橄榄果渣堆肥施用对弱发育土壤有机碳库的短期提升作用

《Soil Use and Management》：Short-Term Enhancement of Soil Organic Carbon Stock in Poorly Developed Soils Through Olive Pomace Compost Application

　　

施用有机改良剂是提升地中海弱发育土壤有机碳（SOC）积累的一种有前景的策略。本研究评估了在传统地中海橄榄园中施用橄榄果渣堆肥对SOC库及土壤理化性质的短期效应。研究设置了三种堆肥类型（A、B和C）和三个施用量（10、20和40 t ha^?1），并在施用1年后进行评估。结果表明，SOC含量呈现明显的剂量依赖性增加，其中40 t ha^?1处理效果最为显著（SOC最高达12.37 t ha^?1，而对照均值为7.06 t ha^?1）。然而，碳利用效率（CUE = ΔSOC/C applied）随施用量增加而持续下降，所有堆肥类型均呈现该趋势，从10 t ha^?1时的0.61–1.51降至40 t ha^?1时的0.42–0.53，表明较低施用量可实现单位碳输入下更高比例的SOC积累。电导率和阳离子交换量的增加表明土壤养分有效性和缓冲能力得到改善，其中堆肥C（最低C/N比）在高施用量下效果最为显著。主成分分析解释了总方差的80%，包含三个主成分：PC1（40%）捕捉了施用量驱动的SOC数量和化学肥力（pH、全氮、磷和钾）梯度；PC2（23%）反映了以C/N比表示的土壤有机质质量，区分了不同堆肥沿矿化梯度的差异；PC3（17%）与团聚体稳定性这一次要结构变量相关。SOC在具有坡度的试验样地上的空间分布呈均匀特征。总体而言，这些发现表明橄榄果渣堆肥可作为增加地中海薄层土（Leptosols）短期SOC储存和土壤肥力的有效管理策略，同时为农业工业副产物的循环利用提供了定量证据，促进了橄榄景观中土壤碳储存和可持续性。

论文解读：橄榄果渣堆肥施用对地中海薄层土有机碳库的短期提升效应

一、研究背景与问题

土壤有机碳（SOC）是土壤功能的核心驱动因素，直接关系到养分保持、阳离子交换、土壤水力行为、团聚体稳定性以及生物活性和气候胁迫抗性。在地中海农业环境中，SOC对生态系统服务至关重要。然而，在地中海地区广泛分布的薄层土（Leptosols）中，由于剖面深度有限、细粒矿物含量低且易受侵蚀，SOC功能受到严重限制。这类土壤的SOC主要集中于表层，特别容易因矿化和物理迁移而损失。橄榄园是地中海地区典型的土地利用方式，如何在橄榄园中恢复和增加SOC，同时提升土壤肥力和结构稳定性，是可持续管理的关键挑战。

有机改良剂的施用被认为是提升SOC积累的有效途径。橄榄果渣是橄榄油工业产生的主要副产物，具有高有机质含量和酚类化合物，未处理时可能产生植物毒性。然而，经过堆肥处理后，可将其转化为成熟的改良剂，富含腐殖质组分和低植物毒性化合物，既能减少废弃物环境影响，又能为土壤提供有机质和养分。尽管已有研究认识到有机改良剂对土壤的积极作用，但关于橄榄果渣堆肥在多大程度上促进地中海薄层土SOC积累的定量证据仍然有限，特别是在长期采用保护性管理的橄榄园中。因此，本研究旨在填补这一空白，通过田间试验评估单次施用橄榄果渣堆肥对表层SOC库、土壤理化性质及团聚体稳定性的短期效应，为循环经济背景下土壤恢复提供操作指导。

二、研究设计与技术方法

本研究在葡萄牙东北部布拉干萨Vila Flor地区的一个传统橄榄园（Olea europaea L., cv. Cobran?osa）开展，该园地已采用 agroecological 管理超过二十年，包括免耕、无化学肥料输入、 minimum drip irrigation 和 agro-pastoral 杂草控制。试验采用系统区组设计，将1公顷样地划分为12行树，每行分为3个区组，共设置9个处理（3种堆肥类型 × 3个施用量）和1个对照，每个处理3次重复。3种堆肥（A、B、C）均由橄榄果渣配以杏仁壳作为膨胀剂和羊粪作为氮源，通过被动通风堆肥180天制备，其主要差异在于C/N比：A和B堆肥C/N较高（17和16），C堆肥C/N较低（11）且养分含量更高。堆肥于2022年3月施用，剂量分别为10、20和40 t ha^?1，1年后于2023年3–4月采集0–5 cm表层土壤样品（共30个复合样品），部分点位采集5–10 cm和10–20 cm样品。分析方法包括：SOC采用Walkley-Black重铬酸钾氧化法（ISO 14235:1998）并用元素分析仪（LECO CHNS-932）交叉验证；土壤物理参数（容重、孔隙度、团聚体稳定性）采用相应国际标准方法；化学参数（pH、EC、CEC、NPK）按标准方法测定。统计分析采用多因素方差分析（ANOVA）、Tukey HSD事后检验、Pearson相关矩阵和主成分分析（PCA）。SOC空间分布通过无人机激光雷达获取的数字高程模型（DEM）结合插值方法进行预测作图。

三、研究结果

3.1 土壤有机碳

施用橄榄果渣堆肥1年后，SOC含量呈现显著的剂量依赖性增加。对照SOC均值为7.06 t ha^?1，而40 t ha^?1处理下所有堆肥类型的SOC均显著升高，最高达12.37 t ha^?1。10 t ha^?1的施用量已能产生可测量的SOC提升。两因素方差分析表明，剂量效应显著（p < 0.05），而堆肥类型效应不显著。碳利用效率（CUE = ΔSOC/C applied）随剂量增加而一致下降：10 t ha^?1时CUE范围为0.61–1.51，40 t ha^?1时降至0.42–0.53。在低剂量下，A和B处理（高C/N比）的CUE值超过1.0，这归因于其缓慢的分解速率导致大部分施加碳未分解。

3.2 SOC空间分布

基于DEM和插值的SOC空间分布图显示，SOC在研究样地沿坡面呈均匀分布，未发现明显的坡度或地形影响。高SOC值对应高堆肥施用区域，与坡位无关。SOC的均匀分布排除了地形对有机碳再分配的主导作用。

3.3 土壤物理和化学参数

pH：在A、B、C三种堆肥处理中，40 t ha^?1剂量均显著提高土壤pH（从对照5.73升至6.68–6.84），呈现强烈剂量效应（p < 0.001）。

电导率（EC）：仅在40 t ha^?1下显著增加，其中处理C最高（0.137 dS m^?1），对照为0.056 dS m^?1，表明EC主要受剂量影响。

阳离子交换量（CEC）：施用40 t ha^?1后，CEC从对照的5.96 cmol_c kg^?1显著增至12.21 cmol_c kg^?1，10和20 t ha^?1也有增加但20 t ha^?1与对照差异不显著。

NPK含量：土壤K在40 t ha^?1下所有处理均显著增加（708–760 mg kg^?1 vs 对照254 mg kg^?1）；总P和总N仅在处理C的40 t ha^?1下显著增加（P：47.33 mg kg^?1，N：3.07 g kg^?1），低剂量无显著效应。

容重和孔隙度：容重变化不显著，但处理B在20和40 t ha^?1时容重显著低于对照；孔隙度在处理B的40 t ha^?1下显著高于对照。团聚体稳定性：堆肥施用总体上提高了团聚体稳定性，尤其在20和40 t ha^?1下，处理B和C效果最显著，处理C在40 t ha^?1时相对稳定性提高3.35%。处理A在低剂量下表现不稳定。

多因素方差分析表明，剂量因子为主要影响因素，在70%的参数（SOC、pH、全N、K、CEC等）中产生显著差异；堆肥类型因子影响40%的参数（总P、C/N比、团聚体稳定性和粗粒级）。交互作用仅对总P显著。

回归模型显示，SOC与EC、总N和容重显著相关，模型解释了80.7%的SOC变异性。

3.4 多元分析

PCA提取了三个主成分，累积解释80%方差。PC1（40%）代表SOC数量和化学肥力（pH、全N、P、K），沿剂量梯度分离样品，将对照与40 t ha^?1处理置于极端位置。PC2（23%）由C/N比和交换性盐基/SOC比主导，反映有机质质量，将B堆肥（高C/N）与C堆肥（低C/N、高交换性盐基）区分开来。PC3（17%）与团聚体稳定性相关，20 t ha^?1剂量下的样品在该轴上载荷最高，表明该剂量对团聚体的积极作用独立于堆肥类型。

四、讨论与结论

本研究发现，长期免耕管理的对照橄榄园本身已积累了比地中海传统耕作橄榄园更高的SOC库（7.45 t ha^?1 vs 3.29 t ha^?1）。在此基础上，单次施用堆肥在1年内使SOC增加了49.09%，该增幅与已有研究报告范围一致。与西班牙南部和葡萄牙其他研究相比，本研究在最高剂量下的SOC增量比例更大（从7.45增至12.37 t ha^?1）。SOC在0–5 cm与5–10 cm之间的明显梯度表明，免耕条件下堆肥碳主要保留在表层，未发生向下迁移。

CUE随剂量下降的结果与土壤碳饱和假说一致：当有机输入超过矿物表面和团聚体结构的保护容量时，SOC积累呈现递减回报。因此，在薄层土中优化剂量而非最大化输入可能是更有效的长期管理策略。

堆肥中碱性阳离子（Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺）的矿化释放提高了CEC和交换性盐基，促进了有机-矿物复合体的形成。处理C（高养分、低C/N、pH 9.5）在40 t ha^?1下表现出更强的pH提升、养分有效性和CEC增加，其碱性性质对酸性土壤（pH 5.73）产生了改良效应。相反，A和B堆肥的高C/N比和较大粒径导致分解较慢，养分释放较缓，但其富含木质素的顽固组分可能有利于颗粒有机质的长期驻留。

本研究存在一定局限性：数据仅代表1年监测期，未包括SOC分组、腐殖质表征或矿化试验，无法完全解析碳保护机制。这些工作正在进行中。

结论表明，单次施用橄榄果渣堆肥能显著提升地中海薄层土的化学和结构质量，促进SOC的大量积累。低施用量下的高效率表明SOC积累不仅受有机输入数量驱动，还受矿物表面和微团聚体形成的影响。堆肥施用同时改善了养分有效性，增强了SOC与肥力之间的互作关系。SOC、养分和团聚体稳定性之间的相关性表明，引入的有机质是土壤健康的多功能驱动因素。橄榄果渣堆肥作为一种可持续管理策略，将碳储存、肥力提升和结构改善联系起来，有助于气候变化缓解和地中海农业生态系统长期韧性，同时为农业工业副产物的循环利用提供了可复制的模式。该论文发表于《Soil Use and Management》。