長期施氮對飼草玉米產量、土壤養分和微生物數量的影響

陳松鶴，徐開未，樊高瓊，白 燕，楊洪坤，陳遠學*

（1.四川農業大學資源學院，成都 611130；2.四川農業大學農學院，成都 611130）

施肥是影響土壤質量及其可持續利用的重要農業措施之一[1]。長期定位施肥試驗能系統地研究不同的施肥制度對土壤物理、化學性質等因子的影響，是農業生產的一項重要基礎工作[2]。氮肥不僅在作物生長中起著重要作用，而且對土壤肥力及微生物具有深遠影響。關于施氮時期、氮肥用量和氮肥類型等因素影響土壤氮素轉化、植物氮素吸收及對玉米產量和氮肥利用效率的研究報道較多[3-6]。而近年來，施肥對土壤有機碳組分和土壤微生物的影響受到越來越多的關注[3]。

土壤微生物是土壤生態環境的重要組成部分，參與土壤養分轉化、元素循環和促進土壤結構形成，同時也是植物獲取土壤養分提高生產力的驅動者[7]。研究表明，長期施氮改變了土壤肥力和土壤微生物群落結構，進而影響玉米產量[8]。因此，本試驗在長期施氮的條件下，通過分析土壤養分和微生物數量與飼草玉米產量的相關性，以期為建立合理的施肥制度，提高氮肥利用率和減少面源污染提供理論支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2010—2016年已進行7年，本試驗采集2016年（長期定位施氮第7年）的土樣及玉米樣品進行分析研究，試驗區屬于亞熱帶季風氣候，年均溫16.2 ℃，年無霜期294 d，年均降雨量1 500 mm，日照1 005 小時。土壤類型為紫色濕潤雛形土，2016年試驗基礎養分數據為：耕層土壤（0～20 cm）pH 6.23、有機質 34.0 g/kg、全氮 1.86 g/kg、堿解氮 159 mg/kg、有效磷28.5 mg/kg、速效鉀 76.7 mg/kg。

1.2 試驗材料

飼草玉米品種為川單青貯1 號，由四川農業大學玉米研究所選育；試驗中所用肥料為普通尿素（含N 46.4 %），過磷酸鈣（含P2O512.5%）和氯化鉀（含K2O 60 %），均購于當地農資市場。

1.3 試驗設計

施氮定位試驗采用單因素裂區設計，5 個氮水平作為 5 個主區，記為 N0、N1、N2、N3、N4，2010年至2013年作物種植模式為小麥、玉米、大豆間套作體系，小麥季施氮量為 0、60、120、180、240 kg/hm2，磷肥（P2O512.5%）和鉀肥（K2O 60%）各試驗處理用量均為 90 kg/hm2；玉米施氮量分別為 0、97.5、195、292.5、390 kg/hm2，磷肥（P2O512.5%）和鉀肥（K2O 60%）用量分別為 75 kg/hm2和 105 kg/hm2；大豆不施肥。2014—2015年為單作玉米，氮、磷、鉀肥與往年玉米試驗肥料用量相同；2016年3月春玉米施氮處理氮肥用量分別為 0、90、180、270、360 kg/hm2，磷、鉀肥用量與往年玉米試驗相同；本試驗施氮量分別為 0、22.5、45、67.5、90 kg/hm2，磷（P2O512.5%）和鉀（K2O 60%）用量分別為37.5 kg/hm2和52.5 kg/hm2，每個處理設3 個小區作為3 次重復，小區面積為2 m×9 m。飼草玉米種植的行距為1.0 m，株距為0.33 m，密度為 6.0×104plant/hm2，于 2016年 8月 4日進行肥團育苗，8月 11日移栽，10月 17日吐絲后收獲。氮肥于飼草玉米喇叭口期兌清水追施到植株旁邊，磷、鉀肥全部用作底肥施于玉米種植窩內。其它田間管理措施同大田。

1.4 樣品采集及測定指標

飼草玉米于2016年10月17日采樣并收獲，全區測產，土壤樣品使用荷蘭鉆按“梅花型”5 點采樣法采集0～20 cm 混合土樣1 個；土樣分成3 部分：一部分保存于4 ℃冰箱中用于細菌、真菌和放線菌數量的測定，另一部分鮮土用于硝態氮的測定，剩下部分室內風干后制成土樣用于有機質、堿解氮、全氮、速效磷和速效鉀的測定。

1.5 測定方法

1.5.1 土壤化學性質測定

有機質用重鉻酸鉀外加熱法，全氮用半微量凱氏定氮法，堿解氮用堿解擴散法，速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度計法，速效鉀用1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度計法[9]；硝態氮用1 mol/L KCl 浸提-紫外分光光度計法[10]；

1.5.2 土壤微生物數量測定

細菌培養基配方：牛肉膏3 g；蛋白胨10 g；NaCl 5 g；瓊脂 20 g；水 1 000 mL；pH 值 7.0；121 ℃滅菌20 min。放線菌培養基配方：可溶性淀粉20 g；KNO31 g；NaCl 0.5 g；K2HPO40.5 g；MgSO40.5 g；FeSO40.01 g；瓊脂 20 g；H2O 1 000 mL；pH 7.2；121 ℃滅菌20 min。每1 000 mL 培養基添加3.4 mL 3%重鉻酸鉀。真菌培養基配方：NaNO32 g；MgSO40.5 g；K2HPO41 g；FeSO40.01 g；KCl 0.5 g；瓊脂 20 g；蔗糖30 g；H2O 1 000 mL；121 ℃滅菌 20 min。每 1 000 mL培養基加3 mL 1%鏈霉素[11]。

土壤微生物數量的平板培養計數法：準確稱取10 g 新鮮土壤樣品，放入裝有90 mL 無菌水并放有小玻璃珠的三角瓶中，180 r/min，震蕩30 min，使微生物細胞充分分散，然后靜置1 min，得到10-1梯度稀釋液。用微量移液器從10-1梯度稀釋液吸取1 mL到裝有9 mL 無菌水的試管中，反復吹吸若干次，混合均勻，得到10-2梯度稀釋液，再從10-2梯度稀釋液吸取1 mL 到裝有9 mL 無菌水的試管中，反復吹吸若干次，得到10-3稀釋液，以此類推，連續稀釋成10-4、10-5、10-6、10-7、10-8梯度等一系列稀釋菌液，通常測定細菌數量時選用10-8～10-63 個稀釋度，放線菌選用10-5～10-33 個稀釋度，真菌選用10-5～10-33個稀釋度。分別吸取1 mL 適當稀釋度的稀釋液，加入到每個無菌培養皿正中央，然后加入12～15 mL冷卻至45 ℃左右的培養基，立即混合均勻，凝固后，培養計數。

計算公式：CFU/g=平均數*10*稀釋倍數/（1-含水率）

1.6 數據統計與分析

所有原始數據均用Microsoft Excel 2010 進行處理和繪制圖表，整理后的試驗數據運用SPSS19.0 軟件進行顯著性分析、相關性分析和線性回歸分析。

2 結果與分析

2.1 長期施氮對飼草玉米產量的影響

由圖1可以看出，飼草玉米鮮產量隨著施氮量的增加呈先增加后降低趨勢，并在N3處理達最高，為15 417 kg/hm2。與不施氮處理N0相比，施氮處理N1～N4均顯著提高了飼草玉米產量（P＜0.05），分別較不施氮處理 N0增加 1.72、2.50、2.57 和 2.48 倍。氮肥超過一定的用量后，飼草玉米產量反而有下降的趨勢，施氮處理N2、N3和N4之間飼草玉米鮮產量差異不顯著。將飼草玉米產量（y，kg/hm2）與施氮量（x，kg/hm2）之間建立線性回歸方程（圖1），方程為y=-1.978x2+279.54x+5 727.62（R2=0.968**），得出施氮量為70.7 kg/hm2時，飼草玉米達最高產量為15 604 kg/hm2。

圖1 飼草玉米產量變化及方程模擬Figure 1 Forage corn yield change and equation simulation

2.2 長期施氮對土壤養分的影響

在長期施氮條件下，各施氮處理土壤中養分含量都發生了明顯變化（表1）。由表1可以看出，本試驗條件下，施氮處理土壤中有機質、全氮、堿解氮和硝態氮含量均隨著施氮量的增加而升高，施氮處理N1～N4與不施氮處理N0相比，有機質含量分別高出7.69%、9.62%、10.3%和 13.5%（P＜0.05）；全氮含量依次高出為 14.9%、18.8%、20.8%和 33.1%（P ＜0.05）；堿解氮含量比不施氮處理N0高出9.8%～41.1%；硝態氮含量是不施氮處理N0的2.11～2.57倍；說明長期施用氮肥利于土壤中有機質、全氮、堿解氮和硝態氮含量的增加。速效磷和速效鉀含量隨著施氮量的增加先降低后升高，施氮處理N1～N4與不施氮處理N0相比，有效磷含量分別降低了2.36%、60.0%、41.5%和7.09%，速效鉀含量分別降低了2.91%、15.9%、3.68%和4.65%。說明缺氮或氮用量過高玉米對氮磷鉀的吸收失去平衡，適宜的施氮量促進了植株對土壤中磷和鉀的吸收，因此在N2～N3處理土壤中磷鉀養分降低幅度較大。

表1 不同施氮量對土壤養分含量的影響Table 1 Effect of different nitrogen application on soil nutrient content

2.3 長期施氮對土壤微生物數量的影響

由圖2可看出，連續多年施氮，土壤中微生物數量發生了變化，隨著施氮量的增加土壤中細菌、真菌和放線菌的數量均呈現先增加后降低下降的趨勢。施氮處理N1～N4與不施氮處理N0相比，細菌數量分別高出了25.6%、29.4%、42.2%和25.9%；真菌分別高出20.0%、24.4%、5.56%和11.1%；而放線菌分別增加了19.5%、23.0%、38.1%和17.8%；說明適宜施氮量利于增加土壤中細菌、真菌和放線菌的數量，長期不施氮肥土壤養分比例失調降低了微生物數量，而過量施氮對微生物的生長起到抑制作用。在N0～N3處理微生物數量增加幅度以及N4處理微生物數量降低幅度均表現為細菌＞放線菌＞真菌，說明細菌對氮肥的敏感性高于放線菌和真菌。

圖2 不同施氮處理微生物數量變化Figure 2 Changes in the number of microorganisms under different nitrogen treatments

2.4 長期施氮條件下土壤養分、微生物數量與產量的相關性

通過相關性分析可知（表2），土壤中有機質、全氮、堿解氮、硝態氮含量及真菌、放線菌、細菌數量與飼草玉米產量均存在極顯著正相關關系。有機質、全氮、堿解氮、硝態氮與真菌、放線菌和細菌均存在正相關關系，說明土壤提供碳源和氮源促進了微生物的生長。速效磷和速效鉀含量與飼草玉米產量、土壤氮養分和微生物有負相關關系，有可能因為磷鉀含量不足阻礙了產量的增加和微生物的生長。進一步對產量進行通徑分析得出，有機質對飼草玉米產量的直接影響最大（0.548），堿解氮次之（0.267）。通過分析各個間接通徑系數發現，堿解氮通過有機質對產量的間接影響較大（0.454），堿解氮對飼草玉米產量的間接影響最大（0.614），說明影響產量的因素較為復雜，是各種因素綜合的結果（表3）。

表2 土壤養分、微生物數量及飼草玉米產量間的相關性Table 2 Correlations between soil nutrients，microbial population，and forage maize yield

表3 養分與產量的簡單相關系數的分解Table 3 Decomposition of simple correlation coefficient between nutrient and yield

3 討論

3.1 長期施氮條件下飼草玉米產量的變化

氮素是作物生長的生命元素，施用氮肥對作物產量具有顯著影響[12-13]。在玉米生長過程中，長期施氮提高了其產量，但是氮肥施用過多不僅造成資源浪費，同時玉米產量反而降低，因此，合理施用氮肥是提高玉米產量和環境可持續的主要措施之一[14]。研究表明，在一定施氮水平下，玉米產量隨氮肥施用量的增加而增加，繼續增施氮肥，玉米產量反而降低[15-17]，本試驗也得到了一致的結論。這可能是適量的氮肥用量與土壤中各養分的平衡滿足了作物生長對氮素的需要，有助于作物增加產量，而過多的氮肥投入，一方面作物無法完全吸收利用，另一方面多余的氮素殘留在土壤中，導致土壤酸化、環境污染及土壤微生物活性降低等負面效應增加，反而不利于作物生長[17-18]。

3.2 長期施氮條件下土壤養分變化

土壤養分是表征土壤肥力的重要指標，與土壤質量密切相關[19]。長期施肥改變了土壤中養分含量，顯著增加土壤有機碳，全氮及全磷的含量[20]。有研究表明，不同施氮水平對土壤碳庫，氮素含量等影響顯著，隨著施氮量增加，土壤不同形態有機碳、速效磷和速效鉀含量增加，作物根際和非根際土壤硝態氮含量顯著增加[21-22]。本試驗結果表明，隨氮用量增加，土壤有機質，全氮、堿解氮和硝態氮含量均增加，究其原因，施用氮肥增加了土壤氮素積累，促進了作物生長，凋落物歸還量相應增加，根茬殘體及根系分泌物，有機質含量相應增加。速效磷和速效鉀含量表現為先降低后增加的趨勢，這與前人研究存在差異，主要是因為長期進行不同梯度施氮，在中氮處理下土壤中養分比較平衡促進了植物對磷鉀肥的吸收，也有研究認為長期單一施氮易導致土壤磷庫和鉀素呈虧損狀態[23]。

3.3 長期施氮條件下土壤三大微生物數量變化

土壤微生物是維持土壤質量的重要因素，其數量高低在一定程度上反映了土壤的肥力水平和施肥效果[3]。施肥增加了土壤中營養物質含量，促進微生物生長和繁殖[24]。本研究表明，隨著施氮量的增加，土壤細菌、真菌和放線菌數量逐漸增加，氮肥過量則會抑制細菌、放線菌和真菌生長，但細菌數量隨施氮量增加而增加的幅度以及氮肥過量后細菌數量降低幅度均高于放線菌和真菌，這表明細菌較真菌和放線菌對氮肥更敏感，這與前人研究結果有相似之處[25-28]。也有研究認為，長期施用無機氮肥會降低土壤細菌、真菌數量和微生物活性[29]，這主要是因為受土壤基礎肥力，耕作方式及施肥時間和制度等因素不同，土壤微生物對施肥的響應程度存在差異[30]。因此，對于不同的地區，應結合當地土壤肥力狀況，氣候變化及管理措施等因素，制定科學合理的施肥制度。

4 結論

長期施用氮肥飼草玉米產量隨施氮量的增加先增加后降低；土壤有機質和氮素（全氮、堿解氮和硝態氮）含量均呈顯著增加的趨勢；細菌、放線菌和真菌數量隨施氮量的增加表現為先增加后降低，細菌數量增加或降低幅度高于放線菌和真菌，速效磷和速效鉀含量呈現先降低后增加的趨勢；全氮、有機質、堿解氮、硝態氮含量及真菌、放線菌、細菌數量和飼草玉米產量均存在正相關關系；速效磷和速效鉀含量與有機質、氮素含量、3 大微生物數量和產量均存在負相關關系；土壤有機質、氮素含量和微生物數量促進了飼草玉米產量的增加，其中，有機質含量對產量直接影響最大，堿解氮對產量間接影響較大，因此適當施氮保持土壤養分及改善土壤環境，有利于提高玉米產量。

綜上所述，本試驗條件下，在N3處理飼草玉米產量最高；通過方程模擬得出，氮肥用量為70.7 kg/hm2，可達到最高產量。此外，土壤速效磷和速效鉀含量在N2～N3處理相對較少，應考慮適當補充磷鉀肥；N3處理微生物數量相對豐富。