有機物料深施對板栗園褐土物理性狀及果實產量的影響

宋 影，郭素娟，孫慧娟，謝明明，張 麗

(北京林業大學林學院，省部共建森林培育保護與利用教育部重點實驗室，北京 100083)

有機物料是提升低肥力土壤質量的有效改良劑，不僅可改善土壤化學性質和生物特性，還影響土壤團粒結構、通氣保水性等物理性狀[1-2]。因有機物料來源和應用條件不同，作用效果也有所不同。侯曉娜等[3]研究表明，單施生物炭對平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和大于0.25 mm 團聚體(R0.25)含量無顯著影響，而單施秸稈和生物炭與秸稈配施則顯著提高了MWD、GMD和R0.25。安艷等[4]研究發現淺施生物質炭在0～10 cm土層主要減少了土壤5～8 mm、<0.25 mm團聚體含量，增加了1～2 mm、2～5 mm團聚體含量，MWD有所減小，穩定性降低，且增加了土壤總孔隙度和田間持水量。徐秋桐等[5]研究表明，施用豬糞/水稻秸稈堆肥和沼渣可顯著增加土壤水穩性團聚體，降低土壤容重。吳俊松等[6]和朱敏等[7]研究表明，秸稈還田能增加土壤孔隙度和土壤含水量，改善土壤水勢。Sun等[8]室內純培養試驗研究結果表明，經干旱-再濕潤處理土壤，秸稈添加使其微生物生物量和土壤大團聚體顯著增加。Ojeda等[9]研究認為，有機質本身吸濕性和持水性影響土壤保水性，生物質炭添加對土壤團聚體穩定性無影響。Ajayi等[10]和Liyanage等[11]研究均發現，即使添加疏水性有機物，也能增加植物有效水，這歸功于土壤團粒結構穩定性的改善以提高土壤保水性。上述研究多關注室內純培養或者表層淺施研究實踐。表層淺施不利于土壤碳匯積累和耕層加深，而有機物料深施，即將有機物料施入土壤亞表層(20～40 cm)，則能解決目前土壤耕層變薄、亞表層有機質虧缺和蓄水能力下降等問題[12]。有研究表明，秸稈深還或沼渣深施促進土壤有機質含量、團聚體穩定性及微生物數量的提高，有利于增強土壤保水保肥能力，提高柑橘等產量[13]。

板栗(Castaneamollissima)分布廣泛，遍及全國26個省市，主要依托山區林地種植，是木本糧食產業代表，而河北省遷西縣作為全國板栗主產區和最主要出口基地，已基本實現栽培品種良種化[14]。板栗全生育期需水較多，該地區降雨量分布不均，干旱時有發生，對板栗產量影響較大[15-16]，而對于灌溉成本較高的低山丘陵地區，板栗生長所需水分基本依靠天然降水，尋找行之有效的保水措施迫在眉睫。目前基于產區大量存在的板栗產業廢棄物的好氧堆肥配方已取得初步進展[17-18]，但關于堆肥產物深施對山地板栗園土壤物理性狀及產量的影響研究較少。鑒于此，本研究選取以板栗產區有機廢棄物栗蓬栗葉、菌渣、秸稈、雞糞為原料的3種好氧堆肥產物，分析其深施對山地板栗園土壤團聚體分布、保水性及板栗產量的影響，以期為板栗產區有機廢棄物的有效處理及其堆肥產物的科學利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域和試驗樣地自然概況

研究區域位于河北省唐山市遷西縣山地板栗園中，地理坐標為118°21′E， 40°12′N，屬于東部季風暖溫帶半濕潤氣候，年平均氣溫10.6℃，最熱月(7月)平均氣溫25.4℃，最冷月(1月)平均氣溫-6.5℃，年平均降水量744.7 mm。研究區域內多分布片麻巖，并以此為成土母質，土壤類型為褐土，土壤的基本理化性質：pH值6.47，土壤有機質含量5.89 g·kg-1，全氮0.63 g·kg-1，堿解氮44.8 mg·kg-1，全磷0.79 g·kg-1，有效磷19.4 mg·kg-1，速效鉀72.0 mg·kg-1。試驗樣地以當地主栽品種燕山早豐(C.mollissima“Yanshan zaofeng”)為主，樹齡13 a，平均樹高2.5 m，采用中等強度的集約經營模式。

1.2 供試材料

本試驗選用3種有機物料作為供試材料：栗蓬栗葉-菌渣-玉米秸稈-雞糞混合堆肥(BYZ)、菌渣雞糞堆肥(ZF)和栗蓬栗葉-菌渣-雞糞堆肥(BZ)(由試驗區板栗葉與栗蓬自然凋落混合物B、栗蘑菌渣Z、玉米秸稈Y與雞糞F分別按比例B∶Z∶Y∶F=2∶2∶2∶4、Z∶F=6∶4和B∶Z∶F=4∶2∶4配制)均由本實驗室提供，所有供試堆肥產物的發芽指數均在85%以上，均達到腐熟程度。樣品經自然風干后，粉碎過2 mm篩，不同堆肥基本性質見表1。

1.3 試驗設計與處理

大田試驗于2015年4月～2017年4月進行。研究期內依靠天然降水，不進行任何灌溉。于2015年4月初，在板栗林地選擇土壤類型、坡度、坡向等基本一致的區域作為試驗樣地，以長勢一致、健康的板栗結果樹為研究對象。本試驗設5個處理，即對照(CK，不施肥)、WJ(無機肥處理，其中氮磷鉀用量同有機肥處理，磷由過磷酸鈣提供)、BYZ、ZF和BZ，各有機堆肥用量均以等磷量P2O5(102.9 kg·hm-2)計，氮和鉀以上述堆肥的最高量計，不足部分用尿素和氯化鉀補充。試驗小區面積為15 m×12 m，株行距為3 m×4 m，采用環狀溝施方式進行(沿每棵樹樹冠滴水線四個方向開溝，每條溝深40 cm，長50 cm，寬30 cm，并將0～20 cm和20～40 cm的土壤分別放置，將有機物料或者無機肥與20～40 cm的土壤混勻，填土，自然沉降，一次性全量施入)，每個處理3次重復，共15個試驗小區，隨機區組排列，處理小區間設保護行。施肥后每個月(30 d)分別用環刀和保鮮袋采集0～20 cm和20～40 cm的新鮮土壤(每個小區按照梅花形于樹冠滴水線附近設置5個點)，直至采果結束(2015年9月)，測定土壤含水量和土壤水勢，2016年試驗處理與采樣同2015年。分別于2015年9月和2016年9月果實成熟期測定小區產量，并于2017年4月初(下一次施肥前)再采集一次土樣，每個小區按照梅花形于樹冠滴水線附近設置5個點，分0～20 cm和20～40 cm 2個層次采集原狀土樣，將同一層次的5個點土樣采用四分法均勻混合成1個樣品(約2 kg)，共計30個樣品。在采集和運輸過程中盡量減少對土樣的擾動，以免破壞團聚體。將采集的土壤于室溫下自然風干，沿土塊自然裂隙掰開，過8 mm篩，保存備用。

1.4 測定指標與方法

土壤團聚體的分級：采用濕篩法[8, 19]，用自動振蕩篩對土壤團聚體(2017年4月初)進行分級，共分4個粒級(>0.5 mm、0.25～0.5 mm、0.053～0.25 mm和<0.053 mm)。具體操作為：將風干土過8 mm篩子，除去根茬和石塊,稱取風干土50 g至玻璃杯中，從邊緣慢慢地加蒸餾水，浸泡20 h以上，然后將吸水達到飽和的土樣放入團聚體分析儀的套篩(0.5 mm，0.25 mm和0.053 mm)的頂層，在上下振幅為38 mm下濕篩30 min，結束后將篩子上的團聚體沖洗到不同燒杯中，<0.25 mm的團聚體需在筒中沉降24 h，倒去上清液，在60℃下烘干并稱重(準確至0.01 g)，計算各粒級團聚體的質量分數。

土壤團聚體穩定性用平均重量直徑(MWD)和大于0.25 mm團聚體含量(R0.25)表示[3-4]:

土壤含水率用烘干法測定，使用WP4露點水勢儀測定土壤水勢，環刀法測定土壤容重，容重-比重換算法測定土壤(2017年4月初)總孔隙度[20]。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2003進行圖表制作，使用spss17.0軟件進行統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)、Duncan法比較不同處理土壤團聚體、土壤含水率、土壤水勢及板栗產量的差異，用Pearson法作板栗產量與土壤各指標相關性分析。

表1 供試有機物料基本性質

注：BYZ：栗蓬栗葉-菌渣-秸稈-雞糞混合堆肥；ZF：菌渣雞糞堆肥；BZ：栗蓬栗葉-菌渣-雞糞堆肥。

Note: BYZ: compost of hulls and leaves ofCastaneamollissima, fungus slag, corn stalks and chicken manure; ZF: compost of fungus slag and chicken manure; BZ: composts of hulls and leaves ofCastaneamollissima, fungus slag and chicken manure.

2 結果與分析

2.1 不同有機物料處理下的土壤含水率和土壤水勢的動態變化

據當地氣象資料顯示，研究區域2015年5月共計4次降雨，降雨總量為50 mm左右，6月下旬至7月上旬無降雨，7月中下旬(降雨8次)、8月(上旬5次，中下旬7次)及9月(上旬4次，中下旬5次)降雨量豐富。2016年4月至5月共計8次降雨，降雨總量為47.6 mm，6月上旬降雨2次，7月上旬無降雨，7月中下旬(降雨7次)、8月(上旬3次，中下旬5次)及9月(上旬4次，中下旬5次)降雨量豐富，與2015年降雨分布相似。從圖1可以看出，不同處理各土層土壤含水率、土壤水勢均隨時間的推移呈現先升高后降低再升高的變化趨勢，且在7月均存在一最低值，這與當地降雨量變化趨勢一致。在0～20 cm和20～40 cm土層土壤中，整個研究期內CK均表現出較低的土壤含水率，特別在7月份初，CK最低，其次是WJ。與CK相比，有機物料處理保持較高的土壤含水率，總體表現為BZ>BYZ>ZF。

從圖1(c)和圖1(d)可以看出，與土層20～40 cm相比，土層0～20 cm的土壤水勢隨時間的變化波動較大，這與表層土壤易受外界溫度和降雨等氣象因子的影響有關。與CK和WJ處理相比，BZ、BYZ和ZF處理在整個研究期內均保持較高的土壤水勢，即使在干旱的7月初，這三個處理土層0～20 cm、20～40 cm土壤水勢分別保持在-1.16～-3.18 MPa、-0.43～1.44 MPa，分別比CK高出2.28～4.27 MPa、1.03～2.00 MPa，比WJ高出0.17～1.52 MPa、0.23～1.01 MPa，可見有機物料處理可提高土壤水勢，特別在干旱時期，可增強土壤的持水能力。

2.2 不同有機物料處理下土壤團聚體組成

從圖2可以看出，各處理土壤團聚體的分布趨勢表現出相似的規律，即以>0.5 mm和0.053～0.25 mm為主，含量分別為31.46%～41.87%、34.63%～49.98%，0.25～0.5 mm(9.57%～14.53%)和<0.053 mm(6.84%～14.47%)含量均較低。在CK與WJ處理中，各土層0.053～0.25 mm團聚體質量百分含量均最高，達41.79%～49.98%。在同一土層中，與CK和WJ處理相比，有機物料處理(BYZ、ZF和BZ)>0.5 mm的大團聚體均顯著增加，增幅分別為7.10%～33.09%、1.10%～25.84%，而0.053～0.25 mm微團聚體含量顯著降低，分別較CK和WJ處理降低13.58%～30.72%、5.08%～19.83%，且<0.053 mm的微團聚體質量分數顯著高于CK，尤以BZ處理最顯著。

注：(a)0～20 cm土層中土壤含水率；(b)20～40 cm土層中土壤含水率；(c)0～20 cm土層中土壤水勢；(d)20～40 cm土層中土壤水勢。Note: (a)Soil moisture content in 0～20 cm soil horizon; (b)Soil moisture content in 20～40 cm soil horizon; (c)Soil water potential in 0～20 cm soil horizon; (d)Soil water potential in 20～40 cm soil horizon.圖1 不同有機物料處理下的土壤含水率和土壤水勢Fig.1 Variation of soil moisture content and soil water potential under different organic materials application

圖2 不同有機物料處理下土壤水穩性團聚體組成Fig.2 Distribution of soil aggregates under different organic materials application

2.3 不同有機物料處理下土壤團聚體穩定性

從表2可以看出，CK與WJ處理0～20 cm土層的MWD、R0.25小于20～40 cm土層，而有機物料處理表現為0～20 cm土層的MWD、R0.25大于或者等于20～40 cm土層。0～20 cm與20～40 cm土層中，有機物料處理的MWD、R0.25均與對照存在顯著差異，總體表現為：ZF>BYZ>BZ>WJ≥CK，說明有機物料處理顯著增加了土壤的穩定性。

表2 不同有機物料處理下的土壤團聚體的穩定性

注：小寫字母為同一列中不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

Note: Different lowercases in a column mean significant difference atP<0.05 level. The same as below.

2.4 不同有機物料處理下的土壤總孔隙度

從圖3可以看出，0～20 cm土層中，BZ處理的土壤總孔隙度顯著高于CK和WJ處理，而BYZ和ZF與CK差異不顯著。20～40 cm土層中，各處理的土壤孔隙度總體表現為：BZ>BYZ>ZF=WJ=CK，可見有機物料BZ處理顯著增加了土壤總孔隙度。

2.5 不同有機物料處理下的板栗產量

從表3可以看出，2015-2016年試驗園各處理板栗平均產量總體表現為：BZ>BYZ>ZF>WJ>CK，其中BZ最高，比CK平均增產157.1%，其次是BYZ，較CK增產131.6%，CK最低，這與土壤含水率、土壤總孔隙度總體表現一致，說明有機物料深施顯著提高了板栗產量，尤以BZ處理最為顯著。

2.6 板栗產量與土壤水分指標的相關性

相關分析(表4)表明，20～40 cm土層中，平均土壤含水率和平均土壤水勢均與板栗產量呈顯著或極顯著正相關，說明在不進行灌溉僅依靠天然降水的條件下，板栗產量與20～40 cm土層土壤水分狀況密切相關，而0～20 cm土層中平均土壤水勢與板栗產量呈顯著正相關(除2015年)，說明深施干擾引起的表層土壤水勢變化對板栗產量也產生顯著影響。

圖3 不同有機物料處理下的土壤總孔隙度Fig.3 Soil total porosity under different organic materials application

處理 Treatment2015年產量/(kg·hm-2)Yield in 20152016年產量/(kg·hm-2)Yield in 20162015-2016年平均產量/(kg·hm-2)Average yield in 2015-2016CK1446.12±25.04e1558.01±24.17e1502.07±24.71eBYZ3338.64±57.83b3619.47±66.13b3479.06±62.98bZF2712.77±47.00c2820.00±35.24c2766.39±41.22cBZ3702.17±64.15a4022.40±70.66a3862.29±67.52aWJ1863.38±32.27d2275.59±13.47d2069.49±22.88d

表4 板栗產量與土壤水分指標的相關分析

注：*表示P<0.05，**表示P<0.01。

Note: *: correlation is significant atP<0.05 level; **: correlation is significant atP<0.01 level.

3 討 論

3.1 有機物料深施對土壤保水性和孔隙狀況及果實產量的影響

土壤含水量是衡量土壤自然狀況下水分和土壤通氣狀況的重要指標，是影響微生物活性的重要因素之一[20]。土壤水勢是表征土壤干旱程度以及土壤水分對植物有效性的重要指標，用水勢描述土壤中水分對作物的有效性能夠避免土壤質地的影響造成的誤差，因而具有較好的代表性[6]。本研究結果顯示，在板栗生長季內0～40 cm土層土壤含水率、土壤水勢均隨時間的推移呈現先升高后降低再升高的變化趨勢，且在7月初均存在一最低值，這與當地6月下旬至7月初降雨量較少有關，7-8月份是當地的雨季，降雨量較多，從8月份開始土壤含水率和土壤水勢均升高，土壤經歷干濕交替過程，而7月初是板栗的幼果發育和葉片趨于成熟的關鍵時期，也是板栗營養診斷的關鍵時期[21]，此時若存在較嚴重的土壤干旱脅迫，板栗的果實產量和品質會受到一定的影響。本研究發現，與CK相比，有機物料處理基本保持較高的土壤含水率，總體表現為BZ>BYZ>ZF，這與有機物料本身有機質含量和總孔隙度大小順序(表1)相一致。安艷等[4]研究也發現，施用生物質炭能使蘋果園土壤含水率增加。與20～40 cm土層相比，0～20 cm土層的土壤水勢隨時間的變化波動較大，這與表層土壤易受外界溫度和降雨等氣象因子的影響有關。在整個研究期內，有機物料處理保持較高的土壤水勢，特別在干旱時期，土壤的持水能力增強，確保板栗果實發育所需的水肥條件。

土壤孔隙度是農林作物生長的重要土壤環境條件，起到調節土壤中水、氣、熱狀況等作用[20]。吳俊松等[6]研究表明，秸稈溝埋還田20、40 cm時，越靠近秸稈層，土壤容重降幅越大，孔隙度增幅也越大，本研究也得到相似的結果，即在20～40 cm土層，BZ和BYZ處理土壤總孔隙度顯著大于CK，這可能與有機物料本身有機質含量高、總孔隙度較大(表1)有關，而有機質含量和總孔隙度較低的ZF深施處理的土壤總孔隙度與對照差異不顯著。

相關分析表明，20～40 cm土層中平均土壤含水率和平均土壤水勢均與板栗產量呈顯著正相關(P<0.05)，這可能是因為20～40 cm土層是板栗細根分布較多的區域，在不進行灌溉僅依靠天然降水的條件下，較高的土壤含水率和平均土壤水勢再加上較佳的土壤孔隙狀況(圖3)，為微生物活性的增強創造了有利的微環境，更有利于細根的生長及其對水分和養分的吸收，從而促進地上光合干物質積累，最終提高產量[13]。在本研究中，與對照(CK)、純無機肥處理(WJ)相比，3種有機物料深施顯著提高了板栗產量，其中BZ處理在整個生長季內保持較高的土壤含水率和水勢，土壤總孔隙度最大，且顯著提高單位面積葉片磷等元素含量[21]，增產效果最明顯(表3)，較對照CK增產157.1%。

3.2 有機物料深施對土壤水穩性團聚體組成及穩定性的影響

土壤團聚體是土壤結構的重要物質基礎和肥力的重要載體，其組成和穩定性直接影響了土壤的理化性質和微生物特性，進而影響農作物生長[22-23]。研究發現，有機物料對土壤水穩性團聚體組成的影響因來源、處理方式以及應用條件而異。胡誠等[24]對低產黃泥田的研究發現，秸稈還田有利于>0.25 mm水穩定性大團聚體總量增加。成艷紅等[25]對紅壤水穩性團聚體組成研究表明，稻草覆蓋增加了<0.25 mm水穩性團聚體含量。陳霞等[13]在對柑橘果園的沼渣深施研究發現，沼肥施用提高了土壤中0.5～2 mm水穩定性團聚體數量，降低了<0.25 mm微團聚體的數量。Sun等[26]通過180 d室內恒溫培養發現，木屑生物質炭對黏性土大團聚體的形成無顯著作用，而相同制備條件下，6%稻草生物質炭處理0.25～0.5 mm大團聚體含量顯著提高51.7%。本研究表明，經自然干旱-再濕潤交替過程的土壤(圖2)，有機物料添加(BYZ、ZF和BZ)使>0.5 mm的大團聚體顯著增加，而使0.053～0.25 mm微團聚體顯著減少，這與Sun等[8]研究結果基本一致，可見有機物料促進了微團聚體向大團聚體的轉化，其原因在于有機物料本身具有較大的比表面積，且含有有機大分子等結構，具有膠結和團聚作用，能促進微團聚體向大團聚體的轉化[27]。值得注意的是，無論是在0～20 cm土層還是20～40 cm土層，BZ處理<0.053 mm的粉+黏團聚體質量分數均較高，這可能與其本身有機質含量高(表1)有關，促使形成了較多蓄積大量有機碳的穩定微團聚體相關[27]。

平均質量直徑(MWD)、R0.25是反映土壤團聚體穩定性的常用指標，MWD、R0.25值越大，表示團聚度越高，穩定性越強[3-4, 23]。本研究結果顯示，有機物料處理的MWD、R0.25總體表現為：ZF>BYZ>BZ>WJ≥CK，說明有機物料處理顯著增加了土壤的穩定性，這與侯曉娜等[3]、安艷等[4]研究結果一致，且ZF增幅最大，這與有機物料處理下板栗產量大小排序不一致，可能由于ZF堆肥原料中含有較高比例的栗蘑菌渣，施入土壤后，通過菌絲作用和根系分泌物等暫時的介質粘結在一起形成較多的大團聚體[27]。對照(CK)與純無機肥(WJ)處理0～20 cm土層的MWD、R0.25小于20～40 cm土層，這與安艷等[4]研究結果基本一致。而有機物料處理表現為0～20 cm土層的MWD、R0.25大于或者等于20～40 cm土層，這與陳霞等[13]對柑橘園高量沼肥深施處理的效果一致，即有機物料深施對0～20 cm土層的團聚體水穩定性提高效果更佳。

綜上，本文研究了有機物料深施對山地板栗園土壤團聚體組成和穩定性、保水性及果實產量的影響。而有機物料深施對土壤性狀的影響及其與地上部果實產量的相互作用是一個長期而復雜的生態過程，不僅與有機物料來源和組成等因素有關，還受到土壤類型、應用條件等諸多因素的影響，這還有待于更為全面和深入的探討。

4 結 論

1)各處理土壤團聚體均以>0.5 mm和0.053～0.25 mm為主，含量分別為31.46%～41.87%、34.63%～49.98%，土壤含水率、土壤水勢均隨時間的推移呈現先升后降低再升高的變化趨勢，且在7月初均最低;

2)與對照、純無機肥處理相比，施用有機物料使果實產量及各土層土壤平均質量直徑(MWD)、大于0.25 mm團聚體含量(R0.25)顯著增加，各土層土壤含水率、土壤總孔隙度總體表現為BZ>BYZ>ZF，與果實產量大小排列一致，即BZ處理增產效果最顯著，比對照CK平均增產157.1%；

3)相關分析表明，20～40 cm土層中平均土壤含水率和平均土壤水勢與板栗產量呈顯著正相關，(P<0.05)；

4)有機物料特別是栗蓬栗葉-菌渣-雞糞堆肥(BZ)不僅能改良土壤結構和提高土壤保水性，而且對板栗有顯著的增產效果，是產區好氧堆肥原料體系和山地板栗園深施實踐的較佳選擇。