不同比例化肥與有機肥配施對土壤碳組分及微生物碳代謝的影響

張偉彬

(商丘職業技術學院，河南商丘 476000)

土壤有機碳(SOC)是土壤的重要組成部分，能在一定程度上反映土壤肥力及質量，土壤有機碳的轉化對維持土壤質量，調控土壤生態系統穩定性具有重要作用。土壤酶可由植物根系、動植物殘體以及微生物分解后釋放，能夠參與土壤中各類生物化學反應，直接或間接地催化土壤有機碳轉化與分解。土壤微生物代謝旺盛，能夠直接或間接地參與土壤養分的轉化與循環、有機碳的形成與分解，自然因素或人為擾動引起的土壤變化，都會引起微生物群落的敏感回應。

20世紀80年代以來，我國糧食產量在化肥的助力下實現了飛躍式增長。然而近年來，人們為追求作物高產與經濟效益，不僅選擇更替高產優質品種，還在生產上大量施用化肥而忽視有機肥的投入，據相關研究報道，2013年我國化肥平均施用量達到437.4 kg/hm，超出國際化肥用量標準94%，大量施用化肥造成土壤速效養分和有機碳含量降低、土壤酶活性下降、土壤微生物群落結構及功能發生改變等問題，加劇了農業生態環境失衡。因此，如何合理施肥才能有效提高土壤養分含量、改善土壤微生態環境，是目前研究的緊要任務。生物有機肥因綠色安全、節約資源等特點受到廣泛關注。有研究表明，無機肥與有機肥配施能夠較大程度地改善大量施用化肥對土壤、環境所帶來的負面影響，結合無機肥與有機肥釋放養分的特點，有利于培肥地力、提高土壤有機碳含量及相關轉化酶活性，改善土壤微生態環境。林仕芳等研究表明，與單施化肥相比，化肥配施有機肥能夠有效抑制土壤有機碳礦化，增加纖維素酶、蔗糖酶和-葡萄糖苷酶活性，不僅能夠有利于土壤固碳培肥，也能夠改變土壤微生物群落對各類碳源的利用率，提高土壤微生物碳源代謝能力。因此，通過研究化肥與不同比例有機肥配施對田間土壤有機碳組分含量、碳轉化酶活性及微生物碳代謝功能的影響，以此來評價土壤肥力水平、準確認識土壤微生物活性變化具有重要意義。

目前，化肥與有機肥配施對土壤有機碳結構、微生物群落結構影響的研究報道有很多，但不同地區不同有機肥配施比例不盡相同，且土壤微生物碳源代謝功能與土壤有機碳組分含量、碳轉化酶活性相關性的研究并不多，因此本試驗在黃淮海地區通過化肥與不同比例有機肥配施，探究不同處理下麥玉田土壤有機碳組分含量、碳轉化酶活性與微生物碳源代謝的變化特點，并探討它們之間的關聯性，找到適宜的化肥與有機肥配施比例，以期為小麥玉米輪作田有機肥的施入提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年6月至2021年6月在商丘職業技術學院試驗示范基地附近農戶(39°28′N，116°15′E)進行。該地區屬典型暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均降水量為650 mm，主要集中在6—9月，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥。年平均氣溫為14.2 ℃，全年積溫(≥0 ℃)為4 500～5 500 ℃·d，無霜期為210 d，年日照時長為2 200 h，該區域主要作物種植制度為冬小麥、夏玉米一年兩熟制。供試土壤為黃潮土，質地為沙壤，試驗前耕作層土壤理化性質：土壤堿解氮含量為43.12 mg/kg，速效磷含量為 35.62 mg/kg，速效鉀含量為110.37 mg/kg，有機質含量為10.57 g/kg，土壤pH值為8.09。

1.2 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計，設不施肥(CK)、100%化肥單施(CFBF)、75%化肥與25%生物有機肥配施(CFBF)、50%化肥與50%生物有機肥配施(CFBF)、25%化肥與75%生物有機肥配施(CFBF)、100%生物有機肥單施(CFBF)，6個處理，重復3次，小區面積為60 m(6 m×10 m)。種植模式常年為冬小麥夏玉米輪作，小麥品種為周麥18(河南省周口市農業科學院)，播種時間為每年10月上旬，收獲時間為翌年6月上旬，播種量為300 kg/hm；玉米品種為鄭單958(河南省農業科學院糧食作物研究所)，播種時間為每年6月中旬，收獲時間為當年9月底，種植密度為67 500株/hm，株行距為30 cm×50 cm。100%化肥單施用量：N、PO、KO分別為210、150、150 kg/hm(河南省中輝化肥有限公司)；100%生物有機肥單施用量為1 800 kg/hm(含32.2%有機質、3.85% N、2.12% PO、1.15% KO、有效活菌數≥0.2億CFU/g，河北中創豐農生物技術有限公司)。70%的氮肥以及全部磷肥、鉀肥和生物有機肥作為基肥在旋地前施入，剩余30%氮肥作為追肥施入，小麥、玉米均在拔節期進行氮肥追施。2季作物秸稈均粉碎還田。其他田間管理措施按照當地習慣進行，試驗設計見表1。

表1 試驗處理及肥料用量

1.3 樣品采集

于2021年6月10日小麥收獲后采集0～20 cm土壤樣品，采用螺旋土鉆利用5點取樣法采集土壤樣品，混勻后通過保溫箱及時帶回實驗室，撿出根系、碎石等雜物，過2 mm 網篩后，一部分保存在-40 ℃ 冰箱，用于土壤微生物功能的測定；一部分保存在4 ℃冰箱，用于土壤生物學活性的測定；其他部分土壤自然風干，用于土壤理化指標的測定。

1.4 分析方法

分別采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法、高錳酸鉀氧化法、六偏磷酸鈉分散法、蒸餾水浸提法、氯仿熏蒸法測定土壤總有機碳(SOC)、易氧化有機碳(ROC)、顆粒有機碳(POC)、可溶性有機碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)含量。采用 3，5-二硝基水楊酸比色法測定纖維素酶、蔗糖酶活性；采用比色法測定-葡萄糖苷酶、酚氧化酶、過氧化物酶活性。采用Biolog Eco生態板法測定土壤微生物平均顏色變化率(AWCD值)和碳源利用能力。

1.5 數據分析

采用WPS軟件進行數據處理與計算，采用SPSS 17.0軟件進行方差分析，采用Canoco 5.0軟件進行多元分析。

2 結果與分析

2.1 不同比例無機肥與有機肥配施對土壤活性有機碳組分的影響

由表2可知，連續施肥4年后，不同施肥處理土壤有機碳和其他碳組分含量出現明顯差異。與CK相比，不同施肥處理土壤活性有機碳組分含量均有不同程度地提高，其中除CFBF處理POC、MBC含量外，其他施肥處理有機碳組分含量均顯著性提高。在化肥與有機肥配施處理對比中發現，隨著有機肥比例的升高，土壤活性有機碳組分含量先升高后降低，其中CFBF處理SOC、POC、DOC、MBC含量最高，較其他施肥處理提高范圍分別為3.53%～18.23%、3.14%～27.38%、4.22%～31.06%、3.22%～17.47%，顯著高于CFBF、CFBF處理，SOC含量顯著高于CFBF處理；CFBF處理ROC含量最高，較其他施肥處理提高2.47%～15.79%，顯著高于CFBF處理，與其他施肥處理均無顯著性差異，而隨著有機肥比例繼續增加，土壤活性有機碳組分含量出現不同程度的下降。CFBF處理土壤活性有機碳各組分含量在施肥處理中均最低，說明化肥與有機肥配施有利于提高土壤活性有機碳各組分含量。

表2 不同施肥處理對土壤活性有機碳組分的影響

2.2 不同比例無機肥與有機肥配施對土壤碳轉化酶活性的影響

由表3可知，不同施肥處理土壤碳轉化酶活性差異較大。與CK相比，除CFBF處理的酚氧化酶、過氧化物酶無顯著提高外，其他施肥處理各碳轉化酶活性均顯著提高。在化肥與有機肥配施處理對比中發現，隨著有機肥比例的升高，土壤碳轉化酶活性均不同程度地先升高后降低，其中CFBF處理土壤蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶、酚氧化酶、過氧化物酶活性均為最高值，較其他施肥處理提高范圍分別為0.46%～14.23%、8.13%～39.02%、6.00%～29.29%、7.44%～30.00%、7.26%～14.66%，均顯著高于CFBF處理。隨著有機肥比例的增加，CFBF處理的土壤碳轉化酶活性均不同程度地降低，除纖維素酶活性顯著低于CFBF處理，其他指標與CFBF、CFBF處理相比均無顯著性差異，但均高于CFBF處理，由此可知，化肥與有機肥配施有利于提高土壤碳轉化酶活性。

表3 不同施肥處理對土壤碳轉化酶活性的影響

2.3 不同比例無機肥與有機肥配施對土壤微生物AWCD值的影響

AWCD值能夠反映土壤微生物對單一碳源的利用能力，其中AWCD值增加越塊，碳源代謝活動越強。由圖1可知，隨著培養時間的延長，不同施肥處理土壤微生物群落對單一碳源的利用能力均不斷提高，培養0～48 h時，AWCD值增長較為緩慢，48～120 h時AWCD值增長較快，120 h后增長逐漸平緩至最大值。但不同施肥處理AWCD值增長速率有所不同，CFBF處理的AWCD值增長速率明顯高于其他施肥處理，而CFBF與CFBF處理的AWCD值增長速率次之，CK的AWCD值增長速率最低，單一地分析培養120 h時土壤AWCD值發現，CFBF處理的AWCD值較其他處理分別提高21.18%～87.27%，CK低于其他施肥處理。

2.4 不同比例無機肥與有機肥配施對土壤微生物碳源利用能力的影響

在分析土壤微生物對各類碳源的利用能力時發現，不同施肥處理差異明顯。由表4可知，與CK相比，不同施肥處理均不同程度地提高了土壤微生物對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸化合物的利用能力，降低了對芳香化合物的利用能力，對多聚化合物、羧酸化合物的利用能力表現出不同的變化趨勢。其中CFBF處理土壤微生物對碳水化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最強，較CK分別顯著提高93.62%、58.82%、76.06%，對芳香化合物的利用能力最弱，較CK顯著降低52.54%；CFBF處理對胺類化合物的利用能力最強，較CK顯著提高202.63%，且顯著高于CFBF處理、CFBF處理、CFBF處理，與CFBF處理相比無顯著性差異；CFBF處理對羧酸類化合物的利用能力最強，較CK顯著提高20.73%，且顯著高于CFBF處理、CFBF處理、CFBF處理。由此可知，不同施肥處理改變了土壤微生物對各類碳源的利用能力。

表4 不同施肥處理對土壤微生物碳源利用能力的影響

2.5 土壤碳轉化酶與土壤活性有機碳組分之間的相關性分析

不同施肥處理條件下，土壤生物學特性對土壤活性有機碳組分變現出不同的響應。由表5可知，蔗糖酶活性與總有機碳、微生物生物量碳呈顯著正相關關系；-葡萄糖苷酶與易氧化有機碳、微生物生物量碳呈顯著正相關關系；纖維素酶與顆粒有機碳、可溶性有機碳呈顯著正相關關系；酚氧化酶與顆粒有機碳、可溶性有機碳、微生物生物量碳呈極顯著正相關；過氧化物酶與總有機碳呈顯正相關關系，與易氧化有機碳呈極顯著正相關關系；其他土壤酶活性與有機碳組分均呈正相關關系。由此表明，土壤碳轉化酶活性受土壤有機碳組分含量的影響較大，在一定程度上增加土壤有機碳各組分含量有利于提高土壤碳轉化酶活性。

表5 土壤碳轉化酶與土壤活性有機碳組分之間的相關性分析

2.6 土壤微生物碳源利用能力與土壤有機碳組分、碳轉化酶活性間的相互關系

由圖2-A可知，第1排序軸、第2排序軸能夠在累積變量62.85%水平上解釋不同施肥處理下土壤微生物碳源利用能力與土壤有機碳組分含量間的關系。各處理空間位置較為分散，說明不同施肥措施對土壤微生物群落功能產生不同的響應。土壤微生物對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力與總有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物生物量碳均呈正相關關系，土壤微生物對芳香化合物、羧酸化合物的利用能力與總有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物生物量碳均呈負相關關系。其中DOC(54.0%)是主要驅動因子，說明土壤可溶性有機碳含量的提高對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力具有一定的促進作用，對芳香化合物、羧酸化合物的利用能力具有一定的抑制作用。

由圖2-B可知，第1排序軸、第2排序軸能夠在累積變量67.53%水平上解釋不同施肥處理下土壤微生物碳源利用能力與土壤碳轉化酶間的相互關系。其中土壤微生物對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力與蔗糖酶、-葡萄糖苷酶、纖維素酶、酚氧化酶、過氧化物酶呈正相關關系，土壤微生物對芳香化合物、羧酸化合物的利用能力與蔗糖酶、-葡萄糖苷酶、纖維素酶、酚氧化酶、過氧化物酶均呈負相關關系。CEL(56.4%)為主要驅動因子，說明土壤纖維素酶活性的提高對碳水化合物、胺類化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力具有一定的促進作用，對芳香化合物、羧酸化合物的利用能力具有一定的抑制作用?；逝c有機肥配施能夠在一定程度上提高土壤有機碳組分含量和碳轉化酶活性，可能為土壤微生物群落碳源利用能力的升高提供良好的土壤生態環境。

3 討論與結論

3.1 不同比例化肥與有機肥配施對土壤有機碳組分含量和碳轉化酶活性的影響

外源有機碳的輸入和土壤微生物碳代謝活動分解之間的平衡能夠較大程度地影響土壤有機碳組分含量水平。本研究結果表明，與CK相比，不同施肥處理土壤活性有機碳組分含量均有不同程度的提高，其中除CFBF處理POC、MBC含量外，其他施肥處理有機碳組分含量均顯著性提高，分析認為可能是不施肥處理無外來碳源攝入，其土壤有機質僅以作物根系殘留物及作物秸稈為碳源，不能維持其平衡，也可能是施肥促進了作物根系和土壤微生物活動，增加了分泌代謝物，從而增加了土壤有機碳及組分含量。其中以CFBF處理SOC、POC、DOC、MBC含量最高，較其他施肥處理提高范圍分別為3.53%～18.23%、3.14%～27.38%、4.22%～31.06%、3.22%～17.47%。CFBF處理ROC含量最高，較其他施肥處理提高2.47%～15.79%，顯著高于CFBF處理，與其他施肥處理均無顯著性差異。而隨著有機肥比例的繼續增加，土壤活性有機碳組分含量出現不同程度的下降，CFBF處理土壤活性有機碳各組分含量均最低。分析認為，外源有機肥的攝入為土壤微生物及根系帶來豐富的碳源，促進了微生物的繁殖生長，提高了土壤速效養分和微生物活性，從而提高微生物對各類碳組分的固持量，但有機肥比例并不是越高越好，超過化肥與有機肥的最佳配施比例，土壤微生物的繁殖活動會受到抑制，從而減少對各類碳組分的持有量。由此可知，化肥與有機肥配施有利于提高土壤活性有機碳各組分含量。

土壤蔗糖酶、-葡萄糖苷酶、纖維素酶、酚氧化酶、過氧化物酶是土壤有機碳降解和養分轉化的關鍵酶，其活性大小在一定程度上能夠表征土壤微生物代謝活性，其酶活性的高低通常也可以作為土壤肥力評價的重要指標。本研究結果表明，CFBF處理土壤蔗糖酶、-葡萄糖苷酶、纖維素酶、酚氧化酶、過氧化物酶活性在所有處理中均為最高值，較其他施肥處理分別提高0.46%～14.23%、8.13%～39.02%、6.00%～29.29%、7.44%～30.00%、7.26%～14.66%，均顯著高于CFBF處理，隨著有機肥比例的增加，土壤碳轉化酶活性均不同程度地降低。不同施肥處理土壤酶活性差異較大，分析認為有可能是有機肥含有豐富的酶促基質，能夠為土壤中各種酶活性提供豐富的基質，但酶活性在一定酶促基質范圍內隨著含量的增加而增加，超過最佳范圍使得酶活性降低，也可能是微生物活動受到抑制影響有機碳的轉化與降解，從而影響到酶活性變化。且在土壤碳轉化酶與活性有機碳組分的相關性分析中發現，土壤碳轉化酶活性受土壤有機碳組分含量的影響較大，土壤有機碳各組分含量的變化能夠影響土壤各種相關碳轉化酶活性的變化。由此可知，CFBF處理較其他施肥處理能夠最大程度地提高土壤碳轉化酶活性。

3.2 不同比例化肥與有機肥配施對土壤微生物碳源代謝的影響

土壤微生物碳源代謝特征可以反映土壤微生物活性以及對各類碳源的利用能力。本研究結果表明，隨著培養時間的延長，不同施肥處理土壤微生物群落對單一碳源的利用能力均不斷提高，其中與CK相比，不同施肥處理的AWCD值均不同程度地提高，這與武曉森等的研究結果一致。CFBF處理的AWCD值較其他處理分別顯著提高21.18%～87.27%，CFBF處理顯著低于其他施肥處理。土壤微生物對各類碳源的利用能力與AWCD值變化相似，在一定范圍內，隨著有機肥施入比例的增加而增加，超過最佳范圍后逐漸降低，其中CFBF處理土壤微生物對碳水化合物、氨基酸、多聚化合物的利用能力最強，CFBF處理對胺類化合物的利用能力最強，較CK顯著提高202.63%，且顯著高于CFBF、CFBF、CFBF處理。分析認為，有機肥的攝入為土壤微生物的活動提供了豐富的養分和各類碳源底物，能夠提高微生物的代謝能力，但隨著有機肥攝入比例的增加，超過微生物的利用能力，使得微生物活動受到抑制，從而表現出活性降低，且不同比例化肥與有機肥配施條件下，土壤微生物對各類碳源的利用能力不同，從而表現出明顯差異。

土壤微生物碳源利用能力與土壤有機碳組分、碳轉化酶活性的RDA分析結果顯示，土壤微生物碳源利用能力與土壤碳組分含量、碳轉化酶活性呈現不同的相關性，其中DOC(54.0%)、CEL(56.4%)是主要驅動因子，且土壤微生物碳源利用能力受土壤碳組分含量、碳轉化酶活性多種因子共同制約。而不同比例化肥與有機肥配施能夠在一定程度上提高土壤有機碳組分含量與碳轉化酶活性，可為土壤微生物群落碳源利用能力的提升提供有利條件。由此可知，不同比例化肥與有機肥配施能夠改變土壤微生物群落的碳源利用能力。

本研究結論如下：與不施肥或單施化肥相比，不同比例化肥與有機肥配施能夠提高土壤有機碳組分含量、碳轉化酶活性，提升土壤微生物群落對碳水化合物、氨基酸、多聚化合物、胺類化合物的利用能力，其中25%化肥與75%生物有機肥配施處理表現最好。RDA分析表明，土壤微生物碳源利用能力與土壤有機碳組分含量、碳轉化酶活性變化具有緊密相關的聯系。