生物有机肥对土壤质量及蔬菜产量的影响

梁嘉伟，余炜敏，姚钰玲，胡绮琪，陆丹绵，王荣萍，廖新荣，黄赛花

广东省科学院生态环境与土壤研究所/华南土壤污染控制与修复国家地方联合工程研究中心/广东省农业环境综合治理重点实验室，广东 广州 510650

土壤微生物量作为土壤养分转化的活性库或活性源，其含量高低可部分反映土壤微生物活动的强弱和养分转化速率的快慢，是土壤生物质量变化的灵敏指标（Ekenler et al.，2003）。土壤酶是土壤中活跃的有机成分之一，在土壤养分循环以及植物生长所需养分的供给过程中起着重要作用（宋以玲等，2018）。研究表明，土壤酶活性较其他土壤性质能更迅速地响应施肥管理和种植体系（Zhang et al.，2015；丁文娟等，2014），常作为评价土壤肥力的一个重要指标。生物有机肥是在无机、有机复混肥的基础上接种有益微生物而产生的一种肥料，兼具微生物肥料和有机肥料的双重效应，既有利于提高产品品质，增产增收，又可培肥土壤，提高土壤酶活性，改善土壤微生物群落结构，其已逐渐成为相关研究的重点（Zhang et al.，2008；Liu et al.，2014；Zhang et al.，2015）。

关于生物有机肥对作物土壤生物活性的影响，国内学者做了大量的研究。曲成闯等（2017）针对施用生物有机肥对黄瓜不同生育期潮土肥力特征和酶活性进行研究，结果表明施用生物有机肥可提高土壤肥力水平和土壤脲酶、过氧化氢酶活性；孙薇等（2013）探讨了生物有机肥对核桃土壤微生物群落功能多样性的作用机理及其对土壤酶活性、土壤理化性质的影响，结果表明施生物有机肥后可显著提高土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性，改善土壤理化性质。孙家骏等（2016）研究了施用生物有机肥对猕猴桃土壤酶活性、微生物群落结构及其代谢的影响，其研究表明在猕猴桃生育期内施用生物有机肥可显著提高土壤蔗糖酶和 FDA水解酶活性，在猕猴桃生长后期可提高土壤脲酶和酸性磷酸酶活性。但生物有机肥对白瓜菜地土壤生物活性的影响研究尚未见报道。

白瓜（Cucurbita pepoL.）为华南地区大众经常食用的蔬菜，富含蛋白质、矿物质和维生素等物质，不含脂肪，且钠盐含量很低，因此有非常高的药用价值。因此以华南地区代表性瓜类蔬菜白瓜为试验作物，研究了施用生物有机肥对白瓜不同生育期土壤肥力、酶活性、微生物生物量及产量的影响，为生物有机肥在白瓜菜地大面积推广提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于 2017年在广东省肇庆市高要区白诸镇上孔村美利蔬菜专业合作社基地开展完成。供试土壤类型为红壤，试验地土壤的基本理化性状为 pH 5.07，有机质质量分数 22.5 g·kg-1，全氮 1.58 g·kg-1，碱解氮 116 mg·kg-1，有效磷 124 mg·kg-1，速效钾165 mg·kg-1。根据土壤养分丰缺指标，供试土壤呈酸性，有机质含量临界缺乏，碱解氮含量缺乏，有效磷含量偏高，速效钾含量适宜，需增氮控磷。供试长度白瓜为当地蔬菜品种。供试生物有机肥为广东省农业科学院动物科学研究所自制畜禽粪便高床发酵堆肥，pH 8.06，有机质质量分数71.5%，N 2.57%，P2O56.20%，K2O 12%。供试无机肥为尿素（含N质量分数46%），过磷酸钙（含P2O512%），氯化钾（含K2O 60%）。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，共设置农户习惯施肥、只施无机肥、无机肥配施生物有机肥3个处理，依次用T1、T2、T3表示（表1），每个处理小区的面积均为0.073 hm2，保护行宽为1.0 m，走道宽及小区间排水沟宽均为0.5 m。每个处理设置3个重复。

表1 养分施入量aTable 1 Nutrient dosage

白瓜苗龄为31 d时统一移栽，株距25 cm，行距50 cm。T1处理，农民习惯施肥（挪威复合肥，含 N、P2O5、K2O 均 15%）900 kg·hm-2。T2和 T3处理的无机肥用量均为尿素（含N质量分数46%）407 kg·hm-2、过磷酸钙（含 P2O512%）750 kg·hm-2、氯化钾（含K2O 60%）200 kg·hm-2。3个处理所用肥料均分基、追肥施入种植沟内，其中基肥为氮肥总量的10%，磷肥总量的60%、钾肥总量的10%，其余作追肥施用。生物有机肥用量为4500 kg·hm-2（曲成闯等，2017），作为基肥一次性施入。基肥在瓜苗移栽前施于种植沟内，追肥在白瓜生育期分 6次随水施用。田间管理同田间常规管理，自然条件生长，定期人工除草。适时采用滴灌方式适量灌水。

1.3 样品采集

于白瓜苗期、伸蔓期、盛瓜期、清藤期采集根际土壤样品。采样时间分别为2017年5月23日、6月6日、6月20日、7月11日。采样方法为S型五点法。每个点位采用竹制取土器采集0—20 cm表层土壤1 kg，装入聚乙烯塑料袋内密封；土壤样品经室温风干，粉碎、过筛待测。每次采摘记录白瓜产量。

1.4 样品分析测试

土壤样品pH值的测定采用水提-电位法，有机质采用重铬酸钾氧化-容量法，全氮采用开氏法，碱解氮采用碱解扩散法，有效磷采用碳酸氢钠法，速效钾采用火焰光度法测定（鲁如坤，2000）。

土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法，酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠-比色法，蔗糖酶活性采用硫代磷酸钠滴定法，脲酶活性采用碱皿扩散-HCl滴定法，微生物量碳含量采用三氯甲烷熏蒸-重铬酸钾容量法，微生物量氮含量采用三氯甲烷熏蒸-蒸馏-HCl滴定法（林先贵，2010）。

1.5 数据处理

所有数据均采用Microsoft Excel 2010和SPSS 20软件进行统计分析和作图，并用均值±标准差表示。采用一维方差分析法进行显著性检验，P＜0.05为差异显著。

2 结果与分析

2.1 施用生物有机肥对土壤肥力特征的影响

由表 2可知，T3处理（施用生物有机肥的土壤）在白瓜盛瓜期和清藤期土壤pH值高于T1、T2处理，其中清藤期土壤pH值增加幅度较大，比T1、T2处理分别增加了16.89%、6.39%。T3处理的土壤有机质含量在伸蔓期和清藤期最高，但较其他两个处理增加幅度不大。全氮也没有表现出明显的增加趋势。施用生物有机肥的 T3处理土壤碱解氮含量和速效钾含量在白瓜的整个生育期均保持在较高的水平，在清藤期 T3处理的土壤碱解氮含量比T1、T2处理分别增加了64.44%、15.35%，土壤速效钾含量比 T1、T2处理分别增加了 88.20%、43.98%。除白瓜盛瓜期外，T3处理的土壤中有效磷含量均高于其他两个处理，其中以伸蔓期增加幅度最大，相比其它两个处理均增加了9.82%。因此，施用生物有机肥能够增加土壤pH值、碱解氮、速效钾和有效磷的含量，提高了土壤肥力。

表2 生物有机肥对白瓜土壤中肥力特征的影响Table 2 Effects of bio-organic fertilizer application on soil pH and fertility at different growth stages of squash (Cucurbita pepo L.)

在白瓜的整个生育期，除个别数据外，T3处理的肥力指标均高于T2处理的肥力指标。而T3处理和T1处理相比较，大部分T3处理的数据高于T1处理。

2.2 施用生物有机肥对白瓜不同生育期土壤中酶活性和微生物生物量的影响

从表3可以看出，除伸蔓期外，在白瓜的同一生育期 T3处理（施用生物有机肥）的土壤过氧化氢酶活性均高于T1和T2处理，其中在白瓜的清藤期 T3处理的过氧化氢酶活性较其他两个处理增加幅度最大，分别提高了33.47%和27.67%。T3处理的过氧化氢酶活性较其他两个处理增加幅度分别为12.09%—85.38%和5.84%—26.88%。除苗期外，在白瓜的同一生育期，加施生物有机肥的 T3处理土壤酸性磷酸酶活性和蔗糖酶活性均高于T1和T2处理。酸性磷酸酶随白瓜生育期延长，均表现为先升高再将低的趋势，在伸蔓期和盛瓜期高，苗期和清藤期低。蔗糖酶则白瓜生育期延长而逐渐降低。其中，在白瓜的伸蔓期，T3处理的酸性磷酸酶活性增加幅度最大，较其他两个处理分别提高了33.21%和 37.37%，不同处理之间差异达到显著水平（P＜0.05）。在白瓜的伸蔓期、盛瓜期和清藤期，土壤酸性磷酸酶活性由大到小均依次为 T3＞T1＞T2，T3处理的土壤酸性磷酸酶活性显著高于T1和T2。与T1和T2处理相比，T3处理的蔗糖酶活性分别增加了7.18%—25.52%，2.55%—12.98%。脲酶均表现为随白瓜生育期延长先降低再升高的趋势，T2和T3处理的脲酶活性差别不大，但在苗期和伸蔓期均小于T1处理，在盛瓜期清藤期均大于T1处理。

表3 生物有机肥对白瓜土壤中酶活性和微生物生物量的影响Table 3 Effects of bio-organic fertilizer application on soil enzyme activities and microbial biomass at different growth stages of squash (Cucurbita pepo L.)

土壤微生物量碳随白瓜生育期延长，均表现为先升高再将低的趋势，在伸蔓期最高，在盛瓜期增加幅度最大，T3处理与其他两个处理相比，分别提高了38.84%和28.24%。而土壤微生物量氮随白瓜生育期延长，均表现为先降低再升高的趋势，T2和T3处理在伸蔓期最低，T1处理则提前降低。且除伸蔓期外，在白瓜的同一生育期施用生物有机肥的T3处理土壤微生物量氮含量均高于T1和T2处理。

2.3 施用生物有机肥对白瓜产量的影响

从图1可以看出，T3处理（配施有机肥）的白瓜日产量在盛瓜期（6月20日）前均远高于其他两个处理（6月17日除外）。T3处理的白瓜日产量比T1处理增产最高达95.16%（6月21日），比T2处理增产最高达70.42%（6月21日）。T3处理的白瓜总产量也一直远远高于其他2个处理（图2），累计总产量（7月10日）比T1处理高13.27%，比T2处理高8.82%。T3处理的白瓜总产量（1998 kg）比T1处理（1764 kg）增产最高达29.16%（6月21日），比T2处理（1836 kg）增产最高达16.94%（6月21日）。而从图1和图2可以看出，在6月21日之后，3个处理的白瓜日产量变化不大，6月23日—7月 10日的累计产量依次为 494.50、490.00、498.50 kg，即盛瓜期后期3个处理的产量没有显著差别。即生物有机肥对白瓜的增产作用发生于盛瓜期前期。

图1 生物有机肥对白瓜日产量的影响Figure 1 Effect of bio-organic fertilizer application on the daily yield of squash (Cucurbita pepo L.)

图2 生物有机肥对白瓜总产量的影响Figure 2 Effect of bio-organic fertilizer application on the total yield of squash (Cucurbita pepo L.)

T3处理小区施生物有机肥量为328.5 kg，比T2增产量为162 kg，即每2 kg生物有机肥可增产1 kg白瓜，阿里巴巴有机肥价格为0.8—1.8 yuan·kg-1，而白瓜价格为2—12 yuan·kg-1，有显著的经济效益。

3 讨论

生物有机肥富含有益微生物和功能菌。在白瓜清藤期土壤pH大小顺序为T3＞T2＞T1。T2处理比T1处理多施加了N素，而T3处理比T2处理多施加了含氮素的有机肥。而N素在土壤中微生物的作用下主要发生硝化反应（曲成闯等，2017），而当植物吸收NO3--N，植物根系分泌OH-，造成根际土壤碱化，在本试验中这3种处理所带入土壤的N素多少顺序为 T3＞T2＞T1，所以植物分泌的OH-顺序为 T3＞T2＞T1，即 pH T3＞T2＞T1。很多研究（胡诚等，2007；马祥等，2019）表明，在碱性土壤中，施加生物有机肥，会降低土壤的pH，他们认为是生物有机肥中的有益微生物在植物生长过程中产生大量有机酸，所以土壤的pH会降低。因此，生物有机肥可以提高酸性土壤的 pH，降低碱性土壤的pH。即生物有机肥可以平衡土壤的pH。

很多研究（蒋仁成等，1990；胡诚等，2007；马祥等，2019）表明，施用生物有机肥可促进土壤养分转化，提高土壤有效养分的含量，进而提高土壤肥力，缓解因作物生长繁殖而消耗的养分。这与本研究结果有些不同。对比T3处理和T2处理结果后发现施用生物有机肥能够提高土壤碱解氮、速效钾和有效磷的含量，提高土壤肥力。但是 T3处理的有机质和全氮含量却没有表现出明显的增加趋势，有效磷增幅不大。这是因为 T3处理在盛瓜期产量远高于其他两个处理，白瓜在生育期通过根部吸收大量水分，根在吸收水分的同时将养分转移至果实，形成氨基酸，因而白瓜富含蛋白质。C和N是形成氨基酸的主要元素，而有机质是C源，全氮是有效氮的来源，且生物有机肥中的有机质在土壤中酶的作用下降解，会消耗土壤中的硝态氮。生物有机肥的固氮微生物，将土壤和空气中的 N2还原为可被作物吸收利用的NH4+，在促进氮矿化效果更为明显，从而又可提高土壤的氮素水平（田小明等，2014），所以有机肥处理的有机质和全氮含量没有表现出明显的增加趋势。土壤中的原生矿物和次生矿物可以被生物有机肥中的微生物自身的特性以及溶磷微生物等分解，形成有效养分，从而提高土壤中的磷和钾的释放，提高土壤碱解氮、速效钾和有效磷的含量。T3处理的有效磷增加较少，与曲成闯等（2017）结果一致，这是因为本试验所用生物有机肥对土壤磷的转化迟钝（张敏等，2016）。T1处理，农户习惯施磷肥量较大，远高于T2处理，但这种施肥方式既没有显著提高土壤磷肥力和作物产量，还造成肥料浪费和土壤酸化（王艳群等，2005）。因此生物有机肥可以提高土壤肥力，但对各养分影响不同。而生物有机肥的施用能够对地力进行改善，在土壤结构上能够降低土壤的容重，增加土壤的孔隙度，使土壤形成更多团粒结构，进而增强其对水肥的保持能力，从而促进植物根系生长（田小明等，2014）。这与我们的结果一致，配施生物有机肥可以明显提高白瓜产量，这种影响主要发生在白瓜盛瓜期前期，盛瓜期后期基本上没有影响。陈会鲜等（2019）和王成等（2019）的研究也表明，生物有机肥可以明显增加蔬菜的产量。

土壤酶能活化土壤有机质，将其转化为植物可吸收的无机物，它直接影响着土壤的代谢性能，其活性大小在一定程度上代表土壤肥力的高低（崔红标等，2011；孙家骏等，2016）。过氧化氢酶可以分解土壤中对植物有害的过氧化氢为水和氧气，其活性可以反映土壤呼吸强度；磷酸酶能够影响土壤含磷有机物矿化，其活性可以反映土壤中有效磷的利用情况；蔗糖酶对增加土壤中易溶性营养物质起重要作用；脲酶促进土壤中氮素水解成氨，其活性可表征土壤氮素水平。本研究中发现，施用生物有机肥后，土壤过氧化氢酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶活性均高于农户习惯施肥处理和单施无机肥处理。而施N肥较高的T2和T3处理的土壤脲酶活性在苗期和伸蔓期均小于 T1处理，在盛瓜期和清藤期均大于T1处理。宋以玲等（2018）在对萝卜根际土壤酶活性的研究中发现施加生物菌水溶肥以后，除了脲酶活性降低外，其他3种酶的活性均升高，这与本研究的结果一致。张静等（2012）研究发现，施用生物有机肥后，土壤酸性磷酸酶、蔗糖酶和脲酶活性均高于对照和普通有机肥处理。曲成闯等（2017）研究发现，施用生物有机肥可提高土壤脲酶和土壤过氧化氢酶活性。贺文员等（2019）发现生物有机肥和化肥配合施用可显著增加土壤中的脲酶、磷酸酶活性，但蔗糖酶和过氧化氢酶没有明显变化。有研究表明生物有机肥可提高土壤微生物活性（田小明等，2014）。生物有机肥中增加了土壤中的有机质含量，从而增加了土壤微生物的碳源（马晓霞等，2012），土壤微生物量碳含量较高，同时刺激蔗糖酶活性的升高，因此施用生物有机肥处理的蔗糖酶活性较高。孙薇等（2013）研究发现化肥中尿素的施入对土壤脲酶起刺激作用，大大提高了其土壤脲酶活性。但本试验却发现过多施用N肥，虽然提高了有效氮的含量，却抑制了苗期和伸蔓期的脲酶活性。因此，酶活性趋势变化不同的原因，可能是因为受到生物有机肥中所添加的微生物菌种、配施无机肥N和P含量、生物有机肥种类、土壤类型、土壤有机质等综合因素的影响（贺文员等，2019）。

土壤酶参与有机质分解和养分循环，而土壤微生物量碳氮是土壤生物量的重要表征，是土壤活性的重要标志，直接快速的调控土壤有机质的转化过程，对土壤养分循环起着重要作用，是土壤养分的“库”和“源”。土壤微生物生物量是土壤有机质和土壤养分C、N、P、S等转化和循环的动力，并参与土壤中有机质的分解、腐殖质的形成。胡诚等（2007）和曲成闯等（2017）的研究均发现生物有机肥可提高土壤微生物量碳、氮含量。马晓霞等（2012）也发现有机肥配施氮磷钾肥与单施氮磷钾肥相比，前者有提高土壤微生物量碳、氮含量的趋势。本研究发现，随白瓜生育期延长，土壤微生物量碳均表现为先升高再降低的趋势，与土壤有机质含量变化趋势一致，而土壤微生物量氮均表现为先降低再升高的趋势，与土壤全氮含量正相关。微生物主要利用有机物中的有机质作为碳源，因此微生物生物量碳与有机质的变化趋势一致。随着白瓜对氮需要量的增加，以及土壤矿质氮含量的降低，土壤微生物生物量氮又转化为矿质态氮，供作物吸收利用，后期追肥又补充了氮源，迅速被土壤微生物固持，所以微生物生物量氮又呈现增加的趋势。在土壤碳氮供应过程中，微生物生物量起着非常重要的调节作用。

4 结论

配施有机肥不但可以使白瓜增产，而且可以平衡土壤的pH，提高土壤中碱解氮、速效钾和有效磷的含量，增强过氧化氢酶，酸性磷酸酶、蔗糖酶的活性和提高微生物生物量碳含量。生物有机肥对白瓜的增产作用发生在盛瓜期前期，对盛瓜期后期影响较小。建议在生物有机肥的推广应用中，考虑土壤粒级的影响，发挥生物有机肥的最大作用。