炭基土壤调理剂配施专用肥对玉米土壤微生物及酶活性的影响

武盼盼，杨素芬，刘书武，王幻想，张晓宁，谷利敏，刘 蕊

（1河南省化工研究所有限责任公司，郑州450052；2文山州烟草公司，云南文山663000；3河南省自然资源科学研究院，郑州450000；4中国农业大学曲周试验站，河北邯郸057250）

0 引言

自从化肥被应用到农业生产中，其在提高作物产量方面的贡献是巨大的，史常亮等[1]研究结果表明化学肥料在促进粮食作物增产方面的贡献率高达60%。同时伴随着化肥工业的发展，化肥的用量急剧上升，现代农业生产中化肥投入过量的现象普遍存在[2]。长期过量施用化肥，导致土壤出现了板结、酸化、重金属，特别是有毒元素增加、生物学活性降低、土壤养分的转化速率大大下降及其养分不协调等问题[3]。土壤作为植物赖以生存的载体，为作物提供直接的水分和营养物质，因施用大量化学肥料导致的土壤质量问题在一定程度上制约现代农业大发展。土壤调理剂施入土壤可以有效改变土壤的理化性状，改善土壤生物学特性[4]，但自身养分含量较低，很难为作物健康生长提供充足的养分；生物有机肥可为植物提供较为全面的营养，施入土壤缓缓释放养分故而肥效较长[5]，同时可增加和更新土壤的有机质，添加的有益菌可以促进土壤微生物繁殖和优化菌群，增强土壤的保水保肥能力，为作物提供良好的生长条件[6]，但对土壤理化性质的改变过程是较为缓慢的。土壤微生物是土壤养分转化与循环的直接驱动者，对均衡土壤肥力、提高作物抗逆性及优化土壤生态环境质量等起着重要作用[7]；土壤酶活性能灵敏的反映出土壤中各种生物化学过程的强度与方向；与其他土壤性质相比，土壤微生物和酶被认为是更灵敏反应土壤质量变化的两个最重要生物学指标[8]。因此，开展土壤调理剂与有机-无机肥配施对土壤微生物多样性和酶活性的影响研究，可有效揭示有机物料施入土壤后的细微变化，对平衡土壤养分，改善土壤生物学性状，提高肥料利用效率有积极的意义[9]。许跃奇等[6]研究发现，生物炭与有机肥配施可明显提高土壤养分含量、微生物数的代谢活性和多样性。王毅等[10]研究表明生物炭和肥料配施可以显著增加有效叶数、单叶重株高、烟叶产量和经济效益。王彤等[11]研究表明生物炭和有机肥配施更能增加团聚体、有机碳的含量。李影等[12]研究表明生物炭和有机肥配施对改善根际土壤微生物环境、酶活性和土壤肥力效果最好。

中国是一个拥有14亿人口的农业大国，粮食和食品安全是关乎国计民生的千年大计。中国粮食的产量一直保持稳步增长，主要举措是施用化学肥料，由于化学肥料的长期且不合理大量施用，伴随而来的是土壤有机质减少、微生物活性变差、土壤肥力降低和持续攀升的大量农业废弃物。中国的田间秸秆年均产生量为6.46亿t，有研究发现秸秆被遗弃和焚烧的比例远超过了55%[13]。农业废弃物的随意丢弃、焚烧等粗放处理方式造成了严重的大气污染、农业资源的巨大浪费和土壤质量变差成为制约生态环境与农业可持续发展的“瓶颈”[14]。农业废弃物制成生物炭成为解决以上难题的重要途径。生物炭因其高度的化学惰性、生物稳定性、比表面积大、空隙度丰富等优点成为一种常见的土壤调理剂[15]。已发表的文献证明生物炭与肥料配施可以改善土壤微生物生态环境，但大多是选取植物生长的某一个时期进行研究，监测其动态变化的研究较少。

针对以上问题，本研究以农业废弃物制成的炭基土壤调理剂分别与玉米有机-无机专用肥、玉米生物有机-无机专用肥配施在玉米生长期内对土壤酶活性及土壤微生物影响的动态变化，以期为提高当地土壤生产力提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年6月在河南中牟祥福卢村进行，玉米品种‘郑单958’，试验田是沙质潮土，肥力均匀，地形平坦，灌排方便。年平均气温为14.3～15.2℃，适于多种作物生长。2015—2019年主要种植模式为冬小麦一夏玉米轮作。试验面积共0.13 hm2，试验田0～20 cm耕层养分含量和理化性质如表1所示。

表1 供试土壤的基本理化性状

1.2 试验设计

试验设置3个处理：处理CK：农户施传统复合肥；处理T1：炭基土壤调理剂+玉米专用肥；处理T2：炭基土壤调理剂+玉米生物专用肥。炭基土壤调理剂用量1.5 t/hm2（炭基土壤调理剂为自制，以小麦秸秆为原料，经400～500℃高温热解转化而成生物炭，pH 10.3，有机碳37%，全氮1.2%，全磷0.21 g/kg，全钾4.2 g/kg）；供试玉米专用肥基本特性为氮、磷和钾含量分别为101、42、32 g/kg，钙镁硫157 g/kg，有机质158.6 g/kg。玉米生物专用肥（有益活性菌＞2.0亿/g）氮、磷和钾含量分别为 101、42、32 g/kg，钙镁硫 157 g/kg，有机质158.6 g/kg，由河南欧凯肥业有限公司生产。采用单因素随机区组设计，每个处理重复3次，共9个小区。试验地采用机械直播方式，行距60 cm，株距12 cm，3个处理均按在苗期一次性施用供试肥料，在大喇叭口期（11～12片展开叶）追肥深施玉米穗肥，其他田间操作管理措施都相同。

1.3 样品采集

分别于播种后30、60、90天（分别对应玉米拔节期、灌浆期、成熟期）3个时期使用五点取样法用抖土法采集根际土样，混匀除去杂质后将土样分成两份，其中过2 mm筛的一份鲜样装入无菌袋，用冰盒带回并保存于4℃冰箱，用于分析测定土壤微生物；另一份进行风干后磨细过20目筛后测定土壤酶活性。

1.4 测定项目和方法

1.4.1 土壤酶活性 高锰酸钾氧化法测定土壤过氧化氢酶活性；参照文献[16]测定土壤蔗糖酶活性、土壤磷酸酶活性和土壤脲酶活性。

1.4.2 土壤微生物 稀释平板法测定细菌、真菌、放线菌的数量，培养基类型参照文献[17]Biolog-ECO微平板法测定土壤微生物群落功能多样性，具体步骤参照[18]文献。

1.4.3 产量测定 收获后每个小区取样，考种测定穗数、穗粒数、穗长、百粒重、产量（计产按14%折算含水率）。

1.5 数据处理

采用培养了120 h的590 nm下的光密度值数据进行分析。平均每孔颜色变化率即AWCD的计算公式如(1)所示。

式中：Ai是第i个反应孔的光密度值；A1是对照孔的光密度值。

土壤微生物群落功能多样性指数：香农指数即Shannon指数通常用H表示、Simpson指数用D表示和McIntosh指数即U[16]，计算公式如(2)～(4)所示。

式(2)～(4)中：Pi=(Ai-A1)/∑(Ai-A1)；N=(Ai-A1).

采用Microsoft Excel 2010作图表和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析Duncan法对数据进行差异显著分析处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下大田玉米根际土壤可培养微生物数量

从图1可以看出，在玉米各个时期细菌的数量T1、T2均高于CK处理且达到了显著水平，并随着玉米的生长发育细菌数量逐渐增加在灌浆期达到最大之后开始减少。说明供试肥料可促进根际细菌的繁殖发育。其中在灌浆期与CK相比，T1处理的细菌数量最高增加了56.2%而T2则增加了103.5%，说明处理T2比T1提高玉米根际细菌的数量上更强。由图1放线菌数量表明，在玉米的整个生育期内类似细菌数量的变化呈现为先上升后下降的趋势。真菌数量在玉米的整个生育期内类似细菌、放线菌数量的变化呈现为先上升后下降的趋势。可以看出施炭基土壤调理剂与专用肥配施处理的真菌数量都要少于对照，有研究表明真菌与病害的发生有正相关性[19]。从微生物总数上看，T1、T2均高于CK且达到显著水平，综合各个时期表现为T2处理好于T1处理。

图1 不同施肥处理根际土壤可培养微生物数量

2.2 不同施肥处理对玉米根际微生物群落代谢功能多样性的影响

2.2.1 根际土壤微生物对碳源总的利用能力(AWCD)的变化 由图2可以看出，在培养的24～196 h的时间内，伴随着玉米的旺盛生长至成熟，各个施肥处理的AWCD值的变化是逐渐升高的。其中，各处理的AWCD值在玉米的生育期内均表现为T2＞T1＞CK，在对各个时间的显著性分析结果发现，T2、T1与CK达到显著水平的分界点是在培养96 h，在随后的时间段显著性水平愈加的明显，在培养120 h时处理T2与处理T1达到显著水平。表明在玉米的生长过程中，炭基土壤调理剂与2种专用肥配施处理可以显著提高微生物整体代谢活性，增强其利用碳源的能力。从整体趋势上看，T2处理AWCD值的升高速率更快，说明炭基土壤调理剂与玉米生物专用肥配施的施肥措施在提高微生物的多样性及土壤微生物群落的活性上表现的更优。

图2 不同施肥措施下土壤微生物AWCD随培养时间的变化及微生物功能多样性的主成分(PCA)分析

2.2.2 不同施肥措施下作物根际微生物对碳源利用能力的主成分分析 设法将原来变量重新组合成一组新的彼此间互不相关的几个综合变量，同时根据实际需要从中可以取出几个较少的综合变量尽可能多地反映原来变量的信息的统计方法叫做主成分分析。通过降维后的主元向量用点在空间上分布的位置可以直观的解释不同施肥处理下土壤微生物碳源利用的差异[3]。筛选原则是相应特征值大于1的前几个主成分，第1主成分和第2主成分贡献率(＞50%)要远大于其余成分的贡献率，所以只对第1主成分和第2主成分分析。由图2可知，T1、T2处理在玉米的整个生育期内始终位于PC2正端，CK处于PC2负半轴，T1、T2与CK在PC2的得分系数差异达到了显著水平(P＜0.05)，表明T1、T2处理微生物利用碳源的方式较为接近，PC2上的主要碳源对T1、T2处理的影响比较大。T1、T2分布于第一、二象限，CK大体分布在第二、三象限，可见在PC轴的分布上，CK、T1和T2处理出现了明显的差异，说明不同施肥措施在微生物对碳源的利用类型上有了显著的影响。

2.2.3 不同施肥处理下根际土壤微生物多样性指数的变化 土壤微生物的功能多样性可反映出土壤微生物群落结构类型、演替过程及稳定性等。由表2可以看出，在玉米整个生育期内施T1、T2处理无论是Shannon指数、Simpson指数还是McIntosh指数均显著高于对照(P＜0.05)，说明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施明显影响了土壤微生物的多样性。在玉米的各个时期Shannon指数均表现为T2＞T1＞CK，炭基土壤调理剂与2种专用肥配施处理与CK达到了显著水平(P＜0.05)，表明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施对微生物的物种多样性和优势度有了明显的提高，这可能是供试肥料能刺激根际微生物的活动使根际微生态环境改善的结果。随玉米生育期的推进，McIntosh指数先增大至灌浆期后下降且大致表现为T2＞T1＞CK，T1、T2的McIntosh指数显著高于CK(P＜0.05)，表明T1、T2处理能提高微生物的物种均匀度，使土壤微生态系统更加健康稳定。其中T2的McIntosh指数为最高，表明炭基土壤调理剂与玉米生物专用肥配施更能促进玉米生长的物种均匀度。

表2 不同施肥措施下的微生物多样性指数分析

2.3 不同施肥处理对玉米根际土壤酶活性的影响

酶活性与微生物是紧密相联的。由图3可以看出，3个施肥处理在玉米的生育期内过氧化氢酶活性是逐渐增大的，大体为T1、T2处理的过氧化氢酶活性都要高于CK，说明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施处理均增加了土壤过氧化氢酶的活性。土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤磷酸酶的活性在3个施肥处理间有显著性，总体上表现为T2＞T1＞CK。其中，土壤蔗糖酶活性动态变化呈升高趋势。说明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施大大增加了土壤蔗糖酶的活性，在玉米旺盛生长期的变化尤其明显，比对照可显著增加55.1%～100.5%。说明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施处理大大增加了土壤蔗糖酶的活性，在一定程度上提高了土壤肥力。3处理的脲酶活性趋势均是先降后升的。脲酶参与土壤的氮循环，在玉米旺盛生长期内T1、T2处理的酶活性远高于CK且达到了显著水平，可能是炭基土壤调理剂与专用肥的有机质带入了土壤，增加了微生物可利用的氮源活化了微生物从而使脲酶的活性大幅提高。各处理磷酸酶活性的趋势均为先升后降。其中，在玉米生长旺盛期的磷酸酶含量比对照的增幅在46.3%～87.4%。由此表明，土壤磷酸酶活性受肥料种类影响较大。

图3 不同施肥措施下的土壤酶活性

2.4 不同施肥措施下的玉米产量

由表3可知，各处理间在穗长、产量、穗数、单穗穗粒数和百粒重的总体为T2＞T1＞CK，T1、T2处理与CK均达到了显著水平(P＜0.05)。其中与CK相比，T1、T2处理的产量提高了2.84%、11.19%。T1处理在穗长、亩穗数、单穗穗粒数和百粒重分别比CK增加了20.22%、4.16%、7.27%、4.66%。T2处理在穗长、亩穗数、单穗穗粒数和百粒重分别比CK增加了24.74%、4.46%、8.53%、6.70%。

表3 不同施肥措施下的玉米产量

3 结论与讨论

从土壤微生物数量的变化来看，在玉米整个生育期内的细菌、放线菌、微生物总数量总体趋势为炭基土壤调理剂+生物专用肥＞炭基土壤调理剂+专用肥＞农户常规施肥，但在真菌数量上则表现的相反。前人[20-23]的研究结果表明，土壤调理剂配施肥料能够显著提高土壤微生物的活性，碳源代谢能力和活性则均显著提升。土壤微生物群落是处于动态平衡的[24]，本研究土壤细菌数量增多，真菌数量下降，显著抑制了土壤真菌化，这可能是细菌和放线菌的快速繁殖在一定程度上抑制了有害真菌的生存，实现了土壤微生物群落组成的优化[6]。

与CK相比，本研究T1、T2在玉米生长周期内均能提高AWCD值、Simpson指数和McIntosh指数，其中T2在玉米的各个生育期内均最高并与其他处理出现了显著性差异，这说明炭基土壤调理剂+生物专用肥施肥措施在提升微生物的代谢活性、增加微生物利用碳源的能力、提高物种丰富度、多样性和均匀度有更好的效果。主成分分析结果表明，在3次取样中CK大体都分布于PC轴的负半轴，T1、T2处理则大部分处于PC轴的正半轴，即供试肥料处理与CK明显分离开，说明炭基土壤调理剂+生物专用肥和炭基土壤调理剂+专用肥在微生物的群落结构上与CK出现了较大差别。T1、T2处理的土壤过氧化氢酶活性比CK高但3者之间差异不明显，这与尤彩霞[25]的研究结果是比较一致的。土壤脲酶、土壤蔗糖酶、土壤磷酸酶活性在3个施肥处理间有显著性差异，在灌浆期达到最大值后下降这与前人[24]的研究结论是较为相似的。土壤酶活性总体上表现为炭基土壤调理剂+生物专用肥＞炭基土壤调理剂+专用肥＞对照。说明炭基土壤调理剂与专用肥配施可以提高土壤酶活性，在一定程度上提高了土壤肥力，其中以炭基土壤调理剂+生物专用肥处理的土壤酶活性最高。不同施肥处理对玉米穗长、产量、穗数、单穗穗粒数和百粒重的影响存在差异，在增加玉米的穗长上差异最显著，炭基土壤调理剂+生物专用肥、炭基土壤调理剂+专用肥处理与对照之间均达到了显著水平(P＜0.05)。表明炭基土壤调理剂与2种专用肥配施处理对作物具有明显的增产效应，以炭基土壤调理剂+生物专用肥处理效果最佳。可能是生物专用肥加入有益菌可以优化土壤菌群，炭基土壤调理剂自身含有的高活性物质可通过与水的媒介作用，能大大提高微生物的活性，有机肥养分丰富具有土壤微生物的天然培养基的特性，施入土壤后发生的变质复合和螯合效应能有效改良土壤的结构，土壤里的矿物质风化速度加快，土壤中的速效养分因而增多，这些都为微生物提供了更适宜的生长繁殖环境[22]，微生物的代谢增加了可增加土壤的酶活性，以此来活化、分解土壤中不易被植物直接吸收的养分，进而提升了养分的有效性和利用率，同时炭基土壤调理剂与生物专用肥的施入增加了土壤中的有机质含量这有利于维持土壤团粒结构的稳定性，土壤的保水保肥性均得到了提升，改善了土壤的物理、化学和生物学特性，促进作物根系的生长和增加对水分养分的吸收，促进玉米的生长，从而提高了玉米的产量[24]。

综上所述，炭基土壤调理剂+生物专用肥、炭基土壤调理剂+专用肥处理可提高玉米根际微生物的数量，在玉米生育期内显著提高土壤酶活性，还可提高土壤微生物代谢活性、利用碳源的能力及有效改善了其群落功能多样性。炭基土壤调理剂+生物专用肥处理综合表现要好于炭基土壤调理剂+专用肥处理，说明炭基土壤调理剂与生物专用肥配施处理更能满足玉米的健康生长，适宜当地的玉米生产。