趙西寧, 劉 帥, 高曉東, 丁艷宏, 李 釗, 楊 陽, 楊明飛

1 中國科學(xué)院水利部水土保持研究所, 楊凌 712100 2 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院, 楊凌 712100 3 西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 楊凌 712100

黃土高原以獨(dú)特的地理氣候條件已成為我國蘋果優(yōu)生區(qū)和主產(chǎn)區(qū)之一。該地區(qū)土壤類型主要為黃綿土,質(zhì)地疏松綿軟團(tuán)聚狀態(tài)差,土壤結(jié)構(gòu)易遭受侵蝕破壞,養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量低[1],導(dǎo)致該區(qū)蘋果產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。黃土高原北部丘陵區(qū)多為旱作果園,土壤持水和入滲能力差,加之年內(nèi)降雨量小且時(shí)空分布極不均勻,降水大部分以徑流或無效蒸發(fā)形式損失[2]。此外,果樹蒸騰耗水強(qiáng)烈,果園土壤水分虧缺嚴(yán)重,進(jìn)一步限制了當(dāng)?shù)靥O果產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展[3]。因此,如何改善果園土壤質(zhì)量,提高土壤蓄水保肥能力以增加蘋果產(chǎn)量,是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。

土壤改良劑施用是快速改善土壤結(jié)構(gòu)、提升土壤質(zhì)量,增強(qiáng)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(nèi)外研究的熱點(diǎn)[6—8]。合理的改良劑施用能夠有效改善土壤結(jié)構(gòu)、水熱條件、養(yǎng)分狀況和土壤微生態(tài)環(huán)境,進(jìn)而提升土壤生產(chǎn)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(tuán)聚體數(shù)量及穩(wěn)定性,增強(qiáng)雨水的入滲及土壤保水能力,進(jìn)而改善土壤健康狀況,增加作物產(chǎn)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(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,其施入土壤后可活化土壤養(yǎng)分,促進(jìn)土壤釋放氮、磷、鉀等作物生長所必需的元素,同時(shí)還能分泌氨基酸、激素、有機(jī)酸等促進(jìn)作物吸收養(yǎng)分的物質(zhì)[13],進(jìn)而增加作物產(chǎn)量。此外,根際促生菌能在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤保水能力[14—16]。保水劑不僅可以吸收且長時(shí)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(yǎng)分的利用能力[17]。目前就單一改良劑改善土壤質(zhì)量的相關(guān)研究已大量開展,但關(guān)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(tài)環(huán)境影響效果的對比研究還鮮有報(bào)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(zhì)量提升的改良劑,對促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)綠色高效可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)主要包括土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)3個(gè)方面[18]。近年來,統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,目前國內(nèi)外主要采用主成分分析(PCA)和最小數(shù)據(jù)集(MDS)等方法對土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重疊信息刪減,采用隸屬度函數(shù)模型和土壤質(zhì)量指數(shù)模型綜合評價(jià)土壤質(zhì)量狀況。李鵬飛等[19]選取了21個(gè)土壤理化生指標(biāo),通過主成分分析法構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集,進(jìn)而對黃土高原礦區(qū)復(fù)墾土壤質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。袁晶晶等[20]選取14項(xiàng)土壤理化生指標(biāo),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(zhì)量進(jìn)行評價(jià),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(nóng)田土壤質(zhì)量提升綜合評價(jià)方面的研究較多,但關(guān)于改良劑對旱作果園土壤改良效果的綜合評價(jià)鮮有報(bào)道。為此,本研究以黃土高原丘陵區(qū)山地蘋果園為研究對象,從土壤理化性質(zhì)、養(yǎng)分含量、生物學(xué)特性等多方面,綜合評價(jià)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(zhì)量與水資源高效利用協(xié)同提升的改良劑,為黃土高原丘陵區(qū)山地果園土壤改良提供科學(xué)的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)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)余家溝村旱作山地果園內(nèi)進(jìn)行(109°21′24″E, 36°41′15″N),海拔1277m,是典型的黃土高原丘陵區(qū),屬半干旱區(qū)暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。研究區(qū)年平均氣溫為9.2℃,多年平均降水量為506.5mm,年內(nèi)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(jī)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(yàn)材料與設(shè)計(jì)

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(fā)有限公司,粒徑為0.02—2mm,pH為8.98,有機(jī)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(zhì)芽孢桿菌,購自濟(jì)南金華峰輝生物科技有限公司,其有效活菌數(shù)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(shù)為300—500倍。

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)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(zhì)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(gè)處理3個(gè)重復(fù),共計(jì)15個(gè)小區(qū)。土壤改良劑施用量是在現(xiàn)有研究結(jié)果[16,21—23]的基礎(chǔ)上結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定的最佳施用量。樣地設(shè)置在同一水平梯田蘋果園,選取15棵樹體形態(tài)、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(fā)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(huán)狀坑,將改良劑與挖出土壤混勻后,回填到環(huán)狀坑中。在施用改良劑的環(huán)狀區(qū)域中部隨機(jī)取三個(gè)點(diǎn)布設(shè)水分監(jiān)測點(diǎn),在施用區(qū)其他位置取樣測定土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)指標(biāo)。

1.3 土壤樣品采集與測定

在蘋果生育期末,采用環(huán)刀法測量0—100cm土層容重,每20cm一層,每層三個(gè)重復(fù)。使用Guelph2800K1滲透儀測定0—60cm土壤飽和導(dǎo)水率,每20cm一層,共3層,每層三個(gè)重復(fù)。土壤水分采用Trime-TDR長期監(jiān)測,每個(gè)小區(qū)設(shè)置3個(gè)水分監(jiān)測點(diǎn),共計(jì)45個(gè)土壤水分監(jiān)測點(diǎn)。測量深度為200cm,每20cm土層測定一次,測定時(shí)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(huán)中央取原狀土樣,每個(gè)處理三個(gè)重復(fù),帶回實(shí)驗(yàn)室后沿著土壤自然結(jié)構(gòu)輕輕剝成小塊,剔除植物根系和小石塊等雜質(zhì)后,用濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)包含平均重量直徑(MWD, mm)；幾何平均直徑(GMD, mm)；>0.25mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(WR0.25, %)；土壤分形維數(shù)(D)；計(jì)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(jié)束后進(jìn)行,采用土鉆分別在0—20cm、20—40cm、40—60cm、60—80cm、80—100cm五個(gè)土層取土,土壤樣品取出后立即轉(zhuǎn)入無菌密封袋,一部分土壤經(jīng)過風(fēng)干、研磨、過篩后,采用重鉻酸鉀外加熱法測定各層土壤有機(jī)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(jié)構(gòu)多樣性,采用比色法測定土壤蔗糖酶,采用熒光分光光度計(jì)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(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)的擴(kuò)增子進(jìn)行測序，分析土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[28—29]。

1.4 土壤質(zhì)量評價(jià)系數(shù)

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

(1)

式中：Nip為各個(gè)指標(biāo)在特征值>1的前p個(gè)主成分的綜合荷載,Hip為第i個(gè)指標(biāo)在第p個(gè)主成分上的荷載,λp為第p個(gè)主成分的特征值。

將Norm值與各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析相結(jié)合,通過篩選的數(shù)據(jù)進(jìn)入MDS,MDS里的數(shù)據(jù)不僅可以代表所有的指標(biāo)且各指標(biāo)相互獨(dú)立、信息重疊率小。為了計(jì)算各個(gè)土壤指標(biāo)的隸屬度,需要對各個(gè)指標(biāo)的功能和性質(zhì)進(jìn)行分析,判斷各指標(biāo)的隸屬型函數(shù),隸屬函數(shù)公式為：

(2)

(3)

式(2)為S型函數(shù),(3)為反S型函數(shù)。式中xi為各個(gè)指標(biāo)實(shí)測值,a和b為該項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。

由于所選評價(jià)指標(biāo)較多,為了更合理的評價(jià)各個(gè)指標(biāo)對于土壤質(zhì)量狀況的影響程度,使用權(quán)重來表示指標(biāo)的貢獻(xiàn)。計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式中：SL為各主成分上各指標(biāo)的線性系數(shù),Ci為各標(biāo)在各主成分上的荷載；ML為權(quán)重模型系數(shù)；SLi為某指標(biāo)在各個(gè)主成分上的線性系數(shù)；σi為特征值大于1的各主成分的方差；MFi為歸一化后各個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的權(quán)重。

根據(jù)土壤質(zhì)量指數(shù)模型函數(shù)、隸屬度和權(quán)重計(jì)算SQI:

(7)

式中：n為MDS中評價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)；Qxi為各指標(biāo)的隸屬度；MFi對應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和IBM SPSS Statistic 22.0統(tǒng)計(jì)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、統(tǒng)計(jì)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(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,顯著性水平α=0.05。采用Origin Pro 2016軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

本研究通過土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)等多項(xiàng)指標(biāo)對土壤質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。評價(jià)過程中選取20個(gè)土壤指標(biāo),包括5個(gè)物理指標(biāo),7個(gè)化學(xué)指標(biāo)和8個(gè)生物學(xué)指標(biāo),具體如表1所示。土壤細(xì)菌Shannon指數(shù)在9.24—10.20之間,變異系數(shù)最?。煌寥廊葜?、pH和細(xì)菌Chao1指數(shù)變異系數(shù)均低于0.1,表明施用改良劑不會對土壤容重、pH和細(xì)菌造成較大的影響。土壤有機(jī)碳、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、纖維素酶和蔗糖酶的變異系數(shù)均大于0.7,變異性較大,說明以上指標(biāo)對不同類型改良劑有強(qiáng)烈的異質(zhì)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(zhì)量評價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.2 最小數(shù)據(jù)集確定

土壤各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后,對不同改良劑處理土壤容重、pH、有機(jī)碳含量、全氮含量、細(xì)菌Shannon指數(shù)、纖維素酶活性等20個(gè)土壤基本指標(biāo)進(jìn)行主成分分析,其KMO值為0.761。巴特利球形檢驗(yàn)值小于0.05,表明主成分分析結(jié)果合理可靠,其結(jié)果如表2所示。本研究中特征值大于1的主成分有6個(gè),特征值分別為4.279、3.366、2.302、2.197、1.588和1.023,6個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為73.78%。根據(jù)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(biāo)因子共20個(gè),被作為MDS備選數(shù)據(jù)。再根據(jù)Norm值小于10%原則[20],剔除最大Norm值10%范圍之外的指標(biāo),篩選出11個(gè)指標(biāo),然后根據(jù)各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性進(jìn)行篩選,各指標(biāo)相關(guān)性如表3所示。原則上同一主成分中的指標(biāo)若顯著相關(guān),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(biāo)共有六個(gè),分別是主成分一中的指標(biāo)細(xì)菌Chao1指數(shù),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(shù),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(biāo)篩選過濾率為60%,對數(shù)據(jù)構(gòu)成的簡化率較高,指標(biāo)間的冗余重復(fù)信息大幅減少,能夠有效提高土壤質(zhì)量綜合評價(jià)效率。

表2 土壤質(zhì)量指標(biāo)主成分分析

2.3 不同改良劑對土壤質(zhì)量影響綜合評價(jià)

2.3.1評價(jià)結(jié)果精度驗(yàn)證

圖1 最小數(shù)據(jù)集和總數(shù)據(jù)集土壤質(zhì)量指數(shù)線性關(guān)系 Fig.1 Linear relationship between minimum data set and total data set of soil quality index

采用MDS進(jìn)行土壤質(zhì)量評價(jià)雖然減少了試驗(yàn)工作量、降低了復(fù)雜度,但是MDS對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了簡化,其評價(jià)結(jié)果的精度需要與總數(shù)據(jù)集法(全部土壤質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)集定義為總數(shù)據(jù)集,TDS)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行對比。通過計(jì)算得出,TDS的土壤質(zhì)量指數(shù)均值為0.406±0.121,變異系數(shù)(CV)為0.297,波動幅度較小(CV<30%)；MDS的土壤質(zhì)量指數(shù)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(zhì)量指數(shù)的變化反應(yīng)更為敏感。通過圖1可知,最小數(shù)據(jù)集質(zhì)量指數(shù)和總數(shù)據(jù)集質(zhì)量指數(shù)之間呈正相關(guān),決定系數(shù)R2=0.804,說明MDS對土壤質(zhì)量指數(shù)與TDS的土壤質(zhì)量指數(shù)較為接近,因此基于MDS計(jì)算的土壤質(zhì)量指數(shù)可用于土壤質(zhì)量評價(jià)。

2.3.2綜合評價(jià)指數(shù)確定

本文采用隸屬函數(shù)對MDS中所選取的20個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分類,分為“越多越促進(jìn)”和“越少越促進(jìn)”兩類[30]。土壤容重和pH為“越少越促進(jìn)”,其隸屬度用公式(3)計(jì)算,其余指標(biāo)為“越多越促進(jìn)”,用公式(2)計(jì)算隸屬度。根據(jù)各指標(biāo)數(shù)據(jù)的旋轉(zhuǎn)成分荷載、主成分方差貢獻(xiàn)率和累積貢獻(xiàn)率計(jì)算得出的最小數(shù)據(jù)集中6個(gè)指標(biāo)權(quán)重如表4所示,β- 1,4-葡萄糖苷酶活性對土壤質(zhì)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(zhì)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(biāo)進(jìn)行權(quán)重分析發(fā)現(xiàn),各指標(biāo)對土壤質(zhì)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(shù)(0.199)>纖維素酶(0.094)>細(xì)菌Chao1指數(shù)(0.068)。

表3 土壤質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)性分析

表4 基于最小數(shù)據(jù)集隸屬函數(shù)的土壤質(zhì)量指數(shù)

圖2 基于最小數(shù)據(jù)集的指標(biāo)對土壤質(zhì)量指數(shù)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(xì)菌Chao1指數(shù) Bacteria Chao1 index；F-Chao1：真菌Chao1指數(shù) 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(zhì)量影響綜合評價(jià)

土壤質(zhì)量指數(shù)為各指標(biāo)與其權(quán)重乘積之和,各處理不同土層SQI如圖3所示,土壤質(zhì)量指數(shù)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(zhì)量的影響最大。在20—40cm土層,BC和PGBM處理土壤質(zhì)量主要影響因素仍然為酶活性,但其余處理土壤質(zhì)量主要影響因素逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥浪傩Я缀腿?。?0—60cm土層,土壤速效磷和全氮對土壤質(zhì)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(yǎng)分影響土壤質(zhì)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(zhì)量影響均較大。對比分析不同處理0—60cm土層SQI發(fā)現(xiàn),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(jié)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(zhì)量,且生物炭處理對土壤質(zhì)量的提升效果最佳,其它三種改良劑效果表現(xiàn)為保水劑(SAP)>枯草芽孢桿菌(PGBS)>膠質(zhì)芽孢桿菌(PGBM)。

圖3 不同改良劑對不同土層土壤質(zhì)量指數(shù)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(zhì)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(zhì)量指數(shù)Fig.4 Soil quality index

2.4 不同改良劑在黃土高原丘陵區(qū)適用性評價(jià)

生物炭、植物根際促生菌和保水劑對土壤綜合質(zhì)量的提升效果顯著,但綜合評價(jià)改良劑在黃土高原丘陵區(qū)的適用性,還需考慮蘋果產(chǎn)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(chǎn)量之間的關(guān)系,分析不同改良劑在黃土高原丘陵區(qū)山地果園的適用性,計(jì)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(jià)及施用量。雖然生物炭的單價(jià)不是最高,但施用量最大,進(jìn)而導(dǎo)致成本最高,根際促生菌與保水劑雖然材料價(jià)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(zhì)量提升、改良成本和蘋果產(chǎn)量三個(gè)方面綜合考慮,定義了改良劑適用性指數(shù)(Soil-ASI):

Soil-ASI=SPRi×SQIi (9)

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

不同改良劑適用性指數(shù)如圖5所示,保水劑處理適用性指數(shù)最高,即保水劑更適宜在黃土高原丘陵區(qū)山地果園推廣應(yīng)用。但綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益,若農(nóng)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(jié)構(gòu)、提高土壤肥力及改變土壤微生態(tài)環(huán)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(jià)土壤質(zhì)量可以將復(fù)雜的土壤環(huán)境狀況具體化[37]。已有研究表明,在黃土高原丘陵區(qū)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(jié)構(gòu)、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(dá)到固碳減排的效果[39]。本研究以黃土高原丘陵區(qū)典型山地果園為研究對象,利用多項(xiàng)土壤理化、生物指標(biāo),通過土壤質(zhì)量綜合評價(jià),研究了施用不同改良劑對土壤質(zhì)量的影響,同時(shí)驗(yàn)證了該土壤質(zhì)量評價(jià)方法的精確性,篩選出適宜黃土高原土壤質(zhì)量提升的改良劑,并評價(jià)了其在該地區(qū)的推廣適用性。本研究利用主成分分析法結(jié)合Norm值進(jìn)行了最小數(shù)據(jù)集的篩選,運(yùn)用Norm值考慮了指標(biāo)在所有主成分上的載荷,避免了指標(biāo)信息在其它主成分上的損失[40]。相關(guān)研究表明土壤全氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷以及蔗糖酶等指標(biāo)可以被應(yīng)用于最小數(shù)據(jù)集法中較全面的評價(jià)土壤質(zhì)量[41—45]。研究表明,全氮、速效磷和葡萄糖苷酶3個(gè)指標(biāo)能較好的評價(jià)土壤質(zhì)量,除此之外,細(xì)菌和真菌Chao1指數(shù)入選了該研究區(qū)的MDS,說明該研究區(qū)域土壤質(zhì)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(zhì)量也有較為顯著的影響。這主要是由研究區(qū)氣候和土壤環(huán)境共同決定的,研究區(qū)年降雨量小,而蘋果生長耗水量大,導(dǎo)致深層土壤水分含量較低,此外深層土壤有機(jī)質(zhì)含量低,進(jìn)而導(dǎo)致深層微生物活性較低。施用改良劑后改變了土壤結(jié)構(gòu),改善了土壤水肥氣狀況,促進(jìn)了微生物生長繁殖,提高了土壤微生物活性,進(jìn)而增加了土壤中微生物優(yōu)勢種群相對豐度,這與馮慧琳等[46]和烏英嘎等[47]的研究結(jié)果一致。因此,本研究篩選的MDS中的6個(gè)指標(biāo)對黃土高原丘陵區(qū)山地果園改良劑提升土壤質(zhì)量的綜合評價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。

良好的土壤質(zhì)量是維持黃土高原丘陵區(qū)蘋果經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。通過對土壤綜合質(zhì)量評價(jià)發(fā)現(xiàn),土壤全氮、速效磷和葡萄糖苷酶是影響土壤質(zhì)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(zhì)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(guān),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(chǎn)物,具有穩(wěn)定的芳香族結(jié)構(gòu),進(jìn)而賦予其高度的化學(xué)穩(wěn)定性和生物穩(wěn)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(jié)構(gòu),增加了土壤有機(jī)碳、全氮和速效養(yǎng)分含量,起到提升土壤質(zhì)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(huán)境,進(jìn)而促進(jìn)微生物生長繁殖,增加土壤微生物豐度,同時(shí)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(jìn)生成更多微生物碳源,但在該區(qū)域水分有限的情況下,不能很好的發(fā)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(zhì)量綜合評價(jià)過程中,不僅要關(guān)注生物炭、植物根際促生菌和保水劑三種改良劑對土壤質(zhì)量的提升效果,還應(yīng)結(jié)合該區(qū)域?qū)嶋H情況,考慮產(chǎn)投比相關(guān)要素。通過綜合評價(jià)三種改良劑的土壤改良效果和投入產(chǎn)出比發(fā)現(xiàn),保水劑最適宜在該地區(qū)推廣應(yīng)用。但研究區(qū)農(nóng)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(nóng)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(yīng)用潛力。

4 結(jié)論

(1)本研究通過對不同改良劑施用條件下20項(xiàng)土壤物理、化學(xué)和生物指標(biāo)進(jìn)行分析,獲得不同改良劑改善土壤質(zhì)量評價(jià)的MDS。該MDS共包含6項(xiàng)土壤指標(biāo),分別為細(xì)菌Chao1指數(shù)、總氮、纖維素酶、真菌Chao1指數(shù)、β- 1,4-葡萄糖苷酶以及速效磷。通過優(yōu)化篩選出的MDS指標(biāo)可用于研究區(qū)不同改良劑提升土壤質(zhì)量的效果評價(jià),并對其它地區(qū)土壤改良劑對土壤質(zhì)量影響效果評價(jià)具有重要參考價(jià)值。

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

(3)通過綜合評價(jià)不同改良劑的適用性發(fā)現(xiàn)保水劑最適宜在黃土高原丘陵區(qū)山地果園推廣應(yīng)用,若農(nóng)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(yīng)用潛力。