長(zhǎng)期施肥對(duì)土壤微生態(tài)及作物生長(zhǎng)和光合的影響

張傳梅

(安徽省蒙城縣種植業(yè)發(fā)展中心,安徽 蒙城 233500)

選擇科學(xué)合理的施肥模式可有效改善農(nóng)田土壤的生物學(xué)性狀(微生物數(shù)量、種群多樣性、酶活性)和理化特性(養(yǎng)分有效性和含量、物理結(jié)構(gòu))等,有利于提高土壤質(zhì)量和基礎(chǔ)肥力及耕地可持續(xù)生產(chǎn)力,進(jìn)而改善作物生長(zhǎng)發(fā)育、光合生理和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)具有時(shí)間的長(zhǎng)期性和氣候環(huán)境的重復(fù)性等特點(diǎn),在研究上信息量豐富,數(shù)據(jù)可信度高,結(jié)果解釋力強(qiáng),能從生產(chǎn)的可持續(xù)性出發(fā)研究土壤微生態(tài)環(huán)境及作物生長(zhǎng)、光合和產(chǎn)量演變特征,為中長(zhǎng)期的施肥規(guī)劃提供參考。多年以來(lái),中國(guó)部分地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上普遍存在著肥料施用的盲目性和隨意性,致使土壤肥力薄弱和養(yǎng)分供應(yīng)能力低下,作物增產(chǎn)困難,在土壤微生態(tài)環(huán)境和作物生長(zhǎng)、光合研究領(lǐng)域相對(duì)缺少具有理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究成果。

土壤微生物和酶是影響土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動(dòng)的主要因素,并參與和制約許多重要的生物化學(xué)反應(yīng),代表著土壤中物質(zhì)代謝的旺盛程度,是評(píng)價(jià)土壤肥力和質(zhì)量的主要指標(biāo)[1]。葉綠素?zé)晒鈪?shù)和葉綠素含量是研究作物光合生理狀況與外界生態(tài)環(huán)境因子的理想探針[2],而光合作用是作物生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[3],加強(qiáng)對(duì)作物光合特性和生長(zhǎng)發(fā)育的研究和認(rèn)識(shí),是改善作物生長(zhǎng)狀態(tài)充分挖掘作物產(chǎn)量潛力的一個(gè)重要途徑。因此,一方面為深入了解有效改善土壤微生態(tài)環(huán)境及作物生長(zhǎng)、光合和產(chǎn)量的適宜施肥模式,另一方面為大面積土壤培肥改良提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo),本文系統(tǒng)歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤微生態(tài)環(huán)境及作物生長(zhǎng)、光合和產(chǎn)量的影響。

1 長(zhǎng)期定位施肥對(duì)土壤微生態(tài)的影響

1.1 對(duì)土壤微生物的影響

土壤微生物在維持土壤結(jié)構(gòu)、有機(jī)物質(zhì)降解、腐殖質(zhì)形成、物質(zhì)和能量循環(huán)等方面發(fā)揮著重要的作用,是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分及土壤各種養(yǎng)分的重要儲(chǔ)備庫(kù)和周轉(zhuǎn)庫(kù),直接影響土壤功能的發(fā)揮[4-6]。高威等[7]研究表明長(zhǎng)期施肥能顯著提高功能菌生長(zhǎng),改變土壤微生物區(qū)系,提升土壤質(zhì)量和肥力,其中長(zhǎng)期有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施在改善土壤有機(jī)碳含量、土壤微生物數(shù)量、活性及微生物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性等土壤生物指標(biāo)方面明顯優(yōu)于單施有機(jī)肥和單施化肥。鄒湘等[8]在長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究中指出長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤微生物基因多樣性、氮循環(huán)相關(guān)功能微生物數(shù)、細(xì)菌群落豐富度和數(shù)量均有顯著的影響。吳榮等[9]研究證實(shí),長(zhǎng)期不同施肥模式下土壤微生物量氮變化介于24.7～44.6 mg/kg 之間,長(zhǎng)期氮磷鉀配施有機(jī)廢棄物肥和氮磷鉀配施秸稈,可提高土壤微生物量氮、細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量,其土壤微生物數(shù)量不僅顯著高于不施肥處理,也明顯高于長(zhǎng)期單施化肥。丁偉等[10]通過(guò)研究有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施、不施肥和單施化肥對(duì)土壤微生物的影響發(fā)現(xiàn),有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理相比單施化肥土壤中的自生固氮菌、磷細(xì)菌和鉀細(xì)菌的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均較高,且微生物種群更豐富,優(yōu)勢(shì)種群更突出。卜洪震等[11]以長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站為平臺(tái)研究證實(shí),增加施用無(wú)機(jī)氮肥會(huì)明顯降低土壤中細(xì)菌數(shù)量和土壤氨氧化細(xì)菌的種群多樣性,有機(jī)無(wú)機(jī)氮肥配施能有效維持細(xì)菌和土壤氨氧化細(xì)菌豐度的穩(wěn)定,同時(shí)指出不同施肥模式對(duì)土壤微生物量氮和微生物群落多樣性有重要影響。眾多研究證實(shí)[12-13],施肥模式對(duì)土壤微生物數(shù)量和群落多樣性的影響比較復(fù)雜,因肥料種類、施用方式或不同肥料之間的配比方式而異,因此很有必要進(jìn)一步加強(qiáng)長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤微生物的影響,以進(jìn)一步闡明土壤各微生物類群對(duì)長(zhǎng)期不同施肥模式響應(yīng)的潛在機(jī)理。

1.2 對(duì)土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和代謝的主要驅(qū)動(dòng)力,幾乎在所有的生化反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán)中起著重要的催化作用,能靈敏反映土壤的生物活性和生化反應(yīng)的活躍程度,并受環(huán)境因素和施肥的明顯影響[14]。徐文靜等[15]基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),合理施肥能顯著增加土壤碳循環(huán)水解酶活性,與不施肥相比,有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施和秸稈還田配施無(wú)機(jī)肥處理的β-葡萄糖苷酶(BG)、土壤α-葡萄糖苷酶(AG)和β-木糖苷酶(BDX)活性增加14.5%～89.1%,在酶活性提升效果方面最佳。丁維婷等[16]根據(jù)41年長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),單施有機(jī)肥、有機(jī)肥配施中量化肥2個(gè)處理相比不施肥、低量化肥、中量化肥、高量化肥處理均顯著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性,其中有機(jī)肥配施中量化肥處理相比單施中量化肥土壤酶活性增加了21.04%～95.74%。Islam等[17]在長(zhǎng)期定位肥料試驗(yàn)中證實(shí)脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶和磷酸酶活性明顯受到長(zhǎng)期不同施肥模式的影響,且其活性在一定范圍內(nèi)隨有機(jī)肥料的增加而提高。陳文博等[18]通過(guò)長(zhǎng)期尺度上不同比例菌渣化肥配施試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),菌渣化肥配施處理不僅對(duì)水稻移栽前期的土壤脲酶活性有提高作用,而且增加了水稻灌漿和收獲期土壤蔗糖酶和過(guò)氧化氫酶活性,此外,隨菌渣化肥配施用量的增加酶活性呈先增高后降低趨勢(shì)。李晨華等[19]基于長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)研究證實(shí)單施化肥處理的土壤大多數(shù)酶活性與不施肥相比無(wú)顯著變化,且降低了過(guò)氧化氫酶活性,而化肥配施秸稈處理則顯著提高了轉(zhuǎn)化酶、蛋白酶、脲酶、中性與堿性磷酸酶活性。土壤酶活性作為反映土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化方向和強(qiáng)度的指標(biāo), 反映了土壤的綜合肥力特征,加強(qiáng)長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)土壤酶活性影響的研究具有重要的意義。

2 對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、光合和產(chǎn)量的影響

2.1 對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育的影響

采取科學(xué)合理的施肥措施有利于改善土壤生物學(xué)特性和理化性狀、提高土壤養(yǎng)分含量,進(jìn)而影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育。石麗紅等[20]通過(guò)研究長(zhǎng)期施肥方式對(duì)雙季稻生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施處理的水稻根系和莖葉干重均顯著高于單施化肥和不施肥。劉高潔等[21]通過(guò)研究不同施肥處理對(duì)夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育主要指標(biāo)的影響發(fā)現(xiàn),與氮磷鉀配施處理相比,長(zhǎng)期缺磷、缺氮、缺鉀會(huì)導(dǎo)致夏玉米株高、群體干物質(zhì)重和葉面積指數(shù)顯著降低。肖偉等[22]通過(guò)28年長(zhǎng)期定位施肥試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),夏玉米平均株高受不同施肥處理影響較大,并在灌漿期處理間差異達(dá)到最大,其中有機(jī)肥配施氮肥可顯著提高夏玉米莖粗、單株綠葉面積和出葉速度。再吐尼古麗·庫(kù)爾班等[23]通過(guò)研究長(zhǎng)期8個(gè)不同施肥處理對(duì)高粱的生長(zhǎng)規(guī)律影響發(fā)現(xiàn),有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施處理的株高、莖粗、葉片數(shù)和含糖錘度均高于其他7種施肥處理,并提出有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施是改善干旱區(qū)連作高粱生長(zhǎng)發(fā)育的最佳施肥模式。由于作物生長(zhǎng)發(fā)育狀態(tài)與最終產(chǎn)量形成密切相關(guān),并受施肥的顯著影響,因此研究長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育規(guī)律的影響對(duì)提高作物產(chǎn)量具有重要意義。

2.2 對(duì)作物光合的影響

眾多有關(guān)小麥、玉米和水稻的長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)皆證實(shí)作物葉片凈光合速率、冠層光合有效輻射、葉綠素含量、單莖綠葉面積和葉綠素?zé)晒鈪?shù)等受施肥的明顯影響。Efthimiadou等[24]在長(zhǎng)期施肥研究中發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥(牛糞)和無(wú)機(jī)肥配施處理的玉米葉片凈光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著高于單施化肥,明顯改善了玉米的光合特性。劉高潔等[21]在研究中指出長(zhǎng)期不施肥或缺磷、缺氮、缺鉀導(dǎo)致作物低產(chǎn)或減產(chǎn)的主要原因之一是植株葉片光合速率下降,而NPK長(zhǎng)期配施則可明顯提高作物的光合速率。袁穎紅等[25]在長(zhǎng)期施肥研究中發(fā)現(xiàn)在不施肥、無(wú)機(jī)肥、有機(jī)肥、無(wú)機(jī)肥與有機(jī)肥配施處理中,長(zhǎng)期施用肥料,特別是有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施可明顯提高水稻各生育期葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,而降低胞間CO2濃度。與傳統(tǒng)的“表觀性”的氣體交換指標(biāo)相比,葉綠素?zé)晒鈪?shù)更能反映植物光合的“內(nèi)在性”特征, 可以快速、靈敏和非破壞性地分析環(huán)境因子對(duì)光合作用影響的潛在機(jī)理[26-27]。王剛等[28]在研究中指出,不同NPK配比施肥處理間葉片的葉綠素?zé)晒鈪?shù)存在明顯的差異。吉春容等[29]在研究中同樣指出,氮磷鉀配施有利于提高小麥葉片初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和實(shí)際光化學(xué)效率(ΦpsII)等葉綠素?zé)晒鈪?shù),能明顯改善植株的光合效應(yīng)。為進(jìn)一步提高作物光能利用率和生產(chǎn)力,深入加強(qiáng)長(zhǎng)期不同施肥模式對(duì)作物光合特性和葉綠素?zé)晒庥绊懙难芯烤哂兄匾囊饬x。

2.3 對(duì)作物產(chǎn)量的影響

施肥是培肥農(nóng)田土壤和保持作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要農(nóng)藝措施之一。嚴(yán)君等[30]通過(guò)長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)研究得出,相比不施肥CK,長(zhǎng)期施用化肥主要通過(guò)提高土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和pH 值增加玉米的產(chǎn)量,而化肥和秸桿搭配主要是改善了土壤的孔隙度和容重,從而保障了玉米產(chǎn)量穩(wěn)定提升。石麗紅等[20]通過(guò)研究不施肥(CK)、單施化肥(MF)、秸稈還田配施化肥(RF)和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施(OM)對(duì)雙季稻產(chǎn)量的影響發(fā)現(xiàn),早稻產(chǎn)量均以有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施和秸稈還田配施化肥為最高,比單施化肥分別增產(chǎn)944.8～1143.2kg/hm2和435.9～516.1kg/hm2,晚稻產(chǎn)量均以秸稈還田配施化肥和有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施為最高,比單施化肥分別增加386.2～387.4kg/hm2和119.8～123.7kg/hm2。侯紅乾等[31]再報(bào)告中指出,長(zhǎng)期有機(jī)肥與化肥配施、秸稈還田和化肥配施可以改善土壤理化性狀, 提高肥料利用效率, 促進(jìn)晚稻植株生長(zhǎng)發(fā)育、干物質(zhì)積累和明顯提高水稻產(chǎn)量。葛超楠等[32]利用長(zhǎng)期定位并結(jié)合裂區(qū)肥料試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期不施肥處理水稻產(chǎn)量逐年降低,試驗(yàn)周期內(nèi)降幅達(dá)34.4%,長(zhǎng)期連續(xù)純施化肥(NPK)、測(cè)土配方純施化肥(N1PK)和測(cè)土配方有機(jī)無(wú)機(jī)混合施肥(N1PKS)處理的水稻產(chǎn)量比不施肥處理分別增加74.2%、89.0%和97.5%,差異達(dá)顯著水平。

3 展望

土壤質(zhì)量是目前土壤學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,它不僅關(guān)系到土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力和作物生產(chǎn)力問(wèn)題,而且涉及到區(qū)域農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展,因此如何改善和提高土壤質(zhì)量是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的問(wèn)題。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤養(yǎng)分庫(kù)和質(zhì)量受到成土母質(zhì)、氣候條件、土地利用方式、植被變化、耕作及施肥模式等人為和自然諸多因素的影響,其中施肥是影響土壤肥力和養(yǎng)分供應(yīng)能力的最主要因素之一。合理施肥有利于調(diào)節(jié)土壤酸堿性,改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),協(xié)調(diào)土壤水、肥、氣、熱諸因素,提高土壤肥力,進(jìn)而改善作物生長(zhǎng)發(fā)育,增加作物產(chǎn)量和提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量;但不合理施肥不僅會(huì)導(dǎo)致肥料利用率低,且不利于作物穩(wěn)產(chǎn)和土壤培肥。長(zhǎng)期的肥料投入對(duì)作物持續(xù)生產(chǎn)能力和土壤肥力的影響程度和趨勢(shì)一直是人類關(guān)注的重要科學(xué)問(wèn)題,如何通過(guò)合理長(zhǎng)期施肥,維持和提高土壤基礎(chǔ)肥力、改善作物生長(zhǎng)發(fā)育、光合效應(yīng)增加作物產(chǎn)量,已成為當(dāng)前和未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需研究和解決的重要問(wèn)題之一,進(jìn)而為為大面積地力提升、作物穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)和理論幫助。