不同施肥種類對玉米產量及土壤性狀的影響

武鳳霞　應夢真　李吉進　劉建斌

摘要：通過大田夏玉米試驗，研究等氮量條件下不同施肥種類（不施肥、單施化肥、單施有機肥、有機肥+化肥混施）對夏玉米產量、土壤氮素含量、微生物種群數量、土壤酶活性的影響。結果表明，化肥+有機肥混施處理的玉米鮮質量比單施化肥、單施有機肥分別提高11.1%、7.1%，總粒質量分別提高了8.9%、6.5%;土壤中銨態氮和硝態氮變化以0～20 cm土層最大，化肥+有機肥混施處理的銨態氮含量最高，為2.38 mg/L，化肥處理的硝態氮含量最高，為18.7 mg/L，40 cm以下土層的銨態氮、硝態氮含量很低，且處理之間差異不大;培養微生物檢測和分子生物學鑒定表明，土壤微生物主要集中在土壤的0～60 cm土層，在0～20 cm土層混施處理和常規化肥處理的細菌數量高于其他處理，混施處理細菌種類最多。在0～20 cm土層混施處理真菌種類最多，但數量和其他處理差異不大;在0～20 cm土層化肥+有機肥處理的脲酶、過氧化氫酶活性都高于其他處理。不同指標間具有一定的相關性。

關鍵詞：夏玉米;施肥措施;微生物量;土壤氮素;土壤酶活

中圖分類號： S513.06? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）03-0055-05

氮作為土壤肥力的重要指標和植物生長所必需的元素之一，影響著土壤的物理、化學和生物學性質[1]。氮素肥料施用對于提高作物產量效果十分顯著，對農業增產功不可沒。然而過量施用氮肥，既造成資源的浪費，同時又造成了環境的污染。根據國家統計局數據，在1990—2012年，華北平原小麥、玉米氮肥用量從432.4萬t增加到613.44萬t，增幅為41.48%[1]。氮肥過量施用影響了肥料的利用率，華北平原氮肥利用率僅為10%～20%，而技術先進國家氮肥利用率為60%以上[2-4]。大量殘留的氮肥以NO3-N的形態存在于土壤中，隨著降雨和灌溉淋失到土壤深層，造成地下水硝酸鹽污染[5-7]。

土壤微生物是土壤生物肥力的核心，是構成土壤肥力不可缺少的組分，可以促進植物所需營養元素的循環、土壤肥力的保持及能量轉化[8-9]。合理的施肥措施是提高作物產量和氮肥利用率的主要途徑[10]。研究表明，不同肥料施用和有機-無機配施能夠明顯提高作物產量和土壤肥力[11-12]，同時能夠緩解NO3-N在土層剖面中的累積和淋失[1]，另外不同施肥措施對于土壤微生物代謝活性和土壤微生物群落功能多樣性也有很多影響[13]。土壤微生物對耕作、施肥等變化反應敏感，可以作為土壤質量和土壤肥力的評價指標[14-15]。過量施用氮肥同樣能對土壤微生物產生廣泛影響。目前，盡管國內外關于施肥對土壤微生物的影響有很多報道，但結果不盡一致。因此，在保證土壤肥力和作物產量的基礎上，科學合理施肥對于保護農田環境是農業生產中需要解決的重要問題之一。

土壤酶是土壤物質循環和能量流動的重要參與者，是土壤生態系統中最活躍的組分之一，它在土壤物質循環、系統穩定性和可持續發展過程中有十分重要的影響[16-17]，與土壤的肥力水平關系密切[18]。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等水解酶活性能夠表征土壤碳、氮、磷等養分的循環狀況，而土壤脫氫酶常被認為是土壤微生物活性的一個有效指標[19]。有研究認為，有機無機肥配合施用可明顯提高土壤微生物數量及土壤酶活性，其數量和活性均隨著有機肥施用量的增大而增加[20]。但對于不同影響因子之間的相關性分析比較少。

玉米在北京都市型現代農業中占有重要地位，并發揮著重要作用。一方面北京市玉米通過雨養旱作的模式，在農業節水中發揮著不可替代的重要作用。另一方面玉米具有突出的吸碳放氧的生態功能，在北京市的生態環境改善和保持中起到重要作用。本研究通過大田夏玉米試驗，研究不同施肥模式對夏玉米產量、土壤氮素含量、微生物數量和種群、土壤酶活性的影響，以及它們之間的關系，以期為北京地區玉米生產中的氮素科學管理和土壤環境保護提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗在北京市大興區大張本莊基本農田保護區進行。大興區屬永定河沖積平原，地勢自西向東南緩傾，大部分地區海拔14～52 m，屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候。年平均氣溫為11.6 ℃，年平均降水量556 mm。試驗前農田土壤基本理化性質（0～20 cm土層）見表1。

1.2 試驗設計

整個試驗按照225 kg/hm2的純氮施用量進行等氮處理。共設4個處理，分別為（1）不施肥處理;（2）常規化肥處理（按225 kg/hm2的純氮施用）; （3）施有機肥處理（按225 kg/hm2的純氮施用）;（4）化肥+有機肥處理（均按 112.5 kg/hm2 的純氮施用）。每個處理3次重復，隨機區組排列，共12個小區，小區面積50 m2。試驗自2017年6月至9月進行?；蕿樯唐酚衩讓Ｓ梅?，有機肥為商品有機肥，主要成分為雞糞和蘑菇渣。

1.3 土壤樣品采集

分別于2017年6月玉米種植前和2017年9月玉米收獲后進行土壤樣品采集，每個小區采集0～200 cm土層土壤作為供試土壤。各個小區隨機從3個樣品點采集，土壤均勻混合后作為1個樣品，于4 ℃保存。

1.4 土壤氮素測定

不同土層中的氨態氮采用NaCl浸提-擴散法、硝態氮采用速效氮（NaCl浸提-Zn-FeSO4還原-蒸餾法）減去氨態氮法進行測定。

1.5 土壤微生物數量和種類測定

采用傳統稀釋倒平板法對0～200 cm的土壤可培養微生物數量進行檢測，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基。真菌采用PDA培養基，培養溫度均為28 ℃。

從0～20 cm土層分離的微生物中選擇10株微生物（細菌、真菌），純化后進行分子生物學種類測定。細菌、真菌DNA分別使用細菌基因組DNA提取試劑盒（離心柱型）和真菌基因組DNA提取試劑盒（離心柱型）提取，細菌進行16S rDNA擴增，引物為27F（5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′）和1492R（5′-TACGGCTACCTTCGACTT-3′），真菌進行ITS rDNA擴增，引物為ITS1（5′-TCCGTAGGTGAAGCGG-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′。擴增后的PCR產物由北京諾賽基因組研究中心有限公司測序分析?；驕y序、Blast比對后，確定微生物種類。

1.6 土壤酶活性測定

土壤過氧化氫酶采用KMnO4滴定法測定，其活性以單位土質量消耗的0.1 mol/L KMnO4的體積量（mL）表示。土壤脲酶采用比色法，其活性以3 h后單位土含有的NH4-N的mg數表示。

1.7 玉米產量測定

試驗結束后采集玉米植株和果實，進行玉米鮮質量、植株鮮質量的測定;玉米風干后進行總粒質量、千粒質量、棒心質量等指數的檢測。

1.8 數據處理

土壤中可培養微生物數量經對數轉化后，通過Microsoft Excel for Windonws 2010軟件進行分析和作圖。差異顯著性分析采用SPSS Statistics17.0軟件進行單因素方差分析，不同因子間的相關性分析采用Pearson相關系數法。

2 結果與分析

2.1 不同處理對玉米產量的影響

2.1.1 不同處理對玉米鮮質量的影響 玉米收獲后，總鮮質量、玉米質量（圖1）和干質量（總粒質量、千粒質量、棒心質量）（圖2-a、圖2-b、圖2-c），都獲得了類似的結果。產量從高到底處理順序為：化 肥+ 有機肥>施有機肥>常規化肥>不施肥處理。

化肥+有機肥處理的總鮮質量為0.73 kg/株，比施有機肥處理0.69 kg/株、常規化肥處理0.66 kg/株分別提高了 5.8%、10.6%。化肥+有機肥處理的玉米質量為 0.30 kg/株，比施有機肥處理0.28 kg/株、常規化肥處理 0.27 kg/株分別提高了7.1%、11.1%。

2.1.2 不同處理對玉米粒質量和棒心質量的影響 化肥+有機肥處理總粒質量147 g/株，比施有機肥處理138 g/株、常規化肥處理135 g/株分別提高了6.5%、8.9%（圖2-a）。千粒質量和棒心質量的結果同總粒質量類似（圖2-b、圖2-c）。不同處理間的總粒質量/棒心質量也有一定差異（圖2-d）。從高到低處理順序為化肥+有機肥（25.30）>有機肥處理（24.91）>不施肥處理（24.48）>常規化肥處理（23.61）?；?肥+ 有機肥處理的比值最高，結合玉米產量的變化，表明化肥+有機肥處理不但促進玉米的產量，同時能夠促進物質能量更有效地向果實轉化。單施化肥處理比值比對照更低，表明單施化肥處理雖然能夠提高玉米產量，但降低了物質能量利用的有效性。

2.2 不同處理對土壤氮素的影響

氮是植物營養三要素之一，銨態氮、硝態氮是作物生長的主要氮源。不同施肥種類對不同土層的銨態氮和硝態氮都有一定的影響（圖3）。土壤中銨態氮（圖3-a）和硝態氮（圖 3-b）變化主要在0～40 cm土層，40 cm以下土層的銨態氮和硝態氮含量很低，且處理間差異變化不明顯。

在土壤0～20 cm土層的銨態氮含量具有顯著差異，化 肥+ 有機肥處理、有機肥處理銨態氮含量顯著高于常規施肥處理、不施肥處理。不同處理銨態氮含量高低順序為化肥+有機肥（2.38 mg/L）>有機肥（1.50 mg/L）>常規化肥（0.70 mg/L）>不施肥處理（0.54 mg/L）;20～40 cm土層的銨態氮高低順序略有差異，表現為化肥+有機肥>常規化 肥> 有機肥>不施肥處理（圖3-a）。銨態氮比較容易被土壤膠體吸附，化肥+有機肥處理一定程度上有利于土壤肥效的保持。

土壤硝態氮在0～40 cm土層含量要明顯高于銨態氮含量。不同處理在0～20 cm土層硝態氮差異顯著，高低順序依次為常規化肥（18.7 mg/L）>化肥+有機肥（8.67 mg/L）>有機肥（4.52 mg/L）>不施肥處理（0.54 mg/L）。常規化肥處理的土壤硝態氮顯著高于其他處理（圖3-b）。0～20 cm 土壤銨態氮和硝態氮總和從高到低的排列為常規化肥（19.4 mg/L）>化肥+有機肥（11.05 mg/L）>施有機肥（602 mg/L）>不施肥處理（1.08 mg/L）。表明常規施肥處理夏玉米收獲后土壤肥力最高。

2.3 不同處理對土壤可培養微生物數量和種類的影響

2.3.1 可培養細菌數量和種類差異 細菌是土壤主要的微生物群落，細菌數量的多少不但取決于土壤質地和肥力狀況，同時也反映了土壤環境條件及肥力的供應情況。從圖4-a可見，不同土層不同處理間土壤細菌量存在明顯的差異。在 0～200 cm土層中，4個處理的細菌都呈現出相似的變化規律，在0～40 cm細菌量最多，含量在106～107 CFU/g;40～100 cm 細菌數量出現明顯下降，100 cm有機肥處理出現細菌數量最低值6×104 CFU/g;100～120 cm細菌量出現略微上升趨勢，120～200 cm細菌數量基本穩定在105～106 CFU/g。

相同土層不同處理間也存在著細菌數量的變化。在0～20 cm土層，常規化肥處理和化肥+有機肥處理的細菌含量最多，土壤細菌含量分別為1.0×107、9.7×106 CFU/g，不施肥對照處理細菌數量最少，為3.7×106 CFU/g;在20～60 cm土層，化肥+有機肥處理的細菌含量明顯高于其他3個處理，細菌含量為1.0×107 CFU/g;60 cm 土層以下，不同處理間的細菌數量差異不明顯。在0～60 cm土層，化肥+有機肥處理的細菌生物量最高。

從表2可以看出，在0～20 cm土層，化肥+有機肥處理的細菌種類最多，共檢測出7個不同屬的細菌。不施肥處理細菌種類最少，共檢測出4個不同屬的細菌。常規施肥處理、有機肥處理均測出5個不同屬的細菌。芽孢桿菌屬和假單胞菌屬的細菌均在4個不同處理中被發現，是土壤中比較穩定的微生物類群。

2.3.2 可培養真菌數量和種類差異 土壤不同深度和不同處理的真菌數量差異沒有細菌變化明顯（圖4-a）。從 圖4-b 可以看出，土壤真菌主要集中在0～60 cm土層，數量在103～104 CFU/g; 土層深度100 cm以下， 基本檢測不到土? 在0～20 cm土層之間的真菌種類差異和細菌類似（表3），化肥+有機肥處理的真菌種類最多，共檢測出8個不同屬的真菌。不施肥處理細菌種類最少，共檢測出5個不同屬的真菌。常規施肥處理和有機肥處理均測出7個不同屬的真菌。曲霉屬、木霉屬真菌均在4個不同處理中被發現。

2.4 不同處理對土壤酶活性的影響

從表4可以看出，化肥+有機肥處理脲酶和過氧化氫酶活性都高于其他處理，不施肥對照處理脲酶和過氧化氫酶活性都處于最低水平，有機肥處理、常規施肥處理間脲酶、過氧化氫酶活性差異不顯著。

2.5 氮素含量、微生物數量、酶活性和總粒質量間的相關性

分析土壤0～20 cm土層氮素含量（硝態氮、銨態氮）、微生物數量（細菌、真菌）、酶活性（脲酶、過氧化氫酶）、和產量（總粒質量）間的相關性，見表5。結果表明，總粒質量和其他因子都呈正相關性，與過氧化氫酶、銨態氮含量的相關系數分別為 0.996、0.929。微生物細菌、真菌的數量與硝態氮呈負相關，相關系數為-0.210、-0.278，與銨態氮含量呈正相關性，相關系數為0.758、0.887。脲酶、過氧化氫酶酶活性與硝態氮、銨態氮含量呈正相關關系，硝態氮含量與脲酶活性的相關系數為0.722，高于過氧化氫酶系數為0.321，銨態氮含量與過氧化氫酶活性的相關系數為0.940高于與脲酶的相關系數為0.647。

3 結論與討論

該研究通過對北京地區夏玉米的不同施肥種類，測定不同施肥種類對玉米產量、 土壤氮素含量、微生物種類數量、土壤酶活性的影響。結果表明，在等氮量的條件下，施用混合肥處理玉米的產量最高，土壤中的可培養細菌數量（0～80 cm）和種類（0～20 cm）最多，土壤酶活性（脲酶、過氧化氫酶）最高，土壤中銨態氮含量最高，硝態氮含量居中。另外，施用混合肥處理的總粒質量/棒心質量比值最高。因此，有機肥和化肥的混合施用能夠提高肥料的綜合利用率，在減少化學肥料施用量的情況下，能達到作物高產和土壤生態環境保護的雙重目的。

銨態氮在土壤中容易被土壤顆粒吸收，不容易淋失，而硝態氮容易隨雨水淋溶到地下[5]。因此，氮素淋失決定于土壤中硝態氮濃度的大小，土壤硝態氮濃度升高會引起硝態氮在土壤中大量積累，從而增加氮素淋失的潛在風險[21]。有機肥配施可以有效降低土壤硝態氮的積累[22-23]。采用15N標記田間微區試驗結果表明，單施化肥和有機無機配施的氮素損失分別為23%、16%，長期有機無機配施能夠顯著提高氮肥利用率、降低氮肥損失[22]。本研究獲得了類似的結果，混合施用處理土壤中的銨態氮含量最高，硝態氮含量居中。而化肥處理土壤銨態氮含量最低，硝態氮含量最高。因此，混合施肥有利于土壤肥力的保持，單一化肥處理具有更高的淋溶風險。

土壤微生物是土壤質量的重要生物評價指標[14-15]。細菌是土壤微生物群落中數量最多，分布最廣的菌種。細菌數量的多寡直接反映了土壤的環境條件及肥力的供應狀況[23]。本研究表明，土壤0～200 cm間都有大量的細菌存在，在0～60 cm土層生物量最高?；旌鲜褂锰幚淼募毦鷶盗吭?～60 cm土層明顯高于其他處理。在0～20 cm土層的細菌種類分析表明，混合施肥處理的細菌種類最多，共檢測出芽孢菌屬、假單胞菌屬、地桿菌屬、微桿菌屬、溶桿菌屬、寡養假單胞菌屬、無色桿菌屬等7個種屬的細菌。不施肥對照、常規施肥處理、有機肥處理分別檢測出4個屬、5個屬、5個屬的細菌。土壤真菌變化沒有細菌變化明顯。土壤真菌主要集中在0～60 cm土層，數量在103～104 CFU/g;土層深度100 cm以下，基本檢測不到土壤真菌的存在。在0～20 cm土層之間，化 肥+ 有機肥處理的真菌種類最多，共檢測出8個不同屬的真菌，分別為黑孢屬、曲霉屬、毛殼菌屬、木霉屬、漆斑菌屬、被孢霉屬、青霉屬、毛霉屬、雙足囊菌屬。不施肥處理細菌種類最少，共檢測出5個不同屬的真菌。常規施肥處理和有機肥處理均檢測出6個不同屬的真菌。表明混合施肥利于土壤細菌和真菌種群和數量的保持，有利于農田生態環境的保護。

土壤酶活性是土壤質量的重要指標，土壤酶反映了土壤生物活性和土壤生化反應強度。脲酶直接參與土壤中的氮循環，其產物是植物最重要的土壤速效氮，能在一定程度上反映土壤的供氮能力[24]。本研究結果表明，混合施肥處理土壤中的脲酶活性最高，說明更有利于土壤氮元素的循環。過氧化氫酶作為土壤中物質和能力轉化的氧化還原酶，表征了生物氧化過程的強弱[25-26]。本研究結果，混合施肥處理土壤中的過氧化氫酶活性同樣最高，不施肥對照最低，常規施肥、有機肥處理間沒有顯著差異。試驗結果表明，有機肥無機混施可以提高土壤酶的活性，對物質能量轉化和植物的保護都有重要意義。

土壤酶活性，土壤理化指標和微生物活性都密切相關[27]。氮素含量、微生物數量、酶活性和總粒質量間的相關性分析表明，產量（總粒質量）與其他因子都呈正相關性，與過氧化氫酶活性、銨態氮含量的相關系數分別為0.996、0929。土壤細菌、真菌微生物數量以及土壤脲酶、過氧化氫酶酶活性都能夠很好反映作物產量[28]。土壤細菌、真菌微生物數量以及土壤脲酶、過氧化氫酶酶活性與土壤肥力也有一定程度的相關性，說明土壤微生物數量和土壤酶活性可以作為評價土壤硝態氮、銨態氮高低的指標，作為土壤淋溶風險的重要指示。

目前，為了保障國家糧食安全、農產品質量安全和農業生態安全，農業部提出了在保證糧食穩定增產的基礎上，實施化肥使用量零增長行動[29]。有機肥和化肥混合施用是實現這一目標的重要方法之一。

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