腐植酸生物有機肥對土壤性質(zhì)及小麥產(chǎn)量的影響

宋以玲 于 建 陳士更 丁方軍 ，3 孫 慧 楊 誠 馬學(xué)文 ，3*

1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部腐植酸類肥料重點實驗室 泰安 271000

2 山東省腐植酸高效利用示范工程技術(shù)研究中心/山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000

3 土肥資源高效利用國家工程實驗室/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 泰安 271000

4 肥城市湖屯鎮(zhèn)政府 泰安 271000

我國人均耕地面積小，土地復(fù)種指數(shù)高，因此出現(xiàn)了長期向耕地過度索取的現(xiàn)象。為了保證產(chǎn)量，維持作物的正常生長，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，依靠大量化肥、農(nóng)藥的投入，對土壤、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的副作用越來越大[1]。生物有機肥是一類兼具微生物肥和有機肥效應(yīng)的肥料，施入土壤后不但可以增加土壤有機質(zhì)含量，提高土壤肥力，還能提高土壤有益微生物數(shù)量，增強土壤生物活性。大量研究表明，生物有機肥養(yǎng)分供應(yīng)全面，可明顯改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)根際微生物環(huán)境，提升土壤肥力，提高植株抗性，達到產(chǎn)量、效益雙增的目的[2～7]。腐植酸是土壤腐殖質(zhì)中的主要成分，與生物有機肥結(jié)合而成的腐植酸生物有機肥可提高土壤中微生物活性、增加土壤微生物數(shù)量，還可提高脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶等土壤酶活性，進而促進植物根系生長，提高植物抗逆性[8]。高亮等[9]研究發(fā)現(xiàn)，施用腐植酸生物有機肥能夠通過提高小白菜的光合色素含量來提高其光合制造有機物和抗病能力，最終提高了作物產(chǎn)量和品質(zhì)；劉彩云等[10]研究發(fā)現(xiàn)腐植酸生物有機肥可促進小麥、水稻、空心菜等作物根系的生長和莖葉的伸展，促進生物量的合成。

我國北方地區(qū)小麥玉米輪作模式普遍存在，在小麥種植施肥過程中有機肥料缺失、秸稈還田處理不科學(xué)、施肥不合理等問題也普遍存在，嚴重影響著小麥的生長，降低了小麥的存活率，影響了小麥的產(chǎn)量[11]。目前秸稈還田種植模式開始不斷得到人們的關(guān)注和發(fā)展，并且對小麥有顯著的促生效果[12]，因此本研究在秸稈還田條件下，在常量和減量施肥的基礎(chǔ)上增施腐植酸生物有機肥，探究常量和減量化肥30%后增施一定用量的腐植酸生物有機肥對小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量、微生物群落組成、土壤酶活性的影響。

1 供試材料

1.1 試驗時間和地點

試驗時間：2017年10月10日—2018年6月7日，試驗地點：山東省泰安市肥城市興潤園試驗田。供試土壤：褐土沙壤土。土壤基本性質(zhì)：堿解氮含量為58.44 mg/kg，全氮含量為0.97 g/kg，有效磷含量為18.17 mg/kg，速效鉀含量為89.33 mg/kg，有機質(zhì)含量為6.78 g/kg。

1.2 試驗材料

供試小麥品種：“濟麥22”。

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腐植酸生物有機肥，即含腐植酸褐煤原料與畜禽糞便按一定的比例復(fù)合發(fā)酵腐熟后添加部分功能微生物而成的生物有機肥；復(fù)合肥車間提供的復(fù)合肥。各肥料特性見表1。

表1 供試肥料的基本特性Tab.1 The characteristics of fertilizers for test

1.3 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)4個處理，每個處理4次重復(fù)，各處理見表2。每個小區(qū)50 m2，玉米秸稈打碎后，與各肥料均做底肥撒施、翻地后統(tǒng)一管理，期間共澆水3次、除草3次、打藥1次、以確保必要的水分供給和病蟲害防治，直至收獲。

表2 試驗設(shè)計Tab.2 The Experiment design 千克 /畝

1.4 測定方法

收獲后各小區(qū)選取長勢相對均勻的地方，長2 m、寬1 m的區(qū)域為一個取樣點，每個小區(qū)取5個點，統(tǒng)計穗數(shù)和穗粒數(shù)，根據(jù)粒數(shù)求出千粒重，根據(jù)小麥產(chǎn)量計算公式求出理論產(chǎn)量。在小麥拔節(jié)期和收獲期，每個小區(qū)按“S”形取樣法取0～20 cm耕層土壤，混勻、晾曬、研磨、過篩，以備測土壤酶活和養(yǎng)分含量；每個小區(qū)按“S”形取樣法取根際土壤，取回后放入冰箱，以備測土壤微生物數(shù)量。采用平板菌落計數(shù)法測根際土壤細菌數(shù)、真菌數(shù)和放線菌數(shù)[13]；土壤堿解氮采用堿解擴散法；全氮采用凱氏定氮法；有效磷采用碳酸氫鈉鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨火焰光度計法，有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法[14]；脲酶采用苯酚-次氯酸鈉比色法：以24 h后1g土壤中NH3-N的質(zhì)量（mg）表示；過氧化氫酶采用滴定法：以24 h后1 g土壤所消耗0.1 mol/L KMnO4（37 ℃）的mL數(shù)表示；蔗糖酶采用3，5-二硝基水楊酸比色法：以24 h后1 g土壤中所含葡萄糖的質(zhì)量（mg）表示；土壤中性磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法測定：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：以24 h后1 g土壤中形成的三苯基甲臢（TPF）的質(zhì)量（μg）表示[15]。

1.5 數(shù)據(jù)處理及分析方法

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)和繪表，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 不同處理對小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，減量施肥（CK2）顯著降低了小麥千粒重，進而降低了總產(chǎn)量，常量施肥（CK1）條件下，增施腐植酸生物有機肥（T1）后小麥穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量分別顯著提高了8.89%、4.14%和19.04%，而對穗粒數(shù)的影響較小；減量施肥增施腐植酸生物有機肥顯著提高了小麥穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，即T2相比CK2分別提高6.69%、7.69%和9.19%，相比CK1也分別提高了6.30%、1.61%和3.88%，且穗數(shù)和產(chǎn)量差異顯著。結(jié)果表明，增施腐植酸生物有機肥主要通過提高有效穗數(shù)和千粒重來提高產(chǎn)量，且在減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥，不但沒有減產(chǎn)，還具有顯著增產(chǎn)效果。

2.2 不同處理對小麥根際土壤微生物數(shù)量的影響

表3 不同處理對小麥產(chǎn)量的影響Tab.3 Effects of different treatments on wheat yield

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)，其中減量施肥與常量施肥處理的根際土壤微生物組成和數(shù)量相近且無顯著差異，而常量施肥與減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了拔節(jié)期和成熟期根際土壤細菌數(shù)和放線菌數(shù)，與CK1相比，拔節(jié)期細菌數(shù)分別提高了43.14%和39.63%，放線菌數(shù)提高了20.60%和8.40%；成熟期細菌數(shù)分別提高了44.40%和32.82%，放線菌數(shù)提高了20.12%和22.49%，而真菌數(shù)在拔節(jié)期顯著降低了16.40%和16.88%，成熟期顯著降低了14.65%和12.12%。結(jié)果表明，不同施肥條件下增施腐植酸生物有機肥可通過改變根際微生物的組成和數(shù)量來改善根際微域環(huán)境。

2.3 不同處理對小麥根際土壤脲酶活性的影響

圖1 不同處理對根際土壤微生物的影響Fig.1 Effects of different treatments on microorganisms in rhizosphere soil注：圖中不同小寫字母表示差異顯著（P<0.05），下同。

土壤脲酶可將酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，其活性高低反映土壤有機態(tài)氮向有效態(tài)氮的轉(zhuǎn)化能力和土壤無機氮的供應(yīng)能力，與土壤氮素水平及氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化息息相關(guān)，它與土壤有機質(zhì)含量呈正相關(guān)。由圖2可見，拔節(jié)期常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥，降低了土壤脲酶活性，而減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥后土壤脲酶活性顯著提高了22.41%，同時CK2與CK1相比，其脲酶活性也顯著提高了20.83%；到成熟期，不同施肥條件下，增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了脲酶活性，其中T1與CK1相比，顯著提高了31.03%，T2與CK2相比，顯著提高了22.41%，且T1處理處于最高值。結(jié)果表明，不同生育期和不同施肥條件下，增施腐植酸生物有機肥對土壤脲酶活性影響不同。

2.4 不同處理對小麥根際土壤中性磷酸酶活性的影響

土壤中性磷酸酶能加速有機磷的脫磷速度，其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解、轉(zhuǎn)化及生物有效性。由圖3可見，不同施肥條件下，增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤中性磷酸酶活性，其中T1與CK1相比，分別提高了10.37%和6.76%，T2與CK2相比分別提高了18.27%和24.35%。結(jié)果表明，減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥對土壤中性磷酸酶活性的提高效果優(yōu)于常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥的效果。

2.5 不同處理對小麥根際土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性

圖2 不同處理對土壤脲酶活性影響Fig.2 Effects of different treatments on urease activity in soil

圖3 不同處理對土壤中性磷酸酶活性影響Fig.3 Effects of different treatments on neutral phosphatase activity in soil

土壤過氧化氫酶與土壤呼吸強度和土壤微生物活動相關(guān)，表征土壤氧化過程的強度及肥力狀況，有機質(zhì)含量高的土壤，過氧化氫酶活性較強；土壤脫氫酶能催化有機物質(zhì)脫氫，反映土壤微生物新陳代謝的整體活性，與土壤中微生物的氧化能力呈正相關(guān)。由圖4可見，與常量施肥相比，除成熟期減量施肥處理外，其余減量施肥（拔節(jié)期）和增施腐植酸生物有機肥（拔節(jié)期和成熟期）均顯著提高了土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性。與CK1相比，拔節(jié)期CK2、T1、T2過氧化氫酶活性提高了23.84%、32.00%、22.56%，脫氫酶活性提高了8.48%、28.89%、39.47%；成熟期過氧化氫酶活性提高了6.77%、2.87%、5.93%，除CK2外，T1和T2的脫氫酶活性提高了37.85%、15.60%。結(jié)果表明，腐植酸生物有機肥對提高土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性有顯著效果。

2.6 不同處理對小麥根際土壤蔗糖酶活性的影響

圖4 不同處理對土壤過氧化氫酶和脫氫酶活性影響Fig.4 Effects of different treatments on catalase and dehydrogenase activity in soil

土壤蔗糖酶能促進土壤中蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，其活性高低與土壤中腐殖質(zhì)、有機碳含量以及土壤微生物的數(shù)量及活性密切相關(guān)。由圖5可見，常量施肥、減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤蔗糖酶活性，即T1與CK1相比，分別提高了54.17%和11.95%，T2與CK2相比，分別提高了8.39%和13.34%。結(jié)果表明，拔節(jié)期時，常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥對土壤蔗糖酶活性提高最為顯著，但在成熟期，減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥對土壤蔗糖酶活性的提高效果更明顯。

2.7 不同處理對土壤堿解氮和全氮含量的影響

圖5 不同處理對土壤蔗糖酶活性影響Fig.5 Effects of different treatments on invertase activity in soil

由圖6可見，土壤堿解氮與土壤全氮的變化趨勢相同，減量施肥后顯著降低了小麥拔節(jié)期和成熟期土壤堿解氮和全氮含量，常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥對拔節(jié)期堿解氮和全氮的影響較小，到成熟期分別顯著提高了4.97%和12.37%，而減量施肥條件下出現(xiàn)了相反的結(jié)果，即拔節(jié)期堿解氮提高了2.32%，全氮顯著提高了21.18%，而對成熟期土壤堿解氮和全氮的影響較小。結(jié)果表明，減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥可在小麥快速生長發(fā)育期間提高氮素含量，以備作物快速生長所需。

2.8 不同處理對土壤有效磷和速效鉀含量的影響

圖6 不同處理對土壤氮素含量的影響Fig.6 Effects of different treatments on nitrogen content in soil

由圖7可見，常量和減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤有效磷和速效鉀含量，即T1與CK1相比，有效磷含量提高了24.84%和64.62%，速效鉀含量提高了8.78%和9.40%，T2與CK2相比，有效磷含量提高了71.31%和75.77%，速效鉀含量提高了10.86%和16.10%。結(jié)果表明，增施腐植酸生物有機肥對小麥生育后期土壤速效養(yǎng)分的影響較前期明顯，且減量施肥處理下的效果較常量施肥明顯。

2.9 不同處理對土壤有機質(zhì)含量的影響

圖7 不同處理對土壤有效磷和速效鉀含量的影響Fig.7 Effects of different treatments on contents of available phosphorus and available potassium in soil

由圖8可見，減量施肥對土壤有機質(zhì)含量影響較小，拔節(jié)期與成熟期時CK2與CK1之間均不存在差異；拔節(jié)期各處理土壤有機質(zhì)含量高于成熟期；而增施腐植酸生物有機肥顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，其中T1和T2與CK1相比，拔節(jié)期土壤有機質(zhì)含量分別顯著提高了17.57%和17.09%，成熟期分別顯著提高了31.43%和26.12%。結(jié)果表明，增施腐植酸生物有機肥是提高土壤有機質(zhì)的有效途徑。

3 結(jié)論與討論

圖8 不同處理對土壤有機質(zhì)含量的影響Fig.8 Effects of different treatments on organic matter content in soil

本研究發(fā)現(xiàn)減量施肥顯著降低了小麥千粒重，增施腐植酸生物有機肥顯著提高了小麥穗數(shù)、千粒重和產(chǎn)量，且產(chǎn)量高于常量施肥處理。常量施肥下增施腐植酸生物有機肥的增產(chǎn)率為19.04%。主要是2018年魯西南地區(qū)小麥生育期受干旱、凍害嚴重，增施腐植酸生物有機肥提高了土壤微生物數(shù)量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，同時改善根際微域環(huán)境，促進根系的生長，進而提高了小麥的抗旱、抗寒能力，保證了小麥的產(chǎn)量[16，17]。

土壤微生物是土壤中最活躍的組成部分，在維持土壤養(yǎng)分循環(huán)、土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可持續(xù)生產(chǎn)中發(fā)揮著主要作用[18]。然而隨著化肥農(nóng)藥長期大量施用，導(dǎo)致土壤板結(jié)，有機質(zhì)含量降低，土壤微生物群落平衡遭到破壞，土壤由“細菌型”變?yōu)椤罢婢汀睆亩档屯寥婪柿Γ霈F(xiàn)嚴重的土傳病害和連作障礙[19，20]。本研究發(fā)現(xiàn)，常量施肥與減量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了拔節(jié)期和成熟期根際土壤細菌數(shù)和放線菌數(shù)，降低了真菌數(shù)，柳影等[21]和李迪秦等[22]研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。在秸稈還田的基礎(chǔ)上配施不同微生物發(fā)酵腐熟而成的腐植酸生物有機肥不但可以直接供給土壤大量有機質(zhì)，肥料中的有益微生物還可分解土壤中的枯枝爛葉和動植物殘體，間接增加了土壤有機質(zhì)和腐植酸含量[23]；在調(diào)節(jié)土壤C/N比的同時，為微生物生長繁殖提供優(yōu)良的環(huán)境，且腐植酸生物有機肥中的功能微生物數(shù)量較多，形成優(yōu)勢菌群，并通過生物間的競爭和分泌代謝作用，降低有害菌的繁殖和病原菌的侵染[24]，同時有益微生物與根系形成互惠互利的共生關(guān)系，促進根系發(fā)育，提高小麥抗逆性，最終實現(xiàn)改土增產(chǎn)的效果[25]。高亮等[26]研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸生物有機肥在提高葡萄單穗重、單粒重、果實硬度、可溶性固形物、還原糖含量的同時改善了葡萄的色澤、風(fēng)味，提高了產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。

土壤酶主要來源于土壤微生物和作物根系分泌物，其活性與土壤微生物活性和土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，是反應(yīng)土壤肥力水平的重要指標。本研究發(fā)現(xiàn)，拔節(jié)期常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥，降低了土壤脲酶活性，減量施肥條件下出現(xiàn)了相反的結(jié)果，到成熟期增施腐植酸生物有機肥均顯著提高了脲酶活性。此外，增施腐植酸生物有機肥還顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤中性磷酸酶、過氧化氫酶、脫氫酶和蔗糖酶活性。除拔節(jié)期常量施肥條件下增施腐植酸生物有機肥降低了土壤脲酶活性外，其余結(jié)果與宋震震等[27]研究結(jié)果類似。氮素屬于易淋失養(yǎng)分，小麥生育初期，常量施肥條件下，氮素供給水平較高，脲酶活性過高會導(dǎo)致氮素淋失，因而此時期增施腐植酸生物有機肥對土壤堿解氮和全氮的影響較小，而到成熟期分別顯著提高了4.97%和12.37%，減量施肥條件下出現(xiàn)了相反的結(jié)果。這可能是小麥生育前期，常量施肥所釋放的氮素可充分滿足小麥對氮素的需求，因此增施腐植酸生物有機肥對土壤氮素含量的影響較小，而后期作物在生長過程中消耗了大量養(yǎng)分，為補充生長所需氮素營養(yǎng)，提高了土壤脲酶活性，加速了氮素的釋放；減量施肥后，氮素含量相應(yīng)減少，不能滿足小麥生長所需，增施腐植酸生物有機肥激活了土壤脲酶活性，提高了氮素供給水平。

廖萍等[28]研究發(fā)現(xiàn)，等養(yǎng)分條件下生物有機肥與化肥配施可以提高雙季稻土壤有效磷和速效鉀含量，孫耿等[29]研究同樣發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果。本研究結(jié)果表明，增施腐植酸生物有機肥顯著提高了拔節(jié)期和成熟期土壤有效磷和速效鉀含量，且成熟期效果較拔節(jié)期明顯，這一方面可能是土壤酶活性受土壤養(yǎng)分含量的影響，養(yǎng)分較高時，脲酶和磷酸酶活性較低，隨著養(yǎng)分含量的降低，脲酶和磷酸酶活性不斷被激活、升高，進而分解、釋放植物所需氮素和磷素；另一方面腐植酸生物有機肥中的大量有機質(zhì)和氮磷鉀等營養(yǎng)物質(zhì)為微生物生命活動提供了充足的養(yǎng)分和能量，增加了土壤微生物種類和數(shù)量[30]，增強了土壤微生物的代謝、分泌功能，進而提高了各土壤酶活性，降低了因土壤內(nèi)過氧化物累積而對植物造成的氧化損傷，維持了土壤內(nèi)有效養(yǎng)分的供給水平，同時通過提高蔗糖酶的活性來提高了土壤的腐熟度。

綜上所述，常量施肥和減量施肥條件下，增施腐植酸生物有機肥提高了土壤有機質(zhì)、堿解氮、有效磷、速效鉀、土壤酶活性以及根際土壤細菌和放線菌數(shù)，最終提高了小麥產(chǎn)量，在減量復(fù)合肥30%條件下每畝增施120 kg的腐植酸生物有機肥，其產(chǎn)量與常量施肥相比提高了3.88%，為有機肥替代化肥提供了強有力的實踐依據(jù)。