自制多功能土壤改良剂对土壤性状及核桃生长的影响

袁耀，郭建斌，陈志豪，曹远博，于诗卓

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083,北京)

自制多功能土壤改良剂对土壤性状及核桃生长的影响

袁耀，郭建斌†，陈志豪，曹远博，于诗卓

(北京林业大学水土保持学院，水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083,北京)

采用盆栽试验，通过测定不同土壤改良剂处理条件下土壤的物理性质以及苗木的生长和生理指标，探讨土壤改良剂对土壤性质及核桃生长的影响，并利用方差分析和因子分析法，评价3种自制多功能土壤改良剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)和1种市场土壤改良剂对核桃苗木生长的作用效果。结果表明：施用土壤改良剂能提高土壤孔隙度和土壤持水能力，降低土壤密度，并能促进核桃苗木的生长，且自制多功能土壤改良剂的作用效果明显优于市场土壤改良剂；与对照和市场土壤改良剂相比，施用自制多功能土壤改良剂Ⅰ的苗木，新稍长度分别增长44.1%和36.3%，地径增长20.4%和11.6%，生物量增长32.3%和8.2%，光合速率提高35.6%和15.1%，蒸腾速率降低26.7%和15.6%——因此，自制多功能土壤改良剂Ⅰ为最优配方。

土壤改良剂； 核桃幼苗； 盆栽试验

我国黄土高原地区水土流失现象严重，水土流失在破坏土壤结构的同时也降低了土地生产力，尤其造成土壤肥力下降[1-2]，给农林业的可持续发展带来严重的影响，极大地阻碍了当地生态环境的良性循环[3]。寻求一种改善土壤结构、提高土壤肥力的技术措施已成为土壤研究领域的重要研究方向。历经数代人的研究，已存在的土壤改良剂有上千种，从天然结构土壤改良剂[4]、人工合成土壤改良剂到后来的生物土壤改良剂等，其功能也多种多样[5-6]，应用于农林业生产之后，能明显提高植物的生物量[7-8]，应用于干旱地区，能有效提高植物的抗旱性[9]，应用于盐碱地中，能提高植物的发芽率和成活率[10]、改善土壤的物理性质[11]，作用效果显著。土壤改良剂已被证实能够有效地改善土壤机械组成，提高土壤养分，缓减土壤退化，增加农林业的产量和质量[12-13]；但是，多数土壤改良剂还存在改良效果单一、应用成本过高等不足[14-15]，因此，研究低量高效、天然环保的土壤改良剂[16]对农林业的发展有重要意义。笔者将自制的3种土壤改良剂应用于核桃(Juglansregia)苗木开展试验，研究分析土壤改良剂对土壤物理性质以及对核桃苗木生长及其生理特性的影响，以期筛选出最优的自制多功能土壤改良剂类型，为我国黄土区土壤改良剂的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2013年4—10月在北京林业大学八家苗圃进行。供试苗木为山西省方山县3年生嫁接核桃苗。供试土样来源于山西省吕梁山脉的黄绵土，质地均匀，土壤密度为1.3 g/cm3，其他各项化学性质见表1。试验所用的土壤改良剂有4种，其中3种为自制多功能土壤改良剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)，它们由3种天然黏土矿物、城市生活污泥和城市生活一级污水，按照不同比例混合并采用特定的工艺加工而成。自制多功能土壤改良剂Ⅰ为：膨润土+高岭石+沸石+城市生活污泥(质量比1∶1∶1∶3)；自制多功能土壤改良剂Ⅱ为：膨润土+高岭石+沸石+城市生活污泥(质量比3∶2∶1∶6)；自制多功能土壤改良剂Ⅲ(质量比1∶2∶3∶6)；另外1种为市场上购买的土壤改良剂，购于河北润土矿业，主要由蛭石粉构成，该土壤改良剂为天然无毒矿物，在高温下易膨胀,能改善土壤的孔隙度及通透性，从而影响植物生长。自制多功能土壤改良剂中的天然黏土矿物无毒无害，所选用的城市生活污水符合GB 20922—2007《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》标准，城市生活污泥符合GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》标准；因此，产品是安全的，具有生态、环保性，是种多功能土壤改良剂。

1.2 试验设计

采用盆栽对比试验，选用26 cm(内径)×30 cm(高)的花盆进行试验，共设置5个不同的处理(A、B、C、D、CK)，分别添加不同质量的土壤改良剂：自制多功能土壤改良剂Ⅰ300 g，自制多功能土壤改良剂Ⅱ300 g，自制多功能土壤改良剂Ⅲ300 g，市场土壤改良剂300 g，对照不添加土壤改良剂。土壤改良剂的添加量占土壤基质的6%[14]，盆中基质总质量为5 kg，每个处理设置5个重复，对照试验设计见表2。选取长势相近的3年生核桃幼苗进行栽植，并浇水，之后每隔1个月浇水1次，使每次浇水后土壤含水率达到55%左右。

表1 供试土壤的基本化学性质

表2 试验设计

1.3 土壤物理指标的测定

土壤物理指标包括土壤密度、相对体积质量、土壤孔隙度和土壤含水率。土壤密度、相对体积质量、土壤孔隙度是衡量土壤物理性质的重要指标，相对体积质量的大小受土壤固相组成物质的种类和相对含量的影响，土壤密度反应了土壤质地和紧实程度，而孔隙度和非毛管孔隙比直接影响土壤养分和水分的扩散[17]。土壤密度和孔隙度采用环刀法测定。相对体积质量采用排水称重法测定。土壤含水率使用便携式土壤水分测定仪RQ-SQ01测定，在其2次浇水期间内每隔7天测定一次。

1.4 植物生长指标的测定

植物生长指标包括核桃苗木的新稍长度、地径和生物量。其中核桃苗木的新稍长度、地径在其生长季内每隔15 d测量一次。生物量为一个生长季内植物有机物的积累值，其计算公式为

W=W1-W2。

式中：W为核桃苗的生物量，g；W1为生长季结束后核桃苗的鲜质量，g；W2为栽植前核桃苗的鲜质量，g。

1.5 植物生理指标的测定

选择7—9月的晴天，采用LI-6400型便捷式光合测定系统测定苗木光合速率、蒸腾速率和气孔导度。采用美国产的Psypro露点水势仪测定苗木的叶水势，从08:00—18:00，每隔2 h测定一次，每月测定2次。采用SPAD-502叶绿素仪测定苗木叶绿素质量分数。

1.6 数据分析

应用Excel2007、Origin8.0、SPSS18.0软件分析处理观测所获得的数据。应用Excel2007、Origin8.0软件对不同处理下土壤物理性质的指标进行处理分析；应用SPSS18.0软件对不同处理下核桃苗木的生长指标(新稍长度、地径、生物量)和生理指标(叶水势、叶绿素、光合速率、蒸腾速率和气孔导度)进行方差分析、多重比较和因子分析[18]，其中生长指标选取生长季末的测量均值，生理指标选取生长旺盛期的测定均值。

2 结果与分析

2.1 不同土壤改良剂对土壤物理性质的影响

不同处理土壤物理性质测定结果见表3。可以看出，添加土壤改良剂的处理，其相对体积质量和土壤密度较对照都有明显的降低，与对照CK相比，处理A的相对体积质量和土壤密度分别降低13.9%和19.7%，与处理D相比，处理A的相对体积质量和土壤密度分别降低10.2%和14.1%，而土壤孔隙度与土壤密度呈负相关，土壤密度越小，孔隙度越大，不同处理下土壤孔隙度大小依次为A>C>D>B>CK，其中处理A的土壤孔隙度较对照CK增加27.2%，非毛管孔隙比的变化规律与孔隙度相似，且各处理之间差异显著，以处理A的作用效果最佳。这主要是由于土壤改良剂中包含多种矿物质，形成较强的静电场，添加后可以把周围较细的黏土颗粒吸附过来，聚成小团块，使得水稳性团聚体数量较对照明显增加[19-20]，从而使孔隙度增大，土壤密度减小，导致土壤的透水性和透气性增强。此结果表明，自制多功能土壤改良剂Ⅰ在改善土壤物理性状方面具有明显优势。

表3 不同处理土壤物理性状的测定结果

注：小写字母表示用LSD多重比较法分析得出的不同处理间差异显著情况(P<0.05)，小写字母相同表示差异不显著，小写字母不同表示差异显著，下同。Note: Lowercase letters stand for significant difference among different treatments by using LSD multiple comparison method atP<0.05, the same lowercase letter means no significant difference and the different lowercase letters mean significant difference. The same as below.

植物生长与土壤水分含量密切相关，土壤水分不仅是植物生长的必备物质，还能溶解土壤中的化合物，有利于植物对土壤养分的吸收。在其他外界条件一致的情况下，土壤含水率越高说明土壤改良剂对提高土壤持水性越强。不同处理下土壤含水率变化情况见图1。从整体看：土壤含水率在浇水之后的30 d内呈下降趋势，施用土壤改良剂的处理，其土壤含水率均高于对照；从变化幅度分析，A、B、C、D、CK各处理分别下降26.7%、31.7%、29.2%、31.1%、37.7%，下降程度表现为A

图1 不同处理对土壤含水率的影响(1个浇水周期)Fig.1 Effects of different treatments on soil moisture content (one watering cycle)

2.2 不同土壤改良剂对核桃苗木生长的影响

2.2.1 对核桃苗木生长指标影响的差异性 不同土壤改良剂处理对核桃苗木生长指标差异性分析结果见表4。可知：不同处理核桃苗新稍长度表现为A>C>B>D>CK，其中处理A高出对照44.1%，处理C高出对照28.1%，与处理D相比，处理A高出36.3%，多重比较发现，处理D与处理B、D、CK差异不显著，其余处理两两差异显著；不同处理核桃苗地径大小表现为A>C>D>B>CK，其中与对照相比，处理A、C分别高出20.4%和18.9%，多重比较结果显示，处理A与C差异不显著，与处理B、D、CK差异显著，处理C与处理B、D、CK差异显著，处理B、D、CK之间差异不显著；不同处理核桃苗生物量累积量顺序为A>D>B>C>CK，处理A高出对照32.3%，处理D高出对照22.4%，多重比较表明，处理B与C差异不显著，其余处理之间差异显著。因此，就核桃苗木的生长特性而言，处理A的促进作用最为明显，即自制多功能土壤改良剂Ⅰ的作用效果最好，说明施用土壤改良剂能对核桃苗木的生长产生促进作用，这与蒋坤云等[21]对柽柳(Tamarixchinensis)的研究结果相一致。当自然条件相同的情况下，唯一差异因素是土壤改良剂，因此，土壤改良剂是造成植物生长差异的主要原因。土壤改良剂的加入，有效改善了土壤的通透性和持水能力，并且土壤改良剂带有较多的电荷离子，能较好的进行离子交换[22-23]，提高土壤养分元素的利用率，加速植物的生长发育。

2.2.2 对核桃苗木生理指标影响的差异性 不同土壤改良剂处理对核桃苗木生理指标差异性分析结果见表4。从不同处理核桃苗木的叶绿素来看，各处理之间差异不显著；从叶水势来看，表现为C>A>D>B>CK，通过多重比较可知，处理A与C差异不显著，与其他3种处理差异显著；处理C与处理B、D、CK差异显著；处理B与D差异不显著，与对照差异显著;处理D、CK之间差异显著。从光合、蒸腾速率来看，由多重比较可知，处理A与B、C差异不显著，与处理D、CK差异显著；处理B与CK差异显著，与处理C、D差异不显著；处理C与D、CK差异显著；处理D与CK差异显著。从气孔导度来看，表现为B>A>C>D>CK，通过多重比较可知，处理A与B差异不显著，与C、D、CK差异显著；对照与处理C、D差异显著；处理C、D之间差异不显著。总体来说，施用土壤改良剂明显优于对照，其中处理A较对照光合速率提高35.6%，气孔导度提高24.4%，蒸腾速率降低26.7%；而与处理D相比，处理A的光合速率提高13.2%，气孔导度提高10.9%，蒸腾速率降低15.6%，表明处理A的作用远高于对照，说明自制多功能土壤改良剂Ⅰ的作用效果最为明显。

表4 不同处理核桃苗木生长和生理指标均值

注：表中数字由平均值±标准差组成。Note: The data of table is mean ± standard deviation.

2.2.3 核桃苗木生长和生理指标综合因子分析 采用SPSS软件对核桃苗木的8个生长和生理指标进行因子分析，新稍长度、地径、生物量、叶水势、叶绿素、光合速率、蒸腾速率和气孔导度分别用X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8表示。求得第1因子(主成分)特征值5.78，方差贡献率72.3%，是最重要的主成分；第2因子(主成分)的特征值1.66，方差贡献率20.7%，是次重要的主成分。二者累积方差贡献率达到93%，大于85%的方差贡献率基准值，所以，选取这2个特征值建立旋转因子载荷阵[24](表5)。第1因子中，新稍长度、地径、生物量、叶水势、光合速率和蒸腾速率占有较大载荷，第2因子中，叶绿素和气孔导度占有较大载荷。

根据因子得分系数(表5)，得到2个因子由各变量表示的线性组合关系:

F1=0.203X1+0.251X2+0.133X3+0.218X4-
0.173X5+0.129X6+0.143X7-0.013X8,
F2=-0.083X1-0.210X2+0.077X3-0.115X4+
0.547X5+0.135X6+0.096X7+0.377X8。

根据以上公式，计算出第1因子和第2因子的因子得分值(因子得分系数与原始变量标准化的乘积)，结果见表6。根据第1因子对不同处理进行评价，因子得分表现为A>C>D>B>CK，其中处理A、C的因子得分为正，表明对核桃苗木的生长有促进作用，且处理A的作用效果优于处理C的作用效果，处理B、D、CK的因子得分为负，说明对核桃苗木的生长影响不显著；根据第2因子对不同处理进行评价，因子得分依次为B>D>A>CK>C，其中处理B的因子得分为正，表明对核桃苗木的生长有促进作用，其他处理的因子得分为负，表明对核桃苗木生长作用不明显。

表5 旋转后因子载荷矩阵

根据第1因子和第2因子的因子得分值以及贡献率，求得不同处理的综合得分值如表6。可以看出，综合得分表现为A>C>B>D>CK，说明施用土壤改良剂对核桃苗木的生长有促进作用，而且3种自制多功能土壤改良剂优于市场改良剂，其中自制多功能土壤改良剂Ⅰ的作用效果最佳，这与观测指标的结果相符。

表6 不同处理的评选结果

3 讨论

在添加土壤改良剂之后，不同处理的相对体积质量和土壤密度均减小，与对照相比，自制多功能土壤改良剂Ⅰ的相对体积质量降低13.9%，土壤密度降低 19.7%，而土壤孔隙度增加27.2%，这与张宾宾等[25]研究结果一致。此外，与对照相比，添加土壤改良剂之后，土壤含水率下降减缓，说明土壤持水能力和供水水平增强，提高了水分利用率，而李志洪等[14]研究结果显示土壤改良剂对含水率作用不明显，可能是土壤基质不同所致。自制多功能土壤改良剂对改善土壤物理性质具有一定的效果，有利于提高土壤的保水保肥能力，从而影响植物生长。

通过对不同土壤改良剂的对比分析得出，添加土壤改良剂有利于核桃苗木的生长，能够显著提高核桃苗木的新稍长度、地径及生物量，这与王文静等[3]研究结果相似。此外，土壤改良剂的使用提高了核桃苗木的光合速率，降低了核桃苗木的蒸腾速率；但对叶绿素含量影响不大，其中自制多功能土壤改良剂Ⅰ的作用效果最好。王志玉等[7]对MDM改良剂的研究试验，证明土壤改良剂提高了植株的生物量；而本研究的自制多功能土壤改良剂能有效改善植物的生理特性，光合作用增强、蒸腾作用减弱，有利于半干旱区植物的生长和存活，具有一定应用价值。

由于试验采用盆栽方法，与植物生长的自然环境还是有一定的差别，因此，研究结论可能存在一定的局限性；但是，由矿物质材料、城市生活污泥、城市生活污水等制成的土壤改良剂的使用，对探索环保复合型土壤改良剂有一定的指导作用，具有社会环境效益。

4 结论

1)本研究的自制多功能土壤改良剂能改善土壤结构，提高土壤保水保肥水平，影响植物光合作用和蒸腾作用，从而促进植物生长，提高土地生产能力，具有多重功效。

2)根据因子分析结果，综合评定出的最佳配方是自制多功能土壤改良剂Ⅰ，其次是自制多功能土壤改良剂Ⅲ、自制多功能土壤改良剂Ⅱ，并且3种自制多功能土壤改良剂的作用效果均优于市场土壤改良剂。

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(责任编辑：宋如华)

Effects of self-made multifunctional soil conditioners on soil properties and the growth ofJuglansregia

Yuan Yao, Guo Jianbin, Chen Zhihao, Cao Yuanbo, Yu Shizhuo

(School of Soil and Water Conservation，Key Lab. of Soil & Water Conservation and Desertification Combating of Ministry of Education, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

A pot experiment was conducted to explore the effects of soil conditioners on soil properties and growth ofJuglansregiaseedlings, through the determination of soil physical properties and the indexes of growth and physiological onJ.regiaseedlings with different treatments. The effects of three self-made multifunctional soil conditioners (Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ) on the growth ofJ.regiaseedlings were compared with an ordinary soil conditioner by using variance analysis and factor analysis on soil physical properties and the physiological indicators. The results showed that the application of soil conditioner could significantly improve soil porosity and soil water holding capacity, decrease soil bulk density, and promote the growth ofJ.regiaseedlings. Soil conditioners had significant influences on soil properties and growth ofJ.regiaseedlings. The effects of self-made multifunctional soil conditioners were better than the ordinary soil conditioner. The length of shoots treated with self-made multifunctional soil conditioner Ⅰ was 44.1% higher than that of the control group and 36.3% higher than that of the ordinary soil conditioner. Compared with the control group and the ordinary soil conditioner, the ground diameter of self-made multifunctional soil conditioners Ⅰ increased by 20.4% and 11.6%, and the biomass of self-made multifunctional soil conditioners Ⅰ increased by 32.3% and 8.2% ，and the photosynthetic rate of self-made multifunctional soil conditionerⅠ increased by 35.6% and 15.1%, while the transpiration rate of self-made multifunctional soil conditionerⅠdecreased by 26.7 % and 15.6%, respectively. Hence, the self-made multifunctional soil conditioner Ⅰcan be used as the optimal formula. This study had a certain guiding function for exploring soil conditioner of environmental protection composite.

soil conditioner;Juglansregiaseedlings; pot experiment

2014-06-20

2015-03-20

项目名称： “948”国家林业局引进国际先进林业科学技术项目“天然高效环保土壤改良剂及应用技术引进”(2008-4-44)

袁耀(1990—)，男，硕士研究生。主要研究方向：生态环境工程与水土保持。E-mail: yuany221@126.com

†通信作者简介： 郭建斌(1962—)，男，博士，教授。主要研究方向：生态环境工程与林业生态工程。E-mail: jianbinguo@bjfu.edu.cn

S156.2

A

1672-3007(2015)03-0069-07