有機肥替代化肥不同比例對黑土土壤微生物學性質及春麥產量品質的影響

丁維婷，房靜靜，武雪萍*，張繼宗*，張久明，張軍政，劉亦丹，宋霄君，李婧妤，鄭鳳君，張孟妮，劉曉彤

（1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；2.黑龍江省農業科學院，黑龍江 哈爾濱 150086；3.首都師范大學，北京 100048；4.哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150001；5.東北農業大學，黑龍江 哈爾濱 150030；6.山西師范大學，山西 臨汾 041004）

過量的氮肥投入不僅浪費資源，還會導致環境污染、土壤退化等［1］。林治安等［2］、徐明崗等［3］、韓曉增等［4］研究認為有機無機配施是一種環境保護性施肥技術。適度有機肥替代既能促進作物增產，又能改善土壤養分狀況［5-9］，有機肥替代化肥是一種行之有效的可持續農業發展策略［10］。探索適宜的有機肥替代比例對于解決農產品安全以及生態環境等難題和促進農業可持續發展具有重要意義。對于有機無機配施比例問題，大多研究［11-13］從作物產量效應和氮效率等方面確定有機肥替代化肥比例，且替代比例不一，而從生物學活性以及產量品質角度研究較少。土壤生物學活性主要指土壤微生物和酶活性，土壤微生物是土壤中一切生物化學過程的主要參與者，微生物量碳氮一般被認為是土壤活性養分的儲存庫，是植物所需養分的重要來源［14］。土壤酶在物質和能量轉化過程中起主要的催化作用，它與土壤養分循環、能量轉移以及環境質量等密切相關［15］。土壤微生物活動和土壤酶活性是土壤有機質和養分轉化的關鍵因子，同時它們對不同施肥處理的響應能力更強。因此，通過研究不同施肥處理對土壤微生物活性以及春麥產量品質的影響，以此來評價土壤肥力水平和土壤培肥效果具有重要意義。有關黑土區春麥有機替代無機適宜比例還不明確，因地制宜確定合理高效的施肥措施和培肥模式，需從當地農業生產實際出發，開展綜合研究。因此，本文針對不同施肥處理對土壤生物學活性、產量品質、經濟效益等方面開展綜合分析和研究。本文旨在嫩江縣開展定位監測，對不同施肥處理進行綜合分析和評價，為黑土區春麥確定適宜的有機肥替代化肥比例、科學施肥提供理論依據，為后續深入研究有機肥替代機制提供基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地點位于黑龍江省嫩江縣中儲糧北方公司四場科技園區（49°56′N，125°42′E）。年均氣溫-0.1 ℃，無霜期105 d，降水量570 mm，蒸發量719 mm，土壤類型為厚層粘底黑土，耕層土壤（0～20 cm）的基本性狀為有機碳22.58 g/kg、全氮1.80 g/kg、堿解氮183.32 mg/kg、有效磷30.71 mg/kg、pH 6.01。

1.2 試驗設計

試驗開始于2019年，種植制度為小麥-大豆，一年一熟輪作制。供試春小麥品種為“克春9號”，4月初播種，8月中旬收獲。試驗設5個處理：①不施肥（CK）；②100%化肥（100%NPK）；③25%有機肥+75%化肥（25%M）；④50%有機肥+50%化肥（50%M）；⑤100%有機肥（100%M）。具體施肥量情況：施氮（N）總量為75 kg/hm2，磷肥（P2O5）75 kg/hm2，鉀肥（K2O）37.5 kg/hm2?；史謩e用尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。有機肥為商品有機肥，其養分含量為N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有機質含量31.20%。有機肥替代化學氮素的100%、50%、25%，各處理有機肥用量分別為1500、750、375 kg/hm2，各施肥處理分別扣除有機肥N含量后用尿素補充，保證各施肥處理養分投入量一致。有機肥和氮、磷、鉀肥作基肥一次性施入。各處理重復3次，隨機區組排列，每個處理面積22.5 m2，共337.5 m2。

1.3 土樣采集與處理

于2019年8月小麥收獲期采集土壤樣品。用S點法取樣，各處理分別選取3個采樣點，采樣深度為0～20 cm，挑出土壤樣品中的植物根系、石礫和其他雜物，將土壤樣品過2 mm篩，放入4℃冰箱中保存，用于微生物特性的測定。

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤微生物生物量的測定

采用Vance等［16］和吳金水等［17］提供的氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提方法測定土壤微生物生物量碳、氮。具體操作為：稱取相當于10 g烘干土重的鮮土放入鋁盒中，然后將其放入真空干燥器中。干燥器中放入一只盛有60 mL無乙醇氯仿和沸石的燒杯以及一只盛有氫氧化鈉溶液的燒杯，并在真空干燥器底部放入少量蒸餾水和濾紙，上述準備是用于吸收熏蒸過程中產生的二氧化碳并保持空間內一定的濕度。將真空干燥器蓋好后，使用凡士林密封各處空隙，用真空泵抽真空后保持氯仿沸騰3 min，關閉真空干燥器閥門，并用黑色塑料袋將其完全包裹，避光熏蒸24 h后打開真空干燥器閥門，有空氣吸入聲音則表示熏蒸成功，取出氯仿和氫氧化鈉，更換底部蒸餾水，多次抽真空直至土壤樣品無氯仿氣味為止；取出土壤并溶于40 mL濃度為0.5 mol/L的K2SO4溶液中（土液比1∶4），震蕩浸提30 min后過濾獲得浸提液。浸提液立即測定。同時做未熏蒸土壤浸提液對照試驗。測定采用Vario TOC（德國）儀器完成。

1.4.2 土壤酶活性的測定

稱取相當于1.0 g烘干土的新鮮土樣，放入500 mL的玻璃燒杯中，加入滅菌后冷卻的醋酸緩沖液125 mL，在磁力攪拌器上攪拌10 min后，嚴格按照相應要求，使用多通道移液器將緩沖液、土壤樣品懸濁液、標準品和相應底物加入到黑底的96孔酶標板中，加完樣后，用錫箔紙覆蓋微孔板，于20℃培養箱中，黑暗條件下培養4 h，培養后上機測試，采用多功能酶標儀（Scientific Fluoroskan Ascent FL，美國Thermo公司）測定5種土壤水解酶，即β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）（相應底物見表1 ）。具體測定參照Saiya-Cork等［18］的方法并稍作修改。試劑購于Sigma-Aldrich公司，用無菌水配置后于4℃冰箱短暫保存待用。

表1 測試酶及所用底物

1.4.3 小麥籽粒產量測定

各小區設3個1.0 m2樣方取樣，風干后脫粒、稱重，計算產量。

1.4.4 小麥綜合品質測定

采用DA7200多功能近紅外分析儀（瑞典波通公司）測定小麥品質指標，蛋白質含量、容重、出粉率、濕面筋含量、沉降值、吸水率、穩定時間、形成時間、最大拉伸阻力、延展性和拉伸面積等。重復3次。

1.5 計算方法

1.5.1 土壤微生物量碳氮

式中，EC為熏蒸土壤浸提液中的碳-未熏蒸土壤浸提液中的碳，KEC為微生物量碳轉換系數0.45；EN為熏蒸土壤浸提液中的氮-未熏蒸土壤浸提液中的氮，KEN為微生物量氮轉換系數0.54。

1.5.2 土壤酶活性

土壤酶活性值計算參照 Deforest［19］方法。

1.5.3 氮肥利用率

氮肥農學效率（%）=（施氮區產量-空白區產量）/施氮量×100

氮肥偏生產力=施氮區產量/施氮量

1.6 數據統計分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件分析數據，Excel 2010制作圖表。利用SPSS 19.0軟件進行單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差數法（LSD）多重比較（a=0.05）。

2 結果與分析

2.1 不同有機替代比對土壤微生物量碳、氮的影響

由圖1可看出，不同施肥處理之間土壤微生物生物量碳差異不同。與CK相比，有機肥處理（100%M和25%M）土壤微生物生物量碳分別提高了0.82%、9.67%，而50%M處理和單施化肥處理分別降低了7.87%、1.17%。由于單施化肥抑制了微生物繁殖生長，100%NPK處理土壤微生物生物量碳比CK略低，但沒有顯著差異。所有處理中以25%M處理為最大值，且與50%M處理差異達到顯著水平?？梢?，25%M處理可顯著提高土壤微生物生物量碳含量。

土壤微生物生物量氮的變化類似于上述微生物生物量碳的變化。由圖1可知，不同施肥處理之間微生物生物量氮差異不同。與CK相比，有機肥處理（100%M和25%M）土壤微生物生物量氮分別提高3.33%、28.64%，而50%M處理降低了4.14%，施用有機肥可提高土壤微生物生物量氮，而不合理的施肥也會抑制微生物的生長繁殖。本試驗條件下，單施化肥處理較CK微生物生物量氮略有增加，但沒有達到顯著水平，而25%M處理微生物生物量氮達到最大值，差異達顯著水平。所以，適量的有機無機肥料配合施用可以使土壤保持較高的微生物生物量。

2.2 不同有機替代比對土壤酶活性的影響

圖1 不同施肥處理對土壤微生物生物量碳、氮的影響

圖2 不同施肥處理下土壤酶活性

不同施肥處理對土壤酶活性有顯著影響（圖2）。與CK處理相比，100%M處理土壤β-葡萄糖苷酶活性提高了14.31%，其他處理土壤β-葡萄糖苷酶活性降低了8.79%～21.03%。各施肥處理土壤β-纖維二糖苷酶活性較不施肥處理均有提升，有機肥處理（100%M、25%M）土壤β-纖維二糖苷酶活性較CK分別提高了103.48%、102.45%，且與CK、50%M處理存在顯著差異。不同處理間土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性差異不顯著，有機肥處理（100%M、25%M）土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性較CK分別提高3.22%、26.42%，50%M和100%NPK分別降低了9.82%、5.67%。各施肥處理土壤酸性磷酸酶活性均高于不施肥處理，有機肥處理（100%M、25%M）酸性磷酸酶活性顯著高于其他處理，較CK分別提高了149.98%、170.53%，50%M、100%NPK處理土壤酸性磷酸酶活性與CK差異不顯著。各處理土壤亮氨酸氨基肽酶活性相比較，有機肥處理（100%M、25%M）較CK提高了10.52%～28.87%，并與其他處理差異顯著，50%M、100%NPK與CK差異不顯著。整體來看，以全量有機肥和25%有機替代施肥處理顯著提高了土壤酶活性。

2.3 不同有機替代比對春麥產量及氮肥利用率的影響

不同施肥處理對小麥籽粒產量產生顯著影響（表2）。與CK相比，各施肥處理均有不同程度的增產。有機肥處理（100%M、50%M和25%M）較CK分別增產了0.82%、12.45%和24.23%，100%NPK處理增產24.34%，以單施化肥處理（100%NPK）產量最高，25%M次之，兩者間產量差異不顯著。以100%M處理增產最少，與CK產量無顯著差異，有機肥處理（100%M、50%M和25%M）間小麥籽粒產量均存在顯著差異，這說明不同比例有機肥替代化肥對小麥產量影響較大，有機肥在一定范圍內替代化肥可繼續維持小麥的穩產、高產。作物氮肥農學效率、氮肥偏生產力與小麥產量對不同施肥處理的響應一致，氮肥利用率最高值出現在100%NPK處理，25%M處理次之。

表2 不同施肥處理小麥籽粒平均產量和氮肥利用率

2.4 不同有機替代比對春麥品質的影響

小麥品質性狀分為籽粒品質、面粉品質和面團品質3類指標進行分析（表3）。與CK相比，有機肥處理（100%M、50%M和25%M）的小麥品質變化規律不一，有機肥處理（100%M、50%M和25%M）的一部分小麥品質（容重、穩定時間、形成時間、拉伸面積、最大拉伸阻力）得到提升，除拉伸面積100%M處理高于50%M外，以50%M處理提高幅度最大，100%M處理次之，25%M處理最??；另一部分品質指標（蛋白質含量、出粉率、沉降值、濕面筋、吸水率、延展性）有所下降，以100%M處理下降幅度最大，25%M處理次之，綜合這3個有機肥處理來看，以50%M處理的小麥品質提升狀況良好。100%NPK處理的籽粒品質、面粉品質和面團品質較CK分別提高了3.83%～12.34%、8.29%～26.11%、1.92%～386.67%。有機肥的施用維持或提升了部分品質指標，但同時也使得部分品質指標降低，有機肥處理（100%M、50%M和25%M）的小麥蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值、吸水率為弱筋小麥標準，其面團穩定時間、拉伸面積以及最大拉伸阻力等指標依然達到了優質中筋或強筋小麥的標準。

表3 不同施肥處理對小麥品質的影響

2.5 不同有機替代比投入產出效益分析

對各處理進行經濟效益分析，具體成本價格數據參照國家統計局和農場相關數據，結果如表4所示。從糧食增產的角度出發，除CK處理外，以25%M處理投入產出比最小，不同有機替代比處理（100%M、50%M和25%M）的投入產出比有較大差異。綜合來說，25%M處理能有效增加產值、提高效益。

表4 經濟效益分析

3 討論

3.1 不同有機替代比對土壤微生物生物量碳氮的影響

土壤微生物生物量作為土壤養分轉化的活性庫或源，可部分反映土壤微生物活動的強弱和養分轉化速率的快慢，是土壤微生物質量變化的重要指標［20］。本研究結果顯示，適量的有機無機肥料配合施用可以使土壤保持較高的微生物生物量，不同施肥處理之間土壤微生物生物量差異不同，所有處理中25%M處理的土壤微生物生物量碳氮均為最大值，其微生物生物量碳、氮較CK分別提高了9.67%、28.64%，且差異達到顯著水平。100%M處理微生物生物量碳、氮較CK略有增加，差異未達到顯著水平，50%M較CK有所降低，100%NPK處理并未顯著提高土壤微生物生物量碳氮，不合理的施肥抑制了微生物繁殖生長。適量有機肥的施入提供了豐富的碳源，而土壤微生物生物量主要受土壤中有機碳源的影響［14］，有機肥與化肥配合施用補充土壤有機碳源，提高了養分有效性和土壤微生物的活性。有機無機肥料配施提高微生物對肥料氮的固持量［21］，即可以顯著提高土壤微生物生物量氮，因此有機肥與化肥配施的土壤微生物生物量碳氮較高，25%M處理可顯著提高黑土土壤微生物生物量碳氮。

3.2 不同有機替代比對土壤酶活性的影響

大多研究者認為土壤酶是研究土壤生態效應的有效傳感器［22-23］。土壤β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶以及亮氨酸氨基肽酶等都是土壤有機碳降解和養分轉化的關鍵酶，其活性常表征了土壤微生物活性［24］。本研究結果顯示，有機無機配施（25%M）在提高土壤酶活性方面占據明顯優勢，土壤生物性質-酶活性對施肥處理變化的響應能力更強，不同施肥處理土壤酶活性存在顯著差異。一方面是有機肥含有大量養分和豐富的酶促基質所決定，另一方面小麥收獲期氣溫較高、降雨量充沛、外源有機物的增加等諸多因素對土壤微生物產生強烈影響，從而促進了不同處理間土壤酶活性的差異性。適量有機肥替代（25%M）可以通過為土壤微生物提供碳源，促進土壤氮素轉化，進而提高氮肥利用效率。土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評價的重要指標［25-26］。本研究發現，全量有機肥和25%有機替代施肥處理顯著提高土壤酶活性。

3.3 不同有機替代比對春麥產量品質的影響

大多研究者認為，有機肥替代化肥比例并非越高越好，在現實中必然存在一個最佳比例，適宜的有機替代比顯著提高小麥、水稻等糧食作物的產量，而有機肥替代比例超出一定范圍會降低作物產量［27-29］。溫廷臣等［1］通過連續3年的商品有機肥定位施肥試驗表明，等養分有機肥替代化肥施用后，與單施化肥產量無顯著差異。本研究得出類似結論，與不施肥處理相比，無論是單施有機肥、有機無機配施或單施化肥處理小麥均有不同程度的增產，小麥產量與作物氮肥農學效率、氮肥偏生產力對不同施肥處理的響應一致，其最高值均出現在100%NPK處理，其次為25%M處理，兩者間差異不顯著。不同有機替代比處理（25%M、50%M、100%M）產量存在顯著差異，所以有機肥替代比例在一定范圍內可以維持較高的產量以及產量的穩定性和可持續性。本研究結合經濟效益分析，得出25%M處理投入產出比最小，其對于提高肥料資源利用率，增加小麥產量，提高效益等方面效果更加顯著。肥料種類、施肥量、施肥時間以及有機肥與化肥配施比例的不同對作物品質均有顯著影響［30-32］。適宜的肥料配比可以改善土壤環境，提高作物產量和品質［33-35］。前人研究結果表明，有機無機配施可以改善小麥品質的大部分指標［36-40］。姜東等［41］認為有機肥、無機肥主效應對小麥籽粒產量和品質影響程度不同，有機肥主效應對大部分品質指標無影響，無機肥處理主效應及有機無機肥交互效應對籽粒產量和大部分品質性狀均有顯著影響，有機無機肥料配合施用與單施無機肥處理相比提高了小麥大部分品質性狀，有利于強筋小麥籽粒產量和品質的同步提高。本研究發現，3個有機肥處理（25%M、50%M、100%M）小麥品質變化不一，有機肥的施用維持或提升了小麥籽粒品質、面團品質中的大部分指標。

4 結論

綜合分析表明，有機肥不同比例替代化肥以25%有機替代在改善土壤生物學活性、增加春麥產量及改善小麥品質方面效果良好，同時可以提高氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力，增加經濟效益。