不同施肥模式對小麥—甘薯輪作田土壤性質及甘薯生長發育的影響

李 敏， 劉亞軍， 王文靜， 王紅剛， 儲鳳麗， 胡啟國

(商丘市農林科學院，河南商丘 476000)

甘薯是我國重要的糧食和能源作物，因具有營養豐富、產量高、適應性廣等特點，被人們廣泛接受。近年來，隨著甘薯產業的快速發展，甘薯需求量逐年加大，人們在耕地不變的情況下，選擇甘薯常年連續種植，而華北地區主要為一年兩熟制，甘薯因氣候條件不能越冬，通常需要與越冬作物搭配種植，小麥—甘薯輪作是該地區常見的種植制度，而小麥—甘薯常年輪作種植造成甘薯產量下降、品質降低，病蟲害頻發以及土壤質量和微生物群落結構發生較大變化。因此人們為了提高甘薯產量、品質等，化肥濫施亂施成了普遍現象，不僅造成土壤酸化嚴重，肥料利用率降低，土壤質量逐漸變差，還對土壤微生態環境造成嚴重的影響。而有研究表明，合理的施肥方式能夠有效提高作物產量及品質，提升肥料利用率以及土壤質量等。桑文等研究表明，有機肥與無機肥相結合不僅能夠促進番茄吸收土壤養分，提高肥料利用率以及增產提質，還能夠營造良好的土壤微環境；王興龍等研究表明，常規施肥減氮20%配施生物有機肥可以有效提高玉米田土壤微生物量碳以及土壤酶活性，改善玉米根系對養分的吸收能力，提高玉米產量；王盼等研究表明，炭基有機-無機水溶肥不僅具有增產和品質提升效果，還能夠提高肥料利用率；郭雨濃等研究表明，常規施肥優化減量與養分包膜控釋尿素施肥均可以有效提高氮素與磷素利用率，還可以減少肥料對環境的污染，對保護土壤生態環境具有重要意義。由此可知，適宜的施肥模式及措施不僅能夠提高作物產量及品質，還能夠有效提升土壤質量，穩定土壤微生態環境。

緩控釋肥可以根據作物需肥特點來調控不同時期施肥量，具有肥效長、肥料利用率高等特點，能實現簡化施肥、省工省力等目的。生物有機肥含有豐富的有機質及碳源，能被土壤微生物利用發生自生固氮或聯合固氮作用，溶解土壤中的難溶化合物，提高養分供應能力。目前，緩控釋肥、生物有機肥大多數研究主要集中在玉米、水稻及蔬菜上的應用，而在甘薯方面的研究卻鮮有報道，因此通過研究不同緩控釋肥、生物有機肥和不同肥料配施對土壤養分及酶活性變化、土壤微生物群落結構穩定性及甘薯生長發育的影響，以期為小麥—甘薯輪作體系中甘薯合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗于2017—2020年在商丘市農林科學院試驗示范基地(116°38′E、39°93′N)進行，該地區屬典型暖溫帶半溫潤大陸性季風氣候，年平均溫度 14.2 ℃，年平均降水量580～700 mm，降水多集中在6—9月，無霜期212 d，年日照時數2 200～2 300 h。供試土壤為黃潮黏土，地塊平整，便于排灌，常年為小麥—甘薯輪作。供試土壤基本理化性質：0～20 cm 土層內含有機質10.35 g/kg、速效鉀141.6 mg/kg、速效磷37.68 mg/kg、堿解氮68.52 mg/kg、全氮0.86 g/kg、全磷 0.97 g/kg，pH 值8.06。

1.2 供試材料

供試品種為商薯17，由商丘市農林科學院甘薯試驗站選育。供試肥料：常規施肥為復合肥(N、PO、KO含量分別為10%、10%、20%，河南億豐年生物科技有限公司生產；控釋肥為多層包膜緩控釋肥(N、PO、KO含量分別為18%、9%、18%，湖北金峰農業科技有限公司生產；生物有機肥為顆粒狀特制肥，其中芽孢桿菌(膠凍樣芽孢桿菌+巨大芽孢桿菌)≥0.5億/g，黃腐酸≥12%，有機質≥40%，山東泉林嘉有機肥料有限責任公司生產。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素隨機區組設計。甘薯季設對照不施肥(CK)、常規施肥(T，N 187.5 kg/hm、PO187.5 kg/hm和 KO 375 kg/hm)、單施緩控釋肥(T，N 300 kg/hm、PO150 kg/hm和 KO 300 kg/hm)、單施生物有機肥(T，黃腐酸≥12%，有機質≥40%，巨大芽孢桿菌+膠凍樣類芽孢桿菌≥0.5億/g，施肥量1 200 kg/hm)、50%常規施肥+50%緩控釋肥(T，常規施肥N 93.75 kg/hm、PO93.75 kg/hm、KO 187.5 kg/hm，緩控施肥N 150 kg/hm、PO750 kg/hm、KO 150 kg/hm)、50%常規施肥+50%生物有機肥(T，常規施肥N 93.75 kg/hm、PO93.75 kg/hm、KO 187.5 kg/hm，生物有機肥 600 kg/hm)、50%緩控釋肥+50%生物有機肥(T，緩控釋肥N 150 kg/hm、PO750 kg/hm、KO 150 kg/hm，生物有機肥600 kg/hm)7個處理，3次重復，共計12個小區，小區面積31.2 m(7.8 m×4 m)，甘薯株行距分別為26、80 cm，保護行 4 m，走道1 m。薯苗選用頭茬3～4葉健康薯苗，薯苗長度相當，移栽后立刻進行滴灌，薯苗前期缺水時應及時進行補水，直至保證薯苗全部成活，其他田間管理措施均按照當地甘薯種植習慣進行。

小麥季按照當地種植習慣進行種植，不做特殊施肥處理，小麥施肥量為復合肥(N、PO、KO含量分別為15%、15%、15%)750 kg/hm，翻耕旋地后作為基肥一次性輸入。小麥及甘薯秸稈均通過人工移走。小麥生育期為10月至翌年6月，甘薯生育期6—10月。試驗于2017年6月15日甘薯季開始，于2020年10月15日甘薯收獲后結束，其中2020年10月15日甘薯收獲時進行土壤樣品采集，利用5點取樣法采集0～20 cm土樣，一部分過篩后陰干，用于土壤理化性質測定；一部分冷藏于4 ℃冰箱，用于土壤酶活性的測定；一部分冷藏于-40 ℃冰箱，用于土壤微生物群落的測定。

1.4 測試項目與方法

1.4.1 土壤理化性質測定 土壤理化性質均參照《土壤農化分析》進行測定。其中土壤有機質、速效磷、堿解氮、速效鉀、全氮、全磷含量及pH值的測定分別采用重鉻酸鉀容量-外加熱法、0.5 mol/L NaHCO法、堿解擴散法、NHOAc 浸提火焰光度法、凱氏定氮法、HSO-HClO消煮法、水土比法。

1.4.2 土壤酶活性測定 土壤酶活性均參照《土壤酶及其研究法》進行測定。其中土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性的測定分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、磷酸苯二鈉比色法、3，5-二硝基水楊酸比色法、高錳酸鉀滴定法。

1.4.3 土壤微生物群落測定 稱取相當于4 g風干土樣的新鮮土樣，參照劉亞軍等的提取步驟及方法，通過氣相色譜儀等儀器，利用脂肪酸圖譜微生物鑒定系統分析提取出來的待測液。其中主要類別脂肪酸中14：0、15：0、16：0、16：1、17：0、17：1、18：0、20：0合并用于表征土壤細菌；18：2ω6t、18：1ω9c 合并用于表征土壤真菌；20：1用來表征放線菌。

1.4.4 甘薯產量及農藝性狀測定 甘薯收獲期每處理連續選取10株用于株高、莖粗、單株結薯數、基部分枝數、單株薯質量、值、鮮薯產量、商品薯率的測定，3次重復，去平均值。其中值為地下部塊莖質量/地上部蔓莖質量。商品薯：100 g以上，表皮光滑，無奇形異狀，無蟲眼。

1.5 數據處理與分析

利用WPS校園版軟件進行數據整理與分析，利用SPSS 19.0軟件進行方差分析及多重比較。表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對甘薯田土壤性質的影響

2.1.1 不同施肥模式對土壤理化性質的影響 不同施肥處理土壤養分狀況差異明顯。由表1可知，各施肥處理土壤全氮、全磷、有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量較CK處理均有不同程度的增加，pH值差異不顯著，說明施肥措施能夠有效提高土壤養分含量。而在不同施肥處理的對比中，T處理的土壤全氮、全磷含量較T處理分別顯著增加8.97%、7.95%，與其他處理差異不顯著；T處理的土壤有機質含量較其他處理增加0.52%～9.41%，顯著高于除T處理外的其他施肥處理；T處理的速效氮、速效磷、速效鉀含量較其他施肥處理分別增加3.21%～34.08%、11.87%～35.26%、6.04%～15.96%，其中除速效磷含量與T處理差異不顯著外，與其他施肥處理相比均顯著增加；各施肥處理土壤pH值均無顯著性變化。由此可知，不同施肥處理對土壤養分含量變化有不同的影響。

表1 不同處理土壤養分含量的變化

2.1.2 不同施肥模式對土壤生物學特性的影響 土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶參與土壤中氮、磷、碳的轉化與循環，而過氧化氫酶能夠消除土壤生化反應過程中的過氧化氫，減輕對植物和土壤的毒害作用，土壤酶活性的高低對土壤理化性質和養分狀況有較大的影響。由表2可知，不同施肥處理土壤酶活性差異明顯。其中各施肥處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性較CK處理均有明顯提高，除T處理土壤脲酶與CK處理無顯著差異外，其他處理酶活性與CK處理相比均顯著提高，說明施肥措施能夠有效提高土壤酶活性。而在不同施肥處理的對比中，T處理的土壤脲酶、過氧化氫酶活性較其他施肥處理分別提高4.38%～15.32%、4.29%～29.14%，除與T處理過氧化氫酶無顯著差異外，與其他施肥處理相比均顯著提高；T處理的土壤堿性磷酸酶、蔗糖酶活性較其他施肥處理分別提高9.68%～30.77%、3.43%～16.73%，除與T處理蔗糖酶無顯著差異外，與其他施肥處理相比均顯著提高。由此可知，不同施肥處理對土壤酶活性有不同的影響。

表2 不同處理土壤酶活性的變化

2.1.3 不同施肥模式對土壤微生物群落的影響 不同施肥處理下以PLFA表征的土壤微生物群落結構間存在較大的差異。由表3可知，與CK處理相比，不同施肥處理均提高了土壤細菌、放線菌生物量以及細菌/真菌和革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌(G/G)比值，降低了土壤真菌生物量。而在不同施肥處理的對比中，T處理提高了土壤細菌生物量，較其他施肥處理提高1.69%～16.59%，顯著高于T處理，但與T處理差異不顯著，而T處理中G/G比值顯著小于T處理，說明T處理中土壤細菌對作物生長更有利；T處理土壤放線菌生物量最高，較其他施肥處理顯著提高10.65%～36.44%，且T處理土壤放線菌生物量也顯著高于T、T、T、T處理；T處理土壤真菌生物量最低，較其他施肥處理顯著降低5.20%～16.03%，細菌/真菌和 G/G比值最高，較其他施肥處理分別顯著提高8.65%～36.14%、5.63%～20.97%。可見，不同施肥模式改變了土壤微生物群落結構組成， 導致表征土壤微生物群落結構的生物量發生較大變化。

表3 不同處理土壤微生物群落結構的變化

2.2 不同施肥模式對甘薯產量及生長發育的影響

2.2.1 不同施肥模式對甘薯產量及商品薯率的影響 2018—2020年甘薯收獲期進行鮮薯產量及商品薯率測定，發現不同施肥處理鮮薯產量及商品薯率有較大的差異。由圖1可知，隨著施肥年限的延長，CK、T處理鮮薯產量逐年降低，T、T、T處理先升高后降低，而T、T處理逐年升高，其中施肥處理鮮薯產量均明顯高于CK處理。2018年，施肥處理間鮮薯產量差異不顯著，但隨著施肥時間的延長，各處理間表現出明顯的差異，到2020年時，T處理鮮薯產量較CK處理顯著提高37.95%，較其他施肥處理顯著提高7.47%～27.59%，T處理鮮薯產量在所有施肥處理中最低。2020年鮮薯產量整體表現為T處理>T處理>T處理>T處理>T處理>T處理>CK處理。

隨著施肥年限的延長，T處理商品薯率逐年降低，CK、T、T、T、T處理商品薯率先提高后降低，其中除2018年CK處理商品薯率最低外，2019年、2020年T處理的商品薯率均最低。2018年，施肥處理間商品薯率均差異不顯著，但隨著施肥年限的延長，各處理商品薯率表現不同的變化趨勢，到2020年時，T處理商品薯率顯著最低，較其他施肥處理降低6.15%～9.89%，T處理商品薯率最高，但與除T處理外的其他施肥處理均差異不顯著，與CK處理相比顯著提高8.17%。2020年商品薯率整體表現為T處理>T處理>T處理>T處理>T處理>CK處理>T處理。可見，不同施肥處理對鮮薯產量及商品薯率變化表現出不同的影響。

2.2.2 不同施肥模式對甘薯農藝性狀的影響 由表4可知，不同施肥處理的植株蔓長、莖粗、基部分枝數、單株薯質量和值均顯著高于CK處理，單株結薯數差異不顯著。而在不同施肥處理的對比中，T處理莖粗較T處理顯著增加5.63%，與其他施肥處理無顯著性變化；T處理基部分枝數較T處理顯著增加5.16%，與其他施肥處理無顯著性變化；T處理單株薯質量、值較其他施肥處理分別顯著增加7.25%～27.59%、5.00%～14.55%，除值與T處理無顯著差異外，與其他施肥處理相比均顯著增加；不同施肥處理間植株蔓長與單株結薯數均無顯著性差異。由此可知，不同施肥處理對甘薯農藝性狀有較大的影響。

表4 不同處理甘薯農藝性狀的變化

3 討論

3.1 不同施肥模式對甘薯田土壤性質的影響

土壤養分是作物攝取營養的主要來源，其土壤養分含量的高低關系著植株能否健康生長或生存。有研究表明，長期無機肥與有機肥混施能夠有效促進土壤微生物有益菌生長，改善土壤微生物群落結構以及土壤供肥特性，提高肥料利用率，減少生產成本，對土地生產力的提升具有一定的促進作用。高菊生等研究表明，有機無機肥配施能夠有效提高土壤速效養分含量，有效降低養分盈余，減少肥料養分流失。也有研究表明，化肥配施有機肥能夠增強作物養分吸收能力，提高土壤各種酶活性以及土壤微生物群落結構穩定性。本研究表明，與不施肥處理相比，不同施肥措施均能夠有效提高土壤養分含量和土壤酶活性，改善土壤微生物群落結構。而在不同施肥處理對比中發現，與單施化肥、緩控釋肥或生物有機肥相比，緩控釋肥與生物有機肥配施能夠有效提高土壤全氮、全磷含量以及土壤脲酶和過氧化氫酶活性，其中土壤全氮、全磷含量較單施生物有機肥處理分別顯著增加8.97%、7.95%，土壤脲酶、過氧化氫酶活性較其他施肥處理分別提高4.38%～15.32%、4.29%～29.14%，除與T處理過氧化氫酶無顯著差異外，與其他施肥處理相比均顯著提高；而常規施肥與生物有機肥配施能夠有效提高土壤速效養分含量以及土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶活性，其中土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量較其他施肥處理分別增加3.21%～34.08%、11.87%～35.26%、6.04%～15.96%。生物有機肥與常規施肥、緩控釋肥配施較單一施肥處理提高了土壤細菌、放線菌生物量，減少了真菌生物量，提高了革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值以及細菌/真菌比值，其中緩控釋肥與生物有機肥配施處理表現優于常規施肥與生物有機肥配施處理。由此可知，生物有機肥與常規施肥、緩控釋肥配施有利于提高土壤養分含量及酶活性，改善土壤微生物群落結構。分析認為，甘薯生長前期需要肥料較多，生物有機肥無法在短時間滿足甘薯生長所需，而單施化肥或緩控釋肥能夠滿足前期作物生長所需，但長時間的無機追肥不僅造成土壤酸堿化，還對土壤微生物群落產生較大的影響，使得有益微生物比例減少，有害微生物比例增加，反過來作用于作物根系，使得養分供應能力減弱。而有機肥與無機肥配施能夠顯著增加土壤溶解性有機碳含量以及結構復雜的芳香化合物比例，同時增強了土壤中以各類碳源利用為主的土壤微生物群落功能，土壤微生物代謝活動增強對土壤養分供應與轉化能力有明顯的促進作用，從而有利于提高土壤中以N、P及有機碳為媒介的各種酶活性。化肥施用量的減少也會改變微生物數量，使微生物分泌更多過氧化氫酶，從而提高過氧化氫酶活性。由此可知，不同施肥模式對土壤養分含量、酶活性以及土壤微生物群落結構產生不同的影響。

3.2 不同施肥模式對甘薯產量及生長發育的影響

本研究中，甘薯產量整體表現為：緩控釋肥與有機肥配施處理>常規施肥與有機肥配施處理>常規施肥處理>單施緩控釋肥處理>常規施肥與緩控釋肥配施處理>單施生物有機肥處理>對照不施肥處理；商品薯率整體表現為：緩控釋肥與有機肥配施處理>常規施肥與有機肥處理>常規施肥與緩控釋肥配施處理>單施緩控釋肥處理>常規施肥處理>對照不施肥處理>單施生物有機肥處理。第1年施肥處理間鮮薯產量差異并不顯著，但隨著施肥時間的延長，各處理間鮮薯產量表現出明顯差異，到2020年時，緩控釋肥與生物有機肥配施處理處理鮮薯產量較CK處理顯著提高37.95%，較其他施肥處理顯著提高7.47%～27.59%，單施生物有機肥處理鮮薯產量及商品薯率在所有施肥處理中最低。緩控釋肥與生物有機肥配施處理單株薯質量、值較其他施肥處理分別顯著增加7.25%～27.59%、5.00%～14.55%，除值與常規施肥配施生物有機肥處理無顯著差異外，與其他施肥處理相比均顯著增加。分析認為，結合土壤養分結果，有可能是單施生物有機肥時，不能夠及時供應甘薯生長所需的各種養分，造成甘薯生長減緩，產量下降，且生物有機肥處理土壤革蘭氏陰性菌生物量最高，有可能對其他土壤微生物活動產生一定的抑制作用，改變原有穩定的微生物群落結構，使得該處理的病害薯塊數明顯增多，但具體機理不明，需要進一步進行研究。而緩控釋肥與生物有機肥配施處理能夠持續不斷地供應作物生長所需的養分，促進植株生長，提高甘薯產量，常規施肥與生物有機肥處理在甘薯生長前期能夠持續供應作物生長所需的養分，但此時甘薯生長所需養分較少，多余的養分流失，而在甘薯膨大期所需養分較多時，不能夠提供所需養分，故甘薯生長發育弱于緩控釋肥與生物有機肥配施處理。

4 結論

與不施肥處理相比，不同施肥處理均能有效提高土壤養分含量和土壤酶活性，能改善土壤微生物群落結構，提高作物產量、單株薯質量及值。

與單一施肥相比，緩控釋肥與生物有機肥配施處理提高了土壤全氮、全磷含量以及土壤脲酶、過氧化氫酶活性，常規施肥與生物有機肥配施提高了土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量以及土壤磷酸酶、蔗糖酶活性。無機肥與有機肥配施均提高了土壤細菌、放線菌生物量，減少了真菌生物量，提高了革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值以及細菌/真菌比值，但緩控釋肥與有機肥配施處理表現得更顯著。

甘薯產量表現為：緩控釋肥與有機肥配施處理>常規施肥與有機肥配施處理>常規施肥處理>單施緩控釋肥處理>常規施肥與緩控釋肥配施處理>單施生物有機肥處理>對照不施肥處理。緩控釋肥與生物有機肥配施處理商品薯率、單株薯質量、值均最高。