廖逸宁，郭素娟，王芳芳，马雅莉，刘亚斌

(北京林业大学林学院，省部共建森林培育与保护教育部重点实验室,北京 100083)

目前，单一过量施用无机肥常导致土壤板结、酸化、有机质明显减少等问题[1]。有机肥具有丰富的养分，能改善土壤的理化性状，并提高土壤保水供肥能力[2]。许兰梅等[3]研究发现，有机肥和尿素配施能显著降低土壤容重，增加总孔隙度。许小伟等[4]研究认为，有机肥猪粪配施化肥显著提高了土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量，有利于土壤肥力的改善。彭娜等[5]研究发现，有机-无机肥配施有利于土壤有机碳和活性有机碳的积累, 提高土壤透气性和保水保肥能力。有机-无机肥配合施用，结合了无机肥的速效性和有机肥的持久性，对培肥土壤、减少环境污染等起到重要作用[6]。根系是植物适应环境的重要功能器官，是连接土壤与地上部分物质运输的桥梁[7]。细根(≤2 mm)作为根系中最活跃的部分[8]，其发育程度体现了土壤的水肥利用效率，其形态特征会对土壤结构、养分等作出适应性反应[9]。伍从成等[10]研究发现生物有机肥可以显著促进不同径级根系的生长。

板栗(Castaneamollissima)原产于我国，是我国大力发展的木本粮食树种。河北省迁西县作为全国板栗主产区，是最主要的板栗生产和出口基地[11]。目前，国内对板栗有机-无机肥配施的研究主要集中在地上生物量的影响等方面[12-13]，而对有机-无机肥配施下土壤肥力及根系生长的研究较少。为此，本研究以河北迁西县8年生板栗主栽品种‘燕山早丰’为研究对象，探究有机-无机肥配施对土壤理化性状及根系功能性状的影响，以期为板栗的科学施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及供试肥料

研究区位于河北省迁西县的北京林业大学经济林(板栗)育种与栽培实践基地(118°54′E,40°18′N),该地区地势平坦，属于东部季风暖温带半湿润气候，年均气温10.9 ℃，最冷月(1月)平均气温-6.5 ℃，最热月(7月)平均气温25.4 ℃，年均降水量744.7 mm，主要集中在7月和8月。全年日照时间充足，长达2 581.5 h，无霜期176 d。试验地土壤质地为沙壤，土壤理化性质见表1。

表1 试验地土壤理化性质Table 1 Physical and chemical properties of soils at the experiment site

无机肥选用施可丰缓释复合肥[有效成分N 20%(质量分数，下同)，P2O510%，K2O 10%，施可丰化工股份有限公司]；磷肥选用过磷酸钙(有效成分P2O516%，云南云天化股份有限公司)；钾肥选用硫酸钾(有效成分K2O 50%，河北高盛化肥有限公司)。有机肥选用鸡粪(有效成分N 1.52%，P2O51.96%，K2O 1.53%，有机质 55.67%，石家庄养殖总场)。

1.2 试验设计

2019年3月底，选择生长状况基本一致、无病虫害的8年生板栗树，按质量占比设置6个处理：①100%无机肥(C1)；②75%无机肥+25%有机肥(C0.75O0.25)；③50%无机肥+50%有机肥(C0.5O0.5)；④25%无机肥+75%有机肥(C0.25O0.75)；⑤100%有机肥(O1)；⑥不施肥(CK)。施肥处理肥料以等氮量1.123 kg/株计[14]，磷和钾以有机肥(O1)量计，不足的部分用过磷酸钙和硫酸钾补足。试验以单株为小区，采用环状沟施方式(沿每棵树树冠滴水线开沟，沟深30 cm，沟宽40 cm，肥料与土壤等体积混拌后填土，一次性全量施入)，每个处理10次重复，随机区组排列，共60个试验小区，处理间设保护行。

1.3 根系样品的采集与测定

2019年10月底采用连续根钻法，根钻内径为8 cm，每个处理隔株选取5棵树，每棵试验树东、南、西、北及东南、西北、东北、西南等8个方向为取样区，在样区内距树干50、75、100 cm处3个取样点钻取土芯，按照深度0～20、≥20～40 cm分两层取样，每棵树共48个取样点，同一土层24个样点取平均值进行方差分析，每个处理共240个取样点。各取样点取回来的根样根据颜色、外形、弹性等挑选出活根，将活根反复用水冲洗干净，用根系扫描仪Epson Perfection 750 Pro扫描活根获取图像。将根系分为0～1 mm、≥1～2 mm、≥2～5 mm共3个径级[15]，根据传统的根系分类标准[16]，将直径≤2 mm的根划分为细根。用根系分析软件WinRHIZO分析根长、根表面积、根体积等指标。参照文献[10]分别计算不同径级根长、根表面积、根体积占总根长、总根表面积、总根体积的比例。扫描后的细根样置于80 ℃烘箱烘干至质量恒定，电子天平称量细根干质量(精确到0.001 g)。计算细根根长密度(fine root length density，RLD，式中以RRLD表示，m/m3)、细根表面积密度(fine root surface density，RSD，式中以RRSD表示，m2/m3)、细根体积密度(fine root volume density，RVD，式中以RRVD表示，cm3/m3)、细根生物量密度(fine root biomass density，RBD，式中以RRBD表示，g/m3)、细根比根长(specific fine root length，SRL，式中以SSRL表示，m/g)，计算公式如下：

RRLD=L/VS;

RRSD=S/VS;

RRVD=V/VS;

RRBD=M/VS;

SSRL=L/M。

式中：L为细根总根长，m；S为细根总表面积，m2；V为细根总体积，cm3；M为细根总干质量，g；VS为取样体积，m3(通过πr2h计算，r=4 cm，h=20 cm)。

1.4 土壤样品的采集与测定

在采集根样的同时，分别将每处理0～20、≥20～40 cm同一土层的土样混匀，用四分法抽取土样，风干研磨后过筛，用于测定土壤有机碳、全氮及速效养分含量。在根系取样同一样点挖取土壤剖面，用环刀法采集0～20、≥20～40 cm土层的土样，测定各土层土壤容重。参照文献[17]测定以下指标：土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定，土壤pH采用水浸提电位法(水土质量比为2.5∶1)测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用乙酸铵浸提火焰光度计(FP 6410，上海精科)法测定；全氮含量H2SO4-H2O2消煮后采用Smartcham 450全自动间断化学分析仪(意大利AMS公司)测定；土壤含水率采用烘干法测定；土壤总孔隙度采用容重-比重换算法测定。

1.5 数据分析

用Excel 2010进行数据整理，Origin 19.0作图，SPSS 25.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，对原始数据进行Z-score标准化处理后，再进行主成分分析，用Duncan法对数据进行多重比较，显著性水平设置为α=0.05。数据表示为平均值±标准误差。

2 结果与分析

2.1 有机-无机肥配施对土壤理化性状的影响

2.1.1 对土壤化学性状的影响

经测定发现，各处理对土壤有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量、C/N、pH均有不同程度的影响(图1)。与C1和CK处理相比，随有机肥配比的升高，0～40 cm土层平均土壤有机碳含量均有所增加，以O1处理最高(5.97g/kg)且差异最显著(P<0.05，F=15.922，df=23)(图1A)。0～20 cm土层，C1处理土壤全氮含量值最高(1.33 g/kg)，较CK处理增加54.65%；≥20～40 cm土层，各处理差异不显著(图1B)。0～40 cm土层，与C1和CK处理相比C0.25O0.75处理平均土壤C/N值增幅分别为38.81%、11.41% (图1C)。C0.25O0.75处理提高土壤速效养分效果最好，在0～40 cm土层平均碱解氮含量、有效磷含量、速效钾含量较CK处理分别显著增加57.48%(P<0.05，F=77.22，df=23)、47.49%(P<0.05，F=38.14，df=23)、32.19%(P<0.05，F=49.84，df=23)，较C1处理分别增加17.17%、35.63%、16.58%，较O1处理分别增加14.37%、20.71%、13.36%(图1D、1E、1F)。0～40 cm土层平均pH以C1处理最低(6.66)，CK处理最高(6.82)，C0.75O0.25、C0.5O0.5、C0.25O0.75处理较C1处理分别增加0.44%、1.03%、1.77%(图1G)；各处理土壤pH均在板栗适生范围内。

不同小写字母表示各处理间差异显著(P<0.05)。下同。Lowercase letters indicate significant differences among different representative treatments at 0.05 level. The same below。 图1 有机-无机肥配施对板栗林地土壤化学性状的影响Fig.1 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil chemical properties of chestnut forest

2.1.2 对土壤物理性状的影响

经测定发现(表2)，有机-无机肥配施处理中随着有机肥配比的增加，0～20 cm和≥20～40 cm土层土壤总孔隙度和含水率增加，土壤容重降低。其中，C0.25O0.75处理作用效果最佳，分别较CK处理0～40 cm土层平均土壤总孔隙度显著提高11.23%(P<0.05，F=5.85，df=29)，土壤含水率显著提高13.85%(P<0.05，F=7.17，df=29)，土壤容重显著降低11.23%(P<0.05，F=5.722，df=29)；与C1处理相比，C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均土壤总孔隙度提高9.26%，土壤含水率提高11.10%，土壤容重降低8.58%。

表2 有机-无机肥配施对板栗林地土壤物理性状的影响Table 2 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on soil physical properties of chestnut forest

2.2 有机-无机肥配施对根系功能性状的影响

经研究发现，有机-无机肥配施促进了板栗0～1 mm细根量的增多，而且显著增加了板栗林0～40 cm土层平均细根根长密度(P<0.05，F=206.20，df=29)、细根表面积密度(P<0.05，F=162.04，df=29)、细根体积密度(P<0.05，F=288.96，df=29)、细根生物量密度(P<0.05，F=110.56，df=29)、细根比根长(P<0.05，F=450.57，df=29)。其中C0.25O0.75与CK、C1处理相比效果更明显(图2)。

图2 有机-无机肥配施对板栗细根根长密度、细根表面积密度、细根体积密度、细根生物量密度、细根比根长的影响Fig.2 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on root length density, root surface area density, root volume density, root biomass density and specific root length of fine root of chestnut forest

2.2.1 对细根根长密度的影响

由图2A可知，有机-无机肥配施处理显著促进细根根长密度增加，各处理指标从大到小总体表现为C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25=O1>C1>CK。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根根长密度最大(3 748.45 m/m3)，较CK和C1处理分别增加了57.82%和19.89%。

2.2.2 对细根表面积密度的影响

由图2B可知，有机-无机肥配施处理可显著促进细根表面积密度增加，各处理指标从大到小表现为C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25>O1>C1>CK。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根表面积密度最大(5.71 m2/m3)，较CK和C1处理分别增加54.32%和30.07%。

2.2.3 对细根体积密度的影响

由图2C可知，有机-无机肥配施处理可显著促进细根体积密度增加，各处理总体表现与细根根长密度一致，大小排序为C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25=O1>C1>CK。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根体积密度最大(280.07 cm3/m3)，较CK和C1处理分别增加183.93%和62.92%。

2.2.4 对细根生物量密度的影响

由图2D可知，有机-无机肥配施处理显著促进细根生物量密度增加，各处理总体表现为C0.25O0.75>C1=C0.5O0.5=C0.75O0.25=O1>CK。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根生物量最大(511.24 g/m3)，较CK和C1处理分别增加35.42%和6.00%。

2.2.5 对细根比根长的影响

由图2E可知，有机-无机肥配施处理显著促进细根比根长增加，各处理总体表现与细根表面积密度一致，大小排序为C0.25O0.75>C0.5O0.5>C0.75O0.25>O1>C1>CK。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根比根长最大(7.20 m/g)，较CK和C1处理分别增加16.50%和12.85%。

2.2.6 对不同径级根系根长、根表面积和根体积占比的影响

经分析发现，与CK处理相比，各施肥处理下0～1 mm和≥1～2 mm径级根长、根表面积、根体积占比均有提高，而≥2～5 mm径级根长、根表面积、根体积占比均有降低(图3)。高比例有机肥处理0～1 mm径级根系所占百分比均大于无机肥处理，尤以C0.25O0.75处理差异最显著(P<0.05，F=25.64，df=29)，其0～1 mm径级根长、根表面积、根体积占比分别达到90.27%、61.43%、14.77%，较CK处理分别增加4.69%、22.05%、32.22%，较C1处理分别提高2.43%、10.82%、11.05%(图3A、3B、3C)。

占比为不同径级根系各指标占其总根系的比例。The ratio is each index in the total root system of different diameters.图3 有机-无机肥配施对不同径级板栗根系根长、根表面积、根体积占比的影响Fig.3 Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers on ratio of relative root length, root surface area and root volume in different diameter classes of chestnut forest

2.3 有机-无机肥配施下根系及土壤指标主成分分析

有机-无机肥配施下根系性状及土壤指标主成分分析结果见图4。由图4可以看出，提取特征值大于1的3个主成分，第1主成分PC1、第2主成分PC2、第3主成分PC3方差贡献率分别为75.13%、15.99%、5.14%，累计方差贡献率为96.26%。土壤理化性状指标及根系功能性状指标在3个主成分上均有较高的载荷值(图4)，说明土壤理化性状指标、根系功能性状指标与3个主成分均有较高的相关性。因此，3个主成分可以充分反映有机-无机肥配施下根系及土壤指标的变量信息。经分析发现(表3)，各施肥处理中，有机肥与无机肥配施效果显著，以C0.25O0.75处理综合得分最高(0.78)，土壤养分提供及根系生长效果最好，O1、C1、CK处理效果较差。

径级diameter class Ⅰ.0～1 mm；Ⅱ.≥1～2 mm；Ⅲ.≥2～5 mm；LR.根长占比 root length ratio；SR.根表面积占比 root surface area ratio；VR.根体积占比 root volume ratio；RLD.细根根长密度 root length density；RSD.细根表面积密度 root surface area density；RVD.细根体积密度 root volume density；RBD.细根生物量密度 root biobass density；SRL.细根比根长 specific root length；SOC.土壤有机碳含量 soil organic carbon content；STN.土壤全氮含量 soil total nitrogen content；STP.土壤总孔隙度 soil total porosity；SBD.土壤容重 soil bulk density；SWC.土壤含水率 soil moisture content；SAN.土壤碱解氮含量 soil alkaline nitrogen content；SAP.土壤有效磷含量 soil available phosphorus content；SAK.土壤速效钾含量 soil available potassium content；C/N.土壤碳氮质量比 mass ratio of soil carbon to nitrogen。图4 板栗林地土壤理化性状及根系指标主成分负荷分布Fig.4 Principal component load distribution of soil physical and chemical properties and root index of chestnut forest

表3 有机-无机肥配施主成分及综合得分Table 3 Principal component score and comprehensive score of combined organic and inorganic fertilizer

3 讨 论

3.1 有机-无机肥配施对土壤理化性状的影响

土壤理化性质是土壤肥力的内在体现，有机无机肥混施可以改善土壤性质[18]。良好的养分管理也直接影响着土壤肥力，这在茶园试验中得到了验证[19]。本研究结果表明，有机-无机肥配施对改善土壤肥力效果最佳，尤其以C0.25O0.75处理为优，与C1和CK处理相比，C0.25O0.75显著提高土壤C/N值和土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量(P<0.05)，较CK处理分别提高11.41%、57.48%、47.49%、32.19%，较C1处理分别增加38.81%、17.17%、35.63%、16.58%。这与前人得出的有机肥与氮肥配施能提高土壤碱解氮、有效磷、有效钾、有机质含量，且高量有机肥配施效果更显著，有机-无机肥配施处理土壤C/N值显著高于无机肥处理等一致[20-22]。无机肥释放在板栗生长前期能有效提高土壤养分含量，有机肥的养分多为有机结合态，肥效释放缓慢，后期有机肥的肥效逐步释放、养分供应确保了板栗根系生长对养分的需求。

土壤孔隙度和土壤容重是调节土壤水、肥、气、热状况的重要环境条件，土壤含水率是衡量通气状况的重要指标[23]。有机肥含有大量有机质和多种微量元素，施入土壤后提供了土壤微生物活动所需养分，使土壤中微生物数目种类增多，土壤微生物活动可以促进土壤疏松，增加土壤通气透水性，改变了原土壤的孔隙状况，使其容重减小，孔隙度增大，进而增强土壤持水性能[24]。宋影等[25]研究发现，有机物料处理可以提高土壤含水率及孔隙度，确保板栗果实发育所需水肥条件。本研究发现，有机-无机肥配施C0.25O0.75处理显著增加土壤总孔隙度，提高含水率，降低土壤容重(P<0.05)，较CK处理增加0～40 cm土层平均土壤总孔隙度11.23%，提高土壤含水率13.85%，降低土壤容重11.23%；较C1处理增加土壤总孔隙度9.26%，提高土壤含水率11.10%，降低土壤容重8.58%。这与宋影等[25]的研究结果一致。

3.2 有机-无机肥配施对根系功能性状的影响

根系是吸收土壤中的水分和养分的重要营养器官[26]。林木通过增加细根比根长来增强根系吸收水分和养分的能力[27]。研究表明，有机-无机肥配施显著促进根系生长[28]，增强根系活力[29]。有机与无机肥配施保证了林木整个生长期营养供应，在林木生长前期，无机肥营养供给根系伸长生长；在林木生长后期，有机肥营养供给根系生物量的积累[30]。本研究结果表明，有机-无机肥配施C0.25O0.75处理显著提高细根根长密度、细根表面积密度、细根体积密度、细根生物量密度和细根比根长(P<0.05)。C0.25O0.75处理0～40 cm土层平均细根根长密度、细根表面积密度、细根体积密度、细根生物量密度、细根比根长较CK处理分别增加57.82%、54.32%、183.93%、35.42%、16.50%，较C1处理分别提高19.89%、30.07%、62.92%、6.00%、12.85%。

不同径级根系的生长决定着植物对土壤中水分与养分的吸收利用能力。0～1 mm的细根在同等条件下吸收养分多且快[31]，而≥2～5 mm的粗根在营养物质输送中具有重要作用[32]。施用无机肥对吸收根生长影响较小或者存在一定的抑制作用[33]。本研究中，高比例有机肥处理0～1 mm径级根系所占百分比均大于无机肥处理，尤以C0.25O0.75处理差异最显著(P<0.05)，C0.25O0.75处理0～1 mm径级根长、根表面积、根体积占比较CK处理分别增加4.69%、22.05%、32.22%，较C1处理分别提高2.43%、10.82%、11.05%，这与范学山等[34]试验得出连续施用堆肥促进吸收根占比研究结果一致。

综上所述，不同施肥处理对土壤物理、化学性状及细根功能性状产生了不同程度的影响。主成分分析结果以有机-无机肥配施C0.25O0.75处理综合得分最高，且能显著提高土壤C/N值、速效养分含量(P<0.05)，促进细根伸长及生物量积累，提高吸收根比例，是河北迁西县板栗园施肥模式的较佳选择。