長期施用有機源土壤調理劑對果園土壤的影響
——以草莓和蘋果種植區為例

孫天晴 張 文 于家伊 楊澤慧* 劉 藝 董利鋒

（1國家市場監督管理總局認證認可技術研究中心，北京 100020；2北京四良科技有限公司，北京 100015；3中國農業科學院飼料研究所，北京 100081）

土壤是陸地生態系統的重要組成成分，其與大氣以及陸地生物群落共同組成生態系統中碳的主要貯存庫和交換庫，在保障糧食安全、保障水環境安全、固碳緩解氣候變化、維持生物多樣性等方面發揮著重要作用[1]。利用有機源土壤調理劑改良農田土壤，對于提升農田質量和增加土壤碳庫具有一定的作用[2-3]。土壤有機碳庫（SOC）是陸地生態系統中最大的碳庫。據統計，全球有1.4×1012～1.5×1012t碳是以有機質的形式儲存于土壤中，土壤貢獻給大氣的二氧化碳量是化石燃料燃燒貢獻量的10倍[4]。土壤有機碳微小的變化就會影響大氣中溫室氣體的濃度，進而引起全球氣候變化，因而提升土壤有機質、提高土壤固碳量能夠大幅降低二氧化碳排放，減緩全球氣候變暖[5]。2015年巴黎氣候大會，法國等150多個國家和組織簽署了“千分之四”倡議，即每個國家農業土壤有機碳儲量每年提升4‰，并提出了利用農業碳匯來消納碳排放與農業固碳良性循環的全新經濟發展模式。

在固碳減排目標驅使下，農田土壤固碳研究得到了科學界的空前關注[6]。目前，土壤固碳量量化方法有很多，如IPCC方法、清查法、基于GIS的土壤有機質機理模型等[7]。國內也有很多學者研究了土壤碳儲量問題，如孟 磊等[5]研究了0～20 cm耕層下長期施肥對土壤碳儲量和作物固定碳的影響；王成己等[6]研究了0～20 cm耕層保護性耕作下農田表土有機碳含量變化特征；李 琳等[7]研究了0～30 cm耕層保護性耕作土壤碳庫的管理指數；劉禹池等[8]研究了0～30 cm耕層稻—油輪作條件下長期秸稈還田與施肥對作物產量和土壤理化性狀的影響。這些研究分別在0～20 cm耕層或0～30 cm耕層下開展，缺乏2種不同耕層深度之間土壤有機碳定量相關性研究，導致采用不同核算方法的結果不具可比性。為明確有機源調理劑的農田土壤固碳效應，解決固碳核算結果的可比性問題，本研究以北京市昌平區草莓和蘋果種植基地為對象，利用有機源調理劑對果園土壤進行改良，系統研究了2006—2019年長期施用有機源土壤調理劑對不同土層深度土壤容重、有機質等土壤理化指標的影響。與此同時，采用實測法、估算法比較和分析了不同測算模型對土壤有機碳及固碳量等結果的影響，以期為我國有機源土壤調理劑改良土壤和農田土壤固碳評估與方法選擇提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗區位于北京市西北部昌平區，位置在115°50'～116°29'E、40°02'～40°23'N 之間。試驗區地勢平坦，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，雨量集中在6—8月，年平均降水量為550.3 mm，年平均日照時數2 684 h，年平均氣溫11.8℃，無霜期200～203 d。試驗區土壤類型以褐土為主，草莓種植面積為100 hm2，蘋果種植面積為20 hm2，兩者土壤基本性質見表1。

表1 草莓和蘋果種植基地初始土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

試驗于2006年3月至2019年6月進行。試驗開始前，草莓和蘋果種植區施用化肥。試驗期間，草莓和蘋果種植區施用有機質含量為75%、腐殖化率為60%的有機源土壤調理劑，施用量為6 t/hm2。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤理化指標測定。在草莓和蘋果種植區分別選取5個監測點，采用環刀法采集不同耕層深度0～20 cm和20～40 cm土壤樣品。將每個耕層的樣品混合均勻后作為一個處理的樣品。隨后，用自封袋將新鮮土壤樣品迅速帶回實驗室，去除石礫和根系等雜物后過2 mm篩混合均勻，分別采用烘干法和油浴加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定土壤的容重和有機質含量[9]。土壤酸堿度（pH）參照常規方法測定；全氮（TN）含量用半微量凱氏法測定；有效磷（AP）、有效鉀（AK）采用 M3浸提法測定[10]。

1.3.2 土壤固碳量和土壤有機碳儲量。土壤固碳量為核算期最后一年的土壤有機碳儲量與核算期初始年的土壤有機碳儲量的差值，計算方法如下：

式中：ΔC為土壤固碳量 （以每年二氧化碳當量表示，單位為t）；SOCT為核算期最后一年的土壤有機碳儲量（t）；SOC0為核算期初始年的土壤有機碳儲量 （t）；T為一個單獨核算期的年數；44/12為換算系數。

土壤有機碳儲量被用于衡量單位面積一定深度土體重的有機碳儲量。計算公式如下：

式中，SOCi為第 i年土壤有機碳儲量（t）；γi為第i年被估算土地的土壤容重（g/cm3）；A為土地面積（hm2）；OMi為第 i年土壤中有機質含量（g/kg）；H 為耕層深度（cm）；0.58為有機質換算為有機碳的換算系數；0.1為單位換算系數。

1.4 數據統計分析

本試驗采用Excel 2010進行基礎數據的計算和分析，并采用SPSS 24.0對數據進行統計和方差分析，以P<0.05為差異顯著。

2 結果與分析

2.1 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果種植區土壤容重和有機質的影響

本試驗中，通過2006—2019年在草莓和蘋果種植區長期施用有機源土壤調理劑，不同耕層土壤的容重發生了顯著變化（表2）。從表2可以看出，在經過2006—2019年施用有機源土壤調理劑之后，草莓種植區0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重顯著增加（P<0.05），分別增加了74.7%和83.3%；蘋果種植區0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重也顯著增加（P<0.05），分別增加了33.8%和99.2%。土壤容重是體現土壤疏松程度、保水保肥性、透水透氣性等性狀的重要指標。在施用有機質含量為75%、腐殖化率為60%的有機源土壤調理劑6 t/hm2進行土壤改良后，土壤有機質固定量約為2.7 t/hm2。

表2 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果土壤容重的影響

本試驗中，通過2006—2019年在草莓和蘋果種植區長期施用有機源土壤調理劑，不同耕層土壤中的有機質含量發生了顯著變化（表3）。從表3可以看出，在經過2006—2019年施用有機源土壤調理劑之后，草莓種植區0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機質含量顯著增加 （P<0.05），分別增加了55.1%和46.8%；蘋果種植區0～20 cm和20～40 cm土層土壤有機質含量也顯著增加（P<0.01），分別增加了47.1%和59.6%。

表3 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果土壤有機質含量的影響

2.2 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果種植區土壤有機碳和固碳能力的影響

本研究采用實測法研究了長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果種植區土壤有機碳含量和土壤固碳能力的影響。結果表明，長期施用有機源土壤調理劑能顯著增加土壤有機碳儲量（表4）。以草莓種植區為例，2006年有機碳儲量為3 841.9 t，施用有機源土壤調理劑后，2019年其有機碳儲量為7 283.6 t，顯著提高了89.58%；同樣，蘋果種植區土壤有機碳儲量顯著提高了2.75倍。經過計算，草莓種植區和蘋果種植區的年度土壤固碳量分別達到了970.74、351.04 t。

2.3 不同測算方法對草莓和蘋果種植區土壤有機碳和固碳能力的影響

采用實測法、估算法等3種測算模型對長期施用有機源土壤調理劑的草莓和蘋果種植區有機碳庫和土壤固碳量進行對比分析（圖1）。研究結果表明，基于IPCC[11]和 Li等[12]測算模型得到的 2006年和2019年有機碳儲量都高于基于實測法得出的結果。其中，基于實測法的2019年草莓和蘋果種植區的有機碳儲量分別為 7 283.6 t和 1 697.79 t，IPCC[11]的測算結果分別為7 297 t和2 415.07 t，基于Li等[12]的測算結果分別為8 715.9 t和2 526.34 t。同時，對于草莓和蘋果種植區來說，基于實測法的年度土壤固碳量顯著高于IPCC[11]和Li等[12]測算模型得到的結果。

3 結論與討論

3.1 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果種植區土壤容重和有機質的影響

本研究中，有機源土壤調理劑的有機質含量為75%、腐殖化率為60%、施用量為6 t/hm2，施入土壤后有機質固定量為2.7 t/hm2。在施用有機源土壤調理劑進行土壤改良期間，土壤有機質年均增加0.2%～0.3%。經分析發現，草莓種植區連續施用有機源土壤調理劑改良土壤5～10年后，土壤基本不用再施加化肥。同時，土壤的容重、比重、通氣性、透水性、養分狀況、黏結性等也得到改善。許多研究表明，土壤有機質可降低土壤密度、增加土壤持水力，并能夠以一定的速度釋放養分，滿足作物生長所需的95%以上的氮和硫以及20%～70%的磷。本試驗中，草莓和蘋果種植區連續施用有機源土壤調理劑后，土壤的容重、比重、通氣性、透水性、養分狀況、黏結性等也得到改善，可達到不再施加化肥的效果。土壤有機質是土壤中各種有機化合物的總稱，不僅含有作物生長所需的各種營養素，也是土壤微生物活動的重要來源，是衡量果園土壤肥力的一個重要指標。董 鵬等[13]對山西省萬榮縣蘋果園土壤中有機質含量進行測定，發現其含量為6.39～16.48 g/kg，平均值為8.69 g/kg，該結果與本試驗的數據一致。仲光緒等[14]發現，山東省煙臺市金陵鎮的蘋果園有機質含量為18.76～40.66 g/kg，平均值為26.85 g/kg，顯著高于本試驗中蘋果和草莓種植區土壤中有機質含量。分析其原因：一方面，2個試驗的土壤類型不同，本試驗的土壤類型以褐土為主，而仲光緒等[14]的試驗中以棕壤為主。棕壤土質細致、易于耕作，也更容易保存有機質。另一方面，仲光緒等[14]試驗中采用了有機肥、復合肥和生物炭等3種混合物，因而有機質含量最高可以達到40.66 g/kg。

3.2 長期施用有機源土壤調理劑對草莓和蘋果種植區土壤有機碳和固碳能力的影響

土壤有機碳庫的變化可及時反映土壤碳動態和土壤質量的變化狀況[15]。曲成闖等[16]研究了施用生物有機肥對黃瓜連作土壤有機碳庫的影響，結果表明，與對照相比，生物有機肥可顯著增加黃瓜連作土壤中總有機碳和活性有機碳庫的有機碳含量。土壤有機碳庫的動態變化與土壤中微生物多樣性、組成結構以及酶活性存在顯著關系。有機肥等土壤調理劑能夠提高土壤中微生物種類和數量，通過新陳代謝的作用，提升土壤固碳能力。本試驗中，長期施用有機源土壤調理劑能夠顯著增加草莓和蘋果種植區土壤有機碳儲量，該結論與盧凱政等[17]等的結論一致。盧凱政等[17]通過施用有機肥的方式對蘋果種植園進行改造，結果表明，與改造前的果園相比，改造后的蘋果園中20～40 cm深土層中有機質含量增加了33.5%。張鵬鵬等[18]發現，施肥方式能夠顯著影響土壤有機碳庫及碳庫組分的變化，從而為土壤固碳和農業資源高效利用提供依據。本研究中，施用有機源土壤調理劑后，草莓種植區有機碳儲量提高了89.58%，蘋果種植區的有機碳儲量提高了2.75倍。

3.3 不同測算方法對草莓和蘋果種植區土壤有機碳和固碳能力的影響

本文采用了3種不同的方法對長期施用有機源土壤調理劑影響草莓和蘋果種植區有機碳儲量和土壤固碳能力進行了對比分析。采用實測法計算的土壤有機碳儲量和土壤固碳量與估算法的結果存在顯著差異。對比實測法與估算法的計算值可以看出，對于蘋果種植區而言，IPCC[11]和Li等[12]測算模型測算土壤固碳量的結果都高于實測法。結合實際分析，主要原因為IPCC[11]和Li等[12]測算模型中有機質投入因子是依據糞肥投入得出的，而我國施用的有機肥有機質含量和腐殖化率明顯高于糞肥，導致采用國內估測值估算的結果要高于IPCC缺省值的估算結果，且更接近實測計算的結果。

綜上所述，有機源土壤調理劑具有涵養土壤、激活生物等土壤修復功能。通過對有機源土壤調理劑影響土壤固碳的實證研究總結，發現有機源土壤調理劑影響土壤固碳潛力的機制主要是通過提高有機質含量和腐殖化率，使得有機源土壤調理劑施入土壤后能夠固定較多的有機質，進而增加土壤碳固定量。經研究得出，連續施用有機源土壤調理劑改良土壤還能夠起到減少化肥施用、改善土壤物理性狀的作用。本研究結果表明，利用有機源土壤調理劑改良農田土壤不但對增加土壤碳庫具有非常好的效果，而且對土壤質量提升有顯著作用。該研究結果可為有機源土壤調理劑的利用以及我國農業土壤碳固定核算提供方法和數據支持。