基礎且迫切的工作，但是目前對于侵蝕退化紅壤植被恢復過程中土壤質量改善方面的研究顯然偏少。

利用有機肥提高土壤肥力早有大量報道，如萬辰[1]等研究結果表明添加有機肥使油菜田土壤銨態氮、硝態氮、有效磷短時間大幅度提高；王奉軍[2]等研究結果表明化肥配施有機肥增加了芹菜田有機碳及其碳組分含量；而逢娜[3]等的研究則表明有機肥明顯提高了玉米地黑土速效養分含量和酶活性。生物炭改良土壤受到廣泛重視，它是生物質原料在完全或部分缺氧條件下經高溫熱解產生的一類高度芳香化、穩定性高的富碳有機物質，具有孔隙結構發達、比表面積大、吸附能力強、富含養分等特點[4-5]，在改良土壤中具有較大的應用潛力，相關研究也證實生物炭能改良酸性土壤、提高土壤養分含量、提高土壤酶活性[6-7]。微生物肥在土壤改良中也越來越受關注，微生物肥是由特定微生物與營養物質復合而成，為具有改良土壤、提高農產品產量、改善農產品品質等作用的活體微生物制品[8]。孫中濤[9]等的研究表明微生物肥可改善棉田土壤生態環境，提高土壤肥力，增加土壤有效磷、堿解氮和速效鉀，烏音嘎[10]等的研究顯示微生物肥能顯著提高玉米田土壤酶活性、微生物碳氮、有機質和速效養分含量，過氧化氫酶、脲酶、磷酸活性酶和蔗糖酶活性。因此，有機肥、生物炭和微生物肥料均能用來改良土壤，提高土壤肥力，但這些肥力提升措施主要用于農業土壤，用于林地土壤的改良較少見，且它們對林地土壤質量改良效果孰優孰劣尚無定論。

本研究以江西省嚴重侵蝕地恢復后形成的林下裸露的馬尾松(Pinusmassoniana)林地為對照，以添加有機肥、生物炭和石灰+微生物肥等肥力提升措施林地為研究對象，研究不同肥力提升措施對表層土壤酸堿度、養分含量以及酶活性的影響，比較各肥力提升措施對土壤質量的改善作用，以期為紅壤區侵蝕林地土壤質量的提升提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與試驗設計

試驗地位于江西省吉安市井岡山水土保持科技示范園內(泰和縣老虎山小流域)，位于東經114°52′～114°54′，北緯26°50′～26°51′，海拔80～200 m。境內多平緩丘坡，坡度多為5 ℃，屬中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降雨量為1 363 mm，極端氣溫分別為40.4 ℃和-6 ℃，平均氣溫為18.6 ℃，無霜期為288 d，土壤為第四紀紅色粘土發育而成的紅壤，厚度約為3～40 cm，屬于強度侵蝕退化紅壤。試驗地屬1984年種植的馬尾松林地，株行距為2 m×2 m，林下水土流失嚴重。

1.2 試驗設計與采樣

試驗地設于馬尾松林內，以馬尾松裸露林地為空白對照(CK)，添加有機肥(A)、生物質炭(B)、石灰+微生物肥料(T)為處理，每個處理分別隨機設3個小區，每個小區大小為25 m×25 m。有機肥處理每個小區施加12 kg有機肥，有機肥為當地的油菜枯餅。該有機肥含有機質70.3%、全氮5.01%、五氧化二磷1.08%、氧化鉀1.82%。生物炭處理每個小區施加12 kg生物質炭。生物炭購于宜春市豐城寧能生物質發電有限公司，原料為水稻秸稈，采用連續立式生物質化爐生產，炭化溫度為450 ℃，生物炭的基本性質為pH 10.4，有機碳467.0(g/kg)、全氮5.90(g/kg)、全磷1.50(g/kg)、全鉀29.50(g/kg)。石灰+微生物肥料處理每個小區施加12 kg微生物肥料+1 kg石灰。微生物肥料購買于江蘇新天地生物肥料工程中心有限公司，是南京農業大學植物營養與肥料系研制的Bio抗土傳病高效生物肥(抗病菌種有效活菌數≥5·g-1肥料，有機質≥25%、氮+磷+鉀≥6%)。2018年6月施肥，2020年9月在每個處理的3個重復地塊內以“之”型各自選取9個采樣點，分別采集0～2 cm和2～5 cm土層的土樣，同一地塊9個采樣點同一深度土層所取土樣混合均勻后裝入自封袋，共24袋樣品，帶回實驗室過2 mm土篩，分成2份，一份自然風干用于測定土壤質量相關指標，另一份存于4 ℃冰箱用于測定土壤酶活性。

1.3 土壤質量相關指標的測定

土壤pH值和養分含量測定參照《土壤農業化學分析方法》[11]：土壤pH值采用電位法(水∶土=1∶5)，土壤有機碳(SOC)采用重鉻酸鉀—比色法測定，全氮(TN)采用凱氏定氮法測定，全磷(TP)采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定，全鉀(TK)采用乙酸銨浸提—火焰光度計法測定。土壤過氧化氫酶采用高錳酸鉀滴定法，脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法，蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[12]；轉化酶參照王佳[13]等的方法。

1.4 數據處理與計算方法

采用SPSS 19.0軟件對不同肥力添加處理土壤pH值、土壤養分含量和土壤酶活性進行Duncan法多重比較(Multiple comparisons)(P<0.05)，采用Origin 8.5作柱狀圖，圖中結果以“平均值±標準誤”形式表示。采用Excel 2007作各處理土壤質量相關指標的雷達圖。

采用模糊數學中的隸屬函數法綜合比較不同肥力提升措施之間表層土壤的質量。具體過程為先對選取的土壤質量相關指標求其隸屬函數值，然后對各個質量指標的隸屬函數值進行累加求其平均值，一般用△值表示，△值越高說明處理的土壤質量越好，△值越小說明處理的土壤質量越差。

本研究將土壤質量指標歸納為土壤酸堿度(pH)、土壤養分指標(有機質、有機碳、全氮、全磷、全鉀)、土壤酶活性指標(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和轉化酶)幾大類，在計算每個測定指標的隸屬函數值的基礎上求得大類指標的隸屬函數值，再計算綜合平均值，并進行排序。如果某一土壤質量相關指標與土壤質量呈正相關，則：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，

(1)

式中X為不同處理同一土層某一指標的測定值；Xmax為同一土層某一指標測定值中的最大值；Xmin為同一土層該指標的最小值。

把每個肥力添加處理各土層的土壤質量指標的隸屬函數值進行累加，計算其平均值(△)。

2 結果與討論

2.1 不同肥力提升措施對土壤酸堿度和養分含量的影響

土壤pH值影響養分的有效性，土壤過酸(低pH值)會導致鋁、錳等有害元素活化以及鈣、鎂等營養元素的大量淋失，降低土壤肥力，從而影響植物生長[14]。石灰本身是堿性物質能中和土壤酸性[15]，生物炭含有一定量的堿性基團也能改善土壤酸堿環境[16]，因此，添加生物炭和石灰+微生物肥顯著提高了林地兩個土層pH值，提高值分別為10.5%(P<0.05)和7.8%。本研究中，添加有機肥也提高了土壤pH值，且對2～5 cm土層土壤pH的提高值達顯著水平(P<0.05)，這與孫楠等[17]的研究結果一致，這是因為有機肥一方面能歸還部分堿性物質，另一方面通過絡合作用降低土壤交換性鋁的含量[18]。有機肥處理、對照處理和石灰+微生物肥處理的2～5 cm土層土壤pH值顯著高于0～2 cm土層(圖1a)(P<0.05)，這是因為0～2 cm土層土壤有機質含量和有機碳含量更高(圖1b和圖1c)，微生物活性更強，能釋放出更多的有機酸。

土壤養分包括土壤有機碳以及氮磷鉀等元素的含量。大量研究表明有機肥、生物炭和微生物有助于提高土壤養分含量[3，6，10]。本研究結果表明，添加有機肥、生物炭和石灰+微生物肥均顯著提高了兩個土層土壤有機碳含量(P<0.05)，提高值平均分別為147.5%、69.9%和54.9%(圖1b和圖1c)。各處理0～2 cm土層土壤全氮含量均顯著高于2～5 cm土層(P<0.05)。添加石灰+微生物肥對0～2 cm和2～5 cm土層土壤全氮含量均有提高作用，提高值分別為124.0%(P<0.05)和64.6%(P<0.05)。添加生物炭只提高了2～5 cm土層土壤全氮含量，提高值為73.1%(P<0.05)，而添加有機肥則對土壤全氮含量無顯著影響(圖1d)。對于土壤全磷含量，添加有機肥的提高效果好，其對0～2 cm和2～5 cm土層土壤全磷含量的提高值分別為30.5%(P<0.05)和57.0%(P<0.05)。添加石灰+微生物肥只顯著提高了2～5 cm土層土壤全磷含量(P<0.05)，而添加生物炭對0～2 cm土層土壤全磷含量則起降低作用(P<0.05)(圖1e)。對于土壤全鉀含量，各肥力提升措施對2～5 cm土層土壤全鉀含量影響不顯著，添加生物炭只提高了0～2 cm土層土壤全鉀含量，提高值為20.0%(P<0.05)，而添加石灰+微生物肥則相反(圖1f)。

注：OF表示有機肥，BC表示生物碳，CK為空白對照，LMF表示石灰+微生物肥。不同小寫字母表示0～2 cm土層中處理間差異顯著，大寫字母表示2～5 cm土層中處理間差異顯著，“*”表示同一處理0～2 cm和2～5 cm土層間差異顯著，*(P<0.05)，**(P<0.01)，***(P<0.001)，下同。圖1 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

2.2 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤有機質分解、養分轉化和循環的驅動力，是土壤質量和生態穩定性的重要指標，影響土壤養分的有效性。脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、轉化酶和多酚氧化酶為土壤中與碳、氮、磷養分循環及氧化還原相關的主要酶類。脲酶是指示土壤氮循環過程的重要酶類，可將有機物中的碳-氮鍵水解生成氨、二氧化碳和水，促進有機氮向礦質氮的轉化，其活性與土壤的微生物數量、有機質含量和全氮含量呈正相關[19]。本研究中，各處理0～2 cm土層土壤脲酶活性顯著高于2～5 cm土層土壤(P<0.05)(圖2a)，說明表層土壤的氮循環速率更快。各肥力提升措施對林地0～2 cm和2～5 cm土層土壤脲酶活性均無顯著影響。磷酸酶能夠催化土壤中磷酸單酯和磷酸二酯水解，指示有機磷向有效磷的轉化過程。各處理0～2 cm和2～5 cm土層間土壤酸性磷酸酶活性無顯著差異(圖2b)。各肥力提升措施中，添加石灰+微生物肥降低了0～2 cm土層土壤酸性磷酸酶活性，降低值為6%(P<0.05)。蔗糖酶可反映土壤有機碳積累、分解與轉化的規律，是評價土壤熟化程度和肥力水平的指標，蔗糖酶活性越高，土壤肥力越高[20]。本研究中，有機肥、石灰+微生物肥和生物炭均顯著提高了0～2 cm土層土壤蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值為259.6%、231.3%和105.1%。而對于2～5 cm土層土壤，則只有添加有機肥處理顯著提高了蔗糖酶活性(P<0.05)，提高值為107.6%。各肥力提升措施0～2 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于2～5 cm土層(P<0.05)(圖2c)，說明表層(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。

圖2 不同肥力提升措施對土壤酶活性的影響

多酚氧化酶活性在土壤芳香化合物的轉化方面起著關鍵作用，是生態系統中的重要氧化還原酶，可以反映土壤的腐殖化程度[21]。本研究結果表明，添加石灰+微生物肥顯著提高了0～2 cm土層土壤多酚氧化酶活性(P<0.05)，提高值為18.3%，而添加有機肥則相反，這主要是由于微生物會對表層(0～2 cm)土壤凋落物進行分解，加快其腐殖化進程。各肥力提升措施對2～5 cm土層土壤多酚氧化酶活性無顯著影響(圖2d)。土壤轉化酶是衡量土壤生物學活性的重要指標，不僅很大程度上表征土壤有機質的轉化強度，還促進土壤中易溶性營養物質增加，是土壤碳循環的關鍵因素之一[22]。本研究中，添加有機肥、石灰+微生物肥和生物炭均顯著提高了0～2 cm土層土壤轉化酶活性(P<0.05)，提高值分別為558.3%、349.8%和222.0%，卻對2～5 cm土層土壤轉化酶均無顯著影響。各肥力提升措施0～2 cm土層土壤轉化酶活性顯著高于2～5 cm土層(圖2e)(P<0.05)，說明各肥力提升措施均有利于有機質的轉化，肥力的積累。

2.3 不同肥力提升措施提高土壤質量的綜合評估

雷達圖可以更直觀地表達不同肥力添加處理下土壤質量相關指標的差異。由圖3可知，各肥力提升措施均可改善土壤質量，與空白對照相比，添加有機肥主要提高了土壤有機碳含量、全磷含量、蔗糖酶活性、轉化酶活性和pH值；添加生物炭主要提高了土壤pH值、全鉀含量、全氮含量、有機碳含量和轉化酶活性；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、有機碳含量、蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和轉化酶活性。

圖3 各肥力添加處理土壤質量相關指標的雷達圖

為了綜合評價各肥力提升措施對林地表層土壤質量的影響，應用隸屬函數法進行評價。由結果(表1)可知，各肥力提升措施對土壤酸堿度的改善作用為生物碳>石灰+微生物肥>有機肥；各肥力提升措施對土壤養分的改善作用為有機肥>生物炭>石灰+微生物肥；各肥力提升措施對土壤酶活性的提高作用為有機肥>石灰+微生物肥>生物炭。隸屬函數綜合值(△)排序為有機肥(0.562)>石灰+微生物肥(0.526)>生物炭(0.498)>空白對照(0.303)，因此，各肥力提升措施對林地土壤質量的改善作用為有機肥>石灰+微生物肥>生物炭。

表1 各處理土壤質量隸屬函數值的比較

3 結論

(1)綜合上述研究，3種肥力提升措施均能大幅度提高林地表層土壤質量，提高效果依序為有機肥>石灰+微生物肥>生物炭。

(2)各肥力提升措施均能提高表層土壤養分含量，表現為有機肥>生物炭>石灰+微生物肥，其中，添加有機肥主要提高土壤有機碳和全磷含量，添加生物炭主要提高土壤全鉀、全氮和有機碳含量，添加石灰+微生物肥主要提高全氮、全磷和有機碳含量。因此，3種肥料配合添加對土壤養分元素的提高會更全面，提高效果會更好。

(3)林地0～2 cm土層土壤pH值低于2～5 cm土層，各肥力提升措施均能提高表層土壤pH值，提高作用為生物碳>石灰+微生物肥>有機肥，且對2～5 cm土層土壤pH值提高作用更大。

(4)林地0～2 cm土層土壤酶活性高于2～5 cm土層，各肥力提升措施主要提高了0～2 cm土層土壤酶活性，提高作用為有機肥>石灰+微生物肥>生物炭，其中，添加有機肥主要提高了土壤蔗糖酶活性和轉化酶活性，添加生物炭主要提高土壤轉化酶活性，添加石灰+微生物肥主要提高了蔗糖酶活性、多酚氧化酶活性和轉化酶活性。