有機-無機肥配施對板栗園土壤肥力及根系功能性狀的影響

廖逸寧，郭素娟，王芳芳，馬雅莉，劉亞斌

(北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室,北京 100083)

目前，單一過量施用無機肥常導(dǎo)致土壤板結(jié)、酸化、有機質(zhì)明顯減少等問題[1]。有機肥具有豐富的養(yǎng)分，能改善土壤的理化性狀，并提高土壤保水供肥能力[2]。許蘭梅等[3]研究發(fā)現(xiàn)，有機肥和尿素配施能顯著降低土壤容重，增加總孔隙度。許小偉等[4]研究認為，有機肥豬糞配施化肥顯著提高了土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量，有利于土壤肥力的改善。彭娜等[5]研究發(fā)現(xiàn)，有機-無機肥配施有利于土壤有機碳和活性有機碳的積累, 提高土壤透氣性和保水保肥能力。有機-無機肥配合施用，結(jié)合了無機肥的速效性和有機肥的持久性，對培肥土壤、減少環(huán)境污染等起到重要作用[6]。根系是植物適應(yīng)環(huán)境的重要功能器官，是連接土壤與地上部分物質(zhì)運輸?shù)臉蛄篬7]。細根(≤2 mm)作為根系中最活躍的部分[8]，其發(fā)育程度體現(xiàn)了土壤的水肥利用效率，其形態(tài)特征會對土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分等作出適應(yīng)性反應(yīng)[9]。伍從成等[10]研究發(fā)現(xiàn)生物有機肥可以顯著促進不同徑級根系的生長。

板栗(Castaneamollissima)原產(chǎn)于我國，是我國大力發(fā)展的木本糧食樹種。河北省遷西縣作為全國板栗主產(chǎn)區(qū)，是最主要的板栗生產(chǎn)和出口基地[11]。目前，國內(nèi)對板栗有機-無機肥配施的研究主要集中在地上生物量的影響等方面[12-13]，而對有機-無機肥配施下土壤肥力及根系生長的研究較少。為此，本研究以河北遷西縣8年生板栗主栽品種‘燕山早豐’為研究對象，探究有機-無機肥配施對土壤理化性狀及根系功能性狀的影響，以期為板栗的科學(xué)施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及供試肥料

研究區(qū)位于河北省遷西縣的北京林業(yè)大學(xué)經(jīng)濟林(板栗)育種與栽培實踐基地(118°54′E,40°18′N),該地區(qū)地勢平坦，屬于東部季風(fēng)暖溫帶半濕潤氣候，年均氣溫10.9 ℃，最冷月(1月)平均氣溫-6.5 ℃，最熱月(7月)平均氣溫25.4 ℃，年均降水量744.7 mm，主要集中在7月和8月。全年日照時間充足，長達2 581.5 h，無霜期176 d。試驗地土壤質(zhì)地為沙壤，土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of soils at the experiment site

無機肥選用施可豐緩釋復(fù)合肥[有效成分N 20%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，P2O510%，K2O 10%，施可豐化工股份有限公司]；磷肥選用過磷酸鈣(有效成分P2O516%，云南云天化股份有限公司)；鉀肥選用硫酸鉀(有效成分K2O 50%，河北高盛化肥有限公司)。有機肥選用雞糞(有效成分N 1.52%，P2O51.96%，K2O 1.53%，有機質(zhì) 55.67%，石家莊養(yǎng)殖總場)。

1.2 試驗設(shè)計

2019年3月底，選擇生長狀況基本一致、無病蟲害的8年生板栗樹，按質(zhì)量占比設(shè)置6個處理：①100%無機肥(C1)；②75%無機肥+25%有機肥(C0.75O0.25)；③50%無機肥+50%有機肥(C0.5O0.5)；④25%無機肥+75%有機肥(C0.25O0.75)；⑤100%有機肥(O1)；⑥不施肥(CK)。施肥處理肥料以等氮量1.123 kg/株計[14]，磷和鉀以有機肥(O1)量計，不足的部分用過磷酸鈣和硫酸鉀補足。試驗以單株為小區(qū)，采用環(huán)狀溝施方式(沿每棵樹樹冠滴水線開溝，溝深30 cm，溝寬40 cm，肥料與土壤等體積混拌后填土，一次性全量施入)，每個處理10次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，共60個試驗小區(qū)，處理間設(shè)保護行。

1.3 根系樣品的采集與測定

2019年10月底采用連續(xù)根鉆法，根鉆內(nèi)徑為8 cm，每個處理隔株選取5棵樹，每棵試驗樹東、南、西、北及東南、西北、東北、西南等8個方向為取樣區(qū)，在樣區(qū)內(nèi)距樹干50、75、100 cm處3個取樣點鉆取土芯，按照深度0～20、≥20～40 cm分兩層取樣，每棵樹共48個取樣點，同一土層24個樣點取平均值進行方差分析，每個處理共240個取樣點。各取樣點取回來的根樣根據(jù)顏色、外形、彈性等挑選出活根，將活根反復(fù)用水沖洗干凈，用根系掃描儀Epson Perfection 750 Pro掃描活根獲取圖像。將根系分為0～1 mm、≥1～2 mm、≥2～5 mm共3個徑級[15]，根據(jù)傳統(tǒng)的根系分類標準[16]，將直徑≤2 mm的根劃分為細根。用根系分析軟件WinRHIZO分析根長、根表面積、根體積等指標。參照文獻[10]分別計算不同徑級根長、根表面積、根體積占總根長、總根表面積、總根體積的比例。掃描后的細根樣置于80 ℃烘箱烘干至質(zhì)量恒定，電子天平稱量細根干質(zhì)量(精確到0.001 g)。計算細根根長密度(fine root length density，RLD，式中以RRLD表示，m/m3)、細根表面積密度(fine root surface density，RSD，式中以RRSD表示，m2/m3)、細根體積密度(fine root volume density，RVD，式中以RRVD表示，cm3/m3)、細根生物量密度(fine root biomass density，RBD，式中以RRBD表示，g/m3)、細根比根長(specific fine root length，SRL，式中以SSRL表示，m/g)，計算公式如下：

RRLD=L/VS;

RRSD=S/VS;

RRVD=V/VS;

RRBD=M/VS;

SSRL=L/M。

式中：L為細根總根長，m；S為細根總表面積，m2；V為細根總體積，cm3；M為細根總干質(zhì)量，g；VS為取樣體積，m3(通過πr2h計算，r=4 cm，h=20 cm)。

1.4 土壤樣品的采集與測定

在采集根樣的同時，分別將每處理0～20、≥20～40 cm同一土層的土樣混勻，用四分法抽取土樣，風(fēng)干研磨后過篩，用于測定土壤有機碳、全氮及速效養(yǎng)分含量。在根系取樣同一樣點挖取土壤剖面，用環(huán)刀法采集0～20、≥20～40 cm土層的土樣，測定各土層土壤容重。參照文獻[17]測定以下指標：土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定，土壤pH采用水浸提電位法(水土質(zhì)量比為2.5∶1)測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量采用乙酸銨浸提火焰光度計(FP 6410，上海精科)法測定；全氮含量H2SO4-H2O2消煮后采用Smartcham 450全自動間斷化學(xué)分析儀(意大利AMS公司)測定；土壤含水率采用烘干法測定；土壤總孔隙度采用容重-比重換算法測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理，Origin 19.0作圖，SPSS 25.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，對原始數(shù)據(jù)進行Z-score標準化處理后，再進行主成分分析，用Duncan法對數(shù)據(jù)進行多重比較，顯著性水平設(shè)置為α=0.05。數(shù)據(jù)表示為平均值±標準誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機-無機肥配施對土壤理化性狀的影響

2.1.1 對土壤化學(xué)性狀的影響

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)，各處理對土壤有機碳、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀含量、C/N、pH均有不同程度的影響(圖1)。與C1和CK處理相比，隨有機肥配比的升高，0～40 cm土層平均土壤有機碳含量均有所增加，以O(shè)1處理最高(5.97g/kg)且差異最顯著(P<0.05，F(xiàn)=15.922，df=23)(圖1A)。0～20 cm土層，C1處理土壤全氮含量值最高(1.33 g/kg)，較CK處理增加54.65%；≥20～40 cm土層，各處理差異不顯著(圖1B)。0～40 cm土層，與C1和CK處理相比C0.25O0.75處理平均土壤C/N值增幅分別為38.81%、11.41% (圖1C)。C0.25O0.75處理提高土壤速效養(yǎng)分效果最好，在0～40 cm土層平均堿解氮含量、有效磷含量、速效鉀含量較CK處理分別顯著增加57.48%(P<0.05，F(xiàn)=77.22，df=23)、47.49%(P<0.05，F(xiàn)=38.14，df=23)、32.19%(P<0.05，F(xiàn)=49.84，df=23)，較C1處理分別增加17.17%、35.63%、16.58%，較O1處理分別增加14.37%、20.71%、13.36%(圖1D、1E、1F)。0～40 cm土層平均pH以C1處理最低(6.66)，CK處理最高(6.82)，C0.75O0.25、C0.5O0.5、C0.25O0.75處理較C1處理分別增加0.44%、1.03%、1.77%(圖1G)；各處理土壤pH均在板栗適生范圍內(nèi)。

不同小寫字母表示各處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Lowercase letters indicate significant differences among different representative treatments at 0.05 level. The same below。 圖1 有機-無機肥配施對板栗林地土壤化學(xué)性狀的影響Fig.1 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil chemical properties of chestnut forest

2.1.2 對土壤物理性狀的影響

經(jīng)測定發(fā)現(xiàn)(表2)，有機-無機肥配施處理中隨著有機肥配比的增加，0～20 cm和≥20～40 cm土層土壤總孔隙度和含水率增加，土壤容重降低。其中，C0.25O0.75處理作用效果最佳，分別較CK處理0～40 cm土層平均土壤總孔隙度顯著提高11.23%(P<0.05，F(xiàn)=5.85，df=29)，土壤含水率顯著提高13.85%(P<0.05，F(xiàn)=7.17，df=29)，土壤容重顯著降低11.23%(P<0.05，F(xiàn)=5.722，df=29)；與C1處理相比，C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均土壤總孔隙度提高9.26%，土壤含水率提高11.10%，土壤容重降低8.58%。

表2 有機-無機肥配施對板栗林地土壤物理性狀的影響Table 2 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil physical properties of chestnut forest

2.2 有機-無機肥配施對根系功能性狀的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，有機-無機肥配施促進了板栗0～1 mm細根量的增多，而且顯著增加了板栗林0～40 cm土層平均細根根長密度(P<0.05，F(xiàn)=206.20，df=29)、細根表面積密度(P<0.05，F(xiàn)=162.04，df=29)、細根體積密度(P<0.05，F(xiàn)=288.96，df=29)、細根生物量密度(P<0.05，F(xiàn)=110.56，df=29)、細根比根長(P<0.05，F(xiàn)=450.57，df=29)。其中C0.25O0.75與CK、C1處理相比效果更明顯(圖2)。

圖2 有機-無機肥配施對板栗細根根長密度、細根表面積密度、細根體積密度、細根生物量密度、細根比根長的影響Fig.2 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on root length density, root surface area density, root volume density, root biomass density and specific root length of fine root of chestnut forest

2.2.1 對細根根長密度的影響

由圖2A可知，有機-無機肥配施處理顯著促進細根根長密度增加，各處理指標從大到小總體表現(xiàn)為C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25=O1>C1>CK。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根根長密度最大(3 748.45 m/m3)，較CK和C1處理分別增加了57.82%和19.89%。

2.2.2 對細根表面積密度的影響

由圖2B可知，有機-無機肥配施處理可顯著促進細根表面積密度增加，各處理指標從大到小表現(xiàn)為C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25>O1>C1>CK。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根表面積密度最大(5.71 m2/m3)，較CK和C1處理分別增加54.32%和30.07%。

2.2.3 對細根體積密度的影響

由圖2C可知，有機-無機肥配施處理可顯著促進細根體積密度增加，各處理總體表現(xiàn)與細根根長密度一致，大小排序為C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25=O1>C1>CK。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根體積密度最大(280.07 cm3/m3)，較CK和C1處理分別增加183.93%和62.92%。

2.2.4 對細根生物量密度的影響

由圖2D可知，有機-無機肥配施處理顯著促進細根生物量密度增加，各處理總體表現(xiàn)為C0.25O0.75>C1=C0.5O0.5=C0.75O0.25=O1>CK。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根生物量最大(511.24 g/m3)，較CK和C1處理分別增加35.42%和6.00%。

2.2.5 對細根比根長的影響

由圖2E可知，有機-無機肥配施處理顯著促進細根比根長增加，各處理總體表現(xiàn)與細根表面積密度一致，大小排序為C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25>O1>C1>CK。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根比根長最大(7.20 m/g)，較CK和C1處理分別增加16.50%和12.85%。

2.2.6 對不同徑級根系根長、根表面積和根體積占比的影響

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，與CK處理相比，各施肥處理下0～1 mm和≥1～2 mm徑級根長、根表面積、根體積占比均有提高，而≥2～5 mm徑級根長、根表面積、根體積占比均有降低(圖3)。高比例有機肥處理0～1 mm徑級根系所占百分比均大于無機肥處理，尤以C0.25O0.75處理差異最顯著(P<0.05，F(xiàn)=25.64，df=29)，其0～1 mm徑級根長、根表面積、根體積占比分別達到90.27%、61.43%、14.77%，較CK處理分別增加4.69%、22.05%、32.22%，較C1處理分別提高2.43%、10.82%、11.05%(圖3A、3B、3C)。

占比為不同徑級根系各指標占其總根系的比例。The ratio is each index in the total root system of different diameters.圖3 有機-無機肥配施對不同徑級板栗根系根長、根表面積、根體積占比的影響Fig.3 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on ratio of relative root length, root surface area and root volume in different diameter classes of chestnut forest

2.3 有機-無機肥配施下根系及土壤指標主成分分析

有機-無機肥配施下根系性狀及土壤指標主成分分析結(jié)果見圖4。由圖4可以看出，提取特征值大于1的3個主成分，第1主成分PC1、第2主成分PC2、第3主成分PC3方差貢獻率分別為75.13%、15.99%、5.14%，累計方差貢獻率為96.26%。土壤理化性狀指標及根系功能性狀指標在3個主成分上均有較高的載荷值(圖4)，說明土壤理化性狀指標、根系功能性狀指標與3個主成分均有較高的相關(guān)性。因此，3個主成分可以充分反映有機-無機肥配施下根系及土壤指標的變量信息。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)(表3)，各施肥處理中，有機肥與無機肥配施效果顯著，以C0.25O0.75處理綜合得分最高(0.78)，土壤養(yǎng)分提供及根系生長效果最好，O1、C1、CK處理效果較差。

徑級diameter class Ⅰ.0～1 mm；Ⅱ.≥1～2 mm；Ⅲ.≥2～5 mm；LR.根長占比 root length ratio；SR.根表面積占比 root surface area ratio；VR.根體積占比 root volume ratio；RLD.細根根長密度 root length density；RSD.細根表面積密度 root surface area density；RVD.細根體積密度 root volume density；RBD.細根生物量密度 root biobass density；SRL.細根比根長 specific root length；SOC.土壤有機碳含量 soil organic carbon content；STN.土壤全氮含量 soil total nitrogen content；STP.土壤總孔隙度 soil total porosity；SBD.土壤容重 soil bulk density；SWC.土壤含水率 soil moisture content；SAN.土壤堿解氮含量 soil alkaline nitrogen content；SAP.土壤有效磷含量 soil available phosphorus content；SAK.土壤速效鉀含量 soil available potassium content；C/N.土壤碳氮質(zhì)量比 mass ratio of soil carbon to nitrogen。圖4 板栗林地土壤理化性狀及根系指標主成分負荷分布Fig.4 Principal component load distribution of soil physical and chemical properties and root index of chestnut forest

表3 有機-無機肥配施主成分及綜合得分Table 3 Principal component score and comprehensive score of combined organic and inorganic fertilizer

3 討 論

3.1 有機-無機肥配施對土壤理化性狀的影響

土壤理化性質(zhì)是土壤肥力的內(nèi)在體現(xiàn)，有機無機肥混施可以改善土壤性質(zhì)[18]。良好的養(yǎng)分管理也直接影響著土壤肥力，這在茶園試驗中得到了驗證[19]。本研究結(jié)果表明，有機-無機肥配施對改善土壤肥力效果最佳，尤其以C0.25O0.75處理為優(yōu)，與C1和CK處理相比，C0.25O0.75顯著提高土壤C/N值和土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量(P<0.05)，較CK處理分別提高11.41%、57.48%、47.49%、32.19%，較C1處理分別增加38.81%、17.17%、35.63%、16.58%。這與前人得出的有機肥與氮肥配施能提高土壤堿解氮、有效磷、有效鉀、有機質(zhì)含量，且高量有機肥配施效果更顯著，有機-無機肥配施處理土壤C/N值顯著高于無機肥處理等一致[20-22]。無機肥釋放在板栗生長前期能有效提高土壤養(yǎng)分含量，有機肥的養(yǎng)分多為有機結(jié)合態(tài)，肥效釋放緩慢，后期有機肥的肥效逐步釋放、養(yǎng)分供應(yīng)確保了板栗根系生長對養(yǎng)分的需求。

土壤孔隙度和土壤容重是調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱狀況的重要環(huán)境條件，土壤含水率是衡量通氣狀況的重要指標[23]。有機肥含有大量有機質(zhì)和多種微量元素，施入土壤后提供了土壤微生物活動所需養(yǎng)分，使土壤中微生物數(shù)目種類增多，土壤微生物活動可以促進土壤疏松，增加土壤通氣透水性，改變了原土壤的孔隙狀況，使其容重減小，孔隙度增大，進而增強土壤持水性能[24]。宋影等[25]研究發(fā)現(xiàn)，有機物料處理可以提高土壤含水率及孔隙度，確保板栗果實發(fā)育所需水肥條件。本研究發(fā)現(xiàn)，有機-無機肥配施C0.25O0.75處理顯著增加土壤總孔隙度，提高含水率，降低土壤容重(P<0.05)，較CK處理增加0～40 cm土層平均土壤總孔隙度11.23%，提高土壤含水率13.85%，降低土壤容重11.23%；較C1處理增加土壤總孔隙度9.26%，提高土壤含水率11.10%，降低土壤容重8.58%。這與宋影等[25]的研究結(jié)果一致。

3.2 有機-無機肥配施對根系功能性狀的影響

根系是吸收土壤中的水分和養(yǎng)分的重要營養(yǎng)器官[26]。林木通過增加細根比根長來增強根系吸收水分和養(yǎng)分的能力[27]。研究表明，有機-無機肥配施顯著促進根系生長[28]，增強根系活力[29]。有機與無機肥配施保證了林木整個生長期營養(yǎng)供應(yīng)，在林木生長前期，無機肥營養(yǎng)供給根系伸長生長；在林木生長后期，有機肥營養(yǎng)供給根系生物量的積累[30]。本研究結(jié)果表明，有機-無機肥配施C0.25O0.75處理顯著提高細根根長密度、細根表面積密度、細根體積密度、細根生物量密度和細根比根長(P<0.05)。C0.25O0.75處理0～40 cm土層平均細根根長密度、細根表面積密度、細根體積密度、細根生物量密度、細根比根長較CK處理分別增加57.82%、54.32%、183.93%、35.42%、16.50%，較C1處理分別提高19.89%、30.07%、62.92%、6.00%、12.85%。

不同徑級根系的生長決定著植物對土壤中水分與養(yǎng)分的吸收利用能力。0～1 mm的細根在同等條件下吸收養(yǎng)分多且快[31]，而≥2～5 mm的粗根在營養(yǎng)物質(zhì)輸送中具有重要作用[32]。施用無機肥對吸收根生長影響較小或者存在一定的抑制作用[33]。本研究中，高比例有機肥處理0～1 mm徑級根系所占百分比均大于無機肥處理，尤以C0.25O0.75處理差異最顯著(P<0.05)，C0.25O0.75處理0～1 mm徑級根長、根表面積、根體積占比較CK處理分別增加4.69%、22.05%、32.22%，較C1處理分別提高2.43%、10.82%、11.05%，這與范學(xué)山等[34]試驗得出連續(xù)施用堆肥促進吸收根占比研究結(jié)果一致。

綜上所述，不同施肥處理對土壤物理、化學(xué)性狀及細根功能性狀產(chǎn)生了不同程度的影響。主成分分析結(jié)果以有機-無機肥配施C0.25O0.75處理綜合得分最高，且能顯著提高土壤C/N值、速效養(yǎng)分含量(P<0.05)，促進細根伸長及生物量積累，提高吸收根比例，是河北遷西縣板栗園施肥模式的較佳選擇。