生物有機肥配合深松對農田土壤肥力和作物產量的影響

可艷軍， 張雨萌， 郭艷杰， 張麗娟， 張子濤， 吉艷芝*

（1.河北省衡水市棗強縣農業(yè)農村局，河北 衡水 053199； 2.河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，河北 保定 071000； 3.河北農業(yè)大學河北省農田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071000）

華北平原作為我國重要的糧食生產基地之一，小麥和玉米的總產量分別占全國的50%和35%，對我國農業(yè)的穩(wěn)定與發(fā)展起著重要的作用。但是，傳統(tǒng)的注重施用化肥、長期旋耕等管理方式造成農田土壤板結、耕層淺薄，土壤肥力和糧食產量逐年下降[1-2]。因此，科學施肥與合理耕作對保障糧食安全和提升土壤肥力具有重要作用[3]。

有機肥在農業(yè)生產中具有重要作用，與無機肥相比能更好地改善土壤理化性質[4]、提高作物產量[5]。農業(yè)農村部（原農業(yè)部）也頒布《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，提倡采用有機肥替代部分化肥，提升耕地地力。季佳鵬等[6]通過2年有機肥替代20%化肥的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機碳、堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了13.0%、18.5%、34.2%和18.5%，玉米產量連續(xù)2年增產5.6%和20.8%。有研究表明，深松是保護性耕作的一種類型，可以打破犁底層，增加土壤透氣性，有效降低玉米生育時期0—40 cm土層的土壤容重[7]，使土壤有機碳提高9.73%[8]，冬小麥、夏玉米及周年總產分別增加22.0%、8.8%和15.2%[9]。深松結合施用有機肥料能改善夏玉米田土壤環(huán)境，提高土壤肥力[10]，使春玉米產量提高7.4%[11]，春大麥產量提高19%～84%[12]。已有研究多側重于深松與有機肥結合對單季作物及其土壤肥力的影響，缺少對冬小麥-夏玉米輪作體系的系統(tǒng)研究和土壤微生物量性質的關注。因此，本研究基于冬小麥-夏玉米輪作體系的周年生產，通過2年的田間試驗，在冬小麥季基施生物有機肥，結合夏玉米季深松耕作，探究其對作物產量及農田土壤物理、化學和生物學性質的影響，為探尋適宜該地區(qū)的土壤管理措施及農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗在河北省邢臺市寧晉縣原種場（37°36′N，114°59′E）進行，該地區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫12.8 ℃，無霜期198 d，年均日照時數(shù)2 538.1 h，年均降雨量449.1 mm，土壤類型為潮褐土。試驗地土壤基本理化性質見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical characteristics of the experimental soil

1.2 供試材料

作物品種：冬小麥為河農6049，夏玉米為鄭單958。

肥料：生物有機肥，有機質≥40%，有效菌株為巨大芽孢桿菌和膠凍樣類芽孢桿菌，有效活菌數(shù)≥0.2億·g-1，純養(yǎng)分含量N為1.6%、P2O5為2.7%、K2O為1.8%，含水量＜30%，由河北閏沃生物技術有限公司提供；緩釋尿素，作基肥用，含N 44%；尿素，追肥用，含N 46%；磷酸一銨，含N 11%、P2O544%；氯化鉀，含K2O 60%。

1.3 試驗設計

試驗于2017年10月至2019年10月進行，經過冬小麥-夏玉米2個輪作。采用隨機區(qū)組裂區(qū)試驗設計，冬小麥季設3個處理，分別為常規(guī)施化肥（M0）、化肥氮10%用生物有機肥替代（M1）、化肥氮20%用生物有機肥替代（M2）；夏玉米季在3個有機肥用量中設2個耕作處理，分別為傳統(tǒng)耕作（P，免耕直播）和深松耕作（S，在間隔60 cm、耕深30—35 cm、寬5 cm的深松帶內播種），形成M0S、M0P、M1S、M1P、M2S、M2P共6個處理，每個處理重復3次，共18個小區(qū)，小區(qū)面積96 m2（10.0 m×9.6 m）。

冬小麥季各處理施肥量為純N 240 kg·hm-2，純P2O5135 kg·hm-2，純K2O 105 kg·hm-2，化學氮肥分基肥和拔節(jié)期追肥按4∶6施用，生物有機肥、磷肥、鉀肥全部作基肥。夏玉米季各處理施肥量為純N 234 kg·hm-2，純P2O590 kg·hm-2，純K2O 108 kg·hm-2，氮、磷、鉀肥全部作基肥施入。其他田間管理措施同當?shù)爻Ｒ?guī)管理一致。

1.4 樣品采集與指標測定

1.4.1 土壤樣品采集 分別在2017—2018和2018—2019年2個輪作的冬小麥、夏玉米成熟期，每小區(qū)按照“S”形設置5個樣點，采集0—10 cm耕層土樣，充分混合后，分為兩部分帶回實驗室。一部分保留新鮮土樣，用于測定土壤硝態(tài)氮含量；一部分風干過篩后，用于測定有機質、有效磷、速效鉀含量。同時用環(huán)刀采集土壤樣品測定土壤容重。在2018—2019年第2個輪作的冬小麥和夏玉米成熟期，每個小區(qū)同樣按照“S”形采集0—10 cm耕層新鮮土壤樣品，用于測定土壤pH、微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）；同時采集原狀土1.5～2.0 kg，用于團聚體級別分析。

1.4.2 指標測定 ①土壤物理指標：采用環(huán)刀法測定土壤容重[13]；用濕篩法測定土壤水穩(wěn)性團聚體分級[13]。

②土壤化學指標：pH采用酸度計測定，液土比為2.5∶1[13]；有機質采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化法進行測定[14]；硝態(tài)氮采用Skalar SAN++型連續(xù)流動分析儀測定[15]；有效磷采用碳酸氫鈉浸提，鉬藍比色法測定[14]；速效鉀用1 mol·L-1醋酸銨浸提，火焰光度計測定[14]。

③土壤微生物指標：微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸直接浸提，分別用TOC-VCPH有機碳分析儀和流動分析儀測定[16]。

1.4.3 產量測定 小麥和玉米成熟時，每個小區(qū)全部收獲用于產量測定。

1.5 計算公式

參照以下公式計算直徑＞0.25 mm土壤團聚體比例（R0.25）、平均重量直徑（mean weight distribution，MWD）和幾何平均直徑（geometric mean diameter，GMD）[17]。

式中，MR0.25為＞0.25 mm的土壤團聚體質量（g），MT為總的土壤質量（g），Xi為每一粒級團聚體的平均直徑（mm），Wi為每一粒級團聚體的重量百分含量（%）。

1.6 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行整理和繪圖，采用 SPSS 20.0 進行方差分析，采用Duncan多重比較法進行差異性分析（P=0.05）。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥替代化肥配合深松對土壤物理性質的影響

2.1.1 對土壤容重的影響 土壤容重是表征土壤肥力改善的重要指標，土壤松緊適宜，有利于幼苗的出土和根系的正常生長。由表2可以看出，2017—2018年冬小麥季的土壤容重隨生物有機肥替代比例的增加呈現(xiàn)下降趨勢，M2P的土壤容重顯著低于M1P和M0P；夏玉米季，傳統(tǒng)耕作和深松耕作下各處理土壤容重差異不顯著；M1S、M2S處理的容重分別比M0P顯著降低8.22%和7.53%。2018—2019年輪作季，冬小麥的M1S、M2S處理土壤容重分別比M0P顯著降低9.16%和9.92%，說明前茬玉米季的深松結合當季的生物有機肥能顯著降低土壤容重；夏玉米季的深松效果最為顯著，M2P和3個深松播種處理（M0S、M1S和M2S）的土壤容重均顯著低于M0P處理，其中，M2P處理較M0P降低5.12%，結合前茬有機肥處理的M1S、M2S處理較M0P分別降低6.57%和8.03%。綜合2個輪作季可以說明，生物有機肥替代化肥配合深松對降低農田土壤容重的效果明顯。

表2 2017—2019年不同處理土壤容重Table 2 Soil bulk density under different treatments in 2017—2019（g·cm-3）

2.1.2 對土壤水穩(wěn)性團聚體分級及穩(wěn)定性的影響 大于0.25 mm團聚體（R0.25）是土壤中較為理想的大團聚體，其含量越高表示土壤的結構越好、土壤穩(wěn)定性越強。由表3可知，水穩(wěn)性團聚體中，各處理中＜0.25 mm團聚體占比最高，而＞5 mm團聚體占比最低。隨著生物有機肥替代化肥量的增加，冬小麥季＜0.25 mm的土壤團聚體占比逐漸降低，R0.25團聚體的比例逐漸升高，M1S和M2S處理R0.25比M0S顯著提高58.51%和58.94%，M2P處理比M0P顯著增加42.65%。由此可見，冬小麥季采用生物有機肥替代化肥可以增加水穩(wěn)性大團聚體的含量，深松和傳統(tǒng)耕作的MWD、GMD均表現(xiàn)出隨生物有機肥替代化肥量增加而增加的趨勢。夏玉米季的＜0.25 mm團聚體數(shù)量呈現(xiàn)出深松播種低于傳統(tǒng)耕作的趨勢，但處理間差異不顯著；R0.25團聚體比例為M2S＞M1S＞M0S、M2P＞M1P＞M0P；同一生物有機肥替代化肥水平下的MWD和GMD均表現(xiàn)為深松耕作高于傳統(tǒng)耕作。綜合分析生物有機肥替代化肥配合深松的效果，M2S和M1S處理比M0P顯著高46.12%和28.01%，M2S的MWD和GMD比M0P分別高19.12%和27.27%。

表3 2018—2019年冬小麥和夏玉米不同處理土壤團聚體質量比與穩(wěn)定性Table 3 Mass ratio and stability of soil aggregates under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019

2.2 生物有機肥替代化肥配合深松對土壤化學性質的影響

2.2.1 對土壤pH的影響 2個輪作后不同處理土壤pH見圖1，冬小麥季各處理土壤pH在8.07～8.28之間，處理間差異不顯著，但隨著生物有機肥替代化肥量的增加，pH呈現(xiàn)下降趨勢。夏玉米季的土壤pH在7.94～8.17之間，深松或傳統(tǒng)耕作對pH的影響不顯著；但生物有機肥替代10%

圖1 2018—2019年冬小麥和夏玉米不同處理土壤pHFig. 1 Soil pH under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019

化肥量配合深松播種（M1S）處理為7.94，顯著低于常規(guī)施肥配合傳統(tǒng)耕作(M0P)，可見生物有機肥替代化肥配合深松能降低土壤pH，調節(jié)土壤酸堿性。

2.2.2 對土壤有機質含量的影響 由圖2可以看出，2017—2018年冬小麥季的土壤有機質含量隨著生物有機肥替代化肥量的增加而增加，傳統(tǒng)耕作下，M2P和M1P處理分別比M0P顯著提高9.38%和8.03%。夏玉米季的土壤有機質含量呈現(xiàn)出M2S＞M1S＞M0S、M2P（13.95 g·kg-1）≈M1P（14.12 g·kg-1）≈M0P（14.04 g·kg-1）的變化趨勢，且深松耕作處理的有機質含量顯著高于傳統(tǒng)耕作處理，可見前茬施用生物有機肥替代化肥對夏玉米季土壤有機質提升有一定促進作用。

圖2 2017—2019年冬小麥和夏玉米不同處理土壤有機質含量Fig. 2 Soil organic matter content under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019

2018—2019年冬小麥季施用生物有機肥替代化肥且采用傳統(tǒng)耕作的3個處理（M0P、M1P和M2P）間差異不顯著，說明第2個輪作的生物有機肥施用對當季作物的土壤有機質影響不顯著，但前茬深松耕作各處理（M0S、M1S和M2S）的土壤有機質含量顯著高于傳統(tǒng)耕作。夏玉米季深松耕作有機質含量出現(xiàn)低于傳統(tǒng)耕作的趨勢，但深松耕作間和傳統(tǒng)耕作間的土壤有機質含量差異不顯著；M1P處理的有機質含量最高，達到21.02 g·kg-1，顯著高于M0S，但與其他處理間差異不顯著。因此，夏玉米連續(xù)2年深松，對當季有機質的提升作用不明顯，但冬小麥季施用生物有機肥明顯提高土壤有機質含量。

2.2.3 對土壤養(yǎng)分的影響 由表4可知，在2017—2018輪作季，土壤硝態(tài)氮含量隨著生物有機肥施用量的增加而上升，深松和傳統(tǒng)耕作的土壤硝態(tài)氮含量差異不顯著。冬小麥季M2P和M1P處理分別比M0P提高91.65%和50.61%，夏玉米季M2S和M1S處理的硝態(tài)氮含量分別比M0S顯著提高101.49%和80.12%，M2P和M1P處理較M0P顯著提高169.25%和106.57%。2018—2019年輪作季，冬小麥季深松耕作下的土壤硝態(tài)氮含量與第1輪作季一致，表現(xiàn)為M2S＞M1S＞M0S，而傳統(tǒng)耕作下僅表現(xiàn)為M2P顯著高于M0P，其中M2S和M2P處理顯著高于M0S和M0P；夏玉米季深松提高土壤硝態(tài)氮含量，其中M1S顯著高于M1P，其他處理間差異不顯著。因此，施用生物有機肥配合深松能顯著提高當季耕層土壤硝態(tài)氮含量。

表4 2017—2019年冬小麥和夏玉米不同處理耕層土壤養(yǎng)分含量Table 4 Soil nutrient contents under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019

在2017—2018年輪作季，冬小麥季耕層土壤有效磷含量隨生物有機肥施用量的增加而增加，M1P和M2P處理分別比M0P提高32.27%和33.55%；夏玉米季耕層土壤有效磷含量在深松和傳統(tǒng)耕作下均表現(xiàn)為隨著生物有機肥用量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，M1P和M1S土壤有效磷含量最高，分別為17.95和22.68 mg·kg-1；同時深松耕作土壤有效磷含量高于傳統(tǒng)耕作，其中，M0S處理比M0P高62.67%，M1S比M1P高26.35%，M2S比M2P高50.33%。在2018—2019年輪作季，冬小麥季耕層土壤有效磷含量在前茬深松下隨著生物有機肥替代量的增加而增加，M2S比M1S和M0S分別增加39.23%和57.73%，前茬傳統(tǒng)耕作的3個處理差異不顯著；同一生物有機肥替代化肥量水平下，夏玉米季深松耕作的有效磷含量均顯著低于傳統(tǒng)耕作，即M0S處理比M0P低47.19%，M1S比M1P低27.98%，M2S比M2P低40.88%。

2017—2018年輪作季，生物有機肥能有效提高冬小麥季土壤速效鉀含量，M2P和M1P分別比M0P增加24.84%和20.61%；生物有機肥配合深松能提高夏玉米季土壤速效鉀含量，其中M1S和M2S顯著高于M0S，M2S比M2P顯著增加20.02%。在2018—2019年輪作季，冬小麥中M1P處理的速效鉀含量顯著高于其他處理，夏玉米季的深松與傳統(tǒng)耕作的速效鉀含量差異不顯著，但前茬施用有機肥配合深松的M1S處理 較M0P顯著增加34.53%。施用有機肥能提高土壤速效鉀含量，深松耕作對速效鉀含量的影響不顯著。

2.3 生物有機肥替代化肥配合深松對輪作系統(tǒng)土壤微生物碳和氮的影響

從表5可以看出，冬小麥季的微生物量碳和氮均隨生物有機肥替代化肥量的增加呈現(xiàn)增加趨勢，M2S處理較M0P的土壤微生物量碳、氮量分別顯著增加15.77%和17.28%，其余處理間差異均不顯著。夏玉米季，M2S處理的微生物量碳比M0P和M0S處理分別顯著提高66.49%和47.11%，與M1S處理差異不顯著，M2P處理比M0P顯著提高44.95%，與M1P處理差異不顯著，說明前茬小麥季的生物有機肥對夏玉米季土壤微生物碳的提升具有促進作用；夏玉季的微生物量氮變化規(guī)律與微生物量碳基本一致，且深松大于傳統(tǒng)耕作，M2S較M0P顯著提高55.30%。

表5 2018—2019年冬小麥和夏玉米不同處理土壤微生物量碳、氮含量Table 5 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019（mg·kg-1）

2.4 生物有機肥替代化肥配合深松對作物產量的影響

由表6可知，在2017—2018年輪作季，冬小麥季產量呈現(xiàn)隨生物有機肥用量增加而上升的趨勢，表現(xiàn)為M2P＞M1P＞M0P，但處理間差異不顯著；夏玉米產量在各處理間差異不顯著，但生物有機肥替代化肥配合深松耕作（M1S、M2S）產量表現(xiàn)出高于常規(guī)施肥配合傳統(tǒng)耕作（M0P）趨勢。2018—2019年輪作季中，冬小麥產量表現(xiàn)為隨生物有機肥替代量的增加而增加的趨勢，M2P較M0P顯著增產11.36%，M2S較M0S顯著增產9.96%；夏玉米產量呈現(xiàn)深松高于傳統(tǒng)耕作的趨勢，但生物有機肥替代化肥的增產效果不顯著。2個輪作后，M1S和M2S產量總和分別為36 618和39 256 kg·hm-2，2個處理差異不顯著，但比M0P分別顯著增產13.20%和10.46%；相同有機肥替代量下，深松的產量表現(xiàn)出高于傳統(tǒng)耕作的趨勢。

表6 2017—2019年冬小麥和夏玉米不同處理產量Table 6 Yield under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019（kg·hm-2）

3 討論

3.1 生物有機肥替代化肥配合深松有利于提高土壤團聚體穩(wěn)定性

良好的土壤物理性狀是作物高產的重要條件，團聚體及其穩(wěn)定性是土壤物理性質的重要指標。張久明等[10]對春玉米研究發(fā)現(xiàn)深松配合施用生物有機肥能降低土壤容重，改善土壤物理結構。劉明月等[18]研究表明，土壤團聚體的MWD、GMD和＞0.25 mm水穩(wěn)性團聚體的含量隨著有機肥替代比例的增加而增加。Zhang等[7]研究發(fā)現(xiàn)，深松耕作相比常規(guī)旋耕對土壤擾動程度更加明顯，能夠顯著降低土壤容重，增加水穩(wěn)性大團聚體的含量。本研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥替代10%和20%化肥氮，冬小麥季的R0.25、MWD和GMD隨著生物有機肥替代化肥量的增加而增加，配合夏玉米季深松后，團聚體穩(wěn)定性并未降低，這是由于生物有機肥中芽孢桿菌的作用，一是芽孢桿菌的細胞外產生的親水性胞外聚合物，具有一定膠結能力，能聚合吸附土壤顆粒，促進團聚體穩(wěn)定[19]；二是芽孢桿菌能增加土壤有機碳含量，有機碳是土壤團聚體的主要膠結物，進而增加了大團聚體含量，提升了團聚體穩(wěn)定性[20]。因此，生物有機肥配合深松能降低農田土壤容重，提高水穩(wěn)性大團聚體的穩(wěn)定性。

3.2 生物有機肥替代化肥配合深松有利于土壤有機質與養(yǎng)分提升

生物有機肥是添加功能微生物并兼顧有機肥的一種肥料，具有減少化肥用量、改良土壤、提高土壤肥力的作用。芽孢桿菌屬具有解磷、解鉀和固氮作用，能增加土壤養(yǎng)分含量，減少化肥使用量[21]，常被用于制作生物有機肥。張世卿[22]采用添加枯草芽孢桿菌的生物有機肥替代30%化肥，土壤有機質增加6.3%～16.9%，有效磷增加5%～25%，速效鉀增加3%～9%，NO-3-N淋溶減少了10%～30%。于曉芳等[23]研究表明深松能改善土壤孔隙狀況，加快土壤養(yǎng)分的轉化，增加土壤的養(yǎng)分含量。本試驗中的生物有機肥含有枯草芽孢桿菌和和膠凍樣芽孢桿菌，對農田土壤有機質、硝態(tài)氮、有效磷和速效鉀含量具有明顯的提升效果，但深松對農田土壤養(yǎng)分的提升作用不明顯，可能是由于本試驗僅對玉米田表層的土壤養(yǎng)分進行了監(jiān)測，而玉米季為雨熱同季，深松提高了土壤的通透性，促進了土壤養(yǎng)分向下層的淋洗。于海磊等[24]對黑龍港平原玉米進行深松研究發(fā)現(xiàn)，深松的硝態(tài)氮含量在0—20 cm土層低于傳統(tǒng)處理，而在21—40 cm 則相反。目前對輪作體系中的2種作物分別采用生物有機肥替代和深松的研究未見報道，因此需要加強輪作體系的系統(tǒng)研究與長期研究，并進行更深土層的土壤養(yǎng)分監(jiān)測。

3.3 生物有機肥替代化肥配合深松提高土壤微生物量碳、氮含量

土壤微生物量碳、氮可作為表征土壤微生物活性高低的指標，研究表明，長期使用化肥會降低土壤細菌和真菌的豐度，影響微生物活性[25]。本試驗中，生物有機肥替代化肥可提高耕層土壤微生物量碳、氮含量，且隨著生物有機肥用量的增加呈上升趨勢，這與Zhao等[26]和曲成闖等[27]的研究結果一致，是因為芽孢桿菌能顯著改善土壤中溶磷微生物種群、固氮細菌和磷酸酶活性，提高土壤微生物數(shù)量[28]。本研究中，深松對微生物量碳、氮有提升作用，表現(xiàn)出M0S＞M0P、M1S＞M1P、M2S＞M2P的趨勢，這是由于深松能有效增加土壤的透氣性，為微生物提供適生環(huán)境，進而增加微生物量碳、氮含量[29]。

3.4 生物有機肥替代化肥配合深松有利于作物增產

與單施化肥相比，有機肥等氮替代能夠協(xié)調平衡供應有機養(yǎng)分與無機養(yǎng)分，滿足作物對養(yǎng)分的需求，使作物保持穩(wěn)產。生物有機肥中的芽孢桿菌能分泌合成生長素、細胞分裂素、赤霉素等植物激素，與無機肥配合施用，能滿足作物對養(yǎng)分的需求，促進作物生長[30]；另外，生物有機肥能改善土壤肥力狀況，進而保證作物穩(wěn)產高產。劉明月等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥替代化肥使小麥和水稻的產量分別提高5.6%～13.2%和0.2%～14.0%。于曉芳等[23]發(fā)現(xiàn)深松使低、中、高產田的玉米產量較常規(guī)淺旋耕增加32.79%～47.97%，23.46%～40.74%和8.03%～16.27%。本試驗以華北平原冬小麥-夏玉米輪作農田為研究對象，將生物有機肥替代部分化肥氮（10%～20%）配合深松耕作，2個輪作的作物總產量增加10.46%～13.20%，這與張世卿[22]的研究結果一致。