長期有機肥與無機肥配施對馬鈴薯-玉米田土壤養分、碳組分、微生物區系及作物產量的影響

范秉元

(河南農業職業學院,河南鄭州 450000)

隨著農業集約化生產的興起,施肥已經成為影響土壤有機碳含量的重要措施[16]。但不同施肥措施、肥料種類以及秸稈還田方式,對土壤有機碳組分含量的影響并不一致[17]。有研究表明,合理的施肥措施能夠通過投入外源有機物或秸稈還田等,提高土壤有機碳含量[18]。也有研究表明,不合理的施肥措施能夠通過激發效應,降低土壤有機碳含量,改變有機碳組分含量及比例[19]。有機肥具有養分釋放慢、時效長、綠色環保等特點[20]。有機肥的合理施入,不僅能夠提高作物產量,減少土壤面源污染,還能夠有效改善土壤理化性質,增加土壤有機碳含量[21-22]。土壤微生物是土壤中有機碳轉化的主要驅動力,參與有機碳的轉化、分解與合成過程,而有機碳是土壤微生物生命活動所需養分和能量的主要來源[23-24]。有研究表明,外源有機碳的攝入會增加土壤微生物的生物量,提高土壤微生物的活性[25-26]。

以往的研究大多局限于不同有機肥無機肥配施比例對土壤有機碳含量或土壤微生物群落的影響[27-29]。而關于化肥減量與不同種類有機肥和秸稈還田配施對土壤碳組分含量、微生物菌群區系結構及之間相關性影響的研究較少,且不同施肥制度對不同作物種植體系土壤有機碳含量及微生物的影響均不同。本研究通過長期化肥減量與羊糞、生物有機肥及秸稈還田配施,探究不同施肥模式下土壤養分、碳組分含量、微生物菌群區系結構及作物產量的變化規律,以期為馬鈴薯—玉米田有機肥無機肥的合理配施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗時間與地點

試驗于2016年6月至2021年6月進行。試驗地點位于河南農業職業學院農業工程學院實訓基地(114°03′E,34°76′N),海拔53 m,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候,年均氣溫14.2 ℃,年均降水量650～700 mm,年均日照時長23 600 h,無霜期 240 d。供試土壤為黃潮土。試驗前0～20 cm表層土壤理化性狀:速效氮、速效磷、速效鉀含量分別為48.34、58.05、134.56 mg/kg,含有機質8.35 g/kg,pH值為8.2。

1.2 試驗材料

供試材料:馬鈴薯品種鄭薯6號(鄭州市蔬菜研究所提供),玉米品種鄭單958(河南省農業科學院糧食作物研究所提供);供試肥料:氮磷鉀復混肥(N ∶P ∶K=12 ∶6 ∶7),生物有機肥(有效活菌數≥0.2億CFU/g,有機質含量≥40%,河南寶融生物科技有限公司提供),羊糞(含有機質25.46%、氮0.78%、磷0.57%、鉀0.44%)。

1.3 試驗設計

試驗設置8個處理,分別為不施肥(CK)、單施化肥(T1)、單施生物有機肥(T2)、單施羊糞(T3)、50%化肥+50%生物有機肥(T4)、50%化肥+50%生物有機肥+秸稈還田(T5)、50%化肥+50%羊糞(T6)、50%化肥+50%羊糞+秸稈還田(T7),每個處理重復3次,共24個小區,全部隨機區組排列。小區面積6.0 m×7.5 m,走道0.8 m,保護行5 m,馬鈴薯株行距40 cm×50 cm,玉米株行距25 cm×50 cm。單施化肥用量為750 kg/hm2;單施生物有機肥用量為1 200 kg/hm2;單施羊糞用量為22 500 kg/hm2。秸稈還田處理中,馬鈴薯與玉米秸稈均全部直接粉粹旋耕還田;秸稈不還田處理通過人工移走。氮磷鉀復混肥2/3作為基肥,1/3作為追肥,其中馬鈴薯季在幼苗期追肥,玉米季在大喇叭口期追肥。馬鈴薯生育期為3月10日至6月10日,玉米生育期為6月17日至9月25日。田間管理措施與當地農民習慣一致。分別于2017年馬鈴薯收獲期和2021年馬鈴薯收獲期利用“S”形5點取樣法采集0～20 cm土壤樣品。樣品分為2個部分保存:一部分自然陰干,用于土壤養分、碳組分含量的測定;一部分 -40 ℃ 保存,用于土壤微生物群落的測定。

1.4 測試項目及分析方法

土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量分別采用堿解擴散法、0.5 mol/L NaHCO3法、NH4OAc 浸提-火焰光度法、重鉻酸鉀容量-外加熱法測定[30];土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳含量分別采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法、六偏磷酸鈉分散法、蒸餾水浸提法、高錳酸鉀氧化法、三氯甲烷熏蒸法測定[30];土壤微生物群落結構采用磷脂脂肪酸法測定[31];各小區處理玉米、馬鈴薯產量均全部稱質量計算,折算單位為kg/hm2。

1.5 數據處理

試驗數據采用WPS 2019進行統計與計算,采用DPS 9.50 進行方差分析與顯著性檢驗,采用Canoco 5.0進行RDA分析與作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養分含量變化

不同施肥年限下,各施肥處理的土壤速效養分及有機質含量差異較大(圖1)。2017年(施肥1年)時,各施肥處理的土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量均顯著高于CK處理(P<0.05)。T5處理的土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量均最高,比其他施肥處理分別提高2.41%～18.95%、4.44%～17.31%、4.28%～15.70%、1.48%～5.44%。其中,速效氮含量顯著高于除T7外的其他處理;速效磷含量顯著高于除T4外的其他處理;速效鉀含量顯著高于除T4、T7外的其他處理;有機質含量顯著高于T1處理,而與其他施肥處理均無顯著性差異。

第二方面，對資產管理和預算管理相互結合，單位需要積極建設國有資產配置機制。疏理管理層當中存在的數據是資產購置預算的編制前提，因此相關單位可以對國有資產的配置以及存量進行聯系，始終遵循限高補低的原則，對資產進行科學合理的配置，對單位國有資產進行最優化配置。此外，事業單位需要建立起對資產進行合理調劑和共享的相關機制，能夠有效提升國有資產使用效率。對國有資產進行具體管理過程中，可以對單位中的閑置資產進行合理調劑，對共享共用機制應用在大型設備當中，以防止出現重復配置現象，最終明確財政資產使用效率達到足夠穩定狀態。

隨著施肥時間的延長,到2021年(施肥6年)時,不同處理土壤養分含量差異更加明顯。其中,各施肥處理的土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量較CK處理分別顯著提高19.99%～73.28%、45.71%～102.05%、27.98%～60.90%、21.49%～46.95%。T5處理的土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量仍均最高。其中,速效氮、速效磷、速效鉀比其他施肥處理分別顯著提高7.29%～44.41%、8.95%～38.67%、5.54%%～25.72%,有機質含量較T1、T2、T3、T6處理分別顯著提高20.95%、12.88%、16.71%、8.93%。T3處理的速效氮、速效磷、速效鉀含量顯著低于其他施肥處理,T1處理的有機質含量顯著低于除T3外的其他施肥處理。

2.2 土壤總有機碳含量變化

由圖2可知,2017年時,與CK處理相比,各施肥處理的土壤總有機碳含量顯著提高7.74%～18.14%。其中,T5處理總有機碳含量最高,比T1、T3、T6處理分別顯著提高9.65%、7.88%、5.53%。T1處理總有機碳含量在所有施肥處理中最低,顯著低于T2、T4、T5、T7處理。到2021年時,各處理的土壤總有機碳含量差異更加顯著,與2017年相比,土壤總有機碳含量除CK、T1處理下降外,其他施用有機肥的處理均有不同程度的提高。2021年各施肥處理的土壤總有機碳含量表現為T5>T7>T4>T2>T6>T3>T1>CK。其中,T5處理的總有機碳含量比其他處理顯著提高5.57%～69.47%;CK處理的總有機碳含量顯著最低,而T1處理的總有機碳含量顯著低于其他施肥處理。

2.3 土壤顆粒有機碳含量的變化

由圖3可知,2017年時,各施肥處理的顆粒有機碳含量均顯著高于CK處理。其中,T5處理的顆粒有機碳含量最高,比其他施肥處理顯著提高7.98%～27.86%。T7處理的顆粒有機碳含量比T6處理顯著提高8.80%,而與T3處理相比,無顯著性差異。T1處理的顆粒有機碳含量顯著低于其他施肥處理。到2021年時,各施肥處理的顆粒有機碳含量表現為T5>T7>T4>T6>T2>T3>T1>CK。其中,T5處理的顆粒有機碳含量比其他處理顯著提高8.27%～80.92%,與2017年相比,差異更加顯著。T7處理的顆粒有機碳含量顯著高于T3、T6處理,T2、T3處理之間無顯著差異。CK處理的顆粒有機碳含量顯著最低,而T1處理的顆粒有機碳含量顯著低于其他施肥處理。

2.4 土壤可溶性有機碳含量的變化

由圖4可知,2017年時,與CK處理相比,各施肥處理土壤可溶性有機碳含量顯著提高16.20%～58.11%。其中,T5處理的可溶性有機碳含量最高,比其他施肥處理顯著提高14.36%～36.07%。T2處理的可溶性有機碳含量比T1、T3處理分別顯著提高18.99%、10.40%,T1處理的可溶性有機碳含量顯著低于除T6外的其他施肥處理。到2021年時,各施肥處理的可溶性有機碳含量表現為T5>T7>T2>T4>T6>T3>T1>CK。其中,T5處理的可溶性有機碳含量比其他處理顯著提高18.71%～124.89%,與2017年相比,差異更加顯著。T7處理的可溶性有機碳含量較T1、T3、T6處理分別顯著提高49.50%、19.77%、19.35%。T2處理的可溶性有機碳含量比T1、T3處理顯著提高44.61%、15.85%。

2.5 土壤易氧化有機碳含量的變化

由圖5可知,2017年時,與CK處理相比,各施肥處理的土壤易氧化有機碳含量提高3.95%～35.03%。其中,除T1處理外,其他施肥處理的易氧化有機碳含量均顯著提高。T5處理的易氧化有機碳含量最高,比其他施肥處理提高4.37%～29.89%,顯著高于除T3外的其他施肥處理。T3處理的易氧化有機碳含量顯著高于T1、T2、T4、T6處理。隨著施肥時間的延長,到2021年時,各施肥處理的易氧化有機碳含量表現為T5>T7=T2>T4>T3>T6>T1>CK。與2017年各處理相比,單施或混施生物有機肥的T2(25.00%)、T4(28.43%)、T5(29.29%)處理的易氧化有機碳含量的增長速率均高于單施或混施羊糞的T3(7.86%)、T6(13.78%)、T7(21.00%)處理。2021年T5處理的易氧化有機碳含量比其他處理顯著提高16.60%～100.65%;T2、T4、T7處理間無顯著性差異,但均顯著高于除T5外的其他施肥處理。

2.6 土壤微生物量碳含量的變化

由圖6可知,2017年時,各施肥處理的土壤微生物量碳含量表現出不同的變化趨勢,與CK處理相比,T2、T3、T4、T5、T7處理的微生物量碳含量分別顯著提高23.92%、6.23%、9.48%、27.85%、16.80,T1處理顯著降低8.95%。到2021年時,各施肥處理的微生物量碳含量表現為T5>T7>T4>T2>T6>T3>CK>T1。與2017年各處理微生物量碳含量相比,CK、T1、T2、T3處理的微生物量碳含量均不同程度地下降,而T4、T5、T6、T7處理均有所提高。其中,T5處理的微生物量碳含量比其他處理顯著提高7.88%～53.10%。T7處理的微生物量碳含量顯著高于除T5外的其他處理,T2與T4處理之間、T3與T6處理之間均無顯著性差異。T1處理的微生物量碳含量顯著低于其他處理。

2.7 土壤微生物區系變化

不同施肥年限下,各施肥處理的土壤微生物區系菌群生物量差異較大(表1)。2017年時,與CK處理相比,各施肥處理的細菌生物量、革蘭氏陽性菌生物量、革蘭氏陰性菌生物量、細菌/真菌比值均不同程度地提高,而放線菌生物量、真菌生物量、革蘭氏陽性菌/陰性菌比值均表現出不同的變化趨勢。其中,T5處理的放線菌生物量、革蘭氏陽性菌生物量、革蘭氏陽性菌/陰性菌比值、細菌/真菌比值均最高,比其他處理分別提高3.03%～17.21%、4.26%～25.70%、8.57%～28.81%、2.83%～25.29%,真菌生物量顯著最低。T7處理的細菌生物量比T1、T2處理分別顯著提高8.08%、5.71%。T3處理的革蘭氏陰性菌生物量比其他處理提高3.77%～16.31%,顯著高于除T7外的其他處理。

到2021年時,各施肥處理的土壤微生物區系菌群生物量與2017年相比差異明顯。其中,T5處理的細菌生物量比其他處理分別提高1.99%～42.83%,顯著高于除T7外的其他處理。T5處理的放線菌生物量、革蘭氏陽性菌生物量、革蘭氏陽性菌/陰性菌比值、細菌/真菌比值均顯著最高,真菌生物量顯著最低。T7處理的革蘭氏陰性菌生物量比其他處理提高2.16%～25.91%,顯著高于除T5外的其他處理。T1處理的細菌生物量、革蘭氏陽性菌生物量、革蘭氏陰性菌生物量、放線菌生物量、革蘭氏陽性菌/陰性菌比值、細菌/真菌比值均顯著最低。

表1 不同施肥處理對土壤微生物菌群生物量變化的影響

2.8 作物產量變化

由圖7可知,2017年時,與CK處理相比,各施肥處理的玉米、馬鈴薯產量均顯著提高。其中,T5處理的玉米、馬鈴薯產量均最高,比其他處理分別提高3.84%～30.62%、3.60%～23.17%。T1處理的玉米、馬鈴薯產量均高于T2、T3處理;其中,玉米產量顯著高于T3處理,馬鈴薯產量顯著高于T2、T3處理。而T4與T5處理之間、T6與T7處理之間的玉米、馬鈴薯產量均無顯著性差異。

到2021年時,CK處理的玉米、馬鈴薯產量下降明顯,比2017年CK處理分別下降60.30%、68.96%。T1、T3處理的玉米、馬鈴薯產量和T6處理的馬鈴薯產量也均不同程度地下降,但下降幅度遠低于CK處理。其他施肥處理的玉米、馬鈴薯產量均有不同程度地提高。在所有施肥處理中,T5處理的玉米、馬鈴薯產量均最高,比其他處理分別提高6.57%～248.99%、4.81%～311.98%。T3處理的玉米、馬鈴薯產量均顯著低于其他施肥處理。

2.9 土壤微生物區系與土壤養分、碳組分含量的多元分析

為進一步分析不同年限下各施肥處理對土壤微生物群落變化的影響,通過土壤微生物菌群生物量與土壤養分、碳組分含量的RDA分析,進一步探討它們之間的關聯性。由圖8-a可知,第1排序軸(60.15%)、第2排序軸(1.03%)能夠在累積變量61.18%水平上,解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落與土壤養分含量間的相互關系。各處理點空間位置較為分散,說明不同施肥措施條件能夠一定程度地影響土壤微生物群落的構成。土壤速效磷、速效鉀、速效氮、有機質含量與土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量呈正相關關系,與土壤真菌生物量呈負相關關系。其中,土壤有機質含量(50.5%)是主要驅動因子。圖8-b結果顯示,第1排序軸(77.11%)、第2排序軸(3.78%)能夠在累積變量80.89%的水平上,解釋不同施肥措施條件下土壤微生物群落與土壤碳組分含量間的相互關系。土壤總有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳含量與土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量呈正相關關系,與土壤真菌生物量呈負相關關系。其中,土壤總有機碳含量(69.0%)是主要驅動因子。說明外源養分尤其是有機質含量的增加,有利于提高土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌的代謝活性,而對土壤真菌代謝具有一定的抑制作用。

3 討論與結論

施肥方法及措施不同,會對農田土壤養分含量和土地生產力產生較大的影響。有研究表明,長期配施有機肥與無機肥,有利于基礎土壤地力的提高;而長期施用單一肥料或不施肥,會導致土壤地力顯著下降[32-34]。本研究表明,與不施肥或施用單一肥料相比,施肥6年后,有機肥與無機肥配施能夠提高土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量以及作物產量,這與多數研究結果[35-36]較為一致。50%化肥+50%生物有機肥+秸稈還田處理,土壤速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量以及玉米、馬鈴薯產量均高于其他有機肥與無機肥配施處理;其中,與50%化肥+50%生物有機肥處理之間存在差異性,可能是由于秸稈還田添加了碳源的種類,提高了土壤微生物代謝的活性,進而促進土壤養分的轉化與分解,從而被作物更好地吸收及利用;而與50%化肥+50%羊糞+秸稈還田處理之間存在差異性,可能是因為生物有機肥的養分釋放效率優于羊糞,也可能是因為生物有機肥分解后,能夠更好地被土壤微生物吸收利用,從而提高土壤養分含量及作物產量。

不同活性有機碳組分在土壤結構組成中具有不同的特征與功能[16]。有研究表明,施肥能夠增加土壤活性有機碳的含量[37-38]。本研究表明,與不施肥相比,不同施肥處理均能夠提高土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳的含量,這與王鵬等的研究[39]一致。其中,50%化肥+50%生物有機肥+秸稈還田處理,其土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳的含量均最高,50%化肥+50%羊糞+秸稈還田處理次之。分析認為,外援有機物的攝入能夠增加土壤有機碳含量;而長期施用化肥會導致土壤酸化,土壤生物肥力下降,微生物活性降低,使土壤有機碳的分解與轉化速率降低,從而減少有機碳含量的累積。而秸稈還田措施能夠使植物殘留分解補充土壤的有機碳含量,豐富的碳源可供土壤微生物吸收利用,提高微生物數量與活性,并在其作用下釋放出更多的有機碳。

土壤微生物能夠分解土壤有機碳并獲取碳源,用于自身生命活動需求,是土壤微生物生命活動的主要能量來源,對土壤肥力的保持具有重要意義[40]。而有研究表明,施肥能夠改變土壤微生物的菌群區系結構[27]。本研究結果表明,無機肥與有機肥配施,能夠增加土壤微生物生物量,改變土壤微生物群落區系結構;施肥6年后,與其他處理相比,50%化肥+50%生物有機肥+秸稈還田處理,能夠提高土壤細菌、革蘭氏陽性菌、放線菌生物量,減少真菌生物量。可見,在有機肥與無機肥配施條件下,細菌、革蘭氏陽性菌、放線菌具有明顯的競爭優勢,真菌處于劣勢。有研究表明,細菌更容易利用和分解有機碳,而細菌生物量的提高有利于促進有機碳的分解與轉化,從而形成良好的物質與能量循環[41]。相關性分析表明,土壤速效磷、速效鉀、速效氮、有機質、土壤有機碳、顆粒有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量碳含量與土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量間有良好的線性關系,其中土壤有機質含量(50.5%)、有機碳含量(69.0%)是主要驅動因子。可知,土壤微生物群落區系結構的變化受多種因素共同影響。

研究結果表明,與不施肥或單一種類施肥相比,長期進行有機肥與無機肥配施,能夠提高土壤養分、活性碳組分含量,改變土壤微生物群落區系結構,并提高玉米、馬鈴薯產量;相關性分析表明,土壤微生物群落區系結構的變化受土壤養分、活性碳組分含量多種因素的共同影響;其中,50%化肥+50%生物有機肥+秸稈還田處理表現最優。