沼液配施化肥对土壤质量及作物生长的影响

刘 敏，纪立东，王 锐，司海丽

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021； 2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，宁夏 银川 750002）

沼液是畜禽粪便和农作物秸秆等经沼气工程发酵形成的，沼液的消纳是当前生产亟须解决的问 题[1］，有研究指出，沼液含氮、磷、钾、锌、铁等多种元素及有机质，速效性强、养分可利用率高，能有效改善土壤结构，提高作物产量和品质[2-3］。 沼液中的细菌可有效调节作物的代谢，促进植物生长，抑制病虫害[4］。李友强等[5］研究表明沼液施用量在45 t/hm2以上能显著提高土壤氮、磷、钾含量，分别比对照高15.3%（全氮）、8.4%（有效磷）、44.4%（速效钾）、16.2%（缓效钾）。然而，沼液过量施用会引起氮、磷流失等问题，对环境造成二次污染以及抑制作物生长，降低作物产量和品 质[6］。吴树彪等[7］认为，沼液能提高作物产量及品质，但并不是沼液用量越多越好。因此，沼液的适宜用量以及与化肥配施的最佳比例是目前的研究热点之一。

土壤中微生物分布广，数量大，种类丰富，参与土壤养分循环释放、动植物残体降解转化，是衡量土壤肥力的重要指标[8］。土壤酶能反映土壤生物活性和土壤生化反应强度[9］。土壤微生物生物量（SMB）是土壤有机库的活性组分，反映了土壤同化和矿化能力的大小，参与土壤动植物残体的分解和矿化[10］。杨子峰等[11］研究发现，施用沼液可增加西兰花种植前土壤细菌和放线菌数量，促进西兰花收获后土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高，同时提高土壤有机质含量。周伟等[12］研究发现，施用沼液可以提高土壤微生物生物量碳（SMBC）、氮（SMBN）的含量，分别为4.29%～61.62%、6.08%～76.10%。耿晨光等[13］研究表明沼液灌溉能明显提高蔗糖酶和脲酶活性。目前，对沼液施用的研究多见于林地，少数为盆栽或者短期的田间观测试验，缺乏沼液施用后农田土壤性质的研究，本试验以青贮玉米“东润58”为材料，研究沼液与化肥不同配施比例对土壤化学性状及土壤微生物、酶活等的影响，从而为沼液还田应用和农牧结合的生态循环农业提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年4月至10月在宁夏回族自治区吴忠市利通区孙家滩农业科技园区试验地进行。该区域海拔为1125 m，常年干旱少雨，蒸发强烈，年均降水量260 mm左右，年均蒸发量2000 mm，昼夜温差大，年均气温11.2℃，四季分明，日照充足，全年日照时数3000 h，无霜期171 d，是全国太阳辐射最充足的地区之一，适宜农作物及瓜果生长。该地土壤为灰钙土，土壤基础化学性质：有机质9.12 g/kg，全氮0.41 g/kg，全磷0.42 g/kg；碱解氮38.47 mg/kg，有效磷（P2O5）24.1 mg/kg，速效钾（K2O）162 mg/kg。

1.2 试验材料

供试肥料：沼液（N∶P2O5∶K2O=0.16%∶0.24%∶ 0.04%，宁夏金宇浩兴农牧业股份有限公司奶牛粪厌氧发酵40 d产物），氮肥为颗粒尿素（N 46%，中国石化化工集团有限公司生产），磷肥为重过磷酸钙（P2O546%，云南云天化股份有限公司生产），钾肥为硫酸钾（K2O 50%，吴忠金牛化工集团 生产）。

供试玉米品种为“东润58”，作物为一年一熟（4月中旬～9月中旬）。

1.3 试验设计

试验以常规施肥（N∶P2O5∶K2O=32∶12∶8）为施肥标准，按照沼液中的总氮含量折算形成沼液灌溉量，采用单因素多水平试验设计，共设7个处理。CK：不施肥（N∶P2O5∶K2O=0∶0∶0）。CF：常规施肥（N∶P2O5∶K2O=32∶12∶8），其中尿素1043.4 t/hm2，基施743.4 t/hm2，拔节期和孕穗期各追施150 t/hm2。磷钾肥一次性基施，其中重过磷酸钙409.05 t/hm2、硫酸钾240 t/hm2。T1：15%沼液+ 85%化 肥（N∶P2O5∶K2O=32∶17.4∶8）。T2：30%沼液+70%化肥（N∶P2O5∶K2O=32∶22.8∶8）。T3：45%沼液+55%化肥（N∶P2O5∶K2O=32∶28.2∶8）。 T4：60%沼液+40%化肥（N∶P2O5∶K2O=32∶33.6∶8）。 T5：100%沼液（N∶P2O5∶K2O=32∶48∶8）。各处理沼液全部追肥，统一灌水量，沼液灌溉处理不足供水量用黄河水补足；氮肥部分基施，其余部分在拔节期和大喇叭口期追施；磷钾肥一次性基 施。每个处理重复3次，共计21个小区，小区面积 8 m×10 m=80 m2，共计1680 m2。每个小区安装水表计量水量，田间其他统一管理操作。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 土壤化学性质测定

玉米收获后，多点混合法采集土壤0～20 cm土层土样，新鲜土壤样品立即置于便携式冷藏箱带回实验室。土壤样品过2 mm筛后分成2份，1份土样在4℃下保存，用于测定土壤微生物生物量碳、氮、磷；另1份土壤样品风干研磨后，用于测定土壤基础化学性质。有机质采用重铬酸钾-硫酸亚铁滴定法测定；全氮、全磷和全钾含量测定分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法；碱解氮用碱解扩散法测定；有效磷用钼锑抗比色法测定；速效钾用火焰光度法测定[14］。

1.4.2 土壤微生物区系特征及土壤酶活性测定

土壤3大类群微生物数量：细菌、放线菌、真菌3大类群，均采用稀释平板法分离计数，结果以每克干土所含菌落数（CFU）表示，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；放线菌采用高氏1号培养基，临用前每300 mL培养基加入灭菌的3%重铬酸钾溶液1 mL，真菌采用马丁氏孟加拉红培养基，接种后，细菌于37℃培养3～5 d，放线菌于28℃培养5～7 d，真菌于28℃培养3～5 d，计数后计算每克干土中的微生物数量。

土壤酶活性：土壤酶活性的测定根据关松荫[15］的方法，土壤蔗糖酶活性、脲酶活性、磷酸酶活性、过氧化氢酶活性分别采用3，5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法测定。

1.4.3 土壤微生物生物量碳、氮、磷的测定

土壤微生物生物量碳（SMBC）和土壤微生物生物量氮（SMBN）采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4浸提法测定，换算系数分别为0.45和0.54；土壤微生物生物量磷（SMBP）采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取-Pi测定-外加Pi校正法测定[16］。

1.4.4 作物相关指标测定

生长指标：每个处理选3株用标签标记，关键生育期测定植株株高及茎粗。

生理指标：在作物关键生育期，对不同处理作物叶片，采用叶绿素SPAD-502测定叶片叶绿素；采用便携式光合作用测量系统CI-340测定净光合速率、蒸腾速率、水分利用效率、胞间CO2浓度、气孔导度等指标。

根系特性：于作物收获期，各处理选取长势一致、有代表性的3株植株，采用完全采样法采集完整根系，根系样本冲洗干净后，用WinRHIZO根系图像分析系统分析计算根系长度、直径、面积、体积、根尖记数等指标。

产量：于蜡熟期在每小区随机选取1.1 m×2.0 m的样方，在距离地面10 cm处统一收割，测量整株鲜重。

1.5 数据处理

试验数据以Excel 2010和Origin 2018整理和制图；SPSS 21.0进行统计分析，用LSD法进行显著性检验，显著性水平P＜0.05（n=5）；采用Pearson法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 沼液配施化肥对土壤质量的影响

2.1.1 沼液配施化肥对土壤微生物区系的影响

如表1所示，与CK处理相比，其他处理均显著降低了土壤真菌数量，有效增加了土壤细菌和放线菌数量。施用沼液T2、T3、T4、T5处理较CF处理土壤真菌数量分别显著降低73.4%、77.7%、66.0%、61.2%，T1处理降低效果不显著。与CF处理相比，各沼液处理土壤细菌数量有效增加，其中T2、T3、T4、T5处理分别显著增加124.7%、160.3%、131.5%、109.6%。T3、T4较CF处 理 土壤放线菌数量分别显著增加312.5%、182.5%，而T1、T2、T5处理增加效果无显著差异。随着沼液施用量的增加，土壤总菌数呈先增加后降低的变化趋势，T2、T3、T4、T5较CF处理分别显著增加121.4%、173.4%、134.1%、102.5%。

表1 沼液配施化肥对土壤微生物区系的影响

2.1.2 沼液配施化肥对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤新陈代谢的重要因素，主要来自土壤生物代谢过程及动植物残体分解 。如表2所示，T3处理脲酶活性最高，其次是T2、T4处理，T2、T3、T4较CF处理分别增加38.0%、41.3%、35.9%，T1较CF处理脲酶活性略有降低，且无显著差异。各处理间过氧化氢酶含量无显著差异。与CF处理相比，T2、T3、T4、T5处理土壤磷酸酶活性均增加，其中T2、T3处理达到显著差异，分别较CF处理显著增加27.0%、29.0%。与CK 处理相比，CF与沼液配施化肥处理蔗糖酶活性均显著增加，且沼液配施化肥处理土壤蔗糖酶活性高于CF处理，且除T1、T5处理外均达到显著差异，T2、T3、T4处理较常规施肥处理土壤蔗糖酶活性分别显著增加92.7%、147.5%、 65.8%。

表2 沼液配施化肥对土壤酶活性的影响（mg/g）

2.1.3 沼液配施化肥对土壤化学性质的影响

土壤养分含量随着沼液用量增加呈先增加后降低的变化趋势（表3）。与CK处理相比，其他处理土壤养分均增加，CF处理各养分除速效钾含量外，均与CK处理间无显著差异。与CF处理相比，施用沼液增加了土壤有机质含量，T2、T3、T4处理间差异显著，其中T3处理效果最佳，较CF处理显著增加71.5%。T1、T2、T3较CF处理土壤全氮含量分别显著增加38.1%、50%、40.5%。与CF处理相比，沼液配施化肥处理土壤全磷含量均有增加，其中T3较CF处理显著增加24.2%。T2、T3、T4处理土壤碱解氮含量均显著增加，较CF处理分别显著增加43.8%、65.6%、50.5%。沼液配施化肥处理土壤有效磷含量均得到增加，其中T3较CF处理显著增加96.9%。与CF处理相比，T2、T3、T4、T5处理土壤速效钾含量分别显著增加 139%、162.6%、123.9%、118.7%，T1处理增加效果不明显。

表3 沼液配施化肥对土壤化学性质的影响

2.1.4 沼液配施化肥对土壤微生物生物量（SMB）、有机碳（SOC）及其比值的影响

如表4所示，与CK处理相比，其他处理土壤SMB和SOC含量均显著增加。与CF处理相比，沼液配施化肥土壤SMB和SOC含量均得到增加，且T2、T3、T4处理具有显著差异。与CF处理相比，T2、T3、T4处理土壤微生物生物量碳（SMBC）含量分别显著增加53.3%、70.0%、26.2%；土壤微生物生物量氮（SMBN）含量分别显著增加161.7%、195.6%、85.1%；土壤微生物生物量磷（SMBP）含量分别显著增加74.3%、91.6%、42.6%；SOC含量分别显著增加35.3%、71.6%、30.5%。

表4 沼液配施化肥对SMB、SOC及其比值的影响

土壤微生物熵（qMB）、SMBN/TN和SMBC/SMBN可表征土壤SOC和氮素营养含量的变化规律和作物所需养分供应情况。qMB是土壤中SMBC所占SOC的百分比，SMBN/TN是土壤微生物生物量氮和土壤全氮的比值，SMBC/SMBN即土壤微生物生物量碳氮比，由表4可知，与CK处理相比，其他处理SMBC/SMBN均降低，其中CF、T1与CK处理间无显著差异，T2、T3、T4较CF处理的SMBC/SMBN分别显著降低。qMB随沼液用量的增加呈先增加后降低的变化趋势，CF与CK处理间无显著差异，T2、T3较CF处理分别显著增加52.7%、61.7%。T1、T4、T5处理的qMB高于CF，但差异不显著。SMBN/TN的变化与qMB基本一致，T2、T3较CF处理分别显著增加95.4%、141.5%，T1与CF处理相比略有降低，但无显著差异。

2.1.5 土壤养分与微生物生物量及酶活性的相关性分析。

如表5所示，土壤SMBC、SMBN和SMBP与土壤有机质、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾间均呈显著或极显著的正相关关系，而全氮与土壤SMBC及SMBP有显著的相关关系；脲酶与土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾间呈极显著的正相关关系，过氧化氢酶与有机质、碱解氮呈负相关，与全氮、全磷、有效磷、速效钾间呈正相关，但相关性均不显著。磷酸酶、蔗糖酶均与土壤养分呈显著或极显著的正相关关系。

表5 土壤养分与微生物生物量及酶活性的相关关系

2.2 沼液配施化肥对玉米生长发育及产量的影响

2.2.1 沼液配施化肥对玉米生长的影响

如表6所示，沼液配施化肥处理玉米株高较CF均增加，且T1、T2、T3处理差异显著，分别显著增加5.9%、15.5%、23.8%，T4、T5处理与CF处理无显著差异；与CF处理相比，T2、T3处理茎粗分别显著增加11.8%、22.8%，T1、T4、T5处理无显著差异。与CK处理相比，施肥处理玉米总根长、总根表面积、总根体积及根系平均直径均显著增加。与CF处理相比，配施沼液处理均增加了玉米总根长、总根表面积、总根体积，但无显著差异（除T3处理）；常规施肥与沼液配施化肥处理玉米根系平均直径无显著差异。

表6 沼液配施化肥对玉米生长的影响

2.2.2 沼液配施化肥对玉米叶片光合特性的影响

如表7所示，与CF处理相比，除T5处理之外，T1、T2、T3、T4处理均显著降低了玉米胞间CO2浓度，分别降低了18.7%、19.5%、28.5%、13.7%；沼液配施化肥处理（除T2处理）气孔导度均高于常规施肥，且T3处理差异显著，较CF显著增加28.6%；净光合速率各处理间无显著差异。与CF处理相比，T1、T5处理蒸腾速率显著增加15.9%、18.6%，其他处理无显著差异。各处理水分利用效率无明显规律，T3处理最高，但与常规施肥无显著差异。沼液与化肥配施增加了玉米叶片的叶绿素含量，其中T2、T3、T4、T5处理具有显著差异，分别较常规施肥显著增加10.8%、16.3%、13.3%、10.7%。

表7 沼液配施化肥对玉米光合作用的影响

2.2.3 沼液配施化肥对玉米产量的影响

如图1所示，与CK处理相比，常规施肥与沼液配施化肥处理均增加了玉米产量，且除T5处理外，均达显著差异。随着沼液配施比例的增加，玉米产量呈先升高后降低的趋势，T3处理产量最高，为66.93 t/hm2，其次是T2处理，与CF相比，T2、T3处理产量显著增加，分别增加28.2%、40.9%，T1、T4、T5处理与常规施肥无显著差异 。

图1 沼液配施化肥对玉米产量的影响

3 讨论

3.1 沼液配施化肥对土壤质量的影响

土壤微生物参与土壤中的多种生化反应，在土壤生态系统中发挥着重要作用[17］。杨子峰等[11］研究表明，西兰花种植前施用沼液可使土壤细菌和放线菌数量分别显著增加91.16%和79.09%，真菌数量显著减少55.03%。土壤真菌数量增加，会导致细菌/真菌比值的降低，从而使植物发生多种病害，使土壤土传病害增加[18-19］，本研究结果表明，沼液配施化肥可增加土壤微生物数量，提高土壤肥力，这是因为沼液中含有氮、磷、钾和多种微量元素以及大量葡萄糖、氨基酸、纤维素等营养物质，为土壤微生物生存提供了能量和养料[11］，也促进了微生物的生长发育，促使土壤微生物数量增加。且沼液本身含有大量微生物，直接增加土壤微生物数量。

土壤酶参与分解作物和微生物残体并转化成可供作物吸收利用的养分。万海文等[20］研究表明，追施沼液可有效提高小麦耕层土壤蔗糖酶活性，土壤碱性磷酸酶、脲酶活性随沼液总施用量的增加而增大。本试验研究结果显示，施肥处理均增加了土壤酶活性，且沼液配施化肥效果更好，T3处理最佳，其脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性较常规施肥分别显著增加41.3%、29.0%、147.5%，说明增施沼液比单施化肥更有利于土壤酶活性的增加，同时达到减施化肥的效果。耿晨光等[13］研究发现，沼液在园林地的消解利用中增加了土壤脲酶和蔗糖酶含量，但过氧化氢酶含量未出现较大变化，本研究结果也显示，施用沼液对过氧化氢酶的含量影响不大，过氧化氢酶活性可能受土壤质地、施肥方式和施肥用量等多方面因素的影响。

唐华等[21］研究表明土壤全氮、全磷、有机质含量随沼液灌溉量的增加呈增加趋势。崔宇星 等[22］研究结果显示，施用沼液能提高土壤有机质含量，且提高幅度与沼液用量呈正相关关系。本研究施用沼液后土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量均显著增加，这是因为增施沼液为微生物的生长创造了良好的生长环境，而土壤微生物活动可有效改善土壤结构，进而增加土壤养分，且沼液中含有的腐植酸和纤维素等物质，对增加有机质、维护土壤结构有直接的促进作用[23］。

本研究中，沼液配施化肥处理的SMB和SOC含量均增加，其中T2、T3、T4处理差异显著，这是因为沼液的施入为土壤微生物的活动提供充足的碳源和氮源，增加了微生物数量，从而有效提高土壤微生物生物量碳、氮的含量。土壤SMBC/SMBN可以反映土壤微生物的区系构成，一般情况下，真菌的SMBC/ SMBN为10，细 菌 为5，放 线 菌 为6[24］。本 研 究中，施用沼液均显著降低SMBC/SMBN，这与周伟等[12］的研究结果“沼液的施入明显降低了土壤微生物量碳氮比”一致。T3、T4处理的SMBC/SMBN在5～6之间，可见，施入适量沼液能使土壤由高害的真菌型向低害的细菌型转化，从而改变土壤微生物群落结构。土壤微生物熵（qMB）值越大，土壤有机碳周转越快，其范围为1%～ 4%[25］。本研究中qMB范围介于1.88%～3.04%之间，且qMB随着沼液用量的增加呈先增加后减少的趋势，其中T2、T3处理较常规施肥分别显著增加52.7%、61.7%，这可能是适量施用沼液有效增加了生物产量，改善了土壤环境，有利于土壤碳的“源”与“汇”，进而促使土壤有机碳周转速率增加。SMBN/TN可作为土壤氮素有效性和土壤氮素供应能力的重要评价指标，范围在2%～6%之 间[26］。本研究中，SMBN/TN值随着沼液配施比例的增加先增加后减少，说明配施沼液可以增加土壤氮素的有效性和氮素供应能力。

土壤养分与土壤微生物特性之间有显著的相关关系[27］。李娟等[28］研究表明，脲酶与土壤养分之间呈极显著正相关，而过氧化氢酶与土壤各养分因子之间却无明显的相关性。本研究结果显示，土壤SMBC、SMBP及脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性与土壤养分之间均呈现显著或极显著的正相关关系。过氧化氢酶与有机质、碱解氮呈负相关，与全氮、全磷、有效磷、速效钾之间相关性均不显著，这可能与沼液的性质和土壤质地有关，也可能是过氧化氢酶的辅基遭到了肥料中阴离子的封阻[29］。

3.2 沼液配施化肥对玉米生长及产量的影响

沼液中含有丰富的氨基酸、维生素以及各种生长素等，能提供植物生长发育所需的营养，赵金华等[30］研究显示，70%沼液配施30%化肥，西瓜植株的株高、茎粗、叶片数显著高于其他处理。本研究中，T2、T3处理玉米株高、茎粗较常规施肥显著增加。T3处理玉米总根长、总根表面积、总根体积较常规施肥显著增加，这是因为沼液配施化肥改善了玉米根部生长环境，促使根部生长点快速发育，增强根的活力。

本研究表明，与常规施肥相比，T1、T2、T3、T4处理玉米胞间CO2浓度显著降低，T3处理气孔导度显著增加28.6%，T1、T5处理蒸腾速率分别显著增加15.9%、18.6%，由此可见，沼液与化肥配施能显著促进玉米叶片光合作用。叶绿素在植物光合作用中吸收光能并参与原初反应，其含量决定了光合作用的效率[31-32］。沼液配施化肥增加了玉米叶片的叶绿素含量，其中T2、T3、T4、T5处理分别较常规施肥显著增加10.8%、16.3%、13.3%、10.7%。这是因为沼液与化肥配施，降低了养分对叶绿素合成的胁迫作用，同时沼液中含有与叶绿素合成有关的钙、镁、铜、铁、锌等矿质元素，可显著降低植物光合午休现象，降低叶绿素的降解速度，为株高的增加提供了充足的光合产物[33-34］。

沼液与化肥配施能提高作物产量，具有常规施肥和单施沼液无法比拟的优势。本试验结果表明，T2、T3处理产量较常规施肥分别显著增加28.2%、40.9%，这是因为沼液中含有多种作物所需的水溶性营养成分，养分可利用率高，另一方面沼液与化肥配施可以改善土壤结构，提高土壤肥力，改善叶片光合性能，从而协调营养生长和生殖生长，有效地提高玉米产量。

李金澄等[35］研究表明沼液过量施用土壤存在铜、锌污染以及大肠杆菌污染的风险。这与本研究结果“随着沼液用量增加，土壤微生物区系、酶活性、微生物生物量及作物产量等均呈先升高后降低的变化趋势”相似，说明适量沼液配施可提高土壤肥力，改善土壤微生物特性，从而促进作物生长，产量增加，但沼液过量施用则会产生抑制或毒害作用。

4 结论

（1）施用沼液能显著增加土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量，与常规施肥相比，T3处理提高土壤养分含量效果最佳， 分别增加71.5%、40.5%、24.2%、65.6%、96.9%和 162.6%。

（2）沼液配施化肥可增加土壤微生物数量，与CK处理相比，各处理均能有效降低土壤真菌数量，增加土壤细菌和放线菌数量及土壤酶活性，T3处理效果最好。沼液配施化肥可有效增加土壤SMB和SOC含量，与常规施肥相比，T3处理土壤SMBC、SMBN、SMBP和SOC含 量 分 别 显 著 增 加70.0%、195.6%、 91.6%和71.6%。同时，沼液能有效降低土壤SMBC/SMBN，增加土壤qMB和SMBN/TN，以T3处理效果最佳。

（3）相关性分析表明，土壤SMBC、SMBN和SMBP与土壤有机质、全磷、碱解氮、有效磷、速效钾之间均呈显著或极显著的正相关关系，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶均与土壤养分呈显著或极显著的正相关关系。过氧化氢酶与有机质、碱解氮呈负相关，与全氮、全磷、有效磷、速效钾之间呈正相关，但相关性均不显著。

（4）沼液配施化肥显著促进了玉米的生长发育，与常规施肥相比，T3处理株高、茎粗分别显著增加23.8%、22.8%，总根长、总根表面积、总根体积分别显著增加34.1%、32.6%、66.2%，胞间CO2浓度显著降低28.5%，气孔导度、叶绿素含量分别显著增加28.6%、16.3%；玉米产量随着沼液配施比例的增加先升高后降低，T3处理最高，较常规施肥显著增加40.9%。

以45%沼液配施55%化肥处理效果最佳，可有效改善土壤结构，提高土壤肥力，进而促进作物生长，产量增加。