生物炭与氮肥配施对枣园土壤培肥效应的综合评价

袁晶晶，同延安※，卢绍辉，袁国军

（1. 西北农林科技大学资源环境学院，杨凌 712100；2. 农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，杨凌 712100；3. 河南省林业科学研究院，郑州 450003）

0 引 言

土壤肥力是土壤质量的核心，也是农业可持续发展的基础。合理进行土壤培肥是维持土壤质量和保证土壤资源可持续利用的最重要措施之一[1]。生物炭特有的结构和性质（如孔隙丰富、比表面积大），使其作为一种土壤改良剂受到很多关注[2]，并广泛应用于农业土壤、环境生态等领域[3-5]。

华北平原作为中国主要的红枣产区之一，由于不合理的管理措施，施肥模式尤其是对化肥和农药的过度依赖，导致土壤酸化、肥料利用率低及生产效益降低等诸多问题，不仅造成了资源浪费，也带来了一系列的环境问题[6]，所以培肥地力仍是实现该地区产业持续发展的关键措施。不少研究表明，生物炭与化学肥料配合施用不仅能减少土壤养分的淋失，延缓养分的释放，从而提高作物产量，提高肥料利用率[7-12]。但也有研究显示，生物炭对土壤肥力和碳库存潜力无影响或有抑制作用[13-14]。这些差异结果与生物炭种类、热解温度、施用量、土壤类型以及其它不确定环境因素有关。因此，客观的、全面的综合评价生物炭和其它化学肥料配合施用对土壤肥力的绩效，并找出其对土壤质量影响的驱动因子，寻找最佳互作模式，在提高经济效益的同时，达到改良土壤质量、提高肥料利用率的作用。但目前，利用统计学方法综合评价生物炭与氮肥不同配比条件下对枣园土壤质量的相关研究仍较为鲜见。本研究采用因子分析与聚类分析法，选取具有代表性的土壤理化及生物学14个指标进行综合分析研究，明确生物炭与氮肥不同配比条件下的应用效果，探寻最佳配比施肥量，以期为枣园土壤资源高效利用、培肥改良技术提供可靠的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2013年4月～2015年10月在河南省濮阳市王助乡潘庄进行。潘庄（114°52′ E, 35°20′ N），属温带大陆性气候，四季分明，光热资源适中。年平均气温13.4℃，年平均降水量为502.3～601.3 mm，年平均日照时数为2 454.5 h，无霜期一般为205 d。试验前耕层土壤（0～20 cm）基本理化指标如下：pH值8.47、容重1.42 g/cm3、有机质质量分数10.61 g/kg、全氮0.68 g/kg、速效磷11.67 mg/kg、速效钾95.61 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，每个小区面积30 m2，每个处理重复 5次。目前中国生物质炭在大田的施用量介于3～40 t/hm2之间[15]，结合当地实际情况，试验采用4 × 3完全方案设计，设生物炭用量4个水平（即C0、C1、C2和C3）、氮肥用量3个水平（N1、N2和N3），加上1个完全空白处理CK（不施生物炭和氮肥），共计13个处理，具体施肥用量详见表1。种植品种为15 a生扁核酸红枣，栽植密度为2 m×3 m，约1 650棵/hm2，设置保护行。

表1 田间试验各处理生物炭和氮肥用量Table 1 Biochar and nitrogen fertilizer amount under different treatments in field experiment

研究所用生物炭原料为花生壳秸秆，购自于河南商丘三利新能源有限公司，生产设备采用连续竖式生物质炭化炉，炭化温度为350～500℃。其理化性质如下：pH值10.35、有机碳质量分数467.20 g/kg、全氮5.90 g/kg、全钾11.5 g/kg、CEC 21.7 mmol/kg、容重0.45 g/cm3。

过磷酸钙（P2O5质量分数16%）300 kg/hm2，硫酸钾（K2O质量分数45%）300 kg/hm2均作为基肥在春季一次性施入，尿素（质量分数 70%）作为基肥施入，剩下的30 %在7月中旬作为追肥施入。在树冠下两侧0.5 m左右挖深20～30 cm的条状沟，使生物炭与土混匀后覆土填平，此后的2 a生物炭不再施入。在作物生长期间根据天气及作物生长状况（不同生育期）适量灌水，约 2 250 m3/hm2，以满足作物正常生长发育所需。

1.3 样品采集及测定

土壤样品于2015年10月红枣采收后，每个小区用土钻在耕层( 0～20 cm) 分别按照“S”形取5个点，剔除杂物。混合均匀后用四分法分出2份，一份鲜样过2 mm筛4℃保存供土壤微生物量碳、氮、土壤酶活性以及微生物数量的测试，另一份风干供理化性质测试。

土壤微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸浸提方法测定[16]；土壤酶活性测定[17-18]：脲酶测定采用苯酚钠比色法，碱性磷酸酶测定采用磷酸苯二钠比色法，蔗糖酶采用Na2S2O3滴定法。土壤微生物数量的测定[19]：细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基，放线菌采用改良高氏一号培养基。

土壤基本性状测定方法[20]：土壤有机质采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法，全氮采用凯氏定氮法；全磷、全钾采用NaOH熔融-钼锑抗比色法、火焰光度计法测定；土壤速效氮1 mol/L KCL浸提-流动分析仪法；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol/L NH4OAC浸提-火焰光度计法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用 Excel 2016、SPSS22.0（IBM corporation,Aromonk, New York）统计软件进行方差分析与原始数据的标准化，选择LSD最小显著检验方法（least significant difference）进行显著性多重比较。同时利用因子分析（factor analysis）和聚类分析（hierarchical cluster analysis）分别对土壤性质进行因子分析和聚类分析。

1.5 因子分析和聚类分析的基本原理

因子分析是指通过显在变量测评潜在变量，在多个变量中找出少数具有代表性的综合因子，减少变量数目，达到降维目的[21-22]。因子分析法具有命名清晰性高和应用上侧重成因清晰性的综合评价的特点，所提取的公因子比主成分分析提取的主成分更具有解释性。

聚类分析是指将物理或抽象对象的集合分组成为由类似的对象组成的多个类的分析过程。以欧氏距离作为衡量各处理肥力差异大小，采用最短距离法将各处理按土壤肥力水平的亲疏相似程度进行系统聚类[23]。

2 结果与分析

2.1 生物炭与氮肥配施措施下土壤肥力评价指标的选取

为了更加全面客观地评价土壤培肥效果，需要对土壤肥力指标进行筛选，使评价指标更加科学化、合理化[24]。通常选取土壤理化和生物指标作为评价指标[25-26]，且遵循代表性、主导性、稳定性、差异性、可比性等原则[27]。本研究根据以上原则且结合试验区实际指标的测定，选取14项指标进行土壤肥力质量评价, 具体测定值见表2。

2.2 土壤肥力质量的因子分析

由于本试验中14个土壤指标具有不同的量纲，且它们的数量级差别较大，为确保分析结果的客观性和科学性，需要对研究所选取的各土壤指标进行标准化处理。同时，对标准化后的数据进行KMO和Bartlett检验，KMO的取值为0.85，Sig.值为0.000 1＜0.001，符合因子分析的前提条件。依据因子分析方法的原理[28]，运用SPSS 22.0统计软件计算出各指标的相关系数矩阵（见表3），分析得出的特征值与贡献率如表 4所示。特征值在一定程度上可看作公共因子影响原变量力度大小的指标，一般来说，特征值＞1能较好地说明该公因子对原变量的解释力度。本试验可提取出 3个公因子，其累计贡献率分别达到82.49%，即说明前3个公因子涵盖了原始数据信息的82.49%，能较明确地解释该地区土壤肥力水平。因此，将这 3个公因子作为综合变量来评价本试验的土壤肥力状况是可行的[22]。

表2 土壤肥力各指标平均值Table 2 Mean values of soil fertility indices

表3 土壤各肥力指标的相关系数Table 3 Correlation coefficient of the soil properties

对本试验选用的 3个公因子进行分析，通过方差最大化旋转后的因子载荷矩阵见表5。由表5可知，第1公因子上，具有高载荷因子的指标有全氮、全钾、速效钾、微生物量碳，其中全氮、全钾反映了土壤养分的总储量，微生物量碳作为土壤肥力的评价指标，可反映土壤的有效养分状况及生物活性[29]。可见，第 1公因子实质上反映了土壤环境和土壤养分的贮存和转化，可作为保肥供肥因子。第 2公因子上脲酶、微生物量氮、蔗糖酶、有机质、速效氮和全磷为主要影响因子。碱性磷酸酶为第3公因子上的主要影响因子（表5）。3个公因子涵盖了土壤的化学和生物指标，使评价更具科学性、合理性[30-31]。

表5 旋转成分矩阵Table 5 Rotated component matrix

2.3 不同处理土壤质量的得分及排名

为了更直观地比较生物炭与氮肥不同用量处理下土壤肥力质量状况，通过公因子得分系数矩阵（表6），计算出各处理的因子得分和综合得分（表 7）。在F1公因子上C3N3、C3N1和C2N1处理的得分位于前3名，说明其在全氮、全钾、速效钾和微生物数量碳上具有相对较高的优势，这 3个处理土壤养分保肥供肥能力强；在公因子F2上，C2N3、C2N1和C2N23个处理的得分位于前3名。说明生物炭与氮肥配施增加了土壤脲酶、蔗糖酶的活性以及微生物量氮的含量，使土壤供给作物养分能力增加。

通过把各因子的特征值贡献率作为权数进行加权求和，就可得到综合评价得分。F=F1×49.618%+F2×25.420%+F3×7.450%，结果见表7。枣区中以C3N1处理的综合得分最高，其次为C2N3和C2N2处理。该试验区综合得分最低的均为CK，其次为不施生物炭的3个氮肥处理。

表6 成分得分系数矩阵Table 6 Scores of component matrix

表7 不同处理各因子得分及综合得分Table 7 Scores and general scores of principal components under different treatments

作物产量是土壤内在属性外在的间接综合表现，产量的高低在一定程度上可以直观反映土壤质量的好坏[32]，因此也常被作为检验评价结果客观性及准确性的依据。由图1可知，C3N1处理的扁核酸红枣产量最高，为22 716.4 kg/hm2，其次为C2N2和C2N3处理，不同处理土壤质量的综合得分与产量的变化趋势比较吻合。

图1 生物炭与氮肥配施对扁核酸红枣产量的影响Fig.1 Effects of biochar and nitrogen fertilizer amendments on jujube (Bianhesuan) yields

2.4 聚类分析

从图 2可以看出各配施处理土壤质量状况的大致分类，按土壤肥力水平的亲疏相似程度进行系统聚类。为体现生物炭与氮肥不同配比施肥对土壤肥力影响的差异，将距离阈值定为 8，此时类间距较大，13 个处理大致可以分为5类，即CK、C0N1、C0N2和C0N34个处理为1个等级，C1N1、C1N2和C1N3处理为1个等级，C2N2、C2N3、C3N1和C3N3为1 个等级，C2N1和C3N2分别各为一类。其中CK为代表的这一等级的土壤肥力程度最低，C3N1、C2N2、C2N3和C3N3这一等级属于高肥力水平。说明在本研究试验条件下，生物炭和氮肥配施可不同程度地提高枣园土壤肥力水平，且生物炭和氮肥用量是影响土壤肥力水平高低的关键因素。

图2 不同施肥处理下土壤质量评价聚类图Fig.2 Cluster graph of soil quality assessment in different fertilizer treatments

3 讨 论

土壤质量是土壤物理、化学性质和生物学特性的综合反映，其评价结果可直观地反映土壤质量总体状况[33]。由于评价目的和侧重评价的尺度不一样，评价指标和评价方法的选择亦有所差异[34]，但到目前为止，土壤质量的评价方法国际上尚没有统一的标准，也没有固定的方法[35]。一般来说，评价土壤质量需要土壤物理、化学和生物指标。近年来，国内外关于生物炭的应用开展了大量的研究工作[9,36-38]。本研究3a田间试验表明，生物炭与氮肥配施显著提高了土壤养分含量、微生物量、土壤酶活性及微生物数量，在一定程度上改善了土壤的理化和生物学性质，提高了土壤质量，进而利于作物高产（表2）。同时相关性分析表明，土壤养分与土壤微生物量碳氮及微生物数量之间存着不同程度的相关性（表3），这与宋大利等[39]研究结果具有一定的相似性，说明土壤理化、生物学性状之间是彼此联系，相互作用，共同影响土壤质量水平。本文选取代表土壤质量的土壤理化性质和生物学性质作为评价指标，采用因子分析对生物炭与氮肥配施对枣园土壤质量进行综合评价，将14个原始指标降维、提取出3个公因子，累计贡献率达82.49%。通过聚类分析对生物炭与氮肥不同配比处理下的土壤进行分级，将13个处理分为5类不同肥力等级。结合土壤质量综合评价得分来看，10 t/hm2的生物炭，配施300 kg/hm2的氮肥培肥模式在改善华北平原枣园土壤结构和提高作物产量方面优势更突出。

因子分析和聚类分析结果可以较好地反映实际土壤质量及变化趋势，对于生物炭和氮肥配施在农田果园的科学管理和合理施肥具有重要意义。目前有关生物炭与氮肥配施土壤质量评价方面的研究尚少，还有待进一步研究验证。

4 结 论

1）通过对生物炭与氮肥不同配比条件下的 14个土壤生化指标进行因子分析，提取出的 3个公因子，反映了原信息总量的82.49%。第1公因子以全氮、全钾、速效钾等贡献最大，第 2公因子以脲酶、微生物量氮、蔗糖酶贡献最大，碱性磷酸酶为第 3公因子上的主要影响因子。3个公因子涵盖了土壤的生化指标，使评价更具科学性。

2）土壤肥力指标相关性分析表明，土壤养分、微生物量、土壤酶活性和微生物数量之间存在多种显著或极显著正相关关系。合理的生物炭与氮肥配施有利于改善枣园土壤理化性质和微生物学特性，进而提高土壤肥力和红枣产量。

3）聚类分析将13 个不同施肥处理分为5类，其分析结果与各处理因子综合得分评价较为一致，且生物炭与氮肥对红枣产量的影响与土壤质量因子的综合得分也比较吻合，其中 C3N1处理的扁核酸红枣产量最高，为22 716.4 kg/hm2。综合本文试验结果，10 t/hm2的生物炭，配施300 kg/hm2的氮肥为此地区最佳培肥模式。这一结果对生物炭和氮肥配施在农田果园的科学管理和合理施肥具有指导意义。

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