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Volume 32 Issue 2
Jul.  2019
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Effects of Fertilization Measures on Soil Labile Organic Carbon and Nutrient of Old Torreya grandis

  • Corresponding author: LI Zheng-cai, lizccaf@126.com
  • Received Date: 2018-07-31
    Accepted Date: 2018-10-12
  • Objective To reveal the effects of different fertilization measures on soil fertility, and provide a reference for fertilization of old Torreya grandis. Method Three different fertilization treatments (non-fertilizer (CK), chemical fertilizer plus farmyard manure (CF+FM), and chemical fertilizer treatment (CF) were carried out in the Chinese Torreya National Forest Park in Zhuji, Zhejiang Province. Soil samples were collected from the field to analyze the total soil organic carbon (TOC), readily oxidizable carbon (ROC), light fraction organic matter (LFOM), and soil nutrient contents in 0-20, 20-40, and 40-60 cm soil layers. Result (1) Compared with the CK, the contents of TOC, ROC, LFOM, total nitrogen (TN), and available nitrogen (AN) in soil layers increased significantly under CF+FM treatment. The contents of ROC, LFOM and AN in the topsoil and the soil available potassium (AK) in each soil layer increased under CF treatment, especially AK. The effect of CF treatment on the increase of soil available phosphorus (AP) content was far less than that of CF+FM treatment. (2) Soil pH increased insignificantly under CF+FM treatment, while decreased significantly under CF treatment. (3) The ratios of ROC to TOC in three soil layer for different fertilization treatments showed:CF+FM > CF > CK, but only CF+FM treatment in surface soil was significantly higher than that of CK. (4) Correlation analysis showed that ROC, LFOM and TOC were extremely significantly correlated. The TOC, ROC and LFOM were significantly or extremely significantly correlated with TN, AN, AP, AK. Conclusion The organic-inorganic combination treatment is more conducive to the accumulation of soil organic carbon and soil nutrients than the single application of chemical fertilizer treatment.
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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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Effects of Fertilization Measures on Soil Labile Organic Carbon and Nutrient of Old Torreya grandis

    Corresponding author: LI Zheng-cai, lizccaf@126.com
  • Research Institute of Subtropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Hangzhou 311400, Zhejiang, China

Abstract:  Objective To reveal the effects of different fertilization measures on soil fertility, and provide a reference for fertilization of old Torreya grandis. Method Three different fertilization treatments (non-fertilizer (CK), chemical fertilizer plus farmyard manure (CF+FM), and chemical fertilizer treatment (CF) were carried out in the Chinese Torreya National Forest Park in Zhuji, Zhejiang Province. Soil samples were collected from the field to analyze the total soil organic carbon (TOC), readily oxidizable carbon (ROC), light fraction organic matter (LFOM), and soil nutrient contents in 0-20, 20-40, and 40-60 cm soil layers. Result (1) Compared with the CK, the contents of TOC, ROC, LFOM, total nitrogen (TN), and available nitrogen (AN) in soil layers increased significantly under CF+FM treatment. The contents of ROC, LFOM and AN in the topsoil and the soil available potassium (AK) in each soil layer increased under CF treatment, especially AK. The effect of CF treatment on the increase of soil available phosphorus (AP) content was far less than that of CF+FM treatment. (2) Soil pH increased insignificantly under CF+FM treatment, while decreased significantly under CF treatment. (3) The ratios of ROC to TOC in three soil layer for different fertilization treatments showed:CF+FM > CF > CK, but only CF+FM treatment in surface soil was significantly higher than that of CK. (4) Correlation analysis showed that ROC, LFOM and TOC were extremely significantly correlated. The TOC, ROC and LFOM were significantly or extremely significantly correlated with TN, AN, AP, AK. Conclusion The organic-inorganic combination treatment is more conducive to the accumulation of soil organic carbon and soil nutrients than the single application of chemical fertilizer treatment.

  • 施肥可提高土壤有机碳和养分含量,而单施有机肥或与化肥配施的作用要大于单施复合肥。姜培坤等[1]对雷竹(Phyllostachys praecox Z. D. Chu et C. S. Chao f. prevernalis S. Y. Chen et C. Y. Yao)林的施肥试验结果表明,各有机肥、化肥混合处理的土壤总有机碳、各活性有机碳含量均显著高于单施化肥处理;付海丽等[2]对杨树(Populus spp.)幼苗的盆栽试验结果表明,鸡粪与尿素混合施用处理下杨树幼苗的土壤有机碳、活性有机碳含量高于单施尿素处理;赵永丰等[3]对山地核桃(云新14号)施肥试验结果显示,沼肥、厩肥和复合肥增加了土壤中氮、磷元素的含量,钾元素含量出现不同程度的亏缺。但也有学者认为单施复合肥的土壤中某些活性有机碳组分或养分含量无明显变化甚至有所减小[4-6]。因此,不同施肥处理对土壤中活性有机碳和养分的影响研究还需进一步加强。

    香榧(Torreya grandis Fort. ex Lindl. cv. Merrillii.)系红豆杉科(Taxaceae)榧树属(Torreya Arn.)常绿乔木,为我国特有经济树种,浙江是原产地之一,会稽山区山是浙江香榧的主产区,已有1300多年的栽培历史。香榧种子是著名的干果,营养价值高,经济价值大。20世纪90年代以来,施肥作为主要的管理措施应用于香榧栽培和管理中,种子产量逐年增长,但林地土壤的肥力水平发生较大变化[7]。目前关于香榧的研究主要集中于林地养分状况调查[8]、施肥对香榧生长及果实的影响[9]等方面,关于长期不同施肥处理对香榧林土壤活性有机碳和土壤养分状况的对比研究尚不多见。因此,本研究通过研究不同施肥措施下古香榧林土壤活性有机碳和土壤养分状况,揭示不同施肥措施对香榧林土壤的培肥效果,为古香榧林科学施肥提供参考。

1.   研究区概况
  • 研究地位于浙江省诸暨市赵家镇香榧国家森林公园(119°53′~120°32′E,29°21′~29°59′N),该地区属于亚热带季风气候,四季分明,雨水丰沛,日照充足,年平均气温16.3 ℃,年平均降水量约1 373.6 mm,年平均日照时数约1 887.6 h。研究区属于低山丘陵地貌,土壤类型为红壤。研究地现有结实香榧树主要分为两类,一类是历史上种植保留至今的古香榧树,树龄大都在百年以上;另一类是20世纪80年代新种植的香榧树,树龄约40 a左右。研究区内香榧栽培面积约452 hm2,其中,新建香榧基地约104 hm2

2.   材料和方法
  • 通过农户访问和实地调查,选择3种不同施肥措施、同一树龄段(500 a左右)古香榧林地作为研究对象:(1)不施肥(CK);(2)有机-无机配施(CF+FM),有机肥为农民惯用的禽畜粪便与稻草的混合物,无机肥为湖北乐开怀有限公司生产的复合肥(N:P2O5:K2O比例15%:15%:15%),每株香榧树平均每年施入复合肥30 kg,有机肥250 kg;(3)单施复合肥(CF),复合肥与CF+FM处理中的无机肥相同,每株香榧树平均每年施入复合肥30 kg。施肥时间始于2000年,每年3月地表撒施化肥,9月地表撒施化肥和有机肥,7—8月垦覆一次,垦覆深度为30 cm。每种施肥措施的样本树重复5株,所有调查样株分布在半径为500 m的范围内,以保证样株立地条件大体一致。样地基本情况见表 1


    处理
    Treatment
    平均基径
    Base diameter/cm
    平均树高
    Height /m
    坡向
    Aspect
    坡度
    Slop/ °
    海拔高度
    Altitude/ m
    CK 63.2 23 东南SE 39 531
    CF+FM 79.6 15 东北NE 12 525
    CF 61.7 10 东北NE 32 480

    Table 1.  Site conditions of research plots

    2017年9月对所选样株进行土样采集,在离开样本树100 cm处随机选取5个点挖取土壤剖面,按0~20、20~40、40~60 cm 3个层次采集土壤样品。将土壤放入袋中,去掉可见植物根系、残体和碎石,带回实验室自然风干,之后过2、0.25和0.15 mm筛用于土壤总有机碳(TOC)、易氧化碳(ROC)、轻组有机质(LFOM)和土壤养分的测定。

  • 土壤总有机碳测定采用重铬酸钾外加热法[10];易氧化碳测定采用333 mmol·L-1高锰酸钾氧化法[11];轻组有机质测定采用1.7 g·mL-1碘化钠重液分离法[12];土壤pH用pH计测定,水土比为2.5:1。土壤养分测定采用常规方法[13]:全氮(TN),凯氏定氮法;水解氮(AN),碱解扩散法;速效钾(AK),乙酸浸提法;有效磷(AP),碳酸氢钠法。

  • 采用Excel 2016和SPSS 22.0统计分析软件进行数据处理并绘制图表。对不同施肥处理香榧间的土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质、土壤养分含量和pH值进行单因素方差分析(ANOVA)和显著性分析(LSD检验),对土壤总有机碳、易氧化碳、轻组有机质和土壤养分进行相关性分析(Pearson检验)。

3.   结果与分析
  • 试验结果表明,有机-无机配施(CF+FM)与单施复合肥(CF)均能提高香榧林地0~20 cm土层土壤中的总有机碳含量(图 1),与不施肥(CK)相比,CF+FM处理的土壤总有机碳含量提高24.6%。在20~40 cm和40~60 cm土层,土壤总有机碳变化趋势均表现为:CF+FM处理>CK处理>CF处理,CF+FM处理的土壤总有机碳含量较CK提高了68.5%和66.2%。方差分析结果表明,CF+FM处理的土壤总有机碳含量在各土层均显著高于CK处理;CF处理的土壤总有机碳含量在各土层与CK处理差异均不显著。

    Figure 1.  Effects of different fertilization treatments on soil TOC contents

  • 图 2可以看出,CF+FM与CF处理均可显著提高香榧林地0~20 cm土层土壤易氧化碳含量,且CF+FM处理又显著高于CF处理,CF+FM处理为CK处理的2.1倍,较CF处理提高53.2%,CF处理的易氧化碳含量较CK提高36.8%。在20~40 cm和40~60 cm土层,CF+FM处理下的土壤易氧化碳含量高于CK和CF处理,其中20~40cm土层差异显著而CF处理与CK处理差异不显著。

    Figure 2.  Effects of different fertilization treatments on soil ROC contents

  • 图 3可以看出,CF+FM与CF处理均可提高香榧林地各土层轻组有机质含量,具体表现为:CF+FM处理>CF处理>CK处理。与CK处理相比,CF+FM处理下的3个土层轻组有机质含量分别提高80.4%、61.7%和48.5%,且在0~20 cm与20~40 cm土层达到显著性差异;CF处理下的3个土层轻组有机质含量与CK处理差异均不显著。

    Figure 3.  Effects of different fertilization treatments on soil LFOM contents

  • 3个处理下,香榧林地土壤易氧化碳占总有机碳比例均随土层的加深而逐渐减小(表 2)。3个土层土壤易氧化碳占总有机碳比例均表现为:CF+FM处理>CF处理>CK处理,CF+FM处理较CK处理提高25.3%~78.7%,CF处理较CK处理提高19.2%~73.5%,而显著差异仅存在于表层土壤。

    %
    土层
    Soil layer/cm
    处理Treatment
    CK CF+FM CF
    0~20 10.14±0.92b 17.27±2.23a 13.10±3.47ab
    20~40 7.37±3.60a 13.17±2.00a 12.79±3.21a
    40~60 5.57±2.91a 6.98±8.08a 6.64±2.48a
    注:数据为平均值±标准差。
    Note: mean±SD.

    Table 2.  Effects of different fertilization treatments on the ratios of ROC/TOC in the soil

  • 表 3可以看出,与CK处理相比,CF处理的香榧林地3个土层土壤pH值分别降低0.61、0.59和0.67个单位,在20~40 cm和40~60 cm两个土层达到差异显著。CF+FM处理对土壤pH值有提升作用,但结果不显著。

    项目
    Item
    处理
    Treatment
    土层Soil layer/cm
    0~20 20~40 40~60
    pH CK 5.29±0.13ab 4.98±0.27a 4.81±0.12a
    CF+FM 5.82±0.27a 5.25±0.20a 4.93±0.23a
    CF 4.68±0.49b 4.39±0.35b 4.14±0.09b
    水解性氮AN/(mg·kg-1) CK 138.33±6.11b 89.67±20.21b 78.23±5.78b
    CF+FM 162.33±17.56a 156.67±10.26a 123.10±23.10a
    CF 169.67±8.74a 73.13±15.47b 70.27±22.34b
    速效钾AK/(mg·kg-1) CK 140.33±49.33b 73.93±31.95b 61.77±19.18b
    CF+FM 198.33±24.03b 78.50±17.33b 59.50±4.50b
    CF 271.33±31.09a 127.53±10.71a 126.33±17.50a
    有效磷AP/(mg·kg-1) CK 29.03±12.59b 16.30±2.77c 9.98±0.01c
    CF+FM 359.33±43.04a 282.67±24.17a 165.33±18.01a
    CF 290.33±46.46a 199.00±39.05b 103.67±14.22b

    Table 3.  Effects of different fertilization treatments on pH and available nutrient contents in the souls

  • 图 4可以看出,香榧林地土壤全氮的变化规律与土壤总有机碳变化相似。CF+FM处理可显著增加土壤全氮含量,3个土层的增幅分别为:28.0%、79.3%和67.6%。CF处理的土壤全氮含量在0~20 cm土层有所增加,在20~40 cm和40~60 cm两个土层略微减少,与CK差异均不显著。

    Figure 4.  Effects of different fertilization treatments on soil TN contents

  • CF+FM处理和CF处理可在一定程度上增加香榧林地土壤中的水解性氮和速效钾含量(表 3)。其中,CF+FM处理下的水解性氮含量较CK处理增加17.3%~74.7%,3个土层土壤结果差异均较显著;与CK处理相比,CF处理下的水解性氮含量在表层土壤提高22.7%,结果差异显著。CF+FM处理下的速效钾含量虽然得到一定程度的增加,但3个土层土壤与CK处理相比,差异均不显著;CF处理下的速效钾含量较CK处理增加72.5%~104.5%,结果差异较显著。CF+FM处理与CF处理对土壤有效磷含量的提升作用较为明显,与CK处理相比,CF+FM处理下的有效磷含量增加12.4~17.3倍,CF处理下的有效磷含量增加10.0~12.2倍。

  • 相关性分析结果表明(表 4),香榧林地土壤总有机碳、易氧化碳和轻组有机质间的相关性均达到极显著水平;三者与全氮和水解性氮的相关系数均大于0.7,达到极显著相关关系,与速效钾和有效磷间的相关性也达到显著或极显著水平;pH与全氮和水解性氮达极显著相关,与速效钾和有效磷间无显著相关性。

    相关系数
    Correlation coefficient
    TOC ROC LFOM TN AN AK AP
    TOC 1 0.839** 0.764** 0.977** 0.931** 0.471* 0.647**
    ROC 1 0.752** 0.836** 0.791** 0.509** 0.744**
    LFOM 1 0.772** 0.735** 0.482* 0.748**
    pH 0.665** 0.584** 0.062 0.267
    注:**P<0.01,*P<0.05。
    Note: **P<0.01, *P<0.05.

    Table 4.  Correlation between soil organic carbons and soil nutrients

4.   讨论
  • 土壤有机质在微生物的分解矿化作用下形成有机碳,因而土壤中有机质的输入和微生物分解之间的平衡决定了土壤有机碳的含量[14]。本研究中,CF+FM和CF处理均可提高香榧林地土壤表层有机碳含量,且表现为:CF+FM处理>CF处理>CK处理,因施有机肥直接向土壤中输送大量外源有机质,为微生物活动提供充足的能源,从而加速其对新鲜有机质的转化与固定[15-16],单施化肥处理土壤有机碳变化整体平稳,但略有上升,与张珺穜等[17]的研究结果一致,说明单施化肥条件下土壤有机碳的形成和分解基本平衡,略有积累。此外,土壤有机质主要来源于植物残体和土壤中根系的归还量,而施肥促进了植物的生长,间接地增加植株的枯落物残留和根系分泌物[18-19]。在20~40 cm和40~60 cm土层,单施复合肥处理与对照相比虽无明显差异,但数值上有减小的趋势,说明长期单施复合肥主要作用于土壤表层,对深层土壤影响较小,也可能因为长期单施复合肥在一定程度上对土壤结构造成一定的破坏作用,从而减小了土壤深层的总有机碳含量[20-21]

    土壤活性有机碳在土壤中有效性较高,容易被微生物分解利用,是植物养分的直接供应者,能够更准确地反映土壤质量和土壤肥力的变化[2]。易氧化碳可指示土壤有机质的早期变化[22],轻组有机质含有丰富的碳、氮,在碳氮循环中起着重要作用[23]。两者均可用于表征土壤活性有机碳,容易受到生物及环境条件影响,对农业管理措施(施肥、耕作措施等)十分敏感[24]。本文中,长期有机-无机配施处理显著提高香榧林地3个土层土壤易氧化碳和轻组有机质含量,而长期单施复合肥虽然也可在一定程度上增加各层土壤易氧化碳和轻组有机质含量,但与对照相比差异不显著,此研究结果与许多学者的研究结论一致[25-27]。但也有学者认为单施复合肥会加速土壤原有机碳的消耗,不利于土壤易氧化碳和轻组有机碳等活性有机碳的积累[4, 6, 28]

    活性有机碳比例可以在一定程度上反映有机碳的质量[29]。本研究中单施复合肥对香榧林地土壤易氧化碳比例也有一定的提升作用,效果虽不及有机-无机配施,但两者之间无显著差异,均在表层表现最为显著。这与张瑞等[30]、于维水等[16]的研究结果一致。但也有研究认为单施复合肥可明显降低易氧化碳的分配比例,而有机-无机配施对易氧化碳的分配比例无明显影响[31]。活性有机碳含量及其比例在不同研究中存在差异,这一现象说明活性有机碳的变化可能与土壤类型、取样时间以及施肥的种类和配比有一定关系[26]

    香榧林地土壤总有机碳、易氧化碳和轻组有机质三者间的相关性均达到极显著,说明三者之间关系密切,其原因是易氧化碳和轻组有机质含量在很大程度上依赖于土壤总有机碳含量[31],且土壤中活性有机碳与总有机碳处于动态平衡中,在一定条件下可以相互转化[32]

  • pH值是土壤肥力的影响因素之一,其变化可直接影响到土壤微生物的活动和土壤酶活性,进而对土壤有机质和土壤养分产生影响[3]。本研究中,长期施用化肥使香榧林地土壤pH明显下降,而有机-无机配施使土壤pH保持稳定或有所升高,原因可能是当化肥施入量超过植物生长所需时,会致使土壤NH4+硝化作用增强,pH值下降;也可能是由于施入化肥促进植物生长的同时,提高了植物对氮的吸收和水分利用,相对降低了土壤NO3-N的累积和淋洗[33-34]

    全氮是土壤有机质的重要组成部分,而速效养分可直接被植物吸收利用,两者均能有效地表征土壤养分状况,是研究土壤肥力的基础。本文中香榧林地土壤全氮和水解性氮变化情况与总有机碳相似,有机-无机配施处理可显著提高土壤各层全氮和水解性氮含量,单施复合肥处理可显著提升表层土壤水解性氮含量,而对表层全氮含量的提升效果不及有机-无机配施处理。这与吴崇书等[35]的研究结果相似,其原因是有机肥中含有的大量惰性有机物质可有效增加土壤全氮含量。彭畅等[36]认为单施复合肥处理而不加入有机质,有效氮含量得不到补充,就处于亏损状态,这可用于解释本文单施复合肥处理下20~40 cm和40~60 cm土层土壤全氮和水解性氮含量的降低趋势。许多学者认为有机-无机配施较单施复合肥能显著提高土壤中速效养分含量[37-38],而本研究中的有机-无机配施对土壤速效钾的提升作用较小,甚至深层土壤速效钾含量还有降低的趋势,说明恰当的配施比例才能够在植物生长的任一过程中保持充足的有效养分[39],造成这种现象的具体原因还需进一步研究。

    香榧林地土壤全氮、水解氮、有效磷和速效钾与总有机碳、易氧化碳和轻组有机质间均存在显著或极显著相关,说明它们能较好地反映长期施肥下土壤活性有机碳和土壤肥力的变化。

5.   结论
  • 研究表明,无论是单施复合肥,还是有机-无机配施处理,均可增加香榧林地土壤有机碳和土壤养分含量,但总体而言,农民惯用的有机-无机配施效果要明显优于单施复合肥,单施复合肥主要引起土壤表层物质含量的变化,而对深层土壤作用较小。

Reference (39)

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