趙 杰，樊莉麗，吳明作，樊 巍

（1.河南農(nóng)業(yè)大學 林學院，河南 鄭州 450002；2.河南省林業(yè)科學研究院，河南 鄭州 450008）

黃泛平原是由黃河泛濫形成的，該地區(qū)主要的環(huán)境問題是風沙危害和水土流失[1]。近些年來，該地區(qū)開展了以防治風沙為目的的人工防護林、速生豐產(chǎn)林及農(nóng)林復合經(jīng)營等林業(yè)生態(tài)建設(shè)工程[2-5]。楊樹尤其是歐美楊107 楊Populus×euramericanacv.74/76（以下簡稱107 楊）和歐美楊中林46 楊Populus×euramericanacv.‘Zhonglin 46’由于適應(yīng)性強、生長快、輪伐周期短等特點，成為其營林主要樹種[6-7]。近些年，隨著養(yǎng)殖業(yè)的興起，堆積的糞污等畜禽廢棄物成為地下水環(huán)境污染的一大隱患[8]，且隨著蚯蚓Eisenia被作為原材料廣泛用于生產(chǎn)有機肥料、促生長劑、藥品等，掀起了以畜禽糞便為飼料的蚯蚓養(yǎng)殖熱潮，使畜禽養(yǎng)殖廢物實現(xiàn)資源化的利用。韓桂鷗等[9]研究了在林下養(yǎng)殖蚯蚓可提高土壤有效養(yǎng)分含量、降低堿性土壤pH 值，有利于白蠟和國槐的生長。Xiang 等[10-11]研究了在木瓜果園養(yǎng)殖蚯蚓可提高土壤有機質(zhì)、全氮和全磷含量，提高酸性土壤的pH 值，有利于木瓜苗木生長。目前，有關(guān)蚯蚓消解牛糞過程中對黃泛沙質(zhì)平原土壤改良的研究還很少，因此探索在楊樹人工林地養(yǎng)殖蚯蚓對表層土壤肥力及楊樹生長的影響意義重大，同時也可為畜禽養(yǎng)殖糞污的資源化生態(tài)處理提供參考。

本研究以商丘市民權(quán)林場未養(yǎng)殖蚯蚓的兩處楊樹人工純林及林地養(yǎng)殖蚯蚓1 a 和5 a 的兩處楊樹人工純林為研究對象，通過測定土壤容重、pH值、含水率，土壤中有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀含量，楊樹生長因子平均胸徑、樹高和樹冠投影面積，計算土壤肥力綜合評價指標，分析各土壤質(zhì)量因子及土壤肥力綜合評價指標與楊樹生長因子的相關(guān)性，探索以改善黃泛沙質(zhì)平原土壤肥力為目的的楊樹高效栽培技術(shù)，明確林地養(yǎng)殖蚯蚓對土壤及楊樹生長的影響。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省商丘市民權(quán)國營林場，該林場位于豫東平原黃河故道腹地民權(quán)縣境內(nèi)，地理坐標為114°06′12″～115°28′05″E，34°18′36″～34°31′12″N，海拔60.90 m[3]，林場地形平坦，土壤主要由沖積物“填平補齊”的堆積作用所形成，土層深厚，土壤為黃河沖擊而形成的潮土類細沙土，質(zhì)地以沙質(zhì)、沙壤質(zhì)、壤質(zhì)為主，pH 值為7.5～9.0，土壤中的碳酸鈣及可溶鹽含量偏高，呈中性至堿性，地下水位為1.5～4.0 m[5]。該地區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，平均氣溫14.0℃，絕對最低氣溫-16.0℃，大于10℃積溫4 700℃，無霜期213 d，年均降水量679 mm[4]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

在2017年8月中旬選定楊樹林地蚯蚓養(yǎng)殖年限為1、5 a 的樣地及其對照區(qū)，各樣地設(shè)在研究區(qū)中央地帶約667 m2范圍，以消除邊際效應(yīng)，樣地內(nèi)所栽植楊樹均為南北行向。所養(yǎng)殖的蚯蚓為赤子愛勝蚓Eisenia foetida，生態(tài)類群為表棲類；飼料為腐熟的牛糞拌入適量的森林土壤。各樣地基本概況見表1。

表1 研究樣地基本概況?Table 1 Basic characteristics of the four sampling plots

2.2 研究方法

2.2.1 土壤各項指標的測定

李盼盼[12]研究報道稱對楊樹生長作用較大的細根均集中在0～20 cm 的土層，且隨土層深度的增加逐漸減少。蚯蚓養(yǎng)殖為地上式蚓床，本次研究取0～20 cm 土樣進行監(jiān)測，各樣地采用“Z”形10 點取樣法取土樣。監(jiān)測指標包括土壤容重、土壤含水量、pH 值、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀。土壤容重和含水率分別采用環(huán)刀法、烘干法測定[13]。土壤pH 值參照NY/T 1121.2—2006《土壤檢測土壤pH 的測定》。土壤有機質(zhì)含量參照NY/T 1121.6—2006《土壤檢測土壤有機質(zhì)的測定》。土壤全氮含量參照NY/T 53—1987《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》。土壤全磷含量參照NY/T 88—1988《土壤全磷測定法》。土壤全鉀含量參照NY/T 87—1988《土壤全鉀測定法》。土壤有效磷含量參照LY/T 1232—2015《森林土壤磷的測定》。土壤速效鉀含量參照LY/T 1234—2015《森林土壤鉀的測定》。

2.2.2 楊樹生長指標的測定

在樣地內(nèi)進行每木檢尺，用圍尺、測高儀、卷尺分別測量樣地內(nèi)每棵楊樹的胸徑、樹高、南北和東西冠幅，并通過式（1）計算樹冠投影面積[14]。

式（1）中：S為樹冠投影面積（m2）；a、b分別為南北和東西樹冠長的一半（m）。

2.2.3 土壤肥力綜合評價

由于土壤肥力的形成機制復雜，不同學者對土壤肥力的內(nèi)涵和外延的理解不同，評價指標也不盡相同[15-17]。考慮到林地養(yǎng)殖蚯蚓的實際情況，本研究選用土壤容重、有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、速效鉀作為指示土壤肥力的因子。

由于土壤肥力因子變化的連續(xù)性，故各評價指標采用連續(xù)性質(zhì)的隸屬度函數(shù)，并從主成分因子負荷量值的正負性，確定隸屬度函數(shù)分布的升降性?？紤]到土壤容重增大土壤結(jié)構(gòu)變差，故采用降型分布函數(shù)，其他土壤肥力因子均采用升型分布函數(shù)，升型分布函數(shù)和降型分布函數(shù)的計算公式如下：

式（2）～（3）中：F(xi)表示各土壤肥力因子的隸屬度值；xi為第i項土壤肥力因子值；ximax和ximin分別為第i項土壤肥力因子的最大值和最小值。

由于土壤肥力各因子的狀況與重要性不同，所以常用權(quán)重系數(shù)來表示各個因子的重要性程度。本研究利用SPSS 23.0 統(tǒng)計軟件計算各因子主成分的貢獻率和累計貢獻率，利用特征值和主成分分析因子負荷量計算各因子作用的大小，確定它們的權(quán)重，計算公式如下：

不同樣地的土壤肥力綜合指標(FI)的計算參考劉世梁等[18]的土壤質(zhì)量綜合指標公式，對各個土壤肥力指標值采用乘法進行合成，各樣地土壤肥力綜合指標值的計算公式如下：

式（5）中：Wi表示各肥力因子的權(quán)重向量；F(xi)表示各土壤肥力因子的隸屬度值。FI 值越大，土壤肥力越高；相反，土壤肥力越低。

2.2.4 數(shù)據(jù)處理與分析

本研究采用Excel 2016 軟件進行數(shù)據(jù)計算，通過SPSS 23.0 軟件對土壤質(zhì)量因子和楊樹的生長因子進行單因素方差分析，利用LSD 多重比較法進行檢驗（P=0.05）。研究結(jié)果以“平均值±標準差”的形式表示，不同小寫字母表示同一土壤質(zhì)量因子或楊樹生長因子在不同樣地的差異達到顯著水平（P＜0.05）。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤理化性狀的比較

對不同樣地土壤理化性狀的分析結(jié)果（表2）表明，養(yǎng)殖蚯蚓1 a 的樣地土壤容重、pH 值、有機質(zhì)含量較對照區(qū)差異均不顯著，但土壤含水率較對照區(qū)提高63.15%，顯著高于對照區(qū)（P＜0.05）；養(yǎng)殖蚯蚓5 a 的樣地土壤容重、pH 值分別較對照區(qū)低9.64%、1.58%，含水率、有機質(zhì)含量分別較對照區(qū)提高85.18%、197.48%，均顯著高于對照區(qū)（P＜0.05）。

3.2 土壤養(yǎng)分含量的比較

對不同樣地土壤養(yǎng)分含量的分析結(jié)果（表3）表明，養(yǎng)殖蚯蚓1 a 的樣地土壤全氮、全鉀、有效磷、速效鉀較對照區(qū)均無顯著差異，土壤全磷較對照區(qū)低12.31%，差異均顯著（P＜0.05）；養(yǎng)殖蚯蚓5 a 的樣地土壤全鉀較對照區(qū)無明顯差異，土壤全氮、全磷、有效磷、速效鉀分別較對照區(qū)提高187.88%、36.54%、1 257.06%、232.62%，差異均顯著（P＜0.05）。

表2 不同樣地土壤理化性狀的比較（均值±標準差）?Table 2 Comparison of soil physical and chemical properties in different plots（Mean ± SD）

表3 不同樣地土壤養(yǎng)分含量的比較（均值±標準差）Table 3 Comparison of soil nutrient content in different plots（Mean ± SD）

3.3 土壤肥力綜合評價指標

選用7 個土壤指標作為指示土壤肥力的指示因子（表4）。一些土壤特性如pH 值在指示土壤肥力中有不確定性，所以沒有列入公式。土壤含水率過高或過低都會對植被造成不利的影響，對土壤質(zhì)量的影響同樣具有不確定性，因此未作為土壤肥力因子。

表4 土壤肥力因子的隸屬度值Table 4 Membership function value of soil fertility factors

為定量化研究林地養(yǎng)殖蚯蚓對土壤肥力的影響，采用主成分分析法對土壤肥力進行綜合評價。土壤綜合肥力指標反映了不同樣地的土壤肥力的相對值。根據(jù)式（2）～（3）計算土壤肥力因子的隸屬度值（表4）。

土壤肥力因子主成分分析結(jié)果見表5。從因子主成分的貢獻率來看，前兩個主成分的貢獻率（92.68%＞80%）基本可以代表原變量的信息，所以采用第一和第二主成分的值計算權(quán)重系數(shù)，通過公式（5）求出土壤肥力綜合指標FI。

圖1顯示不同樣地的FI 值，養(yǎng)殖蚯蚓1 a 的樣地（D1）及其對照區(qū)（CK1）、養(yǎng)殖蚯蚓5 a的樣地（D5）及其對照區(qū)（CK5）的土壤肥力綜合指標分別為0.538、0.462、1 和0。養(yǎng)殖蚯蚓1 a 的樣地（D1）土壤肥力因子較對照區(qū)（CK1）高16.45%；養(yǎng)殖蚯蚓5 a 的樣地（D5）土壤肥力因子則明顯高于對照區(qū)（CK5）。

表5 土壤肥力因子主成分分析Table 5 Analysis of principal components of soil fertility factor

圖1 不同樣地的FI 值Fig.1 The FI value of soil in different plots

3.4 楊樹不同樣地生長因子的差異

圖2顯示不同樣地楊樹平均胸徑和樹高的差異，養(yǎng)殖蚯蚓1 a 的樣地楊樹平均樹高較對照區(qū)無顯著差異，胸徑較對照區(qū)提高14.81%，顯著高于對照區(qū)（P＜0.05）。養(yǎng)殖蚯蚓5 a 的樣地楊樹平均胸徑、樹高分別較對照區(qū)提高17.14%、19.93%，差異均顯著（P＜0.05）。

圖2 不同樣地楊樹平均胸徑和樹高的差異Fig.2 The average DBH and height of poplars in different plots

圖3顯示不同樣地楊樹樹冠投影面積在坐標中的分布，養(yǎng)殖蚯蚓1 a 和5 a 的樣地平均樹冠投影面積分別較對照區(qū)顯著提高31.28%、32.94%（P＜0.05）。

3.5 楊樹生長因子與土壤肥力因子相關(guān)性分析

圖3 不同樣地楊樹樹冠投影面積Fig.3 The tree crown projection area of poplars in different plots

采用SPSS 23.0 軟件分析土壤肥力因子與楊樹生長因子間的相關(guān)性。由表6可知，土壤容重、土壤有機質(zhì)和速效鉀含量與楊樹胸徑之間均存在極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；土壤容重、有效磷和速效鉀含量與楊樹樹高間均存在顯著正相關(guān)（P＜0.05），其中土壤容重為極顯著相關(guān)（P＜0.01）；土壤容重、土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量與楊樹樹冠投影面積之間存在顯著正相關(guān)（P＜0.05），其中土壤容重同樣為極顯著相關(guān)（P＜0.01）。由于長期（5 a）的蚯蚓養(yǎng)殖均可顯著提高對楊樹生長有利的土壤肥力因子，可認為長期（5 a）的林地蚯蚓養(yǎng)殖活動對楊樹生長有利。

表6 生長因子與土壤肥力因子相關(guān)性分析?Table 6 Correlation analysis of growth factors with soil fertility factors

4 討 論

4.1 林地養(yǎng)殖蚯蚓對土壤理化性狀的影響

養(yǎng)殖蚯蚓所用的飼料為腐熟后的牛糞，有機質(zhì)含量豐富，蚯蚓活動可將礦質(zhì)土與有機質(zhì)混合，形成富含有機質(zhì)的土壤微團，顯著改善土壤物理結(jié)構(gòu)，為有機質(zhì)提供物理保護，減緩土壤有機質(zhì)分解[19]。隨著蚯蚓養(yǎng)殖年限的增加，土壤容重降低，孔隙度提高，土壤涵養(yǎng)水分的能力越強[19-20]。蚯蚓活動在影響生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動過程中也會影響土壤調(diào)節(jié)因子，如pH 值等，但其對土壤酸堿度的影響不統(tǒng)一[21]，多個研究表明蚯蚓糞有較大的酸堿緩沖容量，使土壤的pH 值趨于中性[19-22]。本研究中，長期（5 a）的蚯蚓養(yǎng)殖會使堿性土壤容重和pH 值顯著降低，有機質(zhì)含量顯著升高，短期（1 a）蚯蚓養(yǎng)殖差異則不顯著；短期（1 a）和長期（5 a）蚯蚓養(yǎng)殖的土壤含水率均顯著高于對照。

4.2 林地養(yǎng)殖蚯蚓對土壤養(yǎng)分含量的影響

養(yǎng)殖蚯蚓的過程會將大量有機質(zhì)帶入土壤，有機質(zhì)分解產(chǎn)生的有機酸可通過酸化作用促進礦物的風化和養(yǎng)分的釋放，且短期內(nèi)密集的蚯蚓種群在提高養(yǎng)分礦化的同時，會造成土壤中養(yǎng)分的淋失[19]；從長遠來看，蚯蚓活動產(chǎn)生的大量微團聚體對有機質(zhì)的保護，對養(yǎng)分特別是氮素在土壤中的長期庫存有利[19,23]。短期內(nèi)增加土壤有效養(yǎng)分含量造成的土壤養(yǎng)分淋失、污染地下水等的環(huán)境風險在施用化學肥料中也有體現(xiàn)[23-24]；土壤改良不僅要考慮林木生長的直接養(yǎng)分需求，還需考慮土壤長期的養(yǎng)分平衡。本研究中，短期（1 a）蚯蚓養(yǎng)殖土壤中的全磷含量顯著低于對照，有效磷、速效鉀均高于對照，但不顯著；長期（5 a）蚯蚓養(yǎng)殖土壤中全氮、全磷、有效磷、速效鉀均顯著高于對照。

4.3 土壤肥力的變化對楊樹生長的影響

林木胸徑、樹高等因子的生長量能直觀反映土壤的肥力[25]。鉀是植物組織中最豐富的無機陽離子，是植物生長必需的常量元素，鉀缺乏會影響植物的性能，如離子吸收和碳水化合物的運輸?shù)萚26]；有研究表明，高鉀施肥不僅能降低干旱脅迫對植物的影響，還能改善植物的霜凍損害，降低病蟲害的發(fā)生率[27]，對植物的生長有利。長期的林地蚯蚓養(yǎng)殖顯著提高速效鉀含量，與楊樹各生長因子均呈顯著正相關(guān)，這與高鉀施肥的效果一致。孫立濤[28]研究表明，過量施肥造成的土壤養(yǎng)分過剩會對楊樹的生長產(chǎn)生抑制作用，短期（1 a）和長期（5 a）的林地蚯蚓養(yǎng)殖過程均未對楊樹的生長造成明顯的不利影響，未來還需持續(xù)關(guān)注蚯蚓養(yǎng)殖對楊樹生長的影響，以便更好進行管理。

5 結(jié) 論

長期（5 a）的蚯蚓養(yǎng)殖會顯著增加土壤有機質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀含量，短期（1 a）的蚯蚓養(yǎng)殖無顯著效果，且短期內(nèi)速效養(yǎng)分的增加，還可能造成土壤中磷的流失；土壤肥力綜合評價指標的計算結(jié)果表明，長期（5 a）較短期（1 a）的蚯蚓養(yǎng)殖更能顯著提高土壤肥力；長期（5 a）的蚯蚓養(yǎng)殖均可顯著提高對楊樹生長因子有顯著正相關(guān)的土壤肥力因子，可認為長期（5 a）蚯蚓養(yǎng)殖對楊樹的生長有利。