研究区位于宁夏回族自治区银川市市郊南的沙化草地(106° 08'-107° 22' E、38° 28'-38° 42' N), 海拔111 5 m左右, 属中温带半干旱大陆性气候, 昼夜温差大, 降水稀少, 蒸发量大, 气候干燥。年平均降水量186 mm, 年平均气温8.5 ℃左右。相对湿度45%~66%。年平均最高气温30.1 ℃, 平均最低气温-15.2 ℃, 极端最高气温37.2 ℃, 极端最低气温-27.9 ℃^[5]。

本研究验选取在宁夏分布比较广泛的两种农林有机物料[杨树枝条粉碎物(poplar branch, PB)和玉米秸秆粉碎物(corn straw, CS)]以及牛粪(cow manure, CM)。所选杨树为新疆杨。杨树枝条试验前去除叶片。枝条和秸秆材料在试验前粉碎至长度/粒径≤ 5 mm, 且粉碎物过2 mm筛以除去过细的材料; 牛粪过5 mm筛除去体积过大的材料。所有材料晒干备用。

1.3.1 试验设计 试验地于2015 年4 月设置完成。采用桶栽方法, 所用塑料桶上直径31.5 cm、下直径26.0 cm、高31.5 cm, 装土质量12 kg, 土壤采自研究区且过1 mm筛。本研究选择了砂土(砂粒92.5%, 粉粒5.48%, 粘粒2.02%), 土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量分别为12.01、0.15、0.26和15.75 g· kg^-1, pH为8.64。土壤装桶后, 每桶种20粒饱满的紫花苜蓿(Medicago stativa)种子, 出苗后留长势一致且健壮的苗6株做后期观测。浇水原则为所有供试桶的土壤水分保持在对照土壤田间持水量的70%左右, 且每4 d称重一次以确保处理间土壤水分的一致性。根据对宁夏沙土改良的研究结果^[14], 土壤中添加2%~5%的有机物料对作物生长的促进作用最明显, 因此, 本研究设计了3%的有机物料添加比例。本研究共设8个处理:1)无任何有机物添加的对照(CK); 2)土壤单施3%牛粪(CM); 3)土壤单施3%杨树枝条(PB); 4)土壤单施3%玉米秸秆(CS); 5)土壤配施1.5%杨树枝条+1.5%牛粪(PB+CM); 6)土壤配施1.5%杨树枝条+1.5%玉米秸秆(PB+CS); 7)土壤配施1.5%玉米秸秆+1.5%牛粪(CS+CM); 8)土壤配施1%杨树枝条+1%玉米秸秆+1%牛粪(PB+CS+CM)。有机物添加量为土壤质量比, 每桶施尿素(CH₄N₂O)5 g, 磷酸二氢钾(KH₂PO₄)2 g。每个处理4个重复, 共计32个试验桶。

2015年7月(试验开展3个月后)和10月(苜蓿盛花期)采土壤样品。取土层深度为0-20 cm的土壤(包含添加的有机物), 在实验室无菌条件下过1 mm筛, 取200 g土样于4 ℃冰箱中保存用于测定土壤微生物指标, 其余土样风干, 用于有机碳含量、全氮含量及其它化学性质的测定。2015年10月同时采集紫花苜蓿地上部分植物样品, 带回实验室测定苜蓿生物量。

1.3.2 测定指标与方法

土壤化学性质的测定:土壤有机碳采用重铬酸钾氧化-分光光度计法^[16], 土壤易氧化性有机碳采用高锰酸钾氧化法^[17], 土壤全氮采用半微量开氏法测定^[18], 土壤水解氮采用扩散法, 土壤无机氮为NH₄-N和NO₃-N总和, NH₄-N用水杨酸比色法测定, NO₃-N用磺胺比色法测定^[19]。

微生物生物量碳和微生物生物量氮的测定采用氯仿熏蒸浸提法^[20]。

土壤酶活性的测定^[21]:纤维素酶活性与蔗糖酶活性的测定采用3, 5-二硝基水杨酸比色法; 过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定; 磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定; 脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定。

紫花苜蓿生物量的测定:取紫花苜蓿全株的生物量在80 ℃下烘干24 h后测定干重。

采用Excel 2013软件建立数据库、绘制酶活性图, 使用Origin 7.5软件绘制紫花苜蓿生物量图。试验数据均采用SPSS 20.0软件采用Duncan法做方差分析和主成分分析。另外, 为评价各处理对土壤改良的综合效果, 根据参考文献[22]的研究方法计算各处理的综合得分, 先利用SPSS进行主成分分析得出各主成分因子载荷矩阵及主成分特征根, 得出各主成分得分的计算表达式^[23]:

F=A₁X₁+A₂X₂+…+A_nX_n.

式中, A=因子负荷/ 特征根, X为该处理的各指标的值, F为主成分因子得分, n为参与计算指标的序号。然后对各主成分的得分以其方差贡献率为权数进行加权求和, 得到不同处理组的综合得分以反映各组土壤肥力水平。

有机物料施用方式不同对土壤碳、氮的影响亦不同(表1), 但7月份和10月份变化规律基本一致。与CK相比, 单施和配施有机物料均使土壤除无机氮外的其它不同碳氮组分含量有不同程度的增加(但CM增加了土壤无机氮)。单施情况下, 与CK相比, CM降低了微生物生物量碳含量, 但不同程度地增加了其它碳氮组分含量和降低了土壤C/N及微生物C/N, 且效果优于PB和CS; PB、CS与CK相比, CS在提高有机碳、易氧化性有机碳、微生物生物量碳及微生物生物量氮含量方面优于PB, 但PB在提高水解氮含量方面的效果优于CS。配施情况下, PB+CM+CS处理较CK、PB+SC和CS+CM对碳氮不同组分含量的效果最佳, 但PB+SC和CS+CM间的碳氮组分变化规律不一致。总体比较, 与CK相比, PB+CM+CS对微生物生物量碳和微生物生物量氮含量的提高效果明显, 而CM对其它碳、氮组分含量的提高效果最佳。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同处理下土壤的碳氮含量 Table 1 The soil carbon and nitrogen content in different treatments 注:不同小写字母表示同一月份不同处理间差异显著(P< 0.05); 处理代码同表1。 Note: Different lowercase letters within the same month indicate significant among different treatments at the 0.05 level; The abbrevictions of treatment are as in Table 1.

表1 不同处理下土壤的碳氮含量 Table 1 The soil carbon and nitrogen content in different treatments

施用不同有机物料对土壤酶活性的影响不同(图1), 7月份和10月份处理间酶活性的变化趋势总体上基本一致。纤维素酶、蔗糖酶、磷酸酶和脲酶活性的变化规律基本一致, 且7月份和10月份变化亦基本一致, 即单施处理总体上在处理间表现为CS > PB> CM> CK, 所有配施处理亦均表现出3种酶活性高于CK的趋势, 且PB+CM+CS以最高, 但PB+CM、CS+CM和PB+CS在不同酶活性间和不同时间变化不一致。过氧化氢酶活性7月份所有处理的酶活性与CK相比均显著升高(P< 0.05), 而10月份除CM与CK差异不显著外(P> 0.05), 其它处理仍均显著高于CK(P< 0.05)。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 不同处理下土壤的酶活性Fig.1 The enzymatic activity in different treatments

为了更好地评价单施和配施有机物料对土壤肥力状况的影响, 选择土壤碳氮含量、土壤酶活性分共 14 个土壤指标进行主成分分析。7月的结果表明(表2), 主成分1的方差贡献率达到了36.45%, 对土壤肥力状况起主要作用的3个主成分累积方差贡献率达到了73.08%, 基本包含了主要的土壤肥力信息, 能反映出土壤各指标的相对重要性及其之间的相互关系。而10月, 主成分1、2、3的方差贡献率分别为47.00%、23.18%和9.08%, 3个主成分累积方差贡献率达到了79.26%。根据 14 个土壤肥力因子在各主成分上的因子载荷分析(表2), 可将3个主成分分别命名为微生物因子、碳氮素因子和氮素因子。由主成分因子得分及土壤肥力水平综合得分(表3)结果表明, 7月和10月总体来看, PB+CM+CS组效果最优, CM组和CK组效果最差。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 主成分因子载荷矩阵 Table 2 The principal component factor loading matrix 月份 Month 因子 Factor 主成分1 PC 1 主成分2 PC 2 主成分3 PC 3 7月July 有机碳TOC -0.19 0.86 -0.01 易氧化性有机碳EOC -0.28 0.81 -0.16 全氮TN -0.08 0.95 -0.18 水解氮AN -0.55 0.60 -0.06 无机氮IN -0.66 0.18 0.21 微生物生物量碳MBC 0.97 -0.09 -0.01 微生物生物量氮MBN 0.34 0.38 0.82 土壤碳氮比C/N -0.24 -0.81 0.20 微生物碳氮比MBC/MBN 0.77 -0.15 -0.56 纤维素酶Cellulase 0.54 0.25 0.01 过氧化氢酶Catalase 0.78 0.47 0.01 蔗糖酶Sucrase 0.91 0.15 -0.01 磷酸酶Phosphatase 0.80 0.03 0.22 脲酶Urease 0.45 0.30 0.17 特征根 Eigenvalue 5.10 3.92 1.20 方差贡献率 Rate of variance/% 36.45 28.03 8.60 累积贡献率 Cumulative rate/% 36.45 64.48 73.08 10月October 有机碳TOC 0.42 0.67 -0.04 易氧化性有机碳EOC 0.33 0.74 0.13 全氮TN 0.19 0.96 -0.10 水解氮AN -0.50 0.45 0.58 无机氮IN -0.77 0.34 0.36 微生物生物量氮MBN 0.82 0.04 -0.35 土壤碳氮比C/N -0.31 -0.80 0.25 微生物生物量碳MBC 0.94 -0.10 0.12 微生物碳氮比MBC/MBN 0.77 -0.21 0.31 纤维素酶Cellulase 0.76 -0.14 0.42 过氧化氢酶Catalase 0.88 -0.10 -0.36 蔗糖酶Sucrase 0.82 0.25 0.23 磷酸酶Phosphatase 0.80 0.08 0.26 脲酶Urease 0.71 -0.47 0.26 特征根 Eigenvalue 6.58 3.25 1.27 方差贡献率 Rate of variance/% 47.00 23.18 9.08 累积贡献率 Cumulative rate/% 47.00 70.18 79.26

表2 主成分因子载荷矩阵 Table 2 The principal component factor loading matrix

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 不同处理土壤肥力水平综合得分 Table 3 comprehensive scores of soil levels in different treatment 月份 Month 处理 Treatment 主成分1 PC 1 主成分2 PC 2 主成分3 PC 3 综合得分 Comprehensive score 综合排名 Comprehensive rank 7月July CK 0.39 0.78 1.61 0.69 7 CM 0.34 0.75 1.63 0.65 8 PB 0.98 1.97 4.01 1.72 6 CS 1.16 2.37 4.82 2.06 5 PB+CM 1.41 2.84 5.72 2.46 2 PB+CS 1.33 2.68 5.36 2.32 4 CS+CM 1.36 2.73 5.48 2.37 3 PB+CM+CS 1.68 3.39 6.86 2.94 1 10月October CK 0.22 0.43 0.81 0.35 8 CM 0.44 0.78 1.46 0.66 7 PB 1.41 2.78 5.44 2.28 3 CS 1.76 3.37 6.63 2.79 2 PB+CM 1.40 2.75 5.40 2.26 4 PB+CS 1.14 2.22 4.40 1.83 6 CS+CM 1.20 2.40 4.75 1.96 5 PB+CM+CS 1.97 3.84 7.60 3.17 1 Note: Different lowercase letters indicate significant among different treatments at the 0.05 level. 注:不同小写字母表示不同处理间差异显著(P< 0.05)。

表3 不同处理土壤肥力水平综合得分 Table 3 comprehensive scores of soil levels in different treatment

有机物料不同配比对紫花苜蓿生物量的影响不同(图2)。除CM组外, 其它处理下的生物量均显著大于CK(P< 0.05), PB、CS、PB+CM、PB+CS、CS+CM和PB+CS+CM处理生物量分别是CK的1.58、2.27、2.48、2.17、3.05、3.33 倍。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 不同处理对紫花苜蓿生物量的影响Fig.2 Effects of different treatment on alfalfa biomass

土壤有机碳和全氮是土壤养分的重要组成部分, 在本研究中, 单施与配施有机物料使土壤有机碳和全氮含量显著提高, 以CM组提高效果最明显。而对植物和土壤微生物来说活性较高的那部分有机碳是活性有机碳, 在土壤中稳定性差、周转速率快、易矿化分解^[24], 其中土壤可溶性有机碳、微生物生物量碳和易氧化有机碳是其重要的表征指标^[25], 易氧化性有机碳含量的高低直接影响到土壤微生物的活性, 从而影响土壤固碳能力^[26]。本研究中, 7月单施组易氧化性有机碳含量较高, 其中CM组含量最高, 而配施组除PB+CM+CS组外其余各组含量没有明显提高甚至小于CK组, 10月各组易氧化有机碳含量均有增加(PB组含量最高), 出现这种变化的原因尚不明确。能被作物吸收利用的氮素几乎全部是无机态氮, 而土壤中氮素主要是有机态氮, 有机氮经矿化变为无机氮才能被吸收^[27]。本研究中土壤水解氮和无机氮含量除CM组外, 随着时间推移各组含量均低于CK组呈下降趋势, 说明氮素被植物吸收利用和微生物固持, 微生物生物量氮含量恰好证明了这一观点:10月各组微生物生物量氮含量均高于CK组。而CM组对微生物生物量碳、氮的提高作用并不明显, PB+CM+CS组对微生物的作用最显著。土壤中的微生物驱动着物质转化和养分循环, 微生物生物量碳、氮作为养分的储存库, 是土壤养分的重要来源^[24], 在土壤中有重要作用。这表明, 有机物料的投入可以提高土壤有机碳、全氮含量, 有助于提高土壤肥力。这与彭令发等^[28]的研究一致:长期地大量外援有机物质向黑土农田投入可以提高土壤有机质含量, 有助于恢复土壤肥力。

土壤酶作为土壤生物活性较为稳定和灵敏的一个指标, 能够反映植被重建后土壤养分转化的动态情况, 评价退化生态系统的恢复状况^[29]。与CK相比, 除CM组酶活性没有显著变化外, 其它处理组5种酶活性均有不同程度的增强, PB+CM+CS增强效果最显著。从土壤综合肥力来看, PB+CM+CS组对土壤的改良效果最优, CM组对沙化土壤的改良基本没有产生效果。7月配施组改良效果优于单施组, 而到10月单施和配施有机物料, 改善沙化土壤效果有所不同。PB+CM+CS处理组的土壤肥力水平综合得分排名最高, 反映了该种处理方式能够有效提高沙化土壤的肥力, 对于沙化土壤改良效果最优, 因此可以作为沙化土壤生态修复措施的重点考虑对象。

土壤微生物对土壤养分转化与作物吸收具有调节和补偿作用^[30]。与CK相比, 除CM外, 其它处理组紫花苜蓿生物量均显著增加(P< 0.05), PB+CM+CS组植物生物量值最大, 说明该组能最好地为植物提供生长所需的各种营养物质。而CM组出现了抑制植物生长的趋势, 这可能与牛粪具有高的电导率有关^[31]。电导率用以衡量有机肥料中可溶性盐的含量, 其与可溶性盐含量呈正比^[32]。因此, 肥料电导率过大会出现烧苗现象, 影响植物的正常生长^[33]。

综上所述, 在沙化土壤施加有机物料均使土壤除无机氮外的其它不同碳氮组分含量有不同程度的增加。单施牛粪处理不仅可以有效增加土壤的无机氮, 而且与对照和其它处理相比土壤有机碳、易氧化有机碳、全氮和水解氮含量较均最高, 但出现抑制紫花苜蓿生长的现象; 而杨树枝条+玉米秸秆+牛粪的配施处理对提高土壤微生物生物量碳和氮含量的效果最佳, 同时对土壤酶活性的提高也表现出最佳的趋势, 该处理下紫花苜蓿生物量在所有处理间也最高。土壤肥力水平综合得分显示, 杨树枝条+玉米秸秆+牛粪处理对土壤肥力水平的提高效果最佳, 是未来沙化土壤改良可采用的方案之一。