幾種有機(jī)肥對玉米光合特性及土壤酶活性的影響

趙 旭，宋清暉，王曉慧，王學(xué)剛，馮宇涵，孫思淼，李洪濤，常 偉，宋福強(qiáng)

（1黑龍江大學(xué)生命學(xué)院/農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，哈爾濱150500；2黑龍江大學(xué)生命學(xué)院/黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080；3黑龍江省慶東陽光農(nóng)業(yè)生物科技股份有限公司，黑龍江肇東151100）

0 引言

玉米(Zea mays)是世界三大糧食作物之一，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位[1]。化肥施用在作物增產(chǎn)、耕地養(yǎng)分補(bǔ)充等方面發(fā)揮了重要作用[2]，隨著集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大量施用化肥已成為普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)增產(chǎn)栽培措施[3]。據(jù)統(tǒng)計，過去的三十年時間里，中國玉米產(chǎn)量增加了85%，然而化肥施用增加了450%，糧食產(chǎn)量的增長速度遠(yuǎn)不及化肥的增施速度[4]。集約化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中過量和長期施用化肥，一方面造成了許多土壤問題，包括土壤酸化和電導(dǎo)率升高、土壤酶活性降低、微生物多樣性降低、土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)含量降低，從而降低了土壤肥力[5]。另一方面，大量的化肥施用不僅增加了成本，降低國際市場競爭力[6]，還會隨降雨污染地下水、河流和湖泊，對生態(tài)環(huán)境造成壓力[7]。由此可見，研究科學(xué)合理的施肥措施對減少化肥用量，提高土壤肥力，提高玉米產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。有機(jī)肥替代或部分替代化肥是實(shí)現(xiàn)中國化肥零增長，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[8]。有機(jī)肥料也被叫做農(nóng)家肥，包括糞尿肥、堆漚肥、雜肥、餅肥、廄肥、沼氣肥等。有機(jī)肥中含有大量的氨基酸和有機(jī)質(zhì)，以氮、磷、鉀等植物生長所需的養(yǎng)分，與化學(xué)肥料相比，有機(jī)肥料可以優(yōu)化根際細(xì)菌，改善土壤的理化性質(zhì)，提高土壤的連續(xù)生產(chǎn)能力等，對環(huán)境的負(fù)面影響較小[9-10]。在有機(jī)肥基礎(chǔ)上加入菌群，制成的生物有機(jī)肥，還具有優(yōu)化土壤菌群群落結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性的作用[11]。謝軍等[8]研究表明，雞糞有機(jī)肥能夠提高玉米產(chǎn)量，并且降低了玉米產(chǎn)量的年度變異系數(shù)。蔡澤江等[12]研究表明，秸稈酵母腐熟有機(jī)肥能夠改善土壤酸度，獲得持續(xù)高產(chǎn)。陳志龍等[13]研究表明，有機(jī)肥與化肥混合施用能提高小麥的氮肥利用效率。Liu等[14]研究結(jié)果表明，長期施用有機(jī)肥顯著增加0～100 cm土層保水能力，提高水分利用效率，緩解干旱脅迫。有機(jī)肥逐步替代化肥，是未來生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，研究不同有機(jī)肥對于化肥的替代能力，開發(fā)新型高性能有機(jī)肥料具有重要意義。本研究旨在通過不同有機(jī)肥對比傳統(tǒng)化肥的定位施肥實(shí)驗(yàn)，在松嫩平原玉米農(nóng)田進(jìn)行定位監(jiān)測，分析不同有機(jī)肥對玉米生長發(fā)育、產(chǎn)量及土壤性質(zhì)的影響，為東北地區(qū)有機(jī)肥代替化肥施用及黑土土壤的可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)于2019年4—10月在黑龍江省綏化市肇東試驗(yàn)基地進(jìn)行，本區(qū)域位于松嫩平原中部(45°10′N，125°22′E)，地面海拔高程在120～230 m之間，屬寒溫帶氣候，年平均氣溫4.4℃，平均積溫為2772℃，年降水量448 mm，蒸發(fā)量1638 mm，全年無霜期平均在140天左右，年平均日照時數(shù)2780 h。土壤類型為黑鈣土。供試作物玉米，品種為‘好玉723’。供試肥料信息見表1。

表1 供試肥料信息

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計 本試驗(yàn)玉米為田間種植，共設(shè)5個處理，每個處理3個小區(qū)，共計15個小區(qū)，各小區(qū)隨機(jī)分布。每個小區(qū)占地面積0.067 hm2，起壟種植，壟間距0.6 m，株距0.25 m，播種密度為5×104株/hm2。其他管理措施同當(dāng)?shù)卮筇铩?/p>

1.2.2 測定指標(biāo) 玉米產(chǎn)量：在玉米收獲季節(jié)（10月7日）每塊小區(qū)取1.8×10 m樣方收獲玉米籽粒，烘干后測定玉米籽粒總重及百粒重，推算出每公頃產(chǎn)量。

玉米葉片光合特性及葉綠素含量：在玉米大喇叭口期（7月29日）上午9:00—10:00使用CI-340手持光合測定系統(tǒng)測定各處理玉米植株主莖功能葉（倒3葉）的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導(dǎo)度。分光光度法測定葉片葉綠素a、葉綠素b以及總?cè)~綠素含量。

土壤酶活性：根據(jù)土壤標(biāo)準(zhǔn)采樣法，于玉米大喇叭口期在每塊樣地用土鉆采集耕層(0～20 cm)土壤樣品1 kg。具體為每個小區(qū)隨機(jī)取10個樣品充分混合后成為1個樣品后帶回實(shí)驗(yàn)室測定，采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定土壤堿性磷酸酶活性[15]。

總球囊霉素含量及根系叢枝菌根真菌(AMF)侵染率：用牛血清蛋白(BSA)作標(biāo)準(zhǔn)液，考馬斯亮藍(lán)顯色法測定土壤總球囊霉素含量[16]，AMF侵染率采用酸性品紅染色法測定[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，采用SPSS 17.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，5個處理之間單因子數(shù)據(jù)差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同肥料處理對玉米產(chǎn)量的影響

不同肥料處理下的玉米產(chǎn)量，由大到小依次為T4＞CK＞T2＞T3＞T1（見表2）。同對照處理CK相比，T4處理下玉米產(chǎn)量增幅為11.53%，且差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，T1和T3處理下玉米產(chǎn)量顯著低于CK(P＜0.05)，T2處理下玉米產(chǎn)量較CK差異不顯著(P＞0.05)，各組處理下的玉米百粒重均無明顯差異(P＞0.05)。

表2 不同肥料處理對玉米產(chǎn)量的影響

2.2 不同肥料處理對玉米葉片光合特性的影響

由表3可知，T2、T3、T4處理下玉米葉片凈光合速率均高于CK，分別較之增加32.34%(T2)、18.49%(T3)、24.10%(T4)，且差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。T1處理下玉米葉片凈光合速率略低于CK，但差異不顯著(P＞0.05)。T1、T2、T3、T4、處理下的玉米葉片蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度均顯著低于CK，其中T1處理下玉米葉片蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度較CK降幅最大，分別下降了57.48%、58.33%。T4處理下玉米葉片胞間CO2濃度最低，為82.00 μmol/mol。

表3 不同肥料處理對玉米葉片光合特性的影響

2.3 不同肥料處理對玉米葉片葉綠素含量的影響

不同肥料處理下的玉米葉片葉綠素含量如圖1所示，T2、T3、T4處理下的玉米葉片葉綠素a含量均高于CK，較 CK 增加了 5.02%(T2)、14.41%(T3)、11.11%(T4)，其中 T3和T4差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；T2、T3、T4處理下的玉米葉片葉綠素b含量均顯著高于CK(P＜0.05)，T1處理變化不顯著(P＞0.05)；總?cè)~綠素含量由大到小依次為T4＞T3＞T2＞CK＞T1，T4、T3、T2處理分別較CK增加了14.76%、14.74%、7.46%，其中T4和T3差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。

圖1 不同肥料處理對玉米葉綠素含量的影響

2.4 不同肥料處理對玉米田間土壤酶活性的影響

不同肥料處理下土壤脲酶活性變化范圍處于5.53～10.37 mg/g之間（圖2），T1處理下土壤脲酶活性最高，較CK增長6.84%，差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)，T2、T3、T4處理下土壤脲酶活性均低于CK，分別下降了35.79%(T2)、43.03%(T3)、33.50%(T4)，且差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；4種有機(jī)肥處理下的土壤堿性磷酸酶活性均高于CK（圖3），其中T1、T3增長顯著(P＜0.05)，土壤堿性磷酸酶活性變化范圍11.911～15.658 mg/g，T3處理下土壤堿性磷酸酶活性最高，較CK提高31.80%；不同肥料處理對玉米田間土壤蔗糖酶活性的影響如圖4所示，土壤蔗糖酶活性變化范圍為1.471～2.129 mg/g，4種有機(jī)肥處理下的土壤蔗糖酶活性較CK均顯著增加(P＜0.05)，T4處理下土壤蔗糖酶活性最高，較CK提高30.91%。

圖2 不同肥料處理對玉米田間土壤脲酶活性的影響

圖3 不同肥料處理對玉米田間土壤堿性磷酸酶活性的影響

圖4 不同肥料處理對玉米田間土壤蔗糖酶活性的影響

2.5 不同肥料處理對玉米根系A(chǔ)M真菌侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

叢枝菌根真菌可與玉米根系建立良好的共生關(guān)系，形成泡囊結(jié)構(gòu)（圖5）。不同肥料處理對玉米根系A(chǔ)MF侵染率的影響如圖6所示，AMF侵染率同土壤總球囊霉素含量呈顯著的正相關(guān)。T2處理下的AMF侵染率最高，為93.59%，較CK增加了58.90%，T1、T2、T3、T4處理下的AMF侵染率分別較CK增加了28.30%(T1)、58.90%(T2)、20.71%(T3)、41.58%(T4)，其中T2和T4差異達(dá)到顯著水平(P＜0.05)；T1、T2、T3、T4處理下的土壤總球囊霉素含量均高于CK，且差異均達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。T2處理下的土壤總球囊霉素含量最高，為0.140 mg/g，較CK顯著增加8.52%。

圖5 AMF與玉米根系侵染形成泡囊

圖6 不同肥料處理對玉米根系A(chǔ)MF侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

3 討論

3.1 不同肥料處理對玉米產(chǎn)量的影響

本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，T4相對于傳統(tǒng)化肥對玉米產(chǎn)量具有顯著的積極影響，證明有機(jī)肥替代傳統(tǒng)化肥是可行的。溫延臣等[18]研究表明，有機(jī)肥能顯著增加土壤有機(jī)碳和全氮含量，利于植物吸收利用，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量。Mohamed等[19]研究表明，有機(jī)肥有利于增加土壤透氣性，改良土壤真菌、細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)，能夠提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)。Zhao等[20]研究表明有機(jī)肥能提高土壤養(yǎng)分有效性、微生物生物量、酶活性和土壤氮素過程，并在一定程度上促進(jìn)作物產(chǎn)量。超效有機(jī)肥是在有機(jī)肥的基礎(chǔ)上向腐熟物料中添加功能性微生物菌劑進(jìn)行二次發(fā)酵而制成的含有大量功能性微生物的有機(jī)肥料，具有改良土壤理化性質(zhì)，增加土壤有益微生物的作用，其相比于傳統(tǒng)化肥具有增產(chǎn)作用；本試驗(yàn)中，T2處理下的玉米產(chǎn)量相比于CK略低，但差異不顯著，表明其在有機(jī)肥替代化肥方面具有一定可行性，而T1處理下的玉米產(chǎn)量較CK顯著降低，說明秸稈還田雖然能改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤有益微生物豐富度[21]，但單獨(dú)的秸稈腐熟還田并不能滿足玉米產(chǎn)量的需求，還需要添加適量的肥料以達(dá)到增產(chǎn)的目的。

3.2 不同肥料處理對玉米葉片光合特性及葉綠素含量的影響

光合作用是影響作物產(chǎn)量的重要生理過程，已有研究表明施用有機(jī)肥可以提高植物的光合作用強(qiáng)度[22]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，T2、T3、T4三種有機(jī)肥處理下玉米葉片凈光合速率均高于CK，證明了這一研究結(jié)果。各處理下胞間CO2濃度與凈光合速率呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，這與彭輝輝等[23]研究結(jié)果一致。研究發(fā)現(xiàn)，4組有機(jī)肥處理下的葉片氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用強(qiáng)度都顯著低于CK，同凈光合速率呈負(fù)相關(guān)，這說明了葉片凈光合速率的增加是由于非氣孔因素造成的，推測可能原因是葉片凈光合速率還受到葉肉細(xì)胞光合性能的影響[24]，凈光合速率的提高是由于施用有機(jī)肥提高了玉米葉肉細(xì)胞光合性能。

植物光合作用在葉綠體中進(jìn)行，葉綠體中的光合色素是植物光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，植物葉片葉綠素含量很大程度上反映了植物進(jìn)行光合作用的能力[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，T2、T3、T4處理均不同程度上提高了玉米葉片葉綠素含量，其中，T4處理的葉片總?cè)~綠素含量比普通化肥高136.1%，說明施用有機(jī)肥可顯著提高葉片葉綠素含量，這與前人的研究結(jié)果一致[26-27]。

3.3 不同肥料處理對玉米田間土壤酶活性的影響

脲酶直接催化尿素水解，土壤脲酶活性表征土壤的氮素狀況[28]。本研究中，T1處理下土壤脲酶活性顯著增加，這與馬慧娟等[29]在秸稈還田對土壤脲酶活性影響的研究結(jié)果一致。可能是由于秸稈還田向土壤提供了大量有機(jī)質(zhì)，為土壤微生物維持生命活動供應(yīng)營養(yǎng)，提高了各類微生物的數(shù)量，從而提高土壤脲酶活性；T2、T3、T4有機(jī)肥處理后，相比于CK處理，土壤脲酶活性均顯著降低，這一定程度上反映了高氮化肥對土壤脲酶活性的影響，也反映了施用有機(jī)肥能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)土壤肥料施用的降氮目標(biāo)。

蔗糖酶直接參與土壤有機(jī)質(zhì)代謝，其活性大小與土壤肥力呈正相關(guān)[30]。本研究中相比于CK，4種有機(jī)肥處理后的土壤蔗糖酶活性均有不同程度提高，證明了有機(jī)肥能提高土壤蔗糖酶活性，對土壤具有改良作用，這與商放澤等[31]研究結(jié)果一致。

堿性磷酸酶可以加速有機(jī)磷脫磷速度，對土壤磷素的有效性具有重要作用[30]。張俊麗等[31]研究表明，有機(jī)肥施用后顯著提高了玉米田間土壤堿性磷酸酶活性，這與本研究結(jié)果一致，證明了施用有機(jī)肥對作物的磷素吸收具有積極作用。

3.4 不同施肥處理對玉米根系A(chǔ)MF侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

AMF能與玉米根系結(jié)合形成菌根結(jié)構(gòu)，改善根際環(huán)境，促進(jìn)植物對礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，提高植物抗病性和抗逆性[32]。球囊霉素是AMF分泌到土壤中的一種糖蛋白，能夠提高土壤有機(jī)碳含量，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性，改善土壤質(zhì)量[16]。本研究結(jié)果表明，4種有機(jī)肥處理后的玉米根系A(chǔ)MF侵染率均不同程度高于CK，證明了有機(jī)肥能增強(qiáng)AMF與玉米的共生作用，對菌根的形成具有促進(jìn)作用。這與Jiang等[34]研究結(jié)果一致。本研究中，總球囊霉素含量與AMF侵染率呈正相關(guān)，且4組有機(jī)肥處理后的總球囊霉素含量均顯著高于CK，說明有機(jī)肥施用可提高玉米根系A(chǔ)MF侵染率與土壤總球囊霉素含量。

4 結(jié)論

菌糠+雞糞+腐殖酸有機(jī)肥(T2)、菌糠+雞糞+枯草芽孢桿菌腐熟有機(jī)肥(T3)、超效有機(jī)肥(T4)相比于玉米專用復(fù)合肥(CK)均提高了玉米葉片的光合性能，其中T3和T4最優(yōu)；與CK相比，T4處理顯著提高玉米產(chǎn)量，T2處理達(dá)到相近產(chǎn)量水平；秸稈+枯草芽孢桿菌腐熟有機(jī)肥(T1)相比于CK顯著提高了脲酶活性，4種有機(jī)肥均顯著提高了土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶活性，表明了有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)降氮減排、增加作物磷素吸收、增強(qiáng)有機(jī)質(zhì)分解方面有積極作用；4種有機(jī)肥處理下，AMF侵染率和土壤總球囊霉素含量均高于化肥處理，其中T2和T4最優(yōu)，表明有機(jī)肥在促進(jìn)AMF與玉米植株共生和改良土壤結(jié)構(gòu)方面有積極作用。綜上，使用超效有機(jī)肥、菌糠+雞糞+腐殖酸有機(jī)肥替代化肥，能夠達(dá)到化肥減施效果；并且未來的研究中可以進(jìn)一步改良有機(jī)肥配方或進(jìn)行有機(jī)肥配施以達(dá)到玉米增產(chǎn)增效的作用。