楊世偉，王建平，劉 帥，苗育銘，張宇辰

（1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100；3.延安市寶塔區(qū)果業(yè)技術推廣和營銷服務中心，陜西延安 716000；4.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌 712100）

0 引言

黃土高原是我國蘋果的主產(chǎn)區(qū)和優(yōu)生區(qū)之一[1]，以陜西為例，截止2018年，全省蘋果種植面積達59.76萬hm2，產(chǎn)量突破1 008.69萬t，占全國總產(chǎn)量的四分之一，占世界總產(chǎn)量的七分之一[2]。黃土高原土壤類型多為典型的黃綿土，質地疏松，土壤結構差，土壤有機質含量低。同時，該區(qū)年均降雨量較少，年際降雨分布不均，土壤保水性較差，僅僅依靠降水儲存的土壤水分難以滿足蘋果生長。土壤有機質含量低、土壤水分虧缺已成為制約該區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要因素之一。

近年來，生物炭、大分子保水劑和枯草芽孢桿菌等土壤改良劑已成為快速有效改善土壤結構、提升土壤有機碳含量、增加土壤保水性的有效措施之一[3]。尤其是生物炭，因其自身含有較高的有機碳及氮磷鉀等速效養(yǎng)分，施入土壤后，可以快速提升土壤養(yǎng)分，同時生物炭具有較大的比表面積，可有效改善土壤結構，起到良好的保水作用[4]，但其目前大多施用在農(nóng)田，果園土壤改良過程中施用的較少?？莶菅挎邨U菌和膠質芽孢桿菌作為近年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的土壤改良劑，施入土壤以后，可產(chǎn)生多種生物活性物質，具有調節(jié)土壤微生態(tài)、提高土壤酶活性、促進作物生長等功能[5,6]。除此之外，芽孢桿菌通過合成IAA、赤霉酸和1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（1-aminocyclopropane-1-carboxylate，ACC）脫氨酶調節(jié)細胞內(nèi)植物激素代謝，刺激作物生長。還有部分芽孢桿菌具有固碳、固氮及解磷功能，提高土壤養(yǎng)分。大分子保水劑是多年研究以來，發(fā)現(xiàn)保水性能較好的一種材料，因其在制備過程中，添加了羧基等親水活性官能團，能與水分子結合形成氫鍵，起到保水作用[7]。當土壤結構中充斥適量的水分以后，更有利于土壤中有機質、氮磷鉀等養(yǎng)分的周轉和遷移[8]。以上3種類型的土壤改良劑因各具特點，在農(nóng)田一年生農(nóng)作物中被廣泛研究和應用，但針對多年生果園土壤的改良，目前研究較少，而針對黃土丘陵區(qū)黃綿土施用這3種類型土壤改良劑的研究更是鮮有報道。

本研究針對黃土丘陵區(qū)旱作果園土壤有機碳含量較低、土壤結構差、保水能力低的問題，針對性選取生物炭、根際促生菌和大分子保水劑3種類型土壤改良劑，通過野外大田試驗，分析不同改良劑對土壤理化性質、有機碳含量及果樹生長和產(chǎn)量的影響，對比篩選適宜于黃土高原旱作果園的土壤改良劑，為黃土高原旱作果園土壤改良提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗于2019年4月-2020年10月在陜西省延安市寶塔區(qū)河莊坪鎮(zhèn)余家溝村（36°41′15″N，109°21′24″E，1 277 m）的黃土丘陵旱作蘋果園內(nèi)進行，該地區(qū)屬干旱半干旱地區(qū)，暖溫帶大陸性季風氣候。試驗區(qū)年平均溫度為9.2℃，年平均降水為500 mm左右，但年內(nèi)降雨分布不均，多集中在7-9月，該時段降雨量占全年降水量的70%以上。試驗區(qū)土壤為黃綿土，按國際制土壤分類屬粉質壤土，0～100 cm深度土層中，平均土壤容重為1.20～1.35 g/cm3，田間持水量為24.0%。土壤有機碳含量低，僅為2.69 g/kg，全氮含量為0.3 g/kg，土壤pH值為7.35。

1.2 試驗設計

本研究共設置5個處理，分別為：添加生物炭（BC）、添加枯草芽孢桿菌（PGBS）、添加膠質芽孢桿菌（PGBM）、添加保水劑（SAP）和空白對照（CK）處理，每個處理3個重復。通過室內(nèi)預實驗結果發(fā)現(xiàn)生物炭施加量在65 t/hm2時，土壤水分含量最高；枯草芽孢桿菌和膠質芽孢桿菌添加量在20 t/hm2時，土壤速效養(yǎng)分，如速效磷等含量最高；保水劑添加量為20 t/hm2時，土壤水分含量最高。因此，野外實驗過程中生物炭施加量為65 t/hm2，枯草芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌和保水劑施加量均為20 t/hm2。生物炭購自陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司，原材料主要為蘋果枝，在500℃高溫無氧條件下裂解，粒徑為0.02～2.00 mm，pH值為8.98，有機碳含量306.25 g/kg，全氮含量8.97 g/kg，比表面積為60～150 m2/g?？莶菅挎邨U菌、膠質芽孢桿菌和保水劑均購自濟南金華峰輝生物科技有限公司，其中枯草芽孢桿菌有效活菌數(shù)大于等于2.0×1010CFU/g，膠質芽孢桿菌有效活菌數(shù)大于等于5.0×1010CFU/g，由于枯草芽孢桿菌與膠質芽孢桿菌是固態(tài)形式，因此施用前與紅糖、麥麩1∶1混合均勻后，加30%的水，在25℃條件下發(fā)酵24 h。保水劑為腐殖酸型保水劑，外觀為棕黃色顆粒狀以及粉末狀，不溶于水，在水中膨脹，形成抗壓凝膠狀，其吸水倍數(shù)為300～500倍，吸水能力在13～14 kg/m2。

根據(jù)試驗區(qū)地形，將樣地選在同一水平梯田上，共選取15棵長勢相似、平均樹高2.5 m、冠幅半徑2.3 m、樹齡為15年的盛果期紅富士蘋果樹作為研究對象，其他修剪等田間管理措施一致。為使改良劑更好發(fā)揮作用，2019年4月中旬，在距離樹干1.5 m處，人工開挖深60 cm、寬60 cm的環(huán)狀土槽，將改良劑與開挖土壤混合均勻后，分層填入土槽中，空白對照（CK）處理僅開挖回填不施加任何材料，實驗連續(xù)進行2年，第一年添加以后，后面不再添加改良劑。整個實驗過程中，不再添加其他任何肥料，其他管理措施如除草，修剪均和當?shù)毓芾泶胧┮恢隆?/p>

1.3 測定指標與計算方法

本研究主要測試土壤理化性質及果樹生長方面的指標。果樹生長指標主要在果樹開花期、新稍期、膨大期及成熟期進行測定。

土壤樣品均于2020年10月（蘋果成熟期），在環(huán)狀土槽內(nèi)采用土鉆法收集，取樣深度為60 cm，自深度20 cm處共取3層土樣，每層3個重復，各指標值為3個重復的平均值。土壤容重采用環(huán)刀法進行測量；土壤飽和導水率使用Guelph2800K 1型滲透儀測定。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等土壤養(yǎng)分指標根據(jù)《土壤農(nóng)化分析》第三版相關方法進行測定。土壤團聚體的測定采用濕篩法。

土壤有機碳和土壤全氮儲量參照梁愛珍、Ellert[9,10]等人的方法計算。

式中：MSOC/TN為土壤有機碳或者全氮儲量，t/hm2；Msoil為單位面積土壤質量，t/hm2；SOCC(TNN)為土壤有機碳或者全氮含量，g/kg；ρs為土壤容重，t/hm3；T為土壤深度，m。

在果樹不同生育期測量新梢、果徑等生長指標，在生育期結束后用根鉆法獲取土壤根系分布情況。

2 結果與分析

2.1 改良劑對果園土壤理化性質的影響

表1為施加不同改良劑后不同土層土壤理化性質。由表1可以看出，與對照相比，施加改良劑對土壤pH和土壤容重有一定影響，其中施用PGBS和PGBM可以有效提高土壤pH，但施用SAP后土壤pH有所降低。PGBS和SAP處理在一定程度上降低了土壤容重。其次，與對照相比，施用改良劑均顯著影響了土壤導水率、土壤有機碳儲量、土壤全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮以及土壤團聚體含量。BC處理的土壤導水率平均提高了2.48倍，在0～20 cm提升最為明顯，SAP處理平均提升72.45%，在40～60 cm提升為最低。與對照相比，BC處理的土壤有機碳提升最為顯著，平均高達3.70倍；其次是PGBM、SAP及PGBS處理，分別平均提升0.44、0.36、0.13倍。

表1 不同土層土壤理化性質特點Tab.1 Characteristics of soil physical and chemical properties in different soil layers

土壤全氮含量受不同改良劑的影響遠小于土壤有機碳儲量，BC、PGBS、PGBM及SAP處理土壤全氮含量較對照平均提升88.86%、30.05%、25.35%和49.38%；土壤硝態(tài)氮平均提升1.70、1.29、1.49和1.50倍。土壤銨態(tài)氮受不同改良劑的影響也較為顯著，BC、PGBS、PGBM及SAP處理較CK平均提升高達29.01、12.75、22.60及2.37倍。BC和PGBS處理對土壤團聚體影響較為顯著，分別平均提升1.41和1.42倍，而不同改良劑對土壤速效磷和速效鉀的影響在不同土層表現(xiàn)有所不同。

2.2 改良劑對果園土壤有機碳儲量的通徑分析

土壤有機碳含量受土壤中多種因素的影響，且不同因素之間也存在一定影響。本研究為探究不同層次各因素的因果關系，以有機碳儲量及其他土壤理化性質和速效養(yǎng)分進行逐步回歸分析，首先將土壤pH、土壤容重、土壤導水率、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效鉀、速效磷及土壤團聚體分別定義為：X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8，Y為土壤有機碳儲量。為避免由于各評價指標性質及量綱不同，且不同指標間相差較大而帶來的影響，將所有指標用log函數(shù)轉換后進行標準化。根據(jù)逐步回歸分析結果，不同影響因素與土壤有機碳儲量的因果關系見圖1。由圖1可以看出，8個影響因素中，土壤pH、土壤導水率、硝態(tài)氮對土壤有機碳的儲量有直接影響。土壤容重、銨態(tài)氮、速效鉀及土壤團聚體對土壤有機碳的儲量起著間接影響。

圖1 不同影響因素構成的因素層次圖Fig.1 Factor hierarchy diagram of different influencing factors

根據(jù)統(tǒng)計結果，同一層影響因素之間的顯著相關性見表2，說明第一層影響因素與土壤有機碳儲量成正相關，第二層影響因素與第一層影響因素呈正相關。

表2 同一層次性狀顯著相關Tab.2 The characters at the same level were significantly correlated

根據(jù)影響因素構成圖和各因素之間的相關系數(shù)得到影響因素間的直接/間接通徑系數(shù)如表3所示，可以看出對土壤有機碳儲量影響較大的因素為：土壤pH、土壤導水率、硝態(tài)氮，且土壤pH起負作用。土壤容重、銨態(tài)氮、速效鉀及土壤團聚體通過影響土壤pH和土壤導水率對土壤有機碳儲量起間接作用。

表3 影響因素間的直接/間接通徑系數(shù)Tab.3 Direct/indirect path coefficient between influencing factors

2.3 改良劑對果樹生長及產(chǎn)量的影響

圖2為果樹不同時期生理指標變化及產(chǎn)量變化。由圖2可知，改良劑對新梢長度沒有顯著影響；與CK相比，各處理生長初期果徑?jīng)]有顯著差異，在生長中期除PGBS處理與CK沒有顯著差異，其它處理比對照均明顯增加。而且，施用改良劑后，尤其是生物炭，蘋果產(chǎn)量有了顯著提升。

由圖2（c）可以發(fā)現(xiàn)在不同土層深度，不同處理與CK對比，根系密度差異顯著。尤其在0～20 cm土層深度，BC處理較CK處理提升了3.05倍。在20～40 cm土層深度，添加不同添加劑處理均與CK表現(xiàn)出顯著差異。在40～60 cm土層深度，除PGBM處理與CK沒有顯著差異，其他處理均與CK表現(xiàn)出顯著差異。隨著土層深度加深，BC處理在20～40 cm，40～60 cm土層根系密度有所降低，其他處理并沒有表現(xiàn)出明顯降低趨勢。

圖2 果樹不同時期生理指標變化及產(chǎn)量Fig.2 Changes of physiological indexes in different periods and yield of fruit trees

2.4 不同改良劑使用后的經(jīng)濟效益評價分析

不同改良劑施入蘋果園后，主要投入包含農(nóng)機費用、材料費、田間管理人工費等（表4）。由表4可知，不同處理投入的差異主要表現(xiàn)在改良劑費用以及添加改良劑所需要的人工費方面，其它費用基本相同。不同改良劑的成本費和添加所需人工費投入一次，可以使用5年，在計算投入時需要折算為每1年的，因此從投入的角度來看，施用改良劑的處理均會因為改良劑的材料費和施加時所需的人工費而導致投入成本增加，PGBS處理和PGBM處理相同，BC處理和SAP處理基本一樣。

表4 不同處理成本投入Tab.4 Different treatment cost inputs

表5為進行不同處理后的經(jīng)濟效益分析。由表5可知，施加改良劑以后相比對照均較大幅度地提高了蘋果產(chǎn)量，進而提高了果園的經(jīng)濟收益，經(jīng)濟效益從大到小依次為BC、PGBS、PGBM、SAP處理。但由于投入成本較高，導致經(jīng)濟效益相對于對照處理有所降低。通過計算改良劑的改良效益發(fā)現(xiàn)除BC處理外，其它幾種改良劑均為負收益。尤其是在廢棄樹枝有效利用的前提下，隨著生物炭制備技術逐漸成熟，使得生物炭成本可進一步降低，因此生物炭的效益還有較大提升空間。

表5 不同處理經(jīng)濟效益Tab.5 Economic benefits of different treatments

3 討論

3.1 土壤改良劑對土壤理化性質的影響

生物炭、根際促生菌和保水劑作為常用的土壤改良劑，施入土壤以后均可對土壤理化性質產(chǎn)生影響[11-13]。前人研究表明，生物炭由于自身含有較高的有機質、氮磷鉀等養(yǎng)分，施入土壤后會迅速提升土壤中有機質、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等速效養(yǎng)分，加之生物炭具有較大的比表面積，對改善土壤水穩(wěn)性結構、提升水穩(wěn)性大團聚體比例起到促進作用[14]。本研究也發(fā)現(xiàn)施加生物炭處理與對照相比顯著提升了土壤導水率，這主要是因為生物炭的添加，改變了土壤孔隙分布結構，增加了土壤孔隙，進而導致土壤導水率增加。除此之外，生物炭自身含有的含氧官能團對土壤水分的吸持也有一定影響[15]，當然這主要取決于土壤質地和生物炭種類。本研究中，添加生物炭后，生物炭中含氧官能團促進了土壤團聚體形成（表1），增加了土壤有效孔隙和過水斷面，促進水流通道形成[16]，進而提高了土壤導水率。有機碳含量以及土壤水穩(wěn)性團聚體含量均有所增加，其中土壤有機碳儲量提升最為顯著，這也與諸多研究結果一致[17]。不同原材料制備的生物炭在改良土壤時表現(xiàn)出的效果不一，有研究表明添加秋葵秸稈炭、水稻秸稈炭、廢棄食用菌基質炭和稻殼炭為原料的生物炭均可顯著提高土壤pH[18]，也有研究指出隨著生物炭用量的增加，土壤速效養(yǎng)分呈先增加后減少的趨勢[19]。本研究中與對照比較，生物炭處理對土壤pH和速效鉀、速效磷的影響均不顯著，這可能主要與添加量和生物炭類型有關。有研究表明施用PGBS或PGBM以后，土壤有機質、速效磷、速效鉀等養(yǎng)分提升較為顯著，速效磷高達3.42倍[20,21]，但本研究中提升效果不明顯。這主要是因為研究區(qū)域處于黃土丘陵區(qū)，干旱缺水使得土壤水分含量較低，難以有效發(fā)揮PGBS或PGBM的菌活性，進而對土壤酶、土壤微生物等微環(huán)境影響微弱，因此對土壤養(yǎng)分及理化性質影響不顯著。

SAP可以通過自身豐富的羧基等活性官能團，有效吸附土壤中的氮磷鉀等元素，進而促進作物生長[22]。本研究中SAP處理較對照相比，土壤導水率、土壤有機碳儲量及硝態(tài)氮含量提升較為顯著。增加土壤導水率的原因主要在于SAP自身具有三維網(wǎng)狀結構，分子結構中大量羧基、酰胺基等親水基團能夠與水分子結合形成氫鍵，起到吸附水分的作用[23]，當土壤水分較為充足以后，就可以改善土壤微環(huán)境，進而促進土壤養(yǎng)分的富集和循環(huán)，由此達到提高土壤水分且影響作物養(yǎng)分吸收的作用。

3.2 影響土壤有機碳固碳的主要因素

本研究發(fā)現(xiàn)土壤pH、土壤容重、硝態(tài)氮對土壤有機碳含量起到直接作用，這是因為土壤pH直接影響各種元素存在的形態(tài)、有效性及元素離子形態(tài)[24]。土壤pH對土壤有機碳的固定起負作用，這也與之前研究結果一致，土壤堿性越高，土壤微生物活性就越低，使得土壤有機碳周轉下降，不利于土壤有機碳的積累[25]。土壤導水率受土壤有機碳的影響，反過來有機碳的積累和固定也受土壤導水率的影響[26]，當土壤導水率增大時，更利于土壤水分入滲，進而改變土壤微環(huán)境，促進土壤酶及微生物的活性，進而提高土壤有機碳的周轉。土壤硝態(tài)氮對有機碳的固定也有積極效應，但表3中決策系數(shù)僅為0.002，說明土壤硝態(tài)氮的含量對有機碳固定的影響作用有限。但是添加自生有機碳含量較高的生物炭后，導致土壤C/N較高，因此需要土壤中積累更多的氮，由此促進了土壤中碳氮平衡。而且由圖1發(fā)現(xiàn)，土壤容重、銨態(tài)氮、速效鉀以及土壤團聚體通過影響土壤pH與土壤導水率，進而影響了土壤有機碳的固定，這主要是因為容重與土壤結構和孔隙密切相關，而兩者又對土壤導水率有直接影響。土壤團聚體的含量和分布情況直接影響土壤溶液的遷移運動，而土壤銨態(tài)氮、速效鉀等化學組分影響土壤溶液中元素間電子傳遞過程，進而影響土壤溶液酸堿性，從而對土壤有機碳的固定起到間接作用。

3.3 不同土壤改良劑的經(jīng)濟效益評價

近年來，土壤改良劑作為提升土壤有機碳及土壤水分快速且有效的措施之一，而被廣泛應用在農(nóng)田中[27]，但施用改良劑的投入成本和經(jīng)濟效益也應該是被考慮的因素之一。本研究中通過對比不同改良劑施用以后的投入成本和經(jīng)濟效益，發(fā)現(xiàn)投入成本主要差異表現(xiàn)在改良劑購買以及施用改良劑需要的人工費用上。從經(jīng)濟收益角度可以看出，施加不同土壤改良劑以后均提高了蘋果產(chǎn)量，促進果園增加經(jīng)濟收益，但是除添加生物炭處理以外，其它改良劑添加以后，導致的蘋果增產(chǎn)效益難以補償施用改良劑的成本。因此建議將生物炭作為改良果園土壤的有效改良劑之一。

4 結論

（1）在黃土高原旱作果園中，施用生物炭后，土壤有機碳儲量提升最為明顯；施加生物碳、枯草芽孢桿菌、膠質芽孢桿菌以及保水劑土壤全氮含量較對照平均提升88.86%、30.05%、25.35%和49.38%；土壤硝態(tài)氮平均提升1.70、1.29、1.49和1.50倍。土壤銨態(tài)氮平均提升高達29.01、12.75、22.60及8.50倍。生物碳和枯草芽孢桿菌對土壤團聚體影響較為顯著，分別平均提升1.41和1.42倍。

（2）土壤pH、土壤導水率及硝態(tài)氮直接影響土壤有機碳儲量，且土壤pH起負作用。土壤容重、銨態(tài)氮、速效鉀及團聚體通過影響土壤pH和土壤導水率間接影響土壤有機碳儲量。

（3）施加土壤改良劑以后對蘋果新稍、果徑、根系分布及產(chǎn)量均有一定影響。尤其施加生物炭后，在0～20 cm土層深度根系密度較對照提升3.05倍，且產(chǎn)量明顯提升。通過經(jīng)濟效益評價分析施加生物炭改良經(jīng)濟效益為正，達到1 149.26元/hm2。因此建議將施用生物炭作為改良果園土壤、提高蘋果產(chǎn)量的有效途徑之一。