长期定位不同施肥方式对土壤肥力和微生物的影响

吴 荣，刘善江，孙 昊，李亚星，马 良，白 杨

（北京市农林科学院植物营养与资源研究所，北京 100097）

土壤微生物控制着土壤生态系统中各种生化过程的强度和方向［1-2］，在土壤生态系统中起着重要的作用。土壤微生物学特征表征土壤质量的变化［3］，作为评价土壤肥力和土壤质量状况的指标，已愈来愈成为人们研究的热点［4-5］。土壤微生物活性受外界影响因素较多［6-7］，特别是施肥方式的不同，国内外的研究者认为，施用有机肥或者长期施用化肥配施有机肥或秸秆能明显提高土壤细菌、真菌、放线菌数量以及微生物量氮［8-11］；然而也有学者表明了不同观点，认为化肥配施有机肥能够增加细菌数量，但同时减少土壤真菌数量［12］，或者施肥对微生物特性不会造成明显效果［13］。土壤微生物数量及性状受不同的施肥方式的影响，但迄今为止，结果不尽相同，所以有必要了解不同的施肥方式对土壤微生物性状的影响。

施肥是影响土壤物理、化学性质以及农业可持续利用的措施之一，而且还改变土壤微生物学特性。但以往的学者多集中在化肥或者有机肥对土壤性状的影响，很少提及有机废弃物堆肥，特别是长期不同的有机废弃物肥对土壤肥力和微生物特性的影响更鲜见报道。有机废弃物作为肥料施入农田，可减少化肥和农药的用量，并且有机废弃物肥中含有的物质对土壤质量和肥力的提高具有极为重要的影响［14］，也能够改善作物品质［15-16］。因此通过研究化肥配施不同有机废弃物对农田土壤物理性质、土壤肥力和土壤微生物数量变化的影响具有重要的意义。本研究以位于北京市房山区农科所，于2007 年开始的长期定位试验站为平台，采用大田试验，探讨长期不同施肥方式对土壤微生物量氮、微生物数量的影响及其与土壤肥力的关系，为建立科学的施肥制度，提高土壤质量，实现农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于北京市房山区良乡镇的长期定位试验站中进行。基地位置纬度为39°40′，经度是116°08′，海拔39.2 m。长期定位试验站始于2007年，种植制度采用冬小麦-夏玉米轮作模式。试验开始时耕层土壤理化性质为，有机质含量12.6 g/kg，全氮含量0.75 g/kg，有效磷6.04 mg/kg，速效钾56.4 mg/kg，pH 值8.21。

1.2 供试材料

供试作物：玉米品种为京单28。

供试肥料：供试化学肥料为普通尿素、缓释尿素、磷酸一铵、氯化钾。供试有机肥为污泥肥、垃圾肥、鸡粪和作物秸秆，其中鸡粪肥料和垃圾肥料为商品肥。垃圾肥的生产原料主要是生活垃圾，物质组成包括蔬菜及果皮、蛋壳、尘土等。供试有机物料养分见表1。

表1 供试肥料化学性质

1.3 试验设计

试验设8 个处理，3 次重复，共计24 个小区，小区面积80 m2，随机排列，具体试验设计见表2。肥料用量设计：N：180 kg/（hm2·季）；P2O5：90 kg/（hm2·季）；K2O：90 kg/（hm2·季）。施肥方式：所有施肥处理均实行等氮处理，磷钾使用量不低于现用量，有机肥料（垃圾肥、鸡粪、污泥）、磷肥、钾肥均用作基肥，2/3 普通氮肥用于基肥，1/3普通氮肥用于追肥，缓释氮肥用于基肥。

表2 试验方案

1.4 取样及样品处理

2017 年10 月5 日，在夏玉米收获后采集土壤样品。分别采集各处理0 ～20 cm 土壤，每个小区采集土样迅速装入密封袋中带回实验室。供试土壤分为2 部分，一部分鲜样放入冰箱内保存，用于土壤微生物量氮和微生物数量的测定，其余部分进行风干处理，过0.25 mm 孔径的筛子用于土壤pH、EC、有机质及养分分析。

1.5 测定方法

表3 土壤指标检测方法［4，17］

1.6 数据处理

采用Excel 2003 和SAS 8.0 统计软件进行相关数据统计和差异显著性分析，P＜0.05 水平差异显著。

2 结果与分析

2.1 长期定位不同施肥处理对土壤pH 值、EC 值的影响

土壤pH 值能够综合反映土壤理化性质，尤其对土壤的养分存在、转化有深刻的影响。从图1 数据可以看出，长期定位试验12 年后，与试验前基础土样的pH 值8.21 相比，土壤pH 值数据发生了变化，化肥处理的土壤pH 值均有所增加，但处理之间pH 值差异不显著。NPK 配施有机废弃物和NPK 配施秸秆处理的土壤pH 值含量有一定程度的降低。其中化肥配施污泥（NPKWN）的处理降低效果最为明显，pH 值较基础土样降低了0.18。有机废弃物在一定程度上降低土壤pH 值，这与以往的研究结果［18］一致。这可能是由于有机废弃物中含有微生物代谢过程中所需的物质，微生物在代谢过程中产生了有机酸降低了土壤的pH 值。

土壤EC 值的大小反映了土壤水溶性盐含量的高低，土壤EC 值越高，土壤的水溶性盐分就越多。不同的耕作、施肥方式影响土壤的酸碱性和盐分离子变化，根据HJ/T 332-2006 《食用农产品产地环境质量评价标准》对全盐量的指标限制要求，土壤的EC 值应该低于30.0 mS/m。从图2 数据可以看出，经过12 年的定位施肥后，试验地的EC 值在11.7 ～14.50 mS/m 之间，各试验处理的EC 值均低于30.0 mS/m，说明合理施用有机废弃物肥，在一段时间内并不会造成土壤的盐渍化情况。与CK 处理相比，化肥配施污泥有机肥和生活垃圾有机肥处理增加了土壤EC 值，差异显著，并且配施有机废弃物处理的土壤EC 值又较NPK 处理偏高，其中NPKWN 处理土壤的EC 值增加效果最为明显，与CK（不施肥）处理相比增加了22.0%。

图1 长期定位不同施肥处理对土壤pH 值的影响

图2 长期定位不同施肥处理对土壤EC 值的影响

2.2 长期定位不同施肥处理对土壤肥力指标的影响

由表4 可以看出，连续施肥12 年后，各施肥处理相较于CK 不施肥处理，土壤的肥力指标数据发生了变化。土壤有机质和养分性状的基本规律：（1）与CK 不施肥相比施肥增加了土壤中有机质和养分的含量，化肥（NPK、NPKHSF）处理的有机质、全氮、硝态氮、有效磷含量高于CK 处理。（2）NPK 配施污泥、垃圾（NPKWN、NPKLJ）处理的有机质、全氮的效果最好，与CK 处理相比，差异显著。（3）各处理中土壤全氮的变化规律：NPK 配施有机废弃物肥（NPKWN、NPKLJ、NPKJF）处理＞NPK 配施秸秆（NPKJG、NPKMG）处 理 ＞ 化 肥 处 理（NPK、NPKHSF）＞CK（ 不 施肥）。可见，从长期施肥的角度来看，施肥有利于提高土壤有机质、全氮、有效磷的含量，这与以往的研究结果一致［19］。并且长期施用有机废弃物处理的全氮含量高于施用秸秆处理，这可能是因为化肥与有机废弃物肥配合施用后，促进了土壤微生物的大量繁殖，而秸秆中的C/N 较大，微生物繁殖缓慢。（4）NPKHSF 处理的硝态氮增加幅度最大，究其原因可能是，缓释肥缓慢地向土壤释放养分，土壤中的硝态氮不易随水淋失。（5）NPK 配施污泥、鸡粪（NPKWN、NPKJF）处理在增加有效磷、速效钾的含量方面效果显著，土壤中的速效钾与对照相比分别增加了20.0%、26.0%。

表4 长期定位不同施肥对土壤有机质和养分的影响（0 ～20 cm）

2.3 长期定位不同施肥处理对土壤微生物的影响

2.3.1 长期定位不同施肥处理对土壤微生物数量的影响

土壤微生物参与土壤中物质的分解与转化，是土壤肥力的决定性因素之一。土壤质量和各种土传性病害直接或者间接与土壤中微生物组成和数量相关［20］，土壤中细菌、真菌、放线菌的数量受土壤类型、耕作制度和施肥技术等因素的影响［7-8，21］。由表5 数据看出：（1）土壤中的三大微生物数量，细菌＞放线菌＞真菌，这说明土壤细菌是土壤微生物的主要组成部分，参与土壤中各种物质的分解。（2）与CK 处理相比长期施肥可以显著提高土壤中细菌的数量，其中NPKWN 处理，土壤中细菌数量最高，CK 处理比NPKWN 处理少47.7%；NPK 配施废弃物肥（NPKWN、NPKLJ、NPKJF）或者配施秸秆（NPKJG、NPKMG）的处理，细菌数量要高于化肥（NPK、NPKHSF）处理，各施肥处理之间差异不显著。从不同施肥处理结果看，单施化肥远不及化肥配合有机废弃物肥和秸秆效果明显，其原因一方面是单施化肥破坏了土壤的团聚体结构，土壤细菌的生存环境变劣，导致土壤中的细菌数量减少；另一方面，施用有机肥和秸秆对提高土壤细菌数量明显，这可能是因为细菌的生长需要利用有机质为能源，而有机废弃物肥中含有供细菌生命活动的能源物质多。

真菌数量虽然最少，但其生物量较大，对土壤中物质转化与分解过程仍然起着不容忽视的作用。由表5 可知：长期不同施肥处理对土壤真菌数量 的 影 响 趋 势NPKJG＞NPKLJ＞NPKHSF=NPKMG＞NPKJF＞NPK＞NPKWN＞CK，真菌数量与细菌数量的变化趋势并不一致，没有明显的界定为NPK 配施废弃物肥或秸秆要明显高于单施化肥处理。可能是因为真菌生物量较大，平板计数法测定存在误差，导致不同施肥处理真菌数量差异，施肥对真菌数量的影响有待于进一步跟踪观察。不论是细菌还是真菌均表现施肥明显提高了土壤微生物的数量，这与以往的研究结果一致［22］。这可能是因为施肥改良了土壤的物理化学性质，为微生物的生长提供适宜的环境［23-24］，这大大刺激了土壤微生物的活性［25］。

表5 长期不同施肥处理的土壤微生物数量

与细菌、真菌数量相比，土壤放线菌数量在不同处理之间差异并不明显。NPK 配施垃圾肥处理最高，与不施肥处理相比增加了46.0%，单施化肥和NPK 配施有机废弃物肥或秸秆对放线菌数量无明显影响，表明在土壤养分相对平衡的情况下，不同的施肥方式不会显著影响放线菌的数量。

2.3.2 长期不同施肥处理对土壤微生物量氮的影响

土壤微生物量氮是土壤氮源的储备库［26］，占土壤全氮的0.50%～15.3%［27］，土壤微生物量氮能够综合反映土壤中氮素的矿化和固定作用，因此一切能够影响土壤氮素矿化和固定的过程都会直接影响氮素在土壤中的输入与循环作用。不同的施肥处理以及耕作可以影响微生物量氮在土壤中的数量［28］，本试验的数据分析表明：连续不同施肥处理12 年后，土壤微生物量氮含量明显不同，变化介于24.69 ～44.61 mg/kg。

土壤中的微生物量氮因施肥处理的不同而不同。与对照相比长期连续施肥可增加土壤中微生物量氮的含量，但增幅因肥料种类而异，表现为NPKWN＞NPKLJ＞NPKJG＞NPKJF＞NPKMG＞NPK＞NPKHSF＞CK，与对照相比分别增加了80.7%、80.4%、77.2%、72.1%、61.2%、35.7%、23.7%，这与土壤中有机质、全氮的排序基本相同。这可能是因为有机废弃物肥或秸秆的施入，为土壤微生物提供能源，促进了土壤中微生物数量的增加，从而增加了对土壤有效态氮的固持作用。在等氮使用的条件下，单施化肥的处理显著小于化肥配施有机废弃物肥或秸秆的处理，究其原因可能是肥料进入土壤后，一部分氮素通过固持作用进入微生物体内被暂时固定，而不同的肥料种类和性质与固定率相关［29］，化肥配施有机废弃物肥或秸秆的固定率较单施化肥的高，避免了氮素通过淋失和反硝化脱氢对氮素造成的损失，可见，在等氮条件下，化肥配施有机废弃物肥或秸秆可以增加土壤中微生物量氮的含量，进而提高氮肥的利用效率。

图3 不同施肥处理对土壤微生物量氮的影响

2.4 土壤微生物特性与土壤基础肥力指标的相关性

土壤是个永远变化着的有机无机-生物复合体，土壤微生物的活动可以影响土壤的物理化学特征及土壤肥力。因此，农业土壤中的微生物特性在土壤肥力和可持续农业生产中具有至关重要的影响。利用不同处理的土壤有机质、养分的平均值与微生物量氮、微生物数量平均值进行相关性分析。相关性分析结果表明，微生物量氮与土壤有机质、全氮、有效磷呈显著或极显著正相关，该结果与以往的学者研究报道相似，表明土壤微生物量氮可以敏感地反映不同施肥处理间土壤肥力的大小。从表6可以看出，土壤细菌与土壤有机质、全氮、有效磷含量基本达到了显著或极显著相关性水平，与速效钾含量无相关性，而土壤放线菌数量与土壤速效钾、有机质、全氮呈显著或极显著正相关，与有效磷相关性差，说明土壤细菌、放线菌数量的变化与土壤肥力水平的变化一致，可以作为评价土壤肥力水平的指标。而土壤真菌数量与土壤中的有机质、养分含量无相关性，这与前人有关微生物数量与土壤肥力状况的研究报道一致［9，30-31］。

表6 土壤微生物特性与土壤有机质、养分含量的相关性

3 结论

3.1 长期不同施肥条件下，土壤pH 值、EC 值表现出一定的变化趋势。长期NPK 配施有机废弃物肥和NPK 配施秸秆与CK 不施肥相较会降低土壤pH 值，提高土壤EC 值。其中pH 值变化介于8.02 ～8.37 之 间，EC 值 在11.7 ～14.5 mS/m 之间。化肥配施污泥（NPKWN）处理降低pH 值和增加EC 值效果最为明显，pH 值较基础土样降低了0.18，EC 值与CK 不施肥处理相比增加了22.0%。3.2 虽然各施肥处理与CK 不施肥相比能够提高土壤有机质、养分含量，但不同的施肥处理对土壤肥力指标影响趋势有所不同。土壤的有机质、全氮表现为NPK 配施有机废弃物肥高于NPK 配施秸秆，NPK 配施秸秆又高于单施化肥。NPKHSF 处理对土壤硝态氮增加幅度最大，而NPK 配施污泥、鸡粪对土壤有效磷、速效钾增加效果显著。

3.3 长期不同施肥处理的土壤微生物量氮变化介于24.7 ～44.6 mg/kg 之间，长期NPK 配施有机废弃物肥和NPK 配施秸秆，可增加微生物量氮、土壤细菌、真菌、放线菌数量，土壤微生物数量不仅高于CK 不施肥，也高于长期单施化肥的处理。说明，建立科学的有机无机相结合的施肥制度，不仅可以保持和提高农田的生产力，同时也可以保持和改善土壤的生物学特性，提高土壤的生物肥力。

3.4 长期不同施肥方式下土壤微生物量氮、细菌与土壤有机质、全氮、有效磷呈显著或极显著正相关，土壤放线菌数量与土壤速效钾、有机质、全氮呈显著或极显著正相关，即表明了不同的施肥方式可以影响土壤微生物特性和土壤有机质及养分，也进一步反映了土壤微生物量氮、细菌、放线菌在长期施肥条件下对土壤质量的作用。