不同沼液灌溉量下橡胶幼苗生长及土壤肥力特征

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　　摘  要：为明确不同沼液灌溉量下橡胶幼苗的生长状况及土壤肥力特征，以便科学指导施肥，本研究以橡胶树实生苗为研究对象，采用土培试验方法，设置7个不同沼液用量处理，分别为0 mL（T0）、471 mL（T1）、942 mL（T2）、1413 mL（T3）、1884 mL（T4）、2355 mL（T5）、2826 mL（T6），测定分析了不同沼液用量的橡胶幼苗长势及主要土壤肥力因子。结果表明：沼液灌溉有利于橡胶幼苗生长，不同处理间橡胶幼苗苗木质量指数大小顺序为：T4（1884 mL）>T3（1413 mL）、T5（2355 mL）>T2（942 mL）>T0（0 mL）、T1（471 mL）>T6（2826 mL），沼液施用量为T4处理时苗木质量指数最佳，株高、地径指标偏优，预示植株定植成活率高;同时施用沼液有利于土壤养分含量的增加，并提高土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶和多酚氧化酶活性;采用主成分分析法和隶属度函数法对试验组土壤质量综合指数进行计算，结果表明，试验组土壤质量综合指数表现为T3（0.933）>T5（0.906）>T4（0.855）>T2（0.826）>T6（0.794）>T1（0.742）。研究认为，施加沼液可明显改良土壤化学性质，但过度施加沼液会降低苗木质量指数，且沼液量为1413～1884 mL时为最适灌溉量。
　　关键词：沼液量;橡胶幼苗;生长指标;土壤肥力
　　中图分类号：S794.1      文献标识码：A
　　Abstract： The growth of rubber seedlings and the main soil fertility factors were measured by the soil culture method with seven different biogas slurry treatments to clarify the growth status and soil fertility characteristics of rubber seedlings in different quantity of biogas slurry irrigation and to guide its fertilization scientifically. The total amount of biogas liquid irrigation was 0 mL （T0）， 471 mL （T1）， 942 mL （T2）， 1413 mL （T3）， 1884 mL （T4）， 2355 mL （T5） and 2826 mL （T6） respectively. Biogas slurry irrigation was beneficial to the growth of rubber seedlings with the order of quality index （QI） of rubber seedlings in different treatments T4 （1884 mL）>T3 （1413 mL）， T5 （2355 mL）>T2 （942 mL）>T0 （0 mL）， T1 （471 mL）>T6 （2826 mL）. The plant height and ground diameter of treatment T4 were better， and the survival rate of the seedlings was higher after planting. Biogas slurry irrigation was beneficial to the increase of soil nutrient content and the activities of urease， catalase， acid phosphatase and polyphenol oxidase. Using principal component analysis and membership function to calculate the comprehensive index of soil quality in the experimental group， the comprehensive index of soil quality in the experimental group was T3 （0.933）>T5 （0.906）>T4 （0.855）>T2 （0.826）>T6 （0.794）>T1 （0.742）. The results showed that the chemical properties of soil could be improved by biogas slurry irrigation， but the quality index of seedlings might be decreased by over irrigation， and the optimal irrigation amount was when the biogas slurry was 1413-1884 mL.
　　Keywords： amount of biogas slurry; rubber seedlings; growth parameter; soil fertility
　　DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.09.028
　　沼气工程在防治畜禽废水污染、改善农业生态环境等方面，发挥了重要作用。随着沼气技术的普及与推广，沼液直排造成的环境问题引起了人们的关注，沼液中含有大量的氮、磷元素，直接排放极易成为新的污染源导致土壤板结、酸化，影响土壤质量的同时也会以淋溶、径流等形式进入水体与大气，形成二次污染[1]，而过量还田极易使土壤养分含量超出土壤负荷警戒值[2]，在此背景下沼液资源化利用研究应运而生。在海南，沼液农业还田是首选的消纳途径之一，而“猪-沼-热作”种养结合的生態循环农业模式受到关注，并等到了一定的推广。 　　海南省是我国最大的天然橡胶生产基地，在海南推广“猪-沼-橡胶”能源生态模式具有得天独厚的地理条件和广阔的发展空间。已有研究表明，沼液中丰富的营养成分可有效改善胶林土壤理化性状[3]，为橡胶树提供适宜的生长环境[4]，同时可提高橡胶树的抗逆性、抑制病虫害[5]，能有效促进作物健壮生长[6]，提高作物自身的抗病能力。但作为一种液态肥料，沼液还田具有施用量大、施用频率无节制的特点，大量沼液的投入极易导致土壤中养分含量过剩，在影响橡胶树正常生长的同时也加剧了环境污染风险。现阶段，国内关于沼液与橡胶树的适宜消纳量的关系研究较少，而在确保土壤环境质量和橡胶树正常生长的前提下，橡胶树对沼液的响应规律及安全消解容量尚无定论。因此，本研究通过室内沼液量梯度施肥试验，研究不同沼液施用量对橡胶苗生长及土壤肥力的影响，探究最适沼液消纳量，以期为橡胶林消纳规模化养殖场沼液、定向培肥土壤、改善胶园环境提供必要的科学依据。
　　1  材料与方法
　　1.1  材料
　　1.1.1  试验地概况  试验地设于海南大学热带农林学院试验基地内（110°32′91″E，20°06′20″N），属于热带季风气候，太阳辐射强，光热充足。年平均日照时数2000 h以上，太阳辐射量11～ 12 MJ/（m2·a），年平均气温24.3 ℃，最高平均气温28 ℃左右，最低平均气温18 ℃左右。年平均降水量2067 mm，年平均蒸发量1834 mm，常年风向以东南风和东北风为主，年平均风速3.4 m/s。
　　1.1.2  供试材料  供试沼液取自海南省屯昌县国营南吕农场内南吕种猪场污水处理厂出水口，试验期沼液共取样3次，每次取样后均测定其基本性质，各月份沼液基本性质平均值为：pH 7.21，COD值524.5 mg/L，总氮含量624 mg/L，总磷含量59 mg/L，BOD值5236.5 mg/L，粪大肠杆菌含量1.2×106 CFU/L，悬浮物含量26 mg/L。
　　供试土壤为试验前一次性取样，取自南吕猪场周边橡胶林地，取样后测定土壤基本性质，见表1。土壤取样于2017年1月进行，在橡胶林地中设置3个标准样地，于每个标准样地内设置3个1 m×1 m样方，分别于0～10、10～20、20～40 cm土层深度内采集土壤样品，相同土层样品混匀为1个混合样并去除植物残体、根系和大块石砾后带回试验室，一部分鲜土过2 mm筛后贮藏于4 ℃冰箱内用于测定土壤酶，一部分鲜土风干磨细用于测土壤基本理化性质，剩余土壤置于干净的水泥地面风干，将风干后的土样磨细过9 mm筛后分层混匀装入直径20 cm、高45 cm的橡胶育苗袋中，每袋装土16 kg。
　　供试橡胶苗为2016年12月购得橡胶实生苗，2017年1月选取长势一致的橡胶苗移植于橡胶育苗袋中，用清水饱和土壤，使土夯实，放在大棚内进行培养，将育苗袋中的幼苗按照株行距均为0.2 m进行摆放和固定，每隔15 d将幼苗位置随机交换避免光照、温湿条件造成的位置差异;每2周淋水3次，保持土壤通透，直到橡胶苗第一篷叶稳定为止。待幼苗生长稳定后，2017年3月，选取长势良好且形态指标相似的幼苗，分组进行试验培养，每盆1株，每组随机选取3株橡胶苗测定生长指标基底值及土壤背景值，剩余橡胶苗进行施沼液试验处理。
　　1.2  方法
　　1.2.1  试验设计  对试验区设置7个不同的处理，采用盆栽试验，每个处理15个重复。通过实地调查、典型种植户走访、文献资料和专家经验公式计算等方法相结合设计沼液总灌溉量梯度，于2017年3月15日起开始施用沼液，每2周浇灌1次，持续灌溉9个月，沼液施用总量分别为0 mL （T0）、471 mL （T1）、942 mL （T2）、1413 mL （T3）、1884 mL （T4）、2355 mL （T5）、2826 mL （T6），每次施用沼液量分别为0 mL （T0）、33.64 mL （T1）、67.29 mL （T2）、100.93 mL （T3）、134.57 mL （T4）、168.21 mL （T5）、201.86 mL （T6），各处理每次浇灌总量为2 L，不足体积用清水补齐，试验期间，各种除草、防虫、交换位置等田间活动均保持一致。
　　1.2.2  指标测定  自2017年3月15日起，每2个月采集土壤样品并测定幼苗生理指标，在每个试验小组中随机抽取3株橡胶幼苗，避开橡胶幼苗主干位置选取取土点，分别于0～10、10～20、20～40 cm土层深度内采集土壤样品后分层混匀带回，分别处理用于测定土壤理化性质，测定指标包括土壤pH、有机质（OM）全氮（TN）、全磷（TP）、碱解氮（AN）、速效磷（OP）、脲酶（URE）、过氧化氢酶（CAT）、酸性磷酸酶（ACP）、多酚氧化酶（PPO）。
　　土壤化学性质测定参照鲍士旦《土壤农化分析》[7]中的方法进行：pH采用电位法测定;有机质采用重铬酸钾氧化外加热法测定;全氮采用半微量凯氏定氮法测定;全磷采用NaOH熔融钼锑抗比色法测定;碱解氮采用碱解扩散法测定;速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定。
　　土壤酶活性测定参照鲁如坤《土壤农业化学分析方法》[8]中的方法进行：脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定;过氧化氢酶采用高锰酸钾滴定法测定;酸性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定;多酚氧化酶采用碘量滴定法测定。
　　幼苗生长指标包括株高、地径与干物质累积量。使用直尺测量幼苗株高，游标卡尺测量地径，生物量测定采取整株挖掘方式，分地上部分与地下部分分别称量鲜重，于室内以105 ℃杀青30 min，65 ℃下烘干至恒重，称其干重。
　　1.2.3  指标计算  （1）苗木质量指数。苗木质量指数（quality index，QI）是衡量苗木生长成活期各器官协调和平衡狀况的多指标综合指数[9]，其计算公式为： 　　QI=苗木总干重（g）/[（苗高cm/地径cm）+（径干重g/根干重g）]                         （1）
　　（2）隶属度与土壤质量评价指数。本研究使用加权和法指数评价模型将单因素评价结果转化为由各评价因子构成的土壤质量综合评价，计算公式如下：
　　其中：SQI为土壤质量指数（soil quality index）;Ki为第i个评价指标的权重，权重的大小反映了各评价因素的重要性;（xi）为第i个评价指标的隶属度，隶属度的大小体现了各评价指标的优劣;n为评价指标的个数。土壤质量指数是介于0～1之间的数值，数值越大土壤条件越好，反之土壤条件越差[10]。式中，评价指标的权重以各个指标公因子方差占其公因子方差总和的比例来计算，公因子方差采用因子分析法来获取;在模糊综合评价中，隶属度通过隶属函数公式来计算，隶属度函数公式如（3）（4）所示：
　　其中：X1和X4为各个指标的最小值与最大值;X2和X3为指标最优阈值;X为土壤指标的测定数值。对于每一个评价指标需要选择合适的隶属函数，在本研究中，pH为抛物线性型隶属函数，其余指标属于升型隶属度函数[11]。
　　1.3  数据处理
　　采用Excel 2010软件对原始数据进行处理，采用SPSS 20.0软件进行数据的后期处理与统计分析，采用Excel 2010和Origin 8.0软件进行作图。采用Duncan’s多重比较对不同试验梯度间各因子差异显著性进行分析;采用主成分分析法计算土壤质量指数。
　　2  结果与分析
　　2.1  沼液不同灌溉量对幼苗生长性状的影响
　　2.1.1  沼液灌溉量对株高、地径、干物质累积量的影响  从不同施肥量处理橡胶苗株高、地径、干物质累积量的变化情况可以看出，沼液施用量对苗木生长产生了一定影响。苗木株高是反映苗木质量的重要因子之一，在本研究中，橡胶苗株高随沼液施用量的增大不断增加，其中以T5、T6增幅最大，T6较3月份增加了213.8%，较T0增加了97.5%（表2）。
　　地径是评判苗木抗逆性的重要指标，已有研究表明，对于幼苗来讲，地径与造林成活率呈显著正相关关系，地径越大苗木稳定性越高，质量越好[12]。所有处理中，T4处理的橡胶苗地径最大（3.56 cm），地径随沼液量的增加呈先上升后下降的趋势，这说明过高的沼液量并不会促进苗木茎秆变壮，相反有抑制和损害作用（表2）。
　　苗木高径比是反映苗木抗性及造林成活率的重要指标，一般在苗高达到要求的情况下，苗木高径比越小，苗木越粗壮、抗性越强。在处理试验组中，高径比T0<T4<T2、T1、T3<T5<T6;在施用沼液试验组中，T4的高径比最小，T6最大，与各处理组间存在显著性差异（P<0.05）（表2）。过量施用沼液虽显著增加了苗木株高，但显著损害地径生长，高径比过大，不利于后续造林生长。
　　干物质累积量是苗木对其生长的生物环境与非生物环境适应能力的综合体现，施用沼液后橡胶苗各部分干物质累积量均显著高于对照，各处理生物量大小为T0<T1<T2<T6<T3< T4<T5，以T5干物质量最高，总干物质累积量303.32 g，较3月份增加392.6%，较对照组增加113.1%。从试验结果看出，11月份各处理间生物量均达到显著差异，除T1、T2处理外，其他处理地下部分生物量均高于地上部分，说明橡胶幼苗地上部分的营养物质主要靠地下根部供应，地上部分的竞争能力相对小于地下，T3～T6处理中地下部分干物质累积量所占比率维持在50%左右，这有利于根系对土壤水分和养分的吸收（表3）。
　　2.1.2  沼液灌溉量对苗木质量指数的影响  苗木质量指数（QI）是反映苗木质量的重要指标。不同处理间橡胶幼苗苗木质量指数大小顺序为：T4>T3、T5>T2>T0、T1>T6。随着沼液量的增加，苗木质量指数呈现先上升后下降的趋势（图1）。综上所述，以幼苗生长性状来衡量，T4处理的沼液施用量为最优灌溉量，在该处理下苗木质量指数最佳，株高、地径指标较优，预示植株定植成活率高。
　　2.2  沼液不同灌溉量对土壤肥力的影响
　　2.2.1  沼液不同灌溉量对土壤化学性质的影响  土壤酸碱度对土壤养分的转化与土壤肥力变化有深刻影响。试验地土壤pH背景值在5.0左右，由圖2A可知，与对照T0相比，各试验组土壤pH均有所降低。不同沼液浇灌量对土壤pH的影响有所差异，说明沼液施用量影响土壤pH，且不同土层深度内影响程度不同。已有研究表明，施于土壤后沼液中的有机物质在微生物的作用下会分解出各种有机酸与无机酸，因此会使土壤pH有所下降[13]。说明施用沼液会使土壤pH下降，且土壤pH的下降程度与沼液灌溉量有关，适宜的沼液灌溉量有助于土壤pH得以缓冲维持，相反则易造成土壤酸化。
　　土壤有机质含量是衡量土壤肥力状况的重要指标。由图2B土壤有机质变化情况来看，与不施沼液对照组相比，施沼液有助于土壤有机质的提高，且对表层土壤有机质含量提高具有显著影响，有机质含量增幅为3.4%～14.3%，且有机质总量随着沼液施加量的增加逐渐增大。结果表明，有机质含量随着土层深度的增加而减小，在表层土壤中，有机质含量范围是34.3～41.7 g/kg，T5、T6有机质含量最大，较对照增加21%。亚表层土壤有机质变化与沼液施用量间无显著相关性，有机质含量为34.1～36.8 g/kg。下层土壤有机质含量范围为30.6～35.8 g/kg，与对照相比T3～T6有机质含量增加近17%。 　　沼液灌溉显著提高了土壤中全氮含量，沼液施用组中全氮含量为2.02～2.54 g/kg，随着沼液灌溉量的增加，土壤全氮含量呈先上升后下降再上升的趋势，其中T3、T6处理组土壤全氮含量较高（图2C）。与全氮不同，土壤全磷含量与沼液灌溉量无显著相关，沼液施用组中全磷含量为0.71～ 1.78 g/kg，但表层土壤中，大量沼液灌溉（T4～T6）下土壤全磷累积量相对较大（图2D）。试验结果显示，沼液灌溉量与土壤氮磷速效养分关系密切，其中T2、T3处理更易增加土壤中的速效养分含量，与对照T0相比，T2、T3处理组碱解氮分别增加了27.4%、33.9%（图2E），速效磷分别增加了61.0%、70.5%（图2F），说明过量的沼液输入虽增加了土壤全氮、全磷含量，但因植物自身及土壤环境的影响，养分供应量与有效养分吸收量并不成正比。
　　2.2.2  沼液不同灌溉量对土壤生物学性质的影响  土壤酶是土壤生物活性强弱的直接反映[14]。由试验结果可知，施用沼液对土壤酶活性有一定影响，且随着月份的增加呈现一定的波动变化（图3）。施用沼液试验组中土壤脲酶活性范围为0.07～ 0.28 mg/g，过氧化氢酶活性范围为0.72～3.76 mL/g，酸性磷酸酶活性范围为0.86～1.33 mg/g，多酚氧化酶活性范围为0.84～1.33 mL/g。截至11月，土壤酸性磷酸酶活性随沼液施用量的增加逐渐增大，脲酶、过氧化氢酶活性随着沼液施用量的增加先上升后降低，多酚氧化酶活性与沼液施用量间无显著相关性。
　　沼液中含有丰富的有机成分，其肥效的持久释放能力与土壤酶活性的动态变化有很大关系[15]，从时间尺度上看，3—7月，沼液灌溉量对土壤酸性磷酸酶与多酚氧化酶活性影响较大，7—11月主要对脲酶与过氧化氢酶活性造成影响，这可能与温度变化有关。与不施加沼液对照组相比，除多酚氧化酶外，施加沼液试验组试验后期土壤中酶活性均高于对照组，这主要由于沼液中含有大量未完全分解的有机物质、微量元素等原料，施入土壤后缓慢释放养分，有助于长期供肥[16-18]。
　　2.3  土壤肥力质量评价
　　为进一步探讨不同沼液灌溉量对橡胶苗土壤质量状况的影响，本研究对试验所得主要土壤因子进行主成分分析。为确保统计学分析的客观性与准确性，首先将数量级存在差异的土壤因子原始数据进行标准化处理，使每个变量平均值为0，标准差为1，用以消除各指标间的量纲差异和数量级间的差异，然后对所得数据进行主成分分析（PCA）分析，当主成分累积贡献率≥80%时可反映系统的变异信息[19-21]。根据此原则确定主成分（PC）个数，并采用正交旋转方法计算各土壤因子在各个主成分上的成分因子载荷大小。表4为土壤主成分的特征根和方差贡献率，特征值大于1的主成分有2个，累积方差贡献率（80.626%）大于80%，因此2个主成分的综合指标可作为反映土壤质量变异信息的主要影响因素。
　　由于初始因子载荷矩阵并不能满足因子分析中最佳综合与简化降维的准则，因此研究中采用正交旋转法对因子载荷矩阵进行迭代旋转，使原始矩阵简化且相对集中[22]，并根据前述方法计算各因子Norm值、公因子方差和权重，结果如表5所示，使用加权综合法和模糊数学中的加乘法则[23]，根据公式（2）～（4）最终对试验组土壤质量综合指数进行计算，土壤质量评价结果如图4所示，不同沼液处理水平橡胶幼苗土壤质量有明显差异，土壤质量综合指数表现为T3（0.933）> T5（0.906）>T4（0.855）>T2（0.826）>T6（0.794）>T1 （0.742）。施用沼液有利于土壤养分的积累与肥力的提高，但过度施用不仅易造成土壤污染，也对苗木生长有所损害。综合试验结果可得，沼液灌溉量为1413 （T3）～1884 mL （T4）时对土壤及苗木生长均有利。
　　3  讨论
　　研究结果显示，橡胶幼苗生长质量与沼液灌溉量无正相关关系，这可能由于沼液过量施用导致土壤含水率过高，影响了幼苗根系的呼吸作用，且沼液中过量的养分并不能被及时分解吸收，产生的抑制因子限制了植株生长。施用沼液后土壤有机质含量大量增加，且随着沼液施用量的增加有机质含量逐渐增大，这是由于沼液在发酵过程中尚未被完全降解的大量纤维素、半纤维素等有机物质在施入土壤后被分解转化，从而增加了土壤有机质含量[24]。沼液是一种全效肥料，施入土壤后有效增加了土壤全氮、全磷含量，但沼液中同时含有大量速效养分，因此土壤碱解氮、速效磷含量有所增加，但试验结果表明，施用过量沼液虽增加了土壤全氮、全磷的含量，而土壤速效养分并未随之增加，说明过量输入沼液难以被完全转化利用，易引发养分累積的风险。
　　沼液中含有大量的葡萄糖、氨基酸等营养物质，施入土壤后为微生物的活动提供了充足的碳源和氮源，保证了微生物繁殖的能量与养料[25]。本研究中，施用沼液增加了土壤有机质、全氮、全磷的含量，同时使土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性有所增加，这印证了沼液所提供的碳源和矿源有助于提升酶活性的结论。其另一原因是沼液中丰富的酶在施入土壤中会直接起到“加酶”作用，且有机质含量的提高更增加了土壤中酶的保护性位点，促进了微生物繁殖，刺激了酶活性的提高[26]。在时间尺度上，5—7月为酶活性主要增长期，主要是温度的升高增加了土壤微生物的活性，同时加速了土壤养分的转化分解，增强了土壤酶活性。不同沼液施用量对土壤酶活性的影响程度不同，但因土壤酶活性受土壤环境等因素影响较大，使土壤酶活性对沼液量的响应无明显规律，但试验后期出现了沼液过量导致土壤酶活性骤降现象，说明过量施用沼液会引发一定的施肥负效应。当沼液施用量为T3时，土壤质量指数值最大，研究结果表明，适量施用沼液有助于土壤养分积累，而过度施加沼液虽会增大土壤质量指数，但在降低苗木质量的同时更易造成养分流失，从而提高了大气、水和土环境的污染风险[27]。 　　4  结论
　　沼液中含有大量生化分解后形成的小分子及离子状营养元素，结构简单，含量丰富，容易被植物吸收同化[28]。试验结果表明，施用沼液对橡胶幼苗株高、地径、生物量积累、土壤养分均有明显促进作用，并可有效增强土壤生物活性。这与已有研究结论相符[29]。随着沼液施用量的增加，幼苗株高逐渐增加，地径、干物质累积量呈现先上升后下降的趋势，说明施用沼液量过大虽可有效增加幼苗株高，但并不会促进苗木茎秆变壮与干物质积累，相反有抑制和损害作用。不同处理间橡胶苗苗木质量指数大小顺序为：T4 （1884 mL）>T3（1413 mL）、T5（2355 mL）>T2（942 mL）> T0（0 mL）、T1（471 mL）>T6（2826 mL）。随着沼液量的增加，苗木质量指数呈先上升后下降的趋势，说明适宜的沼液量有助于提高苗木生长质量，有助于苗木各项指标平衡增长，而施用沼液量过大则会使苗木质量指数下降，不利于植株生长。试验结果表明，施用沼液能有效改善土壤的化学性质，提高土壤有机质及氮、磷含量，且土壤养分含量随沼液施用量的变化存在一定差异。施加沼液后，土壤脲酶、过氧化氢酶、酸性磷酸酶活性有所提高，其中5—7月为酶活性主要增长期。通过对试验所得主要土壤因子进行主成分分析表明，当沼液施用量为T3（1413 mL）时，土壤质量指数值最大。
　　沼液中营养物质含量丰富，但组成成分相对复杂[30]，本研究在土壤肥力与幼苗生长的基础上对橡胶苗的最适沼液消纳量进行了讨论，但已有研究中相关成果较少，因此亟需进一步研究探讨。在海南，橡胶林消纳沼液是解决养殖场沼液排放难题的有效方法，有助于定向培肥土壤、改善胶园环境，但频繁的割胶、除草或锄抚等管理方式对成年橡胶土壤肥力影响显著[31]。在今后的研究中还有待于进一步探讨沼液施用量对定植橡胶土壤生态环境的影响。
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