生物有机肥替代化肥对玉米土壤肥力及酶活性的影响

朱利霞，曹萌萌，桑成琛，陈如冰，徐思薇，李俐俐*，刘天学

（1.周口师范学院生命科学与农学学院，河南 周口 466001；2.河南农业大学农学院，郑州 450002）

玉米是我国三大粮食作物之一，2018年种植面积达到4.21×107hm2，占全国粮食播种面积的36.0%，而河南省作为我国玉米的重要生产大省，其种植面积在2018年为3.92×106hm2，约占全国玉米种植总面积的9.3%[1]。由于氮肥用量和作物产量密切相关[2]，为了提高产量，农民往往过量施用氮肥。有调查发现90%以上的农户存在不合理施肥的现象，肥料利用率低。近30年来，我国的化肥用量以年均4.0%的增长速度递增，导致我国化肥用量持续增长以及水体、大气和土壤污染[3]。因此，探寻合理的施肥措施，减少化肥过量施用对土壤的危害，改善土壤结构，使土壤朝着健康的方向发展，已成为农业生产中亟待解决的问题。通过施用生物有机肥达到降低化肥施用量、提高肥料利用率和增加作物产量是农作物施肥技术中的一个重要研究领域。

生物有机肥是一类以有机物为主体，依靠微生物的生产代谢活动为植物提供养分和必需物质的肥料，兼具微生物肥和有机肥的特点[4]。生物有机肥可以为植物生长提供必需的养分、增加有效养分含量和有机质含量、改善土壤结构以及增加土壤微生物活性，进而提高土壤肥力[5-6]。孟超然等[7]在新疆干旱区的研究表明生物有机肥替代化肥明显增加玉米产量、氮素表观利用率和经济效益；吴平江等[8]发现生物有机肥的施用可以提高土壤酶活性、改善黄瓜土壤的微生物群落。已有的研究大多集中在生物有机肥对土壤性状和作物品质的短期影响[9]，或对连作障碍土壤进行修复[10]，且大多为盆栽试验或日光温室栽培[4，11]。

由于土壤养分、土壤酶活性等指标可以反映施肥措施对土壤状况的影响，而这些指标之间有明显的相关性。主成分分析法可以最大限度降低指标间的相关性对结果的影响，提高综合评价结果的准确性；也方便找出影响土壤质量的主要因素和影响力，利于快速找出改善土壤质量的途径和方法[12]。因此，主成分分析法在土壤学中被广泛地用于评价土壤肥力与质量。

基于此，本试验选择豫北地区麦玉复种区，以夏玉米为研究对象，研究化肥减量配施生物有机肥对土壤养分、土壤酶活性和玉米产量的影响，采用主成分分析法进行土壤质量评价，探寻最佳替代比，以期为减少化肥施用、提高土壤肥力和促进农业可持续发展提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2019年在河南省浚县钜桥试验基地（N 41°02′，E 116°41′）进行，该地区属暖温带半湿润性季风气候，多年平均气温13.7℃，年均降雨量660 mm，多集中在6―8月。耕作制度为冬小麦-夏玉米复种，土壤类型为潮土。2018年试验开始前0～20 cm土壤有机质含量为15.5 g/kg，全氮含量为1.1 g/kg，碱解氮含量为110.4 mg/kg，有效磷含量为22.8 mg/kg，速效钾含量为150.32 mg/kg，pH7.8。

1.2 供试材料与试验设计

以华北地区广泛种植的玉米品种浚单20为供试品种，购自浚县黎阳种业有限公司。该品种为紧凑型中小棒品种，由河南省浚县农科所选育。采用机械点播，种植密度与当地习惯保持一致，为60 000株/hm2，株距25 cm，行距66.7 cm。供试化肥为氮磷钾复合肥（N-P2O5-K2O为28-8-8），由北京中农郑州改地生物肥业有限公司生产。供试生物有机肥为本课题组自制，以小麦秸秆为载体、添加20%左右的鸡粪和猪粪等畜禽粪便，植入木霉菌制成，其每克有效活菌数在0.2亿个左右，有机质含量45%，N含量30%，P2O5含量23%，K2O含量17%。

试验开始前，前茬作物小麦收获后秸秆全部移除。设置以下5个处理：①CF（常规施肥，全部施用化肥氮）；②BF5（生物有机肥提供5%的氮）；③BF10（生物有机肥提供10%的氮）；④BF20（生物有机肥提供20%的氮）；⑤BF30（生物有机肥提供30%的氮）。每个处理3次重复，共15个试验小区，每小区40 m2（5 m×8 m），每小区间设置1 m的隔离带，防止串水串肥。各施肥处理分别扣除生物有机肥氮、磷和钾含量后用相应的化肥补足。所有肥料均作为底肥一次性施入土壤耕层，整个玉米生育期内不再追肥。其他管理措施与当地保持一致。各处理养分投入量如表1所示。

表1 各处理养分投入量Table 1 Nutrient input of each treatment

1.3 样品采集及分析

于2019年玉米收获期每小区采集长势一致的连续30株的果穗，测定地上部分生物量、玉米产量和产量构成因素。

在玉米收获后采集表层土壤（0～20 cm）样品，每小区按照S形采样法采集土壤样品。取土时，土钻一次性打到20 cm深度，每小区采集3次重复，并将同一小区的3个重复样品混合成一个样品，去除砂砾、植物根系等可见杂物，带回实验室测定土壤养分含量和酶活性。

采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质含量，钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量，硫酸钾浸提法测定土壤矿质氮含量[13]。采用靛蓝比色法测定土壤脲酶活性，3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，磷酸苯二钠比色法测定土壤碱性磷酸酶活性，采用高锰酸钾氧化法测定土壤过氧化氢酶活性[14]。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2010进行处理，采用SPSS 19.0对数据进行方差分析，并采用Dun⁃can法检验不同处理在P=0.05的差异显著性。利用SPSS 19.0对土壤养分与土壤酶活性进行主成分分析，按照特征根≥1的原则提取公因子，根据所提取因子的贡献率计算土壤指标的综合得分并对不同处理进行排序和评价。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥部分替代化肥对土壤养分的影响

生物有机肥对土壤化学性质的影响如表2所示。随着生物有机肥替代化肥比例的增加，土壤有机质含量呈现出逐渐增加的趋势，与CF相比，生物有机肥均显著增加有机质含量，BF5、BF10、BF20和BF30处理增幅分别为11.38%、19.24%、20.82%和25.43%（P<0.05），其中BF10与BF20处理间无显著差异。与CF相比，BF5处理对土壤全氮无显著影响，BF10、BF20和BF30处理均显著增加全氮含量且BF30处理增幅最大为31.87%。生物有机肥的施用显著增加碱解氮、有效磷和速效钾含量，且随着生物有机肥替代比例的增加，碱解氮、有效磷和速效钾有先增加后减少的趋势。BF20和BF30处理碱解氮、有效磷和速效钾含量无显著差异。由此表明，生物有机肥部分替代化肥有提高土壤全量养分和速效养分含量的作用。

表2 不同处理对土壤养分的影响Table 2 Effects of different treatments on soil nutrients

2.2 生物有机肥部分替代化肥对土壤酶活性的影响

不同处理下土壤酶活性的变化特征如表3所示，生物有机肥不同替代比例对土壤酶活性的影响有一定差异性。蔗糖酶活性的范围为35.81～46.17 mg/（g·24 h）。与CF相比，BF5处理对蔗糖酶活性无显著影响，BF10处理蔗糖酶活性显著增加17.15%，BF20和BF30处理蔗糖酶活性分别显著增加28.93%和26.89%。BF20和BF30处理蔗糖酶活性无显著差异。总体而言，生物有机肥部分替代化肥不同程度提高了蔗糖酶活性，促进土壤有机碳的转化。

如表3所示，不同处理脲酶活性的变化范围为2.71～3.38 mg/(g·24 h)。与 CF相比，生物有机肥处理显著增加脲酶活性，其增幅为15.13%～24.72%。各生物有机肥处理间脲酶活性无显著差异。生物有机肥的施用对碱性磷酸酶有明显的影响，与CF相比，BF5和BF10处理对碱性磷酸酶活性无显著影响，而BF20和BF30处理显著增加碱性磷酸酶活性，其增幅分别为23.48%和21.74%。对于过氧化氢酶而言，低量生物有机肥替代化肥与常规施用化肥处理间过氧化氢酶活性无明显差异。与CF相比，BF10、BF20和BF30处理均显著增加土壤过氧化氢酶活性，其增幅分别为76.83%、89.02%和87.80%。

表3 不同处理对土壤酶活性的影响Table 3 Effects of different treatments on soil enzyme activities

2.3 土壤养分与土壤酶活性的主成分分析

主成分分析是将原始多个变量降维，提取出少数的几个不相干的综合指标，既可简化原始高维变量又可使原始数据信息最大限度地保留。一般而言，相关系数高的变量会进入同一个主成分。对9个土壤指标（有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶）的原始数据无量纲化后进行主成分分析，可以得到各主成分的特征根和方差贡献率。按照特征根≥1的提取原则，可以提取2个主成分。第1主成分的方差贡献率为94.20%，第2主成分的方差贡献率为4.37%，累积方差贡献率达到98.57%，即这2个主成分涵盖了原始数据信息量的98.57%，可以反映生物有机肥部分替代化肥后土壤养分和土壤酶活性的信息。由图1可知，有机质、全氮和脲酶位于第一象限，而碱解氮、有效磷、速效钾、蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶均位于第二象限。几个土壤指标均有较高的因子负荷，且均与第1主成分相关性更强。

图1 土壤性状指标在第1主成分和第2主成分的因子负荷分布图Figure 1 Correlations between soil properties and principal components in projection of components 1 and 2

通过主成分分析计算不同处理综合得分并对其进行排序，如表4所示，不同处理综合得分及排序依次为BF20>BF30>BF10>BF5>CF，因此，生物有机肥部分替代化肥能改善土壤养分含量和酶活性，且其改善程度与生物有机肥的替代比例有密切关系。

表4 不同处理土壤评价指标综合成分得分及排序Table 4 Scores of soil properties and rank analyzed by principal component analysis in different treatments

2.4 生物有机肥部分替代化肥对玉米产量的影响

如表5所示，生物有机肥部分替代化肥的处理玉米产量及其构成因素除穗行数均显著高于CF处理。与CF相比，生物有机肥显著增加玉米产量，BF5、BF10、BF20和BF30处理产量分别增加6.68%、14.30%、23.79%和20.59%。与CF相比，生物有机肥显著增加玉米行粒数，但BF5、BF10和BF30间无差异，而BF20处理行粒数显著高于BF5处理。穗粒数表现出与产量类似的变化规律。千粒重则随着生物有机肥替代量的增加而显著增加。综合分析产量构成因素，玉米产量的差异主要来源于行粒数、穗粒数和千粒重之间的差异。

表5 不同处理玉米产量及产量构成因素Table 5 The maize grain yield and its component factors in different treatments

3 讨论

本试验中生物有机肥替代化肥显著增加土壤有机质含量，与赵满兴等[15]在红枣上的研究结果一致，这主要是由于生物有机肥本身含有大量有机质，同时生物有机肥的施用可以改良土壤环境，促进有机质在土壤中的积累。邱吟霜等[16]认为施用生物有机肥可以显著提高土壤的有机质、全氮、全磷及全钾等全量养分的含量。本试验中生物有机肥的施用也在一定程度上增加了土壤全氮含量，但低量生物有机肥（BF5）的施用对土壤全氮无显著影响。这可能是由于供试生物有机肥对土壤养分转化过程的影响比较复杂。土壤速效养分直接影响作物对养分的吸收，试验中生物有机肥的施用显著增加了速效磷、碱解氮和速效钾的含量，这可能是由于化肥和生物有机肥配合施用产生了一定的互作效应，使得土壤养分之间相互协调[17]。由于生物有机肥兼具传统有机肥和功能微生物的双重作用，生物有机肥的施用为土壤微生物提供充足的能源，利于土壤中微生物的生长和繁殖，进而促进微生物介导的土壤中难溶性养分转化为速效养分[18]；生物有机肥同时含有一定量的速效养分，这也在一定程度上增加土壤速效养分含量。

土壤酶活性在土壤养分转化过程中有重要作用。由于生物有机肥含有功能微生物和大量有机质，施用生物有机肥后会对土壤酶活性产生一定的影响。已有研究表明，生物有机肥的施用可以显著提升土壤酶活性和土壤肥力[5,19]。本研究发现，生物有机肥部分替代化肥对蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶均有不同程度的提升作用。这可能是由于生物有机肥所包含的微生物能够分泌一定数量的酶从而增加土壤酶的数量，同时生物有机肥为土壤微生物提供了充足的营养物质，促进其繁殖，进而增加土壤酶活性[10，17]。本研究中供试土壤为壤土，而生物有机肥部分替代化肥对豫北地区黏土和砂土的影响如何尚不清楚，相应土壤类型下生物有机肥替代化肥的比例还有待进一步的研究。

产量高低是土壤肥力高低的直接反映，目前，已有较多关于生物有机肥部分替代化肥对作物产量的影响研究，孟超然等[7]研究表明，不同替代比例的生物有机肥与化肥配施明显增加玉米干物质积累量，为玉米产量的增加提供了良好的物质基础，最终玉米增产8.53%～11.35%。在有关蒜苗的研究中，王庆玲等[20]发现化肥减量20%配施6 t/hm2生物有机肥时蒜苗产量最高。本研究中生物有机肥部分替代化肥显著增加玉米产量，其中替代20%的化肥对玉米产量的增加作用最为显著。这可能是由于常规施用化肥导致土壤理化性状变差，不利于作物生长和产量的增加[21]，生物有机肥的施用增加了土壤养分，促进作物生长和产量增加。玉米产量的提高是通过优化各主要性状实现的[22]，生物有机肥的施用显著增加玉米穗粒数、行粒数和千粒重，使产量构成因素在较高水平达到协调，从而提高玉米产量。有机肥与化肥配合施用，一方面补充了土壤中有机碳源，改善土壤化学性质，提升土壤养分含量和酶活性，利于土壤微生物活性的增加，活化土壤养分，从而增加作物产量[17-18]。

本研究中，生物有机肥不同比例替代化肥均显著增加玉米籽粒产量，但替代30%化肥氮与替代20%化肥氮的处理间玉米籽粒产量无差异，这表明生物有机肥替代比例的增加导致玉米产量出现报酬递减的趋势，在实际施用中应注意控制生物有机肥与化肥的替代比例。综合考虑土壤性状和作物产量，生物有机肥替代20%的化肥氮是本研究推荐的适合该区域的生物有机肥部分替代化肥技术方案。

4 结论

本研究中生物有机肥替代化肥均利于土壤养分含量、土壤酶活性和玉米产量的增加，生物有机肥可以提高土壤有机质、全氮含量，活化土壤养分，从而利于养分在作物体内的累积，优化产量构成因素增加玉米籽粒产量。综合土壤性状、产量等进行分析，本研究区范围内生物有机肥氮替代20%化肥氮对土壤性状的改良效果最好，其次为生物有机肥氮替代30%化肥氮，适宜比例的生物有机肥替代化肥有助于实现农业生产中化肥施用的零增长，促进农业生产的可持续发展。