有机肥替代化肥对小麦产量及土壤养分和酶活性的影响

沈冰涛，张孝倩，陈红，江旭聪

李孝良，汪建飞，肖新

安徽科技学院资源与环境学院，安徽 凤阳 233100

砂姜黑土是淮北平原主要土壤类型之一，占淮北平原总耕地面积的2/3，达到180万公顷左右，土地生产率低下，作物产量低且不稳定[1]。由于养殖业和种植业分离，种植户失去了有机肥的来源，从而使化肥施用量持续增加。长期不合理地过量施用化肥，导致土壤失去可耕作性，增产效果不显著，且造成严重农业面源污染[2]。研究表明，长期单施化肥可使土壤酸化、板结、含水量降低、土壤养分流失，且过量施用化肥会加剧上述问题[3]。面对这种情况，国内外学者做了许多研究，发现施用有机肥可达到改善土壤理化性质、提高土壤酸碱缓冲性、促进酶活性提高等效果，也能缓解由于过量施用化肥带来的土壤酸化、盐渍化、养分流失等问题[4～9]。宇万太等[10]研究表明，施用有机肥可以显著提高土壤中有效养分。邢鹏飞等[2]研究表明，有机肥替代部分无机肥后可明显提高小麦产量。因此，开展有机肥替代化肥研究对指导合理施肥和维持土壤可持续利用具有指导意义。

目前，围绕淮北平原砂姜黑土的相关研究主要集中在生物炭与秸秆还田对作物产量和土壤理化性质的影响[11～13]。而关于淮北平原有机肥替代化肥对麦田土壤肥力特征研究相对较少。为此，本研究以安徽省沿淮淮北地区砂姜黑土为研究对象，探讨了以有机肥替代化肥的合适替代比例及不同替代比例下对土壤养分、土壤酶活性的影响，以为沿淮地区麦田合理施肥提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小麦品种：烟农15；供试土壤的理化性状：有机质含量8.90g/kg，全氮含量0.57g/kg，碱解氮含量50.03mg/kg，速效磷含量10.16mg/kg，速效钾含量168.05mg/kg，pH 8.15；供试肥料：亳州司尔特生态肥业有限公司提供的化肥，安徽养地生态科技有限公司提供的有机肥料。施肥种类:复合肥(含氮(N) 15g/100g，磷(P2O5)15g/100g，钾 ( K2O )15g/100g)；猪粪有机肥总养分( N + P2O5+ K2O) 含量≥5g/100g，有机质含量≥45g/100g。

1.2 试验方法

表1 各处理的施肥用量

试验于2017年11月15日至2018年6月9日在安徽省亳州市利辛县进行，试验地位于淮北平原，土壤类型为砂姜黑土。气候属于暖温带半湿润季风气候，年平均降雨量800mm，年平均气温14.7℃。试验共设5个施肥处理，3次重复，试验小区采用随机分布，共15个小区。分别为CK(不施肥料) 、UF(100%化肥)、OF20(20%有机肥+80%无机肥)、OF40(40%有机肥+60%无机肥)、OF100(100%有机肥) 5种处理，面积分别是340m2(5m×68m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)，小区间均以宽为0.5m的埂隔开，田间管理与当地农户一样，直至收获。不同处理每个小区施肥用量详见表1。

1.3 样品采集与处理

土壤样品于小麦收获期(2018年6月9日)进行采集。各小区均统一采取S形布点法取5个采样点，用取土器取0～20cm耕作层土样，剔除石砾、可见植物残体等杂物后混匀样品，部分样品于4℃冰箱保存鲜样，预处理后用于微生物特性的测定，另一份土样风干分别过1mm和0.25mm筛用于测定土壤化学特性，土样单独保存。

1.4 测定项目方法及数据处理

1.4.1 土壤基本化学特性的测定

土壤pH采用电位法测定，土壤有机质含量测定采用重铬酸钾法-外加热法，碱解氮含量测定采用扩散滴定法，全氮含量测定采用浓硫酸消煮-半微量开氏法，速效磷含量测定采用0.5mol/L NaHCO3浸提分光光度法，速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法[14]。

1.4.2 土壤微生物特性的测定

土壤脲酶活性含量测定采用苯酚钠-次氯酸钠比色法，以24h每克土壤中产生的NH3-N的毫克数表示；土壤碱性磷酸酶活性含量测定采用磷酸苯二钠法，以24h后1g土壤中释放出的酚的质量(mg)表示；过氧化氢酶活性含量测定采用高锰酸钾滴定法，以每克土1min消耗的0.02mol/L的KMnO4体积表示；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以24h每克土生成的葡萄糖毫克数表示[15]。为消除误差和土壤中其他因素的影响，每样重复3次，同时做无土和无基质2种对照。

1.4.3 产量

小麦产量在测产区每个小区取中间3行的小麦收割后进行测产，然后换算为单位面积产量。

1.5 数据分析与处理

用Excel 2010软件处理数据和绘表，采用SPSS 22.0软件进行统计分析，采用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥处理对土壤pH和养分含量的影响

2.1.1 有机肥替代化肥对土壤有机质、全氮含量和pH的影响

从表2可以看出，与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、OF100处理的有机质含量均显著提高，分别提高了16.70%、22.09%、21.41%、30.38%，其中以纯有机肥处理的效果最好。与单施化肥处理相比，OF20、OF40、OF100处理的有机质含量分别提高了4.61%、4.03%、11.72%(P<0.05)，这表明增施有机肥可提高土壤的有机质含量。与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、OF100处理的土壤全氮含量分别提高3.27%、4.92%、4.92%、9.84%(P>0.05)。与单施化肥处理相比，OF20、OF40、OF100处理的土壤全氮含量分别提高1.59%、1.59%、6.35%。与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、F100处理的土壤pH分别降低0.12%、1.11%、0.99%、0.37%。与单施化肥处理相比，OF20、OF40、OF100处理的土壤pH分别降低0.99%、0.86%、0.25%，说明有机肥施用对砂姜黑土偏碱环境有一定缓冲作用。

表2 不同处理下的土壤pH和养分含量

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，表3同。

2.1.2 有机肥替代化肥对土壤速效养分含量的影响

有机肥替代化肥处理对小麦土壤养分的影响结果见表2。与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、OF100处理的土壤碱解氮含量分别提高17.45%、24.95%、5.99%、7.30%，达到显著性差异水平(P<0.05)。与单施化肥处理相比，OF20处理的碱解氮含量提高6.39%，达到显著性差异水平。UF、OF20、OF40、OF100处理的速效磷含量与不施肥处理相比，分别提高15.73%、18.41%、16.26%、20.55%，差异达到显著性水平。与单施化肥处理相比，OF20、OF40、OF100处理的土壤速效磷含量分别提高2.31%、0.46%、4.17%，各处理之间差异不显著。施肥与不施肥组处理相比，UF、OF20、OF40、OF100速效钾含量分别提高3.79%、6.07%、5.31%、6.83%(P<0.05)，有机肥替代化肥与单施化肥处理组相比，OF20、OF40、OF100速效钾含量分别提高2.20%、1.46%、2.92%(P<0.05)。

2.2 有机肥替代化肥处理对土壤酶活性的影响

2.2.1 有机肥替代化肥对土壤过氧化氢酶活性的影响

由图1可知， UF、OF20、OF40、OF100处理与不施肥处理相比，过氧化氢酶活性分别提高1.05%、4.21%、4.73%、3.68%(P>0.05)。与单施化肥处理相比，OF20、OF40、OF100处理的过氧化氢酶活性分别提高3.12%、3.64%、2.60%，各处理间没有表现出显著性差异水平。可见，适当施用有机肥可以使土壤过氧化氢酶活性维持在较高水平，减少过氧化氢对植株毒害作用。在有机肥替代化肥处理中，OF40处理相对于其他有机肥替代化肥处理效果略微增加，但没有表现出显著性差异。

图1 不同处理下的土壤过氧化氢酶活性

2.2.2 有机肥替代化肥对土壤蔗糖酶活性的影响

由图2可见，施肥与不施肥处理均可提高土壤蔗糖酶活性，施肥处理与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、OF100处理的蔗糖酶活性分别提高12.34%、15.09%、7.64%、22.48%(P<0.05)。与单施化肥处理相比，OF20处理蔗糖酶活性提高2.44%，OF40处理的蔗糖酶活性降低4.18%，没有表现出显著性差异。OF100处理与单施化肥处理相比，蔗糖酶活性提高9.02%(P<0.05)。可见，增施有机肥可以部分提高土壤蔗糖酶活性。

图2 不同处理下的土壤蔗糖酶活性

2.2.3 有机肥替代化肥对土壤磷酸酶活性的影响

由图3可以看出，不同施肥处理的磷酸酶活性都显著高于CK，其中UF、OF20、OF40、OF100处理的磷酸酶活性分别比CK处理提高22.62%(P<0.05)、24.05%(P<0.05)、23.15%(P<0.05)、2.87%(P>0.05)。有机肥替代化肥处理与单施化肥处理相比，OF20、OF40处理的磷酸酶活性分别增加1.17%、0.43%(P>0.05)，OF100处理磷酸酶活性降低16.11%(P<0.05)。

图3 不同处理下的土壤磷酸酶活性

2.2.4 有机肥替代化肥对土壤脲酶活性的影响

由图4可以看出，施肥处理与不施肥处理相比，土壤脲酶活性均有所增加，其中UF、OF20、OF40、OF100处理的土壤脲酶活性分别提高9.21%、3.35%、18.39%、28.41%，OF100处理增加得最明显。有机肥替代化肥与单施化肥处理比较，OF40、OF100处理的脲酶活性分别提高8.41%、17.59%(P<0.05)，OF20处理降低5.36%(P>0.05)。可见，化肥中配施一定量的有机肥，可以提高土壤脲酶活性。

图4 不同处理下的土壤脲酶活性

2.3 有机肥替代化肥对小麦产量的影响

由表3可知，施肥处理的小麦产量、穗数和穗粒数均显著高于未施肥处理。与不施肥处理相比，UF、OF20、OF40、OF100处理的产量分别增加61.72%、64.73%、56.65%、42.38%(P<0.05)。与单施化肥处理，OF20处理的产量提高了1.86%。对产量构成因素分析可知，有机肥替代化肥处理主要是通过增加有效穗数和穗粒数来提高小麦产量，与不施肥处理相比有效穗数和穗粒数分别提高了51.99%、12.46%，与单施化肥处理相比分别提高了1.43%、3.78%。对千粒重的影响不显著，说明在麦田配施一定量有机肥能够增加有效分蘖，提高有效穗数和穗粒数，有利于产量三要素的协同提高，从而增加小麦产量。

表3 不同处理下的小麦产量及其构成因素

3 讨论与结论

3.1 讨论

3.1.1 有机肥替代化肥对土壤养分的影响

由于农业生产中不合理地大量施用化肥，导致肥料利用率低，大量的养分流失在农村的地表水源中，造成了土壤质量下降和水污染等问题。如何在维持农作物高产的同时提高肥料的利用效率，逐渐成为农业热点问题[16]。化肥具有肥效释放快、容易被作物吸收利用等特点，而有机肥肥效缓慢，不能及时满足作物关键生育时期对养分的需求[17]，若采取有机肥替代部分化肥使用，可满足作物生长需求并获得减量增效的效果[18]。

本研究结果表明，有机肥部分替代化肥处理中(OF20、OF40、OF100)的全氮含量比UF处理有所提高。碱解氮含量OF20处理也高于UF处理。前人研究也表明有机肥部分施入土壤有助于土壤氮素的积累[10]。此外，OF20、OF40和OF100处理的速效磷、速效钾含量也高于UF处理，说明有机肥适当替代比例的化肥会提高土壤速效养分。Jun等[19]研究结果也证实，施入适当有机肥有助于提高土壤中速效磷、速效钾含量。

本研究结果还表明，有机肥施用量越高，土壤中有机质含量越高，OF20、OF40、OF100处理的有机质含量都高于UF处理。施用有机肥导致偏碱土壤pH略有降低。邢鹏飞等[2]研究也表明，土壤有机质含量随着施入有机肥比例的增加而相对增加，这与本研究结果一致。李静等[20]研究表明，施用有机肥和化肥都能使土壤pH降低，有机肥替代化肥处理相对单施化肥处理，对于偏碱土壤降低程度高，这与本研究结果一致。因此，有机肥适当替代化肥可以显著提高土壤有机质、碱解氮、速效钾含量，降低偏碱土壤pH。

3.1.2 有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

土壤酶作为土壤生物活性及土壤地力的重要组成部分，土壤中发生的生物化学反应都在土壤酶活动参与下进行完成的，根据土壤酶活性的高低，可以了解土壤生化反应的程度。有机肥替代化肥对土壤酶活性将产生不同的影响。研究表明，施用有机肥可以提高土壤中相关酶的活性[21]。

本研究结果表明，OF20、OF40、OF100处理的过氧化氢酶活性都高于UF处理，有机肥替代化肥处理中以OF40处理最高，说明适当施入有机肥对过氧化氢酶活性效果处理较好。这与鲁耀雄[22]研究结果相似。蔗糖酶活性随着有机肥比例增大而增强，说明蔗糖酶活性与有机肥施入量密切相关，邱珊莲等[23]也得出相似结论。UF20、OF40处理比UF处理磷酸酶活性提高要快，鲁艳红等[24]研究表明，红壤水稻土壤化肥与有机肥配合施用可以提高磷酸酶活性，本研究结果与此相似。OF100处理相对UF处理有所降低，说明不同施肥、土壤类型对磷酸酶的活性有较大影响，磷酸酶在土壤中的变化规律还有待进一步研究。脲酶能促进土壤中酰胺肽键的水解，生成植物根系可吸收利用的氨，可用于评价土壤的供氮能力[25]。有机肥替代化肥处理脲酶活性相对于单施化肥处理，以OF40、OF100处理的提高效果比较明显，OF20处理后脲酶活性有所降低，这与林诚等[26]长期定位试验中秸秆和粪肥可以大幅度提高脲酶活性的结论不同，说明施用有机肥时间短可能对脲酶活性的影响效果不太明显。

3.1.3 有机肥替代化肥对小麦产量的影响

化肥肥效快、容易被作物吸收，而有机肥肥效缓慢，不能及时满足作物关键生育时期对养分的大量需求。本研究结果表明，采用有机肥部分替代化肥处理，降低了化肥的使用量，但小麦产量没有大幅度波动，OF20处理理论上产量有所提高，较单施化肥处理提高1.86%，未达到显著性差异。有机肥替代化肥处理(OF20)的单位面积穗粒数和有效穗数较高，千粒重略有降低。OF40和OF100处理相比，UF处理有所降低，但未达到显著性差异水平。温延臣等[27]研究表明，采取有机肥适当替代化肥施用，养分能协调平衡供应，可适当满足作物生产需求和获得稳产高产，同时适当减少化肥用量，这与本研究结果相似。

3.2 结论

1)有机肥替代20%化肥处理对土壤中有机质、碱解氮、速效钾的含量影响显著。有机肥替代20%化肥对土壤全氮、速效磷含量也有影响，短期内差异效果不显著。有机肥对调节土壤酸碱性，短期内效果不显著。

2)有机肥替代20%化肥能对土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、磷酸酶活性产生影响。蔗糖酶活性大致随着有机肥投入的量多少，活性也相应提高。通过施入有机肥提高过氧化氢酶活性的效果不明显，但相对单施化肥来考虑，略有增加趋势。磷酸酶活性在有机肥替代化肥处理中，以OF20处理效果较好。

3)不同有机肥替代化肥比例对小麦产量影响显著，有机肥替代20%化肥处理，小麦产量高于单施化肥处理，相对其他处理，从整体上看，OF20处理对提高小麦产量和土样养分及酶活性效果最佳。

4)总的来看，适当比例有机肥替代化肥处理既能保证作物产量，又能在一定程度上提高土壤肥力和酶活性。本研究结果显示，有机肥替代20%化肥能够获得较高小麦产量，有机肥替代20%和40%化肥更能保持土壤肥力和酶活性，但不一定是最优替代比例，要保持较高的土壤肥力和酶活性的有机肥与化肥替代比例，则需要长时间的进一步研究和探讨。