不同施肥管理措施下土壤生物环境的灰色关联度分析

胡诚+乔艳+刘友梅+刘东海+李双来+陈云峰

摘要：为了研究长期不同施肥对土壤生物环境的影响，1993年在中国农业大学曲周试验站进行了施用15.0 t/hm2和7.5 t/hm2有机肥（包括EM堆肥和传统堆肥）、施用化肥和不施肥对照处理的田间试验。2004年6月取样分析，结果表明，随着有机肥用量的增加，土壤的基础呼吸、脲酶和碱性磷酸酶的活性及微生物生物量碳和线虫数量也随着增加；施用化肥可以提高土壤的基础呼吸、脲酶和碱性磷酸酶的活性及微生物生物量碳数量，减少线虫总数和食细菌线虫的数量。不同的施肥处理对土壤基础呼吸和微生物生物量碳含量的影响趋势由大到小为EM堆肥、传统堆肥、化肥、对照。应用灰色关联理论对土壤生物环境效应进行多目标综合评价得出，EM堆肥处理（15.0 t/hm2）对土壤生物环境因素的影响最为有利。

关键词：土壤；施肥；基础呼吸；土壤酶活性；线虫；灰色关联度分析

中图分类号：S154 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）07-1228-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.07.008

Grey Correlative Degree Analysis of Soil Biological Environment

in Different Manure Management System

HU Cheng， QIAO Yan， LIU You-mei， LIU Dong-hai， LI Shuang-lai， CHEN Yun-feng

（Institute of Plant Protection and Soil Science， Hubei Academy of Agricultural Sciences， Wuhan 430064， China）

Abstract： In order to study the impact of soil biological environment under long-term applied manure，a field experiment EM compost，traditional compost（15.0 t/hm2，7.5 t/hm2），chemical fertilizer and control was conducted in Quzhou experimental station，China Agricultural University，in 1993. Soil samples were collected in June of 2004，and the results showed that soil basal respiration， urease and alkali-phosphatase activity， microbial biomass carbon content，soil total nematode and bacterivorous nematode number were increased when the amount of applied organic manure were increased. Applied chemical fertilizer could enhance soil basal respiration，urease and alkali-phosphatase activity，microbial biomass carbon content，but decreased total nematode and bacterivorous nematode number. The soil basal respiration and microbial biomass carbon content in treatments had the following ascending trend：EM compost，traditional compost，chemical fertilizer，control. The comprehensive multi-objective evaluation showed EM treatment （15.0 t/hm2） was the optimum treatment for soil biological environment establishment according to grey correlative degree analysis.

Key words： soil； manure； basal respiration； soil enzyme activity； nematode； grey correlative degree analysis

EM（Effective microorganism）菌劑是微生态制剂中的一种。EM即有效微生物群，是20世纪80年代初期由日本研制出来的一种新型的复合微生物菌剂，它是10个属几十种微生物复合培养而成的新型微生物活菌制剂，其中有几个代表性的微生物类群，包括光合微生物、乳酸菌、酵母菌、放线菌、醋酸杆菌等[1]。EM生物有机肥有兼顾传统有机肥与添加有机菌剂的优势，可减少化肥、农药的使用，增强作物抗逆性，改善作物品质，使用日益广泛，促进了农业的可持续发展[2]。对EM有机肥的应用研究多集中在对作物生长和品质及土壤理化性质的影响方面，对土壤生物环境的影响还比较少见[3-5]。土壤酶通过催化无数土壤反应而在土壤中发挥重要作用，土壤微生物生物量是土壤养分循环过程的动力和植物有效养分的储备库，土壤线虫在土壤中数量巨大，在土壤食物网中占有中心位置[6]。土壤酶、基础呼吸、土壤微生物和线虫的数量等作为土壤生物学指标，能敏感地反映出土壤质量的变化，是土壤质量评价指标体系中不可或缺的组成部分，是反映土壤肥力的生物学指标，土壤酶活性、微生物和土壤线虫的数量与土壤理化性状之间存在着密切的相关性[7]。为此，本研究从土壤酶、土壤微生物和土壤线虫3个方面来评价不同的施肥措施对土壤质量的影响，为科学施肥及农业的可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验在中国农业大学曲周试验站进行，试验站位于河北省邯郸市曲周县北部。地处暖温带半湿润大陆性季风气候区，年平均气温为13.2 ℃，无霜期201 d，年降水量为542.7 mm。年降水的60%以上集中在6～9月，年蒸发量为1 841 mm。试验区光、热、水资源比较丰富，但由于受季风气候强烈影响，冬季寒冷干燥，夏季温暖多雨。试验区为改良后的盐化潮土，肥力均匀。冬小麦-夏玉米一年两熟制是当地典型的种植方式。

1.2 试验设计

试验设6个处理，3次重复，完全随机区组排列。试验方案如下：处理Ⅰ施用EM堆肥15.0 t/hm2（EM1），处理Ⅱ施用传统堆肥15.0 t/hm2（TC1），处理Ⅲ施用EM堆肥7.5 t/hm2（EM2），处理Ⅳ施用传统堆肥7.5 t/hm2（TC2），处理Ⅴ施用化肥（750 kg/hm2碳铵+300 kg/hm2尿素+750 kg/hm2过磷酸钙）（CF），处理Ⅵ为不施肥对照（CK）。不同施肥处理的土壤理化性质见表1。

每50 kg EM堆肥原料为秸秆30.0 kg，畜禽粪15.0 kg，棉子饼2.5 kg，糠麸2.5 kg，红糖1.0 kg，EM菌剂原液200 mL。传统堆肥原料除不加红糖及EM原液外，其余原料与EM堆肥一样。将经过筛选的原料充分混匀后，分别按传统堆肥方法和EM微生态工程技术进行堆肥发酵制成堆肥。田间试验开始于1993年，小麦与玉米轮作，一年两熟，每年种植冬小麦和夏玉米，种植冬小麦和夏玉米之前进行施肥处理。

1.3 测定指标与方法

2004年6月在小麦收获后准备种植夏玉米之前取样，使用3 cm×20 cm土钻在试验处理小区随机采集0～20 cm耕层土壤15钻，迅速装入塑料袋中带回，尽快测定各项目。土壤pH测定采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提-pH计法（液∶土=2.5∶1）；有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法；土壤全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法；碱解氮含量测定采用碱解扩散法；土壤有效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；土壤速效钾含量测定采用1 mol/L NH4Ac浸提-火焰光度法。

土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠法测定；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定[8，9]。土壤微生物生物量碳采用氯仿熏蒸0.5 mol/L K2SO4溶液浸提法测定。用0.5 mol/L K2SO4溶液浸提氯仿熏蒸和未熏蒸土壤中的可溶性碳，土液比为1∶4，浸提液中可溶性碳采用重铬酸钾容量法测定，两者的差值即可以计算土壤氯仿熏蒸后微生物释放的可溶性碳，转换为微生物量碳的系数为2.64[10]。土壤的基础呼吸用培养24 h后呼出的CO2的量表示，具体操作为在密闭的罐子中放上50 g鲜土，同时用小烧杯放上5.0 mL 1 mol/L NaOH以吸收放出的CO2，同时作空白对照，黑暗培养1 d，然后取出NaOH溶液，加1 mol/L BaCl2 3.0 mL，将NaOH溶液转移到三角瓶中用HCl溶液滴定[11]。土壤线虫采用淘洗-离心-漂浮法分离土壤线虫，每个样品在解剖镜下计数线虫数量[12]。

其中，用鲜土进行土壤线虫分离、土壤微生物生物量碳测定及土壤酶活性分析，其他土壤指标用土壤风干土测定。

2 结果与分析

2.1 长期不同施肥处理对土壤基础呼吸和酶活性的影响

由表2可知，土壤基础呼吸有随着肥料的投入而增加的趋势，有机肥投入的影响高于化肥，表现为EM1>TC1>EM2>TC2>CF>CK。施有机肥各处理之间土壤基础呼吸差异不显著，显著高于化肥处理和对照，化肥处理和对照之间差异不显著，对照土壤基础呼吸最低。

土壤脲酶活性有随着肥料的投入而增加的趋势，有机肥投入的影响高于化肥，表现为TC1>EM1>EM2>TC2>CF>CK。施有机肥各处理之间土壤脲酶活性差异不显著，活性处于第一层次，显著高于化肥处理和對照；化肥处理土壤脲酶活性处于第二层次，显著高于对照；对照土壤脲酶活性最低。

土壤碱性磷酸酶活性有随着肥料的投入而增加的趋势，有机肥投入的影响高于化肥，表现为TC1>EM1>EM2>TC2>CF>CK。施有机肥各处理碱性磷酸酶活性较高，活性处于第一层次，显著高于化肥处理和对照；化肥处理碱性磷酸酶活性处于第二层次，显著高于对照；对照碱性磷酸酶活性最低。

土壤过氧化氢酶活性有随着有机肥的投入而增加的趋势，化肥表现出抑制作用，总的趋势为TC1>TC2>EM1>EM2>CK>CF。施有机肥各处理之间土壤过氧化氢酶活性差异不显著，活性处于第一层次，显著高于化肥处理和对照；对照的土壤过氧化氢酶活性高于化肥处理，但差异不显著；化肥处理土壤过氧化氢酶活性最低。

2.2 长期不同施肥处理对土壤微生物生物量碳和土壤线虫的影响

土壤的微生物生物量碳含量有随着肥料的投入而增加的趋势，有机肥投入的影响高于化肥，表现为EM1>TC1>EM2>TC2>CF>CK（表3）。施有机肥各处理土壤微生物生物量碳含量较高，显著高于化肥处理和对照（P<0.05）；化肥处理微生物生物量碳含量高于对照，但差异不显著；对照微生物生物量碳含量最低。

土壤线虫总数和食细菌线虫数量有随着有机肥的投入而增加的趋势，化肥表现出抑制作用，总的趋势为EM1>TC1>EM2>TC2>CK>CF（表3）。施有机肥各处理土壤线虫总数较高，显著高于化肥处理和对照；对照的土壤线虫数量高于化肥处理，但差异不显著；化肥处理的土壤线虫数量最低。

2.3 多目标综合评价

为了更为直接和简洁地了解不同施肥处理对土壤生物环境的影响，采用灰色关联理论就不同的施肥处理对土壤生物环境的影响进行了综合评价。所评价的生物因素包括土壤呼吸、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性以及微生物生物量碳和土壤线虫数量，所用数据为表2和表3的数据。从表2和表3的数据可以看出，与对照相比，除了化肥处理的过氧化氢酶活性和线虫数量低于对照外，其余处理的各指标都比对照高。这些指标越高，表明土壤的生物活性越高，土壤的生物环境越健康。关联度值越低，表明该处理与对照的差异越大；关联度值越大，表明该处理与对照的差异越小。从表4可以看出，EM1处理的关联度值最低，TC1处理次之；也就是说与对照相比，EM堆肥对土壤生物环境的影响最大，其次是传统堆肥处理；减量的堆肥处理对土壤生物环境的影响要小一些，化肥处理对土壤生物环境的影响比堆肥小一些。从关联度值的排序可知，对土壤生物环境健康的影响EM1处理优于TC1，TC1优于EM2，EM2优于TC2，TC2优于CF，CF优于对照。

3 小结与讨论

土壤的基础呼吸在EM堆肥和传统堆肥处理及不同的施肥量处理之间没有明显的差异，说明EM菌剂和有机肥用量对基础呼吸影响很小。

长期施肥可以提高土壤脲酶的活性，其原因是无论是施用有机肥还是化肥都可以促进作物根系的生长，使作物根系分泌物增多，微生物繁殖加快，从而提高了土壤脲酶活性[13]。长期施用有机肥可以显著提高土壤磷酸酶的活性。有机肥施用量越大，土壤磷酸酶活性越高，其原因是施用有机肥促进作物根系的生长，从而提高了土壤磷酸酶的活性。EM菌剂对土壤磷酸酶活性影响不明显。有机肥处理的过氧化氢酶活性高于化肥处理和对照，反映了有机肥处理的土壤生物转化过程强一些。

不同施肥处理之间的土壤微生物生物量碳有显著差异。有机肥处理的微生物生物量碳含量显著高于化肥处理和对照，这与B？觟hme等[14]研究结果相同。施用有机肥之后，微生物生物量碳含量增加的主要原因是农业系统的碳输入量增加，碳源经常是微生物繁殖和种群增加的限制因素[15]。施用化肥能够增加土壤的微生物生物量碳是因为施用化肥之后刺激了其他生物的生长[16]；同时增加了作物根的生物量和作物残茬，提高了土壤的有机质，从而增加了土壤微生物数量。但是，EM堆肥处理的微生物生物量碳含量比同量的传统堆肥高一些，主要是因为EM堆肥中由于EM菌剂的添加，具有更多的微生物所致[2]。

EM堆肥和传统堆肥处理中线虫的总数显著高于化肥处理和对照，可能原因是堆肥处理比化肥处理和对照中有更丰富的营养物质，提供了线虫大量生长的营养物质[17]。化肥处理的线虫总数和食细菌线虫数量比对照中要低一些，主要是因为长期施用化肥抑制了線虫的数量，化肥对线虫可能有直接的毒害作用。EM堆肥处理中线虫总数和食细菌线虫数量比传统堆肥中高一些，这主要是EM处理中有更多的微生物种群，因此在EM堆肥处理中有更多的食细菌线虫。

本研究通过灰色关联度分析法对不同施肥条件下土壤生物环境效应的综合比较可以看出，EM1处理对土壤生物环境因素的影响最为有利，灰色关联度分析有利于对环境生物影响的综合评判[18]。

参考文献：

[1] 倪永珍，李维炯.EM技术应用研究[M].北京：中国农业大学出版社，1998.15-32.

[2] 王立刚，李维炯，邱建军，等.生物有机肥对作物生长、土壤肥力及产量的效应研究[J].土壤肥料，2004（5）：12-16.

[3] 同小娟，李维炯，倪永珍.EM堆肥对夏玉米生长发育的影响研究[J].中国生态农业学报，2003，11（4）：18-20.

[4] 同小娟，李维炯，李 俊，等.有效微生物堆肥对冬小麦生长发育的影响[J].农业现代化研究，2003，24（6）：456-463.

[5] 周莉华，倪永珍，李维炯.长期施用EM生物有机肥对冬小麦生产的影响[J].农业工程学报，2005，21（S）：221-224.

[6] BONGERS T，FERRIS H. Nematode community structure as a bioindicator in environmental monitoring[J].Trends in Ecology and Evolution，1999，14（6）：224-228.

[7] 孙 波，赵其国，张桃林，等.土壤质量与持续环境Ⅲ：土壤质量评价的生物学指标[J].土壤，1997，29（5）：225-234.

[8] 关松荫.土壤酶及其研究法[M].北京：农业出版社，1986.274-340.

[9] 李阜棣，喻子牛，何绍江.农业微生物学实验技术[M].北京：中国农业出版社，1996.123-139.

[10] VANCE E D，BROOKES P C，JENKINSON D. S. An extraction method for measuring soil microbial biomass C[J].Soil Biology & Biochemistry，1987，19（6）：703-707.

[11] HU S，VAN BRUGGEN A H C. Microbial dynamics associated with multiphasic decomposition of 14C-labeled cellulose in soil[J].Microbial Ecology，1997，33（2）：134-143.

[12] 冯志新.植物线虫学[M].北京：中国农业出版社，2001.171-172.

[13] 和文祥，来航线，武永军，等.培肥对土壤酶活性影响的研究[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2001，27（3）：265-268.

[14] B？魻HME L，LANGER U，B？魻HME F.Microbial biomass，enzyme activities and microbial community structure in two European long-term field experiments[J].Agriculture，Ecosystems & Environment，2005，109（1-2）：141-152.

[15] ？譒IMEK M，HOPKINS D W，KAL■？魱K J，et al. Biological and chemical properties of arable soils affected by long-term organic and inorganic fertilizer applications[J].Biology & Fertility of Soils，1999，29（3）：300-308.

[16] 胡 诚，曹志平，叶钟年，等.不同的土壤培肥措施对低肥力农田土壤微生物生物量碳的影响[J].生态学报，2006，26（3）：808-814.

[17] FORGE T A，BITTMANS S，KOWALENKO C G. Responses of grassland soil nematodes and protozoa to multi-year and single-year applications of dairy manure slurry and fertilizer[J].Soil Biology & Biochemistry，2005，37（9）：1751-1762.

[18] 米国全，袁丽萍，龚元石，等.不同水氮供应对日光温室番茄土壤酶活性及生物环境影响的研究[J].农业工程学报，2005， 21（7）：124-127.