不同施肥管理措施下土壤生物環(huán)境的灰色關(guān)聯(lián)度分析

胡誠+喬艷+劉友梅+劉東海+李雙來+陳云峰

摘要：為了研究長期不同施肥對土壤生物環(huán)境的影響，1993年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗站進(jìn)行了施用15.0 t/hm2和7.5 t/hm2有機(jī)肥（包括EM堆肥和傳統(tǒng)堆肥）、施用化肥和不施肥對照處理的田間試驗。2004年6月取樣分析，結(jié)果表明，隨著有機(jī)肥用量的增加，土壤的基礎(chǔ)呼吸、脲酶和堿性磷酸酶的活性及微生物生物量碳和線蟲數(shù)量也隨著增加；施用化肥可以提高土壤的基礎(chǔ)呼吸、脲酶和堿性磷酸酶的活性及微生物生物量碳數(shù)量，減少線蟲總數(shù)和食細(xì)菌線蟲的數(shù)量。不同的施肥處理對土壤基礎(chǔ)呼吸和微生物生物量碳含量的影響趨勢由大到小為EM堆肥、傳統(tǒng)堆肥、化肥、對照。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論對土壤生物環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行多目標(biāo)綜合評價得出，EM堆肥處理（15.0 t/hm2）對土壤生物環(huán)境因素的影響最為有利。

關(guān)鍵詞：土壤；施肥；基礎(chǔ)呼吸；土壤酶活性；線蟲；灰色關(guān)聯(lián)度分析

中圖分類號：S154 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）07-1228-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.008

Grey Correlative Degree Analysis of Soil Biological Environment

in Different Manure Management System

HU Cheng， QIAO Yan， LIU You-mei， LIU Dong-hai， LI Shuang-lai， CHEN Yun-feng

（Institute of Plant Protection and Soil Science， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In order to study the impact of soil biological environment under long-term applied manure，a field experiment EM compost，traditional compost（15.0 t/hm2，7.5 t/hm2），chemical fertilizer and control was conducted in Quzhou experimental station，China Agricultural University，in 1993. Soil samples were collected in June of 2004，and the results showed that soil basal respiration， urease and alkali-phosphatase activity， microbial biomass carbon content，soil total nematode and bacterivorous nematode number were increased when the amount of applied organic manure were increased. Applied chemical fertilizer could enhance soil basal respiration，urease and alkali-phosphatase activity，microbial biomass carbon content，but decreased total nematode and bacterivorous nematode number. The soil basal respiration and microbial biomass carbon content in treatments had the following ascending trend：EM compost，traditional compost，chemical fertilizer，control. The comprehensive multi-objective evaluation showed EM treatment （15.0 t/hm2） was the optimum treatment for soil biological environment establishment according to grey correlative degree analysis.

Key words： soil； manure； basal respiration； soil enzyme activity； nematode； grey correlative degree analysis

EM（Effective microorganism）菌劑是微生態(tài)制劑中的一種。EM即有效微生物群，是20世紀(jì)80年代初期由日本研制出來的一種新型的復(fù)合微生物菌劑，它是10個屬幾十種微生物復(fù)合培養(yǎng)而成的新型微生物活菌制劑，其中有幾個代表性的微生物類群，包括光合微生物、乳酸菌、酵母菌、放線菌、醋酸桿菌等[1]。EM生物有機(jī)肥有兼顧傳統(tǒng)有機(jī)肥與添加有機(jī)菌劑的優(yōu)勢，可減少化肥、農(nóng)藥的使用，增強(qiáng)作物抗逆性，改善作物品質(zhì)，使用日益廣泛，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。對EM有機(jī)肥的應(yīng)用研究多集中在對作物生長和品質(zhì)及土壤理化性質(zhì)的影響方面，對土壤生物環(huán)境的影響還比較少見[3-5]。土壤酶通過催化無數(shù)土壤反應(yīng)而在土壤中發(fā)揮重要作用，土壤微生物生物量是土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的動力和植物有效養(yǎng)分的儲備庫，土壤線蟲在土壤中數(shù)量巨大，在土壤食物網(wǎng)中占有中心位置[6]。土壤酶、基礎(chǔ)呼吸、土壤微生物和線蟲的數(shù)量等作為土壤生物學(xué)指標(biāo)，能敏感地反映出土壤質(zhì)量的變化，是土壤質(zhì)量評價指標(biāo)體系中不可或缺的組成部分，是反映土壤肥力的生物學(xué)指標(biāo)，土壤酶活性、微生物和土壤線蟲的數(shù)量與土壤理化性狀之間存在著密切的相關(guān)性[7]。為此，本研究從土壤酶、土壤微生物和土壤線蟲3個方面來評價不同的施肥措施對土壤質(zhì)量的影響，為科學(xué)施肥及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周試驗站進(jìn)行，試驗站位于河北省邯鄲市曲周縣北部。地處暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.2 ℃，無霜期201 d，年降水量為542.7 mm。年降水的60%以上集中在6～9月，年蒸發(fā)量為1 841 mm。試驗區(qū)光、熱、水資源比較豐富，但由于受季風(fēng)氣候強(qiáng)烈影響，冬季寒冷干燥，夏季溫暖多雨。試驗區(qū)為改良后的鹽化潮土，肥力均勻。冬小麥-夏玉米一年兩熟制是當(dāng)?shù)氐湫偷姆N植方式。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)6個處理，3次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。試驗方案如下：處理Ⅰ施用EM堆肥15.0 t/hm2（EM1），處理Ⅱ施用傳統(tǒng)堆肥15.0 t/hm2（TC1），處理Ⅲ施用EM堆肥7.5 t/hm2（EM2），處理Ⅳ施用傳統(tǒng)堆肥7.5 t/hm2（TC2），處理Ⅴ施用化肥（750 kg/hm2碳銨+300 kg/hm2尿素+750 kg/hm2過磷酸鈣）（CF），處理Ⅵ為不施肥對照（CK）。不同施肥處理的土壤理化性質(zhì)見表1。

每50 kg EM堆肥原料為秸稈30.0 kg，畜禽糞15.0 kg，棉子餅2.5 kg，糠麩2.5 kg，紅糖1.0 kg，EM菌劑原液200 mL。傳統(tǒng)堆肥原料除不加紅糖及EM原液外，其余原料與EM堆肥一樣。將經(jīng)過篩選的原料充分混勻后，分別按傳統(tǒng)堆肥方法和EM微生態(tài)工程技術(shù)進(jìn)行堆肥發(fā)酵制成堆肥。田間試驗開始于1993年，小麥與玉米輪作，一年兩熟，每年種植冬小麥和夏玉米，種植冬小麥和夏玉米之前進(jìn)行施肥處理。

1.3 測定指標(biāo)與方法

2004年6月在小麥?zhǔn)斋@后準(zhǔn)備種植夏玉米之前取樣，使用3 cm×20 cm土鉆在試驗處理小區(qū)隨機(jī)采集0～20 cm耕層土壤15鉆，迅速裝入塑料袋中帶回，盡快測定各項目。土壤pH測定采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提-pH計法（液∶土=2.5∶1）；有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀外加熱法；土壤全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法；堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法；土壤有效磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；土壤速效鉀含量測定采用1 mol/L NH4Ac浸提-火焰光度法。

土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉法測定；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[8，9]。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法測定。用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提氯仿熏蒸和未熏蒸土壤中的可溶性碳，土液比為1∶4，浸提液中可溶性碳采用重鉻酸鉀容量法測定，兩者的差值即可以計算土壤氯仿熏蒸后微生物釋放的可溶性碳，轉(zhuǎn)換為微生物量碳的系數(shù)為2.64[10]。土壤的基礎(chǔ)呼吸用培養(yǎng)24 h后呼出的CO2的量表示，具體操作為在密閉的罐子中放上50 g鮮土，同時用小燒杯放上5.0 mL 1 mol/L NaOH以吸收放出的CO2，同時作空白對照，黑暗培養(yǎng)1 d，然后取出NaOH溶液，加1 mol/L BaCl2 3.0 mL，將NaOH溶液轉(zhuǎn)移到三角瓶中用HCl溶液滴定[11]。土壤線蟲采用淘洗-離心-漂浮法分離土壤線蟲，每個樣品在解剖鏡下計數(shù)線蟲數(shù)量[12]。

其中，用鮮土進(jìn)行土壤線蟲分離、土壤微生物生物量碳測定及土壤酶活性分析，其他土壤指標(biāo)用土壤風(fēng)干土測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 長期不同施肥處理對土壤基礎(chǔ)呼吸和酶活性的影響

由表2可知，土壤基礎(chǔ)呼吸有隨著肥料的投入而增加的趨勢，有機(jī)肥投入的影響高于化肥，表現(xiàn)為EM1>TC1>EM2>TC2>CF>CK。施有機(jī)肥各處理之間土壤基礎(chǔ)呼吸差異不顯著，顯著高于化肥處理和對照，化肥處理和對照之間差異不顯著，對照土壤基礎(chǔ)呼吸最低。

土壤脲酶活性有隨著肥料的投入而增加的趨勢，有機(jī)肥投入的影響高于化肥，表現(xiàn)為TC1>EM1>EM2>TC2>CF>CK。施有機(jī)肥各處理之間土壤脲酶活性差異不顯著，活性處于第一層次，顯著高于化肥處理和對照；化肥處理土壤脲酶活性處于第二層次，顯著高于對照；對照土壤脲酶活性最低。

土壤堿性磷酸酶活性有隨著肥料的投入而增加的趨勢，有機(jī)肥投入的影響高于化肥，表現(xiàn)為TC1>EM1>EM2>TC2>CF>CK。施有機(jī)肥各處理堿性磷酸酶活性較高，活性處于第一層次，顯著高于化肥處理和對照；化肥處理堿性磷酸酶活性處于第二層次，顯著高于對照；對照堿性磷酸酶活性最低。

土壤過氧化氫酶活性有隨著有機(jī)肥的投入而增加的趨勢，化肥表現(xiàn)出抑制作用，總的趨勢為TC1>TC2>EM1>EM2>CK>CF。施有機(jī)肥各處理之間土壤過氧化氫酶活性差異不顯著，活性處于第一層次，顯著高于化肥處理和對照；對照的土壤過氧化氫酶活性高于化肥處理，但差異不顯著；化肥處理土壤過氧化氫酶活性最低。

2.2 長期不同施肥處理對土壤微生物生物量碳和土壤線蟲的影響

土壤的微生物生物量碳含量有隨著肥料的投入而增加的趨勢，有機(jī)肥投入的影響高于化肥，表現(xiàn)為EM1>TC1>EM2>TC2>CF>CK（表3）。施有機(jī)肥各處理土壤微生物生物量碳含量較高，顯著高于化肥處理和對照（P<0.05）；化肥處理微生物生物量碳含量高于對照，但差異不顯著；對照微生物生物量碳含量最低。

土壤線蟲總數(shù)和食細(xì)菌線蟲數(shù)量有隨著有機(jī)肥的投入而增加的趨勢，化肥表現(xiàn)出抑制作用，總的趨勢為EM1>TC1>EM2>TC2>CK>CF（表3）。施有機(jī)肥各處理土壤線蟲總數(shù)較高，顯著高于化肥處理和對照；對照的土壤線蟲數(shù)量高于化肥處理，但差異不顯著；化肥處理的土壤線蟲數(shù)量最低。

2.3 多目標(biāo)綜合評價

為了更為直接和簡潔地了解不同施肥處理對土壤生物環(huán)境的影響，采用灰色關(guān)聯(lián)理論就不同的施肥處理對土壤生物環(huán)境的影響進(jìn)行了綜合評價。所評價的生物因素包括土壤呼吸、脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性以及微生物生物量碳和土壤線蟲數(shù)量，所用數(shù)據(jù)為表2和表3的數(shù)據(jù)。從表2和表3的數(shù)據(jù)可以看出，與對照相比，除了化肥處理的過氧化氫酶活性和線蟲數(shù)量低于對照外，其余處理的各指標(biāo)都比對照高。這些指標(biāo)越高，表明土壤的生物活性越高，土壤的生物環(huán)境越健康。關(guān)聯(lián)度值越低，表明該處理與對照的差異越大；關(guān)聯(lián)度值越大，表明該處理與對照的差異越小。從表4可以看出，EM1處理的關(guān)聯(lián)度值最低，TC1處理次之；也就是說與對照相比，EM堆肥對土壤生物環(huán)境的影響最大，其次是傳統(tǒng)堆肥處理；減量的堆肥處理對土壤生物環(huán)境的影響要小一些，化肥處理對土壤生物環(huán)境的影響比堆肥小一些。從關(guān)聯(lián)度值的排序可知，對土壤生物環(huán)境健康的影響EM1處理優(yōu)于TC1，TC1優(yōu)于EM2，EM2優(yōu)于TC2，TC2優(yōu)于CF，CF優(yōu)于對照。

3 小結(jié)與討論

土壤的基礎(chǔ)呼吸在EM堆肥和傳統(tǒng)堆肥處理及不同的施肥量處理之間沒有明顯的差異，說明EM菌劑和有機(jī)肥用量對基礎(chǔ)呼吸影響很小。

長期施肥可以提高土壤脲酶的活性，其原因是無論是施用有機(jī)肥還是化肥都可以促進(jìn)作物根系的生長，使作物根系分泌物增多，微生物繁殖加快，從而提高了土壤脲酶活性[13]。長期施用有機(jī)肥可以顯著提高土壤磷酸酶的活性。有機(jī)肥施用量越大，土壤磷酸酶活性越高，其原因是施用有機(jī)肥促進(jìn)作物根系的生長，從而提高了土壤磷酸酶的活性。EM菌劑對土壤磷酸酶活性影響不明顯。有機(jī)肥處理的過氧化氫酶活性高于化肥處理和對照，反映了有機(jī)肥處理的土壤生物轉(zhuǎn)化過程強(qiáng)一些。

不同施肥處理之間的土壤微生物生物量碳有顯著差異。有機(jī)肥處理的微生物生物量碳含量顯著高于化肥處理和對照，這與B？觟hme等[14]研究結(jié)果相同。施用有機(jī)肥之后，微生物生物量碳含量增加的主要原因是農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的碳輸入量增加，碳源經(jīng)常是微生物繁殖和種群增加的限制因素[15]。施用化肥能夠增加土壤的微生物生物量碳是因為施用化肥之后刺激了其他生物的生長[16]；同時增加了作物根的生物量和作物殘茬，提高了土壤的有機(jī)質(zhì)，從而增加了土壤微生物數(shù)量。但是，EM堆肥處理的微生物生物量碳含量比同量的傳統(tǒng)堆肥高一些，主要是因為EM堆肥中由于EM菌劑的添加，具有更多的微生物所致[2]。

EM堆肥和傳統(tǒng)堆肥處理中線蟲的總數(shù)顯著高于化肥處理和對照，可能原因是堆肥處理比化肥處理和對照中有更豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，提供了線蟲大量生長的營養(yǎng)物質(zhì)[17]。化肥處理的線蟲總數(shù)和食細(xì)菌線蟲數(shù)量比對照中要低一些，主要是因為長期施用化肥抑制了線蟲的數(shù)量，化肥對線蟲可能有直接的毒害作用。EM堆肥處理中線蟲總數(shù)和食細(xì)菌線蟲數(shù)量比傳統(tǒng)堆肥中高一些，這主要是EM處理中有更多的微生物種群，因此在EM堆肥處理中有更多的食細(xì)菌線蟲。

本研究通過灰色關(guān)聯(lián)度分析法對不同施肥條件下土壤生物環(huán)境效應(yīng)的綜合比較可以看出，EM1處理對土壤生物環(huán)境因素的影響最為有利，灰色關(guān)聯(lián)度分析有利于對環(huán)境生物影響的綜合評判[18]。

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