生物有机肥配合深松对农田土壤肥力和作物产量的影响

可艳军， 张雨萌， 郭艳杰， 张丽娟， 张子涛， 吉艳芝*

（1.河北省衡水市枣强县农业农村局，河北 衡水 053199； 2.河北农业大学资源与环境科学学院，河北 保定 071000； 3.河北农业大学河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071000）

华北平原作为我国重要的粮食生产基地之一，小麦和玉米的总产量分别占全国的50%和35%，对我国农业的稳定与发展起着重要的作用。但是，传统的注重施用化肥、长期旋耕等管理方式造成农田土壤板结、耕层浅薄，土壤肥力和粮食产量逐年下降[1-2]。因此，科学施肥与合理耕作对保障粮食安全和提升土壤肥力具有重要作用[3]。

有机肥在农业生产中具有重要作用，与无机肥相比能更好地改善土壤理化性质[4]、提高作物产量[5]。农业农村部（原农业部）也颁布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，提倡采用有机肥替代部分化肥，提升耕地地力。季佳鹏等[6]通过2年有机肥替代20%化肥的研究发现，土壤有机碳、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加了13.0%、18.5%、34.2%和18.5%，玉米产量连续2年增产5.6%和20.8%。有研究表明，深松是保护性耕作的一种类型，可以打破犁底层，增加土壤透气性，有效降低玉米生育时期0—40 cm土层的土壤容重[7]，使土壤有机碳提高9.73%[8]，冬小麦、夏玉米及周年总产分别增加22.0%、8.8%和15.2%[9]。深松结合施用有机肥料能改善夏玉米田土壤环境，提高土壤肥力[10]，使春玉米产量提高7.4%[11]，春大麦产量提高19%～84%[12]。已有研究多侧重于深松与有机肥结合对单季作物及其土壤肥力的影响，缺少对冬小麦-夏玉米轮作体系的系统研究和土壤微生物量性质的关注。因此，本研究基于冬小麦-夏玉米轮作体系的周年生产，通过2年的田间试验，在冬小麦季基施生物有机肥，结合夏玉米季深松耕作，探究其对作物产量及农田土壤物理、化学和生物学性质的影响，为探寻适宜该地区的土壤管理措施及农业可持续发展提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在河北省邢台市宁晋县原种场（37°36′N，114°59′E）进行，该地区属暖温带大陆性季风气候，年均气温12.8 ℃，无霜期198 d，年均日照时数2 538.1 h，年均降雨量449.1 mm，土壤类型为潮褐土。试验地土壤基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical characteristics of the experimental soil

1.2 供试材料

作物品种：冬小麦为河农6049，夏玉米为郑单958。

肥料：生物有机肥，有机质≥40%，有效菌株为巨大芽孢杆菌和胶冻样类芽孢杆菌，有效活菌数≥0.2亿·g-1，纯养分含量N为1.6%、P2O5为2.7%、K2O为1.8%，含水量＜30%，由河北闰沃生物技术有限公司提供；缓释尿素，作基肥用，含N 44%；尿素，追肥用，含N 46%；磷酸一铵，含N 11%、P2O544%；氯化钾，含K2O 60%。

1.3 试验设计

试验于2017年10月至2019年10月进行，经过冬小麦-夏玉米2个轮作。采用随机区组裂区试验设计，冬小麦季设3个处理，分别为常规施化肥（M0）、化肥氮10%用生物有机肥替代（M1）、化肥氮20%用生物有机肥替代（M2）；夏玉米季在3个有机肥用量中设2个耕作处理，分别为传统耕作（P，免耕直播）和深松耕作（S，在间隔60 cm、耕深30—35 cm、宽5 cm的深松带内播种），形成M0S、M0P、M1S、M1P、M2S、M2P共6个处理，每个处理重复3次，共18个小区，小区面积96 m2（10.0 m×9.6 m）。

冬小麦季各处理施肥量为纯N 240 kg·hm-2，纯P2O5135 kg·hm-2，纯K2O 105 kg·hm-2，化学氮肥分基肥和拔节期追肥按4∶6施用，生物有机肥、磷肥、钾肥全部作基肥。夏玉米季各处理施肥量为纯N 234 kg·hm-2，纯P2O590 kg·hm-2，纯K2O 108 kg·hm-2，氮、磷、钾肥全部作基肥施入。其他田间管理措施同当地常规管理一致。

1.4 样品采集与指标测定

1.4.1 土壤样品采集 分别在2017—2018和2018—2019年2个轮作的冬小麦、夏玉米成熟期，每小区按照“S”形设置5个样点，采集0—10 cm耕层土样，充分混合后，分为两部分带回实验室。一部分保留新鲜土样，用于测定土壤硝态氮含量；一部分风干过筛后，用于测定有机质、有效磷、速效钾含量。同时用环刀采集土壤样品测定土壤容重。在2018—2019年第2个轮作的冬小麦和夏玉米成熟期，每个小区同样按照“S”形采集0—10 cm耕层新鲜土壤样品，用于测定土壤pH、微生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）；同时采集原状土1.5～2.0 kg，用于团聚体级别分析。

1.4.2 指标测定 ①土壤物理指标：采用环刀法测定土壤容重[13]；用湿筛法测定土壤水稳性团聚体分级[13]。

②土壤化学指标：pH采用酸度计测定，液土比为2.5∶1[13]；有机质采用浓硫酸-重铬酸钾氧化法进行测定[14]；硝态氮采用Skalar SAN++型连续流动分析仪测定[15]；有效磷采用碳酸氢钠浸提，钼蓝比色法测定[14]；速效钾用1 mol·L-1醋酸铵浸提，火焰光度计测定[14]。

③土壤微生物指标：微生物量碳、氮采用氯仿熏蒸直接浸提，分别用TOC-VCPH有机碳分析仪和流动分析仪测定[16]。

1.4.3 产量测定 小麦和玉米成熟时，每个小区全部收获用于产量测定。

1.5 计算公式

参照以下公式计算直径＞0.25 mm土壤团聚体比例（R0.25）、平均重量直径（mean weight distribution，MWD）和几何平均直径（geometric mean diameter，GMD）[17]。

式中，MR0.25为＞0.25 mm的土壤团聚体质量（g），MT为总的土壤质量（g），Xi为每一粒级团聚体的平均直径（mm），Wi为每一粒级团聚体的重量百分含量（%）。

1.6 数据分析

数据采用Microsoft Excel 2016进行整理和绘图，采用 SPSS 20.0 进行方差分析，采用Duncan多重比较法进行差异性分析（P=0.05）。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥替代化肥配合深松对土壤物理性质的影响

2.1.1 对土壤容重的影响 土壤容重是表征土壤肥力改善的重要指标，土壤松紧适宜，有利于幼苗的出土和根系的正常生长。由表2可以看出，2017—2018年冬小麦季的土壤容重随生物有机肥替代比例的增加呈现下降趋势，M2P的土壤容重显著低于M1P和M0P；夏玉米季，传统耕作和深松耕作下各处理土壤容重差异不显著；M1S、M2S处理的容重分别比M0P显著降低8.22%和7.53%。2018—2019年轮作季，冬小麦的M1S、M2S处理土壤容重分别比M0P显著降低9.16%和9.92%，说明前茬玉米季的深松结合当季的生物有机肥能显著降低土壤容重；夏玉米季的深松效果最为显著，M2P和3个深松播种处理（M0S、M1S和M2S）的土壤容重均显著低于M0P处理，其中，M2P处理较M0P降低5.12%，结合前茬有机肥处理的M1S、M2S处理较M0P分别降低6.57%和8.03%。综合2个轮作季可以说明，生物有机肥替代化肥配合深松对降低农田土壤容重的效果明显。

表2 2017—2019年不同处理土壤容重Table 2 Soil bulk density under different treatments in 2017—2019（g·cm-3）

2.1.2 对土壤水稳性团聚体分级及稳定性的影响 大于0.25 mm团聚体（R0.25）是土壤中较为理想的大团聚体，其含量越高表示土壤的结构越好、土壤稳定性越强。由表3可知，水稳性团聚体中，各处理中＜0.25 mm团聚体占比最高，而＞5 mm团聚体占比最低。随着生物有机肥替代化肥量的增加，冬小麦季＜0.25 mm的土壤团聚体占比逐渐降低，R0.25团聚体的比例逐渐升高，M1S和M2S处理R0.25比M0S显著提高58.51%和58.94%，M2P处理比M0P显著增加42.65%。由此可见，冬小麦季采用生物有机肥替代化肥可以增加水稳性大团聚体的含量，深松和传统耕作的MWD、GMD均表现出随生物有机肥替代化肥量增加而增加的趋势。夏玉米季的＜0.25 mm团聚体数量呈现出深松播种低于传统耕作的趋势，但处理间差异不显著；R0.25团聚体比例为M2S＞M1S＞M0S、M2P＞M1P＞M0P；同一生物有机肥替代化肥水平下的MWD和GMD均表现为深松耕作高于传统耕作。综合分析生物有机肥替代化肥配合深松的效果，M2S和M1S处理比M0P显著高46.12%和28.01%，M2S的MWD和GMD比M0P分别高19.12%和27.27%。

表3 2018—2019年冬小麦和夏玉米不同处理土壤团聚体质量比与稳定性Table 3 Mass ratio and stability of soil aggregates under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019

2.2 生物有机肥替代化肥配合深松对土壤化学性质的影响

2.2.1 对土壤pH的影响 2个轮作后不同处理土壤pH见图1，冬小麦季各处理土壤pH在8.07～8.28之间，处理间差异不显著，但随着生物有机肥替代化肥量的增加，pH呈现下降趋势。夏玉米季的土壤pH在7.94～8.17之间，深松或传统耕作对pH的影响不显著；但生物有机肥替代10%

图1 2018—2019年冬小麦和夏玉米不同处理土壤pHFig. 1 Soil pH under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019

化肥量配合深松播种（M1S）处理为7.94，显著低于常规施肥配合传统耕作(M0P)，可见生物有机肥替代化肥配合深松能降低土壤pH，调节土壤酸碱性。

2.2.2 对土壤有机质含量的影响 由图2可以看出，2017—2018年冬小麦季的土壤有机质含量随着生物有机肥替代化肥量的增加而增加，传统耕作下，M2P和M1P处理分别比M0P显著提高9.38%和8.03%。夏玉米季的土壤有机质含量呈现出M2S＞M1S＞M0S、M2P（13.95 g·kg-1）≈M1P（14.12 g·kg-1）≈M0P（14.04 g·kg-1）的变化趋势，且深松耕作处理的有机质含量显著高于传统耕作处理，可见前茬施用生物有机肥替代化肥对夏玉米季土壤有机质提升有一定促进作用。

图2 2017—2019年冬小麦和夏玉米不同处理土壤有机质含量Fig. 2 Soil organic matter content under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019

2018—2019年冬小麦季施用生物有机肥替代化肥且采用传统耕作的3个处理（M0P、M1P和M2P）间差异不显著，说明第2个轮作的生物有机肥施用对当季作物的土壤有机质影响不显著，但前茬深松耕作各处理（M0S、M1S和M2S）的土壤有机质含量显著高于传统耕作。夏玉米季深松耕作有机质含量出现低于传统耕作的趋势，但深松耕作间和传统耕作间的土壤有机质含量差异不显著；M1P处理的有机质含量最高，达到21.02 g·kg-1，显著高于M0S，但与其他处理间差异不显著。因此，夏玉米连续2年深松，对当季有机质的提升作用不明显，但冬小麦季施用生物有机肥明显提高土壤有机质含量。

2.2.3 对土壤养分的影响 由表4可知，在2017—2018轮作季，土壤硝态氮含量随着生物有机肥施用量的增加而上升，深松和传统耕作的土壤硝态氮含量差异不显著。冬小麦季M2P和M1P处理分别比M0P提高91.65%和50.61%，夏玉米季M2S和M1S处理的硝态氮含量分别比M0S显著提高101.49%和80.12%，M2P和M1P处理较M0P显著提高169.25%和106.57%。2018—2019年轮作季，冬小麦季深松耕作下的土壤硝态氮含量与第1轮作季一致，表现为M2S＞M1S＞M0S，而传统耕作下仅表现为M2P显著高于M0P，其中M2S和M2P处理显著高于M0S和M0P；夏玉米季深松提高土壤硝态氮含量，其中M1S显著高于M1P，其他处理间差异不显著。因此，施用生物有机肥配合深松能显著提高当季耕层土壤硝态氮含量。

表4 2017—2019年冬小麦和夏玉米不同处理耕层土壤养分含量Table 4 Soil nutrient contents under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019

在2017—2018年轮作季，冬小麦季耕层土壤有效磷含量随生物有机肥施用量的增加而增加，M1P和M2P处理分别比M0P提高32.27%和33.55%；夏玉米季耕层土壤有效磷含量在深松和传统耕作下均表现为随着生物有机肥用量的增加呈现先增加后降低的趋势，M1P和M1S土壤有效磷含量最高，分别为17.95和22.68 mg·kg-1；同时深松耕作土壤有效磷含量高于传统耕作，其中，M0S处理比M0P高62.67%，M1S比M1P高26.35%，M2S比M2P高50.33%。在2018—2019年轮作季，冬小麦季耕层土壤有效磷含量在前茬深松下随着生物有机肥替代量的增加而增加，M2S比M1S和M0S分别增加39.23%和57.73%，前茬传统耕作的3个处理差异不显著；同一生物有机肥替代化肥量水平下，夏玉米季深松耕作的有效磷含量均显著低于传统耕作，即M0S处理比M0P低47.19%，M1S比M1P低27.98%，M2S比M2P低40.88%。

2017—2018年轮作季，生物有机肥能有效提高冬小麦季土壤速效钾含量，M2P和M1P分别比M0P增加24.84%和20.61%；生物有机肥配合深松能提高夏玉米季土壤速效钾含量，其中M1S和M2S显著高于M0S，M2S比M2P显著增加20.02%。在2018—2019年轮作季，冬小麦中M1P处理的速效钾含量显著高于其他处理，夏玉米季的深松与传统耕作的速效钾含量差异不显著，但前茬施用有机肥配合深松的M1S处理 较M0P显著增加34.53%。施用有机肥能提高土壤速效钾含量，深松耕作对速效钾含量的影响不显著。

2.3 生物有机肥替代化肥配合深松对轮作系统土壤微生物碳和氮的影响

从表5可以看出，冬小麦季的微生物量碳和氮均随生物有机肥替代化肥量的增加呈现增加趋势，M2S处理较M0P的土壤微生物量碳、氮量分别显著增加15.77%和17.28%，其余处理间差异均不显著。夏玉米季，M2S处理的微生物量碳比M0P和M0S处理分别显著提高66.49%和47.11%，与M1S处理差异不显著，M2P处理比M0P显著提高44.95%，与M1P处理差异不显著，说明前茬小麦季的生物有机肥对夏玉米季土壤微生物碳的提升具有促进作用；夏玉季的微生物量氮变化规律与微生物量碳基本一致，且深松大于传统耕作，M2S较M0P显著提高55.30%。

表5 2018—2019年冬小麦和夏玉米不同处理土壤微生物量碳、氮含量Table 5 Soil microbial biomass carbon and nitrogen contents under different treatments of winter wheat and summer corn in 2018—2019（mg·kg-1）

2.4 生物有机肥替代化肥配合深松对作物产量的影响

由表6可知，在2017—2018年轮作季，冬小麦季产量呈现随生物有机肥用量增加而上升的趋势，表现为M2P＞M1P＞M0P，但处理间差异不显著；夏玉米产量在各处理间差异不显著，但生物有机肥替代化肥配合深松耕作（M1S、M2S）产量表现出高于常规施肥配合传统耕作（M0P）趋势。2018—2019年轮作季中，冬小麦产量表现为随生物有机肥替代量的增加而增加的趋势，M2P较M0P显著增产11.36%，M2S较M0S显著增产9.96%；夏玉米产量呈现深松高于传统耕作的趋势，但生物有机肥替代化肥的增产效果不显著。2个轮作后，M1S和M2S产量总和分别为36 618和39 256 kg·hm-2，2个处理差异不显著，但比M0P分别显著增产13.20%和10.46%；相同有机肥替代量下，深松的产量表现出高于传统耕作的趋势。

表6 2017—2019年冬小麦和夏玉米不同处理产量Table 6 Yield under different treatments of winter wheat and summer corn in 2017—2019（kg·hm-2）

3 讨论

3.1 生物有机肥替代化肥配合深松有利于提高土壤团聚体稳定性

良好的土壤物理性状是作物高产的重要条件，团聚体及其稳定性是土壤物理性质的重要指标。张久明等[10]对春玉米研究发现深松配合施用生物有机肥能降低土壤容重，改善土壤物理结构。刘明月等[18]研究表明，土壤团聚体的MWD、GMD和＞0.25 mm水稳性团聚体的含量随着有机肥替代比例的增加而增加。Zhang等[7]研究发现，深松耕作相比常规旋耕对土壤扰动程度更加明显，能够显著降低土壤容重，增加水稳性大团聚体的含量。本研究发现，生物有机肥替代10%和20%化肥氮，冬小麦季的R0.25、MWD和GMD随着生物有机肥替代化肥量的增加而增加，配合夏玉米季深松后，团聚体稳定性并未降低，这是由于生物有机肥中芽孢杆菌的作用，一是芽孢杆菌的细胞外产生的亲水性胞外聚合物，具有一定胶结能力，能聚合吸附土壤颗粒，促进团聚体稳定[19]；二是芽孢杆菌能增加土壤有机碳含量，有机碳是土壤团聚体的主要胶结物，进而增加了大团聚体含量，提升了团聚体稳定性[20]。因此，生物有机肥配合深松能降低农田土壤容重，提高水稳性大团聚体的稳定性。

3.2 生物有机肥替代化肥配合深松有利于土壤有机质与养分提升

生物有机肥是添加功能微生物并兼顾有机肥的一种肥料，具有减少化肥用量、改良土壤、提高土壤肥力的作用。芽孢杆菌属具有解磷、解钾和固氮作用，能增加土壤养分含量，减少化肥使用量[21]，常被用于制作生物有机肥。张世卿[22]采用添加枯草芽孢杆菌的生物有机肥替代30%化肥，土壤有机质增加6.3%～16.9%，有效磷增加5%～25%，速效钾增加3%～9%，NO-3-N淋溶减少了10%～30%。于晓芳等[23]研究表明深松能改善土壤孔隙状况，加快土壤养分的转化，增加土壤的养分含量。本试验中的生物有机肥含有枯草芽孢杆菌和和胶冻样芽孢杆菌，对农田土壤有机质、硝态氮、有效磷和速效钾含量具有明显的提升效果，但深松对农田土壤养分的提升作用不明显，可能是由于本试验仅对玉米田表层的土壤养分进行了监测，而玉米季为雨热同季，深松提高了土壤的通透性，促进了土壤养分向下层的淋洗。于海磊等[24]对黑龙港平原玉米进行深松研究发现，深松的硝态氮含量在0—20 cm土层低于传统处理，而在21—40 cm 则相反。目前对轮作体系中的2种作物分别采用生物有机肥替代和深松的研究未见报道，因此需要加强轮作体系的系统研究与长期研究，并进行更深土层的土壤养分监测。

3.3 生物有机肥替代化肥配合深松提高土壤微生物量碳、氮含量

土壤微生物量碳、氮可作为表征土壤微生物活性高低的指标，研究表明，长期使用化肥会降低土壤细菌和真菌的丰度，影响微生物活性[25]。本试验中，生物有机肥替代化肥可提高耕层土壤微生物量碳、氮含量，且随着生物有机肥用量的增加呈上升趋势，这与Zhao等[26]和曲成闯等[27]的研究结果一致，是因为芽孢杆菌能显著改善土壤中溶磷微生物种群、固氮细菌和磷酸酶活性，提高土壤微生物数量[28]。本研究中，深松对微生物量碳、氮有提升作用，表现出M0S＞M0P、M1S＞M1P、M2S＞M2P的趋势，这是由于深松能有效增加土壤的透气性，为微生物提供适生环境，进而增加微生物量碳、氮含量[29]。

3.4 生物有机肥替代化肥配合深松有利于作物增产

与单施化肥相比，有机肥等氮替代能够协调平衡供应有机养分与无机养分，满足作物对养分的需求，使作物保持稳产。生物有机肥中的芽孢杆菌能分泌合成生长素、细胞分裂素、赤霉素等植物激素，与无机肥配合施用，能满足作物对养分的需求，促进作物生长[30]；另外，生物有机肥能改善土壤肥力状况，进而保证作物稳产高产。刘明月等[18]研究发现，生物有机肥替代化肥使小麦和水稻的产量分别提高5.6%～13.2%和0.2%～14.0%。于晓芳等[23]发现深松使低、中、高产田的玉米产量较常规浅旋耕增加32.79%～47.97%，23.46%～40.74%和8.03%～16.27%。本试验以华北平原冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象，将生物有机肥替代部分化肥氮（10%～20%）配合深松耕作，2个轮作的作物总产量增加10.46%～13.20%，这与张世卿[22]的研究结果一致。