长期施肥对土壤微生态及作物生长和光合的影响

张传梅

(安徽省蒙城县种植业发展中心,安徽 蒙城 233500)

选择科学合理的施肥模式可有效改善农田土壤的生物学性状(微生物数量、种群多样性、酶活性)和理化特性(养分有效性和含量、物理结构)等,有利于提高土壤质量和基础肥力及耕地可持续生产力,进而改善作物生长发育、光合生理和产量结构。长期定位施肥试验具有时间的长期性和气候环境的重复性等特点,在研究上信息量丰富,数据可信度高,结果解释力强,能从生产的可持续性出发研究土壤微生态环境及作物生长、光合和产量演变特征,为中长期的施肥规划提供参考。多年以来,中国部分地区农业生产上普遍存在着肥料施用的盲目性和随意性,致使土壤肥力薄弱和养分供应能力低下,作物增产困难,在土壤微生态环境和作物生长、光合研究领域相对缺少具有理论指导意义和实际应用价值的研究成果。

土壤微生物和酶是影响土壤物质转化和能量流动的主要因素,并参与和制约许多重要的生物化学反应,代表着土壤中物质代谢的旺盛程度,是评价土壤肥力和质量的主要指标[1]。叶绿素荧光参数和叶绿素含量是研究作物光合生理状况与外界生态环境因子的理想探针[2],而光合作用是作物生长发育、干物质积累和经济产量形成的物质基础[3],加强对作物光合特性和生长发育的研究和认识,是改善作物生长状态充分挖掘作物产量潜力的一个重要途径。因此,一方面为深入了解有效改善土壤微生态环境及作物生长、光合和产量的适宜施肥模式,另一方面为大面积土壤培肥改良提供理论依据和技术指导,本文系统归纳总结了国内外长期定位施肥对土壤微生态环境及作物生长、光合和产量的影响。

1 长期定位施肥对土壤微生态的影响

1.1 对土壤微生物的影响

土壤微生物在维持土壤结构、有机物质降解、腐殖质形成、物质和能量循环等方面发挥着重要的作用,是土壤生态系统的重要构成部分及土壤各种养分的重要储备库和周转库,直接影响土壤功能的发挥[4-6]。高威等[7]研究表明长期施肥能显著提高功能菌生长,改变土壤微生物区系,提升土壤质量和肥力,其中长期有机无机肥配施在改善土壤有机碳含量、土壤微生物数量、活性及微生物网络稳定性等土壤生物指标方面明显优于单施有机肥和单施化肥。邹湘等[8]在长期施肥试验研究中指出长期不同施肥模式对土壤微生物基因多样性、氮循环相关功能微生物数、细菌群落丰富度和数量均有显著的影响。吴荣等[9]研究证实,长期不同施肥模式下土壤微生物量氮变化介于24.7～44.6 mg/kg 之间,长期氮磷钾配施有机废弃物肥和氮磷钾配施秸秆,可提高土壤微生物量氮、细菌、真菌和放线菌数量,其土壤微生物数量不仅显著高于不施肥处理,也明显高于长期单施化肥。丁伟等[10]通过研究有机无机肥配施、不施肥和单施化肥对土壤微生物的影响发现,有机无机肥配施处理相比单施化肥土壤中的自生固氮菌、磷细菌和钾细菌的多样性指数、均匀度指数和优势度指数均较高,且微生物种群更丰富,优势种群更突出。卜洪震等[11]以长期定位试验站为平台研究证实,增加施用无机氮肥会明显降低土壤中细菌数量和土壤氨氧化细菌的种群多样性,有机无机氮肥配施能有效维持细菌和土壤氨氧化细菌丰度的稳定,同时指出不同施肥模式对土壤微生物量氮和微生物群落多样性有重要影响。众多研究证实[12-13],施肥模式对土壤微生物数量和群落多样性的影响比较复杂,因肥料种类、施用方式或不同肥料之间的配比方式而异,因此很有必要进一步加强长期不同施肥模式对土壤微生物的影响,以进一步阐明土壤各微生物类群对长期不同施肥模式响应的潜在机理。

1.2 对土壤酶活性的影响

土壤酶是土壤生态系统养分循环和代谢的主要驱动力,几乎在所有的生化反应和物质循环中起着重要的催化作用,能灵敏反映土壤的生物活性和生化反应的活跃程度,并受环境因素和施肥的明显影响[14]。徐文静等[15]基于长期定位试验研究发现,合理施肥能显著增加土壤碳循环水解酶活性,与不施肥相比,有机无机肥配施和秸秆还田配施无机肥处理的β-葡萄糖苷酶(BG)、土壤α-葡萄糖苷酶(AG)和β-木糖苷酶(BDX)活性增加14.5%～89.1%,在酶活性提升效果方面最佳。丁维婷等[16]根据41年长期施肥试验研究发现,单施有机肥、有机肥配施中量化肥2个处理相比不施肥、低量化肥、中量化肥、高量化肥处理均显著提高了土壤β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶活性,其中有机肥配施中量化肥处理相比单施中量化肥土壤酶活性增加了21.04%～95.74%。Islam等[17]在长期定位肥料试验中证实脱氢酶、β-葡萄糖苷酶、纤维素酶和磷酸酶活性明显受到长期不同施肥模式的影响,且其活性在一定范围内随有机肥料的增加而提高。陈文博等[18]通过长期尺度上不同比例菌渣化肥配施试验研究发现,菌渣化肥配施处理不仅对水稻移栽前期的土壤脲酶活性有提高作用,而且增加了水稻灌浆和收获期土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性,此外,随菌渣化肥配施用量的增加酶活性呈先增高后降低趋势。李晨华等[19]基于长期肥料试验研究证实单施化肥处理的土壤大多数酶活性与不施肥相比无显著变化,且降低了过氧化氢酶活性,而化肥配施秸秆处理则显著提高了转化酶、蛋白酶、脲酶、中性与碱性磷酸酶活性。土壤酶活性作为反映土壤中各种生物化学过程和养分转化方向和强度的指标, 反映了土壤的综合肥力特征,加强长期不同施肥模式对土壤酶活性影响的研究具有重要的意义。

2 对作物生长发育、光合和产量的影响

2.1 对作物生长发育的影响

采取科学合理的施肥措施有利于改善土壤生物学特性和理化性状、提高土壤养分含量,进而影响作物的生长发育。石丽红等[20]通过研究长期施肥方式对双季稻生长的影响发现,有机肥无机肥配施处理的水稻根系和茎叶干重均显著高于单施化肥和不施肥。刘高洁等[21]通过研究不同施肥处理对夏玉米生长发育主要指标的影响发现,与氮磷钾配施处理相比,长期缺磷、缺氮、缺钾会导致夏玉米株高、群体干物质重和叶面积指数显著降低。肖伟等[22]通过28年长期定位施肥试验研究发现,夏玉米平均株高受不同施肥处理影响较大,并在灌浆期处理间差异达到最大,其中有机肥配施氮肥可显著提高夏玉米茎粗、单株绿叶面积和出叶速度。再吐尼古丽·库尔班等[23]通过研究长期8个不同施肥处理对高粱的生长规律影响发现,有机肥与无机肥配施处理的株高、茎粗、叶片数和含糖锤度均高于其他7种施肥处理,并提出有机肥与无机肥配施是改善干旱区连作高粱生长发育的最佳施肥模式。由于作物生长发育状态与最终产量形成密切相关,并受施肥的显著影响,因此研究长期不同施肥模式对作物生长发育规律的影响对提高作物产量具有重要意义。

2.2 对作物光合的影响

众多有关小麦、玉米和水稻的长期施肥试验皆证实作物叶片净光合速率、冠层光合有效辐射、叶绿素含量、单茎绿叶面积和叶绿素荧光参数等受施肥的明显影响。Efthimiadou等[24]在长期施肥研究中发现有机肥(牛粪)和无机肥配施处理的玉米叶片净光合速率和气孔导度显著高于单施化肥,明显改善了玉米的光合特性。刘高洁等[21]在研究中指出长期不施肥或缺磷、缺氮、缺钾导致作物低产或减产的主要原因之一是植株叶片光合速率下降,而NPK长期配施则可明显提高作物的光合速率。袁颖红等[25]在长期施肥研究中发现在不施肥、无机肥、有机肥、无机肥与有机肥配施处理中,长期施用肥料,特别是有机肥与无机肥配施可明显提高水稻各生育期叶片净光合速率、气孔导度和蒸腾速率,而降低胞间CO2浓度。与传统的“表观性”的气体交换指标相比,叶绿素荧光参数更能反映植物光合的“内在性”特征, 可以快速、灵敏和非破坏性地分析环境因子对光合作用影响的潜在机理[26-27]。王刚等[28]在研究中指出,不同NPK配比施肥处理间叶片的叶绿素荧光参数存在明显的差异。吉春容等[29]在研究中同样指出,氮磷钾配施有利于提高小麦叶片初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、最大光化学效率(Fv/Fm)和实际光化学效率(ΦpsII)等叶绿素荧光参数,能明显改善植株的光合效应。为进一步提高作物光能利用率和生产力,深入加强长期不同施肥模式对作物光合特性和叶绿素荧光影响的研究具有重要的意义。

2.3 对作物产量的影响

施肥是培肥农田土壤和保持作物高产、稳产的重要农艺措施之一。严君等[30]通过长期施肥试验研究得出,相比不施肥CK,长期施用化肥主要通过提高土壤有机质、养分和pH 值增加玉米的产量,而化肥和秸杆搭配主要是改善了土壤的孔隙度和容重,从而保障了玉米产量稳定提升。石丽红等[20]通过研究不施肥(CK)、单施化肥(MF)、秸秆还田配施化肥(RF)和有机无机肥配施(OM)对双季稻产量的影响发现,早稻产量均以有机无机肥配施和秸秆还田配施化肥为最高,比单施化肥分别增产944.8～1143.2kg/hm2和435.9～516.1kg/hm2,晚稻产量均以秸秆还田配施化肥和有机无机肥配施为最高,比单施化肥分别增加386.2～387.4kg/hm2和119.8～123.7kg/hm2。侯红乾等[31]再报告中指出,长期有机肥与化肥配施、秸秆还田和化肥配施可以改善土壤理化性状, 提高肥料利用效率, 促进晚稻植株生长发育、干物质积累和明显提高水稻产量。葛超楠等[32]利用长期定位并结合裂区肥料试验研究发现,长期不施肥处理水稻产量逐年降低,试验周期内降幅达34.4%,长期连续纯施化肥(NPK)、测土配方纯施化肥(N1PK)和测土配方有机无机混合施肥(N1PKS)处理的水稻产量比不施肥处理分别增加74.2%、89.0%和97.5%,差异达显著水平。

3 展望

土壤质量是目前土壤学领域研究的热点之一,它不仅关系到土壤的养分供应能力和作物生产力问题,而且涉及到区域农业和经济的可持续发展,因此如何改善和提高土壤质量是目前农业生产中亟待解决的问题。在农业生产中土壤养分库和质量受到成土母质、气候条件、土地利用方式、植被变化、耕作及施肥模式等人为和自然诸多因素的影响,其中施肥是影响土壤肥力和养分供应能力的最主要因素之一。合理施肥有利于调节土壤酸碱性,改善土壤结构和理化性质,协调土壤水、肥、气、热诸因素,提高土壤肥力,进而改善作物生长发育,增加作物产量和提高农产品质量;但不合理施肥不仅会导致肥料利用率低,且不利于作物稳产和土壤培肥。长期的肥料投入对作物持续生产能力和土壤肥力的影响程度和趋势一直是人类关注的重要科学问题,如何通过合理长期施肥,维持和提高土壤基础肥力、改善作物生长发育、光合效应增加作物产量,已成为当前和未来农业生产中急需研究和解决的重要问题之一,进而为为大面积地力提升、作物稳产丰产提供科学依据和理论帮助。