生物有机肥对春小麦生理特性及土壤养分和微生物的影响

张彭良， 李 静， 王丹丹

(成都农业科技职业学院，四川成都 611130)

春小麦(spring wheat)作为三大谷物之一，在全国范围内已得到广泛的种植和引种。具有产量高、品质好、营养丰富、生态适应性广等优良特点。春小麦的这些特性和广泛的种植对于调节气候和改善农业生产具有极其重要的意义[1-2]。我国的小麦种植面积约为3×107hm2，总产量约占世界粮食作物总产量的25%以上[3]。进入21世纪，农产品生产的安全性、可持续性成为农业现代化生产的基本要求，绿色和有机农产品生产成为潮流[4-6]。在化肥革命到来之前，我国农民施肥主要靠传统粪肥，如猪圈粪、人粪尿等。随着农业现代化，农民种地更多的依赖良种和化肥，有机肥的使用越来越边缘化，一方面是农家粪肥没有了直接来源，大多数农家不再零星养猪，而且县域大规模种植单一经济作物如果树、蔬菜等，使农作物秸秆资源局部短缺，牲畜养殖受限，农民需要购买有机肥，生产开支增加；另一方面传统粪肥作用效果慢，短期不显著也是限制因素。然而随着化肥、农药及塑料薄膜等对土壤、生态和产品质量带来的负面影响越来越大，有机肥又开始受到关注[7-9]。

1 材料与方法

1.1 材料与试验田概况

试验于2014—2016年8月进行。试验地位于四川农业大学小麦试验基地，试验区面积约为1 hm2。该地区属于北亚热带季风气候，海拔679 m，年平均温度15.6 ℃，年降水量1 120.5 mm，≥10 ℃的有效积温4 780 ℃，年日照时数 1 156.9 h，无霜期284 d。试验田平坦向阳，排灌方便，肥力均匀，供试土壤质地为壤质黏土。供试春小麦品种为“扬麦12号”，千粒质量为40 g左右，种子纯度97%以上，发芽率90%以上，待小麦种子安全贮存半年度过休眠期，挑选籽粒饱满、无病虫害、大小均匀、色泽一致的种子，用80%乙醇消毒30 min，蒸馏水反复冲洗，4 ℃保存备用。分别于2014—2016年在春小麦的整个生长季进行生物有机肥处理。供试土壤质地为壤质黏土，耕层土壤黏粒含量为28.9%，土壤pH值6.2，有机碳含量为26.53 g/kg，全氮含量为1.82 g/kg。

1.2 试验设计与实施

采用完全随机设计，共设5个处理，分别为：(1)有机肥沼肥(BM)；(2)常规化肥(CF)；(3)羊粪(SM)；(4)大豆饼肥(SC)；(5)不施肥对照(CK)。每处理3次重复，共计15个小区，每个小区面积为25 m2。为消除小区间水肥相互影响，不同小区间用厚塑料布埋入1 m深土层，进行隔离处理。试验期间采取同样的管理措施，分别在播种后、开花期和灌浆期灌水3次，保证灌水量相等，自然条件生长，试验期间不追肥，定期除草，最大程度上保证其长势一致。不同处理施肥量为：不施肥(CK)；常规化肥(CF)，施尿素(含N 46%)0.42 kg/m2、过磷酸钙(含P2O512%)1.31 kg/m2、硫酸钾(含K2O 50%)0.9 kg/m2；发酵腐熟的大豆饼肥(SC)，施5.2 kg/m2；腐熟羊粪(SM)，15.4 kg/m2；沼肥(BM)，施10 kg/m2。施用量根据不同有机肥中各养分的含量并以施入的氮、磷、钾量一致为依据计算得出。试验用大豆饼肥是榨油之后的油渣，在相对湿度达到70%的条件下密封发酵40 d，作为腐熟的大豆饼肥；沼肥是经过沼气发酵的沼液与沼渣的混合物；腐熟羊粪是将粉碎的秸秆和羊粪埋于积水坑中，经过微生物厌氧发酵的混合物。不同有机肥料养分含量见表1。

表1 不同有机肥养分含量

1.3 植株样品采集与测定

2014—2016年8月中旬，按照0.5 m×0.5 m收割地上生物量，并采集足够多的成熟叶片带回实验室，65 ℃烘干至恒质量(精确到0.01 g)。

成熟期每个小区选取5～10株长势一致的春小麦，测量株高、茎粗，扫面仪测定植株叶面积指数，成熟期收割晒干后称干质量。

春小麦叶片生理特性测定：采集成熟期春小麦成熟叶片，洗净烘干，粉碎后过0.5 mm筛，混合液浸提法测定叶绿素含量(CCM-200叶绿素仪)；碳水化合物含量采用蒽酮法测定；蛋白质含量采用考马斯亮兰法测定；以牛血清白蛋白作标准，碳水化合物和蛋白质含量以占春小麦干质量的百分含量表示，叶绿素a、叶绿素b含量以占春小麦湿质量的百分含量表示，测定样品春小麦测定水分含量在82%～86%。以上各指标均取3份平行样品测量[20]。

1.4 土壤样品采集与分析

采集小麦根区土壤，重复3次，四分法取0～20 cm土壤混合样品，自然风干(20 d)，去除有机碎片后研磨过0.5 mm筛用于土壤养分测定；pH值采用电极电位法测定(1 ∶2.5土水比)；土壤容重和孔隙度采用环刀法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾氧化外加热法测定；土壤全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；土壤全氮用全自动凯氏定氮法测定；有效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；有效钾和全钾采用火焰分光光度法测定；4 ℃保存的新鲜土样采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法测定土壤微生物量碳、氮[21]。

土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定[mg/(g·d)]；土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定[mg/(g·d)]；土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定[mg/(g·d)]；土壤转化酶活性采用分光光度法测定[mg/(g·d)][19]。

土壤微生物活度：改进的FDA法[20]测定。

从单因子污染指数法评价结果可以看出，28份荸荠土壤中锌、铜和铬的污染指数均小于1，表明研究区荸荠土壤目前未受到锌、铜和铬元素的污染。从潜在生态风险评价结果来看，锌、铜和铬3种重金属均处于轻微的潜在生态风险水平，其潜在生态危害指数平均值分别为 1.11、2.25 和 0.28，潜在生态危害由强至弱为Cu＞Zn＞Cr。总体上看锌、铜和铬还处于一个较低含量水平，污染风险程度较低，基本符合荸荠安全种植的要求。

土壤微生物的周转估算：

β=(∑A)/N。

式中：β为微生物量库容值(mg/kg)；∑A为微生物量总和(mg/kg)；N为采样次数。

rb=(∑B)/β。

式中：rb为微生物量周转率(a)；B为微生物量转移量(mg/kg)。

T=1/rb。

式中：T为微生物量周转周期(a)。

F=β×ρ×h/T。

式中：F为微生物量流通量[kg/(hm2·年)]；ρ为采样土壤密度(kg/m3)；h为采样深度(m)。

1.5 数据分析

试验所测数据用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0进行显著差异分析、方差分析相关性分析，平均数间的多重比较采用Duncan’s检验方法。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对成熟期春小麦叶片生化组成的影响

叶绿素含量影响光能的吸收和转换，能反映叶片光合活性的强弱及植物对光能利用的多少。小麦在成熟期的光合性能直接影响种子所需营养的供给，对最终产量具有十分重要的意义。从图1-A可以看出，不同有机肥对小麦成熟期叶绿素含量产生不同的影响，不同施肥处理小麦叶片叶绿素a含量均显著高于CK，其中CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高41.51%、79.25%、84.91%、118.87%，SC、SM处理间差异不显著；不同有机肥处理叶绿素b含量变化趋势，以BM对叶绿素b含量的影响效果最显著，与CK相比，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高15.75%、8.22%、45.89%、50.00%，SM与BM处理间差异不显著(图1-B)。生物有机肥显著影响了成熟期春小麦叶片生化组成，CF、SC、SM、BM处理较CK叶片碳水化合物分别提高71.43%、66.67%、104.76%、142.86%(图1-C)；与CK相比，蛋白质含量也有较为显著的提高，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高19.23%、65.38%、50.00%、126.92%(图1-D)。生物有机肥处理下小麦叶片叶绿素a、叶绿素b、碳水化合物、蛋白质含量均高于CK，表明施用不同有机肥可显著提高春小麦植株叶绿素a、叶绿素b、碳水化合物和蛋白质含量。

2.2 生物有机肥对成熟期春小麦生长特性及穗部性状的影响

生物有机肥明显影响了成熟期春小麦的生长特性及穗部性状。不同施肥处理小麦株高均显著高于CK，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高17.02%、21.27%、26.71%、31.68%(图2-A)；不同施肥处理小麦茎粗呈不规则变化趋势，除SC处理外，其他施肥处理下小麦茎粗均高于CK(图2-B)；不同施肥处理下小麦叶片比叶重均显著高于CK，与CK相比，CF、SC、SM、BM处理分别较CK提高13.69%、25.29%、14.45%、32.70%(图2-C)；CF、SC、SM处理与CK叶面积指数差异不显著，BM处理叶面积指数显著高于CK(图2-D)；与CK相比，小麦千粒质量和穗粒数也有较为显著的提高，CF、SC、SM、BM处理千粒质量分别提高 7.72%、21.25%、26.35%、29.09%(图2-E)；CF、SC、SM、BM处理穗粒数分别较CK提高12.50%、5.36%、28.57%、25.00%(图2-F)。综上可知，不同施肥处理下小麦株高、茎粗(除SC处理外)、比叶重、叶面积指数、千粒质量、穗粒数均表现为BM>SM>SC>CF>CK，表明施用不同有机肥可明显促进小麦的生长及穗粒结构优化。

2.3 生物有机肥对小麦根区土壤养分的影响

生物有机肥对小麦根区土壤养分含量的影响较为显著，具体表现为生物有机肥增加了小麦根区土壤养分，不同施肥处理下小麦根区土壤有机碳含量均显著高于CK，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高31.47%、137.54%、160.11%、222.57%(图3-A)；不同施肥处理小麦根区土壤全氮含量均显著高于CK，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高 41.67%、44.79%、71.88%、147.92%，CF、SC、SM处理间差异不显著(图3-B)；不同施肥处理小麦根区土壤全磷含量均显著高于CK，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高 8.42%、29.47%、22.11%、34.74%(图3-C)，CF、SC、SM处理间差异不显著；不同施肥处理小麦根区土壤全钾含量均显著高于CK，CF、SC、SM、BM处理较CK分别提高21.43%、49.49%、46.43%、87.24%，CF、SC、SM处理间差异不显著(图3-D)；不同施肥处理小麦根区土壤速效氮含量均显著高于CK，CF、SC、SM、BM较CK速效氮含量分别提高 11.52%、30.06%、26.97%、39.89%(图3-E)；CF、SC、SM、BM处理较CK速效磷含量分别提高3.42%、35.36%、40.30%、64.26%，CF处理与CK差异不显著(图3-F)。生物有机肥处理下小麦根区土壤养分含量均高于CK，表明施用不同有机肥可明显促进小麦根区土壤养分的提高。

2.4 生物有机肥对小麦根区土壤酶活性的影响

生物有机肥对小麦根区土壤酶活性有明显的影响，生物有机肥增加了小麦根区土壤酶活性。与对照相比，CF、SC、SM、BM处理小麦根区土壤酸性磷酸酶活性提高了19.22%、16.79%、41.04%、47.95%(图4-A)，土壤脲酶活性提高了28.26%、21.74%、36.96%、82.61%(图4-B)，土壤蔗糖酶活性提高了10.72%、13.17%、29.40%、36.75%(图4-C)，土壤过氧化氢酶活性提高了3.37%、38.20%、44.94%、75.28%(图4-D)。其中，以土壤过氧化氢酶活性提高幅度最大。生物有机肥处理下小麦根区土壤酶活性均高于CK，表明施用不同有机肥可明显促进小麦根区土壤酶活性的提高。

2.5 生物有机肥对小麦根区土壤微生物量的影响

土壤微生物量是土壤肥力的重要生物学指标，能反映土壤同化和矿化能力。生物有机肥对小麦根区土壤微生物量的影响较为显著，土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)含量趋势一致，生物有机肥增加了小麦根区土壤微生物量，生物有机肥处理下小麦根区土壤微生物量碳、微生物量氮含量均显著高于CK；与对照相比，CF、SC、SM、BM处理小麦根区土壤微生物量碳含量增加了17.35%、19.44%、37.88%、65.00%(图5-A)，土壤微生物量氮含量增加了46.99%、56.28%、101.09%、134.43%(图5-B)。不同施肥处理下小麦根区土壤微生物量均表现为BM>SM>SC>CF>CK，表明施用不同有机肥可明显促进小麦根区土壤微生物量的提高。

2.6 生物有机肥对小麦根区土壤微生物活度的影响

分析结果表明，生物有机肥对小麦根区土壤微生物活度的影响较为显著，生物有机肥增加了小麦根区土壤微生物活度，生物有机肥处理下小麦根区土壤微生物活度显著高于CK，与对照相比，CF、SC、SM、BM处理小麦根区土壤微生物活度提高了 22.86%、31.43%、48.57%、94.29%(图6)。

2.7 生物有机肥对土壤微生物周转的影响

2.7.1 土壤微生物量碳的周转 土壤微生物周转对土壤有机碳和养分循环起着决定作用，对了解土壤养分供应潜力和植物养分的有效性有非常重要的意义。对照土壤微生物周转率较低，土壤微生物量碳周转率为1.49年，周转周期为1.78年，对照土壤微生物量碳在1.49年更新1次，而不同施肥处理下小麦根区土壤微生物量碳周转周期分别为1.56、1.39、1.21、1.16年，说明CF、SC、SM、BM处理土壤微生物量碳分别在1.56、1.39、1.21、1.16年更新1次(图7)。

2.7.2 土壤微生物量氮的周转 对照土壤微生物量氮周转率为1.23年，周转周期为0.79年，对照土壤微生物量氮在0.79年更新1次，而不同施肥处理下小麦根区土壤微生物量氮周转周期分别为0.82、0.78、0.83、0.84年，说明CF、SC、SM、BM处理土壤微生物量氮分别在0.82、0.78、0.83、0.84年更新1次(图8)。

生物有机肥处理的土壤微生物量碳和氮周转率比对照大，周转期比对照短，且生物有机肥量越大，微生物周转率越大，周转期越短，主要是由于生物有机肥加快了土壤微生物生长代谢，有利于养分的矿化释放，促进植物的生长。生物有机肥处理微生物量碳的流通量较大，而对照处理的流通量较小，表明生物有机肥处理后微生物生长和消亡量增加，土壤中微生物繁殖速度加快，微生物活性加强，加快了土壤中营养元素的循环，且生物有机肥用量越多效果也越明显。同时，对照微生物量碳周转期都要比微生物量氮短，说明微生物量碳更新比微生物量氮快，可能与生物有机肥含碳量高有关。

3 讨论

生物有机肥处理下春小麦株高增长快，分蘖数多，叶面积大，叶面积指数、比叶重均高于CK，表明生物有机肥在一定程度上促进了春小麦的生长，而此过程中，生物有机肥也调控了土壤健康状况(提高了土壤酶活性和土壤呼吸)，从而为春小麦生长提供了更好的条件[17-19]。春小麦籽粒主要是由光合作用合成有机物质决定，叶面积指数高有利于捕获更多的光能，生物有机肥处理下的春小麦对光照尤为敏感。发达根系是春小麦实现新陈代谢稳定增长的适应机制，本研究中生物有机肥能够提高春小麦的光合作用和新陈代谢活动， 这可能是引起春小麦增产的主要原因[17-19]。生物有机肥主要通过影响春小麦叶绿素含量而间接影响植物的光合生产能力，从而促进了叶绿素的合成，因此，生物有机肥对春小麦叶片光合生理特性影响与叶绿素含量的变化保持一致。生物有机肥处理能够增加春小麦叶绿素含量和碳水化合物、蛋白质含量，说明春小麦可能能适应更高的生物有机肥环境，同时也说明碳水化合物含量和蛋白质含量作为机体构建物质，参与营养期干物质的积累[7-9]。生物有机肥导致春小麦体内营养成分含量发生改变，对春小麦生长具有重要生态意义。

大量研究表明，生物有机肥可活化土壤养分，促进植物对养分的吸收，增加养分含量，提供干物质积累所需营养，促进营养生长和生殖生长[17，22-23]。土壤养分不仅能反映土壤营养库中养分的贮量水平，而且在一定程度上能影响有效养分的供应能力，对土壤有机碳的分解、腐殖质的形成、养分的转化及循环等过程具有重要作用。土壤酶活性是土壤养分循环和土壤微生物代谢活性的重要指标，通过分泌酶的方式参与土壤生态系统营养循环等，能够反映土壤养分累积、分解转化规律和土壤中各种生化过程的强度及其方向[17，22-23]。生物有机肥在长期分解过程中提高了土壤养分，在相同生境条件下，生物有机肥对土壤养分表现为一定程度的增加效应，还能提高土壤中微生物量碳、氮含量，缩短微生物量周转时间，加快微生物对营养元素的吸收与释放，增加微生物流通量，增强微生物活性，本结论与前人研究结果[24-26]相一致，表明合理生物有机肥有利于植被-土壤系统营养物质的循环、腐殖质的形成和土壤养分的提高。本研究结果表明，生物有机肥均显著提高了小麦根区土壤养分、酶活性和微生物量，其中以土壤微生物量的增加幅度较大，对生物有机肥体现出较大的敏感性，通过大幅度增加土壤微生物量增加其他土壤养分和酶活性，促进小麦根系对土壤养分的吸收和利用，提高有机物质积累和产量奠定了一定的基础[20，26]。同时，生物有机肥效能持续缓慢地释放有利于与作物生理需求达到同步，可有效促进作物营养代谢协调均衡，主要是由于较低的pH值增加了土壤养分的吸收和利用，在生长繁殖过程中促进土壤养分和微生物量的增加，能提高养分矿化速率和土壤养分的有效性，有利于微生物群落的生长和增殖，通过正反馈环调节而相互刺激，从而提高土壤生态系统的物质循环和能量流动。

生物有机肥对小麦根区土壤养分影响的过程较为复杂，受施肥量、施肥频率、施肥方式、施肥时间、土壤特性以及环境因子等综合影响。本研究区保证了相同的土壤基质和环境条件。研究结果表明，生物有机肥对小麦根区土壤养分各指标具有一定的增加效应，通过降低土壤pH值，促进了根区土壤养分的吸收和利用，生物有机肥处理下小麦根区在生长繁殖过程中，势必会加大对土壤中有效养分的吸收利用，表明生物有机肥能促进小麦根区土壤养分的吸收和循环，有助于土壤酶活性的提高，改善了土壤微生物量和微生物活度，可为小麦科学施肥提供理论依据。长期施用有机肥及其综合累积效应有待进一步研究。

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[1]杜金哲，李文雄，胡尚连，等. 春小麦不同品质类型氮的吸收、转化利用及与籽粒产量和蛋白质含量的关系[J]. 作物学报，2001，27(2)：253-260.

[2]王 俊，李凤民，宋秋华，等. 地膜覆盖对土壤水温和春小麦产量形成的影响[J]. 应用生态学报，2003，14(2)：205-210.

[3]李 话，张大勇. 半干旱地区春小麦根系形态特征与生长冗余的初步研究[J]. 应用生态学报，1999，10(1)：26-30.

[4]张庆江，张立言，毕桓武. 春小麦品种氮的吸收积累和转运特征及与籽粒蛋白质的关系[J]. 作物学报，1997，23(6)：712-717.

[5]雷水玲. 全球气候变化对宁夏春小麦生长和产量的影响[J]. 中国农业气象，2001，22(2)：33-36，40.

[6]王立秋，靳占忠，曹敬山. 氮肥不同追肥比例和时期对春小麦籽粒产量和品质的影响[J]. 麦类作物学报，1996(6)：45-47.

[7]Wu H S，Yang X N，Fan J Q，et al. Suppression ofFusariumwilt of watermelon by a bio-organic fertilizer containing combinations of antagonistic microorganisms[J]. Bio Control，2009，54(2)：287-300.

[8]Zhao Q Y，Dong C X，Yang X M，et al. Biocontrol ofFusariumwilt disease forCucumismelomelon using bio-organic fertilizer[J]. Applied Soil Ecology，2011，47(1)：67-75.

[9]Lang J J，Hu J，Ran W，et al. Control of cottonVerticilliumwilt and fungal diversity of rhizosphere soils by bio-organic fertilizer[J]. Biology and Fertility of Soils，2012，48(2)：191-203.

[10]Mäder P，Fliessbach A，Dubois D，et al. Soil fertility and biodiversity in organic farming[J]. Science，2002，296(5573)：1694-1697.

[11]蔺忠龙，浦 勇，郭怡卿，等. 生物有机肥对植烟土壤·烤烟生长及品质影响的研究进展[J]. 安徽农业科学，2010，38(13)：6709-6711.

[12]Zhao S，Liu D Y，Ling N，et al. Bio-organic fertilizer application significantly reduces theFusariumoxysporumpopulation and alters the composition of fungi communities of watermelonFusariumwilt rhizosphere soil[J]. Biology and Fertility of Soils，2014，50(5)：765-774.

[13]Naguib E M M，El-Baz F K，Salama Z A，et al. Enhancement of phenolics，flavonoids and glucosinolates of broccoli (Brassicaolaraceavar.italica) as antioxidants in response to organic and bio-organic fertilizers[J]. Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences，2012，11(2)：135-142.

[14]Ding C Y，Shen Q R，Zhang R F，et al. Evaluation of rhizosphere bacteria and derived bio-organic fertilizers as potential biocontrol agents against bacterial wilt (Ralstoniasolanacearum) of potato[J]. Plant and Soil，2013，366(1/2)：453-466.

[15]Rathore A L，Chipde S J，Pal A R. Direct and residual effects of bio-organic and inorganic fertilizers in rice(Oryzasativa)-wheat(Triticumaestivum)cropping system[J]. Indian Journal of Agronomy，1995，40(1)：14-19.

[16]Wu K，Yuan S F，Wang L L，et al. Effects of bio-organic fertilizer plus soil amendment on the control of tobacco bacterial wilt and composition of soil bacterial communities[J]. Biology and Fertility of Soils，2014，50(6)：961-971.

[17]王立刚，李维炯，邱建军，等. 生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的效应研究[J]. 土壤肥料，2004(5)：12-16.

[18]周莉华，李维炯，倪永珍. 长期施用EM生物有机肥对冬小麦生产的影响[J]. 农业工程学报，2005，21(增刊1)：221-224.

[19]张 辉，李维炯，倪永珍. 生物有机无机复合肥对土壤微生物活性的影响[J]. 农村生态环境，2004，20(1)：37-40.

[20]王学奎. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 2版. 北京：高等教育出版社，2006.

[21]宋秋华，李凤民，王 俊，等. 覆膜对春小麦农田微生物数量和土壤养分的影响[J]. 生态学报，2002，22(12)：2125-2132.

[22]张亚丽，张 娟，沈其荣，等. 秸秆生物有机肥的施用对土壤供氮能力的影响[J]. 应用生态学报，2002，13(12)：1575-1578.

[23]张建国，聂俊华，杜振宇. 复合生物有机肥在烤烟生产中的应用研究[J]. 植物营养与肥料学报，2004，10(4)：424-428.

[24]黄占斌，山 仑. 春小麦水分利用效率日变化及其生理生态基础的研究[J]. 应用生态学报，1997，8(3)：263-269.

[25]李 元，杨济龙，王勋陵，等. 紫外辐射增加对春小麦根际土壤微生物种群数量的影响[J]. 中国环境科学，1999，19(2)：157-160.

[26]李法云，宋 丽，官春云，等. 辽西半干旱区农田水肥耦合作用对春小麦产量的影响[J]. 应用生态学报，2000，11(4)：535-539.