腐植酸生物有机肥对土壤性质及小麦产量的影响

宋以玲 于 建 陈士更 丁方军 ，3 孙 慧 杨 诚 马学文 ，3*

1 农业农村部腐植酸类肥料重点实验室 泰安 271000

2 山东省腐植酸高效利用示范工程技术研究中心/山东农大肥业科技有限公司 泰安 271000

3 土肥资源高效利用国家工程实验室/山东农业大学资源与环境学院 泰安 271000

4 肥城市湖屯镇政府 泰安 271000

我国人均耕地面积小，土地复种指数高，因此出现了长期向耕地过度索取的现象。为了保证产量，维持作物的正常生长，在农业生产中，依靠大量化肥、农药的投入，对土壤、生态环境和农产品质量的副作用越来越大[1]。生物有机肥是一类兼具微生物肥和有机肥效应的肥料，施入土壤后不但可以增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，还能提高土壤有益微生物数量，增强土壤生物活性。大量研究表明，生物有机肥养分供应全面，可明显改善土壤团粒结构，调节根际微生物环境，提升土壤肥力，提高植株抗性，达到产量、效益双增的目的[2～7]。腐植酸是土壤腐殖质中的主要成分，与生物有机肥结合而成的腐植酸生物有机肥可提高土壤中微生物活性、增加土壤微生物数量，还可提高脲酶、磷酸酶、蔗糖酶、过氧化氢酶等土壤酶活性，进而促进植物根系生长，提高植物抗逆性[8]。高亮等[9]研究发现，施用腐植酸生物有机肥能够通过提高小白菜的光合色素含量来提高其光合制造有机物和抗病能力，最终提高了作物产量和品质；刘彩云等[10]研究发现腐植酸生物有机肥可促进小麦、水稻、空心菜等作物根系的生长和茎叶的伸展，促进生物量的合成。

我国北方地区小麦玉米轮作模式普遍存在，在小麦种植施肥过程中有机肥料缺失、秸秆还田处理不科学、施肥不合理等问题也普遍存在，严重影响着小麦的生长，降低了小麦的存活率，影响了小麦的产量[11]。目前秸秆还田种植模式开始不断得到人们的关注和发展，并且对小麦有显著的促生效果[12]，因此本研究在秸秆还田条件下，在常量和减量施肥的基础上增施腐植酸生物有机肥，探究常量和减量化肥30%后增施一定用量的腐植酸生物有机肥对小麦产量和土壤养分含量、微生物群落组成、土壤酶活性的影响。

1 供试材料

1.1 试验时间和地点

试验时间：2017年10月10日—2018年6月7日，试验地点：山东省泰安市肥城市兴润园试验田。供试土壤：褐土沙壤土。土壤基本性质：碱解氮含量为58.44 mg/kg，全氮含量为0.97 g/kg，有效磷含量为18.17 mg/kg，速效钾含量为89.33 mg/kg，有机质含量为6.78 g/kg。

1.2 试验材料

供试小麦品种：“济麦22”。

供试肥料：山东农大肥业科技有限公司微生物肥料车间提供的腐植酸生物有机肥，即含腐植酸褐煤原料与畜禽粪便按一定的比例复合发酵腐熟后添加部分功能微生物而成的生物有机肥；复合肥车间提供的复合肥。各肥料特性见表1。

表1 供试肥料的基本特性Tab.1 The characteristics of fertilizers for test

1.3 试验设计

本试验共设4个处理，每个处理4次重复，各处理见表2。每个小区50 m2，玉米秸秆打碎后，与各肥料均做底肥撒施、翻地后统一管理，期间共浇水3次、除草3次、打药1次、以确保必要的水分供给和病虫害防治，直至收获。

表2 试验设计Tab.2 The Experiment design 千克 /亩

1.4 测定方法

收获后各小区选取长势相对均匀的地方，长2 m、宽1 m的区域为一个取样点，每个小区取5个点，统计穗数和穗粒数，根据粒数求出千粒重，根据小麦产量计算公式求出理论产量。在小麦拔节期和收获期，每个小区按“S”形取样法取0～20 cm耕层土壤，混匀、晾晒、研磨、过筛，以备测土壤酶活和养分含量；每个小区按“S”形取样法取根际土壤，取回后放入冰箱，以备测土壤微生物数量。采用平板菌落计数法测根际土壤细菌数、真菌数和放线菌数[13]；土壤碱解氮采用碱解扩散法；全氮采用凯氏定氮法；有效磷采用碳酸氢钠钼锑抗比色法；速效钾采用乙酸铵火焰光度计法，有机质采用重铬酸钾容量法[14]；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法：以24 h后1g土壤中NH3-N的质量（mg）表示；过氧化氢酶采用滴定法：以24 h后1 g土壤所消耗0.1 mol/L KMnO4（37 ℃）的mL数表示；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法：以24 h后1 g土壤中所含葡萄糖的质量（mg）表示；土壤中性磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定：以24 h后1 g土壤中释放出的酚并转化为磷（P）的质量（mg）表示；土壤脱氢酶采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定：以24 h后1 g土壤中形成的三苯基甲臢（TPF）的质量（μg）表示[15]。

1.5 数据处理及分析方法

采用Excel 2003软件处理数据和绘表，采用DPS 7.05软件进行统计分析，采用最小显著极差法（LSD）进行差异显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦产量的影响

由表3可知，减量施肥（CK2）显著降低了小麦千粒重，进而降低了总产量，常量施肥（CK1）条件下，增施腐植酸生物有机肥（T1）后小麦穗数、千粒重和产量分别显著提高了8.89%、4.14%和19.04%，而对穗粒数的影响较小；减量施肥增施腐植酸生物有机肥显著提高了小麦穗数、千粒重和产量，即T2相比CK2分别提高6.69%、7.69%和9.19%，相比CK1也分别提高了6.30%、1.61%和3.88%，且穗数和产量差异显著。结果表明，增施腐植酸生物有机肥主要通过提高有效穗数和千粒重来提高产量，且在减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥，不但没有减产，还具有显著增产效果。

2.2 不同处理对小麦根际土壤微生物数量的影响

表3 不同处理对小麦产量的影响Tab.3 Effects of different treatments on wheat yield

由图1可知，各处理根际土壤细菌数＞放线菌数＞真菌数，其中减量施肥与常量施肥处理的根际土壤微生物组成和数量相近且无显著差异，而常量施肥与减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥均显著提高了拔节期和成熟期根际土壤细菌数和放线菌数，与CK1相比，拔节期细菌数分别提高了43.14%和39.63%，放线菌数提高了20.60%和8.40%；成熟期细菌数分别提高了44.40%和32.82%，放线菌数提高了20.12%和22.49%，而真菌数在拔节期显著降低了16.40%和16.88%，成熟期显著降低了14.65%和12.12%。结果表明，不同施肥条件下增施腐植酸生物有机肥可通过改变根际微生物的组成和数量来改善根际微域环境。

2.3 不同处理对小麦根际土壤脲酶活性的影响

图1 不同处理对根际土壤微生物的影响Fig.1 Effects of different treatments on microorganisms in rhizosphere soil注：图中不同小写字母表示差异显著（P<0.05），下同。

土壤脲酶可将酰胺态氮转化为铵态氮，其活性高低反映土壤有机态氮向有效态氮的转化能力和土壤无机氮的供应能力，与土壤氮素水平及氮素形态转化息息相关，它与土壤有机质含量呈正相关。由图2可见，拔节期常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥，降低了土壤脲酶活性，而减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥后土壤脲酶活性显著提高了22.41%，同时CK2与CK1相比，其脲酶活性也显著提高了20.83%；到成熟期，不同施肥条件下，增施腐植酸生物有机肥均显著提高了脲酶活性，其中T1与CK1相比，显著提高了31.03%，T2与CK2相比，显著提高了22.41%，且T1处理处于最高值。结果表明，不同生育期和不同施肥条件下，增施腐植酸生物有机肥对土壤脲酶活性影响不同。

2.4 不同处理对小麦根际土壤中性磷酸酶活性的影响

土壤中性磷酸酶能加速有机磷的脱磷速度，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解、转化及生物有效性。由图3可见，不同施肥条件下，增施腐植酸生物有机肥均显著提高了拔节期和成熟期土壤中性磷酸酶活性，其中T1与CK1相比，分别提高了10.37%和6.76%，T2与CK2相比分别提高了18.27%和24.35%。结果表明，减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥对土壤中性磷酸酶活性的提高效果优于常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥的效果。

2.5 不同处理对小麦根际土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性

图2 不同处理对土壤脲酶活性影响Fig.2 Effects of different treatments on urease activity in soil

图3 不同处理对土壤中性磷酸酶活性影响Fig.3 Effects of different treatments on neutral phosphatase activity in soil

土壤过氧化氢酶与土壤呼吸强度和土壤微生物活动相关，表征土壤氧化过程的强度及肥力状况，有机质含量高的土壤，过氧化氢酶活性较强；土壤脱氢酶能催化有机物质脱氢，反映土壤微生物新陈代谢的整体活性，与土壤中微生物的氧化能力呈正相关。由图4可见，与常量施肥相比，除成熟期减量施肥处理外，其余减量施肥（拔节期）和增施腐植酸生物有机肥（拔节期和成熟期）均显著提高了土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性。与CK1相比，拔节期CK2、T1、T2过氧化氢酶活性提高了23.84%、32.00%、22.56%，脱氢酶活性提高了8.48%、28.89%、39.47%；成熟期过氧化氢酶活性提高了6.77%、2.87%、5.93%，除CK2外，T1和T2的脱氢酶活性提高了37.85%、15.60%。结果表明，腐植酸生物有机肥对提高土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性有显著效果。

2.6 不同处理对小麦根际土壤蔗糖酶活性的影响

图4 不同处理对土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性影响Fig.4 Effects of different treatments on catalase and dehydrogenase activity in soil

土壤蔗糖酶能促进土壤中蔗糖水解生成葡萄糖和果糖，其活性高低与土壤中腐殖质、有机碳含量以及土壤微生物的数量及活性密切相关。由图5可见，常量施肥、减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥均显著提高了拔节期和成熟期土壤蔗糖酶活性，即T1与CK1相比，分别提高了54.17%和11.95%，T2与CK2相比，分别提高了8.39%和13.34%。结果表明，拔节期时，常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥对土壤蔗糖酶活性提高最为显著，但在成熟期，减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥对土壤蔗糖酶活性的提高效果更明显。

2.7 不同处理对土壤碱解氮和全氮含量的影响

图5 不同处理对土壤蔗糖酶活性影响Fig.5 Effects of different treatments on invertase activity in soil

由图6可见，土壤碱解氮与土壤全氮的变化趋势相同，减量施肥后显著降低了小麦拔节期和成熟期土壤碱解氮和全氮含量，常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥对拔节期碱解氮和全氮的影响较小，到成熟期分别显著提高了4.97%和12.37%，而减量施肥条件下出现了相反的结果，即拔节期碱解氮提高了2.32%，全氮显著提高了21.18%，而对成熟期土壤碱解氮和全氮的影响较小。结果表明，减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥可在小麦快速生长发育期间提高氮素含量，以备作物快速生长所需。

2.8 不同处理对土壤有效磷和速效钾含量的影响

图6 不同处理对土壤氮素含量的影响Fig.6 Effects of different treatments on nitrogen content in soil

由图7可见，常量和减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥显著提高了拔节期和成熟期土壤有效磷和速效钾含量，即T1与CK1相比，有效磷含量提高了24.84%和64.62%，速效钾含量提高了8.78%和9.40%，T2与CK2相比，有效磷含量提高了71.31%和75.77%，速效钾含量提高了10.86%和16.10%。结果表明，增施腐植酸生物有机肥对小麦生育后期土壤速效养分的影响较前期明显，且减量施肥处理下的效果较常量施肥明显。

2.9 不同处理对土壤有机质含量的影响

图7 不同处理对土壤有效磷和速效钾含量的影响Fig.7 Effects of different treatments on contents of available phosphorus and available potassium in soil

由图8可见，减量施肥对土壤有机质含量影响较小，拔节期与成熟期时CK2与CK1之间均不存在差异；拔节期各处理土壤有机质含量高于成熟期；而增施腐植酸生物有机肥显著提高了土壤有机质含量，其中T1和T2与CK1相比，拔节期土壤有机质含量分别显著提高了17.57%和17.09%，成熟期分别显著提高了31.43%和26.12%。结果表明，增施腐植酸生物有机肥是提高土壤有机质的有效途径。

3 结论与讨论

图8 不同处理对土壤有机质含量的影响Fig.8 Effects of different treatments on organic matter content in soil

本研究发现减量施肥显著降低了小麦千粒重，增施腐植酸生物有机肥显著提高了小麦穗数、千粒重和产量，且产量高于常量施肥处理。常量施肥下增施腐植酸生物有机肥的增产率为19.04%。主要是2018年鲁西南地区小麦生育期受干旱、冻害严重，增施腐植酸生物有机肥提高了土壤微生物数量，改善土壤团粒结构，同时改善根际微域环境，促进根系的生长，进而提高了小麦的抗旱、抗寒能力，保证了小麦的产量[16，17]。

土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分，在维持土壤养分循环、土壤生态系统稳定性和可持续生产中发挥着主要作用[18]。然而随着化肥农药长期大量施用，导致土壤板结，有机质含量降低，土壤微生物群落平衡遭到破坏，土壤由“细菌型”变为“真菌型”从而降低土壤肥力，出现严重的土传病害和连作障碍[19，20]。本研究发现，常量施肥与减量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥均显著提高了拔节期和成熟期根际土壤细菌数和放线菌数，降低了真菌数，柳影等[21]和李迪秦等[22]研究也发现了类似的结果。在秸秆还田的基础上配施不同微生物发酵腐熟而成的腐植酸生物有机肥不但可以直接供给土壤大量有机质，肥料中的有益微生物还可分解土壤中的枯枝烂叶和动植物残体，间接增加了土壤有机质和腐植酸含量[23]；在调节土壤C/N比的同时，为微生物生长繁殖提供优良的环境，且腐植酸生物有机肥中的功能微生物数量较多，形成优势菌群，并通过生物间的竞争和分泌代谢作用，降低有害菌的繁殖和病原菌的侵染[24]，同时有益微生物与根系形成互惠互利的共生关系，促进根系发育，提高小麦抗逆性，最终实现改土增产的效果[25]。高亮等[26]研究发现，腐植酸生物有机肥在提高葡萄单穗重、单粒重、果实硬度、可溶性固形物、还原糖含量的同时改善了葡萄的色泽、风味，提高了产量和经济效益。

土壤酶主要来源于土壤微生物和作物根系分泌物，其活性与土壤微生物活性和土壤养分含量密切相关，是反应土壤肥力水平的重要指标。本研究发现，拔节期常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥，降低了土壤脲酶活性，减量施肥条件下出现了相反的结果，到成熟期增施腐植酸生物有机肥均显著提高了脲酶活性。此外，增施腐植酸生物有机肥还显著提高了拔节期和成熟期土壤中性磷酸酶、过氧化氢酶、脱氢酶和蔗糖酶活性。除拔节期常量施肥条件下增施腐植酸生物有机肥降低了土壤脲酶活性外，其余结果与宋震震等[27]研究结果类似。氮素属于易淋失养分，小麦生育初期，常量施肥条件下，氮素供给水平较高，脲酶活性过高会导致氮素淋失，因而此时期增施腐植酸生物有机肥对土壤碱解氮和全氮的影响较小，而到成熟期分别显著提高了4.97%和12.37%，减量施肥条件下出现了相反的结果。这可能是小麦生育前期，常量施肥所释放的氮素可充分满足小麦对氮素的需求，因此增施腐植酸生物有机肥对土壤氮素含量的影响较小，而后期作物在生长过程中消耗了大量养分，为补充生长所需氮素营养，提高了土壤脲酶活性，加速了氮素的释放；减量施肥后，氮素含量相应减少，不能满足小麦生长所需，增施腐植酸生物有机肥激活了土壤脲酶活性，提高了氮素供给水平。

廖萍等[28]研究发现，等养分条件下生物有机肥与化肥配施可以提高双季稻土壤有效磷和速效钾含量，孙耿等[29]研究同样发现了类似的结果。本研究结果表明，增施腐植酸生物有机肥显著提高了拔节期和成熟期土壤有效磷和速效钾含量，且成熟期效果较拔节期明显，这一方面可能是土壤酶活性受土壤养分含量的影响，养分较高时，脲酶和磷酸酶活性较低，随着养分含量的降低，脲酶和磷酸酶活性不断被激活、升高，进而分解、释放植物所需氮素和磷素；另一方面腐植酸生物有机肥中的大量有机质和氮磷钾等营养物质为微生物生命活动提供了充足的养分和能量，增加了土壤微生物种类和数量[30]，增强了土壤微生物的代谢、分泌功能，进而提高了各土壤酶活性，降低了因土壤内过氧化物累积而对植物造成的氧化损伤，维持了土壤内有效养分的供给水平，同时通过提高蔗糖酶的活性来提高了土壤的腐熟度。

综上所述，常量施肥和减量施肥条件下，增施腐植酸生物有机肥提高了土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾、土壤酶活性以及根际土壤细菌和放线菌数，最终提高了小麦产量，在减量复合肥30%条件下每亩增施120 kg的腐植酸生物有机肥，其产量与常量施肥相比提高了3.88%，为有机肥替代化肥提供了强有力的实践依据。