Effect of organic materials on improvement of Carya cathayensis forest acidic soil

供试土壤采自浙江省临安市龙岗镇林坑村因严重衰败而变成荒地的山核桃林地土壤。采样深度为0~20 cm。新鲜土壤样品经自然风干，过2.00 mm筛，供土壤pH值和土壤有效氮磷钾养分测定；过0.15 mm筛，供土壤有机质的分析测定。试验所用有机物料分别为沼渣、肥得力、黄腐酸钾和竹炭，其中肥得力、黄腐酸钾和竹炭均为市购产品，且肥得力为生物有机肥。试验所用土壤和有机物料基本性质见表 1和表 2。

采用上述4种有机物料进行土壤培养试验。考虑到有机物料作为有机肥施用的推荐用量和土壤改良的用量（用量大）以及实验室条件等因素，确定有机物料的添加量分别为0，1.00，10.00 g·kg^-1，相当于田间用量分别为0，1.27，12.70 t·hm^-2[7]。共9个处理：对照，在培养土壤中不添加任何有机物料；10.00 g·kg^-1沼渣（T₁）；1.00 g·kg^-1沼渣（T₂）；10.00 g·kg^-1肥得力（T₃）；1.00 g·kg^-1肥得力（T₄）；10.00 g·kg^-1黄腐酸钾（T₅）；1.00 g·kg^-1黄腐酸钾（T₆）；10.00 g·kg^-1竹炭（T₇）；1.00 g·kg^-1竹炭（T₈）。重复4次·处理^-1。将600.00 g风干土壤与有机物料充分混匀后置于1.50 L塑料杯中，并用去离子水将土壤含水量调节到土壤田间持水量的70%，塑料杯用保鲜膜封口，并在保鲜膜中间留下几个小孔，以便气体交换并减少水分损失。然后将塑料杯放置于25 ℃的恒温培养箱中培养，称量1次·周-1并补充水分，以保持土壤含水量恒定^[7]。在培养开始后的第0，10，20，30，60，90天取新鲜土样，取湿土100.00 g·次-1后放回继续培养。土壤样品经风干、过筛后供分析测定。

基于上述培养试验的结果，根据目前市场上产品情况，选用竹炭、肥得力和黄腐酸钾等3种有机物料进行了退化山核桃酸性土壤的改良试验。于龙岗镇林坑村严重退化山核桃林中布置本大田定位试验（2014年3月至2015年9月），山核桃为40~50年生。试验处理如下：对照，未使用任何肥料，竹炭2.00 kg·株^-1（T₁′），肥得力2.00 kg·株^-1（T₂′），黄腐酸钾2.00 kg·株^-1（T₃′）。重复6次·处理^-1。于2014年3月，在山核桃树冠垂直投影轮廓处（滴水线），开沟深度约20 cm，将预先称好的肥料进行沟施。各株处理树的四周，株、行间至少保留1列树不作任何施肥处理，以便隔离保护。记录2014年和2015年山核桃生长、产量情况。

采用土壤常规分析方法进行样品分析。土壤pH值经V（土）:V（水）＝1.0:2.5混合浸提-pH计电位法测定；土壤有效氮、有效磷、有效钾分别采用碱解扩散法、Olsen法和醋酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤交换性酸、氢离子及铝离子测定采用1.00 mol·L^-1氯化钾淋洗，0.02 mol·L^-1氢氧化钠滴定法。有机物料pH值参照土壤方法测定；氮、磷、钾采用硫酸-过氧化氢消煮样品，分别用蒸馏法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定^[7]。

用Excel 2010进行简单数据处理；SPSS 20.0软件进行统计分析。

有机物料可以增加土壤有机质质量分数，且不同有机物料导致土壤有机质质量分数升高的幅度不同，其升高幅度随有机物料加入量的增加而增加（图 1）。在培养过程中，对照处理土壤有机质变化很小；添加不同有机物料后土壤有机质增加的量和随培养时间发生的变化表现出不同特点，竹炭的变幅最小；其他3种有机物料都有较大波动，但趋势基本一致。在培养试验的6个阶段，不同处理间土壤有机质的增加达到了极显著差异。初始阶段（10 d），土壤有机质呈极显著上升趋势，其中10.00 g·kg^-1用量黄腐酸钾增幅达21.20%（P＜0.01）。在90 d时，以沼渣处理为例，当加入量为10.00 g·kg^-1时，土壤有机质由对照的22.13 g·kg^-1上升到44.79 g·kg^-1，增加了102.40%（P＜0.01）。从图 1中也可看出：各有机物料处理中10.00 g·kg^-1用量沼渣处理使土壤有机质上升最多，1.00 g·kg^-1用量的竹炭处理最少。

Figure 1.  Dynamic changes of soil organic matter content affected by different organic materials

土壤碱解氮的动态变化如图 2所示。施加有机物料的处理土壤碱解氮质量分数始终比对照处理高，这说明有机物料能显著增加土壤中碱解氮质量分数，且随着有机物料施加量增加而增加。从整个培养周期看，随着培养时间的增加，施加沼渣处理的变化幅度比较平缓，且10.00 g·kg^-1用量和1.00 g·kg^-1用量之间的差距大；其他处理的土壤碱解氮随着培养时间呈现比较明显的上升趋势。在整个培养过程中，各有机物料处理后土壤碱解氮总体处于上升趋势，在培养最后阶段（60~90 d），10.00 g·kg^-1用量黄腐酸钾的作用优于其他处理，肥得力与黄腐酸钾接近，沼渣处理提升较少，竹炭最小。施加10.00 g·kg^-1黄腐酸钾处理对土壤碱解氮的增加效果最大，在培养结束时，与对照相比增加了104.70%（P＜0.05），而1.00 g·kg^-1沼渣处理影响效果最小。

Figure 2.  Dynamic changes of soil available nitrogen affected by different organic materials

添加不同有机物料后，有机物料处理的土壤有效磷质量分数始终比对照处理高，说明有机物料能显著增加土壤有效磷质量分数，且随着有机物料施加量增加而增加（图 3）。在培养过程中，初始阶段（0~10 d）土壤有效磷的变化最显著，以10.00 g·kg^-1黄腐酸钾和10.00 g·kg^-1肥得力处在最高水平，分别达到15.48 mg·kg^-1和14.71 mg·kg^-1，其后有些处理上升趋势变缓。在低用量（1.00 g·kg^-1）水平下，10 d后土壤有效磷基本维持不变。在培养的不同阶段，不同有机物料处理间效果达到极显著差异（P＜0.01）。从整个培养周期看，黄腐酸钾对有效磷的增加效果是最好的，且10.00 g·kg^-1用量比1.00 g·kg^-1用量对土壤有效磷有着更好地增加效果。这表明，在农业生产中，要适量增加有机物料的施加量，从而达到更好的改良效果。

Figure 3.  Dynamic changes of soil available phosphorus affected by different organic materials

图 4为加入有机物料后土壤在培养过程中速效钾的变化趋势。有机物料处理的土壤速效钾质量分数比对照处理显著提高，且也是随着有机物料施加量增加而增加。在整个培养期间，各处理土壤速效钾的变幅较小，基本稳定。但是不同有机物料种类和用量对土壤速效钾的贡献差异大，以10.00 g·kg^-1黄腐酸钾处理对速效钾的提升最为显著，且其1.00 g·kg^-1用量和10.00 g·kg^-1用量的差距在几个处理中最为明显，这可能与黄腐酸钾物料中自身钾较高有关。但是10.00 g·kg^-1与1.00 g·kg^-1用量沼渣处理之间差距却比较小。沼渣的含钾水平与黄腐酸钾无差异，说明还受其他原因影响。山核桃林地大多土壤速效钾偏低^[3]，在生产中应选择含钾量高且对土壤速效钾质量分数增加多的，从而能起到更好的作用。

Figure 4.  Dynamic changes of soil available potassium affected by different organic materials

山核桃土壤加入不同有机物料进行培养后对土壤pH值的影响如图 5所示。有机物料处理的土壤pH值始终比对照处理高，这说明有机物料可以有效地提高土壤的pH值。随着培养时间的变化，对照处理土壤pH值变化甚微；添加有机物料的土壤pH值经历快速上升（0~10 d），然后变缓（10~20 d），最后变化都较小，趋于稳定（20~90 d）等阶段。从图 5中也可看到：不同有机物料导致土壤pH值升高的幅度不同，且随着有机物料施用量增加而升高。这表明在生产应用中，这些有机物料提前几天施用会达到更好的改良效果。在整个培养过程中，10~90 d中施加肥得力对酸性土壤的改良均比添加其他几种有机物料的效果更加明显。虽然随时间推移，不同处理的土壤pH值出现一定的波动变化，但整体比较稳定。如以培养结束时（90 d）的数据进行分析，与对照处理相比10.00 g·kg^-1用量的肥得力处理使土壤pH值上升最多，pH值升高了0.76个单位，竹炭、黄腐酸钾次之，沼渣最少。

Figure 5.  Dynamic changes of soil pH affected by different organic materials

土壤交换性铝主要是指以静电引力被吸附于土壤固相表面的交换性铝离子，是酸性土壤中常见的交换性阳离子，也是土壤各类形态铝转化的重要环节，其包含有可使植物中毒的大量高活性单体铝离子，常用来反映土壤中是否存在铝毒。图 6显示：经有机物料处理的土壤交换性铝质量摩尔浓度显著下降，各个处理始终比对照处理低，且随着有机物料用量的增加铝活性下降程度更加显著，这表明有机物料的添加对土壤铝的降低有重要的作用。与有机物料对土壤pH值的作用相似，从图 6中可以看到：在初始阶段（0~10 d）土壤交换性铝下降幅度最大，降幅高达168.20%（10.00 g·kg^-1黄腐酸钾），其后土壤交换性铝下速度势变缓。在整个培养过程中，可以看到10.00 g·kg^-1黄腐酸钾和10.00 g·kg^-1肥得力处理对铝的降低效果最佳，两者与1.00 g·kg^-1用量的差距也是最大的，在生产中一定的范围内，有机物料对土壤交换性能的影响程度随有机物料加入量的增加而增大。以肥得力为例，当加入量为10.00 g·kg^-1时，土壤的活性铝由对照的3.89 cmol·kg^-1降低到0.72 cmol·kg^-1，下降了81.50%。同时，这一变化趋势与这些改良剂增加土壤pH值的趋势基本一致，可见pH值提高可以有效地降低土壤铝活性，进而可以减少土壤交换性酸总量，起到良好的改善酸性土壤的作用^{[4, 7]}。

Figure 6.  Dynamic changes of soil exchange Al3+ affected by different organic materials

各种有机物料的添加均降低了酸化山核桃林地土壤交换性酸质量摩尔浓度（图 7），其变化趋势与土壤活性铝下降趋势、土壤pH值的上升变化基本一致。各个处理始终低于对照处理，且随着有机物料用量的增加下降程度更加显著。其中肥得力、黄腐酸钾的添加使土壤交换性酸最终降至1.27和1.42 cmol·kg^-1，比对照降低了70.30%和66.80%。从整个培养周期来看，有机物料的添加对土壤交换性酸质量摩尔浓度的影响在培养初期最显著，尤其是0~10 d阶段，出现急剧下降的趋势，10.00 g·kg^-1用量肥得力处理下降幅最大，降幅高达95.60%。此后有机物料处理降幅变缓，到30 d以后只有10.00 g·kg^-1用量肥得力处理的土壤交换性酸继续呈下降态势，其他各有机物料处理的土壤交换性酸基本不变。

Figure 7.  Dynamic changes of soil exchangeable acid affected by different organic materials

作物的产量受多种因素影响，植物叶片作为最重要的营养器官，担负着光合作用以及将光合产物输送到果实的重要作用，健康的根系和营养生长是提高作物产量的保障。山核桃大田试验的结果表明，有机物料对山核桃根系及营养叶片生长状况的改良作用在当年就有明显效果，但是对当年山核桃产量没有作用，土壤改良效果在第2年才开始显现。在山核桃坐果期（6月）、收获期（9月）和落叶期（11月）的跟踪调查中发现，各有机物料处理下山核桃根系均长出新根，叶片数量增多，叶片颜色增绿，新枝增加。不同有机物料对严重退化山核桃林次年产量的增加影响顺序为黄腐酸钾＞肥得力＞竹炭（图 8）。竹炭、肥得力和黄腐酸钾等使山核桃平均产量分别为5.20，6.00和7.10 kg·株^-1，产量分别比对照处理（3.00 kg·株^-1）提高了42.00%，50.00%和58.00%，均达到显著差异水平（P＜0.05）。不同有机物料之间对山核桃产量的影响虽然没有达到5.00%显著水平，但黄腐酸钾处理比竹炭产量明显高，达到10.00%显著性水平差异。

Figure 8.  Effect of organic materials on nut yield of Carya cathayensis forest

有机物料添加后，土壤pH值的变化主要是由于有机物料中碱性物质的释放以及土壤中的氮转化过程决定的^[7]。有研究表明：植物物料对土壤酸度的改良效果受以下几方面因素的影响：① 植物物料中灰化碱的释放直接中和土壤的酸度；② 微生物分解植物物料，有机氮矿化消耗质子，提高了土壤的pH值；③ 矿化产生的铵态氮（NH₄⁺-N）的硝化作用会释放质子，导致土壤pH值降低。本次培养试验施加有机物料的处理，在短时间内土壤pH值有明显地上升，到后期pH值趋于稳定，这与有机物料自身pH值较高有一定关系。有机物料也能提高土壤有机质，试验中添加有机物料的各个处理有机质均高于对照处理，10.00 g·kg^-1用量处理比1.00 g·kg^-1用量处理提升效果更加明显，其中10.00 g·kg^-1用量沼渣处理的效果最好，这可能与沼渣中有机质质量分数有关。

有机物料中含有一定量的矿质养分，可以显著提高土壤养分水平。试验结果表明：有机物料可以不同程度地提高土壤的碱解氮、有效磷和速效钾质量分数。肥得力作为一种生物有机肥，可以增加土壤中的微生物数量，同时也为土壤微生物提供丰富的碳源和生长物质，从而加速物料的分解和养分释放，提高土壤肥力。竹炭作为一种生物炭，可以增加土壤对氨（NH₃）和铵（NH₄⁺）的吸收^[9]，减少二氧化氮的排放以及硝酸根（NO₃^-）的流失，从而影响氮循环^[10-11]。本试验的土壤为酸性土壤，铁、铝活性高，易与磷形成难溶性的铁磷和铝磷，甚至有效性更低的闭蓄态磷，使土壤磷绝大部分转化为固定态磷^[12]。加入有机物料后，土壤pH值增加，活性铁、铝减少。添加有机物料不仅降低土壤对磷的吸附能力，而且降低吸附磷在土壤表面的键合能力，使吸附磷的有效性提高^[13]。此外，有机质在分解过程中产生有机酸不仅能促进土壤中磷的活化，而且还能减少无机磷的固定，提高无机磷肥的效果^[14-15]。本试验供试土壤原始有效磷质量分数较低，通过添加有机物料提高了土壤有效磷水平，以10.00 g·kg^-1用量的沼渣和肥得力效果最佳。施加不同用量的有机物料也提高了土壤速效钾水平，这可能由于有机物料本身含有大量的钾元素，如黄腐酸钾等。从培养曲线来看，培养期间土壤速效钾水平基本稳定，表明有机物料中的钾都是速效的，与有机物料的矿化没有关系，统计结果也显示有机质质量分数与速效钾没有相关性（表 3）。大田试验中山核桃生长及产量情况表明：黄腐酸钾、肥得力对山核桃土壤的改良效果好于竹炭，意味着这些土壤改良剂的改良作用不仅仅在于土壤酸和铝的中和，还与其他土壤肥力性质的改良有关。与竹炭相比，黄腐酸钾、肥得力主要与传统有机肥性质接近，其中的有机质易于矿化，而竹炭则稳定。有机肥的矿化可能更有利于改善山核桃根际土壤理化性质和微生物环境，有待进一步研究。

通过对整个培养试验所有土壤的各个性质指标进行相关性分析（表 3）可以看出，许多指标之间存在不同程度的相关关系。土壤有机质、氮、磷、钾相互之间，大多达到显著或极显著正相关性；土壤的氮、磷、钾与pH值之间呈极显著的正相关，相关系数比较高，表明有机物料在改良土壤酸性的同时，能够给土壤提供丰富的速效养分。除了与土壤有机质没有显著相关外，土壤交换性铝与其他几个化学指标之间都达到极显著负相关，随着土壤氮、磷、钾、pH值水平的提高，土壤交换性铝质量摩尔浓度下降。交换性酸与土壤氮、磷、钾、pH值之间达到极显著负相关，与交换性铝则具有极显著正相关（P＜0.01）。

加入不同有机物料后土壤交换性铝变化趋势与土壤pH值的变化是相关的，土壤pH值升高后，可溶性铝溶解度降低，使得铝离子（Al3+）发生沉淀。从试验结果中可以看出：有机物料对交换性铝的降低幅度随有机物料施入量的增加而变大。铝是土壤中非常活跃的元素，随着pH值的增加，铝会发生一系列的水解、聚合、沉淀等反应，同时铝具有较强的配位能力，能与多种阴离子形成配位络合物，从而提高铝的可溶性。有机物料的添加可以有效地降低土壤交换性酸与铝饱和度，主要是中和了土壤酸度、增加土壤pH值，从植物物料中释放的盐基离子增加土壤交换性盐基离子质量摩尔浓度^[16]。在达到动态平衡的自然条件下，酸性土壤的酸度主要由交换性铝引起，交换性氢所占比例较小^[17]。从试验结果看，土壤中交换性铝占交换性酸的90.00%以上，这主要是土壤有机质对交换性酸的贡献，添加有机物料使有机质增加，同时有机质与铝络合也可有效地降低交换性铝的质量摩尔浓度。有机物料的添加可以增加养分释放，显著提高土壤养分，提高土壤pH值，改善土壤微生物的碳源利用，增强土壤生物活性，从而提升土壤品质。

有机物料资源丰富，种类繁多，廉价易得，比较适合山核桃林地土壤，对山核桃土壤的肥力性质有显著影响，可以有效地改良酸性土壤。可以概括为：① 添加有机物料可调节土壤酸度，能明显提高土壤pH值，同时也可增加土壤有机质、有效磷、速效钾和碱解氮的质量分数，且随着施用量的增加，效果更加显著。② 有机物料的添加可以有效地降低土壤交换性铝，可以有效缓解土壤铝对植物的毒害。③ 大田试验结果表明，所用有机物料显著改善山核桃生长状况，提高产量。