施用有机肥对碱性土壤理化特征与作物生长的影响*

施梦馨， 王豪吉， 土馨雨， 马佳轮， 朱兴果，白雪， 官会林， 徐武美

(云南师范大学 高原特色中药材种植土壤质量演变退化与修复云南省野外科学观测研究站；云南省农村能源工程重点实验室,云南 昆明 650500)

我国碱性土壤区主要集中在西北与华北地区，在东北腹地及滨海地区也有少量分布[1-2].此外，由于碱性污水排放及自然因素等，我国南方也存在少量碱性土壤区[3].盐碱地的可持续利用是公认的技术难题[4].土壤碱化会降低养分元素的供应能力，进而影响土壤生产力.比如，土壤pH升高会促进土壤中铵态氮从离子态向分子态转化，从而加速氮的挥发，降低土壤氮含量[5-6]；同时，土壤碱化也会影响土壤中P、Fe、Mo及Zn等养分元素的可利用性[7].此外，土壤pH直接影响着土壤酶活性，从而影响土壤物质循环与养分供应[8-9].

关于如何有效降低碱性土壤pH，提高土壤生产力，国内外已有一定的研究报道[10-11]，如施用酸性木醋液能显著降低碱性土壤pH，提升土壤酶活性与有效养分含量[9,12].施用硫酸盐、硫黄和酒糟等也能有效调节碱性土壤pH，增加土壤养分供应能力[13-14].此外，施用水杨酸钠对提高碱性土壤养分可利用性，促进作物生长也有明显效果[15].酸性化学物质对土壤的调酸效果较好，但大量使用也可能对土壤肥力造成一定的负面影响[16].有机肥含有丰富而全面的营养元素，有机质在分解过程中会产生一定量的有机酸，且其本身对土壤pH具有一定的缓冲作用；然而，其对碱性土壤调酸增肥的效果与机理还少有研究.因此，本研究通过盆栽试验，探究了有机肥对碱性土壤的改良效果，并通过作物养分生理特征等的定量分析，探索了有机肥改良碱性土壤肥力的内在机理，旨在为提高碱性土壤生产力提供理论与试验依据.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自昆明市呈贡区的云南师范大学研究生实践基地，由于施用石灰等原因，土壤呈碱性，pH值为8.04.有机肥由云南某肥料公司提供，以畜禽粪便和农作物秸秆为原料，经高温堆制腐熟工艺而成.土样和有机肥的各项理化指标见表1.供试作物为广泛食用的白菜(Brassicarapavar.glabraRegel)，种子由山东某种业公司提供.

表1 供试土壤与有机肥的基本理化特征

1.2 试验设计

每个圆形花盆中放入7 kg土样，分别按照1%、2%或3%的施加量施用有机肥，标记为T1、T2与T3，以不施加为对照(CK)，共4个处理，每个处理重复3次.将有机肥与土壤混合均匀，浇水浸透后自然放置2周，于2020年7月12日统一移栽长势均一的白菜幼苗，每盆3株.作物栽种后进行统一管理，栽种75 d后采收.

1.3 样品采集

作物采收后，将其叶片和根分别洗净，用烘箱在120 ℃环境下烘干30 min，随后在60 ℃环境下烘干至恒重，用电子天平称重，产量用叶重表示.将叶片粉碎过筛后测定氮和磷含量，表示植物氮和磷养分状况.用100 cm3环刀采集新鲜土样测定土壤容重，另采集土样并自然风干，分别过孔径为0.85 mm和0.15 mm的筛，用于测定土壤理化因子与酶活性.

1.4 样品分析

pH值参照农业标准NY/T 1377-2007，水土比为2.5∶1，用pH计(雷磁PHS-25)进行测定.电导率参照环境标准HJ 802-2016，水土比为5∶1，用EC计(YN-EC100)进行测定.容重参照农业标准NY/T 1121.4-2006，用环刀法进行测定.有机质含量参照农业标准NY/T 1121.6-2006，用浓硫酸-重铬酸钾溶液消解，标准硫酸亚铁溶液进行滴定.水解氮含量参照林业标准LY/T 1229-1999，利用碱解扩散法进行测定.有效磷(Olsen P)含量参照《土壤农业化学分析方法》[17]，用0.5 mol/L碳酸氢钠溶液浸提，用紫外分光光度计(UV-8000，上海元析仪器有限公司)进行测定.速效钾用1 mol/LNH4OAC溶液浸提，用连续流动火焰光度计(SealAA3,Model 410 Flame Photometer,Germany)进行测定.土壤磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性均参照相关文献用紫外分光光度计(UV-8000)进行测定[18-19].作物氮磷含量参照农业标准NY/T 2017-2011，经硫酸-过氧化氢溶液消解后用流动分析仪(AA3,Seal Analytical Ltd.，Germany)进行测定.

1.5 数据分析

用Shapiro-Wilk检验分析各变量的正态性，土壤和作物各项检测指标均服从正态分布(P>0.05).用单因素方差分析(One-way ANOVA)与Duncan多重比较检验不同处理对土壤理化因子、酶活性、作物氮、磷含量和产量的影响.用Pearson相关分析探究土壤理化指标、酶活性与作物产量的关联性.以上分析均利用SPSS 20.0进行(SPSS Inc.,Chicago,IL).

2 研究结果

2.1 施加有机肥对碱性土壤理化特征与酶活性影响

单因素方差分析表明：施用有机肥对碱性土壤pH、有机质、水解氮、有效磷含量以及磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性均具有显著影响(P<0.05)，而对土壤电导率、容重和速效钾的影响不显著(P>0.05)(表2).Duncan多重比较分析表明：与对照相比，施加有机肥显著降低了碱性土壤pH(P>0.05)，T2处理下pH降至7.52，接近中性水平(图1A).不同有机肥处理均显著增加了碱性土壤有机质、水解氮和有效磷含量(P<0.05)(图1B-D).T3处理下有机质含量最高，与对照相比增加了3.25倍；同样，T3处理下水解氮和有效磷含量最高，但较T2无显著差异.施用有机肥显著增加了碱性土壤磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性，但过氧化氢酶活性降低(P<0.05)(图1E-H).T3处理下磷酸酶和脲酶的活性最高，过氧化氢酶活性最低，T2处理下蔗糖酶活性最高，但T2与T3处理对不同土壤酶活性的影响均不显著(P>0.05).

表2 施用有机肥影响碱性土壤理化特征和酶活性的单因素方差分析

仅展示不同处理下具有显著差异的土壤因子，不同字母标记表示基于Duncan多重比较的差异显著性(P<0.05)，下同.

2.2 不同有机肥施加量对作物生长及氮磷含量的影响

单因素方差分析表明，施用有机肥对作物生长具有显著影响(P<0.05)(表3).Duncan多重比较分析表明，作物叶重和根重均随有机肥施用量的增加而显著提高(P<0.05)，与对照相比，T3处理下叶重和根重分别提高了8.6倍和5.2倍(图2A)；施用有机肥显著降低了根冠比，使作物倾向于地上部分的生长(图2B)；叶氮和磷含量随有机肥施用量的增加而显著提高(P<0.05)(图3).

表3 不同有机肥施用量影响作物生长的单因素方差分析

图2 施用有机肥对作物生长的影响

图中阴影部分表示95%置信区间.

2.3 作物产量与碱性土壤理化性质和酶活性的关联性

相关分析表明，作物产量与碱性土壤pH呈显著负相关，与有机质、有效磷、磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性呈显著正相关(P<0.01)；土壤电导率、容重以及水解氮和速效钾含量与作物产量之间的相关性不显著(P>0.05)(表4).土壤pH与磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性呈显著负相关，与过氧化氢酶活性呈显著正相关(P<0.01).此外，土壤磷酸酶活性与有效磷含量呈显著正相关(P<0.01)，脲酶活性与水解氮含量呈显著正相关(P<0.05).作物产量与根冠比的关系趋向于二次函数关系(R2=0.845，P<0.001)，当根冠比增加到一定范围时，其与产量的关联性逐渐降低(图4).

表4 作物产量与碱性土壤理化因子和酶活性的关联性

图4 作物产量随土壤pH和作物根冠比的变化

3 讨论

3.1 有机肥对碱性土壤的调酸作用

土壤pH是反映碱性土壤改良效果的关键指标，与土壤生产力具有密切的关联性[20].土壤中的重碳酸盐、碳酸盐和硅酸盐等碱金属盐的积累可导致土壤碱化，因此降低碱性盐基离子活性，是改良碱性土壤的关键[21].研究通过施加生物质有机肥，显著降低了碱性土壤pH，当施加量为2%时，土壤pH降低至7.52，可能是由于有机肥吸附土壤中碱金属离子所致.Chintala等[22]证实了施用有机肥能有效降低土壤中K+、Na+、Ca2+及Mg2+等金属离子活性并降低土壤pH.同时，有机肥可为土壤微生物提供营养物质，微生物分解有机质的过程中产生的有机酸对碱性土壤pH可起到缓冲或调节作用[23-24].

3.2 施用有机肥提高了碱性土壤养分可利用性

有机肥含有丰富的有机质和无机养分，施用后可有效改善土壤物理环境，提高养分可利用水平[25-26].施用有机肥能显著增加土壤微生物活性，促进土壤有机物质的分解与养分循环，从而增加土壤肥力[27].本研究表明，施用有机肥显著增加了碱性土壤有机质、水解氮和有效磷含量，提升了土壤肥力.一方面是因为有机肥中无机养分含量很高(表1)，施用后可直接提高速效养分含量；另一方面，施用有机肥降低了土壤pH，从而促进了土壤无机养分的释放[28].Du等[29]研究了长期施用有机肥对土壤肥力的影响，发现其增加了土壤总养分含量，提升了土壤矿化有机物质的能力，从而对提升土壤肥力产生积极影响.此外，由于有机肥富含有机质，具有较强的吸附性与保肥能力，这也可能是使土壤持续保持较高肥力的原因.Hou等[30]研究表明，有机与无机肥料配合使用能有效减少土壤养分流失，提高无机养分利用率.

3.3 施用有机肥提高了碱性土壤酶活性

土壤酶是土壤微生物和植物根系分泌到土壤中的具有催化活性的物质，对提高土壤养分供应能力具有重要意义[31-32].由于酶的主要成分为生物大分子物质，对土壤环境较为敏感[33].施用有机肥能有效改善土壤环境，提高土壤微生物活性，从而使土壤酶活性增加[34].本研究中，施用有机肥显著增加了碱性土壤磷酸酶、脲酶和蔗糖酶的活性.Pearson相关分析表明，土壤pH与酶活性具有显著的相关性(表4)，与曲成闯等[35]基于黄瓜连作土壤的研究结果一致，表明调节碱性土壤pH是提升碱性土壤酶活性的有效途径.然而，施用有机肥降低了碱性土壤过氧化氢酶活性，这可能与施用有机肥改善了碱性土壤环境，且有机肥具有较低的氧化还原电位有关[19]，其内在机理还需进一步研究.

3.4 施用有机肥提高了作物氮、磷含量及产量

碱性土壤常因肥力供应不足和pH过高等原因抑制了作物的生长，不利于提高土壤生产力[36].有机肥是常用的土壤改良材料和化肥替代品，大量研究表明，施用有机肥可有效改善土壤环境，增加土壤养分含量，并显著提高作物产量和品质[37-39].本研究表明：施用有机肥显著促进了碱性土壤作物地上和地下部分生长，提高了作物产量；此外，施用有机肥还提高了作物叶片氮和磷含量，且土壤pH、有机质、有效磷和酶活性与作物产量具有显著相关性(表4)，表明有机肥的“调酸增肥”作用是作物增产的主要原因.此外，施用有机肥显著降低了作物根冠比(图4).王艳哲等[40]提出根冠比可反映土壤肥力供应能力，根冠比越小，土壤肥力供应越高.

4 结语

施用有机肥可显著降低碱性土壤pH并增加土壤有机质、水解氮和有效磷含量，并提高磷酸酶、脲酶和蔗糖酶活性.此外，施用有机肥显著提高了作物产量，降低了作物根冠比，提高了叶片氮和磷含量.2%与3%的有机肥施加量对作物产量的影响无显著差异，因此，基于供试土壤与有机肥的基本特征(表1)，建议施加量为2%.我国陆地生态系统土壤容重平均值约为1.32 g/cm3[41]，以耕作层为地表10 cm进行计算，每亩地的有机肥施加量约为1.7吨.研究为我国碱性土壤区耕地土壤改良与作物产量提升提供了理论与试验依据.