不同改良劑對黃土高原丘陵區山地果園土壤質量的影響

趙西寧, 劉 帥, 高曉東, 丁艷宏, 李 釗, 楊 陽, 楊明飛

1 中國科學院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西北農林科技大學水利與建筑工程學院, 楊凌 712100 3 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室, 楊凌 712100

黃土高原以獨特的地理氣候條件已成為我國蘋果優生區和主產區之一。該地區土壤類型主要為黃綿土,質地疏松綿軟團聚狀態差,土壤結構易遭受侵蝕破壞,養分和有機質含量低[1],導致該區蘋果產業可持續發展面臨嚴峻挑戰。黃土高原北部丘陵區多為旱作果園,土壤持水和入滲能力差,加之年內降雨量小且時空分布極不均勻,降水大部分以徑流或無效蒸發形式損失[2]。此外,果樹蒸騰耗水強烈,果園土壤水分虧缺嚴重,進一步限制了當地蘋果產業的持續健康發展[3]。因此,如何改善果園土壤質量,提高土壤蓄水保肥能力以增加蘋果產量,是目前亟待解決的關鍵問題。

土壤改良劑施用是快速改善土壤結構、提升土壤質量,增強土壤蓄水保肥能力的有效措施之一[4]。目前,土壤改良劑主要分為天然改良劑、人工合成改良劑和生物改良劑三大種類[5]。生物炭、保水劑和植物根際促生菌分別作為三大類改良劑的代表,因其在土壤改良中的良好效果已成為國內外研究的熱點[6—8]。合理的改良劑施用能夠有效改善土壤結構、水熱條件、養分狀況和土壤微生態環境,進而提升土壤生產力[9]。已有研究表明,施用生物炭可以顯著增加土壤總孔隙度,減小土壤容重,增加團聚體數量及穩定性,增強雨水的入滲及土壤保水能力,進而改善土壤健康狀況,增加作物產量[10—12]。近年來,植物根際促生菌因其良好的土壤改良效果被作為生物菌肥廣泛應用于農業生產中,其施入土壤后可活化土壤養分,促進土壤釋放氮、磷、鉀等作物生長所必需的元素,同時還能分泌氨基酸、激素、有機酸等促進作物吸收養分的物質[13],進而增加作物產量。此外,根際促生菌能在一定程度上改善土壤結構、增強土壤保水能力[14—16]。保水劑不僅可以吸收且長時間蓄持土壤水分,還可以作為肥料緩釋劑保持土壤肥力并提升作物對土壤養分的利用能力[17]。目前就單一改良劑改善土壤質量的相關研究已大量開展,但關于不同種類改良劑對黃土高原旱作果園土壤蓄水保肥及微生態環境影響效果的對比研究還鮮有報道。因此,開展不同改良劑對土壤改良效果的對比研究,篩選適宜黃土高原土壤質量提升的改良劑,對促進區域農業綠色高效可持續發展具有重要意義。

土壤質量評價指標主要包括土壤物理、化學和生物學3個方面[18]。近年來,統計學方法在相關領域應用較為廣泛,目前國內外主要采用主成分分析(PCA)和最小數據集(MDS)等方法對土壤質量評價指標進行重疊信息刪減,采用隸屬度函數模型和土壤質量指數模型綜合評價土壤質量狀況。李鵬飛等[19]選取了21個土壤理化生指標,通過主成分分析法構建最小數據集,進而對黃土高原礦區復墾土壤質量進行評價。袁晶晶等[20]選取14項土壤理化生指標,采用主成分分析和聚類分析方法對不同生物炭和氮肥配施的土壤質量進行評價,最終探明10t/hm2生物炭配施300kg/hm2的氮肥為棗園土壤最佳培肥模式。目前,針對改良劑對糧食作物農田土壤質量提升綜合評價方面的研究較多,但關于改良劑對旱作果園土壤改良效果的綜合評價鮮有報道。為此,本研究以黃土高原丘陵區山地蘋果園為研究對象,從土壤理化性質、養分含量、生物學特性等多方面,綜合評價了生物炭、植物根際促生菌及保水劑對果園土壤的改良效果,以期篩選出適宜黃土高原蘋果園土壤質量與水資源高效利用協同提升的改良劑,為黃土高原丘陵區山地果園土壤改良提供科學的理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019年4月—2020年10月在陜西省延安市寶塔區河莊坪鎮余家溝村旱作山地果園內進行(109°21′24″E, 36°41′15″N),海拔1277m,是典型的黃土高原丘陵區,屬半干旱區暖溫帶大陸性季風氣候。研究區年平均氣溫為9.2℃,多年平均降水量為506.5mm,年內降雨主要集中在7—9月,占全年降水量的70%以上,年平均相對濕度為60.8%。土壤類型為黃綿土,土層深厚,容重為1.3g/cm3,pH為7.81,土壤有機碳含量為2.69g/kg,全氮含量為0.3g/kg,田間持水量為24%。

1.2 試驗材料與設計

供試生物炭以蘋果樹枝為原材料在500℃無氧條件下緩慢熱解而成,購自陜西億鑫生物能源科技開發有限公司,粒徑為0.02—2mm,pH為8.98,有機碳含量為306.25g/kg,全氮含量為8.97g/kg。植物根際促生菌選用枯草芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌,購自濟南金華峰輝生物科技有限公司,其有效活菌數分別為≥2.0×1010CFU/g和≥5.0×109CFU/g,載體為麥麩。保水劑選用腐殖酸型保水劑,購自山東華濰新材料科技有限公司,外觀為黑灰色顆粒狀或粉末狀,難溶于水,其吸水倍數為300—500倍。

試驗設置5個處理：分別為施用5%的生物炭(BC)、0.25%的枯草芽孢桿菌(PGBS)、0.25%的膠質芽孢桿菌(PGBM)及0.1%的保水劑(SAP)處理,不施用土壤改良劑作為對照(CK),每個處理3個重復,共計15個小區。土壤改良劑施用量是在現有研究結果[16,21—23]的基礎上結合室內試驗確定的最佳施用量。樣地設置在同一水平梯田蘋果園,選取15棵樹體形態、生長狀況相似且均為15年生旱作山地紅富士蘋果樹,各果樹處理和土壤管理等措施一致。蘋果樹種植株行距為4.5m×4.5m,樹高平均2.5m,平均冠幅半徑為2.3m。為最大限度發揮改良劑的作用并降低其對果樹生長的影響,改良劑的施用位置為樹冠2/3處,以樹干為圓心距樹干1.5m處,于2019年4月初人工開挖寬、深均為60cm的圓環狀坑,將改良劑與挖出土壤混勻后,回填到環狀坑中。在施用改良劑的環狀區域中部隨機取三個點布設水分監測點,在施用區其他位置取樣測定土壤物理、化學和生物學指標。

1.3 土壤樣品采集與測定

在蘋果生育期末,采用環刀法測量0—100cm土層容重,每20cm一層,每層三個重復。使用Guelph2800K1滲透儀測定0—60cm土壤飽和導水率,每20cm一層,共3層,每層三個重復。土壤水分采用Trime-TDR長期監測,每個小區設置3個水分監測點,共計45個土壤水分監測點。測量深度為200cm,每20cm土層測定一次,測定時段為2019年和2020年5月初至10月底,測量頻率為每月一次。蘋果收獲后,用直徑為10cm高度為60cm的聚氯乙烯(PVC)管在圓環中央取原狀土樣,每個處理三個重復,帶回實驗室后沿著土壤自然結構輕輕剝成小塊,剔除植物根系和小石塊等雜質后,用濕篩法測定土壤水穩性團聚體。土壤團聚體穩定性評價指標包含平均重量直徑(MWD, mm)；幾何平均直徑(GMD, mm)；>0.25mm的水穩性團聚體含量(WR0.25, %)；土壤分形維數(D)；計算公式參照周虎等[24]和楊培嶺等[25]研究成果。

其它土壤樣品采樣,也在生育期結束后進行,采用土鉆分別在0—20cm、20—40cm、40—60cm、60—80cm、80—100cm五個土層取土,土壤樣品取出后立即轉入無菌密封袋,一部分土壤經過風干、研磨、過篩后,采用重鉻酸鉀外加熱法測定各層土壤有機碳含量；采用凱氏定氮法測定土壤全氮；采用火焰光度法測定土壤速效鉀；使用流動分析儀測定土壤速效氮和速效磷；采用梅特勒FiveEasy Plus 28 -Standard測定土壤pH,土水比為1∶5[26]。另一部分用于測定土壤酶活性和土壤微生物群落結構多樣性,采用比色法測定土壤蔗糖酶,采用熒光分光光度計測定纖維素酶、β- 1,4-葡萄糖苷酶、β- 1,4-木聚糖酶、β-D-纖維二糖水解酶和N-乙酰-β-D氨基葡萄糖苷酶[27]；采用高通量測序方法對核糖體脫氧核糖核酸(16S rDNA)和內轉錄間隔區(ITS)的擴增子進行測序，分析土壤微生物群落結構[28—29]。

1.4 土壤質量評價系數

采用土壤質量指數(SQI)評價不同改良劑對土壤質量的影響,首先選擇具有代表性的土壤物理、化學、微生物和酶等指標,利用主成分分析法[30—33]對選取的指標數據進行標準化處理,其次采用抽樣適合性檢驗(KMO)和巴特利特球體檢驗(Bartlett)方法檢驗主成分分析法是否合理。若合理則根據所得結果對各個主成分內不同指標的值進行篩選,在篩選過程中，為了減少數據信息的丟失引入范數(Norm)值,Norm值越大表明其解釋土壤總體質量信息的能力越強[34—35],Norm值計算公式如下：

(1)

式中：Nip為各個指標在特征值>1的前p個主成分的綜合荷載,Hip為第i個指標在第p個主成分上的荷載,λp為第p個主成分的特征值。

將Norm值與各指標之間的相關性分析相結合,通過篩選的數據進入MDS,MDS里的數據不僅可以代表所有的指標且各指標相互獨立、信息重疊率小。為了計算各個土壤指標的隸屬度,需要對各個指標的功能和性質進行分析,判斷各指標的隸屬型函數,隸屬函數公式為：

(2)

(3)

式(2)為S型函數,(3)為反S型函數。式中xi為各個指標實測值,a和b為該項指標的最小值和最大值。

由于所選評價指標較多,為了更合理的評價各個指標對于土壤質量狀況的影響程度,使用權重來表示指標的貢獻。計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：SL為各主成分上各指標的線性系數,Ci為各標在各主成分上的荷載；ML為權重模型系數；SLi為某指標在各個主成分上的線性系數；σi為特征值大于1的各主成分的方差；MFi為歸一化后各個指標對應的權重。

根據土壤質量指數模型函數、隸屬度和權重計算SQI:

(7)

式中：n為MDS中評價指標的個數；Qxi為各指標的隸屬度；MFi對應指標的權重。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistic 22.0統計軟件對數據進行整理、統計分析。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)對所有數據進行方差分析,顯著性水平α=0.05。采用Origin Pro 2016軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤質量評價指標統計

本研究通過土壤物理、化學和生物學等多項指標對土壤質量進行綜合評價。評價過程中選取20個土壤指標,包括5個物理指標,7個化學指標和8個生物學指標,具體如表1所示。土壤細菌Shannon指數在9.24—10.20之間,變異系數最小；土壤容重、pH和細菌Chao1指數變異系數均低于0.1,表明施用改良劑不會對土壤容重、pH和細菌造成較大的影響。土壤有機碳、硝態氮、銨態氮、纖維素酶和蔗糖酶的變異系數均大于0.7,變異性較大,說明以上指標對不同類型改良劑有強烈的異質性,且對改良劑種類較為敏感。

表1 0—60cm土層不同改良劑處理土壤質量評價指標統計

2.2 最小數據集確定

土壤各指標進行標準化之后,對不同改良劑處理土壤容重、pH、有機碳含量、全氮含量、細菌Shannon指數、纖維素酶活性等20個土壤基本指標進行主成分分析,其KMO值為0.761。巴特利球形檢驗值小于0.05,表明主成分分析結果合理可靠,其結果如表2所示。本研究中特征值大于1的主成分有6個,特征值分別為4.279、3.366、2.302、2.197、1.588和1.023,6個主成分的累積方差貢獻率為73.78%。根據已有研究,主成分因子荷載越大變量在其中的影響力越高[36],本研究篩選出的各主成分中荷載值大于0.5的指標因子共20個,被作為MDS備選數據。再根據Norm值小于10%原則[20],剔除最大Norm值10%范圍之外的指標,篩選出11個指標,然后根據各個指標之間的相關性進行篩選,各指標相關性如表3所示。原則上同一主成分中的指標若顯著相關,則將荷載值大的保留,荷載值小的剔除。最終確定入選MDS的指標共有六個,分別是主成分一中的指標細菌Chao1指數,主成分二中的總氮,主成分三中的纖維素酶,主成分四中的真菌Chao1指數,主成分五中的β- 1,4-葡萄糖苷酶,主成分六中的速效磷。指標篩選過濾率為60%,對數據構成的簡化率較高,指標間的冗余重復信息大幅減少,能夠有效提高土壤質量綜合評價效率。

表2 土壤質量指標主成分分析

2.3 不同改良劑對土壤質量影響綜合評價

2.3.1評價結果精度驗證

圖1 最小數據集和總數據集土壤質量指數線性關系 Fig.1 Linear relationship between minimum data set and total data set of soil quality index

采用MDS進行土壤質量評價雖然減少了試驗工作量、降低了復雜度,但是MDS對評價指標進行了簡化,其評價結果的精度需要與總數據集法(全部土壤質量評價指標數據集定義為總數據集,TDS)評價結果進行對比。通過計算得出,TDS的土壤質量指數均值為0.406±0.121,變異系數(CV)為0.297,波動幅度較小(CV<30%)；MDS的土壤質量指數均值為0.390±0.126,CV為0.324,波動幅度較大(CV>30%),說明MDS對土壤質量指數的變化反應更為敏感。通過圖1可知,最小數據集質量指數和總數據集質量指數之間呈正相關,決定系數R2=0.804,說明MDS對土壤質量指數與TDS的土壤質量指數較為接近,因此基于MDS計算的土壤質量指數可用于土壤質量評價。

2.3.2綜合評價指數確定

本文采用隸屬函數對MDS中所選取的20個指標進行分類,分為“越多越促進”和“越少越促進”兩類[30]。土壤容重和pH為“越少越促進”,其隸屬度用公式(3)計算,其余指標為“越多越促進”,用公式(2)計算隸屬度。根據各指標數據的旋轉成分荷載、主成分方差貢獻率和累積貢獻率計算得出的最小數據集中6個指標權重如表4所示,β- 1,4-葡萄糖苷酶活性對土壤質量的影響最大,其SQI分布在0.002—0.190之間,均值為0.104；纖維素酶活性對土壤質量影響最小,其SQI分布在0.002—0.085之間,均值為0.026。通過MDS對各指標進行權重分析發現,各指標對土壤質量影響效果如下：全氮(0.253)>速效磷(0.252)>β- 1,4-葡萄糖苷酶(0.199)>真菌Chao1指數(0.199)>纖維素酶(0.094)>細菌Chao1指數(0.068)。

表3 土壤質量指標相關性分析

表4 基于最小數據集隸屬函數的土壤質量指數

圖2 基于最小數據集的指標對土壤質量指數的影響 Fig.2 Effect of indicator based on minimum data set on soil quality indexTN：土壤全氮 Total nitrogen；AP：速效磷 Available phosphorus；B-Chao1：細菌Chao1指數 Bacteria Chao1 index；F-Chao1：真菌Chao1指數 Fungus Chao1 index；CEL：纖維素酶 Cellulase；β-GLU：β- 1,4-葡萄糖苷酶 β- 1,4-Glucosidase

2.3.3土壤質量影響綜合評價

土壤質量指數為各指標與其權重乘積之和,各處理不同土層SQI如圖3所示,土壤質量指數隨土壤深度增大而降低。在0—20cm土層,β- 1,4-葡萄糖苷酶活性對土壤質量的影響最大。在20—40cm土層,BC和PGBM處理土壤質量主要影響因素仍然為酶活性,但其余處理土壤質量主要影響因素逐漸轉變為土壤速效磷和全氮。在40—60cm土層,土壤速效磷和全氮對土壤質量的影響最大,其SQI分布在0.030—0.145之間,均值為0.072。由圖3可知,隨土壤深度增加土壤養分影響土壤質量的占比逐漸變大,但土壤真菌豐富度在0—60cm土層對土壤質量影響均較大。對比分析不同處理0—60cm土層SQI發現,BC處理SQI較CK平均提高1.08倍,PGBS較CK平均提高了42%,PGBM較CK平均降低了29.74%,SAP較CK平均提高57.90%,結合圖4綜合分析表明施用生物炭、植物根際促生菌和保水劑可提升旱作山地果園土壤質量,且生物炭處理對土壤質量的提升效果最佳,其它三種改良劑效果表現為保水劑(SAP)>枯草芽孢桿菌(PGBS)>膠質芽孢桿菌(PGBM)。

圖3 不同改良劑對不同土層土壤質量指數的影響Fig.3 Effects of different amendments on soil quality index of different soil layersBC：生物炭處理；PGBS：枯草芽孢桿菌處理，PGBM：膠質芽孢桿菌處理，SAP：腐殖酸型保水劑處理，CK：對照處理

圖4 土壤質量指數Fig.4 Soil quality index

2.4 不同改良劑在黃土高原丘陵區適用性評價

生物炭、植物根際促生菌和保水劑對土壤綜合質量的提升效果顯著,但綜合評價改良劑在黃土高原丘陵區的適用性,還需考慮蘋果產量和改良成本,本研究選用銷售利潤(SPRi)綜合考慮改良成本與蘋果產量之間的關系,分析不同改良劑在黃土高原丘陵區山地果園的適用性,計算公式如下：

(8)

由于本研究選取的是銷售利潤率,因此成本只考慮了改良劑的成本,沒有考慮果樹及果園管理成本,因此影響成本的主要因素就變成了改良劑單價及施用量。雖然生物炭的單價不是最高,但施用量最大,進而導致成本最高,根際促生菌與保水劑雖然材料價格較高,但施用量較少,成本較低,銷售利潤較高,具體銷售利潤率如表5所示。

本研究從改良劑對土壤質量提升、改良成本和蘋果產量三個方面綜合考慮,定義了改良劑適用性指數(Soil-ASI):

Soil-ASI=SPRi×SQIi (9)

圖5 不同改良劑適用性指數Fig.5 The application index of different amendments

不同改良劑適用性指數如圖5所示,保水劑處理適用性指數最高,即保水劑更適宜在黃土高原丘陵區山地果園推廣應用。但綜合考慮經濟效益和生態環境效益,若農林廢棄物可資源化則生物炭在黃土高原土壤改良方面的適用性潛力更大。

3 討論

改良劑具有改善土壤結構、提高土壤肥力及改變土壤微生態環境的作用,但不同改良劑對不同類型土壤的影響效果也有所差異,采用SQI來評價土壤質量可以將復雜的土壤環境狀況具體化[37]。已有研究表明,在黃土高原丘陵區山地果園施用生物炭、植物根際促生菌和保水劑不僅對土壤結構、水分和肥力狀況具有積極影響[38],還可以減少溫室氣體排放從而達到固碳減排的效果[39]。本研究以黃土高原丘陵區典型山地果園為研究對象,利用多項土壤理化、生物指標,通過土壤質量綜合評價,研究了施用不同改良劑對土壤質量的影響,同時驗證了該土壤質量評價方法的精確性,篩選出適宜黃土高原土壤質量提升的改良劑,并評價了其在該地區的推廣適用性。本研究利用主成分分析法結合Norm值進行了最小數據集的篩選,運用Norm值考慮了指標在所有主成分上的載荷,避免了指標信息在其它主成分上的損失[40]。相關研究表明土壤全氮、有機質、速效磷以及蔗糖酶等指標可以被應用于最小數據集法中較全面的評價土壤質量[41—45]。研究表明,全氮、速效磷和葡萄糖苷酶3個指標能較好的評價土壤質量,除此之外,細菌和真菌Chao1指數入選了該研究區的MDS,說明該研究區域土壤質量的主要影響因素除了全氮、速效磷以外,土壤微生物豐度及活性對土壤質量也有較為顯著的影響。這主要是由研究區氣候和土壤環境共同決定的,研究區年降雨量小,而蘋果生長耗水量大,導致深層土壤水分含量較低,此外深層土壤有機質含量低,進而導致深層微生物活性較低。施用改良劑后改變了土壤結構,改善了土壤水肥氣狀況,促進了微生物生長繁殖,提高了土壤微生物活性,進而增加了土壤中微生物優勢種群相對豐度,這與馮慧琳等[46]和烏英嘎等[47]的研究結果一致。因此,本研究篩選的MDS中的6個指標對黃土高原丘陵區山地果園改良劑提升土壤質量的綜合評價具有一定的指導意義。

良好的土壤質量是維持黃土高原丘陵區蘋果經濟產業可持續發展的關鍵。通過對土壤綜合質量評價發現,土壤全氮、速效磷和葡萄糖苷酶是影響土壤質量的主要因素。生物炭、植物根際促生菌和保水劑均可以提升土壤質量,且生物炭和保水劑提升效果更佳,根際促生菌次之。土壤改良劑的改良效果與自身特性有關,本研究所選用的生物炭是蘋果樹枝在500℃絕氧條件下熱裂解的產物,具有穩定的芳香族結構,進而賦予其高度的化學穩定性和生物穩定性[48],礦化速率極為緩慢,施用到土壤中有效的改善了土壤結構,增加了土壤有機碳、全氮和速效養分含量,起到提升土壤質量的作用。保水劑為腐殖酸型保水劑,自身呈弱酸性,施用后能夠顯著改善土壤水肥狀況,為微生物的生長繁殖提供良好的土壤環境,進而促進微生物生長繁殖,增加土壤微生物豐度,同時提高了土壤酶活性。根際促生菌可以加快土壤微生物代謝,促進生成更多微生物碳源,但在該區域水分有限的情況下,不能很好的發揮作用,因此土壤改良的效果較生物炭和保水劑差。除此之外,在土壤質量綜合評價過程中,不僅要關注生物炭、植物根際促生菌和保水劑三種改良劑對土壤質量的提升效果,還應結合該區域實際情況,考慮產投比相關要素。通過綜合評價三種改良劑的土壤改良效果和投入產出比發現,保水劑最適宜在該地區推廣應用。但研究區農林廢棄物量大、種類多,果園修剪廢棄蘋果樹枝、作物秸稈以及香菇菌棒等均可作為生物炭制作原料,如果農林廢棄物能夠資源化,生物炭的改良成本會大幅降低,其在黃土高原土壤改良方面具有很大的應用潛力。

4 結論

(1)本研究通過對不同改良劑施用條件下20項土壤物理、化學和生物指標進行分析,獲得不同改良劑改善土壤質量評價的MDS。該MDS共包含6項土壤指標,分別為細菌Chao1指數、總氮、纖維素酶、真菌Chao1指數、β- 1,4-葡萄糖苷酶以及速效磷。通過優化篩選出的MDS指標可用于研究區不同改良劑提升土壤質量的效果評價,并對其它地區土壤改良劑對土壤質量影響效果評價具有重要參考價值。

(2)對黃土高原丘陵區山地果園施用生物炭、植物根際促生菌和保水劑土壤質量評價發現,不同改良劑均可提升土壤質量,其中生物炭處理對土壤質量的提升效果最佳,其次是保水劑,膠質芽孢桿菌改良效果一般。

(3)通過綜合評價不同改良劑的適用性發現保水劑最適宜在黃土高原丘陵區山地果園推廣應用,若農林廢棄物可資源化,生物炭在黃土高原土壤改良方面具有很大的應用潛力。