有機肥替代化肥對小麥產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分和酶活性的影響

沈冰濤，張孝倩，陳紅，江旭聰

李孝良，汪建飛，肖新

安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100

砂姜黑土是淮北平原主要土壤類型之一，占淮北平原總耕地面積的2/3，達(dá)到180萬公頃左右，土地生產(chǎn)率低下，作物產(chǎn)量低且不穩(wěn)定[1]。由于養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)分離，種植戶失去了有機肥的來源，從而使化肥施用量持續(xù)增加。長期不合理地過量施用化肥，導(dǎo)致土壤失去可耕作性，增產(chǎn)效果不顯著，且造成嚴(yán)重農(nóng)業(yè)面源污染[2]。研究表明，長期單施化肥可使土壤酸化、板結(jié)、含水量降低、土壤養(yǎng)分流失，且過量施用化肥會加劇上述問題[3]。面對這種情況，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究，發(fā)現(xiàn)施用有機肥可達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤酸堿緩沖性、促進(jìn)酶活性提高等效果，也能緩解由于過量施用化肥帶來的土壤酸化、鹽漬化、養(yǎng)分流失等問題[4～9]。宇萬太等[10]研究表明，施用有機肥可以顯著提高土壤中有效養(yǎng)分。邢鵬飛等[2]研究表明，有機肥替代部分無機肥后可明顯提高小麥產(chǎn)量。因此，開展有機肥替代化肥研究對指導(dǎo)合理施肥和維持土壤可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義。

目前，圍繞淮北平原砂姜黑土的相關(guān)研究主要集中在生物炭與秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響[11～13]。而關(guān)于淮北平原有機肥替代化肥對麥田土壤肥力特征研究相對較少。為此，本研究以安徽省沿淮淮北地區(qū)砂姜黑土為研究對象，探討了以有機肥替代化肥的合適替代比例及不同替代比例下對土壤養(yǎng)分、土壤酶活性的影響，以為沿淮地區(qū)麥田合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種：煙農(nóng)15；供試土壤的理化性狀：有機質(zhì)含量8.90g/kg，全氮含量0.57g/kg，堿解氮含量50.03mg/kg，速效磷含量10.16mg/kg，速效鉀含量168.05mg/kg，pH 8.15；供試肥料：亳州司爾特生態(tài)肥業(yè)有限公司提供的化肥，安徽養(yǎng)地生態(tài)科技有限公司提供的有機肥料。施肥種類:復(fù)合肥(含氮(N) 15g/100g，磷(P2O5)15g/100g，鉀 ( K2O )15g/100g)；豬糞有機肥總養(yǎng)分( N + P2O5+ K2O) 含量≥5g/100g，有機質(zhì)含量≥45g/100g。

1.2 試驗方法

表1 各處理的施肥用量

試驗于2017年11月15日至2018年6月9日在安徽省亳州市利辛縣進(jìn)行，試驗地位于淮北平原，土壤類型為砂姜黑土。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均降雨量800mm，年平均氣溫14.7℃。試驗共設(shè)5個施肥處理，3次重復(fù)，試驗小區(qū)采用隨機分布，共15個小區(qū)。分別為CK(不施肥料) 、UF(100%化肥)、OF20(20%有機肥+80%無機肥)、OF40(40%有機肥+60%無機肥)、OF100(100%有機肥) 5種處理，面積分別是340m2(5m×68m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)，小區(qū)間均以寬為0.5m的埂隔開，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一樣，直至收獲。不同處理每個小區(qū)施肥用量詳見表1。

1.3 樣品采集與處理

土壤樣品于小麥?zhǔn)斋@期(2018年6月9日)進(jìn)行采集。各小區(qū)均統(tǒng)一采取S形布點法取5個采樣點，用取土器取0～20cm耕作層土樣，剔除石礫、可見植物殘體等雜物后混勻樣品，部分樣品于4℃冰箱保存鮮樣，預(yù)處理后用于微生物特性的測定，另一份土樣風(fēng)干分別過1mm和0.25mm篩用于測定土壤化學(xué)特性，土樣單獨保存。

1.4 測定項目方法及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤基本化學(xué)特性的測定

土壤pH采用電位法測定，土壤有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀法-外加熱法，堿解氮含量測定采用擴(kuò)散滴定法，全氮含量測定采用濃硫酸消煮-半微量開氏法，速效磷含量測定采用0.5mol/L NaHCO3浸提分光光度法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[14]。

1.4.2 土壤微生物特性的測定

土壤脲酶活性含量測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24h每克土壤中產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶活性含量測定采用磷酸苯二鈉法，以24h后1g土壤中釋放出的酚的質(zhì)量(mg)表示；過氧化氫酶活性含量測定采用高錳酸鉀滴定法，以每克土1min消耗的0.02mol/L的KMnO4體積表示；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24h每克土生成的葡萄糖毫克數(shù)表示[15]。為消除誤差和土壤中其他因素的影響，每樣重復(fù)3次，同時做無土和無基質(zhì)2種對照。

1.4.3 產(chǎn)量

小麥產(chǎn)量在測產(chǎn)區(qū)每個小區(qū)取中間3行的小麥?zhǔn)崭詈筮M(jìn)行測產(chǎn)，然后換算為單位面積產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)和繪表，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥替代化肥處理對土壤pH和養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 有機肥替代化肥對土壤有機質(zhì)、全氮含量和pH的影響

從表2可以看出，與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的有機質(zhì)含量均顯著提高，分別提高了16.70%、22.09%、21.41%、30.38%，其中以純有機肥處理的效果最好。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的有機質(zhì)含量分別提高了4.61%、4.03%、11.72%(P<0.05)，這表明增施有機肥可提高土壤的有機質(zhì)含量。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤全氮含量分別提高3.27%、4.92%、4.92%、9.84%(P>0.05)。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤全氮含量分別提高1.59%、1.59%、6.35%。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、F100處理的土壤pH分別降低0.12%、1.11%、0.99%、0.37%。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤pH分別降低0.99%、0.86%、0.25%，說明有機肥施用對砂姜黑土偏堿環(huán)境有一定緩沖作用。

表2 不同處理下的土壤pH和養(yǎng)分含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，表3同。

2.1.2 有機肥替代化肥對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

有機肥替代化肥處理對小麥土壤養(yǎng)分的影響結(jié)果見表2。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤堿解氮含量分別提高17.45%、24.95%、5.99%、7.30%，達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05)。與單施化肥處理相比，OF20處理的堿解氮含量提高6.39%，達(dá)到顯著性差異水平。UF、OF20、OF40、OF100處理的速效磷含量與不施肥處理相比，分別提高15.73%、18.41%、16.26%、20.55%，差異達(dá)到顯著性水平。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤速效磷含量分別提高2.31%、0.46%、4.17%，各處理之間差異不顯著。施肥與不施肥組處理相比，UF、OF20、OF40、OF100速效鉀含量分別提高3.79%、6.07%、5.31%、6.83%(P<0.05)，有機肥替代化肥與單施化肥處理組相比，OF20、OF40、OF100速效鉀含量分別提高2.20%、1.46%、2.92%(P<0.05)。

2.2 有機肥替代化肥處理對土壤酶活性的影響

2.2.1 有機肥替代化肥對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1可知， UF、OF20、OF40、OF100處理與不施肥處理相比，過氧化氫酶活性分別提高1.05%、4.21%、4.73%、3.68%(P>0.05)。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的過氧化氫酶活性分別提高3.12%、3.64%、2.60%，各處理間沒有表現(xiàn)出顯著性差異水平?？梢?，適當(dāng)施用有機肥可以使土壤過氧化氫酶活性維持在較高水平，減少過氧化氫對植株毒害作用。在有機肥替代化肥處理中，OF40處理相對于其他有機肥替代化肥處理效果略微增加，但沒有表現(xiàn)出顯著性差異。

圖1 不同處理下的土壤過氧化氫酶活性

2.2.2 有機肥替代化肥對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖2可見，施肥與不施肥處理均可提高土壤蔗糖酶活性，施肥處理與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的蔗糖酶活性分別提高12.34%、15.09%、7.64%、22.48%(P<0.05)。與單施化肥處理相比，OF20處理蔗糖酶活性提高2.44%，OF40處理的蔗糖酶活性降低4.18%，沒有表現(xiàn)出顯著性差異。OF100處理與單施化肥處理相比，蔗糖酶活性提高9.02%(P<0.05)?？梢?，增施有機肥可以部分提高土壤蔗糖酶活性。

圖2 不同處理下的土壤蔗糖酶活性

2.2.3 有機肥替代化肥對土壤磷酸酶活性的影響

由圖3可以看出，不同施肥處理的磷酸酶活性都顯著高于CK，其中UF、OF20、OF40、OF100處理的磷酸酶活性分別比CK處理提高22.62%(P<0.05)、24.05%(P<0.05)、23.15%(P<0.05)、2.87%(P>0.05)。有機肥替代化肥處理與單施化肥處理相比，OF20、OF40處理的磷酸酶活性分別增加1.17%、0.43%(P>0.05)，OF100處理磷酸酶活性降低16.11%(P<0.05)。

圖3 不同處理下的土壤磷酸酶活性

2.2.4 有機肥替代化肥對土壤脲酶活性的影響

由圖4可以看出，施肥處理與不施肥處理相比，土壤脲酶活性均有所增加，其中UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤脲酶活性分別提高9.21%、3.35%、18.39%、28.41%，OF100處理增加得最明顯。有機肥替代化肥與單施化肥處理比較，OF40、OF100處理的脲酶活性分別提高8.41%、17.59%(P<0.05)，OF20處理降低5.36%(P>0.05)?？梢姡手信涫┮欢康挠袡C肥，可以提高土壤脲酶活性。

圖4 不同處理下的土壤脲酶活性

2.3 有機肥替代化肥對小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，施肥處理的小麥產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著高于未施肥處理。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的產(chǎn)量分別增加61.72%、64.73%、56.65%、42.38%(P<0.05)。與單施化肥處理，OF20處理的產(chǎn)量提高了1.86%。對產(chǎn)量構(gòu)成因素分析可知，有機肥替代化肥處理主要是通過增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)來提高小麥產(chǎn)量，與不施肥處理相比有效穗數(shù)和穗粒數(shù)分別提高了51.99%、12.46%，與單施化肥處理相比分別提高了1.43%、3.78%。對千粒重的影響不顯著，說明在麥田配施一定量有機肥能夠增加有效分蘗，提高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，有利于產(chǎn)量三要素的協(xié)同提高，從而增加小麥產(chǎn)量。

表3 不同處理下的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 有機肥替代化肥對土壤養(yǎng)分的影響

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理地大量施用化肥，導(dǎo)致肥料利用率低，大量的養(yǎng)分流失在農(nóng)村的地表水源中，造成了土壤質(zhì)量下降和水污染等問題。如何在維持農(nóng)作物高產(chǎn)的同時提高肥料的利用效率，逐漸成為農(nóng)業(yè)熱點問題[16]?；示哂蟹市п尫趴臁⑷菀妆蛔魑镂绽玫忍攸c，而有機肥肥效緩慢，不能及時滿足作物關(guān)鍵生育時期對養(yǎng)分的需求[17]，若采取有機肥替代部分化肥使用，可滿足作物生長需求并獲得減量增效的效果[18]。

本研究結(jié)果表明，有機肥部分替代化肥處理中(OF20、OF40、OF100)的全氮含量比UF處理有所提高。堿解氮含量OF20處理也高于UF處理。前人研究也表明有機肥部分施入土壤有助于土壤氮素的積累[10]。此外，OF20、OF40和OF100處理的速效磷、速效鉀含量也高于UF處理，說明有機肥適當(dāng)替代比例的化肥會提高土壤速效養(yǎng)分。Jun等[19]研究結(jié)果也證實，施入適當(dāng)有機肥有助于提高土壤中速效磷、速效鉀含量。

本研究結(jié)果還表明，有機肥施用量越高，土壤中有機質(zhì)含量越高，OF20、OF40、OF100處理的有機質(zhì)含量都高于UF處理。施用有機肥導(dǎo)致偏堿土壤pH略有降低。邢鵬飛等[2]研究也表明，土壤有機質(zhì)含量隨著施入有機肥比例的增加而相對增加，這與本研究結(jié)果一致。李靜等[20]研究表明，施用有機肥和化肥都能使土壤pH降低，有機肥替代化肥處理相對單施化肥處理，對于偏堿土壤降低程度高，這與本研究結(jié)果一致。因此，有機肥適當(dāng)替代化肥可以顯著提高土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量，降低偏堿土壤pH。

3.1.2 有機肥替代化肥對土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤生物活性及土壤地力的重要組成部分，土壤中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)都在土壤酶活動參與下進(jìn)行完成的，根據(jù)土壤酶活性的高低，可以了解土壤生化反應(yīng)的程度。有機肥替代化肥對土壤酶活性將產(chǎn)生不同的影響。研究表明，施用有機肥可以提高土壤中相關(guān)酶的活性[21]。

本研究結(jié)果表明，OF20、OF40、OF100處理的過氧化氫酶活性都高于UF處理，有機肥替代化肥處理中以O(shè)F40處理最高，說明適當(dāng)施入有機肥對過氧化氫酶活性效果處理較好。這與魯耀雄[22]研究結(jié)果相似。蔗糖酶活性隨著有機肥比例增大而增強，說明蔗糖酶活性與有機肥施入量密切相關(guān)，邱珊蓮等[23]也得出相似結(jié)論。UF20、OF40處理比UF處理磷酸酶活性提高要快，魯艷紅等[24]研究表明，紅壤水稻土壤化肥與有機肥配合施用可以提高磷酸酶活性，本研究結(jié)果與此相似。OF100處理相對UF處理有所降低，說明不同施肥、土壤類型對磷酸酶的活性有較大影響，磷酸酶在土壤中的變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。脲酶能促進(jìn)土壤中酰胺肽鍵的水解，生成植物根系可吸收利用的氨，可用于評價土壤的供氮能力[25]。有機肥替代化肥處理脲酶活性相對于單施化肥處理，以O(shè)F40、OF100處理的提高效果比較明顯，OF20處理后脲酶活性有所降低，這與林誠等[26]長期定位試驗中秸稈和糞肥可以大幅度提高脲酶活性的結(jié)論不同，說明施用有機肥時間短可能對脲酶活性的影響效果不太明顯。

3.1.3 有機肥替代化肥對小麥產(chǎn)量的影響

化肥肥效快、容易被作物吸收，而有機肥肥效緩慢，不能及時滿足作物關(guān)鍵生育時期對養(yǎng)分的大量需求。本研究結(jié)果表明，采用有機肥部分替代化肥處理，降低了化肥的使用量，但小麥產(chǎn)量沒有大幅度波動，OF20處理理論上產(chǎn)量有所提高，較單施化肥處理提高1.86%，未達(dá)到顯著性差異。有機肥替代化肥處理(OF20)的單位面積穗粒數(shù)和有效穗數(shù)較高，千粒重略有降低。OF40和OF100處理相比，UF處理有所降低，但未達(dá)到顯著性差異水平。溫延臣等[27]研究表明，采取有機肥適當(dāng)替代化肥施用，養(yǎng)分能協(xié)調(diào)平衡供應(yīng)，可適當(dāng)滿足作物生產(chǎn)需求和獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，同時適當(dāng)減少化肥用量，這與本研究結(jié)果相似。

3.2 結(jié)論

1)有機肥替代20%化肥處理對土壤中有機質(zhì)、堿解氮、速效鉀的含量影響顯著。有機肥替代20%化肥對土壤全氮、速效磷含量也有影響，短期內(nèi)差異效果不顯著。有機肥對調(diào)節(jié)土壤酸堿性，短期內(nèi)效果不顯著。

2)有機肥替代20%化肥能對土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、磷酸酶活性產(chǎn)生影響。蔗糖酶活性大致隨著有機肥投入的量多少，活性也相應(yīng)提高。通過施入有機肥提高過氧化氫酶活性的效果不明顯，但相對單施化肥來考慮，略有增加趨勢。磷酸酶活性在有機肥替代化肥處理中，以O(shè)F20處理效果較好。

3)不同有機肥替代化肥比例對小麥產(chǎn)量影響顯著，有機肥替代20%化肥處理，小麥產(chǎn)量高于單施化肥處理，相對其他處理，從整體上看，OF20處理對提高小麥產(chǎn)量和土樣養(yǎng)分及酶活性效果最佳。

4)總的來看，適當(dāng)比例有機肥替代化肥處理既能保證作物產(chǎn)量，又能在一定程度上提高土壤肥力和酶活性。本研究結(jié)果顯示，有機肥替代20%化肥能夠獲得較高小麥產(chǎn)量，有機肥替代20%和40%化肥更能保持土壤肥力和酶活性，但不一定是最優(yōu)替代比例，要保持較高的土壤肥力和酶活性的有機肥與化肥替代比例，則需要長時間的進(jìn)一步研究和探討。