化肥與有機肥及土壤改良基質配施對土壤質量和小麥生長發育的影響

紀耀坤

(商丘職業技術學院，河南商丘 476000)

小麥是黃淮海平原的主要糧食作物之一，其種植面積和產量均占全國50%以上，對我國糧食安全保障具有重要作用[1]。但目前小麥在種植過程中普遍存在化肥施用量過多等問題，不僅使得小麥增產效率降低，浪費自然資源，也會導致土壤板結、養分失衡、菌群結構失調、生物活性降低等問題，嚴重破壞土壤生態平衡[2-3]。農業的高效可持續發展不僅體現在作物的產量效益以及作物對資源的利用效率，還應充分考慮土壤后續的可持續生產能力[4]。因此，尋找切實可行的施肥措施以提升肥料利用率、改善土壤質量、提高小麥生理代謝能力及產量已成為當前的緊要任務。有研究表明，無機肥與有機肥配施不僅能夠改善土壤養分循環、增加土壤酶活性，還能夠提高作物產量與品質[5-7]。有機肥含有豐富的碳源，能夠被土壤微生物代謝利用，發生自生固氮或聯合固氮反應，可溶解土壤中的難溶化合物從而提高土壤養分的供應能力[8]。魯偉丹等研究表明，長期使用有機肥替代部分化肥可明顯提高土壤速效養分含量，提升化肥利用效率，實現穩產、增產的目的[9]。劉明月等研究表明，長期有機無機肥配施不僅能夠培肥土壤，提高土壤養分含量，還能夠有效提高作物產量[10]。陶磊等研究表明，部分有機肥替代化肥能夠提高土壤酶活性，調節土壤微生物群落組成，對改善滴灌棉田土壤生物學性狀具有明顯作用[11]。陳修斌等研究表明，適度增施有機肥替代部分化肥不僅可以促進作物穩產、增產，還能夠有效提高土壤速效養分含量[12-16]。可見，合理的有機肥替代部分化肥是目前解決化肥過量施用的一種有效策略。

目前，有機肥無機肥配施的研究多集中在作物產量效應與肥料施用效率等方面[17-18]，而關于土壤生物學特性、作物生理代謝及其相關性的研究較少。土壤酶能夠參與土壤各種生物化學反應和物質循環過程，其活性可以反映土壤生物化學過程的強度與方向，還可以客觀地反映土壤肥力及演變過程[19-21]。因此，通過研究化肥與有機肥配施對土壤養分、酶活性、小麥生理代謝與產量的影響，對評價土壤肥力水平及土壤培肥效果具有重要意義。另外，期望通過將添加集中腐熟且富含有機質的土壤改良基質，用于提高土壤有效養分以及土壤酶活性，改善土壤質量與土地生產力。所以，本試驗通過研究化肥減量與不同有機肥及土壤改良基質配施對土壤質量變化、小麥生理代謝及產量的影響，探討其關聯性，找到適宜的施肥模式，以期為小麥田有機肥的合理施用提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年10月8日至2021年6月9日在商丘職業技術學院試驗示范基地(116°15′E、39°28′N)進行，該地位于黃淮海冬麥區腹地，屬黃淮海平原典型農區。年平均氣溫為14 ℃，年平均降水量為650 mm，年平均日照時長為2 200 h，無霜期平均為210 d，全年0 ℃以上積溫為4 500～5 500 ℃，夏季濕熱多雨，冬季寒冷干燥，屬典型暖溫帶半濕潤季風氣候。試驗地開闊平坦，周圍無遮擋，排灌方便，肥力均勻，供試土壤為石灰性潮土，質地為沙壤。耕作層土壤理化性質為：堿解氮含量 63.52 mg/kg，速效磷含量38.47 mg/kg，速效鉀含量143.24 mg/kg，有機質含量9.85 g/kg，pH值8.12。

1.2 試驗材料

供試小麥為濟麥22，由山東省農業科學院作物研究所提供；供試玉米為鄭單985，由河南省農業科學院糧食作物研究所提供。供試肥料：生物有機肥(有機質含量≥40%，有效活菌數≥0.2億CFU/g)，購自河北中創豐農生物技術有限公司；羊糞：由羊糞和小麥秸稈等腐熟有機物料發酵制成，有機質含量≥36%，氮磷鉀(NPK)含量≥4%，購自附近農戶；土壤改良基質由畜禽糞便、蘑菇渣和秸稈等腐熟有機物料發酵制成，NPK≥36%，有效活菌數≥2.0億 CFU/g，購自淮安市中諾農業科技發展有限公司；氮磷鉀肥分別選用尿素(純N 46%)、磷酸二銨(含純N 18%、含P2O546%)和硫酸鉀(含K2O 50%)，購自河南心連心化學工業集團股份有限公司。

1.3 試驗設計

試驗地常年為小麥—玉米輪作種植，通過2年定點試驗，小麥季進行不同施肥處理，玉米季按照當地習慣統一施肥，不進行特殊處理。小麥季設7個處理，分別為不施肥(CK)、100%化肥(T1)、100%化肥+土壤改良基質(T2)、50%化肥+50%羊糞(T3)、50%化肥+50%生物有機肥(T4)、50%化肥+50%羊糞+土壤改良基質(T5)、50%化肥+50%生物有機肥+土壤改良基質(T6)。不同處理肥料均于整地前施入，其中化肥施用量為純N 210 kg/hm2、P2O5150 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2，羊糞30 000 kg/hm2，生物有機肥1 500 kg/hm2，土壤改良基質7 500 kg/hm2，磷肥、鉀肥、羊糞、生物有機肥和土壤改良基質均于旋地前作為基肥一次性施入，生育期內不進行追肥，70%氮肥為基肥，30%氮肥于拔節期追肥。試驗處理隨機排列，每個樣品4次重復，小區面積60 m2(6 m×10 m)，區組間距0.5 m，小區保護行3 m，共21個小區。小麥播種量為 84 kg/hm2，玉米種植密度為6.0萬株/hm2，玉米株、行間距分別為0.26、0.8 m。小麥或玉米收獲后，將其地上部秸稈全部移走，而根部進行粉碎還田，小麥和玉米的其他管理措施與當地習慣一致。

1.4 土壤樣品采集與測定

于2021年小麥收獲期采集土壤樣品，利用5點取樣法采集耕作層(0～20 cm)土壤樣品，混勻后將碎石、根部等雜物挑出。用保溫箱將土壤樣品帶回實驗室，過20目篩后，一份土壤置于室內自然陰干，用于土壤養分測定；另一份土壤置于4 ℃冰箱，用于土壤酶活性測定。

土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、高錳酸鉀滴定法[23]測定；蔗糖酶、纖維素酶、轉化酶活性測定均采用3，5-二硝基水楊酸比色法[23]測定。

1.5 植株樣品采集與測定

于2021年小麥盛花期開始，每小區選取小麥10株，用 SPAD-502 葉綠素儀測定旗葉SPAD值，用LI-6400 便攜式光合儀測定旗葉光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)，并用紅繩進行標記，每隔7 d測定1次，連續測定4次，取平均值。

于2021年小麥盛花期采集植株葉片樣品，每個小區采集的旗葉鮮樣，用液氮冷凍 10 min后置于 -80 ℃ 冰箱保存，用于核酮糖二磷酸羧化酶(RuBP羧化酶)、蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SS)活性測定[24-25]。

于2021小麥收獲期進行產量測定，每小區小麥籽粒全部實打實收，計算產量，并進行公頃折算，取平均值。每處理每小區選取30株小麥，曬干后進行考種，主要包括單株生物產量、穗數、穗粒數、穗粒質量、千粒質量，取平均值。

1.6 數據處理

利用WPS 校園版進行數據整理與計算，利用SPSS 18.0軟件進行統計分析，采用LSD多重比較法進行不同處理間的差異性顯著檢驗。

2 結果與分析

2.1 化肥與有機肥及土壤改良基質配施對土壤質量變化的影響

2.1.1 不同施肥處理對土壤養分含量變化的影響 由表1可以看出，不同施肥處理土壤養分含量差異較大。與CK處理相比，不同施肥處理的土壤各養分含量均有顯著性提高，各處理pH值差異不顯著。對比不同施肥處理可知，T6處理的土壤全氮、有機質、堿解氮、速效鉀含量最高，其中土壤全氮、堿解氮含量較其他施肥處理分別顯著提高6.33%～13.51%、6.40%～15.51%，而有機質含量較T1、T2處理分別顯著提高6.58%、5.42%，速效鉀含量較T1、T3處理分別顯著提高8.68%、9.16%。T5處理的土壤全磷、速效磷含量最高，較T1、T3、T4處理分別顯著提高9.09%、16.13%、7.46%和8.62%、13.89%、6.10%，與T2、T6處理均無顯著性差異。施肥處理中T3處理的土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量均最低，其中除土壤全磷含量顯著低于T1處理外，其他養分含量與T1處理相比均無顯著性差異。

表1 不同施肥處理對土壤養分含量變化的影響

2.1.2 不同施肥處理對土壤酶活性變化的影響 由表2可以看出，不同施肥處理對土壤酶活性變化有不同的影響。與CK處理相比，不同施肥處理的土壤酶活性均有不同程度地提高，其中除T1、T4、T5、T6處理的過氧化氫酶以及T3處理的轉化酶活性與CK處理無顯著差異外，其他施肥處理的各種酶活性均顯著提高。對比不同施肥處理可知，T6處理土壤脲酶、蔗糖酶、纖維素酶、轉化酶活性均為最高值，較其他施肥處理分別提高4.03%～12.17%、2.57%～13.88%、5.60%～19.64%、6.73%～27.04%，其中土壤脲酶、纖維素酶及轉化酶活性差異均達到顯著性水平，蔗糖酶活性顯著高于T1、T2、T3處理。T5處理的堿性磷酸酶活性最高，較其他施肥處理顯著提高5.33%～14.49%，T3處理的過氧化氫酶活性最高，較其他施肥處理提高1.17%～4.41%，但均無顯著性差異。T1處理的堿性磷酸酶、蔗糖酶和轉化酶活性在施肥處理中均最低，其中除T2、T4處理的堿性磷酸酶以及T3處理的轉化酶活性與T1處理無顯著性差異外，其他處理的各種土壤酶活性均顯著高于T1處理。

表2 不同施肥處理對土壤酶活性變化的影響

2.2 化肥與有機肥及土壤改良基質配施對小麥生理特性的影響

2.2.1 不同施肥處理對小麥旗葉SPAD值及光合參數的影響 在小麥盛花期測定小麥旗葉SPAD值及光合參數時發現，不同施肥處理下小麥旗葉SPAD值及光合參數差異較大。由表3可知，與CK處理相比，除T3處理與CK處理無顯著性差異外，其他處理均顯著升高；其中T6處理的SPAD值最高，較其他施肥處理分別提高4.17%～12.33%，顯著高于除T2處理外的其他處理；T3處理在所有施肥處理中最低，但與T1處理無顯著性差異。不同施肥處理的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均顯著高于CK，胞間CO2濃度顯著低于CK。其中T6處理的光合速率、蒸騰速率、氣孔導度均最高，較CK處理分別顯著提高19.83%、20.64%、27.19%，胞間濃度CO2濃度最低，較CK處理顯著降低25.04%。對比不同施肥處理可知，T3處理的光合速率最低，但與T1處理無顯著性差異。T1處理的蒸騰速率、氣孔導度均最低，其中蒸騰速率顯著低于T4、T5、T6處理，氣孔導度顯著低于T2、T4、T5、T6處理。T1處理的胞間CO2濃度最高，顯著高于T2、T4、T5、T6處理，與T3處理無顯著性差異。

表3 不同施肥處理對小麥旗葉SPAD值及光合參數的影響

2.2.2 不同施肥處理對小麥葉片RUBP羧化酶活性的影響 由圖1可知，與CK處理相比，不同施肥處理的小麥葉片RUBP羧化酶活性分別顯著提高15.79%～84.21%，其中T6處理的RUBP羧化酶活性最高。而在不同施肥處理對比中可知，T3處理的RUBP羧化酶活性最低，較其他施肥處理分別顯著降低8.33%～37.14%，T1處理的RUBP羧化酶活性顯著低于T2、T4、T5、T6處理，而T2、T4、T5處理間無顯著性差異。

2.2.3 不同施肥處理對小麥葉片蔗糖酶活性代謝的影響 由圖2可知，與CK處理相比，不同施肥處理的蔗糖磷酸合成酶活性分別顯著提高13.33%～43.33%，蔗糖合成酶活性較CK處理分別提高4.25%～17.02%，T2、T6處理的蔗糖合成酶活性較CK處理顯著提高。對比不同施肥處理可知，T6處理的蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性均最高，較其他施肥處理分別顯著提高10.26%～26.47%、5.77%～17.02%。而T1、T3處理的蔗糖磷酸合成酶活性顯著低于其他施肥處理，T1、T3處理的蔗糖合成酶活性顯著低于T2、T6處理，與T4、T5處理均無顯著性差異。

2.3 化肥與有機肥及土壤改良基質配施對小麥產量及構成因子的影響

由表4可知，與CK處理相比，T2、T4、T5、T6處理的穗數較CK處理分別顯著提高9.14%、12.39%、11.52%、17.38%，T1、T3處理的穗數與CK無顯著性差異。T6處理的穗粒數較CK處理顯著提高6.36%，其他施肥處理與CK處理均無顯著性差異。不同施肥處理的千粒質量較CK分別提高1.59%～19.54%，除T3處理與CK無顯著差異外，其他施肥處理千粒質量均顯著提高。不同施肥處理的小麥籽粒產量較CK處理分別顯著提高11.72%～46.66%。對比不同施肥處理可知，T3處理的穗數、穗粒數、千粒質量以及籽粒產量均最低，其中穗數顯著低于T4、T5、T6處理，穗粒數顯著低于T6處理，千粒質量、籽粒產量均顯著低于T5、T6處理，但與T1處理相比均無顯著性差異。T6處理的穗數、穗粒數、千粒質量以及籽粒產量均最高，其中穗數較T1、T2、T3、T5處理分別顯著提高12.42%、7.55%、12.52%、5.26%，千粒質量、籽粒產量較其他施肥處理分別顯著提高5.48%～17.67%、11.12%～31.28%。

表4 不同施肥處理對小麥產量及構成因子的影響

2.4 土壤養分含量、酶活性與小麥產量及葉片生理特性的相關性分析

由表5可知，小麥籽粒產量與土壤堿解氮含量呈極顯著正相關(P<0.01)，相關系數為0.92；與土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(P<0.05)，相關系數分別為0.88、0.82、0.85。旗葉SPAD值與蔗糖酶活性呈顯著正相關，相關系數為0.81；旗葉光合速率與土壤堿解氮含量、脲酶活性呈顯著正相關，相關系數分別為0.89、0.83；蔗糖磷酸合成酶活性與土壤速效磷含量、堿性磷酸酶活性呈顯著正相關，相關系數分別為0.85、0.88，與土壤蔗糖酶含量呈極顯著正相關，相關系數為0.92；蔗糖合成酶與土壤堿性磷酸酶活性呈顯著正相關，相關系數為0.83，與土壤蔗糖酶呈極顯著正相關，相關系數為0.91。由此可知，土壤養分含量、酶活性的提高對小麥生理代謝及產量的提高具有明顯的促進作用。

表5 土壤養分部分指標、酶活性與小麥產量及葉片生理特性的相關性分析

3 討論與結論

土壤養分含量與酶活性是評價土壤肥力的重要指標，而土壤養分含量與酶活性變化對農作物不同施肥措施有不同的響應[26-27]。張小莉等研究表明，有機無機肥配施能夠促進土壤中有益菌的生長，改善土壤供肥特性，提高供肥效率，從而提高了土壤養分含量[28]。陳貴等研究表明，當有機肥施肥量長期過大時，有機肥富含的土壤養分超過作物利用的濃度范圍，肥料利用率會明顯降低[29]。本試驗結果顯示，與CK處理相比，不同施肥處理均能夠不同程度地提高土壤各樣分含量以及土壤酶活性。與單施化肥相比，50%化肥+50%羊糞處理的土壤有機質含量以及土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶活性顯著升高，而50%化肥+50%生物有機肥+土壤改良基質處理能夠顯著提高土壤養分含量與酶活性(速效磷含量及過氧化氫酶活性除外)。分析認為，羊糞中含有大量的腐生有機質，施入土壤中能夠迅速提高土壤中的有機質含量，但其他氮磷鉀含量較低，50%化肥+50%羊糞處理有可能是化肥減量過多，不足以供應小麥生長所需養分，使得除有機質以外的其他養分含量降低，進而影響土壤酶活性。而化肥與生物有機肥及土壤改良基質配施能夠優先降解腐熟的有機物料，釋放養分的同時能夠通過刺激有機質分解菌群與促進有機質分解酶活性，出現了激發效應[30]，因此能夠短時間提高土壤速效養分含量，且土壤改良基質能夠使土壤變得松軟，增加土壤孔隙度，能夠有效緩解化肥導致的土壤板結，進而提高土壤養分供應效率。

光合作用是植物生長發育的重要進程之一，能夠將無機物轉化為有機物，從而對植物生長發育產生重要作用[31-32]。小麥籽粒產量主要來源于葉片的光合產物，在小麥的生長發育進程中，土壤養分通過對小麥葉綠素含量、酶活性和光合器官結構的影響而直接影響葉片的光合作用，從而影響小麥生長發育，反過來光合作用的削弱間接地影響CO2同化以及光合產物積累[33]，最終影響小麥籽粒產量。因此，通過探究小麥葉片光合特性的變化特點，可反映出小麥的生長進程。李婉茹等研究表明，適當的有機肥配施能夠提高葉片SPAD值及光合特性[34]。本研究表明，與不施肥或單施化肥相比，化肥與生物有機肥及土壤改良基質配施能夠顯著提高小麥旗葉的SPAD值、光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及RuBP羧化酶、蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶活性，降低胞間CO2濃度，且顯著提高小麥籽粒產量；而50%化肥+50%羊糞處理組合的葉片RuBP羧化酶活性較單施化肥顯著降低，其他指標均無顯著性變化，分析認為，可能是化肥減量過多，除有機質含量增加外，其余含量均不同程度下降，影響土壤養分供需平衡，進而影響到小麥功能葉片旗葉的生理代謝[35]。化肥與生物有機肥及土壤改良基質配施能夠顯著提高葉片的光合特性及生理代謝，可能是在該條件下，根系對水、肥的吸收均衡，有利于旗葉光合色素總量增加，增強對外界 CO2的捕獲能力，從而促進光合作用強度上升，促進碳同化，實現光合產物的積累[35]。而化肥與生物有機肥配施處理的光合特性及生理代謝顯著弱于化肥與生物有機肥及土壤改良基質配施處理，原因可能是土壤改良基質能夠增加土壤孔隙度，增強了土壤養分供應能力，促進功能葉片的發育，使得化肥與生物有機肥及土壤改良基質配施處理明顯優于化肥與生物有機肥配施處理。

土壤養分含量、酶活性與小麥產量及葉片生理特性的相關性分析表明，小麥生長發育與土壤養分轉化緊密相關，因此，合理的化肥減量與有機肥配施，不僅不會造成小麥產量降低，反而減少了化肥的投入量及有害元素在土壤中的累積，促進了土壤養分均衡發展，改善了土壤質量狀況，提高了土地生產力。但化肥和不同有機肥配施對小麥品質的影響、田間配施的長期效應尚不明確，以及不同土壤類型下化肥與不同有機肥的配施比例是否存在差異也需進一步研究。總之，從施肥2年結果來看，50%化肥+50%生物有機肥+土壤改良基質配施處理效果最好，能夠有效改善土壤理化性質，提高土壤酶活性，促進小麥生長發育，提高小麥籽粒產量。