化肥減量與生物有機肥配施對土壤質量變化及馬鈴薯產量與品質的影響

胡月華

(商丘職業技術學院，河南商丘 476100)

馬鈴薯是我國糧、蔬兼用作物，因產量高、適應性廣、營養豐富等特點被廣泛接受。近年來，隨著馬鈴薯主糧化政策的推進，馬鈴薯產業快速發展，需求逐漸增加。種植戶在耕地面積不變的情況下，為追求馬鈴薯早上市、早售賣，不僅選擇早熟品種，還濫用化肥農藥，造成馬鈴薯產量品質下降、肥料利用率降低、土壤退化、土壤環境污染嚴重等諸多問題。而有研究表明，過量使用化肥不僅會使得馬鈴薯病蟲害頻繁發生，還有可能因藥害作用造成產量下降、品質降低等狀況。因此，如何有效解決濫施、亂施化肥對保障馬鈴薯產業健康快速發展具有重要意義。而有研究表明，合理的施肥措施能夠有效提高土壤養分質量，改善土壤微生態環境。生物有機肥具有速效、長效和改良土壤等作用，因對環境友好、綠色安全等特點被廣泛關注。姜莉莉等研究表明，與常規施肥處理相比，施用生物有機肥處理的土壤速效磷、速效鉀和有機質含量分別顯著提高 147.0%、38.8%、35.6%，且顯著提高了番茄果實的糖酸比、維生素C含量和番茄紅素含量。王俊紅等研究表明，化肥與適宜生物有機肥配施可提高土壤酶活性和土壤養分含量，且能夠有效改善土壤微生物菌群。宋以玲等研究表明，減量化肥與生物有機肥配施能夠明顯改善土壤微生物群落結構，提高土壤速效養分含量，同時也可提高作物根系活力，增強作物抗逆性和光合利用能力。由此可知，適宜的施肥措施能夠提高土壤養分質量，改善土壤微生態環境，對提高作物產量及品質具有一定的促進作用。

目前，不同生物有機肥對各種作物生長發育及土壤養分變化影響的研究報道有很多，但關于化肥與不同比例生物有機肥配施對馬鈴薯→玉米輪作田土壤質量變化與馬鈴薯生長發育以及它們之間的相關性影響的研究報道并不多，因此，筆者期望通過化肥減量與生物有機肥配施對土壤質量變化、馬鈴薯生長發育影響的研究，探究馬鈴薯→玉米輪作田不同施肥措施條件下土壤質量變化與馬鈴薯產量及品質間的相關性，找到合理的施肥模式，以期為馬鈴薯合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗于2019—2021年在商丘職業技術學院試驗示范基地(39°28′N，116°15′E)進行，該地區海拔約50 m，年平均氣溫14 ℃，無霜期約210 d，年降水量500～800 mm，多集中在夏季，全年0 ℃以上積溫 4 500～5 500 ℃·d，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷干燥，屬于典型暖溫帶半濕潤季風氣候。供試土壤為黃潮土，土質為壤土。試驗地常年為馬鈴薯→玉米輪作種植，2019年試驗開始前供試土壤基礎肥力如下：土壤全氮含量為0.72 g/kg，全磷含量為 0.86 g/kg，有機質含量為8.06 g/kg，堿解氮含量為52.21 mg/kg，速效磷含量為62.35 mg/kg，速效鉀含量為125.65 mg/kg，pH值為8.12。

1.2 試驗設計

試驗采用隨機區組設計，設對照不施肥(CK)、單施化肥(T1)、單施生物有機肥(T2)、80%化肥+20%生物有機肥(T3)、60%化肥+40%生物有機肥(T4)5個處理，重復3次，共計15個小區，小區面積為60 m，走道1 m，保護行3 m，馬鈴薯株行距分別為40、50 cm。馬鈴薯施肥量為：化肥(復合肥中N、PO、KO含量分別為10%、12%、15%)，單施用量為750 kg/hm；生物有機肥(總養分≥5%，有機質含量≥40%，有效活菌數≥2.0億/g)，單施用量為 1 200 kg/hm；不同施肥處理均作為基肥施入，生育期內不追肥。玉米種植密度為5.25萬株/hm，玉米季施肥量為復合肥(其中N、PO、KO含量均為15%)750 kg/hm。玉米供試品種為鄭單958(河南省農業科學院糧食作物研究所選育)，生育期為6月18日至9月28日；馬鈴薯供試品種為鄭薯6號(鄭州市蔬菜研究所選育)，生育期為3月15日至6月15日。試驗于2019年馬鈴薯季種植開始，于2021年馬鈴薯季收獲結束。2021年6月15日馬鈴薯收獲時利用五點取樣法采集 0～30 cm土壤樣品，過篩后一部分陰干，用于土壤理化性質的測定；一部分保存在4 ℃冰箱，用于土壤生物學特性的測定；一部分保存在-40 ℃冰箱，用于土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFAs)的測定。

1.3 測定方法

1.3.1 土壤養分測定 土壤養分含量參照鮑士旦《土壤農化分析》進行測定。其中土壤全氮、全磷、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別采用凱氏定氮法、HSO-HClO消煮法、重鉻酸鉀容量-外加熱法、堿解擴散法、0.5 mol/L NaHCO法、NHOAc 浸提-火焰光度法測定，pH值用酸度計采用水土比5 ∶1法測定。

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

1.3.3 土壤微生物群落測定 土壤微生物群落結構利用磷脂脂肪酸法進行分析測定。稱取相當于 5 g 風干土樣的新鮮土樣，按照李明等的提取步驟提煉出待測液，然后通過氣相色譜儀，調整儀器參數為進樣口250 ℃，柱溫 170 ℃，H流量 40 mL/min (0.4 MPa)，氮氣(0.4 MPa)，色譜柱為Agilent HP-5MS(30 m×250 μm，0.25 μm)，利用脂肪酸圖譜微生物鑒定系統分析待測液。

1.3.4 馬鈴薯產量及品質測定 2021年馬鈴薯收獲時，每小區內連續選擇10株馬鈴薯用于產量測定，并按照馬鈴薯商品薯分級標準進行分級，計算商品薯率，各重復間取平均值。每小區選擇1塊中等大小、長勢均勻的薯塊用于馬鈴薯品質的測定，每個處理重復3次，其中干物率及蛋白質、淀粉、維生素C、還原糖含量分別采用干質量法、Lowry 法、還原糖測定儀法、2，6-二氯酚靛酚滴定法、分光光度計法測定。

1.4 數據處理與分析

采用 WPS校園版進行數據統計與計算，采用SPSS 19.0與Canoco 5.0進行差異顯著性比較及相關分析。

2 結果與分析

2.1 化肥減量與有機肥配施對土壤理化性質的影響

土壤養分含量能夠一定程度地反映土壤肥力水平，直接或間接地影響作物生長狀況。由表1可知，不同施肥處理土壤各養分含量較CK處理均有明顯的提高，pH值無顯著性變化。而不同施肥處理間土壤養分含量也表現出不同的變化，其中T4處理土壤全氮含量較T1、T2處理(單施處理)分別顯著提高5.56%、11.77%(<0.05)，堿解氮含量分別顯著提高6.37%、12.29%(<0.05)。T3處理土壤全磷含量較T1、T2處理分別提高1.15%、4.76%，速效磷含量分別提高4.11%、14.41%，且速效磷含量顯著高于T2處理。T3、T4處理土壤有機質含量較T2處理分別降低2.75%、1.55%，但差異不顯著，T3與T4處理之間差異也不顯著。T3、T4處理土壤速效鉀含量較T1處理分別顯著降低14.48%、7.98%，其中T4處理顯著高于T3處理。不同施肥處理間土壤pH值無顯著性變化。

表1 不同施肥處理下土壤養分含量

2.2 化肥減量與有機肥配施對土壤生物學特性的影響

土壤酶活性變化能夠反映土壤中各種生物化學反應的強度與方向，也能夠迅速反映不同施肥措施對土壤養分含量變化的影響。由表2可知，不同施肥處理土壤酶活性較CK處理均有明顯的提高，除T1處理土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性與CK處理差異不顯著外，其他施肥處理土壤酶活性均顯著提高(<0.05)。而不同施肥處理間土壤酶活性也表現出不同的變化，其中T4處理土壤脲酶活性較T1、T2處理分別顯著提高20.69%、5.42%，過氧化氫酶活性分別顯著提高28.81%、15.15%，T4處理土壤過氧化氫酶活性較T3處理顯著提高13.43%。土壤堿性磷酸酶活性表現為T2>T3>T4>T1處理，處理之間差異達到顯著水平。T3處理土壤蔗糖酶活性較T1、T2處理分別顯著提高41.40%、5.39%，但與T4處理差異不顯著。

表2 不同施肥處理下土壤酶活性

2.3 化肥減量與有機肥配施對土壤微生物群落結構的影響

磷脂脂肪酸是土壤活體微生物細胞膜的重要組分，具有多樣性和生物學特異性，常用于土壤微生物群落結構的動態監測。由表3可知，不同施肥處理土壤微生物主要類群的PLFA含量較CK處理有明顯的差異，其中T4處理細菌生物量、革蘭氏陽性菌(G)/革蘭氏陰性菌(G)比值均為最高值，較其他處理分別顯著提高5.88%～63.64%、7.81%～15.00%(<0.05)，CK的細菌生物量最低，但G/G值高于T1處理。T3、T4處理的真菌生物量較CK分別顯著降低13.10%、23.21%，且T4處理顯著低于T3處理，而T1處理真菌生物量最高，顯著高于其他處理。T4處理細菌/真菌值較其他處理顯著提高19.82%～112.50%，CK處理細菌/真菌值最低。T3處理的放線菌生物量較其他處理提高1.53%～31.84%，顯著高于CK、T1處理，與T2、T4處理均差異不顯著。

2.4 化肥減量與有機肥配施對馬鈴薯品質的影響

由表4可知，不同施肥處理馬鈴薯薯塊各品質含量較CK均有明顯的提高，其中除T1處理薯塊淀粉含量較CK差異不顯著外，其他施肥處理薯塊品質含量較CK均顯著提高(<0.05)。而不同施肥處理間馬鈴薯薯塊各品質含量也表現出不同的變化，其中T4處理薯塊粗蛋白、淀粉含量均為最高值，較T1、T2處理分別顯著提高5.75%、13.72%和17.20%、12.63%，T4處理薯塊粗蛋白含量與T3處理無顯著性差異，T4處理淀粉含量較T3處理顯著提高；T3處理薯塊維生素C、還原糖含量均為最高值，較其他施肥處理分別提高4.02%～18.22%、2.03%～37.20%， 其中維生素C、 還原糖含量均顯著高于T1、T2處理，但與T4處理差異不顯著。

表3 不同施肥處理下土壤微生物群落結構

表4 不同施肥處理下馬鈴薯品質

2.5 化肥減量與有機肥配施對馬鈴薯產量及商品薯率的影響

由圖1可知，不同施肥措施對馬鈴薯產量及商品薯率有較大的影響，其中T1、T3、T4處理鮮薯產量及商品薯率均顯著高于CK(<0.05)，T2處理鮮薯產量及商品薯率均與CK差異不顯著。而不同施肥處理間馬鈴薯產量及商品薯率也表現出不同的變化，其中T4處理鮮薯產量最高，較其他施肥處理提高3.84%～11.19%，顯著高于T1、T2處理，而T3處理鮮薯產量與T1處理差異不顯著，但顯著高于T2處理，鮮薯產量總體表現為T4處理>T3處理>T1處理>T2處理>CK；T4處理商品薯率也為最高值，較其他施肥處理提高3.17%～8.92%，顯著高于T2處理，但與T1、T3處理均差異不顯著，而T1、T3處理均顯著高于T2處理，商品薯率總體表現為T4處理>T3處理>T1處理>T2處理>CK。

2.6 化肥減量與有機肥配施條件下不同因子間的相關性分析

在進行土壤養分含量與馬鈴薯產量及品質的多元分析時發現，不同施肥措施條件下土壤養分變化與馬鈴薯產量及品質有緊密相關的聯系。由表5可知，鮮薯產量與土壤全氮、全磷、堿解氮含量呈極顯著正相關(<0.01)，與土壤速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(<0.05)；粗蛋白、還原糖含量與土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀含量呈顯著正相關(<0.05)；淀粉含量與土壤速效鉀含量呈顯著正相關(<0.05)；維生素C含量與土壤全氮、全磷、堿解氮、速效鉀含量呈顯著正相關(<0.05)；鮮薯產量和粗蛋白、維生素C、還原糖、淀粉含量與其他土壤養分指標均呈正相關，與土壤pH值均呈負相關，但相關性均不顯著。由此可知，在不同施肥措施條件下土壤養分含量的提高有利于馬鈴薯產量及品質的提升。

在進一步進行土壤環境因子與土壤微生物群落結構的冗余(RNA)分析時發現，圖2-a、圖2-b能夠分別在累計變量58.83%、50.71%的水平上揭示化肥減量與有機肥配施條件影響下的土壤微生物群落變化。圖中各處理點位置比較分散，說明不同施肥措施對土壤微生物群落結構產生了不同響應。由圖2-a可知，土壤細菌、革蘭氏陽性菌(G)和革蘭氏陰性菌(G)與土壤全氮、全磷、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀呈正相關關系，與pH值呈負相關關系；放線菌與土壤全氮、全磷、堿解氮、速效磷、速效鉀呈正相關關系，與土壤有機質、pH值呈負相關關系；真菌與有機質呈正相關關系，與其它因子均呈負相關關系。土壤全氮(19.9%)、有機質(14.4%)、速效磷(12.2%)為主要驅動因子，說明土壤全氮、速效磷的攝入有利于土壤細菌、G、G以及放線菌生物量的增加，而土壤有機質的攝入有利于細菌生物量的增加，但抑制放線菌生物量的增加。

表5 土壤養分含量與馬鈴薯產量及品質的多元分析

由圖2-b可知，土壤細菌、G、G以及放線菌生物量與土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性呈正相關關系，真菌與土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶呈負相關關系；蔗糖酶(43.0%)為主要驅動因子，說明蔗糖酶活性的提高有利于土壤細菌、G、G以及放線菌生物量的增加，抑制真菌生物量的增加。總體上，基于土壤微生物主要類群生物量的排序軸與基于土壤養分及酶活性等環境因子的排序軸之間的相關性(=0.030，=0.0.01 8)較好。

3 討論

3.1 不同施肥措施對土壤養分含量、酶活性及微生物群落的影響

土壤養分是作物獲取養分的主要來源之一，其土壤養分的高低關系著作物能否健康生長或生存，而土壤酶參與土壤中大多數生物化學反應過程，其土壤酶活性的高低能夠及時反映土壤生物活性及生物化學的程度，不同施肥措施會對土壤養分和酶活性變化產生不同的響應。生物有機肥含有豐富的碳源，施入土壤后可供根系周圍土壤微生物大量繁殖，發生自生固氮或聯合固氮作用，溶解土壤中難溶化合物，提高養分供應效率，從而促進作物生長發育。研究表明，合理的施肥措施能夠有效提高土壤養分質量。丁維婷等研究表明，生物有機肥替代部分化肥能夠提高土壤養分含量，改善土壤生物學特性，同時可以提升肥料利用率，增加經濟效益。本研究表明：與CK相比，不同施肥處理提高了土壤養分含量及生物學特性，其中60%化肥+40%生物有機肥處理土壤全氮、堿解氮含量以及脲酶、過氧化氫酶活性最高，80%化肥+20%生物有機肥處理土壤全磷、速效磷含量以及堿性磷酸酶、蔗糖酶活性最高，而與80%化肥+20%生物有機肥處理相比，60%化肥+40%生物有機肥處理土壤全磷、速效鉀含量以及過氧化氫酶活性顯著提高，而堿性磷酸酶活性顯著下降，其他均差異不顯著，這與前人研究的結果較為一致。由此可知，化肥減量與有機肥配施能夠有效提高土壤養分含量以及土壤酶活性。

土壤微生物是土壤中物質交換和能量轉化的主要驅動者，參與土壤中有機質的分解、腐殖質的形成以及土壤養分轉化和循環等過程，是評價土壤肥力的主要指標。研究表明，合理的施肥措施是調節土壤微生物群落結構和功能多樣性的重要途徑。本研究表明：與CK相比，不同施肥處理提高了土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量，降低了真菌生物量。不同施肥處理間土壤微生物群落結構也發生了較大的變化，其中與單施化肥或生物有機肥處理相比，化肥減量和生物有機肥配施處理顯著(<0.05)提高了土壤細菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量以及細菌/真菌值，顯著降低了真菌生物量，其中60%化肥+40%生物有機肥處理的土壤細菌、革蘭氏陽性菌生物量以及細菌/真菌值、G/G值顯著高于80%化肥+20%生物有機肥處理。由此可知，化肥減量與生物有機肥配施改變了土壤微生物群落結構。結合土壤養分與酶活性變化分析認為，單一施用生物有機肥能夠有效提高土壤碳源種類及數量，但生物有機肥釋放養分速率慢，在作物生長前期需肥量較大時，不能夠及時供給作物吸收利用，使得土壤養分含量變低，進而影響土壤酶活性以及微生物群落結構，而生物有機肥與化肥配施，不僅能夠保障前期作物對養分的吸收利用，還能夠供給土壤微生物各類碳源，使土壤類型由有害的真菌型向有益的細菌型轉變，其中60%化肥+40%生物有機肥處理表現最優。RDA分析結果表明，土壤微生物群落結構的變化與土壤養分含量、酶活性有緊密相關的聯系。

3.2 不同施肥措施對馬鈴薯產量及品質的影響

合理的秸稈還田與施肥措施不僅能夠提升土壤質量，還對作物生長發育具有一定的促進作用。本研究表明：與CK相比，施肥能夠有效提高薯塊品質以及鮮薯產量及商品薯率。而不同施肥處理間土壤微生物群落結構也發生了較大的變化，與單施化肥或生物有機肥處理相比，化肥減量與有機肥配施提高了薯塊粗蛋白、淀粉、維生素C、還原糖含量以及鮮薯產量和商品薯率，其中60%化肥+40%生物有機肥處理的淀粉含量顯著高于80%化肥+20%生物有機肥處理(<0.05)，薯塊粗蛋白、維生素C、還原糖含量均差異不顯著。而60%化肥+40%生物有機肥處理的鮮薯產量及商品薯率均為最高值，但與80%化肥和20%生物有機肥配施處理也差異不顯著，這與前人的研究結果一致。結合不同施肥處理土壤養分變化分析認為，在作物生長前期需肥較多時，化肥能夠及時供給，但多余的養分隨著時間的延長大多淋濕浪費掉，反而在作物生長后期滿足不了作物對養分的吸收利用，而生物有機肥在前期滿足不了作物的需求，影響其生長發育，進而影響作物的產量及品質。化肥減量與生物有機肥配施能夠解決這一問題，在滿足前期生長對養分需求的同時，也能夠保障作物后期養分的供給能力。在馬鈴薯產量、品質及土壤養分含量的相關性分析中可知，馬鈴薯產量、品質的提高受多種環境因子共同制約，其中外源有機質及其它養分的攝入不僅有利于土壤養分含量的提高，對促進馬鈴薯生長發育，提高鮮薯產量及品質具有一定的促進作用。由此可知，不同施肥措施對馬鈴薯產量及品質有不同的影響。

4 結論

與單施化肥或生物有機肥以及CK相比，化肥減量與生物有機肥配施提高了土壤養分含量及酶活性，改變了土壤微生物群落結構，其中60%化肥+40%生物有機肥處理的土壤全氮、速效鉀含量和過氧化氫酶活性顯著高于80%化肥+20%生物有機肥處理(<0.05)，而堿性磷酸酶活性顯著降低，其他均差異不顯著；提高了薯塊粗蛋白、淀粉、維生素C、還原糖含量以及鮮薯產量和商品薯率，其中60%化肥+40%生物有機肥處理的淀粉含量顯著高于80%化肥+20%生物有機肥處理(<0.05)，薯塊粗蛋白、維生素C、還原糖含量以及鮮薯產量、商品薯率均差異不顯著。相關性分析表明，鮮薯產量及品質的提高受多種環境因子共同制約；RDA分析表明，土壤微生物群落結構的變化與土壤養分含量、酶活性有緊密相關的聯系。由此可知，化肥減量與有機肥配施能夠提升土壤養分質量，且能夠提高鮮薯產量，改善鮮薯品質。