化肥減量配施生物有機肥對玉米生長及土壤微生物和酶活性的影響*

宋以玲，于 建，陳士更，肖承澤，李玉環(huán)，蘇秀榮，丁方軍，

(1.山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司 山東泰安 271600； 2.山東省腐植酸高效利用工程技術(shù)研究中心 山東泰安 271600； 3.山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 山東泰安 271018； 4.山東農(nóng)業(yè)大學化學學院 山東泰安 271018)

土壤為植物生長提供必要的水、肥、氣、熱，是植物生長的基礎(chǔ)，然而由于人類長期過度索取，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分含量降低、農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降。19世紀李比希植物礦物質(zhì)營養(yǎng)學說和養(yǎng)分歸還學說的建立，為化肥工業(yè)的興起奠定了理論基礎(chǔ)。隨著化肥的長期大量施用，導(dǎo)致資源浪費、環(huán)境污染，如土壤酸化、水體富營養(yǎng)化、大氣氮沉降和氮氧化物排放加劇[1- 2]及作物質(zhì)量下降等嚴重后果[3]。為解決上述問題，近年來國內(nèi)外相繼開展了在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用新型肥料部分代替化肥的探索[4- 7]，其中生物有機肥具有增強土壤肥力、提高土壤疏松度、調(diào)控土壤微生物組成和結(jié)構(gòu)、降低土傳病害、促進植物生長及提高植物的抗逆性、產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)勢[8- 12]。大量研究表明，部分生物有機肥替代無機肥可促進黃瓜、小白菜、玉米等作物對氮、磷、鉀等養(yǎng)分的吸收利用率，提高土壤微生物群落的種類和數(shù)量，改善土壤酶活性，進而優(yōu)化了作物生長環(huán)境，提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)[13- 14]。減量化肥配施生物有機肥還具有防治煙草黑脛病、青枯病[11，15]，茄子青枯病[16]，冬瓜枯萎病[17]等土傳病害以及降低鹽堿地土壤容重、土壤鹽分含量與堿化度，提高土壤有機質(zhì)和有效養(yǎng)分含量等優(yōu)良改土效果[18- 20]。

玉米是我國重要的糧食作物之一，具有生長發(fā)育旺盛、產(chǎn)量高、需肥量大等特點，因此生產(chǎn)上主要通過大量施用化肥來保證其充足的養(yǎng)分供應(yīng)，但隨著化肥的長期施用，導(dǎo)致土壤板結(jié)、鹽漬化嚴重，增產(chǎn)效果不斷降低[21]。隨著各種新型肥料的興起，出現(xiàn)了大量有關(guān)生物有機肥應(yīng)用于玉米生產(chǎn)的研究，主要分為以下3種情況：①無機肥用量不變的情況下增施生物有機肥[22- 23]；②直接用大量的生物有機肥替代無機肥[24- 25]；③減量某一養(yǎng)分含量的情況下增施生物有機肥，其余養(yǎng)分含量用單一無機養(yǎng)分補給[26- 27]。為積極響應(yīng)落實我國農(nóng)業(yè)部對化肥“零增長”的政策要求，增施生物有機肥以減少化肥用量是一條切實可行的途徑，然而在保證養(yǎng)分含量相等的條件下減量無機肥配施生物有機肥的施肥方式較為復(fù)雜，因此，本試驗在減施不同用量化肥的同時增施不同用量的生物有機肥，以尋求最佳減增配比。通過探究不同減增配比對玉米生長、產(chǎn)量、土壤微生物群落種類和數(shù)量、土壤酶活性以及土壤養(yǎng)分含量的影響，來尋找既能增產(chǎn)又能改土的最佳減增配比，為生物有機肥在玉米減量化肥中的應(yīng)用提供切實可行的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間和地點

2016年6月27日至2016年10月10日在山東省泰安市肥城市興潤園試驗田開展試驗。

1.2 試驗材料

供試玉米品種：山農(nóng)206。

供試肥料：山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司微生物肥料車間提供的生物有機肥和復(fù)合肥車間提供的無機復(fù)合肥，各肥料的基本特性如表1所示。

表1 供試肥料的基本特性

供試肥料菌數(shù)/(億個·g-1)w(N-P2O5-K2O)/%腐殖酸底料w(有機質(zhì))/%復(fù)合肥25-10-10生物有機肥6總量≥5有稻殼雞糞+種雞糞≥60

1.3 試驗設(shè)計

如表2所示，試驗共設(shè)5個處理。每個小區(qū)面積50 m2，各處理種植后統(tǒng)一管理，其間共澆水5次、除草3次、打藥1次，直至收獲。

表2 試驗設(shè)計

處理復(fù)合肥施用量/(kg·畝-1)生物有機肥施用量/(kg·畝-1)CK50.0(100%)T142.520.0T242.540.0T335.020.0T435.040.0

注：1)1畝=666.67 m2，下同

1.4 測定項目與方法

株高在玉米孕穗期用卷尺測定從地面到頂端生長點的高度；莖粗用游標卡尺測定距離莖基部40 cm處的直徑；葉面積用卷尺測定功能葉的長和寬，單葉葉面積=長×寬×0.75；葉綠素(SPAD值)采用SPAD- 502Plus便攜式葉綠素測定儀測定；收獲后小區(qū)取樣測定穗粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量，根據(jù)所取植株總產(chǎn)量折合畝產(chǎn)；微生物數(shù)量采用平板菌落計數(shù)法測定[28]；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；速效磷采用碳酸氫鈉溶解鉬銻抗比色法測定；有效鉀采用乙酸銨溶解火焰光度計法測定[29]；脲酶采用苯酚―次氯酸鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中銨態(tài)氮的質(zhì)量(mg)表示脲酶活性；過氧化氫酶采用滴定法測定，其活性用1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO4(37 ℃、24 h)的體積(mL)表示；蔗糖酶采用3，5- 二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的質(zhì)量(mg)表示蔗糖酶的活性；土壤磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定，結(jié)果以24 h后1 g土壤中釋放出的酚并轉(zhuǎn)化為磷(P)的質(zhì)量(mg)表示；土壤脫氫酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定，結(jié)果以24 h后1 g土壤中所形成的三苯基甲臜(TPF)的質(zhì)量(mg)表示[30]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和制表，采用DPS 7.05軟件進行統(tǒng)計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米生長的影響

如表3所示：減量化肥增施生物有機肥可促進玉米的生長，其株高、葉面積、莖粗和SPAD值均高于僅施化肥處理，但各處理株高間的差異不顯著；葉面積的大小順序為T2>T1>T4>T3>CK，其中T2、T1、T4與CK相比呈顯著性差異(p<0.05)；莖粗的大小順序為T2>T1>T4>CK>T3，其中T2和T1與CK相比呈顯著性差異；SPAD值的大小順序為T3>T4>T2>T1>CK，除T1外，均與CK呈顯著性差異。綜上比較可知，T2的效果較好，其葉面積、莖粗和SPAD值分別比CK顯著提高了65.11%、7.14%和6.02%，而T3的效果卻較差。

表3 不同施肥處理對玉米生長指標的影響(孕穗期)

處理株高/cm葉面積/cm2莖粗/cmSPAD值CK178.75±5.44 a0.513±0.019 c3.08±0.088 cd2.99±0.088 dT1182.75±4.27 a0.670±0.002 b3.27±0.048 ab3.08±0.050 cdT2182.75±3.86 a0.847±0.038 a3.30±0.051 a3.17±0.091 bcT3182.50±5.97 a0.536±0.001 c2.99±0.050 d3.30±0.056 aT4182.50±2.08 a0.669±0.001 b3.17±0.091 c3.27±0.048 ab

試驗結(jié)果表明：減量化肥增施生物有機肥能在一定程度上促進葉片的伸展和光合色素的形成，從而促進玉米的光合作用和對碳水化合物的積累；化肥的減少量與生物有機肥的增施量應(yīng)保持一定的配比，當化肥減量15%、生物有機肥用量為20 kg/畝或40 kg/畝時對玉米生長指標的影響效果不顯著，而當化肥減量30%、生物有機肥用量為20 kg/畝或40 kg/畝時對玉米生長指標的影響效果較無機肥減量15%明顯。

2.2 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

由表4可知，不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響存在差異。當化肥減量15%、生物有機肥用量為40 kg/畝時，玉米的穗粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量以及畝產(chǎn)量分別提高了5.17%、7.15%、8.89%以及12.19%；但生物有機肥用量為20 kg/畝時，出現(xiàn)了輕微的減產(chǎn)效應(yīng)。當化肥減量30%、生物有機肥用量為40 kg/畝時，其穗粒數(shù)和百粒重與CK持平，畝產(chǎn)顯著提高了8.64%；而生物有機肥用量為20 kg/畝時，其穗粒數(shù)、單株產(chǎn)量和畝產(chǎn)量都有所降低，其中畝產(chǎn)量與CK相比顯著降低了12.62%。

表4 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

處理穗粒數(shù)/粒百粒重/g單株產(chǎn)量/g畝產(chǎn)量/kgCK527.25±14.41 bc36.49±2.11 a202.83±22.17 ab521.69±4.39 cT1535.50±9.57 ab36.92±0.41 a202.64±15.40 ab512.07±3.73 cT2554.50±5.00 a39.10±1.13 a220.86±16.55 a585.30±7.61 aT3514.50±21.00 c38.08±2.92 a184.01±14.15 b455.86±9.76 dT4527.50±6.61 bc37.92±2.50 a196.12±6.76 b566.61±5.15 b

試驗結(jié)果表明，減量化肥與增施生物有機肥的比例較優(yōu)時才能起到明顯的增產(chǎn)效應(yīng)，當化肥減量較大而生物有機肥增施量不足時會引起一定的減產(chǎn)效應(yīng)，因此需要確定適宜的減增配比。

2.3 不同施肥處理對玉米根際土壤微生物量的影響

土壤微生物量直接影響土壤的生物學特性、養(yǎng)分組成與轉(zhuǎn)化以及土壤團粒結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。細菌是土壤微生物的主體，在總量和種類上占絕對優(yōu)勢；放線菌利于土壤有機質(zhì)的分解和養(yǎng)分的釋放，即可將穩(wěn)定的化合物(如纖維素、幾丁質(zhì)和磷脂類)降解為簡單形式；有益真菌可以分解纖維素、淀粉、樹膠、木質(zhì)素以及較易分解的蛋白質(zhì)和糖類。由圖1可知：各處理根際土壤細菌數(shù)>放線菌數(shù)>真菌數(shù)；減施化肥增施生物有機肥后提高了根際土壤細菌數(shù)和放線菌數(shù)而降低了真菌數(shù)，且均達到顯著水平；在化肥減量15%和30%的條件下，土壤細菌數(shù)和放線菌數(shù)均隨生物有機肥增施量的提高而增加，真菌數(shù)則出現(xiàn)了相反的結(jié)果；當生物有機肥施入量為20 kg/畝時，根際細菌數(shù)、放線菌數(shù)和真菌數(shù)受化肥減量的影響不大，即T1和T3間差異不顯著；而當生物有機肥施入量達到40 kg/畝時，根際細菌數(shù)、放線菌數(shù)和真菌數(shù)均隨無機肥減量的增大而增多，與T2相比，T4的細菌數(shù)、放線菌數(shù)和真菌數(shù)分別顯著提高了31.67%、15.57%和15.46%。因此，當生物有機肥施入量較少時，根際微生物的種類和數(shù)量受化肥減量的影響不顯著，而生物有機肥施入量較多時產(chǎn)生了顯著的效果。

圖1 不同施肥處理對玉米根際土壤細菌、放線菌和真菌數(shù)量的影響

2.4 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

生物有機肥本身含有大量的營養(yǎng)物質(zhì)和微生物群落，因此具有改善土壤環(huán)境、活化土壤養(yǎng)分的能力。由表5可知：除T3外，減量化肥增施生物有機肥可提高土壤中堿解氮、全氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量，且T2與CK相比堿解氮和全氮分別顯著提高了10.02%和58.02%；除T3外，其余處理與CK相比，速效鉀、有效磷和有機質(zhì)均出現(xiàn)顯著性升高差異；當化肥減量一定時，增施生物有機肥越多，土壤中養(yǎng)分含量越高，且對有機質(zhì)的影響效果最明顯。以上結(jié)果表明，生物有機肥在向土壤提供大量營養(yǎng)物質(zhì)的同時，還能依靠微生物的生長代謝進一步活化、分解土壤中難溶、不易移動、不能被作物直接吸收的養(yǎng)分，因此提高了根際土壤中可直接吸收的養(yǎng)分和有機質(zhì)含量。

表5 不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量的影響

處理堿解氮/(mg·kg-1)全氮/(g·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)有機質(zhì)/(g·kg-1)CK26.05±1.49 ab0.536±0.001 c117.02±2.64 c12.57±0.098 cd9.56±0.394 eT127.68±1.49 ab0.670±0.002 b122.33±2.52 b13.38±0.324 bc10.33±0.327 dT228.66±1.49 a0.847±0.038 a135.01±1.73 a17.06±0.828 a14.34±0.602 aT325.73±0.56 b0.513±0.019 c115.33±2.52 c11.83±0.107 d11.68±0.263 cT427.19±1.85 ab0.669±0.001 b121.01±1.00 b13.59±0.467 b13.05±0.348 b

2.5 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

土壤酶是由土壤微生物、動植物活體分泌及動植物殘骸分解釋放于土壤中的一類具有催化能力的生物活性物質(zhì)，其活性與微生物的代謝活動密切相關(guān)。由表6可知：不同施肥處理對土壤酶活性的影響不同，減量化肥增施生物有機肥顯著提高了土壤脲酶、土壤磷酸酶和土壤蔗糖酶的活性，并隨化肥減量的增大其活性呈上升趨勢，且化肥減量30%與減量15%間存在顯著性差異，T3和T4與CK相比，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性分別顯著提高了72.24%和115.58%，105.15%和58.76%，67.29%和93.23%，而對過氧化氫酶和脫氫酶活性的影響效果不顯著。由此表明，土壤酶活性與肥料的種類和含量間存在密切關(guān)系，且生物有機肥可通過改變土壤酶的活性來影響土壤中有效養(yǎng)分含量，而土壤酶活性同樣會受土壤中有效養(yǎng)分含量的影響，因此土壤酶活性與肥料種類和含量有關(guān)。

表6 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

處理脲酶/(mg·g-1·d-1)過氧化氫酶/(mL·g-1·d-1)脫氫酶/(mg·g-1·d-1)磷酸酶/(mg·g-1·d-1)蔗糖酶/(mg·g-1·d-1)CK0.353±0.001 d10.65±0.148 ab2.63±0.048 ab0.97±0.026 d6.94±0.902 dT10.457±0.045 c10.01±0.274 b2.08±0.068 b1.17±0.013 c8.79±1.070 cT20.457±0.044 c10.20±0.158 b2.23±0.048 b1.11±0.114 c9.04±0.337 cT30.608±0.045 b10.11±0.158 b2.82±0.133 a1.99±0.178 b11.61±0.493 bT40.761±0.046 a10.93±0.158 a2.43±0.192 ab1.54±0.104 b13.41±0.806 a

3 討論

3.1 減量化肥增施生物有機肥對玉米生長和產(chǎn)量的影響

大量研究結(jié)果表明，生物有機肥可以提高土壤有機質(zhì)含量，改善土壤物理、化學和生物學特性，同時對作物具有提質(zhì)增產(chǎn)的效應(yīng)[31- 34]。本研究發(fā)現(xiàn)：減量化肥增施生物有機肥可促進玉米葉片的伸展和莖干的生長，同時通過提高葉片內(nèi)光合色素的含量來促進玉米的光合作用，提高碳水化合物的合成和貯存；當化肥減量15%、生物有機肥施入量達到40 kg/畝時，顯著提高了玉米的產(chǎn)量；當化肥減量30%、生物有機肥施入量達到40 kg/畝時，才能保持相對穩(wěn)定的產(chǎn)量。因此，在減量化肥時一定要確定好所需生物有機肥的用量，以確保穩(wěn)定的產(chǎn)量，此研究結(jié)果與張煥菊、李艷紅、田艷洪等人所研究的增施生物有機肥對煙草、玉米生長影響的結(jié)果一致[4，35- 36]。此外，當化肥減量30%時，增施生物有機肥對玉米生長指標的影響效果較化肥減量15%時明顯，因此，化肥減量越多，玉米的生長受生物有機肥用量的影響越顯著。

3.2 減量化肥對土壤生物學特性和土壤養(yǎng)分含量的影響

土壤微生物對土壤健康和病害防控極其關(guān)鍵，具有巨大的生物化學活力，在有機質(zhì)分解、土壤養(yǎng)分循環(huán)(碳、氮、磷等)和土壤團粒結(jié)構(gòu)形成中具有重要的作用[37- 38]。本研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥對土壤根際微生物影響效果為細菌數(shù)>放線菌數(shù)>真菌數(shù)，減量化肥增施生物有機肥后顯著提高了根際土壤細菌數(shù)和放線菌數(shù)而降低了土壤真菌數(shù)。張云偉等發(fā)現(xiàn)，在化肥減量20%情況下，配施生物有機肥可有效提高煙草根際土壤細菌和放線菌數(shù)，降低根際真菌數(shù)，進而減輕土傳病害的發(fā)病率[39]。本研究還發(fā)現(xiàn)：生物有機肥施入量較少時，根際微生物的種類和數(shù)量受化肥減量的影響不顯著；而當生物有機肥施入量較多時，根際微生物的種類和數(shù)量受化肥減量的增加而增加，這與李艷紅、陶磊等人的研究結(jié)果相似[35，40]。本研究發(fā)現(xiàn)，土壤酶是土壤中活躍的有機成分之一，在土壤養(yǎng)分循環(huán)過程中起著重要作用[41]，減量化肥增施生物有機肥可顯著提高土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性，而對土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性的影響較小，這一方面可能是生物有機肥本身含有大量的酶類物質(zhì)，因此對土壤酶有增加作用；另一方面，生物有機肥含有大量的有益微生物和營養(yǎng)物質(zhì)，可為產(chǎn)酶微生物提供豐富的營養(yǎng)源，促進產(chǎn)酶微生物的生長和繁殖。此結(jié)果與孫家駿、孔濤等人所研究的生物有機肥對土壤養(yǎng)分和酶活性的影響結(jié)果相似[8，10]。本研究還發(fā)現(xiàn)，除T3外，減量化肥增施生物有機肥均提高了土壤中有效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量，在化肥減量15%、生物有機肥施入量為40 kg/畝時，土壤中各有效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量最高；當化肥減量一定時，生物有機肥施入量越大，土壤有效養(yǎng)分和有機質(zhì)含量越高。其原因首先是生物有機肥本身含有大量的有效養(yǎng)分和有機質(zhì)；其次，有機質(zhì)不僅控制著土壤中養(yǎng)分和能量的循環(huán)，還是微生物群落穩(wěn)定的營養(yǎng)和能量來源[42]，因此土壤有機質(zhì)和土壤微生物間形成良好的互利共贏關(guān)系，并通過土壤微生物的生長代謝改善土壤酶活性，以此活化、分解土壤中難溶、不易移動、不能被作物直接吸收的養(yǎng)分，從而提高土壤養(yǎng)分的有效性和利用率，同時維持相對穩(wěn)定的土壤團粒結(jié)構(gòu)，提高土壤的保水保肥性，最終優(yōu)化根際土壤環(huán)境，促進植物根系的生長和對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。

4 結(jié)語

綜上所述，在本試驗條件下，減量化肥增施生物有機肥配比適宜時可促進玉米生長，提高玉米產(chǎn)量，同時提高土壤有益微生物數(shù)量和土壤養(yǎng)分的利用率；當化肥減量比例過大而生物有機肥的增施量不足時，雖然具有活化土壤養(yǎng)分、改善土壤微生物結(jié)構(gòu)、優(yōu)化土壤環(huán)境的能力，但由于養(yǎng)分總量供給欠缺，最終造成一定的減產(chǎn)效應(yīng)。因此，通過減量化肥增施生物有機肥的方式來落實化肥“零增長”政策時，要把握好減量和增施的配比，向既要增產(chǎn)提質(zhì)、養(yǎng)地護田還能提高經(jīng)濟效益的方向發(fā)展。