長期施肥對土壤微生態及作物生長和光合的影響

張傳梅

(安徽省蒙城縣種植業發展中心,安徽 蒙城 233500)

選擇科學合理的施肥模式可有效改善農田土壤的生物學性狀(微生物數量、種群多樣性、酶活性)和理化特性(養分有效性和含量、物理結構)等,有利于提高土壤質量和基礎肥力及耕地可持續生產力,進而改善作物生長發育、光合生理和產量結構。長期定位施肥試驗具有時間的長期性和氣候環境的重復性等特點,在研究上信息量豐富,數據可信度高,結果解釋力強,能從生產的可持續性出發研究土壤微生態環境及作物生長、光合和產量演變特征,為中長期的施肥規劃提供參考。多年以來,中國部分地區農業生產上普遍存在著肥料施用的盲目性和隨意性,致使土壤肥力薄弱和養分供應能力低下,作物增產困難,在土壤微生態環境和作物生長、光合研究領域相對缺少具有理論指導意義和實際應用價值的研究成果。

土壤微生物和酶是影響土壤物質轉化和能量流動的主要因素,并參與和制約許多重要的生物化學反應,代表著土壤中物質代謝的旺盛程度,是評價土壤肥力和質量的主要指標[1]。葉綠素熒光參數和葉綠素含量是研究作物光合生理狀況與外界生態環境因子的理想探針[2],而光合作用是作物生長發育、干物質積累和經濟產量形成的物質基礎[3],加強對作物光合特性和生長發育的研究和認識,是改善作物生長狀態充分挖掘作物產量潛力的一個重要途徑。因此,一方面為深入了解有效改善土壤微生態環境及作物生長、光合和產量的適宜施肥模式,另一方面為大面積土壤培肥改良提供理論依據和技術指導,本文系統歸納總結了國內外長期定位施肥對土壤微生態環境及作物生長、光合和產量的影響。

1 長期定位施肥對土壤微生態的影響

1.1 對土壤微生物的影響

土壤微生物在維持土壤結構、有機物質降解、腐殖質形成、物質和能量循環等方面發揮著重要的作用,是土壤生態系統的重要構成部分及土壤各種養分的重要儲備庫和周轉庫,直接影響土壤功能的發揮[4-6]。高威等[7]研究表明長期施肥能顯著提高功能菌生長,改變土壤微生物區系,提升土壤質量和肥力,其中長期有機無機肥配施在改善土壤有機碳含量、土壤微生物數量、活性及微生物網絡穩定性等土壤生物指標方面明顯優于單施有機肥和單施化肥。鄒湘等[8]在長期施肥試驗研究中指出長期不同施肥模式對土壤微生物基因多樣性、氮循環相關功能微生物數、細菌群落豐富度和數量均有顯著的影響。吳榮等[9]研究證實,長期不同施肥模式下土壤微生物量氮變化介于24.7～44.6 mg/kg 之間,長期氮磷鉀配施有機廢棄物肥和氮磷鉀配施秸稈,可提高土壤微生物量氮、細菌、真菌和放線菌數量,其土壤微生物數量不僅顯著高于不施肥處理,也明顯高于長期單施化肥。丁偉等[10]通過研究有機無機肥配施、不施肥和單施化肥對土壤微生物的影響發現,有機無機肥配施處理相比單施化肥土壤中的自生固氮菌、磷細菌和鉀細菌的多樣性指數、均勻度指數和優勢度指數均較高,且微生物種群更豐富,優勢種群更突出。卜洪震等[11]以長期定位試驗站為平臺研究證實,增加施用無機氮肥會明顯降低土壤中細菌數量和土壤氨氧化細菌的種群多樣性,有機無機氮肥配施能有效維持細菌和土壤氨氧化細菌豐度的穩定,同時指出不同施肥模式對土壤微生物量氮和微生物群落多樣性有重要影響。眾多研究證實[12-13],施肥模式對土壤微生物數量和群落多樣性的影響比較復雜,因肥料種類、施用方式或不同肥料之間的配比方式而異,因此很有必要進一步加強長期不同施肥模式對土壤微生物的影響,以進一步闡明土壤各微生物類群對長期不同施肥模式響應的潛在機理。

1.2 對土壤酶活性的影響

土壤酶是土壤生態系統養分循環和代謝的主要驅動力,幾乎在所有的生化反應和物質循環中起著重要的催化作用,能靈敏反映土壤的生物活性和生化反應的活躍程度,并受環境因素和施肥的明顯影響[14]。徐文靜等[15]基于長期定位試驗研究發現,合理施肥能顯著增加土壤碳循環水解酶活性,與不施肥相比,有機無機肥配施和秸稈還田配施無機肥處理的β-葡萄糖苷酶(BG)、土壤α-葡萄糖苷酶(AG)和β-木糖苷酶(BDX)活性增加14.5%～89.1%,在酶活性提升效果方面最佳。丁維婷等[16]根據41年長期施肥試驗研究發現,單施有機肥、有機肥配施中量化肥2個處理相比不施肥、低量化肥、中量化肥、高量化肥處理均顯著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性,其中有機肥配施中量化肥處理相比單施中量化肥土壤酶活性增加了21.04%～95.74%。Islam等[17]在長期定位肥料試驗中證實脫氫酶、β-葡萄糖苷酶、纖維素酶和磷酸酶活性明顯受到長期不同施肥模式的影響,且其活性在一定范圍內隨有機肥料的增加而提高。陳文博等[18]通過長期尺度上不同比例菌渣化肥配施試驗研究發現,菌渣化肥配施處理不僅對水稻移栽前期的土壤脲酶活性有提高作用,而且增加了水稻灌漿和收獲期土壤蔗糖酶和過氧化氫酶活性,此外,隨菌渣化肥配施用量的增加酶活性呈先增高后降低趨勢。李晨華等[19]基于長期肥料試驗研究證實單施化肥處理的土壤大多數酶活性與不施肥相比無顯著變化,且降低了過氧化氫酶活性,而化肥配施秸稈處理則顯著提高了轉化酶、蛋白酶、脲酶、中性與堿性磷酸酶活性。土壤酶活性作為反映土壤中各種生物化學過程和養分轉化方向和強度的指標, 反映了土壤的綜合肥力特征,加強長期不同施肥模式對土壤酶活性影響的研究具有重要的意義。

2 對作物生長發育、光合和產量的影響

2.1 對作物生長發育的影響

采取科學合理的施肥措施有利于改善土壤生物學特性和理化性狀、提高土壤養分含量,進而影響作物的生長發育。石麗紅等[20]通過研究長期施肥方式對雙季稻生長的影響發現,有機肥無機肥配施處理的水稻根系和莖葉干重均顯著高于單施化肥和不施肥。劉高潔等[21]通過研究不同施肥處理對夏玉米生長發育主要指標的影響發現,與氮磷鉀配施處理相比,長期缺磷、缺氮、缺鉀會導致夏玉米株高、群體干物質重和葉面積指數顯著降低。肖偉等[22]通過28年長期定位施肥試驗研究發現,夏玉米平均株高受不同施肥處理影響較大,并在灌漿期處理間差異達到最大,其中有機肥配施氮肥可顯著提高夏玉米莖粗、單株綠葉面積和出葉速度。再吐尼古麗·庫爾班等[23]通過研究長期8個不同施肥處理對高粱的生長規律影響發現,有機肥與無機肥配施處理的株高、莖粗、葉片數和含糖錘度均高于其他7種施肥處理,并提出有機肥與無機肥配施是改善干旱區連作高粱生長發育的最佳施肥模式。由于作物生長發育狀態與最終產量形成密切相關,并受施肥的顯著影響,因此研究長期不同施肥模式對作物生長發育規律的影響對提高作物產量具有重要意義。

2.2 對作物光合的影響

眾多有關小麥、玉米和水稻的長期施肥試驗皆證實作物葉片凈光合速率、冠層光合有效輻射、葉綠素含量、單莖綠葉面積和葉綠素熒光參數等受施肥的明顯影響。Efthimiadou等[24]在長期施肥研究中發現有機肥(牛糞)和無機肥配施處理的玉米葉片凈光合速率和氣孔導度顯著高于單施化肥,明顯改善了玉米的光合特性。劉高潔等[21]在研究中指出長期不施肥或缺磷、缺氮、缺鉀導致作物低產或減產的主要原因之一是植株葉片光合速率下降,而NPK長期配施則可明顯提高作物的光合速率。袁穎紅等[25]在長期施肥研究中發現在不施肥、無機肥、有機肥、無機肥與有機肥配施處理中,長期施用肥料,特別是有機肥與無機肥配施可明顯提高水稻各生育期葉片凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率,而降低胞間CO2濃度。與傳統的“表觀性”的氣體交換指標相比,葉綠素熒光參數更能反映植物光合的“內在性”特征, 可以快速、靈敏和非破壞性地分析環境因子對光合作用影響的潛在機理[26-27]。王剛等[28]在研究中指出,不同NPK配比施肥處理間葉片的葉綠素熒光參數存在明顯的差異。吉春容等[29]在研究中同樣指出,氮磷鉀配施有利于提高小麥葉片初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、最大光化學效率(Fv/Fm)和實際光化學效率(ΦpsII)等葉綠素熒光參數,能明顯改善植株的光合效應。為進一步提高作物光能利用率和生產力,深入加強長期不同施肥模式對作物光合特性和葉綠素熒光影響的研究具有重要的意義。

2.3 對作物產量的影響

施肥是培肥農田土壤和保持作物高產、穩產的重要農藝措施之一。嚴君等[30]通過長期施肥試驗研究得出,相比不施肥CK,長期施用化肥主要通過提高土壤有機質、養分和pH 值增加玉米的產量,而化肥和秸桿搭配主要是改善了土壤的孔隙度和容重,從而保障了玉米產量穩定提升。石麗紅等[20]通過研究不施肥(CK)、單施化肥(MF)、秸稈還田配施化肥(RF)和有機無機肥配施(OM)對雙季稻產量的影響發現,早稻產量均以有機無機肥配施和秸稈還田配施化肥為最高,比單施化肥分別增產944.8～1143.2kg/hm2和435.9～516.1kg/hm2,晚稻產量均以秸稈還田配施化肥和有機無機肥配施為最高,比單施化肥分別增加386.2～387.4kg/hm2和119.8～123.7kg/hm2。侯紅乾等[31]再報告中指出,長期有機肥與化肥配施、秸稈還田和化肥配施可以改善土壤理化性狀, 提高肥料利用效率, 促進晚稻植株生長發育、干物質積累和明顯提高水稻產量。葛超楠等[32]利用長期定位并結合裂區肥料試驗研究發現,長期不施肥處理水稻產量逐年降低,試驗周期內降幅達34.4%,長期連續純施化肥(NPK)、測土配方純施化肥(N1PK)和測土配方有機無機混合施肥(N1PKS)處理的水稻產量比不施肥處理分別增加74.2%、89.0%和97.5%,差異達顯著水平。

3 展望

土壤質量是目前土壤學領域研究的熱點之一,它不僅關系到土壤的養分供應能力和作物生產力問題,而且涉及到區域農業和經濟的可持續發展,因此如何改善和提高土壤質量是目前農業生產中亟待解決的問題。在農業生產中土壤養分庫和質量受到成土母質、氣候條件、土地利用方式、植被變化、耕作及施肥模式等人為和自然諸多因素的影響,其中施肥是影響土壤肥力和養分供應能力的最主要因素之一。合理施肥有利于調節土壤酸堿性,改善土壤結構和理化性質,協調土壤水、肥、氣、熱諸因素,提高土壤肥力,進而改善作物生長發育,增加作物產量和提高農產品質量;但不合理施肥不僅會導致肥料利用率低,且不利于作物穩產和土壤培肥。長期的肥料投入對作物持續生產能力和土壤肥力的影響程度和趨勢一直是人類關注的重要科學問題,如何通過合理長期施肥,維持和提高土壤基礎肥力、改善作物生長發育、光合效應增加作物產量,已成為當前和未來農業生產中急需研究和解決的重要問題之一,進而為為大面積地力提升、作物穩產豐產提供科學依據和理論幫助。