有机肥替代化肥对沿淮地区稻麦轮作农田土壤微生物特性的影响

许唐萍，沈冰涛，陈 红，鲍文梅，汪 媛，曹 银，金海涛，汪建飞，吴安昌，肖 新

(1.安徽科技学院 资源与环境学院，安徽 凤阳 233100；2.安徽辉隆集团五禾生态肥业有限公司，安徽 蚌埠 233002)

土壤中的微生物种类以及酶活性是土壤养分转化的重要动力来源[1]。同时土壤有机质可以改善土壤结构，提高土壤微生物活性[2]，土壤中存在蔗糖酶、脲酶、磷酸酶，过氧化氢酶等，酶的活性与土壤中N、P、K等养分代谢密切相关[3]。

有机肥配施化肥处理长期施用影响土壤微生物量碳氮和酶活性，但土壤微生物碳以及有机质在短时间内变化不明显[4]。施用有机肥或有机肥配施无机肥能显著增强土壤微生物活性，同时大大的提升土壤肥力状况。施用有机肥可以部分解决化肥施用过量所带来的土壤养分流失[5]，土壤肥力下降等问题，而且还能直接提升土壤中养分含量，同时兼具保水保肥效果，并对小麦产量有显著增益作用。李芳等[6]实验发现，随着有机肥替代化肥的配施比例的增加，小麦产量会逐渐降低。研究表明，适当有机肥替代化肥对皖北地区夏玉米产量有显著提高[7]。孟红旗等[8]研究指出有机肥替代化肥配施可提高肥料利用率、减少环境污染、对土壤肥力有着明显的提升。李晨华等[9]研究表明，有机肥部分替代化肥长期配施，可以明显提高土壤中的蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性。

本文着眼当前稻麦轮作农田高产创建过程中肥料投入高、利用效率低、农业有机废弃物资源化利用效率不高等现状，采取田间试验，研究有机肥替代化肥最佳比例，在保障沿淮作物高产稳产的同时，实现化肥减施增效和农业废弃物资源化利用的双重目标，以期为构建安徽沿淮地区农田有机肥替代化肥最优比例提供理论和实践指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试作物：烟农15号小麦(来源：安徽皖垦种业股份有限公司)。

供试肥料: 复合肥含氮(N 15%)、磷(P2O515%)、钾(K2O 15%)(亳州司尔特生态肥业有限公司)；有机肥总养分(N+P2O5+K2O)含量≥5%，有机质含量≥45%，尿素(N 46%)(安徽养地生态科技有限公司)。

1.2 试验地概况

2017年11月10日至2018年6月9日，试验田位于安徽省淮南农场，地处于暖温带和亚热带之间的过渡带，东经116°21′～117°11′，北纬32°32′～33°0′。年平均气温约18 ℃，年日照约1944 h，年无霜期约231 d，年降水量接近888 mm，季节性降水分布比较均匀。

供试土壤的基本理化性质：PH 5.30、有机质18.20 g/kg、全氮0.82 g/kg、碱解氮73.15 mg/kg、速效磷26.56 mg/kg、速效钾132.81 mg/kg。

1.3 试验设计

试验为KB(不施肥)、CF(100%化肥)、OM100(100%有机肥)、CF40(40%有机肥+60%化肥)、CF20(20%有机肥+80%化肥)5种不同施肥处理，3次重复/处理的随机区组设计。小区面积皆为467 m2(12.36×37.75 m2)，小区间均以宽为0.5 m的田埂间隔开。根据小麦生长，基肥(2017年11月10日)、拔节肥(2018年3月16日)、灌浆肥(2018年5月5日)分别进行施肥。田间管理按照常规管理。

表1 有机肥替代化肥田间试验方案设计

1.4 样品采集与处理

分别在小麦拔节期(2018年3月15日)和收获期(2018年6月9日)进行采集土壤样品，各小区均采用5点取样，取0～20 cm耕作表层土样、并汰除石砾残体以混合样品，部分鲜样放冰盒中置于-80 ℃冰箱保存，用于土壤DNA提取以测定微生物。将另一份通风、干燥和研磨后分别过40和100目筛，以确定土壤的理化性质和土壤酶活性。

1.5 指标测定方法及处理

1.5.1 小麦产量的测定 亩穗数：每个样点采用1米双行的方法测定有效穗数(单穗结粒5粒以上)，计算1米单行穗数，并换算为亩穗数。穗粒数：在样点中随机连续抓取20个有效穗数，计数20穗的总粒数，计算单穗粒数。小麦收获期时每个小区中间采1 m2小麦成熟样品，然后晒干后脱粒称量千粒重。测产结果处理方法：产量(kg)={[亩穗数×穗粒数×千粒重(g)]/106}×0.85，以3点平均产量为该小区的平均产量。

1.5.2 土壤微生物特性的测定 土壤脲酶活性含量测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，以24 h每1 g土壤中产生的NH3-N的毫克数表示；土壤碱性磷酸酶活性含量测定采用磷酸苯二钠法，以24 h后1 g土壤中释放出的酚的质量(mg)表示；过氧化氢酶活性含量测定采用高锰酸钾滴定法，蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h每1 g土生成的葡萄糖的毫克数来表示。酶测定的同时进行无基质对照和无土对照试验，每次试验至少3次重复。

微生物量碳BC(mg/kg)=Ec/Kc，Kc表示转换系数，为0.38；Ec是熏蒸和未经熏蒸的土壤中有机碳的差异。凯氏定氮法测定微生物量氮。微生物量BN(mg/kg)=EN/kEN，其中EN是熏蒸与未经熏蒸土壤氮含量之间的差异；kEN为转换系数，取值0.45。为消除误差和土壤中其他因素的影响，重复3次，同时做无土和无基质2种对照。

1.6 数据分析与处理

用Excel 2010软件处理数据，采用SPSS 22.0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 有机肥部分替代化肥对土壤酶活性的影响

2.1.1 对土壤脲酶活性的影响 从表2可以看出，施肥与不施肥处理相比，CF、CF20、CF40、OM100，脲酶活性分别提高17.33%、15.75%、13.39%、22.05%(P<0.05)。有机肥替代化肥与单施化肥处理组相比，CF20和CF40脲酶活性分别降低1.34%、3.35%(P>0.05)，OM100处理脲酶活性增加4.03%(P>0.05)。

2.1.2 对土壤磷酸酶活性的影响 从表2可以看出，与空白处理相比，CF、CF20、CF40和OM100处理，磷酸酶活性分别提高18.87%、21.66%、20.39%、31.56%，达到显著性差异水平。与单肥处理组相比，CF20、CF40和OM100处理磷酸酶活性分别增加2.35%、1.28%、10.68%(P>0.05)。

2.1.3 对土壤蔗糖酶活性的影响 由表2可见，施肥与不施肥处理相比，CF、CF20、CF40、OM100，蔗糖酶活性分别提高0.80%(P>0.05)、6.42%(P<0.05)、10.47%(P<0.05)、5.92%(P<0.05)。与单施化肥处理组相比，CF20、CF40和OM100处理蔗糖酶活性分别提高5.57%、9.59%、5.08%(P<0.05)。

2.1.4 对土壤过氧化氢酶活性的影响 由表2可以看出，与不施肥处理相比，CF、CF20、CF40和OM100处理过氧化氢酶活性分别提高2.10%、3.89%、0.30%、2.40%(P>0.05)；与单施化肥处理组相比，CF20和OM100处理过氧化氢酶活性分别提高1.76%、0.29%(P>0.05)，CF40处理降低1.76%(P>0.05)。

表2 有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

2.2 有机肥替代化肥对土壤微生物量碳、氮的影响

由图1可以看出，供试土壤MBC变化介于189.63～230.72 mg/kg之间。与KB相比，CF、CF20、CF40、OM100处理土壤MBC含量分别增加了13.20%(P<0.05)、12.53%(P<0.05)、21.67%(P<0.05)、15.60%(P<0.05)，表明施肥可以显著增加土壤MBC含量。与单施化肥处理组相比，CF40和OM100处理SMBC含量分别增加7.48%、2.12%(P>0.05)，CF20处理降低0.58%(P>0.05)。

图1 有机肥替代化肥对土壤微生物量碳的影响

土壤MBN的变化介于20.00～23.44 mg/kg之间，与KB相比，CF、CF20、CF40、OM100处理土壤MBN含量分别增加了10.53%(P<0.05)、13.50%(P<0.05)、8.45%(P<0.05)、17.20%(P<0.05)，表明施肥可以显著增加土壤MBN含量。与单施化肥处理组相比，CF20、OM100处理土壤MBN含量分别增加2.67%(P>0.05)、6.02%(P<0.05)，CF40处理降低1.94%(P>0.05)。

2.3 有机肥替代化肥对小麦产量和产量构成的影响

由表3可知，小麦单位面积产量由高到低的施肥处理顺序依次为CF20、CF、OM100、CF40、KB处理。施肥与不施肥处理组相比，CF、CF20、CF40、OM100小麦产量分别增加31.47%、46.96%、19.45%、23.18%，差异达到显著性。有机肥替代化肥与单施化肥处理组相比，CF20处理提高11.79%(P<0.05)，CF40、OM100处理分别降低9.14%(P>0.05)、6.30%(P>0.05)。

根据产量构成因素的分析，有机肥的施用通过增加有效穗数和每穗粒数来提高单位面积产量。有机肥替代化肥与不施肥处理组相比，其提高有效穗数和穗粒数分别为1.25%～19.00%、8.07%～25.26%；其比单施化肥处理分别提高了2.81%、6.38%～12.36%；施肥与不施肥处理组相比，千粒重分别提高1.87%、1.17%、2.58%(P<0.05)，与单施化肥处理组相比，OM100处理提高0.69%(P>0.05)，CF20、CF40处理分别降低，3.22%(P<0.05)、0.69%(P>0.05)。

3 结论与讨论

3.1 结论

有机肥替代化肥与单施化肥处理组相比，OM100处理脲酶活性增加4.03%(P>0.05)，CF20和CF40处理略有降低(P>0.05)；磷酸酶活性增加1.28%～10.68%(P>0.05)；蔗糖酶活性增加5.57%～9.59%(P<0.05)；CF20和OM100处理过氧化氢酶活性提高0.29%～1.76%，CF40处理略有降低(P>0.05)。

与单施化肥处理组相比，CF40和OM100处理土壤MBC含量分别增加7.48%、2.12%(P>0.05)，CF20处理降低0.58%(P>0.05)；CF20和OM100处理土壤MBN含量分别增加2.67%(P>0.05)、6.02%(P<0.05)，CF40处理降低1.94%(P>0.05)。

有机肥替代化肥与单施化肥处理组相比，CF20处理组产量提高11.79%(P<0.05)；CF40和CF100处理与单施化肥组相比，小麦产量分别降低9.14%、6.30%(P>0.05)。

3.2 有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

综合表2结果与分析，有机肥部分替代化肥能在一定程度上增加土壤酶活性尤其以CF20为突出。长期向农田施用有机肥，可以提高土壤中脲酶、蔗糖酶、磷酸酶活性，有助于土壤微生物量增加，还有利于提高土壤有效磷含量[10-11]。而化肥所含的农作物养分太过单一，长期施化肥后，导致小麦和根部土壤未能全部吸，从而导致肥料利用率底下，并造成环境污染，同时导致土壤肥力下降。有机肥虽然使土壤中各种酶活性增高，但纯有机肥长期施用，会影响农作物产量[12-13]。陶磊等[14]证明，施用有机肥可以提高土壤中相关酶的活性，在施肥条件相同下，在一定范围内，土壤微生物酶活性伴着随有机肥施用量的增加而逐渐增强。

3.3 有机肥替代化肥对土壤微生物量碳、氮的影响

在本研究中，施肥与空白处理组相比可以增加土壤微生物量碳和氮含量，这与孙凤霞等[15]研究结果相似。有机肥与化肥配施可显著提高土壤微生物量碳和氮，这与刘恩科等[16]的研究结果一致。施肥对根系生物量和根系分泌物的直接增加，不仅增加了土壤养分，促进了微生物的生长，它还为微生物提供了充足的碳源和氮源。

3.4 有机肥替代化肥对小麦产量的影响

本研究结果表明减少部分化肥用量，使用有机肥代替不仅不会减少产量，甚至产量还会增加。与单施化肥处理相比，CF20处理单位面积小麦产量增加了11.79%，达到显著差异，与张长春等[17]研究结果相似。增加有机肥在土壤中的施用导致每株有效穗数量和每穗粒数相对高于单施化肥，但千粒重相对较低(P>0.05)，说明在农田土壤配施一定量有机肥能够增加有效分蘖，通过增加有效穗数和每穗粒数以提高单位面积小麦的产量。