化肥配施有机肥对黑土肥力与春玉米产量的影响

逄 娜，程 松，张水梅，袁静超，刘剑钊，刘松涛，任 军，梁 尧，蔡红光

(1.延边大学 农学院，吉林 延吉 133002；2.吉林省农业科学院 农业资源与环境研究所，农业部东北植物营养与农业环境重点实验室，吉林 长春 130033)

土壤是重要的自然资源，是人类赖以生存和发展的巨大碳氮库和生物库，支撑着作物生产[1]。土壤肥力决定着作物产量高低与品质优劣[2]。施用有机肥是提升土壤肥力的重要途径[3]。中国农业废弃物资源丰富，将农业废弃物转化为土壤肥力和作物所需的养分是循环农业的重要环节，也是农业绿色发展的基础[4-5]。当前，以农业废弃物为来源的有机肥在全国有着较大面积的应用，且种类多样，明确不同种类有机肥还田对土壤肥力的提升作用是实现土壤高效培肥的前提与基础。

有机肥还田后可显著提升土壤有机碳含量与养分供应能力[6]。土壤酶活性作为评价土壤肥力高低的重要指标，与土壤有机质转化及养分有效性密切相关[7]。单施化肥对土壤酶活性无显著影响，但配施有机肥后可以显著提高土壤蔗糖酶活性[8]。玉米秸秆还田后矿化释放的养分，可显著提高土壤纤维素酶和脲酶活性[9]，猪粪、牛粪等禽畜粪肥还田可促进土壤生物活性，提高土壤蔗糖酶、脲酶和过氧化氢酶活性[10-11]。由于土壤类型、有机肥品质等因素的差异，不同种类有机肥还田后土壤酶活性的变化各异。

东北黑土土质肥沃、结构良好，为保障区域农业可持续发展提供了得天独厚的自然优势。但多年来不合理利用导致黑土肥力退化趋势明显，已引起全社会的广泛关注。东北地区年均畜禽粪便年产量近5亿t[12]，同时，东北黑土区作为我国玉米主产区，秸秆资源丰富，年均玉米秸秆产量达1.7亿t[13]，实施有机培肥是改善黑土肥力退化现状、提升黑土可持续生产力的有效措施[14]。因此，综合评价不同种类有机肥还田对黑土肥力与玉米产量的影响，对于科学指导黑土有机培肥与农业废弃物的高效利用具有重要意义。本研究基于多年田间定位试验，探讨玉米秸秆与禽畜粪肥等不同种类有机肥还田对土壤有机碳、速效养分与酶活性等肥力因子的影响及多年玉米产量的动态变化，为建立东北黑土有机培肥技术体系、提升黑土肥力与健康提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

本试验位于吉林省公主岭市吉林省农业科学院试验基地(E124°48′33.8″，N43°30′23″)，该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温4～5 ℃，年均降水量450～650 mm，年均日照2 743 h，年均有效积温2 600～3 000 ℃，无霜期110～140 d，土壤类型为中层黑土。试验起始于2011年秋季，试验前该区域土壤基本理化性质为0～20 cm土层：有机碳16.5 g/kg、全氮1.56 g/kg、全磷0.54 g/kg、全钾18.0 g/kg、pH值6.20，20～40 cm土层：有机碳13.9 g/kg、全氮1.34 g/kg、全磷0.41 g/kg、全钾17.5 g/kg、pH值6.21。

1.2 试验设计

试验起始于2011年秋季，共设置5个处理，分别为单施化肥(NPK)、化肥配施玉米秸秆(NPK+ST)、化肥配施牛粪(NPK+NF)、化肥配施鸡粪(NPK+JF)和化肥配施猪粪(NPK+ZF)，每个处理3次重复，各小区面积104 m2。各处理年均化肥施用量为N 200 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，40%氮肥和全部磷、钾肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔节期追施。配施玉米秸秆处理为小区当年秸秆全部还田，配施畜禽粪肥处理各有机肥年均投入量为15 000 kg/(hm2·a)，于秋收后撒施于地表，经旋耕混入0～15 cm土层，翌年春季使用免耕施肥播种机进行施肥与播种，采用玉米连作-平播耕种方式，品种为先玉335，种植密度为6万/hm2。供试有机肥养分性状列于表1。2012-2016年，试验区玉米生长季(5-9月)降雨量如图1。

表1 供试有机肥养分性状Tab.1 Basic properties of organic manure

图1 2012-2016年试验区玉米生长季降雨量Fig.1 Rainfall during maize grow season in experimental site from 2012 to 2016

1.3 土壤样品采集与测定

土壤样品于2016年玉米收获后采集，采用五点采样法，用土钻分别采集0～20 cm，20～40 cm土层土壤样品，剔除动、植物残体和石块，风干后过2 mm筛待测。土壤基础理化指标采用常规分析法测定[15]，土壤活性有机碳采用KMnO4氧化法测定[16]，即能被浓度为333 mmol/L KMnO4氧化的有机碳，为活性有机碳。土壤酶活性采用关松荫[17]和吴金水等[18]的方法，即脲酶利用靛酚蓝比色法(NH3-N mg/(g·d)，37 ℃)，磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法(苯酚μmol/(g·d)，37 ℃)，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法(葡萄糖mg/(g·d)，37 ℃)，纤维素酶采用蒽酮比色法(葡萄糖 mg/(g·d)，37 ℃)。

1.4 产量测定

2012-2016年，玉米成熟期进行籽粒产量的测定，各小区按13 m2取样，以14%含水量折算玉米籽粒产量。

1.5 数据处理

采用Excel 2010进行数据处理，SPSS 23.0进行Duncan′s多重比较，Origin 2018进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 化肥配施有机肥处理玉米产量的年际间变化

化肥配施有机肥对玉米产量的影响如表2所示，各处理玉米产量年际间呈波动变化。在试验开始后的第1年(2012年)和第3年(2014年)，与NPK处理相比，各配施有机肥处理对玉米产量的影响不显著。2013年，与NPK处理相比，NPK+ZF处理玉米产量得以显著增加，其他处理玉米产量无显著变化。2015年，NPK+ST处理玉米产量显著高于NPK和NPK+NF处理，但NPK+NF、NPK+JF、NPK+ZF处理与NPK处理玉米产量间差异不显著。2016年，化肥配施有机肥各处理玉米产量均显著高于NPK处理，增幅为6.86%～19.4%，以NPK+ZF处理产量最高，显著高于NPK+ST和NPK+JF处理，但与NPK+NF处理间无显著差异。5 a玉米产量平均值的高低表现为NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK+NF>NPK，与NPK处理相比，各处理的增幅分别为11.70%，9.93%，6.17%，4.82%。

2.2 化肥配施有机肥处理土壤有机碳与活性有机碳含量的变化

化肥配施不同种类有机肥处理对0～20 cm土层土壤有机碳含量有不同程度的影响，如图2-A所示，与NPK处理相比，化肥配施有机肥增加了土壤有机碳含量，其中NPK+NF和NPK+ZF处理土壤有机碳含量的增加达到显著水平，增幅为11.5%，11.1%。NPK+ST和NPK+JF处理对该土层土壤有机碳含量的影响不显著。各处理20～40 cm土层土壤有机碳含量间差异不显著。与NPK处理相比，化肥配施有机肥显著增加了0～20 cm土层土壤活性有机碳含量(图2-B)，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF各处理土壤活性有机碳含量的增幅分别为36.2%，39.2%，18.3%，35.4%，其中NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF三者间差异并不显著，但均显著高于NPK+JF处理。各处理20～40 cm土层土壤活性有机碳含量间差异不显著。

表2 化肥配施有机肥处理对玉米产量的影响Tab.2 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on maize yield t/hm2

柱上不同小写字母代表不同处理间差异显著(P<0.05)。图3同。Different small letters above the bars represent significant difference between different treatments(P<0.05).The same as Fig.3.

2.3 化肥配施有机肥处理土壤pH值和速效养分含量的变化

化肥配施不同种类有机肥对土壤pH值的影响如表3所示。与NPK处理相比，化肥配施有机肥处理增加了0～20 cm，20～40 cm土层土壤pH值，以NPK+NF处理两土层pH值的增加显著，增幅分别为4.95%，4.71%。其他处理对两土层pH值的影响均未达到显著水平。与NPK处理相比，NPK+NF和NPK+JF处理对0～20 cm土层碱解氮含量的影响不显著，NPK+ZF处理显著增加了该土层碱解氮的含量，增幅为11.1%，NPK+ST处理碱解氮含量显著下降，下降了10.8%；NPK+ZF和NPK+NF处理显著增加了20～40 cm土层土壤碱解氮的含量，而NPK+ST和NPK+JF处理对该土层碱解氮含量的影响不显著。与NPK处理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理显著增加了0～20 cm土层速效磷含量，增幅分别为1.19，2.68，3.02倍，NPK+ST处理对该土层速效磷含量无显著影响；NPK+JF和NPK+ZF处理显著增加了20～40 cm土层速效磷含量，增幅分别为1.20，1.73倍，NPK+ST和NPK+NF 2个处理对该土层速效磷含量无显著影响。与NPK处理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理显著增加了0～20 cm土层速效钾含量，增幅分别为14.0%，16.2%，19.6%，NPK+ST处理对该土层速效钾含量无显著影响；NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF处理对20～40 cm土层速效钾含量无显著影响，NPK+ZF处理显著增加了该土层速效钾的含量，增幅为11.9%。

表3 化肥配施有机肥处理对土壤pH值和速效养分含量的影响Tab.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil pH and available nutrients contents

2.4 化肥配施有机肥处理土壤酶活性的变化

化肥配施不同种类有机肥对土壤酶活性有不同程度的影响(图3)。与NPK处理相比，NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF处理显著增加了0～20 cm土层土壤纤维素酶活性，增幅分别为27.0%，29.3%，15.7%，NPK+JF对该土层土壤纤维素酶活性的影响不显著(图3-A)。各有机肥处理20～40 cm土层土壤纤维素酶活性的高低表现为：NPK+NF>NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK，与NPK相比，增幅分别为41.7%，33.2%，19.4%，5.42%。NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理0～20 cm土层土壤蔗糖酶活性显著高于NPK处理，增幅分别为54.8%，47.3%，126.0%，88.0%(图3-B)，其中NPK+JF和NPK+ZF处理间该土层土壤蔗糖酶活性差异不显著，NPK+ST和NPK+NF 2个处理间0～20 cm土层土壤蔗糖酶活性差异不显著。在20～40 cm土层，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理土壤蔗糖酶活性显著高于NPK处理，增幅分别为26.8%，19.0%，19.3%，31.4%，配施有机肥处理间无显著差异。

与NPK处理相比，NPK+JF和NPK+ZF处理显著增加了0～20 cm土层脲酶活性，增幅分别为16.0%，12.1%，NPK+ST和NPK+NF处理对该土层脲酶活性无显著影响，NPK+JF处理脲酶活性显著高于NPK+ST和NPK+NF处理，NPK+ZF、NPK+ST和NPK+NF处理脲酶活性间差异不显著(图3-C)。各处理20～40 cm土层土壤脲酶活性间无显著差异。与NPK处理相比，化肥配施有机肥处理显著增加了0～20 cm，20～40 cm土层土壤磷酸酶活性(图3-D)。在0～20 cm土层，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理磷酸酶活性分别增加87.9%，103.0%，92.8%，124.0%，其中NPK+ZF处理显著高于NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF处理。在20～40 cm土层，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF处理土壤磷酸酶活性的较NPK处理分别增加99.5%，94.9%，98.4%，96.9%，各有机肥处理间差异不显著。

图3 化肥配施有机肥处理对土壤酶活性的影响Fig.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil enzyme activity

3 讨论与结论

土壤有机碳是表征土壤肥力的重要指标。增施有机肥是提升土壤有机碳水平的重要途径。本研究结果表明，与单施化肥相比，连续5 a增施有机肥能够增加0～20 cm土层土壤有机碳的含量，以化肥配施牛粪和配施猪粪处理对土壤有机碳的积累效果最显著。土壤有机碳的积累与外源碳投入的数量和质量直接相关，全量秸秆还田处理虽然碳投入量最高，但其较高的C/N比不利于微生物对其分解与利用[19]，导致其腐解与腐殖化过程较慢，对土壤有机碳含量的贡献不如猪粪和牛粪。猪粪和牛粪中碳含量明显高于鸡粪，因此，二者对土壤有机碳含量的积累作用更加突出。活性有机碳在土壤中不稳定、周转速度较快，是土壤碳循环的关键动力，成为植物营养的主要来源[20]。与单施化肥相比，增施有机肥显著增加了0～20 cm，20～40 cm土层土壤活性有机碳的含量，不同有机肥处理间以化肥配施鸡粪处理最低，由于鸡粪的C/N比低，且其活性有机碳的迁移能力比猪粪、秸秆和牛粪低[21]。

与单施化肥相比，化肥配施秸秆对0～20 cm，20～40 cm土层养分有效性的影响均不显著，这主要与秸秆氮磷钾养分投入量较低，以及其较高C/N比所造成的土壤碱解氮消耗密切相关[22]。相比之下，牛粪、猪粪与鸡粪处理对土壤速效养分含量的积累作用更加明显。化肥配施不同种类有机肥处理下土壤速效养分的变化更多地取决于畜禽粪肥中养分含量。由此可见，与玉米秸秆全量还田相比，畜禽粪肥的施入更有助于提升土壤速效养分的供应。值得注意的是，化肥配施不同种类有机肥对总有机碳和活性有机碳的影响主要集中于0～20 cm土层，而0～20 cm，20～40 cm土层土壤速效养分对不同种类有机肥处理均有显著响应，这与有机肥施用条件下土壤速效养分随水向下运移的特征有关[23]。

土壤酶积极参与土壤中各种生物化学反应，其高低反映了土壤生物的活性与生化反应的程度[24]。纤维素酶和蔗糖酶是表征土壤碳素转化的速度与程度的指标，化肥配施有机肥处理不同程度地增加了耕层纤维素酶和蔗糖酶的活性，由于有机肥的投入，为土壤微生物活动提供了丰富的碳源底物，同时又增加了养分和能量，促进了土壤相关酶活性的提高[25]。本研究中，化肥配施秸秆和配施牛粪处理耕层土壤纤维素酶活性显著高于其他有机肥处理(除NPK+ST处理外)，主要由于秸秆与牛粪属于植物来源，其纤维素含量较高[26]。化肥配施鸡粪和配施猪粪处理耕层土壤蔗糖酶含量较高，表明其土壤中高分子有机化合物更易被转化为能够被植物和土壤微生物吸收和利用的简单糖类[27]。农作物秸秆为土壤提供有效的生物活性能量，携带大量纤维组分，提供反应底物，另外玉米秸秆的C/N比较高，增加了碳源物质，促进微生物的繁殖，刺激了纤维素酶活性的提高[28-29]。牛粪中含有大量的微生物，土壤纤维素酶活性与微生物丰度有一定的相关性[30-31]。鸡粪中含有70%的饲料未被发酵吸收，含有大量的营养物质，为蔗糖酶提供更多的酶促基质[32-33]，而猪粪能够增加土壤中细菌、真菌和放线菌的数量，有助于提高土壤蔗糖酶的活性[34-35]。脲酶参与土壤中氮素的转化，本研究中，在0～20 cm土层脲酶活性以化肥配施鸡粪和配施猪粪处理较高，表明二者更利于土壤速效氮素的释放，从而保证植物的养分供应。磷酸酶是土壤有机磷向无机磷的转化过程的重要产物。本研究，化肥配施猪粪处理耕层土壤磷酸酶活性显著高于其他有机肥处理，原因在于配施猪粪处理有更高的磷素输入。

有机培肥对作物产量的提升效果取决于土壤肥力水平、有机肥的品质及施用量[36]。本研究中，在2012-2015年，除个别年份化肥配施秸秆或配施猪粪处理玉米产量显著高于单施化肥处理外，多数年份配施有机肥处理对玉米产量的影响不显著，在有机培肥的第5年(2016年)，化肥配施有机肥各处理玉米产量均显著高于单施化肥。可见，随着有机肥施用年限的延长，耕层土壤有机碳含量、速效养分供应及酶活性等肥力因子得以明显改善，从而促进了玉米产量的大幅提升。这与张秀芝等[37]关于有机培肥后黑土玉米产量变化的结果相一致。从多年平均玉米产量来看，化肥配施有机肥比单施化肥处理有所增加，但秸秆全量还田或是增施有机肥处理平均玉米产量间无显著差异。主要原因可能在于各种有机肥的投入量相对较低，仍需更长时间尺度观测玉米产量对不同种类有机物料处理差异响应。

5 a连续培肥后，与单施化肥相比，化肥配施牛粪和配施猪粪处理显著增加了耕层土壤有机碳及其活性组分的含量，而化肥配施秸秆或鸡粪对有机碳的提升主要集中于其活性组分；化肥配施猪粪或鸡粪对0～40 cm土层土壤速效养分的积累作用优于配施牛粪或秸秆处理；化肥配施有机肥处理对0～20 cm，20～40 cm土层土壤纤维素酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的提高有积极作用，各种酶活性对不同种类有机肥的响应程度各异。5 a间，各处理玉米产量呈现波动变化，化肥配施有机肥处理的平均玉米产量比单施化肥处理增加4.82%～11.7%，其中，以化肥配施猪粪处理增幅最高。