不同培肥方式对宁夏旱作区土壤肥力的影响

周 艳，马 琨，冶秀香，杨金娟，牛红霞，马 玲

(1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏大学 西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川 750021)

土壤肥力是土地生产力的核心[1]，土壤有机质质量分数高低在保持土壤肥力、改善土壤质量等方面具有重要作用[2]。施肥作为一种常见的农业管理措施，是影响土壤有机碳转化和累积的重要影响因素[3-4]。有机、无机肥配施是提升土壤肥力的最佳措施[5-6]；相关研究表明，较单施氮、磷、钾肥相比，氮、磷、钾肥与有机肥配施能显著提高土壤有机碳质量分数[7]；玉米秸秆配施化肥能够显著提高土壤总有机碳和轻组有机碳的质量分数；潮土上单独施用化肥对土壤有机碳的响应远远不及有机和无机肥配合施用[8]。因此，农田合理培肥方式是影响土壤有机碳质量分数显著变化的主要管理措施[9]。

土壤微生物在维持土壤肥力、调节土壤养分循环等过程中发挥着重要作用[10-11]。有研究表明，施肥对土壤微生物种群、组成和功能均有显著影响，有机和无机肥配施提高土壤微生物的活性[12]。有机肥与化肥配施，稻田土壤细菌、真菌和放线菌数量分别提高38.07%、9.9%和27.01%，有机碳质量分数提高60.47%[13]。有机肥、化肥配施显著提高了土壤总PLFAs质量分数；除真菌外，土壤总PLFA以及细菌、放线菌均与土壤有机碳质量分数呈显著正相关[14]。

宁夏中部干旱区，年均降水量仅200～300mm，旱地农业在区域内占主导地位，该区域土壤有机碳质量分数偏低，农业生产力水平低，是导致农业落后的主要原因[15]。在水资源相对紧缺的情况下，利用传统有机与无机结合的培肥方式如何影响土壤理化及生物学性状并提升土壤肥力？与化肥配施下，外源有机物输入数量的高低对土壤微生物群落结构组成的影响如何？因此，以宁夏中部干旱区连续7a有机与无机肥定位培肥试验农田土壤为研究对象，探讨不同培肥措施对土壤微生物群落及土壤理化性状影响的演变规律及其相互关系，为促进区域农业可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于宁夏同心县王团镇旱作节水示范园区(105°59′E，36°51′N)。该区域属于中温带干旱大陆性气候，年均降雨量200 mm，年均蒸发量2 325 mm，供试土壤为灰钙土。试验前耕层土壤(0～20 cm)基础理化性状为：有机碳2.77 g/kg，全氮0.25 g/kg，全磷0.45 g/kg，有效磷10.86 mg/kg，速效钾97.08 mg/kg，碱解氮11.06 mg/kg，pH 8.74。

1.2 试验设计

试验开始于2011年4月，采用单因素随机区组试验，小区面积为90 m2(15 m×6 m)。采用马铃薯(Solanumtuberosum)-马铃薯-油用向日葵(HelianthusannuusLinn.) -马铃薯-油用向日葵-玉米(ZeamaysLinn.)-玉米轮作，滴灌。设6个处理，重复3次。处理1(T0)：不施肥；处理2(T1)：单施化肥(氮、磷、钾肥配施)；处理3(T2)：化肥(氮磷钾肥)+牛粪(牛粪年施用量为37 500 kg/hm2，折合有机碳年施用量为10 110 kg/hm2，全氮15.54 g/kg、全磷2.60 g/kg、全钾13.10 g/kg；处理4(T3)：化肥(氮磷钾肥)+羊粪(羊粪年施用量为37 500 kg/hm2，折合有机碳年施用量为12 555 kg/hm2，全氮20.78 g/kg、全磷2.79 g/kg、全钾18.52 g/kg)；处理5(T4)：化肥(氮磷钾肥)+生物有机肥(生物有机肥年施用量为1200 kg/hm2，折合有机碳年施用量为210 kg/hm2)；处理6(T5)：化肥(氮磷钾肥)+黄腐酸钾(黄腐酸钾年施用量为1 200 kg/hm2，折合有机碳年施用量为350 kg/hm2)。马铃薯、玉米作物氮、磷、钾配比为12∶6∶7(质量比)，施用量分别为尿素(N)391.35 kg/hm2、重过磷酸钙(P2O5)195.6 kg/hm2、硫酸钾(K2O)210 kg/hm2；油用向日葵氮、磷、钾配比为12∶6∶4(质量比)，施用量分别为尿素(N) 391.35 kg/hm2、重过磷酸钙(P2O5)195.6 kg/hm2、硫酸钾(K2O)98 kg/hm2。 70%的化学氮肥及全部磷、钾肥和有机肥作基肥，剩余30%的氮肥作追肥，各施肥处理中化肥的氮、磷、钾总量相同。

1.3 土壤取样

2017年秋季作物收获时，采用多点取样法采集0～20 cm土层土壤样品，各小区土壤样本独立，放入冰盒带回实验室。过1 mm筛，存放于 -40 ℃冰箱，用于磷脂脂肪酸分析；部分土样风干后用于土壤理化性质测定。

1.4 测定方法

土壤有机质采用重铬酸钾——外加热法，全氮采用半微量凯式法，碱解氮采用碱解扩散法，全磷采用HClO4-H2SO4，速效磷采用NaHCO3-浸提钼锑钪比色法，土壤速效钾采用NH4OAc-浸提火焰光度法，土壤pH的测定采用V(水)∶m(土)=1∶5的水土比[16]；土壤机械组成使用英国马尔文公司的 Mastersizer 3000(英国)激光粒度仪测定。土壤微生物群落结构测定方法采用磷脂脂肪酸标记法，提取和分析过程参照魏常慧等[17]的相关研究，各脂肪酸成分通过MIDI Sherlock脂肪酸图谱微生物鉴定系统分析。

1.5 数据统计

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据处理，利用DPS 7.05软件进行单因素(LSD)方差分析，比较各处理之间的差异显著性(P<0.05)，采用 Canoco 5.0软件进行多元分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤培肥方式对土壤理化性状的影响

由表1可见，连续培肥7 a后，培肥管理措施显著影响土壤pH。与对照(T0)相比，单施化肥处理土壤pH显著下降2.11%；化肥配施牛粪(T2)、羊粪(T3)等较高量外源有机物处理下，土壤pH则下降2.20%和4.17%，有显著差异；化肥与生物有机肥、黄腐酸钾等低量外源有机物配施处理土壤pH显著下降2.81%和1.76%。化肥配施牛粪(T2)、羊粪(T3)与化肥配施生物有机肥、黄腐酸钾处理(T4、T5)相比，土壤pH分别下降0.61%～1.22%、1.71%～2.32%，但各处理间无显著差异。有机、无机肥相结合的培肥措施下，土壤有效磷质量分数呈显著增加趋势，与对照(T0)相比，化肥+牛粪、化肥+羊粪(T2、T3)处理，土壤有效磷分别增加2.13、3.06倍，两者无显著差异；单施化肥、化肥与生物有机肥、黄腐酸钾配施处理下，土壤有效磷较对照显著增加 54.2%、70.1%、96.67%。与T0相比，有机、无机肥配施措施均降低了土壤碳氮比(C/N)，土壤C/N比的下降幅度平均为22.88%～33.23%。

由表1可以看出， T1、T2、T3、T4、T5处理与对照(T0)相比，土壤全氮分别提高了37.5%、87.5%、106.25%、50%和56.25%，土壤碱解氮也表现出与土壤全氮类似的变化规律。可见，有机与无机培肥措施能整体增强土壤碳、氮的容量和强度，尤以化肥配施高量外源有机碳(T2、T3)的效果最佳。

表1 不同土壤培肥方式对土壤理化性状的影响Table 1 Change of soil physical and chemical properties at different soil fertilization patterns

注:数值为“平均值±标准差”。同列数值后不同字母表示处理间差异达5%显著水平，下同。

Note：Data were presented as “mean±SD”.Data with different lowercase letters within a column indicated significant difference at 5% level,the same below.

2.2 不同土壤培肥方式影响下的土壤有机碳累积特征

由图1可见，土壤有机碳质量分数随培肥年限的延长呈逐步上升趋势。试验开始前3 a土壤有机碳的增幅较小，累积速率较为缓慢。持续培肥3 a后，土壤有机碳的质量分数呈持续上升趋势，尤其以化肥与牛粪(T2)、羊粪(T3)配施效果最为显著。经过连续7 a定位培肥，不同施肥处理之间土壤总有机碳质量分数产生了明显的差异。与T0相比，较高量外源有机碳输入下，T2和T3处理土壤总有机碳的质量分数分别增加了24.75%和25.97%，年有机碳的累计速率平均为0.35 g/kg和0.40 g/kg。低量外源有机碳配施化肥情况下，化肥配施生物有机肥(T4)、化肥配施黄腐酸钾(T5)后土壤有机碳质量分数分别达到4.84 g/kg和4.76 g/kg，较对照(T0)分别提高5.45%和3.57%。此外，化肥与牛粪(T2)、羊粪(T3)配施下土壤有机碳质量分数较化肥与生物有机肥(T4)、黄腐酸钾(T5)配施，分别提高了 1.26～1.28倍、1.28～1.30倍。

图1 不同施肥处理对土壤有机碳累积的影响Fig.1 Effects of different fertilization patterns on soil organic carbon accumulation

2.3 不同土壤培肥方式对土壤机械组成的影响

由表2可见，土壤机械组成主要集中分布在2 μm和50 μm粒径的土壤颗粒上，两者所占比例可达80%左右。统计结果显示：有机、无机培肥方式能提高土壤粒径在0.01 μm、2 μm、250 μm的组成比例；其中化肥与牛粪(T2)、羊粪(T3)、生物有机肥(T4)配施对粒径在250 μm的土壤颗粒所占比例影响最大。有机、无机肥配施处理下，土壤粒径为50 μm、100 μm颗粒所占百分数呈下降趋势，且以化肥配施牛粪(T2)、羊粪(T3)以及生物有机肥(T4)配施处理下降最为显著；这与土壤粒径为0.01 μm、2 μm、250 μm的组成所占比例的变化趋势恰好相反。耕层土壤颗粒组成中粉粒质量分数最高，达到56.12%～ 57.18%；砂粒质量分数次之，为35.21%～ 36.77%；粘粒质量分数最低，仅为6.59%～ 7.75%。土壤粉粒与粘粒质量分数在不同处理下无明显差异。可见，化肥配施有机肥的持续耕作栽培管理会对不同粒径的土壤颗粒产生影响。

表2 不同培肥方式下土壤机械组成的变化Table 2 The composition changes of soil particles in different fertilization patterns %

2.4 不同培肥方式对土壤微生物群落结构组成的影响

PLFAs是所有活细胞膜的主要组成部分，能定量反映可繁殖或有潜在繁殖能力的不同类群微生物生物量和总生物量[18]。由表3可以看出，土壤总磷脂脂肪酸变化范围为19.42～41.55 nmol/g，施肥有利于增加以PLFAs表征的土壤微生物生物量。与T0相比，土壤总磷脂脂肪酸增幅为16.79%～113.96%；其中，化肥配施牛粪(T3)、化肥配施羊粪(T4)与T0间差异显著 (P<0.05)。有机、无机肥配施有利于提高土壤中细菌、真菌和放线菌生物量；与对照相比，增幅分别为19.97%～141.86%、19.17%～ 137.06%、 0.57%～141.95%。与单施化肥相比，化肥配施较高量外源有机碳(T2、T3)下，土壤细菌、真菌、放线菌生物量也分别提高 36.78%～60.77%、28.68%～76.39%、23.51%～31.98%。

表3中，土壤革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比值表现降低的趋势。与对照相比，化肥与牛粪、羊粪配施处理均降低革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比值，下降幅度达41.4%～53.8%，其中化肥与牛粪配施处理下降趋势较为显著。单施化肥、化肥与生物有机肥、黄腐酸钾配施处理下降幅度不大，主要的施肥处理之间无显著差异；不同处理之间真菌/细菌间比值无明显差异。可见，单施化肥、化肥配施有机肥均能在一定程度上影响土壤微生物群落的组成，其变化幅度明显受外源有机碳数量输入高低的影响。

表3 不同施肥处理对土壤微生物PLFA质量摩尔浓度的影响Table 3 Effects of different treatments of combined application of inorganic and organic fertilizer on soil microbial communities structure marked by PLFAs nmol/g

2.5 土壤微生物群落结构与土壤主要理化性状间的相互关系

主成分分析结果表明(图2)，第一、第二排序轴能够分别在贡献率34.09%、36.28%上解释不同培肥措施下土壤微生物群落结构变化(图2-A)。各处理空间位置比较分散，说明不同培肥措施对微生物群落结构产生了不同响应。以PLFAs表征的土壤细菌、真菌、放线菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、土壤总的微生物生物量均与土壤全氮、全磷、速效磷和碱解氮、土壤有机质质量分数有正相关关系；土壤pH与土壤革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌生物量的比值呈正相关；与土壤细菌、真菌、放线菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌、土壤总磷脂脂肪酸生物量呈负相关。可见，全氮、全磷、速效磷和碱解氮、土壤有机质是影响土壤微生物群落的主要因素，较高的土壤pH对微生物代谢有一定抑制作用。分析土壤微生物群落组成与土壤机械组成间的相关关系(图2-B)，结果表明：主要影响因子能在累积贡献率91.61%上解释有机、无机培肥影响下土壤机械结构组成与微生物群落组成间的相互关系。与对照(T0)相比，T2、T3处理下土壤机械组成变化趋势一致，T4、T5处理下土壤颗粒分布较相似，单施化肥对土壤机械组成空间分布无明显影响。化肥与牛粪、羊粪配施能够促进粘粒、粉粒土壤的形成，降低砂粒土壤所占比例，而土壤主要微生物类群结构与粉粒、粘粒土壤均呈正相关关系。化肥与较高量外源有机碳配施有利于土壤结构的变化，可能为土壤微生物群落结构组成的变化提供良好的土壤生态环境。

图2-A.为土壤微生物群落与土壤理化性质间的RDA分析 Figure 2-A shows the RDA analysis between soil microbial community and soil physical and chemical properties；图2-B为土壤微生物群落与土壤颗粒组成间的多元分析图 Figure 2-B is a multivariate analysis diagram of soil microbial community and soil particle composition；图(2-A)中TN，全氮：TP，全磷：AM，有机质：AN，碱解氮：AP，速效磷：AK，速效钾：细菌， Bacteria：放线菌， Act：真菌， Fungi：G+，革兰氏阳性菌：G-，革兰氏阴性菌：T-PLFA，总磷脂脂肪酸.Figure (2-A) TN, total nitrogen: TP, total phosphorus: AM, organic matter: AN, alkali-hydrolyzed nitrogen: AP, available phosphorus: AK, available potassium: G+, gram-positive bacteria: G-, gram-negative bacteria: T-PLFA, total phospholipid fatty acid.图(2-B)中Sand，砂粒;Clay，粘粒;Silt，粉粒

图2 土壤微生物群落与土壤化学性质间的RDA分析(A)及与土壤颗粒组成间的多元分析(B)
Fig.2 Multivariate analysis of soil microbial community(A) and soil chemical properties(B)

3 讨 论

3.1 培肥方式对土壤理化性状的影响

3.2 土壤培肥方式对土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物群落在维持土壤肥力方面发挥着重要作用，是评价土壤健康的指标[27]。不同肥料长期施用促使土壤养分质量分数和微环境发生变化，从而诱导土壤微生物群落结构和生物量发生改变。其中，有机碳质量分数是影响土壤微生物群落主要环境因子[28]。本研究发现，施肥均提高土壤真菌、细菌、放线菌及总微生物的生物量，以化肥与牛粪、羊粪配施最为显著。分析认为，这主要与土壤碳质量分数的增加有关，土壤碳的养分利用率越高，微生物生物量越大，微生物活性越强[29]。Blagodatskaya等[30]的研究也表明，每年投入肥料中的外源碳和碳有效性的逐渐增加可以刺激土壤微生物生长和活性增强，这可能是由于施入土壤中的肥料通过刺激植物根系的生长及根系分泌物的输出，为土壤输入大量新鲜碳源[31]，这都与Sradnick等[32]的研究结果一致。可见，有机碳在维持土壤微生物生态方面起着重要的作用。研究中，土壤微生物群落均与土壤全氮、全磷、速效磷和碱解氮有正相关关系；这说明，土壤全氮、全磷、速效磷和碱解氮是影响微生物生长和活性的主要能源和营养因子，这与曹志平等[33]的研究结果一致。

周晶等[34]的研究指出，长期施氮肥不利于土壤细菌的生长，主要是由于施肥改变了某些土壤养分有效性进而影响微生物群落。本试验中，与不施肥相比，施肥均提高了革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的微生物量，却降低了革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比值；其中化肥配施牛粪、羊粪处理两者比值下降幅度较大，这可能是由于外源高量有机碳的输入，导致了土壤pH的改变，从而影响了土壤微生物对土壤微生境的适宜性变化。这种土壤微生态环境的变化更有利于土壤细菌中革兰氏阴性菌的生长和繁殖，进而增加了革兰氏阴性菌的竞争优势[35]。Geisseler等[36]研究也显示，在水稻系统中，化肥的施用对特定微生物群(例如革兰氏阳性或阴性细菌，真菌，放线菌)的影响是通过改变土壤性质来影响微生物群落组成；特定的微生物类群对化肥施用的响应主要取决于土壤环境因素的变化。这也就解释了为什么土壤微生物群落结构组成对有机与无机培肥措施会产生明显的响应。

4 结 论

有机与无机相结合的施肥措施均显著降低土壤pH、C/N比值，增加了土壤有机碳的累积及土壤全氮等养分质量分数；化肥与牛粪、羊粪配施的施肥方式对提高土壤有机碳及养分质量分数效果最显著。

有机与无机相结合的施肥措施改变了土壤微生物群落结构组成；土壤有机碳质量分数及pH是影响微生物群落结构的重要因素。中长期培肥下，化肥与牛粪、羊粪等高量外源有机碳配施，在提高土壤养分有效性的同时明显影响了以PLFA所表征的土壤微生物群落结构；对于提高土壤肥力、保持土壤微生态系统健康和改善土壤可持续性发展具有重要作用。