有机肥替代化肥不同比例对黑土土壤微生物学性质及春麦产量品质的影响

丁维婷，房静静，武雪萍*，张继宗*，张久明，张军政，刘亦丹，宋霄君，李婧妤，郑凤君，张孟妮，刘晓彤

（1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；2.黑龙江省农业科学院，黑龙江 哈尔滨 150086；3.首都师范大学，北京 100048；4.哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001；5.东北农业大学，黑龙江 哈尔滨 150030；6.山西师范大学，山西 临汾 041004）

过量的氮肥投入不仅浪费资源，还会导致环境污染、土壤退化等［1］。林治安等［2］、徐明岗等［3］、韩晓增等［4］研究认为有机无机配施是一种环境保护性施肥技术。适度有机肥替代既能促进作物增产，又能改善土壤养分状况［5-9］，有机肥替代化肥是一种行之有效的可持续农业发展策略［10］。探索适宜的有机肥替代比例对于解决农产品安全以及生态环境等难题和促进农业可持续发展具有重要意义。对于有机无机配施比例问题，大多研究［11-13］从作物产量效应和氮效率等方面确定有机肥替代化肥比例，且替代比例不一，而从生物学活性以及产量品质角度研究较少。土壤生物学活性主要指土壤微生物和酶活性，土壤微生物是土壤中一切生物化学过程的主要参与者，微生物量碳氮一般被认为是土壤活性养分的储存库，是植物所需养分的重要来源［14］。土壤酶在物质和能量转化过程中起主要的催化作用，它与土壤养分循环、能量转移以及环境质量等密切相关［15］。土壤微生物活动和土壤酶活性是土壤有机质和养分转化的关键因子，同时它们对不同施肥处理的响应能力更强。因此，通过研究不同施肥处理对土壤微生物活性以及春麦产量品质的影响，以此来评价土壤肥力水平和土壤培肥效果具有重要意义。有关黑土区春麦有机替代无机适宜比例还不明确，因地制宜确定合理高效的施肥措施和培肥模式，需从当地农业生产实际出发，开展综合研究。因此，本文针对不同施肥处理对土壤生物学活性、产量品质、经济效益等方面开展综合分析和研究。本文旨在嫩江县开展定位监测，对不同施肥处理进行综合分析和评价，为黑土区春麦确定适宜的有机肥替代化肥比例、科学施肥提供理论依据，为后续深入研究有机肥替代机制提供基础数据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于黑龙江省嫩江县中储粮北方公司四场科技园区（49°56′N，125°42′E）。年均气温-0.1 ℃，无霜期105 d，降水量570 mm，蒸发量719 mm，土壤类型为厚层粘底黑土，耕层土壤（0～20 cm）的基本性状为有机碳22.58 g/kg、全氮1.80 g/kg、碱解氮183.32 mg/kg、有效磷30.71 mg/kg、pH 6.01。

1.2 试验设计

试验开始于2019年，种植制度为小麦-大豆，一年一熟轮作制。供试春小麦品种为“克春9号”，4月初播种，8月中旬收获。试验设5个处理：①不施肥（CK）；②100%化肥（100%NPK）；③25%有机肥+75%化肥（25%M）；④50%有机肥+50%化肥（50%M）；⑤100%有机肥（100%M）。具体施肥量情况：施氮（N）总量为75 kg/hm2，磷肥（P2O5）75 kg/hm2，钾肥（K2O）37.5 kg/hm2。化肥分别用尿素、过磷酸钙和硫酸钾。有机肥为商品有机肥，其养分含量为N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有机质含量31.20%。有机肥替代化学氮素的100%、50%、25%，各处理有机肥用量分别为1500、750、375 kg/hm2，各施肥处理分别扣除有机肥N含量后用尿素补充，保证各施肥处理养分投入量一致。有机肥和氮、磷、钾肥作基肥一次性施入。各处理重复3次，随机区组排列，每个处理面积22.5 m2，共337.5 m2。

1.3 土样采集与处理

于2019年8月小麦收获期采集土壤样品。用S点法取样，各处理分别选取3个采样点，采样深度为0～20 cm，挑出土壤样品中的植物根系、石砾和其他杂物，将土壤样品过2 mm筛，放入4℃冰箱中保存，用于微生物特性的测定。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤微生物生物量的测定

采用Vance等［16］和吴金水等［17］提供的氯仿熏蒸-硫酸钾浸提方法测定土壤微生物生物量碳、氮。具体操作为：称取相当于10 g烘干土重的鲜土放入铝盒中，然后将其放入真空干燥器中。干燥器中放入一只盛有60 mL无乙醇氯仿和沸石的烧杯以及一只盛有氢氧化钠溶液的烧杯，并在真空干燥器底部放入少量蒸馏水和滤纸，上述准备是用于吸收熏蒸过程中产生的二氧化碳并保持空间内一定的湿度。将真空干燥器盖好后，使用凡士林密封各处空隙，用真空泵抽真空后保持氯仿沸腾3 min，关闭真空干燥器阀门，并用黑色塑料袋将其完全包裹，避光熏蒸24 h后打开真空干燥器阀门，有空气吸入声音则表示熏蒸成功，取出氯仿和氢氧化钠，更换底部蒸馏水，多次抽真空直至土壤样品无氯仿气味为止；取出土壤并溶于40 mL浓度为0.5 mol/L的K2SO4溶液中（土液比1∶4），震荡浸提30 min后过滤获得浸提液。浸提液立即测定。同时做未熏蒸土壤浸提液对照试验。测定采用Vario TOC（德国）仪器完成。

1.4.2 土壤酶活性的测定

称取相当于1.0 g烘干土的新鲜土样，放入500 mL的玻璃烧杯中，加入灭菌后冷却的醋酸缓冲液125 mL，在磁力搅拌器上搅拌10 min后，严格按照相应要求，使用多通道移液器将缓冲液、土壤样品悬浊液、标准品和相应底物加入到黑底的96孔酶标板中，加完样后，用锡箔纸覆盖微孔板，于20℃培养箱中，黑暗条件下培养4 h，培养后上机测试，采用多功能酶标仪（Scientific Fluoroskan Ascent FL，美国Thermo公司）测定5种土壤水解酶，即β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纤维二糖苷酶（CBH）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）（相应底物见表1 ）。具体测定参照Saiya-Cork等［18］的方法并稍作修改。试剂购于Sigma-Aldrich公司，用无菌水配置后于4℃冰箱短暂保存待用。

表1 测试酶及所用底物

1.4.3 小麦籽粒产量测定

各小区设3个1.0 m2样方取样，风干后脱粒、称重，计算产量。

1.4.4 小麦综合品质测定

采用DA7200多功能近红外分析仪（瑞典波通公司）测定小麦品质指标，蛋白质含量、容重、出粉率、湿面筋含量、沉降值、吸水率、稳定时间、形成时间、最大拉伸阻力、延展性和拉伸面积等。重复3次。

1.5 计算方法

1.5.1 土壤微生物量碳氮

式中，EC为熏蒸土壤浸提液中的碳-未熏蒸土壤浸提液中的碳，KEC为微生物量碳转换系数0.45；EN为熏蒸土壤浸提液中的氮-未熏蒸土壤浸提液中的氮，KEN为微生物量氮转换系数0.54。

1.5.2 土壤酶活性

土壤酶活性值计算参照 Deforest［19］方法。

1.5.3 氮肥利用率

氮肥农学效率（%）=（施氮区产量-空白区产量）/施氮量×100

氮肥偏生产力=施氮区产量/施氮量

1.6 数据统计分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0软件分析数据，Excel 2010制作图表。利用SPSS 19.0软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA）和最小显著差数法（LSD）多重比较（a=0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同有机替代比对土壤微生物量碳、氮的影响

由图1可看出，不同施肥处理之间土壤微生物生物量碳差异不同。与CK相比，有机肥处理（100%M和25%M）土壤微生物生物量碳分别提高了0.82%、9.67%，而50%M处理和单施化肥处理分别降低了7.87%、1.17%。由于单施化肥抑制了微生物繁殖生长，100%NPK处理土壤微生物生物量碳比CK略低，但没有显著差异。所有处理中以25%M处理为最大值，且与50%M处理差异达到显著水平。可见，25%M处理可显著提高土壤微生物生物量碳含量。

土壤微生物生物量氮的变化类似于上述微生物生物量碳的变化。由图1可知，不同施肥处理之间微生物生物量氮差异不同。与CK相比，有机肥处理（100%M和25%M）土壤微生物生物量氮分别提高3.33%、28.64%，而50%M处理降低了4.14%，施用有机肥可提高土壤微生物生物量氮，而不合理的施肥也会抑制微生物的生长繁殖。本试验条件下，单施化肥处理较CK微生物生物量氮略有增加，但没有达到显著水平，而25%M处理微生物生物量氮达到最大值，差异达显著水平。所以，适量的有机无机肥料配合施用可以使土壤保持较高的微生物生物量。

2.2 不同有机替代比对土壤酶活性的影响

图1 不同施肥处理对土壤微生物生物量碳、氮的影响

图2 不同施肥处理下土壤酶活性

不同施肥处理对土壤酶活性有显著影响（图2）。与CK处理相比，100%M处理土壤β-葡萄糖苷酶活性提高了14.31%，其他处理土壤β-葡萄糖苷酶活性降低了8.79%～21.03%。各施肥处理土壤β-纤维二糖苷酶活性较不施肥处理均有提升，有机肥处理（100%M、25%M）土壤β-纤维二糖苷酶活性较CK分别提高了103.48%、102.45%，且与CK、50%M处理存在显著差异。不同处理间土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性差异不显著，有机肥处理（100%M、25%M）土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性较CK分别提高3.22%、26.42%，50%M和100%NPK分别降低了9.82%、5.67%。各施肥处理土壤酸性磷酸酶活性均高于不施肥处理，有机肥处理（100%M、25%M）酸性磷酸酶活性显著高于其他处理，较CK分别提高了149.98%、170.53%，50%M、100%NPK处理土壤酸性磷酸酶活性与CK差异不显著。各处理土壤亮氨酸氨基肽酶活性相比较，有机肥处理（100%M、25%M）较CK提高了10.52%～28.87%，并与其他处理差异显著，50%M、100%NPK与CK差异不显著。整体来看，以全量有机肥和25%有机替代施肥处理显著提高了土壤酶活性。

2.3 不同有机替代比对春麦产量及氮肥利用率的影响

不同施肥处理对小麦籽粒产量产生显著影响（表2）。与CK相比，各施肥处理均有不同程度的增产。有机肥处理（100%M、50%M和25%M）较CK分别增产了0.82%、12.45%和24.23%，100%NPK处理增产24.34%，以单施化肥处理（100%NPK）产量最高，25%M次之，两者间产量差异不显著。以100%M处理增产最少，与CK产量无显著差异，有机肥处理（100%M、50%M和25%M）间小麦籽粒产量均存在显著差异，这说明不同比例有机肥替代化肥对小麦产量影响较大，有机肥在一定范围内替代化肥可继续维持小麦的稳产、高产。作物氮肥农学效率、氮肥偏生产力与小麦产量对不同施肥处理的响应一致，氮肥利用率最高值出现在100%NPK处理，25%M处理次之。

表2 不同施肥处理小麦籽粒平均产量和氮肥利用率

2.4 不同有机替代比对春麦品质的影响

小麦品质性状分为籽粒品质、面粉品质和面团品质3类指标进行分析（表3）。与CK相比，有机肥处理（100%M、50%M和25%M）的小麦品质变化规律不一，有机肥处理（100%M、50%M和25%M）的一部分小麦品质（容重、稳定时间、形成时间、拉伸面积、最大拉伸阻力）得到提升，除拉伸面积100%M处理高于50%M外，以50%M处理提高幅度最大，100%M处理次之，25%M处理最小；另一部分品质指标（蛋白质含量、出粉率、沉降值、湿面筋、吸水率、延展性）有所下降，以100%M处理下降幅度最大，25%M处理次之，综合这3个有机肥处理来看，以50%M处理的小麦品质提升状况良好。100%NPK处理的籽粒品质、面粉品质和面团品质较CK分别提高了3.83%～12.34%、8.29%～26.11%、1.92%～386.67%。有机肥的施用维持或提升了部分品质指标，但同时也使得部分品质指标降低，有机肥处理（100%M、50%M和25%M）的小麦蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值、吸水率为弱筋小麦标准，其面团稳定时间、拉伸面积以及最大拉伸阻力等指标依然达到了优质中筋或强筋小麦的标准。

表3 不同施肥处理对小麦品质的影响

2.5 不同有机替代比投入产出效益分析

对各处理进行经济效益分析，具体成本价格数据参照国家统计局和农场相关数据，结果如表4所示。从粮食增产的角度出发，除CK处理外，以25%M处理投入产出比最小，不同有机替代比处理（100%M、50%M和25%M）的投入产出比有较大差异。综合来说，25%M处理能有效增加产值、提高效益。

表4 经济效益分析

3 讨论

3.1 不同有机替代比对土壤微生物生物量碳氮的影响

土壤微生物生物量作为土壤养分转化的活性库或源，可部分反映土壤微生物活动的强弱和养分转化速率的快慢，是土壤微生物质量变化的重要指标［20］。本研究结果显示，适量的有机无机肥料配合施用可以使土壤保持较高的微生物生物量，不同施肥处理之间土壤微生物生物量差异不同，所有处理中25%M处理的土壤微生物生物量碳氮均为最大值，其微生物生物量碳、氮较CK分别提高了9.67%、28.64%，且差异达到显著水平。100%M处理微生物生物量碳、氮较CK略有增加，差异未达到显著水平，50%M较CK有所降低，100%NPK处理并未显著提高土壤微生物生物量碳氮，不合理的施肥抑制了微生物繁殖生长。适量有机肥的施入提供了丰富的碳源，而土壤微生物生物量主要受土壤中有机碳源的影响［14］，有机肥与化肥配合施用补充土壤有机碳源，提高了养分有效性和土壤微生物的活性。有机无机肥料配施提高微生物对肥料氮的固持量［21］，即可以显著提高土壤微生物生物量氮，因此有机肥与化肥配施的土壤微生物生物量碳氮较高，25%M处理可显著提高黑土土壤微生物生物量碳氮。

3.2 不同有机替代比对土壤酶活性的影响

大多研究者认为土壤酶是研究土壤生态效应的有效传感器［22-23］。土壤β-葡萄糖苷酶、β-纤维二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶以及亮氨酸氨基肽酶等都是土壤有机碳降解和养分转化的关键酶，其活性常表征了土壤微生物活性［24］。本研究结果显示，有机无机配施（25%M）在提高土壤酶活性方面占据明显优势，土壤生物性质-酶活性对施肥处理变化的响应能力更强，不同施肥处理土壤酶活性存在显著差异。一方面是有机肥含有大量养分和丰富的酶促基质所决定，另一方面小麦收获期气温较高、降雨量充沛、外源有机物的增加等诸多因素对土壤微生物产生强烈影响，从而促进了不同处理间土壤酶活性的差异性。适量有机肥替代（25%M）可以通过为土壤微生物提供碳源，促进土壤氮素转化，进而提高氮肥利用效率。土壤酶活性的高低可以作为土壤肥力评价的重要指标［25-26］。本研究发现，全量有机肥和25%有机替代施肥处理显著提高土壤酶活性。

3.3 不同有机替代比对春麦产量品质的影响

大多研究者认为，有机肥替代化肥比例并非越高越好，在现实中必然存在一个最佳比例，适宜的有机替代比显著提高小麦、水稻等粮食作物的产量，而有机肥替代比例超出一定范围会降低作物产量［27-29］。温廷臣等［1］通过连续3年的商品有机肥定位施肥试验表明，等养分有机肥替代化肥施用后，与单施化肥产量无显著差异。本研究得出类似结论，与不施肥处理相比，无论是单施有机肥、有机无机配施或单施化肥处理小麦均有不同程度的增产，小麦产量与作物氮肥农学效率、氮肥偏生产力对不同施肥处理的响应一致，其最高值均出现在100%NPK处理，其次为25%M处理，两者间差异不显著。不同有机替代比处理（25%M、50%M、100%M）产量存在显著差异，所以有机肥替代比例在一定范围内可以维持较高的产量以及产量的稳定性和可持续性。本研究结合经济效益分析，得出25%M处理投入产出比最小，其对于提高肥料资源利用率，增加小麦产量，提高效益等方面效果更加显著。肥料种类、施肥量、施肥时间以及有机肥与化肥配施比例的不同对作物品质均有显著影响［30-32］。适宜的肥料配比可以改善土壤环境，提高作物产量和品质［33-35］。前人研究结果表明，有机无机配施可以改善小麦品质的大部分指标［36-40］。姜东等［41］认为有机肥、无机肥主效应对小麦籽粒产量和品质影响程度不同，有机肥主效应对大部分品质指标无影响，无机肥处理主效应及有机无机肥交互效应对籽粒产量和大部分品质性状均有显著影响，有机无机肥料配合施用与单施无机肥处理相比提高了小麦大部分品质性状，有利于强筋小麦籽粒产量和品质的同步提高。本研究发现，3个有机肥处理（25%M、50%M、100%M）小麦品质变化不一，有机肥的施用维持或提升了小麦籽粒品质、面团品质中的大部分指标。

4 结论

综合分析表明，有机肥不同比例替代化肥以25%有机替代在改善土壤生物学活性、增加春麦产量及改善小麦品质方面效果良好，同时可以提高氮肥农学利用效率和氮肥偏生产力，增加经济效益。