不同C/N有机碳肥对铝矿复垦地土壤肥力和桑树生长的影响

蓝林，刘芸渟，莫碧霞，姚校娟，沈方科，宋宪军，王霞，唐新莲*

（1.广西大学农学院，南宁市 530004；2.广西壮族自治区蚕业技术推广站，南宁市 530007）

广西铝土矿储量丰富，主要分布于百色市辖区内的平果市、靖西市和德保县等地。铝土矿开采结束后，有关企业和职能部门需对损毁土地进行复垦后交还农户进行生产以利用矿区土地资源。百色市将利用铝土矿区的复垦土地种植桑树作为发展蚕桑产业主攻措施之一。但由于在复垦过程中对土壤扰动大，容易导致土壤结构不良，土壤来源及其质量参差不齐，养分含量低，土壤微生物数量少和土壤酶活性差，土壤肥力整体水平低［1］。培肥土壤以增加复垦地的生产力是矿区土地复垦的重要目标。因此，探索见效快、可操作的土地复垦土壤培肥技术，既可解决当前矿区土地复垦急需的技术问题，也有长远的市场需求。广西有机物料资源丰富，如糖厂的滤泥、牛粪、猪粪等，这些有机肥含有大量的有机碳和作物生长所需的多种养分，既可为作物提供全元素养分又可改善土壤的理化性状，提高作物的产量和质量［2-4］。研究表明，施用有机肥后，土壤容重和孔隙度显著改善，土壤养分含量也显著提高，化肥配施有机肥处理的作物产量显著高于单施化肥处理［5-8］。生物质炭是生物质在缺氧及低氧的密闭环境中经过高温（300～700 ℃）热裂解得到的富含碳的产物，呈碱性，其官能团丰富、孔隙结构发达、比表面积大、稳定性强［9］。近年来生物质炭对土壤改良、土壤重金属修复和肥料增效方面的研究报道较多。有研究表明生物质炭能有效地改良土壤理化性状、提高养分有效性、改善土壤微生物多样性、提高土壤酶活性及促进烤烟等作物的生长发育［10-12］。以往有机肥、生物质炭与化肥配施的相关研究多集中在熟化的耕地上，有机肥的用量、有机无机肥配施对作物生长和土壤养分的影响，在复垦地上的相关研究很少，有机物料的碳氮比对作物及土壤肥力的影响也很少。因此本研究在生物质炭、牛粪和化肥配施基础上，研究有机物料的不同碳氮比对复垦地的土壤养分、土壤酶及桑树生长的影响，以期找到复垦土壤的最佳培肥措施，为充分挖掘复垦土壤的蚕桑生产潜力提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽试验土壤于2018年8月采自广西百色市平果县坡造镇伏琴村铝土矿复垦地，土壤类型为红壤。土壤基本理化性质为：有机质18.91 g/kg、全氮2.09 g/kg、全磷0.32 g/kg、全钾0.39 g/kg、碱解氮24.9 mg/kg、速效磷2.51 mg/kg、速效钾65.4 mg/kg、pH 值5.36、阳离子交换量12.01 mol/kg。供试桑树品种为桂桑优12。

1.2 试验设计

试验设置4 个碳氮比：C/N=0，C/N=10，C/N=20，C/N=30。两个氮水平，分别为N1：每公斤土壤含N 1 g；N2：每公斤土壤含N 2 g，不施肥的处理为空白对照CK，试验共9个处理。除CK外其余各处理的磷钾肥按N∶P2O5∶K2O=1.0∶0.6∶1.0施用。不同的C/N有机物料由腐熟的牛粪有机肥（有机碳150.81 g/kg、全N 17.1 g/kg，全磷P2O512.5 g/kg，全钾K2O 1.54 g/kg）和生物质炭（pH 10.39，有机碳322.49 g/kg、N 20.4 g/kg，P2O51.44 g/kg，K2O 0.76 g/kg）进行配制，当牛粪有机肥和生物质炭的碳氮比不能满足时以化肥补充调整，即保持相同氮水下各处理的纯氮磷钾施入总量相同。供试氮肥为尿素（N含量为46%），磷肥为过磷酸钙（P2O5含量为12%），钾肥为氯化钾（K2O 含量为60%）。试验设3次重复。

盆栽试验每盆（口径40 cm，高60 cm）装入已过网筛（孔径为5 mm）的风干土40 kg，上层装入0～20 cm与各种肥料混匀的土壤，浇入水使土壤含水率达田间最大持水量的80%。平衡一周后种植桑树，每盆种植桑树3 株，每株距离土壤表面15 cm，并留2 个芽。盆栽置于广西大学农学院温网室旁的露天试验场地。2018 年12 月种植桑树，次年6 月砍伐一次桑枝测生物量及农艺性状，并按上述处理施入肥料，每株在原来的基础上留2 个芽，并于12 月砍伐桑枝测生物量及农艺性状。

1.3 分析及测定方法

采用玻璃电极法测定土壤pH值，水土比为5∶1［13］；采用碱解扩散法测定土壤碱解氮［13］；采用重铬酸钾容量法—外加热法测定土壤有机碳［13］；采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定速效磷［13］；采用1 mol/L NH4OAc（pH 7.0）浸提—火焰光度法测定速效钾［13］；土壤蛋白酶活性采用Folin-Ciocalteu比色法测定［14］，土壤蔗糖酶采用3，5－二硝基水杨酸比色法测定［14］，土壤脲酶采用靛酚比色法测定［14］。

2 结果与分析

2.1 不同C/N有机碳肥对土壤化学性质的影响

由表1 可知，不同C/N 处理对土壤pH 值的影响都不显著，但各处理的pH值较空白对照和纯化肥处理的都有所升高，其中C/N为20和30处理的pH值较高，有明显升高作用。可见，有机物料和生物质炭对土壤的酸碱度有较好的调节作用。

不同C/N 处理的土壤有机质含量较CK 处理和纯化肥处理（C/N=0）均显著提高，其中N1水平下，施用碳肥处理的土壤有机质较CK 和纯化肥处理的分别提高2.32%～12.32%和4.59%～14.81%；N2 水平下，分别提高1.06%～15.49%和1.54%～16.05%，增施碳肥的各处理间差异虽然不显著，但随C/N 的增大而增加。由此可见，在不同氮肥水平下，加大碳质肥的投入可以提高土壤有机质含量。其中，C/N=20和C/N=30的处理对土壤有机质含量提高最为显著。

各施肥处理的土壤全量氮磷钾养分均较CK 处理呈增高趋势，其中全氮增加19.91%～45.02%，且增加达显著水平，全磷增加9.38%～31.25%，全钾增加2.56%～38.46%；不同C/N 处理间的指标虽然差异不显著，但比纯化肥处理（C/N=0）的指标均有所增加，同时N2水平较N1水平提升幅度较大，可见增大化肥和有机碳的投入对复垦土的养分提升均有显著作用。

各施肥处理对速效养分的影响与氮磷钾总养分有相似的规律，不同C/N 施肥处理及纯化肥处理（C/N=0）的土壤碱解氮、速效磷和速效钾均较CK 显著增加，增幅分别为14.08%～45.68%、61.51%～103.17%和5.63%～12.86%；同一氮水平下的不同C/N处理间的土壤碱解氮、速效磷和速效钾差异不显著，但增施碳肥各处理较纯化肥处理均有所增加，两个氮水平下均以C/N=20 和C/N=30 的处理的速效养分较高。

综上，增施化肥与化肥配施有机碳肥均对植桑复垦土的pH有很好的调节作用，能显著增加复垦土壤的氮磷钾养分，可以快速地提高土壤养分，并以C/N比为20～30的有机碳肥施用对土壤肥力提升较果好。

2.2 不同C/N有机碳肥对土壤酶活性的影响

由表2可以看出，各施肥处理的土壤蛋白酶活性均显著高于空白对照处理，N1 水平处理的增幅为27.2%～134.5%，N2 水平处理的增幅为50.3%～140.9%。各C/N有机碳肥处理的土壤蛋白酶活性又显著高于纯化肥处理（C/N=0），随C/N的升高土壤蛋白酶活性有所升高，但差异不显著，以C/N=20 和C/N=30 的蛋白酶活性较高。N2 水平下的C/N 处理的土壤蛋白酶活性较N1 水平下的土壤蛋白酶活性也稍高，说明高氮更能激活蛋白酶活性。

由表2可见，各处理的土壤蔗糖酶活性变化规律与蛋白酶相似。施肥处理的土壤酶蔗糖酶活性均显著高于空白对照CK，N1水平各处理的增幅为68.3%～265.8%，N2水平各处理的增幅为85.0%～276.7%；相同的氮素水平条件下，各C/N 处理的蔗糖酶活性均显著高于纯化肥处理（C/N=0），土壤蛋白酶活性也随C/N的升高而提高，增幅最高达117.4%，这可能是有机碳对土壤蔗糖酶有较强的激活效应的原因。

由表2可见，各处理的土壤脲酶活性变化规律与土壤蛋白酶和蔗糖酶相似。施肥处理的土壤脲酶活性除N1 水平下的纯化肥处理（C/N=0）外，其余处理均显著高于空白对照CK。N1水平的增幅为67.5%～148.3%，N2水平的增幅为91.7%～175.0%。N2处理的脲酶活性高于N1 的各处理，各C/N 处理的脲酶活性也均显著高于纯化肥处理（C/N=0），且随C/N的升高土壤脲酶活性增加，以C/N=20 的脲酶活性较高。可见，增加氮肥和有机碳肥的施用可以提高复垦土壤的脲酶活性。

2.3 不同C/N有机碳肥对桑树生长的影响

由表3 可见，施肥处理对桑树的生长有显著影响，桑树的株高、径围和生物总量均优于不施肥处理CK，6 月和12 月的株高增幅分别达293.9%～570.1%和274.8%～412.7%，N2 水平的各处理的株高较N1水平的各处理株高高，但差异不显著，不同C/N处理的株高以C/N=20 的较好；基部径围以N2 水平的粗壮；各施肥处理6月和12月的桑枝条生物量较CK增加，分别为12.2～28.6倍和17.9～28.7倍，两茬桑枝条的生物总量增幅达15.7～28.5 倍，N2 水平施肥处理优于N1 水平施肥处理，但不同C/N 处理间的桑枝条的生物量差异不显著。可见，施肥使桑树长势旺盛，枝叶增加，桑枝条产出显著增加。

3 讨论

土壤培肥是复垦地土壤生态重建中的一个重要环节。土壤微生物种群及数量、土壤酶活性、作物的生长状况是表征复垦土壤肥力的重要指标。通过施用外源肥料及肥料的合理配施既能促进作物的生长，又为复垦土壤提供更多的碳氮，促进土壤中微生物酶的活性，是培肥复垦土的重要措施。栗丽等［15］的研究表明，菌剂配施肥料能显著提高复垦土壤有机质、碱解氮和速效磷的含量。梁利宝等［16］也发现，施肥可以不同程度的提高复垦土壤的养分含量，有机肥配施生物炭显著提高土壤有机质含量，无机肥配施生物炭则增加了复垦土壤速效磷和速效钾的含量。MINGORANCE 等［17］研究发现，石灰和添加5%污泥堆肥有效地促进复垦土壤改良和植物生长。本研究结果表明，施用不同C/N 有机碳肥的土壤pH 均有所升高，土壤有机质含量提高了2.32%～15.49%，土壤氮磷钾总量增加明显，土壤速效养分也增加显著，其中碱解氮增加14.08%～45.68%，速效磷增加61.51%～103.17%，速效钾增加5.63%～12.82%，且随着有机碳肥施用量的增加而增加，以C/N 为20～30的处理增加最为显著。

土壤中的生物化学活动都需要土壤酶的参与，因此，土壤酶活性是表征土壤生物活性的一个重要指标，土壤酶活性大小与土壤肥力关系密切，能反映土壤养分（特别是N、P）转化的强度和方向，研究表明施肥可增加土壤养分含量，并能显著增强土壤酶活性［15］［18-19］。本研究发现，施肥使土壤蛋白酶、土壤蔗糖酶和脲酶活性均显著增加（表2），且不同C/N有机碳肥处理的土壤蛋白酶活性显著高于纯化肥处理，以C/N为20～30的处理土壤酶活性较高。这可能是因为随着C/N提高，所加入的生物质炭量增加，生物质炭肥具有较大的比表面积，吸附性能强，能够吸附大量的营养物质以及酶促反应的各种底物，为微生物的活动提供了良好的环境，从而提高了土壤酶的活性。李静静等［20］研究表明增施生物质炭可增加烤烟团棵期（移栽30 d）土壤脲酶活性，增加土壤有机碳含量，促进烤烟的生长。本研究发现在C/N 增加至20～30时，土壤的有机质、氮磷钾养分和土壤酶活性提高明显，促进了桑树的根系生长，桑树株高、径围和桑枝条的生物量增加明显，且高氮（N2）施肥的桑树长势较旺盛，枝叶增加，桑枝条产出显著增加。章明奎等［21］研究发现，生物炭能明显提高土壤有机碳积累和增强其稳定性，在短时间内提升土壤微生物碳含量，降低土壤水溶性有机碳含量。可见，施用有机碳肥以提高土壤C/N增加土壤对养分的吸持容量是提升改善土壤肥力的有效措施，但桑蚕复垦地施用有机碳肥的量及C/N适用范围还需进一步研究。

4 结论

不同施肥量及不同C/N 有机碳肥对铝矿复垦土壤的pH、有机质、氮磷钾养分、土壤酶活性以及桑树生长有显著的改善和提高作用，N2 水平施肥处理较N1 水平施肥处理增加明显。增加碳施入量（C/N 分别为10、20、30）较纯化学肥料对土壤的pH、有机质、氮磷钾养分和土壤酶活性的提高作用显著，桑树的株高、径围和桑枝生物量也增加显著，以C/N为20～30的处理增加明显。