几种有机肥对玉米光合特性及土壤酶活性的影响

赵 旭，宋清晖，王晓慧，王学刚，冯宇涵，孙思淼，李洪涛，常 伟，宋福强

（1黑龙江大学生命学院/农业微生物技术教育部工程研究中心，哈尔滨150500；2黑龙江大学生命学院/黑龙江省寒地生态修复与资源利用重点实验室，哈尔滨150080；3黑龙江省庆东阳光农业生物科技股份有限公司，黑龙江肇东151100）

0 引言

玉米(Zea mays)是世界三大粮食作物之一，在农业生产中占有重要地位[1]。化肥施用在作物增产、耕地养分补充等方面发挥了重要作用[2]，随着集约化农业系统的迅速发展，大量施用化肥已成为普遍采用的标准增产栽培措施[3]。据统计，过去的三十年时间里，中国玉米产量增加了85%，然而化肥施用增加了450%，粮食产量的增长速度远不及化肥的增施速度[4]。集约化农业系统中过量和长期施用化肥，一方面造成了许多土壤问题，包括土壤酸化和电导率升高、土壤酶活性降低、微生物多样性降低、土壤有机质(SOM)含量降低，从而降低了土壤肥力[5]。另一方面，大量的化肥施用不仅增加了成本，降低国际市场竞争力[6]，还会随降雨污染地下水、河流和湖泊，对生态环境造成压力[7]。由此可见，研究科学合理的施肥措施对减少化肥用量，提高土壤肥力，提高玉米产量，促进农业的可持续发展具有重要意义。有机肥替代或部分替代化肥是实现中国化肥零增长，实现可持续发展的重要途径之一[8]。有机肥料也被叫做农家肥，包括粪尿肥、堆沤肥、杂肥、饼肥、厩肥、沼气肥等。有机肥中含有大量的氨基酸和有机质，以氮、磷、钾等植物生长所需的养分，与化学肥料相比，有机肥料可以优化根际细菌，改善土壤的理化性质，提高土壤的连续生产能力等，对环境的负面影响较小[9-10]。在有机肥基础上加入菌群，制成的生物有机肥，还具有优化土壤菌群群落结构，提高土壤酶活性的作用[11]。谢军等[8]研究表明，鸡粪有机肥能够提高玉米产量，并且降低了玉米产量的年度变异系数。蔡泽江等[12]研究表明，秸秆酵母腐熟有机肥能够改善土壤酸度，获得持续高产。陈志龙等[13]研究表明，有机肥与化肥混合施用能提高小麦的氮肥利用效率。Liu等[14]研究结果表明，长期施用有机肥显著增加0～100 cm土层保水能力，提高水分利用效率，缓解干旱胁迫。有机肥逐步替代化肥，是未来生态农业发展的必然趋势，研究不同有机肥对于化肥的替代能力，开发新型高性能有机肥料具有重要意义。本研究旨在通过不同有机肥对比传统化肥的定位施肥实验，在松嫩平原玉米农田进行定位监测，分析不同有机肥对玉米生长发育、产量及土壤性质的影响，为东北地区有机肥代替化肥施用及黑土土壤的可持续利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2019年4—10月在黑龙江省绥化市肇东试验基地进行，本区域位于松嫩平原中部(45°10′N，125°22′E)，地面海拔高程在120～230 m之间，属寒温带气候，年平均气温4.4℃，平均积温为2772℃，年降水量448 mm，蒸发量1638 mm，全年无霜期平均在140天左右，年平均日照时数2780 h。土壤类型为黑钙土。供试作物玉米，品种为‘好玉723’。供试肥料信息见表1。

表1 供试肥料信息

1.2 方法

1.2.1 试验设计 本试验玉米为田间种植，共设5个处理，每个处理3个小区，共计15个小区，各小区随机分布。每个小区占地面积0.067 hm2，起垄种植，垄间距0.6 m，株距0.25 m，播种密度为5×104株/hm2。其他管理措施同当地大田。

1.2.2 测定指标 玉米产量：在玉米收获季节（10月7日）每块小区取1.8×10 m样方收获玉米籽粒，烘干后测定玉米籽粒总重及百粒重，推算出每公顷产量。

玉米叶片光合特性及叶绿素含量：在玉米大喇叭口期（7月29日）上午9:00—10:00使用CI-340手持光合测定系统测定各处理玉米植株主茎功能叶（倒3叶）的净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度以及气孔导度。分光光度法测定叶片叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量。

土壤酶活性：根据土壤标准采样法，于玉米大喇叭口期在每块样地用土钻采集耕层(0～20 cm)土壤样品1 kg。具体为每个小区随机取10个样品充分混合后成为1个样品后带回实验室测定，采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定土壤脲酶活性，3,5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，磷酸苯二钠比色法测定土壤碱性磷酸酶活性[15]。

总球囊霉素含量及根系丛枝菌根真菌(AMF)侵染率：用牛血清蛋白(BSA)作标准液，考马斯亮蓝显色法测定土壤总球囊霉素含量[16]，AMF侵染率采用酸性品红染色法测定[17]。

1.3 数据处理

运用Excel 2016进行数据处理及作图，采用SPSS 17.0对试验数据进行统计分析，5个处理之间单因子数据差异显著性采用单因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比较(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同肥料处理对玉米产量的影响

不同肥料处理下的玉米产量，由大到小依次为T4＞CK＞T2＞T3＞T1（见表2）。同对照处理CK相比，T4处理下玉米产量增幅为11.53%，且差异达到显著水平(P＜0.05)，T1和T3处理下玉米产量显著低于CK(P＜0.05)，T2处理下玉米产量较CK差异不显著(P＞0.05)，各组处理下的玉米百粒重均无明显差异(P＞0.05)。

表2 不同肥料处理对玉米产量的影响

2.2 不同肥料处理对玉米叶片光合特性的影响

由表3可知，T2、T3、T4处理下玉米叶片净光合速率均高于CK，分别较之增加32.34%(T2)、18.49%(T3)、24.10%(T4)，且差异达到显著水平(P＜0.05)。T1处理下玉米叶片净光合速率略低于CK，但差异不显著(P＞0.05)。T1、T2、T3、T4、处理下的玉米叶片蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度均显著低于CK，其中T1处理下玉米叶片蒸腾速率、气孔导度较CK降幅最大，分别下降了57.48%、58.33%。T4处理下玉米叶片胞间CO2浓度最低，为82.00 μmol/mol。

表3 不同肥料处理对玉米叶片光合特性的影响

2.3 不同肥料处理对玉米叶片叶绿素含量的影响

不同肥料处理下的玉米叶片叶绿素含量如图1所示，T2、T3、T4处理下的玉米叶片叶绿素a含量均高于CK，较 CK 增加了 5.02%(T2)、14.41%(T3)、11.11%(T4)，其中 T3和T4差异达到显著水平(P＜0.05)；T2、T3、T4处理下的玉米叶片叶绿素b含量均显著高于CK(P＜0.05)，T1处理变化不显著(P＞0.05)；总叶绿素含量由大到小依次为T4＞T3＞T2＞CK＞T1，T4、T3、T2处理分别较CK增加了14.76%、14.74%、7.46%，其中T4和T3差异达到显著水平(P＜0.05)。

图1 不同肥料处理对玉米叶绿素含量的影响

2.4 不同肥料处理对玉米田间土壤酶活性的影响

不同肥料处理下土壤脲酶活性变化范围处于5.53～10.37 mg/g之间（图2），T1处理下土壤脲酶活性最高，较CK增长6.84%，差异达到显著水平(P＜0.05)，T2、T3、T4处理下土壤脲酶活性均低于CK，分别下降了35.79%(T2)、43.03%(T3)、33.50%(T4)，且差异达到显著水平(P＜0.05)；4种有机肥处理下的土壤碱性磷酸酶活性均高于CK（图3），其中T1、T3增长显著(P＜0.05)，土壤碱性磷酸酶活性变化范围11.911～15.658 mg/g，T3处理下土壤碱性磷酸酶活性最高，较CK提高31.80%；不同肥料处理对玉米田间土壤蔗糖酶活性的影响如图4所示，土壤蔗糖酶活性变化范围为1.471～2.129 mg/g，4种有机肥处理下的土壤蔗糖酶活性较CK均显著增加(P＜0.05)，T4处理下土壤蔗糖酶活性最高，较CK提高30.91%。

图2 不同肥料处理对玉米田间土壤脲酶活性的影响

图3 不同肥料处理对玉米田间土壤碱性磷酸酶活性的影响

图4 不同肥料处理对玉米田间土壤蔗糖酶活性的影响

2.5 不同肥料处理对玉米根系AM真菌侵染率及根际土壤总球囊霉素含量的影响

丛枝菌根真菌可与玉米根系建立良好的共生关系，形成泡囊结构（图5）。不同肥料处理对玉米根系AMF侵染率的影响如图6所示，AMF侵染率同土壤总球囊霉素含量呈显著的正相关。T2处理下的AMF侵染率最高，为93.59%，较CK增加了58.90%，T1、T2、T3、T4处理下的AMF侵染率分别较CK增加了28.30%(T1)、58.90%(T2)、20.71%(T3)、41.58%(T4)，其中T2和T4差异达到显著水平(P＜0.05)；T1、T2、T3、T4处理下的土壤总球囊霉素含量均高于CK，且差异均达到显著水平(P＜0.05)。T2处理下的土壤总球囊霉素含量最高，为0.140 mg/g，较CK显著增加8.52%。

图5 AMF与玉米根系侵染形成泡囊

图6 不同肥料处理对玉米根系AMF侵染率及根际土壤总球囊霉素含量的影响

3 讨论

3.1 不同肥料处理对玉米产量的影响

本试验研究结果表明，T4相对于传统化肥对玉米产量具有显著的积极影响，证明有机肥替代传统化肥是可行的。温延臣等[18]研究表明，有机肥能显著增加土壤有机碳和全氮含量，利于植物吸收利用，进而提高作物产量。Mohamed等[19]研究表明，有机肥有利于增加土壤透气性，改良土壤真菌、细菌种群结构，能够提高玉米产量和品质。Zhao等[20]研究表明有机肥能提高土壤养分有效性、微生物生物量、酶活性和土壤氮素过程，并在一定程度上促进作物产量。超效有机肥是在有机肥的基础上向腐熟物料中添加功能性微生物菌剂进行二次发酵而制成的含有大量功能性微生物的有机肥料，具有改良土壤理化性质，增加土壤有益微生物的作用，其相比于传统化肥具有增产作用；本试验中，T2处理下的玉米产量相比于CK略低，但差异不显著，表明其在有机肥替代化肥方面具有一定可行性，而T1处理下的玉米产量较CK显著降低，说明秸秆还田虽然能改良土壤结构、增加土壤有益微生物丰富度[21]，但单独的秸秆腐熟还田并不能满足玉米产量的需求，还需要添加适量的肥料以达到增产的目的。

3.2 不同肥料处理对玉米叶片光合特性及叶绿素含量的影响

光合作用是影响作物产量的重要生理过程，已有研究表明施用有机肥可以提高植物的光合作用强度[22]。本实验结果表明，T2、T3、T4三种有机肥处理下玉米叶片净光合速率均高于CK，证明了这一研究结果。各处理下胞间CO2浓度与净光合速率呈现显著的负相关，这与彭辉辉等[23]研究结果一致。研究发现，4组有机肥处理下的叶片气孔导度与蒸腾作用强度都显著低于CK，同净光合速率呈负相关，这说明了叶片净光合速率的增加是由于非气孔因素造成的，推测可能原因是叶片净光合速率还受到叶肉细胞光合性能的影响[24]，净光合速率的提高是由于施用有机肥提高了玉米叶肉细胞光合性能。

植物光合作用在叶绿体中进行，叶绿体中的光合色素是植物光合作用的物质基础，植物叶片叶绿素含量很大程度上反映了植物进行光合作用的能力[25]。本试验结果表明，T2、T3、T4处理均不同程度上提高了玉米叶片叶绿素含量，其中，T4处理的叶片总叶绿素含量比普通化肥高136.1%，说明施用有机肥可显著提高叶片叶绿素含量，这与前人的研究结果一致[26-27]。

3.3 不同肥料处理对玉米田间土壤酶活性的影响

脲酶直接催化尿素水解，土壤脲酶活性表征土壤的氮素状况[28]。本研究中，T1处理下土壤脲酶活性显著增加，这与马慧娟等[29]在秸秆还田对土壤脲酶活性影响的研究结果一致。可能是由于秸秆还田向土壤提供了大量有机质，为土壤微生物维持生命活动供应营养，提高了各类微生物的数量，从而提高土壤脲酶活性；T2、T3、T4有机肥处理后，相比于CK处理，土壤脲酶活性均显著降低，这一定程度上反映了高氮化肥对土壤脲酶活性的影响，也反映了施用有机肥能够实现农业土壤肥料施用的降氮目标。

蔗糖酶直接参与土壤有机质代谢，其活性大小与土壤肥力呈正相关[30]。本研究中相比于CK，4种有机肥处理后的土壤蔗糖酶活性均有不同程度提高，证明了有机肥能提高土壤蔗糖酶活性，对土壤具有改良作用，这与商放泽等[31]研究结果一致。

碱性磷酸酶可以加速有机磷脱磷速度，对土壤磷素的有效性具有重要作用[30]。张俊丽等[31]研究表明，有机肥施用后显著提高了玉米田间土壤碱性磷酸酶活性，这与本研究结果一致，证明了施用有机肥对作物的磷素吸收具有积极作用。

3.4 不同施肥处理对玉米根系AMF侵染率及根际土壤总球囊霉素含量的影响

AMF能与玉米根系结合形成菌根结构，改善根际环境，促进植物对矿质养分的吸收，提高植物抗病性和抗逆性[32]。球囊霉素是AMF分泌到土壤中的一种糖蛋白，能够提高土壤有机碳含量，增强土壤团聚体稳定性，改善土壤质量[16]。本研究结果表明，4种有机肥处理后的玉米根系AMF侵染率均不同程度高于CK，证明了有机肥能增强AMF与玉米的共生作用，对菌根的形成具有促进作用。这与Jiang等[34]研究结果一致。本研究中，总球囊霉素含量与AMF侵染率呈正相关，且4组有机肥处理后的总球囊霉素含量均显著高于CK，说明有机肥施用可提高玉米根系AMF侵染率与土壤总球囊霉素含量。

4 结论

菌糠+鸡粪+腐殖酸有机肥(T2)、菌糠+鸡粪+枯草芽孢杆菌腐熟有机肥(T3)、超效有机肥(T4)相比于玉米专用复合肥(CK)均提高了玉米叶片的光合性能，其中T3和T4最优；与CK相比，T4处理显著提高玉米产量，T2处理达到相近产量水平；秸秆+枯草芽孢杆菌腐熟有机肥(T1)相比于CK显著提高了脲酶活性，4种有机肥均显著提高了土壤蔗糖酶、碱性磷酸酶活性，表明了有机肥在农业降氮减排、增加作物磷素吸收、增强有机质分解方面有积极作用；4种有机肥处理下，AMF侵染率和土壤总球囊霉素含量均高于化肥处理，其中T2和T4最优，表明有机肥在促进AMF与玉米植株共生和改良土壤结构方面有积极作用。综上，使用超效有机肥、菌糠+鸡粪+腐殖酸有机肥替代化肥，能够达到化肥减施效果；并且未来的研究中可以进一步改良有机肥配方或进行有机肥配施以达到玉米增产增效的作用。