有机肥对高速公路建设损毁土地土壤肥力的修复及类芦生长的响应

袁中友，吴家龙，刘 青，杨淇钧，戴 军

(1.华南农业大学 公共管理学院，广东 广州 510642；2.农业部耕地保育重点实验室，国土资源部建设用地再开发重点实验室，广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州 510642；3.华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642)

有机肥对高速公路建设损毁土地土壤肥力的修复及类芦生长的响应

袁中友1，2，吴家龙2，3，刘 青2，3，杨淇钧2，3，戴 军2，3

(1.华南农业大学 公共管理学院，广东 广州 510642；2.农业部耕地保育重点实验室，国土资源部建设用地再开发重点实验室，广东省土地利用与整治重点实验室，广东 广州 510642；3.华南农业大学 资源环境学院，广东 广州 510642)

为研究短期内不同施肥处理对高速公路工程建设损毁土地的土壤肥力修复作用，以类芦为研究对象进行温室盆栽试验。结果表明：蚓粪和牛粪处理较化肥和对照处理土壤容重显著降低，土壤pH值、土壤孔隙度、田间持水量、有机质和全氮含量显著增大(P<0.001)；施蚓粪和牛粪处理，类芦干质量、株高、分蘖数、根系总根长、根表面积、根体积和根均直径以及植株氮、磷、钾养分累积量都显著高于施化肥和对照处理(P<0.05)；单施化肥抑制了类芦生长，类芦生长特征和植株氮、磷、钾养分累积量都较对照差；施牛粪和施经蚯蚓处理牛粪产生的蚓粪对土壤理化综合质量的影响差异不大，但蚓粪比牛粪能有效促进类芦植株分蘖和根系发育。短期内，施蚓粪和牛粪比施化肥能显著改善高速公路工程建设损毁土地的土壤物理性状，提升土壤理化综合质量并促进作物生长，施有机肥，特别是施蚓粪是快速修复高速公路工程建设损毁土地的土壤肥力的有效方式。

有机肥；高速公路；损毁土地；土壤肥力；土壤修复；类芦

高速公路建设推动了地区经济的发展，但也临时占用和损毁了大量土地资源，根据《土地复垦条例》，需要对临时占用和损毁的土地进行复垦利用。但由于高速公路工程建设严重损毁了临时用地的土壤肥力，致使土地复垦的效果一直较差。土壤条件是土地复垦和植被重建取得良好效果的基础[1]，长期以来，如何快速修复受损土壤一直是土地复垦技术革新的动力和方向[2]。施肥，特别是施有机肥是修复受损土壤、恢复土壤结构和肥力最常用的方法。但当前对施有机肥，特别是施蚓粪等对土壤改良的研究，大多存在施肥量过大问题，现有研究蚓粪施用量多为土壤重量的10%，20%[3-5]，有的达到40%，60%和80%[6-7]，甚至100%为蚓粪。研究发现，10%蚓粪施用量显著降低了土壤呼吸速率[3]，15%施用量使白菜幼苗生长受到抑制[4]，20%施用量使玉米株高显著降低[5]，60%施用量使番茄植株生长受到抑制，产量和品质显著下降等[6-7]。表明施肥量过大不但给土壤和环境带来不利影响，还会抑制作物生长。

为此，本研究以高速公路工程建设损毁赤红壤为研究对象，探讨有机肥低施用量短期内对土壤理化综合质量的影响及类芦生长的响应，以期为快速修复工程建设损毁土壤、促进损毁土地的复垦利用和生态重建提供依据。

1 材料和方法

1.1供试材料

采集野生成熟类芦种子，播种于河沙基质苗床中培养，待幼苗长至高约15 cm时，从苗床中取出，随机选取16组株高、鲜质量、分蘖数均无显著差异的幼苗(P0.05)，备用。

化肥为尿素、过磷酸钙和氯化钾，其中，尿素(分析纯)，含N 46.67%；过磷酸钙，含磷(P2O5)17.5%；氯化钾，含钾(K2O)63.09%。施用量按照蚓粪氮、磷、钾养分含量折算后，按氮、磷、钾等量原则投入。

土壤采自用作高速公路工程建设临时用地后被破坏的赤红壤，样品经自然风干，过5 mm筛，备用。牛粪取自华南农业大学养牛场新鲜牛粪，自然风干、粉碎，过2 mm筛，备用。蚓粪为华南农业大学土壤与生态实验室自制牛粪喂养的赤子爱胜蚓粪，自然风干、研磨，过2 mm筛，备用。供试土壤、牛粪和蚓粪基本理化性质见表1。

表1 土壤、牛粪和蚓粪的基本理化性质Tab.1 Basic physicochemical properties of soil，cattle manure and vermicompost

1.2试验方案

试验共设4个处理，4次重复，分别为：空白土壤(CK)、与蚓粪等氮、磷、钾含量的化肥(HF)、牛粪(NF)和蚓粪(YF)。称取3 000 g过5 mm筛风干土，混合肥料后装于4 L的塑料盆中，其中，有机肥作为底肥一次性施入，化肥按照4∶3∶3比例分3次施入，作为底肥施入40%，类芦生长期间追肥2次，各施入30%。土壤装盆后浇水至60%饱和持水量，静置5 d后移苗，每盆植入植株幼苗2株，计时培养90 d。各处理见表2。

1.3试验方法

1.3.1 土壤物理性质测定 采用电导率仪法测土壤电导率(1∶5土水质量体积比)；环刀法测土壤容重和孔隙度；威尔科克斯法测土壤田间持水量。

表2 处理及肥料施用量 Tab.2 Treatments with different fertilizers g

1.3.2 土壤化学性质测定 土壤pH值用pH计电位法(1∶2.5土水质量体积比)测定；有机质用重铬酸钾容量法测定；全氮用开氏消煮法测定；全磷用NaOH熔融—钼锑抗比色法测定；全钾用NaOH熔融—火焰光度法测定；碱解氮用碱解扩散法测定；速效磷用钼锑抗比色法测定；速效钾用NH4OAc浸提—火焰光度法测定。

1.3.3 类芦指标测定 在类芦移栽后，每隔15 d，即在15，30，45，60，75，90 d时记录植株生长情况，分别测定株高、叶绿素SPAD值和分蘖数。株高用卷尺法测定；叶绿素用SPAD-502叶色测量仪测定，以SPAD值表示；分蘖数采用人工计数法测定。

培育结束时，将类芦地上(地表1 cm以上)和地下部分开收割。类芦根系指标测定，先用 EPSON EU-22 型根系扫描仪对类芦根样进行扫描，再用Win RHIZO根系分析系统软件对扫描的根系图片进行分析，得到类芦的根长、根表面积、根体积和根均直径。植株样品105 ℃杀青30 min后，70 ℃烘干至恒重，分别测定地上和地下部干质量。植株全氮用凯氏定氮法测定；全磷用钒钼黄比色法测定；全钾用火焰光度法测定。

1.4数据处理

利用SAS 9.0 软件对不同施肥处理土壤理化性质指标和类芦生长指标进行多重比较分析，显著性水平取α=0.05。利用R(ADE-4)[8]软件对不同施肥处理土壤综合质量以及类芦生长指标的差异进行主成分分析和判别分析，显著水平用α=0.001表示。图表中的数据均为各测定数据的平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1不同施肥处理对类芦生长特征的影响

2.1.1 对类芦株高、分蘖数和叶绿素SPAD值的影响 对类芦植株株高的影响：在同一培育期内，不同施肥处理类芦株高差异明显(图1)。培育初期(30 d)，HF、NF和YF处理分别较CK增加了16%，16%和17%。培育中期(60 d)，HF、NF和YF处理类芦生长迅速，与CK相比株高分别增加了20%，35%和34%。培育结束时(90 d)，NF和YF处理较CK分别增加了18%和18%，但施化肥处理由于追肥导致轻微烧苗现象，致使类芦生长缓慢，反而比CK降低了10%。

图1 15～90 d不同处理类芦株高的变化Fig.1 The change of different treatments on plant height of Neyraudia reynaudiana in 15-90 days

对类芦分蘖数的影响：在同一培育期内，不同施肥处理类芦分蘖数差异较大(图2)。培育初期(30 d)，NF和YF处理分蘖数分别较CK增加了100%和300%，但HF处理比CK降低了100%。培育中期(60 d)，HF、NF和YF处理类芦分蘖迅速，分蘖数较CK分别增加了14%，43%和71%。培育结束时(90 d)，NF和YF处理分蘖数较CK分别增加了155%和209%，但HF处理由于追肥导致烧苗，致使类芦分蘖缓慢，分蘖数反而比CK降低了9%。

图2 15～90 d不同处理类芦分蘖数的变化Fig.2 The change of different treatments on tiller number of Neyraudia reynaudiana in 15-90 days

对类芦叶绿素SPAD值的影响：在同一培育期内，不同施肥处理类芦SPAD值差异明显(图3)。培育初期(30 d)，全部施肥处理类芦叶绿素SPAD值均较CK有所提高，HF、NF和YF处理叶绿素SPAD值分别增加了22%，9%和26%。培育中期(60 d)，HF、NF和YF处理类芦生长迅速，叶绿素SPAD值分别较CK增加了9%，8%和19%。培育结束时(90 d)，HF、NF和YF处理叶绿素SPAD值较CK分别增加了3%，14%和12%。

图3 15～90 d不同处理类芦SPAD值的变化Fig.3 The change of different treatments on SPAD of Neyraudia reynaudiana in 15-90 days

2.1.2 对类芦生物量和养分累积量的影响 不同施肥处理，类芦地上和地下部干质量以及氮、磷、钾养分累积量与CK差异极显著(P<0.000 1，表3)。

NF和YF处理类芦地上和地下部干质量以及氮、磷、钾养分累积量显著高于CK；HF处理地上和地下部干质量以及氮、磷、钾养分累积量与CK差异大多不显著。NF和YF处理除类芦地上部钾累积量和地下部生物量差异极显著外，地上部生物量、地上部氮和磷累积量以及地下部氮、磷和钾累积量差异均不显著。不同施肥处理类芦地上和地下部生物量以及氮磷钾养分累积量大致呈现YFNFHF的趋势。

2.1.3 对类芦植株根系形态学特征的影响 不同施肥处理类芦根系总根长、根均直径、根表面积和根体积差异极显著(P<0.001，表4)。NF和YF处理类芦根系总根长、根均直径、根表面积和根体积显著高于HF和CK处理；YF处理类芦根系总根长、根均直径、根表面积和根体积显著高于NF处理；HF处理类芦根系总根长和根表面积均显著低于CK。不同施肥处理类芦根系总根长、根均直径、根表面积和根体积大致呈现YFNFHF的趋势。

表3 不同处理类芦生物量和养分累积量Tab.3 Biomass and nutrients of Neyraudia reynaudiana in different treatments

注：表中同一项目同列不同字母表示处理间差异在P<0.05水平显著。表4-5同。

Note：Different letters in the same column meant significant difference among treatment at 0.05 level.The same as Tab.4-5.

表4 不同处理对类芦根系形态学特征的影响Tab.4 Effects of different treatments on the morphological features of Neyraudia reynaudiana root

2.2不同施肥处理对土壤理化性质的影响

除全钾含量外，不同施肥处理土壤理化性质差异极显著(P<0.001，表5)。NF和YF处理土壤容重显著低于CK，而土壤孔隙度、田间持水量、电导率、pH值以及有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷和速效钾含量均显著高于CK；而HF处理和CK的差异主要体现在化学性质方面，HF处理土壤电导率和土壤碱解氮、全磷、速效磷和速效钾养分含量显著高于CK；NF和YF处理土壤孔隙度、田间持水量、pH值以及有机质和全氮含量显著高于HF处理，但土壤电导率、全磷、速效磷和速效钾含量却显著低于HF处理；YF处理电导率以及全氮、速效磷和速效钾含量养分含量显著高于NF处理。

表5 不同处理对土壤理化性状的影响Tab.5 Effects of different treatments on soil physical-chemical properties in different treatments

2.3不同施肥处理对土壤理化性状的综合影响

对不同施肥处理土壤理化性质综合变化进行主成分分析结果显示，第一主成分(PC1)累计方差贡献率为52.01%，第二主成分(PC2)累计方差贡献率为37.97%，第一、二主成分累计方差贡献率达到89.98%，可以反映不同处理对土壤理化性质综合影响的绝大部分信息，受第一、二主成分的综合影响，不同施肥处理样点空间分布差异极显著(P<0.001，图4)。

PC1和PC2的空间载荷图表明：第一主成分(PC1)主要与土壤容重、孔隙度、田间持水量、电导率、pH、有机质、全氮和速效钾等理化性质参数密切相关(图4-A)，受第一主成分理化性质参数的影响，不同处理样点空间分布差异极显著，YF和NF处理样点显著向土壤容重减小，孔隙度、田间持水量增大，pH升高，土壤有机质和全氮含量增多方向偏移，而HF处理则显著偏向土壤容重增大，孔隙度和田间持水量减小，pH值降低，电导率增强，速效钾等速效养分含量增多方向(图4-B)。表明施有机肥能显著改善土壤物理质量，提升土壤养分供应能力，提高土壤综合质量。而施化肥仅能迅速提高土壤养分供应强度，不利于土壤理化综合质量的提升。第二主成分主要与土壤全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾等理化性质参数密切相关(图4-A)，受第二主成分理化性质参数的影响，施肥处理与CK处理样点空间分布差异极显著，施肥处理样点显著向土壤全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾养分含量增多方向偏移(图4-B)，表明无论施化肥还是施有机肥都能迅速提高土壤养分供应强度。

图4 不同处理土壤理化综合质量主成分分析结果Fig.4 Principal component analysis of soil physico-chemical in different treatments

2.4不同施肥处理对类芦植株生长及养分累积量影响的综合分析

对不同施肥处理类芦植株生长及养分累积参数的综合影响进行主成分分析结果显示，第一主成分(PC1)累计方差贡献率为86.83%，第二主成分(PC2)累计方差贡献率为6.67%，第一、二主成分累计方差贡献率高达93.50%，可以充分反映不同处理对类芦植株生长及养分累积量综合影响的绝大部分信息，受第一、二主成分的综合影响，不同施肥处理样点空间分布差异差极显著(P<0.001，图5)。

PC1和PC2的空间载荷图表明：第一主成分(PC1)主要与类芦植株株高、分蘖数、叶绿素SPAD值、总根长、根表面积、根体积、根均直径、地上和地下部干质量、地上和地下部氮、磷、钾养分累积量等植株生长及养分累积量绝大部分参数密切相关(图5-A)。不同处理类芦植株生长特征和养分累积量的差异主要受第一主成分的影响，大致沿第一主成分方向线性分布，不同处理样点被显著区分(图5-B)，YF和NF处理样点显著向类芦株高、分蘖数等生长特征突出，根系根均直径、根表面积和根体积变大，总根长增长，植株地上和地下部生物量增大，氮、磷、钾养分累积量向增多方向偏移。而HF处理在空间分布上显著偏向反方向，表明可能由于肥效释放过快抑制了类芦生长的原因，类芦植株生长特征和养分累积量远低于施有机肥处理，甚至低于不施肥的CK处理。

图5 不同处理类芦生长和养分累积参数的主成分分析Fig.5 Principal component analysis on plant growth and nutrient accumulation of Neyraudia reynaudiana

3 讨论与结论

3.1不同施肥处理对土壤理化性质的影响

研究结果显示，与CK相比，NF和YF处理，土壤容重显著降低，孔隙度、田间持水量和电导率显著提高，而HF处理，除电导率显著增大外，其他物理性状指标都与NF和YF处理呈相反的变化趋势。这与前人发现施有机肥比施化肥能显著降低土壤容重[5]，增大土壤总孔隙度[9]，提高土壤水稳性团聚体稳定性，增强土壤的持水能力结果一致[10]。这是因为蚓粪和牛粪有机质含量高，能促进土壤团粒结构的形成，提高了土壤的通透性、保水性和保肥性，改善了土壤物理性状[11]。研究结果显示，HF处理土壤电导率远高于YF和NF处理。原因在于施化肥比施有机肥能显著提高土壤盐分[12]，致使施有机肥处理土壤电导率远低于施化肥处理[13]。

研究结果显示，无论是施有机肥还是施化肥处理，土壤全氮、全磷、全钾以及碱解氮、速效磷和速效钾含量都较CK显著增大，但YF和NF处理土壤pH值较CK显著提高，而HF处理土壤pH值较CK显著降低。这与前人研究发现施蚓粪和牛粪等显著提高了土壤有机质和全氮[13-15]、氮、磷、钾速效养分含量[16]，降低了土壤酸度，显著提高了土壤pH值[14，17-18]，单施化肥虽然可以提高土壤速效养分含量，但会导致土壤酸化结果一致[19]。原因在于蚓粪和牛粪中富含有机质和氮、磷、钾，施蚓粪和牛粪都能提高土壤有机质、全氮、全磷和全钾含量。添加化肥处理土壤pH显著低于添加蚓粪和牛粪处理，原因在于添加的牛粪和蚓粪偏中性和碱性，对酸性土壤起到一定的中和作用，而添加化肥则会导致土壤更加酸化。此外，有机肥中的有机质在矿化分解过程中会产生大量的有机酸和腐殖质，并与土壤发生配位体交换，也能降低土壤酸度[20]。研究结果显示牛粪和蚓粪处理土壤中全钾含量与化肥处理差异不显著。这是因为有机肥中钾多呈无机态存在，有效性高，对作物效果和化学钾肥基本一样[21]。

3.2不同施肥处理对类芦生长特征和养分累积量的影响

对类芦植株地上部生长特征及养分累积量的影响：研究结果显示，NF和YF处理，类芦植株株高、叶绿素SPAD值、分蘖数、地上部干质量以及地上部氮、磷、钾养分累积量都显著高于HF和CK处理。这与前人发现施有机肥比施化肥能显著提高作物生物量[14，22]和氮、磷、钾养分累积量[5，23]，促进类芦[22]和水稻[23]等作物分蘖结果一致。土壤有机质含量与土壤养分储存和释放供应能力、缓冲性能、结构状态、水、肥、气、热状况及其他一系列理化和生物性质密切相关[24]，在等N、P、K养分条件下，施有机肥比施化肥能显著提高土壤有机质含量，既能快速提高土壤养分供应强度，也能提高养分供应容量，单施化肥虽然能快速提高土壤养分供应强度，但由于肥效释放缓冲能力差，致使肥效释放过快，反而抑制了作物生长，在同等肥力条件下甚至会导致作物烧苗死亡[14，22]。研究结果显示，YF和NF处理类芦绝大部分地上部生长和养分累积指标差异不显著，表明施牛粪和经蚯蚓处理牛粪后产生的蚓粪对作物生长的影响差异不大。但施蚓粪比施牛粪能有效促进类芦植株分蘖，这与前人发现施蚓粪比施牛粪炭更能促进黑麦草分蘖结果一致[25]，这可能与蚓粪比牛粪更能迅速提高土壤全氮、速效磷和速效钾养分含量，并促进类芦植株分蘖有关，这有待进一步研究。

对类芦植株地下部生长特征及养分累积量的影响：研究结果显示，NF和YF处理类芦根系总根长、根均直径、根表面积和根体积显著高于HF处理。这与前人发现施有机肥比施化肥处理能显著促进类芦根系生长结果一致[22]。也与前人研究发现施有机肥比施化肥能显著促进豌豆根系生长[26]，提高白菜根长、根尖数、根表面积、根体积和根均直径结果类似[4]。植株根系的生长发育和土壤肥力、土壤质地等密切相关，根系形态能指示土壤养分含量的变化[27]。施有机肥既能提高土壤的有机质含量，也能改善土壤容重和孔隙度等物理性状[28]，这有利于作物根系的下扎，促进肥料转化和根系对土壤养分的吸收[29]，从而促进了作物根系的生长。研究结果显示，CK处理除根均直径小于HF处理外，根系总根长、根表面积和根体积均显著大于HF处理。这是因为土壤中氮素过量会抑制作物根系生长发育[30]，而类芦具有极强的耐贫瘠能力，在土壤养分贫乏情况下，会通过自身根系形态的变化，增大根系-土壤接触面以提高根系吸收能力，增强耐贫瘠的能力[31-32]。研究结果显示，YF处理类芦根均直径显著高于NF处理，这可能因为蚓粪中含有促根作用的植物激素等[32]，这种促根作用可能是多种生物活性物质综合作用的结果[33]。但与赵海涛等[34]发现蚓粪基质不利于辣椒幼苗根径变粗结果不一致。赵海涛等[34]认为可能是蚓粪中可溶性盐等营养元素含量太高，抑制了叶片叶绿素的合成以及根系的发育。

短期内，施蚓粪和牛粪比施化肥能显著改善土壤物理性状，提升土壤理化综合质量。施蚓粪和牛粪后，土壤容重显著降低，土壤pH值、土壤孔隙度、田间持水量、有机质和全氮含量显著增大，改善了土壤结构，提升了土壤保水、保肥和透气能力，土壤理化综合质量显著提高。

短期内，施蚓粪和牛粪比施化肥能显著促进类芦生长和植株氮、磷、钾养分累积。施蚓粪和牛粪处理，类芦植株干质量、株高、分蘖数、根系总根长、根表面积、根体积和根均直径都优于CK处理，类芦植株生物量、植株氮、磷、钾养分累积量都显著高于CK处理。单施化肥反而抑制了类芦生长，植株生长特征较CK处理差。

短期内，施有机肥比施化肥更能促进高速公路工程建设损毁土地的土壤肥力修复并促进作物生长。施牛粪和施经蚯蚓处理牛粪后产生的蚓粪对土壤理化综合质量的影响差异不大，但蚓粪比牛粪能有效促进类芦植株分蘖和根系发育。

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EffectsofOrganicFertilizeronRepairingFertilityofSoilDegradedbyHighwayConstructionandGrowthofNeyraudiareynaudiana

YUAN Zhongyou1，2，WU Jialong2，3，LIU Qing2，3，YANG Qijun2，3，DAI Jun2，3

(1.College of Public Management，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China;2.Key Laboratory of Arable Land Conservation of Ministry of Agriculture，Key Laboratory of the Ministry of Land and Resources for Construction Land Transformation，Guangdong Province Key Laboratory of Land Use and Consolidation，Guangzhou 510642，China; 3.College of Natural Resources and Environment，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)

The effects of short-term different fertilizing treatments on repairing fertility of soil degraded by highway construction and growth ofNeyraudiareynaudianawere studied by greenhouse pot experiment withNeyraudiareynaudiana.The results showed：vermicompost and cattle manure treatment，compared with chemical fertilizer and contrast treatment，significantly decreased the soil bulk density and increased soil pH value and soil porosity，field moisture capacity，organic matter and total nitrogen (P<0.001); under the vermicompost and cattle manure treatment，theNeyraudiareynaudianaplant dry weight，height，tiller number，root total length，root surface area，root volume，root average diameter and N,P,K nutrient accumulation were obviously higher than that under chemical fertilizer and contrast treatment (P<0.05).Chemical fertilizer only inhibited the growth ofNeyraudiareynaudiana，plant growth characteristics were worse than contrast.Cattle manure treatment and vermicompost produced by treating cattle manure with earthworm treatment were almost the same in the effect of soil physical and chemical comprehensive quality，but vermicompost treatment was more effective in promoting theNeyraudiareynaudianaplant tiller and root development than cattle manure treatment.In short-term，vermicompost and cattle manure treatment are better for improvement of soil physical properties，enhancing soil physical and chemical comprehensive quality and promoting corp growth of land degraded by highway construction compared with chemical fertilizer treatment.Organic fertilizer，especially vermicompost is an effective treatment for rapidly repairing land degraded by construction.

Organic fertilizer; Highway; Damaged land; Soil fertility; Soil remediation;Neyraudiareynaudiana

2017-07-26

广东省交通运输厅科技项目(科技-2012-02-064)

袁中友(1974-),男,河南商水人,副教授,博士,主要从事土地整治、耕地保护等研究。

戴 军(1958-),男,广东广州人,教授,博士,主要从事土壤生态、土壤修复等研究。

S156.99

A

1000-7091(2017)05-0177-08

10.7668/hbnxb.2017.05.027