生物有機肥替代化肥對旱地玉米土壤養分和產量的影響

王含瑞，徐得雨，肖雯麗，王俊紅，王夢亮

（山西大學 應用化學研究所，山西 太原 030006）

近年來我國玉米年產量穩居世界前3，但以往高投入、高消耗的粗放增長方式使玉米生產過度依賴化肥投入[1-2]。化肥的大量施用一方面造成土壤養分結構失調，物理性狀變差，土地重金屬超標和部分病原菌積累；另一方面水溶性養分等物質通過雨水和農田灌水滲入到地下水及河流中，造成環境污染。

玉米是旱作區主要種植作物，地力瘠薄和干旱脅迫是生產的主要限制因子，由于農民不合理耕種和施肥導致土壤表層結構惡化，養分供應失衡等土壤肥力退化日益突出，嚴重制約了玉米產量的提高。生物有機肥是指特定功能微生物與主要來源于動植物殘體的有機物料復合而成兼具微生物肥料和有機肥效應的肥料[3]。研究發現，生物有機肥替代部分化肥可以促進肥料的養分利用率、改善土壤肥力狀況、增加土壤酶活性并提高作物產量，近年來越來越受到各級政府部門及科研機構的重視。劉鎧鳴[4]研究發現，無機肥和生物有機肥配施可以改良根際土壤、提高土壤酶活和土壤肥力；王俊紅等[5]研究發現，生物有機肥合理替代部分化肥，土壤養分含量與酶活均有增加的趨勢，且一些具有生物防治與促生作用的功能菌屬出現明顯的富集現象；SHI 等[6]研究表明，生物有機肥可以緩解生物脅迫，并可持續地提高作物產量。

本研究依托旱地玉米長期定位試驗區，研究不同比例生物有機肥替代化肥對土壤養分含量、酶活性和玉米產量的影響，旨在為生物有機肥替代化肥實現玉米增產增效和資源可持續發展提供理論與決策支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2021年在山西省臨汾市浮山縣北王鄉喬家垣村旱地玉米田進行[7]。試驗田地處山西中南部旱平地，海拔1 349 m（35°44′N，113°44′E），屬暖溫帶大陸季風氣候，春冬寒冷干燥，夏季高溫多雨，年均日照時數為2 252 h，年均氣溫為11.2 ℃，年均降水量500～550 mm，主要集中在7—9月，是典型的旱作雨養區。試驗田土壤類型為石灰性褐土，質地為壤土，播種前土壤表層養分含量為有機質13.64 g/kg，全氮0.75 g/kg，速效磷13.2 mg/kg，速效鉀153.6 mg/kg，pH 值7.5。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為先玉1141，由山東登海先鋒種業有限公司提供；供試化肥為史丹利緩釋摻混肥（N∶P2O5∶K2O=20∶20∶5）；供試生物有機肥由山西利晨生物科技有限公司提供，菌種為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），有效活菌數≥2×108cfu/g，有機質≥45%。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，共設4 個施肥處理，試驗設計方案如表1所示。小區面積25 m2（10.0 m×2.5 m），每個處理3 次重復，隨機排列，共12 個小區。玉米行距、株距分別為60、30 cm。

表1 試驗設計方案Tab.1 Experimental design scheme

當地耕作制度為一年一熟，4 a 的播種均在4月底至5月初進行，收獲在10月初進行。所有肥料均作為基肥，在玉米播種前均勻撒入相應小區，然后旋耕整地播種一次性完成，整個玉米生育期內不再追肥，其他與當地常規管理措施一致。

1.4 測定項目及方法

在玉米收獲期，采用五點法隨機在玉米根際部位進行土壤樣品的采集并混勻，即先用土鏟除去表層土，采集0～20 cm 耕層土壤，并去除作物根際殘體和石塊等。一份于通風處自然晾干后過0.2 mm篩用于測定土壤養分含量，另一份4 ℃低溫保藏用于測定土壤酶活性。

有機質、全氮、速效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定；脲酶、磷酸酶和蔗糖酶分別采用苯酚-次氯酸納比色法、磷酸苯二鈉比色法和硫代硫酸鈉滴定法測定[8]。

在玉米收獲期，每小區采集長勢一致的連續30 株果穗，測定玉米產量及其產量構成因素。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26.0 對試驗數據進行統計分析；采用Origin 2019 對各處理下土壤養分含量和土壤酶活性進行熱圖分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對旱地玉米土壤養分含量的影響

由表2 可知，CK 下養分含量均為最低，不同施肥處理對土壤養分含量均有一定的影響；2019年的研究數據表明，當年的有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均比其他年份含量低，可能與2019年屬極度干旱年有關。同一年不同的施肥處理對旱地玉米土壤養分均有提高作用，其中，NPKHB 處理效果最佳，與NPK 處理相比，4 a 內土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量平均分別提高了6.90%、24.65%、51.20%、5.47%。同時以NPKHB 處理下的有機質含量為例，與NPK 處理相比，4 a 間其含量分別提高了4.67%、2.11%、6.27%和14.54%，表明隨著替代年份的增加，生物有機肥能夠提高土壤養分含量的效果也隨之明顯。

表2 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤養分含量的影響Tab.2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient contents of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2 不同施肥處理對旱地玉米土壤酶活性的影響

2.2.1 不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響如圖1 所示。

圖1 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil urease activity of maize in dryland from 2018 to 2021

由圖1 可知，與NPK 相比，NPKDB 和NPKHB處理下均一定程度提高了土壤脲酶活性，NPKDB處理下脲酶活性在4 a 間分別提高了7.30%、5.19%、7.59% 和14.01%；NPKHB 處理下脲酶活性在4 a 間分別提高了4.44%、3.25%、9.49% 和13.38%，即土壤脲酶活性隨著生物有機肥的增施梯度增大而整體呈降低的趨勢。總體來看，施用生物有機肥的土壤脲酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而提高。以上結果說明，生物有機肥的施用可提高脲酶活性，加強植物對礦化有機物的吸收，供植物吸收利用，其中以NPKDB 處理促進脲酶活性效果最明顯。

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2.2.2 不同施肥處理對旱地玉米土壤磷酸酶活性的影響 由圖2 可知，與NPK 相比，NPKDB 處理下磷酸酶活性在4 a 間分別提高了6.30%、5.22%、6.98%和10.16%；NPKHB 處理下磷酸酶活性在4 a間分別提高了3.94%、11.30%、10.08%和12.50%。同時施用生物有機肥的土壤磷酸酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而相應提高。因此，增施生物有機肥可在一定程度上提高磷酸酶活性，增加土壤供磷能力。

圖2 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil phosphatase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2.3 不同施肥處理對旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影響 由圖3 可知，隨著配施生物有機肥比例的增加，土壤蔗糖酶酶活性提高。與NPK 相比，NPKDB 處理下蔗糖酶活性在4 a 間分別提高了13.89%、10.85%、13.73%和26.82%，差異性顯著；NPKHB 處理下蔗糖酶活性在4 a 間分別提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，差異性顯著。同時施用生物有機肥的土壤蔗糖酶酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而提高。因此，增施生物有機肥可促進蔗糖酶活性的提高，加強了土壤的熟化作用，其中以NPKHB 促進蔗糖酶活性效果最明顯。

圖3 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil sucrase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.3 土壤養分與土壤酶活性的相關性分析

對上述7 個土壤指標標準化后的數據進行主成分分析，得到各成分的特征根和方差貢獻率，根據特征根≥1 的原則，可以提取一個主成分[9]。該主成分的方差貢獻率為91.29%，即該主成分覆蓋了91.29%的原始數據信息量，能夠反映生物有機肥部分替代化肥后土壤養分含量和酶活性的信息。

根據主成分的方法貢獻率計算不同處理的綜合得分并排序（表3），各處理綜合得分依次為NPKHB>NPKDB>NPK>CK。因此，生物有機肥部分替代化肥可改善土壤養分含量、提高土壤酶活性，且改善與提高程度和生物有機肥替代化肥比例密切相關。

表3 不同處理土壤評價指標綜合成分得分及排序Tab.3 Comprehensive component score and ranking of soil evaluation indexes under different treatments

對土壤養分含量與土壤酶活性的相關性進行分析，由圖4 可知，土壤養分含量與酶活性存在顯著相關性。其中，有機質含量與脲酶活性交互相關系數高達0.879 0，速效磷含量與蔗糖酶活性交互相關系數高達0.921 6，全氮含量與脲酶活性交互相關系數高達0.920 0，速效鉀含量與脲酶活性交互相關系數高達0.951 4，因此，土壤養分含量能在一定程度上提高酶活性，有利于玉米吸收營養物質。

圖4 土壤養分與土壤酶活性的交互相關系數Fig.4 Plot of interactive correlation coefficients between soil nutrients and soil enzyme activities

2.4 不同施肥處理對旱地玉米產量的影響

由表4 可知，不同施肥處理間旱地玉米產量存在差異。產量高低總體趨勢表現為NPKDB>NPKHB>NPK>CK。與NPK 相比，NPKDB 處理下玉米產量在4 a 間分別提高了6.96%、4.61%、12.85%和2.67%；NPKHB 處理下玉米產量在4 a間分別提高了7.15%、2.23%、10.39% 和1.28%。因此，適當的減量化肥配施生物有機肥產量不減略增，其中以NPKDB 增產效果較為明顯。

表4 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米產量構成及產量的影響Tab.4 Effects of different fertilization treatments on yield composition and yield of maize in dryland from 2018 to 2021

3 討論

3.1 生物有機肥替代化肥對旱地玉米土壤養分含量的影響

3.2 生物有機肥替代化肥對旱地玉米土壤酶活性的影響

土壤酶活性能反映土壤生物活性和生化反應強度，可作為評價土壤肥力水平和微生物活性強弱的重要生物指標[15]。田間試驗表明，生物有機肥部分替代化肥相比單施化肥能提高土壤中脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，且土壤酶活性隨著生物有機肥替代年份的增加而提高：與NPK 相比，NPKHB 處理下蔗糖酶活性在4 a間分別提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，可能是因為化肥和生物有機肥合理配施不僅給土壤提供豐富的能源，還導致土壤的微生物生物量、區系組成以及代謝過程發生改變，使得土壤中主要由微生物產生的酶活性提高。有關生物有機肥替代化肥對土壤酶活性的影響，胡誠等[16]研究表明，隨著生物有機肥用量的提高，土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性增加；王星琳[17]研究表明，相較單施化肥處理，生物有機肥替代化肥后，小麥根際土壤脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶活性增加，與本試驗結果一致。

3.3 土壤養分與土壤酶活性的相關性分析

土壤養分與土壤酶活性相關性分析表明，二者相關系數均大于0.85，呈顯著相關性。這可能是因為化肥和生物有機肥合理配施不僅給土壤提供豐富的能源，其中含有的無機氮還直接調節土壤中的碳氮比，進一步促進土壤的能量代謝，提高土壤酶活性[18]。

3.4 生物有機肥替代化肥對玉米產量的影響

生物有機肥替代化肥對玉米產量的影響為不變略增，可能是因為其提高了土壤養分含量和酶活性，促進了植物根部的生長，影響了植物對土壤中營養成分的吸收和利用。朱代強[19]研究表明，生物有機肥部分替代化肥可提高蒜苗的生長量；杜二小等[20]研究表明，施肥處理為減施氮肥20%+生物有機肥替代總施氮量的20%時，旱地馬鈴薯產量在各處理間表現最佳，與本試驗研究的結果也基本一致。

4 結論

本研究結果表明，適當地減量化肥配施生物有機肥不僅能提高土壤養分含量和土壤酶活性，改善土壤肥力，維持作物產量，而且隨著生物有機肥替代年份的增加，土壤養分含量和土壤酶活性的提高效果更加明顯。一方面，生物有機肥的配施提高了肥料利用率，促進了作物對養分的吸收；另一方面養分含量的提高為土壤微生物的活動和酶活性創造了有利條件，進而促進土壤能量代謝，一定程度上提高作物產量。因此，生物有機肥與化肥配施是實現綠色可持續發展農業切實有效的途徑。