尹欢宇，赵匡记，刘彦青，纪福利，刘彦文，贾忠奎

（1.北京林业大学 林学院，北京 100083；2.塞罕坝机械林场，河北 承德 068466）

剩余物堆腐处理对华北落叶松人工林土壤质量的影响

尹欢宇1，赵匡记1，刘彦青2，纪福利2，刘彦文2，贾忠奎1

（1.北京林业大学 林学院，北京 100083；2.塞罕坝机械林场，河北 承德 068466）

以华北落叶松Larix principis-rupprechtii人工林间伐剩余物为研究对象，研究剩余物堆腐处理对土壤质量的影响。共设置5种处理：处理1(清除)、处理2(带状堆放)、处理3(平铺)、处理4(粉碎)、处理5(堆腐)。研究结果表明：(1)处理1.5年后，堆腐处理的剩余物分解速率最高为18.75%，是其他处理的1.02～1.48倍。(2)堆腐处理的土壤毛管孔隙度、饱和含水量和饱和蓄水量变化量最高，分别为10.15%、8.84%和3534.63 t/hm2，比其他处理的高9.04%～10.52%、2.53%～18.44%和474.26～1030.19 t/hm2；堆腐处理的非毛管孔隙度仅次于粉碎处理。(3)堆腐处理的土壤pH值、全氮、有效磷变化量最高分别为0.44、1.46 g/kg和2.00 mg/kg，其pH和有效磷变化量比其他处理高0.21～1.04和1.08～3.63 mg·kg-1，其全氮变化量是其他处理的1.09～1.90倍。综上所述，与其他处理相比，堆腐处理对加速剩余物分解，改善土壤理化性质，提高土壤质量最为有利。

间伐剩余物；堆腐；分解速率；土壤质量

人工林土壤质量下降会导致二代人工林生产力的下降，制约着我国林业的发展[1]。如何提高人工林土壤质量，改善林木生长，实现人工林生产力的长期维持是林学研究中急需解决的重要问题[2-4]。剩余物处理会影响土壤的理化性质、微生物的生命活动、酶的活性和林木的生长[5-6]，研究合理的剩余物处理方式对提高土壤质量是十分有必要的。我国主要通过火烧、移除、平铺、堆放等传统方式对剩余物进行处理和利用[7-9]。这些处理方式较简单，剩余物分解速度较慢，不利于养分的返还[10]。加速剩余物分解，增加土壤养分含量、改善土壤结构，已成为研究的趋势。

近年来，堆腐处理作为园林废弃物再利用的一种处理方式逐渐受到人们的重视。堆腐是通过添加菌剂和营养物质等，保证高湿度，营造合适的环境，使废弃物、秸秆等快速发酵腐熟成为有机肥的处理[11]。对园林废弃物进行堆腐的研究较多，研究多集中在氮源、菌剂和木醋液等不同添加物对堆腐过程[12-13]和效果[14-15]的影响，研究表明调节C/N比、添加木酢液和EM菌均有利于堆肥的发酵腐熟。但堆腐所产生的堆肥对土壤质量的影响和将堆腐应用到剩余物处理上的研究较少。

华北落叶松Larix principis-rupprechtii为我国北方的面积较大的树种，对生态环境的改善和林业的发展有重要的作用。本试验以河北省承德市围场县的塞罕坝机械林场总场阴河林场前曼甸地区华北落叶松人工纯林内的间伐剩余物为研究对象，设置清除、平铺、带状堆放、粉碎和堆腐共5种处理方式，测定各处理方式下剩余物分解速率和土壤理化性质各指标的变化，通过对比不同处理间的差异，研究堆腐处理对华北落叶松人工林土壤质量的影响，为改善剩余物处理方式提供理论依据。

1 研究区概况

研究地位于河北省塞罕坝机械林场总场阴河林场前曼甸营林区的沙坑沟梁头小班，地理坐标为北纬 42°02′～ 42°36′，东经 116°05′～ 117°39′，海拔1 600～1 800 m。该地区属于寒温带半干旱半湿润季风气候，一年四季差别明显、光照时间和强度都很高，全年的平均气候温度为-1.5 ℃，全年的平均降水量为530.9 mm，6～8月降水量占全年降水量67.8%。土壤为暗灰色森林土，厚度在50 cm左右，腐殖质层厚3 cm左右，华北落叶松为其优势树种，以纯林为主。

2 研究方法

2.1 试验材料和仪器

粉碎机：维邦园林的树枝粉碎机（FS1024H）；氮源：河北省承德市围场县富兴牌尿素；菌剂：选用密码生物有限公司生产的EM菌；木醋液：俍顼实业（上海）有限公司的木醋液。

2.2 固定标准地的设置及处理

2014年5月在研究地选取土壤类型、初植密度、立地条件都相同、生长正常的华北落叶松人工林进行固定标准地的设置。5种处理方式，每个处理设3个重复，共布设15块面积为20 m×20 m的标准地。试验地林分基本信息为：坡向为阳坡，土层厚50 cm，林龄为28，间伐前密度为780 株/hm2，伐后密度为510株/hm2，间伐产生的剩余物体积为17.25 m3/hm2。

标准样地标定后，采用5种不同的处理方式对样地内的间伐剩余物（主要是砍伐留下的侧枝和树梢）进行处理：处理1（清除）、处理2（带状堆放）、处理3（平铺）、处理4（粉碎）、处理5（堆腐）。

各处理中：“清除”表示将样地内剩余物全部移除；“平铺”表示将剩余物均匀平铺在样地中；“粉碎”表示用粉碎机粉碎剩余物，粉碎后得到的颗粒物直径0.5～2.0 cm，含水量24.08%，容重257.8 kg/m3，喷水使得颗粒含水量达到65%，混匀后均匀撒到样地中；“堆腐”表示粉碎剩余物后加水，添加尿素（6 kg/m3），并按剩余物比EM菌液500∶1的体积比添加EM菌液和木醋液（用热水将100 g红糖溶解，冷却后加入50 g EM菌，定容至10L，培养48 h后加入20 mL木醋液），混匀后将剩余物倒入林地内事先挖好的2 m×2 m坑中，每周定期喷水，使其堆腐，两月后混匀撒到样地中。

2.3 主要指标的测定及方法

2.3.1 剩余物年平均分解率的测定

每块样地（除处理1外）放置重量相同并进行过对应处理的凋落物袋3个，1.5a后取回实验室，在105 ℃的烘箱内烘至恒重，称重后用以下公式计算年平均分解率：

式（1）中：v表示剩余物年平均分解率（%）；m0表示剩余物初始重量（为6.00 g），m1表示1.5 a后剩余物重量（g），n表示年数（1.5）。

2.3.2 林地土壤物理性质的测定

用环刀法测定表层土壤（0～20 cm）的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、饱和含水量，具体测定方法见文献[16]。计算土壤饱和蓄水量的公式为：

式（2）中：WA表示土壤饱和蓄水量（t/hm2）；WC表示土壤毛管蓄水量（t/hm2）；WO表示土壤毛管蓄水量非毛管蓄水量（t/hm2）。

式（3）中：W表示土壤毛管饱和蓄水量或非毛管饱和蓄水量；h表示土层厚度（本地区为0.5 m）；p表示毛管孔隙度或非毛管孔隙度（%）；r表示水容重（1 t/m3）。

2.3.3 林地土壤肥力指标的测定

在2014年5月（处理前）、2015年11月进行取样，华北落叶松细根主要分布在0～20 cm土层，在每块样地中以“S”型选取5个点，各取0～20 cm土壤200 g左右混合成一份土样（过筛后大概要用100 g左右），重复3次。土壤经风干、过筛后，用于土壤养分指标的测定。

各指标测定方法为：有机质含量采用重铬酸钾外加热法；pH值采用酸度计法（水土比2.5∶1）；全氮采用凯氏定氮法测定；有效磷采用氟化铵盐酸浸提法测定；全钾采用火焰光度计法测定。以上测定方法具体见文献[17]。

3 结果与分析

3.1 各处理方式对剩余物分解速率的影响

剩余物分解速率是最直观衡量各处理对剩余物分解影响的指标。对2014年5月和2015年11月两次测定的剩余物质量这两组数据进行差异性检验，结果差异性极显著（P＜0.01），说明1.5 a间剩余物发生了显著变化。如表1所示，各处理剩余物分解速率由大到小为：处理5＞处理4＞处理3＞处理2，其中处理5、处理4的剩余物年分解速率显著大于处理3、处理2（P＜0.05），处理5和处理4都的剩余物都进行了粉碎，说明粉碎能加速剩余物的分解。处理5的年平均分解率最高为18.75%，是其他处理的1.02～1.48倍，但处理5和处理4之间差异性不显著（P＞0.05）。说明堆腐处理能在一定程度上加速剩余物的分解，该处理对加速剩余物分解最为有利。

表1 各处理对剩余物分解速率的影响†Table 1 Effects of treatments on residue decomposition rate

3.2 各处理方式对土壤物理性质的影响

土壤肥力质量评价指标的选择要遵循相对稳定性原则，主要有机质含量、饱和含水量、容重、总氮、速效磷等[18]。毛管孔隙度和非毛管孔隙度决定土壤对水分的存贮能力和通气性能[19]。

两次测定的土壤容重差异性不显著（P＜0.01），说明1.5 a间土壤容重变化不明显。且不同处理方式对容重的影响不显著（P＞0.05）。

毛管孔隙能储存水分，毛管孔隙度越大土壤储存水分的能力越强。两次测定的土壤毛管孔隙度差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤毛管孔隙度发生了显著变化。如表2所示，各处理毛管孔隙度变化量由大到小为：处理5＞处理3＞处理4＞处理1＞处理2。其中处理3、处理4、处理5的毛管孔隙度变化量显著大于处理1、处理2，说明处理3、处理4、处理5更有助于土壤毛管孔隙的增加。处理5的毛管孔隙度变化量最高为10.15%，比其他处理的高9.04%～10.52%，且差异性显著（P＜0.05）。所以处理5即堆腐处理更有助于土壤毛管孔隙的增加，该处理最有利于提高土壤的储存水分的能力。

表2 各处理方式对土壤物理性质的影响†Table 2 Effects of treatment methods on soil physical properties

非毛管孔隙指孔隙的直径大于0.1 mm的土壤孔隙，其中常常充满空气，其主要功能为通气和透水。两次测定的土壤非毛管孔隙度差异性显著（P＜0.05），说明1.5a间土壤非毛管孔隙度发生了显著变化。各处理非毛管孔隙度变化量由大到小为：处理4＞处理5＞处理1＞处理3＞处理2。其中处理4、处理5的毛管孔隙度变化量较高为4.40%、2.70%，比其他处理的高1.93%～5.27%，说明与其他处理相比，处理4、处理5更有利于土壤非毛管孔隙的增加，提高土壤的通气透水能力。其中处理5的非毛管孔隙度变化量低于处理4的，但差异性不显著。

饱和含水量是衡量土壤水源涵养能力的重要指标。两次测定的土壤饱和含水量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤饱和含水量发生了显著变化。各处理饱和含水量变化量由大到小为：处理5＞处理4＞处理1＞处理3＞处理2。其中处理5、处理4的饱和含水量变化量较高分别为8.84%、6.31%，比其他处理高2.41%～18.44%，说明处理5、处理4更有利于土壤饱和含水量的提高。其中处理5的饱和含水量最高，比其他处理高2.53%～18.44%，说明堆腐处理对提高土壤饱和含水量，增强土壤的水源涵养能力最为有利。

饱和蓄水量能更为全面地评价土壤地蓄水能力[20]。两次测定的土壤饱和蓄水量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤饱和蓄水量发生了显著变化。各处理土壤饱和蓄水量变化量由大到小为：处理5＞处理4＞处理3＞处理1＞处理2。其中处理3、处理4、处理5的饱和蓄水量变化量比处理1、处理2高144.62～1030.19 t/hm2，说明处理3、处理4、处理5对提高土壤的饱和蓄水量更为有利。处理5的饱和蓄水量变化量最高为3 534.63 t/hm2，比其他处理高474.26～1 030.19 t/hm2，说明堆腐处理对提高土壤饱和蓄水量，改善土壤蓄水能力最为有利。

3.3 各处理方式对土壤化学性质的影响

有机质为土壤营养物质的储藏库，是评价土壤质量的重要指标[21]。两次测得的土壤有机质含量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤有机质含量发生了显著变化。如表3所示，各处理有机质变化量由大到小为：处理4＞处理3＞处理5＞处理2＞处理1,。其中处理3、处理4、处理5有机质变化量是处理1、处理2的1.11～1.49倍，在一定程度上能说明处理3、处理4、处理5更有助于有机质的提高。其中，堆腐处理有机质变化量低于平铺和粉碎处理，但差异性不显著。

表3 各处理方式对土壤化学性质的影响†Table 3 Effects of treatment methods on on soil chemical properties

土壤pH值能够影响土壤肥力，营养物质的含量则是评价土壤肥力质量的关键指标，两者综合反映了人工林肥力状况[22]。两次测得的土壤pH值差异性不显著（P＞0.05），但可以看出一定规律。各处理pH值变化量由大到小为：处理5＞处理3＞处理4＞处理2＞处理1。其中处理3、处理4、处理5的pH值升高，而处理1、处理2的降低，说明处理3、处理4、处理5对提高土壤pH值，缓解土壤酸化问题更为有利。其中处理5的pH值变化量最高为0.44，比其他处理高0.21～1.04，且与除处理3外的其他处理差异性显著（P＜0.05），说明堆腐处理对提高土壤pH值，缓解土壤酸化最为有利。

氮元素是自然界中最重要元素之一，是林木生长过程中必需的大量元素[23]。两次测得的土壤全氮含量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤全氮含量发生了显著变化。各处理全氮变化量由大到小为：处理5＞处理3＞处理4＞处理1＞处理2。其中处理3、处理4、处理5全氮变化量是处理1、处理2的1.32～1.90倍，说明处理3、处理4、处理5对提高土壤全氮含量更为有利。处理5全氮变化量最高为1.46 g/kg，是其他处理的1.09～1.90倍，且与处理1、处理2差异性显著（P＜0.05），说明堆腐处理对土壤全氮含量的增加最为有利。

磷是林木必需的营养元素，对林木生长发育起着重要作用[24-25]。两次测得的土壤有效磷含量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤有效磷含量发生了显著变化。各处理有效磷含量由大到小为：处理5＞处理4＞处理3＞处理2＞处理1。其中处理4、处理5的有效磷含量增加，而处理1、处理2、处理3的降低，且差异性显著（P＜0.05），说明处理4、处理5对提高土壤有效磷含量更为有利。处理5有效磷变化量最高为2.00 mg/kg，比其他处理的高1.08～3.63 mg/kg，说明堆腐处理对土壤有效磷含量的增加最为有利。

钾素是植物的三大营养要素之一，对林木的生长起着重要作用[26]。两次测得的土壤全钾含量差异性显著（P＜0.05），说明1.5 a间土壤全钾含量发生了显著变化。各处理的全钾含量都有不同程度的下降。刘杰研究表明，22 a和38 a生华北落叶松人工林土壤全钾含量会随间伐强度的升高而降低[27]。推测间伐是导致本试验各处理全钾含量都下降的原因。各处理全钾降低量由小到大为：处理4＜处理2＜处理3＜处理5＜处理1。其中处理2、处理3、处理4的全钾降低量比处理1、处理5低，处理4的全钾减低量最低，说明处理2、处理3、处理4对提高土壤全钾含量更为有利。原因可能为，剩余物分解会产生含钾的营养物质。堆腐处理全钾变化量较低，原因可能为钾易溶解于水，容易被淋失[28]，在堆腐过程中钾被淋溶。粉碎处理剩余物分解速率比带堆和平铺高（见表1），所以其全钾变化量最高。

4 结论与讨论

粉碎能促进剩余物的分解。原因可能为粉碎增加了剩余物与外界环境的接触面积，更有利于微生物的侵入[29]，加速分解过程。在粉碎基础上外加氮源、EM菌和木醋液并进行堆腐，能进一步加速剩余物的分解。外加氮源能为微生物提供营养，外加EM菌和木醋液能提高微生物的数量和促进其生命活动。堆腐过程中，堆体内部温度会上升，更有助于微生物的生长繁殖[14]，进而加速剩余物腐熟发酵过程。所以堆腐处理对加速剩余物分解最为有利。

与其他处理相比，堆腐处理对提高土壤毛管孔隙度、饱和含水量和饱和蓄水量最为有利，对非毛管孔隙度的促进作用仅次于粉碎处理。原因可能为堆腐处理剩余物的分解速度最快，更有助于土壤持水、透气能力、水源涵养和蓄水能力的提高。堆腐处理对提高土壤pH值、全氮、有效磷含量最为有利，对土壤有机质含量的提高作用低于粉碎和平铺处理，但差异性并不明显。堆腐处理钾的变化量较低，原因可能为钾易溶解于水，容易被淋失，在堆腐过程中会有一部分钾淋溶，说明在堆腐坑底部和四周铺上塑料袋以防止钾的淋失很有必要。总体来看，堆腐处理对土壤化学性质的提高最为有利。与本研究结果相似，王朴等研究表明园林废弃物（发酵腐熟以后）的覆盖能一定程度上降低了土壤的容重和pH值，能促进土壤形成和保持良好的结构，能提高土壤有机质和其它养分的含量，起到培肥土壤的作用[30]。张虎等研究结果也表明，秸秆堆腐还田处理能提高土壤的有机质、速效磷、速效钾的含量，降低容重，具有改良田地土壤，培肥地力的作用[31]。

综上所述，与其他处理相比，堆腐处理对加速剩余物分解，改善土壤理化性质，提高土壤质量最为有利。

在研究过程中发现以下问题：在林地内堆腐最好用塑料将堆体包住，以减少水分的流失，更好的保持堆体的湿度，同时能够防止养分的淋溶（尤其是钾）；堆体中心温度较高，容易干燥，应经常喷水，以保持其湿度；剩余物返还应采用集中在树木根系的分布区域进行平铺，这样对关键区域土壤的改善作用更强，更有利于林木的生长。

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Effects of residue composting treatment on soil quality of Larix principis-rupprechtii plantation

YIN Huan-yu1, ZHAO Kuang-ji1, LIU Yan-qing2, JI Fu-li2, LIU Yan-wen2, JIA Zhong-kui1
(1.College of Forestry Beijing Forestry University, Beijing 100083, China;2.Saihanba Mechanical Forest Farm, Chengde 068466, Hebei, China)

The thinning residue of Larix principis-rupprechtii plantation was chosen as the research object to study the effects of of residue composting treatment on the soil quality. The fi ve kinds of treatments include: treatment 1 (clear away), treatment 2 (stack in the belt-like shape), treatment 3 (tile), treatment 4 (smash), treatment 5 (composting). The study results show: (1) One and a half years after the residue has been treated, the residue decomposition rate of composting treatment was 18.75%, ranking the highest, which was 1.02-1.48 times that of the other treatments. (2) the soil capillary porosity and saturated water content and saturation water capacity changes of composting treatment respectively 10.15%, 8.84% and 3 534.63 t/hm2, ranking the highest, which was 9.04%-10.52%, 2.53%-18.44%and 474.26-1030.19 t/hm2higher than that of other treatments; the non-capillary porosity change of treatment 5 was the second highest after treatment 4. (3) the soil pH and total nitrogen and available phosphorus changes of treatment 5 respectively 0.44、1.46 g/kg and 2.00 mg/kg, ranking the highest; the pH and available phosphorus changes of treatment 5 were higher 0.21-1.04 and 1.08-3.63 mg·kg-1than that of other treatments; the total nitrogen change of treatment 5 was 1.91-3.63 times that of other treatments. In summary, compared with other treatments, composting treatment was the most conducive to accelerating the decomposition of residues, improve physical and chemical characteristics of soil and enhancing soil quality.

thinning residue; composting; decomposition rate; soil quality

S714.6；S750

A

1673-923X(2016)11-0022-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.004

2016-04-11

中央高校基本科研业务费专项（TD2011－08）；国家林业公益性行业专项（201004021）

尹欢宇，硕士研究生 通讯作者：贾忠奎，副教授；E-mail：jiazk@bjfu.edu.cn

尹欢宇，赵匡记，刘彦青，等.剩余物堆腐处理对华北落叶松人工林土壤质量的影响[J].中南林业科技大学学报，2016,36(11): 22-27.

[本文编校：吴 毅]