长期有机肥与无机肥配施对马铃薯-玉米田土壤养分、碳组分、微生物区系及作物产量的影响

范秉元

(河南农业职业学院,河南郑州 450000)

随着农业集约化生产的兴起,施肥已经成为影响土壤有机碳含量的重要措施[16]。但不同施肥措施、肥料种类以及秸秆还田方式,对土壤有机碳组分含量的影响并不一致[17]。有研究表明,合理的施肥措施能够通过投入外源有机物或秸秆还田等,提高土壤有机碳含量[18]。也有研究表明,不合理的施肥措施能够通过激发效应,降低土壤有机碳含量,改变有机碳组分含量及比例[19]。有机肥具有养分释放慢、时效长、绿色环保等特点[20]。有机肥的合理施入,不仅能够提高作物产量,减少土壤面源污染,还能够有效改善土壤理化性质,增加土壤有机碳含量[21-22]。土壤微生物是土壤中有机碳转化的主要驱动力,参与有机碳的转化、分解与合成过程,而有机碳是土壤微生物生命活动所需养分和能量的主要来源[23-24]。有研究表明,外源有机碳的摄入会增加土壤微生物的生物量,提高土壤微生物的活性[25-26]。

以往的研究大多局限于不同有机肥无机肥配施比例对土壤有机碳含量或土壤微生物群落的影响[27-29]。而关于化肥减量与不同种类有机肥和秸秆还田配施对土壤碳组分含量、微生物菌群区系结构及之间相关性影响的研究较少,且不同施肥制度对不同作物种植体系土壤有机碳含量及微生物的影响均不同。本研究通过长期化肥减量与羊粪、生物有机肥及秸秆还田配施,探究不同施肥模式下土壤养分、碳组分含量、微生物菌群区系结构及作物产量的变化规律,以期为马铃薯—玉米田有机肥无机肥的合理配施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验时间与地点

试验于2016年6月至2021年6月进行。试验地点位于河南农业职业学院农业工程学院实训基地(114°03′E,34°76′N),海拔53 m,属暖温带半湿润大陆性季风气候,年均气温14.2 ℃,年均降水量650～700 mm,年均日照时长23 600 h,无霜期 240 d。供试土壤为黄潮土。试验前0～20 cm表层土壤理化性状:速效氮、速效磷、速效钾含量分别为48.34、58.05、134.56 mg/kg,含有机质8.35 g/kg,pH值为8.2。

1.2 试验材料

供试材料:马铃薯品种郑薯6号(郑州市蔬菜研究所提供),玉米品种郑单958(河南省农业科学院粮食作物研究所提供);供试肥料:氮磷钾复混肥(N ∶P ∶K=12 ∶6 ∶7),生物有机肥(有效活菌数≥0.2亿CFU/g,有机质含量≥40%,河南宝融生物科技有限公司提供),羊粪(含有机质25.46%、氮0.78%、磷0.57%、钾0.44%)。

1.3 试验设计

试验设置8个处理,分别为不施肥(CK)、单施化肥(T1)、单施生物有机肥(T2)、单施羊粪(T3)、50%化肥+50%生物有机肥(T4)、50%化肥+50%生物有机肥+秸秆还田(T5)、50%化肥+50%羊粪(T6)、50%化肥+50%羊粪+秸秆还田(T7),每个处理重复3次,共24个小区,全部随机区组排列。小区面积6.0 m×7.5 m,走道0.8 m,保护行5 m,马铃薯株行距40 cm×50 cm,玉米株行距25 cm×50 cm。单施化肥用量为750 kg/hm2;单施生物有机肥用量为1 200 kg/hm2;单施羊粪用量为22 500 kg/hm2。秸秆还田处理中,马铃薯与玉米秸秆均全部直接粉粹旋耕还田;秸秆不还田处理通过人工移走。氮磷钾复混肥2/3作为基肥,1/3作为追肥,其中马铃薯季在幼苗期追肥,玉米季在大喇叭口期追肥。马铃薯生育期为3月10日至6月10日,玉米生育期为6月17日至9月25日。田间管理措施与当地农民习惯一致。分别于2017年马铃薯收获期和2021年马铃薯收获期利用“S”形5点取样法采集0～20 cm土壤样品。样品分为2个部分保存:一部分自然阴干,用于土壤养分、碳组分含量的测定;一部分 -40 ℃ 保存,用于土壤微生物群落的测定。

1.4 测试项目及分析方法

土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量分别采用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3法、NH4OAc 浸提-火焰光度法、重铬酸钾容量-外加热法测定[30];土壤有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳含量分别采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法、六偏磷酸钠分散法、蒸馏水浸提法、高锰酸钾氧化法、三氯甲烷熏蒸法测定[30];土壤微生物群落结构采用磷脂脂肪酸法测定[31];各小区处理玉米、马铃薯产量均全部称质量计算,折算单位为kg/hm2。

1.5 数据处理

试验数据采用WPS 2019进行统计与计算,采用DPS 9.50 进行方差分析与显著性检验,采用Canoco 5.0进行RDA分析与作图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量变化

不同施肥年限下,各施肥处理的土壤速效养分及有机质含量差异较大(图1)。2017年(施肥1年)时,各施肥处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量均显著高于CK处理(P<0.05)。T5处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量均最高,比其他施肥处理分别提高2.41%～18.95%、4.44%～17.31%、4.28%～15.70%、1.48%～5.44%。其中,速效氮含量显著高于除T7外的其他处理;速效磷含量显著高于除T4外的其他处理;速效钾含量显著高于除T4、T7外的其他处理;有机质含量显著高于T1处理,而与其他施肥处理均无显著性差异。

第二方面，对资产管理和预算管理相互结合，单位需要积极建设国有资产配置机制。疏理管理层当中存在的数据是资产购置预算的编制前提，因此相关单位可以对国有资产的配置以及存量进行联系，始终遵循限高补低的原则，对资产进行科学合理的配置，对单位国有资产进行最优化配置。此外，事业单位需要建立起对资产进行合理调剂和共享的相关机制，能够有效提升国有资产使用效率。对国有资产进行具体管理过程中，可以对单位中的闲置资产进行合理调剂，对共享共用机制应用在大型设备当中，以防止出现重复配置现象，最终明确财政资产使用效率达到足够稳定状态。

随着施肥时间的延长,到2021年(施肥6年)时,不同处理土壤养分含量差异更加明显。其中,各施肥处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量较CK处理分别显著提高19.99%～73.28%、45.71%～102.05%、27.98%～60.90%、21.49%～46.95%。T5处理的土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量仍均最高。其中,速效氮、速效磷、速效钾比其他施肥处理分别显著提高7.29%～44.41%、8.95%～38.67%、5.54%%～25.72%,有机质含量较T1、T2、T3、T6处理分别显著提高20.95%、12.88%、16.71%、8.93%。T3处理的速效氮、速效磷、速效钾含量显著低于其他施肥处理,T1处理的有机质含量显著低于除T3外的其他施肥处理。

2.2 土壤总有机碳含量变化

由图2可知,2017年时,与CK处理相比,各施肥处理的土壤总有机碳含量显著提高7.74%～18.14%。其中,T5处理总有机碳含量最高,比T1、T3、T6处理分别显著提高9.65%、7.88%、5.53%。T1处理总有机碳含量在所有施肥处理中最低,显著低于T2、T4、T5、T7处理。到2021年时,各处理的土壤总有机碳含量差异更加显著,与2017年相比,土壤总有机碳含量除CK、T1处理下降外,其他施用有机肥的处理均有不同程度的提高。2021年各施肥处理的土壤总有机碳含量表现为T5>T7>T4>T2>T6>T3>T1>CK。其中,T5处理的总有机碳含量比其他处理显著提高5.57%～69.47%;CK处理的总有机碳含量显著最低,而T1处理的总有机碳含量显著低于其他施肥处理。

2.3 土壤颗粒有机碳含量的变化

由图3可知,2017年时,各施肥处理的颗粒有机碳含量均显著高于CK处理。其中,T5处理的颗粒有机碳含量最高,比其他施肥处理显著提高7.98%～27.86%。T7处理的颗粒有机碳含量比T6处理显著提高8.80%,而与T3处理相比,无显著性差异。T1处理的颗粒有机碳含量显著低于其他施肥处理。到2021年时,各施肥处理的颗粒有机碳含量表现为T5>T7>T4>T6>T2>T3>T1>CK。其中,T5处理的颗粒有机碳含量比其他处理显著提高8.27%～80.92%,与2017年相比,差异更加显著。T7处理的颗粒有机碳含量显著高于T3、T6处理,T2、T3处理之间无显著差异。CK处理的颗粒有机碳含量显著最低,而T1处理的颗粒有机碳含量显著低于其他施肥处理。

2.4 土壤可溶性有机碳含量的变化

由图4可知,2017年时,与CK处理相比,各施肥处理土壤可溶性有机碳含量显著提高16.20%～58.11%。其中,T5处理的可溶性有机碳含量最高,比其他施肥处理显著提高14.36%～36.07%。T2处理的可溶性有机碳含量比T1、T3处理分别显著提高18.99%、10.40%,T1处理的可溶性有机碳含量显著低于除T6外的其他施肥处理。到2021年时,各施肥处理的可溶性有机碳含量表现为T5>T7>T2>T4>T6>T3>T1>CK。其中,T5处理的可溶性有机碳含量比其他处理显著提高18.71%～124.89%,与2017年相比,差异更加显著。T7处理的可溶性有机碳含量较T1、T3、T6处理分别显著提高49.50%、19.77%、19.35%。T2处理的可溶性有机碳含量比T1、T3处理显著提高44.61%、15.85%。

2.5 土壤易氧化有机碳含量的变化

由图5可知,2017年时,与CK处理相比,各施肥处理的土壤易氧化有机碳含量提高3.95%～35.03%。其中,除T1处理外,其他施肥处理的易氧化有机碳含量均显著提高。T5处理的易氧化有机碳含量最高,比其他施肥处理提高4.37%～29.89%,显著高于除T3外的其他施肥处理。T3处理的易氧化有机碳含量显著高于T1、T2、T4、T6处理。随着施肥时间的延长,到2021年时,各施肥处理的易氧化有机碳含量表现为T5>T7=T2>T4>T3>T6>T1>CK。与2017年各处理相比,单施或混施生物有机肥的T2(25.00%)、T4(28.43%)、T5(29.29%)处理的易氧化有机碳含量的增长速率均高于单施或混施羊粪的T3(7.86%)、T6(13.78%)、T7(21.00%)处理。2021年T5处理的易氧化有机碳含量比其他处理显著提高16.60%～100.65%;T2、T4、T7处理间无显著性差异,但均显著高于除T5外的其他施肥处理。

2.6 土壤微生物量碳含量的变化

由图6可知,2017年时,各施肥处理的土壤微生物量碳含量表现出不同的变化趋势,与CK处理相比,T2、T3、T4、T5、T7处理的微生物量碳含量分别显著提高23.92%、6.23%、9.48%、27.85%、16.80,T1处理显著降低8.95%。到2021年时,各施肥处理的微生物量碳含量表现为T5>T7>T4>T2>T6>T3>CK>T1。与2017年各处理微生物量碳含量相比,CK、T1、T2、T3处理的微生物量碳含量均不同程度地下降,而T4、T5、T6、T7处理均有所提高。其中,T5处理的微生物量碳含量比其他处理显著提高7.88%～53.10%。T7处理的微生物量碳含量显著高于除T5外的其他处理,T2与T4处理之间、T3与T6处理之间均无显著性差异。T1处理的微生物量碳含量显著低于其他处理。

2.7 土壤微生物区系变化

不同施肥年限下,各施肥处理的土壤微生物区系菌群生物量差异较大(表1)。2017年时,与CK处理相比,各施肥处理的细菌生物量、革兰氏阳性菌生物量、革兰氏阴性菌生物量、细菌/真菌比值均不同程度地提高,而放线菌生物量、真菌生物量、革兰氏阳性菌/阴性菌比值均表现出不同的变化趋势。其中,T5处理的放线菌生物量、革兰氏阳性菌生物量、革兰氏阳性菌/阴性菌比值、细菌/真菌比值均最高,比其他处理分别提高3.03%～17.21%、4.26%～25.70%、8.57%～28.81%、2.83%～25.29%,真菌生物量显著最低。T7处理的细菌生物量比T1、T2处理分别显著提高8.08%、5.71%。T3处理的革兰氏阴性菌生物量比其他处理提高3.77%～16.31%,显著高于除T7外的其他处理。

到2021年时,各施肥处理的土壤微生物区系菌群生物量与2017年相比差异明显。其中,T5处理的细菌生物量比其他处理分别提高1.99%～42.83%,显著高于除T7外的其他处理。T5处理的放线菌生物量、革兰氏阳性菌生物量、革兰氏阳性菌/阴性菌比值、细菌/真菌比值均显著最高,真菌生物量显著最低。T7处理的革兰氏阴性菌生物量比其他处理提高2.16%～25.91%,显著高于除T5外的其他处理。T1处理的细菌生物量、革兰氏阳性菌生物量、革兰氏阴性菌生物量、放线菌生物量、革兰氏阳性菌/阴性菌比值、细菌/真菌比值均显著最低。

表1 不同施肥处理对土壤微生物菌群生物量变化的影响

2.8 作物产量变化

由图7可知,2017年时,与CK处理相比,各施肥处理的玉米、马铃薯产量均显著提高。其中,T5处理的玉米、马铃薯产量均最高,比其他处理分别提高3.84%～30.62%、3.60%～23.17%。T1处理的玉米、马铃薯产量均高于T2、T3处理;其中,玉米产量显著高于T3处理,马铃薯产量显著高于T2、T3处理。而T4与T5处理之间、T6与T7处理之间的玉米、马铃薯产量均无显著性差异。

到2021年时,CK处理的玉米、马铃薯产量下降明显,比2017年CK处理分别下降60.30%、68.96%。T1、T3处理的玉米、马铃薯产量和T6处理的马铃薯产量也均不同程度地下降,但下降幅度远低于CK处理。其他施肥处理的玉米、马铃薯产量均有不同程度地提高。在所有施肥处理中,T5处理的玉米、马铃薯产量均最高,比其他处理分别提高6.57%～248.99%、4.81%～311.98%。T3处理的玉米、马铃薯产量均显著低于其他施肥处理。

2.9 土壤微生物区系与土壤养分、碳组分含量的多元分析

为进一步分析不同年限下各施肥处理对土壤微生物群落变化的影响,通过土壤微生物菌群生物量与土壤养分、碳组分含量的RDA分析,进一步探讨它们之间的关联性。由图8-a可知,第1排序轴(60.15%)、第2排序轴(1.03%)能够在累积变量61.18%水平上,解释不同施肥措施条件下土壤微生物群落与土壤养分含量间的相互关系。各处理点空间位置较为分散,说明不同施肥措施条件能够一定程度地影响土壤微生物群落的构成。土壤速效磷、速效钾、速效氮、有机质含量与土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量呈正相关关系,与土壤真菌生物量呈负相关关系。其中,土壤有机质含量(50.5%)是主要驱动因子。图8-b结果显示,第1排序轴(77.11%)、第2排序轴(3.78%)能够在累积变量80.89%的水平上,解释不同施肥措施条件下土壤微生物群落与土壤碳组分含量间的相互关系。土壤总有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳含量与土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量呈正相关关系,与土壤真菌生物量呈负相关关系。其中,土壤总有机碳含量(69.0%)是主要驱动因子。说明外源养分尤其是有机质含量的增加,有利于提高土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌的代谢活性,而对土壤真菌代谢具有一定的抑制作用。

3 讨论与结论

施肥方法及措施不同,会对农田土壤养分含量和土地生产力产生较大的影响。有研究表明,长期配施有机肥与无机肥,有利于基础土壤地力的提高;而长期施用单一肥料或不施肥,会导致土壤地力显著下降[32-34]。本研究表明,与不施肥或施用单一肥料相比,施肥6年后,有机肥与无机肥配施能够提高土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量以及作物产量,这与多数研究结果[35-36]较为一致。50%化肥+50%生物有机肥+秸秆还田处理,土壤速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量以及玉米、马铃薯产量均高于其他有机肥与无机肥配施处理;其中,与50%化肥+50%生物有机肥处理之间存在差异性,可能是由于秸秆还田添加了碳源的种类,提高了土壤微生物代谢的活性,进而促进土壤养分的转化与分解,从而被作物更好地吸收及利用;而与50%化肥+50%羊粪+秸秆还田处理之间存在差异性,可能是因为生物有机肥的养分释放效率优于羊粪,也可能是因为生物有机肥分解后,能够更好地被土壤微生物吸收利用,从而提高土壤养分含量及作物产量。

不同活性有机碳组分在土壤结构组成中具有不同的特征与功能[16]。有研究表明,施肥能够增加土壤活性有机碳的含量[37-38]。本研究表明,与不施肥相比,不同施肥处理均能够提高土壤有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳的含量,这与王鹏等的研究[39]一致。其中,50%化肥+50%生物有机肥+秸秆还田处理,其土壤有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳的含量均最高,50%化肥+50%羊粪+秸秆还田处理次之。分析认为,外援有机物的摄入能够增加土壤有机碳含量;而长期施用化肥会导致土壤酸化,土壤生物肥力下降,微生物活性降低,使土壤有机碳的分解与转化速率降低,从而减少有机碳含量的累积。而秸秆还田措施能够使植物残留分解补充土壤的有机碳含量,丰富的碳源可供土壤微生物吸收利用,提高微生物数量与活性,并在其作用下释放出更多的有机碳。

土壤微生物能够分解土壤有机碳并获取碳源,用于自身生命活动需求,是土壤微生物生命活动的主要能量来源,对土壤肥力的保持具有重要意义[40]。而有研究表明,施肥能够改变土壤微生物的菌群区系结构[27]。本研究结果表明,无机肥与有机肥配施,能够增加土壤微生物生物量,改变土壤微生物群落区系结构;施肥6年后,与其他处理相比,50%化肥+50%生物有机肥+秸秆还田处理,能够提高土壤细菌、革兰氏阳性菌、放线菌生物量,减少真菌生物量。可见,在有机肥与无机肥配施条件下,细菌、革兰氏阳性菌、放线菌具有明显的竞争优势,真菌处于劣势。有研究表明,细菌更容易利用和分解有机碳,而细菌生物量的提高有利于促进有机碳的分解与转化,从而形成良好的物质与能量循环[41]。相关性分析表明,土壤速效磷、速效钾、速效氮、有机质、土壤有机碳、颗粒有机碳、可溶性有机碳、易氧化有机碳、微生物量碳含量与土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量间有良好的线性关系,其中土壤有机质含量(50.5%)、有机碳含量(69.0%)是主要驱动因子。可知,土壤微生物群落区系结构的变化受多种因素共同影响。

研究结果表明,与不施肥或单一种类施肥相比,长期进行有机肥与无机肥配施,能够提高土壤养分、活性碳组分含量,改变土壤微生物群落区系结构,并提高玉米、马铃薯产量;相关性分析表明,土壤微生物群落区系结构的变化受土壤养分、活性碳组分含量多种因素的共同影响;其中,50%化肥+50%生物有机肥+秸秆还田处理表现最优。