長期有機無機肥配施對陜南核桃林地土壤肥力質量的影響

問 宏，馬愛生，張建國，賀海耘，翟梅枝

(1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊陵 712100；2.西北農林科技大學 林學院核桃研究中心，陜西 楊陵 712100)

核桃(Juglansregia)在我國栽培歷史悠久，在食用和油用上占有重要地位[1]。隨著核桃產業的快速發展，核桃的栽種面積不斷擴大，但近年來核桃價格不穩定且總體偏低，農戶為了效益最大化，實行成本控制，在核桃種植上進行粗放式管理，盲目施用化肥，淡化生物有機肥，甚至不施肥，造成土壤性狀破壞，導致土壤肥力下降，肥料利用率降低，土壤質量整體偏低，嚴重制約了核桃產業的發展[2-4]。

土壤質量是土壤肥力的核心內容，土壤肥力會影響土壤的生產力[5-6]。目前，很多學者對核桃土壤肥力進行了相關研究，比如：鄔奇峰等[7]研究了農用核桃林地土壤肥力特征，發現磷普遍缺乏，提出應增施有機肥；倪幸等[8]研究了有機物料對山核桃林地土壤的培肥改良效果，得出有機物料能夠提高土壤速效養分，提升土壤肥力；孫薇等[9]研究生物有機肥對核桃園土壤微生物群落和酶的影響，得出生物有機肥可顯著提高土壤有機質及養分含量，改善土壤性狀；劉杜玲等[10]通過研究氮磷鉀配方肥對核桃產量和品質的影響，得出不同配方肥對核桃產量及單果重影響不同?；蕰r配施有機肥可以改善作物根系周圍的土壤環境，提高土壤質量[11-12]。近年來對于核桃土壤的研究多集中在表層養分方面，對于養分在土壤中的垂直變化及不同配肥模式下土壤肥力質量的研究相對較少。因此，筆者通過研究長期有機無機肥配肥模式下核桃林地土壤物理性狀、化學養分以及微生物量氮碳的變化，綜合評價不同配肥模式對土壤肥力質量影響，以期篩選出合理的配肥模式，為核桃生產園施肥和土壤養分管理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地點位于陜西省山陽縣郭家村西北農林科技大學核桃試驗示范站(33°31′17″N,109°57′33″E)，地處秦嶺東南側，屬北亞熱帶和暖溫帶交界區域，季風性半濕潤山地氣候，土壤為紅黏土，土壤肥力較差。長期定位試驗從2013年春開始，已進行8 a施肥，供試品種為早實核桃‘香玲’，株行距為5 m×6 m南北行向定植，樹勢健壯，長勢均勻。供試肥料為有機肥(有機質30%、蛋白質含量30%、氨基酸含量12%、鈣含量12%)；化肥(N∶P2O5∶K2O含量比18∶18∶18)；生物有機肥(有機質40%、活菌數0.2億/g)。施肥時間為每年10月下旬，施肥位置在樹干兩側1 m向下開溝30 cm。

1.2 研究方法

長期有機無機配施試驗結合當地施肥習慣及試驗數據共設置5種配肥模式：不施肥(CK)；單施化肥(T1)；化肥配施有機肥(T2)；化肥配施生物有機肥(T3)；化肥配施有機肥和生物有機肥(T4)，具體配肥方案見表1。于2020年8月份核桃成熟期時，在不同配肥的核桃林地隨機選取4個采樣點，采樣位置位于樹干與施肥位置中間，分別采集0～5 、5～10 、10～20 、20～30 、30～40 、40～50 、50～60 cm土層土樣，每個土樣分鮮土和干土2部分，鮮土用于測定土壤硝態氮、銨態氮、微生物量N、微生物量C，干土分別過2、1 mm和0.149 mm篩，用于測定土壤主要化學性質(pH、EC、有機質、全N、全P、全K、有效P、速效K)。

土壤基本理化性狀采用常規分析法測定[13]。有機質采用重鉻酸鉀容量法測定；全N含量采用元素分析儀測定；全P含量采用NaOH熔融鉬銻抗比色法測定；全K含量采用NaOH熔融火焰光度計測定；硝、銨態N采用1 mol·L-1KCl浸提，AA3連續流動分析儀測定；有效P含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效K含量采用1 mol·L-1NH4OAc浸提，火焰光度計測定；土壤pH和EC值采用酸度計和電導儀測定；土壤微生物量N、C采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定[14]。

1.3 數據處理與土壤肥力質量評價

利用Microsoft Excel 2016進行數據整理統計，運用SPSS軟件進行方差分析及主成分分析，其中方差分析采用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較(P<0.05)，利用主成分分析法提取主成分并計算土壤肥力質量綜合得分。評價步驟如下：1)評價指標選??；2)評價指標進行標準化處理；3)對標準化后的指標進行主成分分析，提取能反映原始數據信息總量85.00%以上的主成分；4)以各主成分得分計算土壤肥力質量綜合得分[15]。主成分分析計算土壤肥力質量綜合得分公式：F=F1·δ1+F2·δ2+…Fn·δn。式中，F指土壤肥力綜合得分；F1指主成分分析中提取出的第1主成分的得分；δ1為第1主成分的方差貢獻率；Fn指主成分分析中提取的第n主成分的得分；δn為第n主成分的方差貢獻率。

2 結果與分析

2.1 不同配肥模式對土壤化學性質的影響

2.1.1 不同配肥模式對土壤有機質、pH、EC的影響 由圖1A可知，不同處理有機質含量隨土層深度的增加而逐漸降低。在表層0～5 cm，T4處理有機質含量(8.66 g/kg)顯著高于(CK)5.73 g/kg(P<0.05)，T3與T2處理之間無顯著差異；在5～10 cm土層，T4處理比CK高34.46%，差異顯著；在20～30 cm土層，各處理土壤有機質含量大小關系為：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處理較10～20 cm土層提高了9.9%，對有機質的提升作用比較明顯；在40～50、50～60 cm土層，T1、T2、T3處理間無顯著差異，T4處理顯著高于其他各處理。

圖1 不同配肥模式土壤有機質、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

由圖1B可知，隨著土層深度的增加，不同處理土壤pH均呈先升高后降低趨勢。在0～5、5～10 cm土層，各處理差異不顯著；在10～20 cm土層，T1處理pH顯著高于CK、T2、T3、T4處理；在20～30 cm土層，不同處理整體降低，T4處理為7.97，顯著低于其他處理，且較10～20 cm土層降低4.26%，降幅最大；在30～40、40～50 cm土層，T4處理顯著低于CK處理，且T2、T3處理差異不顯著。

由圖1C可知，不同處理的土壤EC隨著土層深度的增加均呈現為先升高后降低趨勢。在0～5、5～10 cm土層，CK處理顯著低于其他處理；在10～20、20～30 cm土層，T3、T4處理呈升高趨勢，且顯著高于CK；在30～40 cm土層，各處理均呈升高趨勢，T1、T2、T3處理差異不顯著，T4處理增幅最大，顯著高于其他處理，是CK的1.11倍；在40～50、50～60 cm土層，各處理均繼續降低，且T1處理顯著高于其他處理。

2.1.2 不同配肥模式對土壤全量養分的影響 由圖2可知，不同處理土壤全N、全P、全K含量隨土層深度的增加均呈下降趨勢。圖2A表明，各處理土壤全N含量在0～5、5～10、10～20 cm土層無顯著差異；在20～30 cm土層，T4處理為0.48 g/kg，顯著高于CK；在30～40 cm土層，T2、T3、T4處理無顯著差異，但高于CK、T1(P<0.05)，在50～60 cm土層，各處理土壤全N含量無顯著差異。

由圖2B可知，在0～5、5～10 cm土層，各處理差異不顯著；在10～20 cm土層，T4處理為0.56 g/kg，是CK的1.1倍(P<0.05)，與T3、T2無顯著差異；在20～30 cm土層，各處理較10～20 cm土層呈明顯降低趨勢，T4處理土壤全P含量為0.51 g/kg，顯著高于其他各處理；在30～40 、40～50 cm土層，各處理均呈下降趨勢，無顯著差異；在50～60 cm土層，T4處理為0.45 g/kg，高于CK(P<0.05),CK、T1、 T2、T3處理間無顯著差異。

由圖2C可知，在0～5、5～10、10～20 cm土層，各處理土壤全K含量無顯著差異，趨勢比較平緩；在20～30 、30～40、40～50 cm土層，各處理較表層下降趨勢明顯，處理間無顯著差異；在50～60 cm土層，各處理都呈明顯降低趨勢，T4處理為23.93 g/kg，較40～50 cm土層降低0.83%，降幅最低。

圖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 不同配肥模式對土壤速效養分的影響 由圖3A可知，不同處理土壤硝態氮含量隨土層深度的增加逐漸降低。在0～5 cm土層，T4、T3處理顯著高于其他各處理，相互間無顯著差異；在5～10 cm土層，各處理的土壤硝態N含量均有小幅度的增高，T3處理含量最高，比CK高18.9%，T1、T2、T3處理間無顯著差異；在20～30 cm土層，各處理土壤硝態氮含量的大小關系為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土層，T2、T3、T4處理的土壤硝態N含量較30～40 cm土層分別降低16.94%、24.89%、28.75%，T1處理明顯升高，顯著高于其他各處理；在50～60 cm土層，T1處理含量為2.11 mg/kg，顯著高于其他各處理，較40～50 cm土層增加12.83%。

由圖3B可知，隨著土層深度的增加，不同處理銨態氮含量均呈先升高后降低趨勢。在0～5、5～10 cm土層，T1處理的土壤銨態N含量分別為4.25 mg/kg、4.52 mg/kg，顯著高于其他各處理(P<0.05)；在10～20 cm土層，CK、T3、T4處理大幅降低，T1處理含量最高，顯著高于其他各處理，是CK處理的1.43倍(P<0.05)；在40～50、50～60 cm土層，T1處理的土壤銨態N含量降至為3.17 mg/kg、3.05 mg/kg，顯著低于T4處理(P<0.05)。

由圖3C可知，不同處理土壤有效P含量隨土層深度的增加而逐漸降低。在0～5 cm土層，T4、T2處理無顯著差異，T3、T1處理無顯著差異；在5～10 cm土層，T4處理最高，是CK的1.16倍，T1、T2、T3處理無顯著差異；在10～20 cm土層，CK、T1處理的土壤有效P含量顯著低于其他各處理，比5～10 cm土層分別降低30.28%、24.64%，T4、T2處理無顯著差異；在20～30 cm土層，各處理土壤有效P含量的大小關系為：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土層，T4、T3、T2處理顯著高于CK，相互間無顯著差異。

由圖3D可知，不同處理土壤速效鉀含量隨土層深度的增加呈降低-升高-降低趨勢。在0～5 cm土層，T4處理顯著高于其他各處理，比CK高22.96%，T1、T2處理無顯著差異；在5～10 cm土層，T4處理顯著高于其他各處理，T2、T3處理無顯著差異；在10～20 cm土層，T4、T3處理無顯著差異，T3處理最高，是CK的1.19倍(P<0.05)；在20～30 cm土層，T4、T3、T2處理無顯著差異，T4處理較10～20 cm土層增加5.07%，增幅最大；在30～40、40～50、50～60 cm土層，T4處理顯著高于其他各處理(P<0.05)，T1、T2、T3處理無顯著差異。

圖3 不同配肥模式土壤硝態氮、銨態氮、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 不同配肥模式對土壤微生物N、C的影響

由圖4可知，不同處理土壤微生物量N、C隨土層深度的增加均呈下降趨勢。圖4A表明，在0～5 cm土層，T4處理的土壤微生物量N為10.34 mg/kg，顯著比CK高2.08 mg/kg，T2、T3處理無顯著差異；在5～10 cm土層，CK處理較0～5 cm土層降低51.69%，T4處理顯著高于其他各處理，是CK、T1、T2、T3的2.17、1.62、1.41、1.31倍(P<0.05)；在10～20、20～30 cm土層，T4處理的土壤微生物量N分別為6.12 mg/kg、5.04 mg/kg，顯著高于其他各處理，比CK高106.28%、118.29%；在30～40 cm土層，CK、T1處理較20～30 cm土層分別降低61.45%、44.36%，T2、T3處理無顯著差異，T4處理顯著高于其他各處理；在40～50 、50～60 cm土層，各處理變化比較平緩，CK、T1處理無顯著差異，但顯著低于其他各處理。

由圖4B可知，在0～5 cm土層，T4處理的土壤微生物碳含量最高為97.95 mg/kg，顯著高于CK處理(P<0.05)；在5～10 cm土層，T4處理顯著高于其他各處理，CK、T1處理比0～5 cm土層分別降低51.88%、49.48%，T2、T3處理無顯著差異；在20～30cm土層，各處理的土壤微生物碳含量大小關系為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土層，T1處理顯著低于其他各處理，比T4處理分別低57.57%、55.28%。

圖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質量評價

對涉及的土壤肥力指標進行主成分分析，以累計方差貢獻率≥85%作為提取原則，取得2個主成分，第1主成分對方差貢獻率為78.87%，第2主成分對方差貢獻率為10.16%，前2個主成分累計貢獻率達89.04%，說明前2個主成分可代表所有肥力指標89.04%的信息(表3)。比較各指標在2個主成分因子下的載荷分布(圖5)可以看出，F1以有機質、全N、全P、全K、有效P、速效K、硝態N、銨態N、微生物量N、微生物量C、pH、EC為主要影響因子，其中有機質、全K、速效K是反映土壤肥力的重要因指標，全N、全P表征土壤總N、總P水平，土壤硝態N、銨態N、有效P、速效K反映土壤養分供應狀況，土壤微生物量N和土壤微生物量C反映土壤生物性狀；土壤EC值在F2中載荷值最大，表明土壤含鹽量是影響作物生長的關鍵因子。

圖5 旋轉因子載荷分布Fig.5 Loading distribution of the rotated factors

表3 土壤肥力質量性狀的主成分提取及旋轉因子載荷矩陣Table 3 Principal component extraction and rotated component matrix of soil fertility quality

對不同處理結果進行統計分析計算出F1與F2得分，并與之相應的方差貢獻率作為權數進行加權求和計算出土壤肥力質量綜合得分(圖6)。不同處理土壤肥力質量得分隨土層深度的增加均呈降低趨勢，在0～5、5～10 cm土層，各處理土壤肥力質量得分均為正；在10～20 cm土層，CK處理得分-0.59，低于其他各處理；在20～30 cm土層，T4處理的土壤質量綜合得分為1.01， CK、T1、T2、T3處理的土壤肥力質量得分均為負；在30～40、40～50、50～60 cm土層，不同處理土壤肥力質量得分均為負，且T4處理得分高于其他各處理。

圖6 土壤肥力質量綜合得分Fig.6 Comprehensive score of soilfertility quality

3 討論

3.1 不同配肥模式對核桃林地土壤化學性質的影響

Cong等[16]研究認為，相比于普通有機肥，施用生物有機肥提高了土壤微團粒結構及土壤有機碳含量。土壤肥力變化和養分吸收是一個復雜的過程，土壤有機質是土壤肥力的重要基礎物質，李彥等[17]通過定位試驗發現，長期施用有機肥能明顯提高土壤有機質含量。本研究發現，配施有機肥和生物有機肥可顯著提高土壤有機質含量，這與前人研究結果[18-19]一致。在20～30 cm土層，配施有機肥及生物有機肥的土壤有機質含量比不施肥和單施化肥分別高62.09%、54.32%，一方面增加了外源有機質，另一方面生物有機肥中的微生物進行生命活動。

本研究表明，化肥配施有機肥和生物有機肥模式，可有效提高土壤全N、全P含量，這與高菊生等[20]研究相似。土壤中N的形態可分為無機態N和有機態N，無機態N主要是指土壤中的硝態N和銨態N，是植物主要吸收的N素，但含量一般只占全N的1%～2%，施用有機肥可直接增加土壤有機氮含量，其中富里酸氮、氨基糖態氮和氨基酸態氮增加較多[21]，不僅能夠提高土壤中的硝態N含量，也防止硝酸鹽的淋洗和銨態N揮發。由圖3A可以看出，配施有機肥和生物有機肥的硝態氮含量在20～30 cm土層顯著(P<0.05)高于單施化肥，而在40～50、50～60 cm土層，單施化肥的土壤硝態氮含量呈升高趨勢，且顯著(P<0.05)高于其他處理，說明硝態N的淋洗比較嚴重。由圖3B可以看出，單施化肥的銨態N含量在0～30 cm土層顯著(P<0.05)高于其他處理，且在5～10 cm土層最高，可能是在沒有增施有機肥的情況下，土壤N素易以銨態氮的形式發生揮發，損失在環境中。由此可見，在施化肥的基礎上配施生物有機肥對于提高土壤N素含量具有重要意義。土壤的酸堿性對P的形態及有效性影響較大，同時配施有機肥和生物有機肥的土壤pH在20～30 cm土層下降明顯，而土壤有效P顯著(P<0.05)高于其他處理，這可能是有機質在分解的時候產生一定的有機酸，不僅降低了土壤pH，還可通過對部分有機P進行礦化、溶解等方式活化土壤中難利用的P，減少P素的固定，從而提高土壤P的有效性[22-23]，土壤pH是影響核桃土壤養分有效性的重要因素之一[24]，由圖3D可以看出，在20～30 cm土層，同時配施有機肥和生物有機肥的土壤速效鉀含量顯著(P<0.05)高于其他配肥模式，可能是有機肥和生物有機肥中的K素有效轉化率高于化學K肥。與化學K肥相比，有機肥速效K和緩效K被土壤固定程度明顯降低，故在土壤中有效性較高[25]。

3.2 不同配肥模式對核桃林地土壤微生物生物量的影響

土壤微生物生物量既是土壤有機質和土壤養分轉化與循環的動力，又可作為土壤中植物有效養分的儲備庫[26]。有機物料與化肥配合施用使土壤微生物固定無機N的能力增強，但固定量和固定強度因碳源物質、施用量和腐解條件而異[27]。本研究表明，配施有機肥和生物有機肥相比于不施肥和單施化肥，明顯提高了土壤微生物量N、C，這與李春越等[28]的研究結果相似。同時配施有機肥和生物有機肥的土壤微生物量N、C顯著(P<0.05)高于其他處理，一方面可能是有機質源比較豐富，配施的生物有機肥里面微生物可以最大程度地進行繁殖，加速土壤有機質礦化分解，改善土壤理化性狀，進而維持較高的土壤微生物量[29]；另一方面可能是由于施用生物有機肥可使N的表現利用率提高，有效緩解了土壤中NH3的揮發及NO3-的淋洗，通過同化作用使較多的N素遷移到微生物體內進行暫時固定[30]。

3.3 不同配肥模式下核桃林地土壤肥力質量變化

土壤肥力質量是土壤質量綜合評價的一個重要方面，雖然評價方法較多但目前尚無統一的方法。本研究利用較為常用的主成分分析法[31]對不同配肥模式核桃林地土壤肥力質量進行評價，將12個原始指標降維，提取2個主成分，累計貢獻率達89.04%。比較2個主成分發現，第1主成分的累計貢獻率為78.87%，而第2主成分貢獻率僅為10.16%。從各指標的變化看，配施有機肥及生物有機肥的土壤有機質、有效P、速效K均顯著(P<0.05)高于不施肥和單施化肥，這與主成分分析法所得到的土壤肥力評價結果具有一致性[32,34]。土壤肥力質量得分的土層間變化表明，不同配肥模式土壤肥力質量得分隨土層深度持續下降，說明土壤肥力隨土層深度也在逐漸降低。在施肥層位置，同時配施有機肥和生物有機肥的土壤肥力質量得分最高且為正，說明配施有機肥和生物有機肥對土壤肥力具有提高作用。一方面可能是有機質本身含有一定的養分；另一方面可能是增加的微生物進行養分分解，促進了有效養分的釋放。這與溫延臣等[35]的研究結果相似，可見長期施用生物有機肥能提高土壤肥力。

4 結論

長期化肥配施有機肥和生物有機肥的模式對核桃土壤肥力質量提升的效果最顯著。配施有機肥和生物有機肥對土壤有機質及微生物的提升效果顯著，有較強的培肥效應，可提高土壤整體N、P及K水平。

在施化肥的基礎上配施有機肥和生物有機肥可顯著改變土壤的酸堿性，平衡土壤內部環境，不僅提高有效養分的轉化率，還減少N的淋洗和揮發。

為了保證陜南核桃土壤肥力質量的持續提高，建議應用化肥配施有機肥和生物有機肥的合理施肥模式。