有机肥替代部分化肥对谷子产量、土壤养分及酶活性的影响

刘寒双，崔纪菡，刘 猛，郭 帅，校诺娅，鲁一薇，赵文庆，夏雪岩，李顺国，王慧军

（河北省农林科学院谷子研究所，国家谷子改良中心，河北省杂粮研究实验室，河北 石家庄 050035）

谷子为五谷之首［1］，自古至今一直是北方地区的主要杂粮作物之一［2］。脱壳后的小米因具备养胃健脾、促消化等多种功效［3］，深受人们喜爱。谷子因具有抗逆性强、耐旱耐瘠、能充分利用水资源等突出特点，是调整膳食结构、平衡营养的优质粮食作物［4-5］，也是资源短缺区域的特色杂粮作物［6］。

施肥是提高作物产量最有效的方法［7］，也是影响土壤质量的重要因素［8］。施肥种类、数量对谷子生长发育和产量影响的研究多有报道［9-12］。较高供肥水平可以使谷子获得较高产量［13］，中氮利于谷子产量的提高［14］，有机肥对谷子产量有一定影响［15］。然而，长期以来，单独施用化肥和有机肥对作物产量和土壤肥力的影响一直是人们关注和争论的焦点［16］。长期单施化肥具有肥效快等优点的同时，也引起了土壤质量降低且污染环境等一系列问题［17］。有机肥中含有各种生物活性物质及多种菌类，能促进微生物的繁育，有助于快速活化土壤养分，保持地力，有利于改善根系生态环境，提供营养元素，使作物更好地生长［18］。施用有机肥对土壤性状的改善、生物活性的提高和环境的净化等方面具有重要意义［19-21］。土壤酶在土壤中最为活跃［22］，与土壤中其他生物化学过程密切相关［23］，对土壤中物质代谢及养分供给有重要作用［24］，在一定程度上影响土壤质量并能反映土壤肥力［25］。根系是植物-土壤-微生物-环境相互作用的活动场所［26］，植株根系分泌各种代谢产物，其释放的分泌物能提供碳源，刺激微生物的繁殖［27］。根系区域的微生物活动最为旺盛［28］，有利于促进植株吸收养分，从而促使植株生长发育［29］。有研究［30-33］表明，有机肥的施用有利于提高土壤中有机质及氮、磷、钾等养分含量，其土壤物理性状有明显改善，对根际和非根际土酶活性有一定影响。因养分释放慢，对作物的增产效果不如化肥［34］，将化肥和有机肥有效地组合起来［35］，弥补双方的不足，减少化肥施用量，保证作物产量。采取有机肥替代部分化肥的施肥方式［36］，是实现化肥减量及发展绿色农业的重要举措［37］。

近年来，许多研究表明，有机肥替代部分化肥对于提高棉花、水稻、玉米、辣椒等不同作物产量、改善农艺性状和土壤肥力等方面效果明显［38-41］。有机肥与化肥配施对土壤环境与土壤生产力有显著影响［42］，从而影响土壤质量及作物产量。而对谷子的相关研究大部分集中在施肥量和肥料类型等方面［43-44］，且关于化肥和有机肥的设计多数为不计算肥料中养分含量的不同量之间的配施方法或以等氮的养分进行设计［45］，有机肥替代部分化肥对谷子生长发育、根际与非根际土壤养分及土壤酶活性影响方面的研究报道较少，尤其在同等氮、磷、钾养分条件下对谷子的研究报道尚不多。因此，本研究在通过保持氮、磷、钾总养分一致的情况下，探究有机肥替代部分化肥对谷子的生长、产量、根际和非根际土壤养分及土壤酶活性的影响，探索适合谷子生长，稳产、高产、绿色高效的施肥方式，为谷子化肥减量增效提供依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2019年6月～2020年9月在河北省农林科学院谷子研究所试验地开展。0～20 cm土壤耕层基础肥力状况见表1。

表1 试验地土壤基础理化性质

1.2 试验材料

本试验所用的谷子品种为‘冀谷42’，是河北省农林科学院谷子研究所（国家谷子改良中心）育成的非转基因优质抗烯和啶除草剂的新品种。

供试化肥：复合肥（18-20-5）、尿素（N 46.7%）、硫酸钾（K2O 50%）。供试有机肥为河北优净生物科技有限公司生产的优净有机肥，养分含量分别为N 1.852%、P2O51.242%、K2O 0.582%。

1.3 试验设计

试验设4个处理：无肥（CK）为空白对照、常规化肥（NPK）为对照、单施有机肥（M）、有机肥替代30%化肥（NPKM）。采用随机区组设计，每处理3次重复，共12个小区，每小区长10 m，宽9 m，面积90 m2，行距为0.4 m，小区间观察道0.8 m，四周设2 m保护行。其中施肥处理的氮、磷、钾总投入量一致，N投入量111 kg/hm2，P2O5投入量75 kg/hm2，K2O投入量34.5 kg/hm2，以底肥形式一次性施入。每年6月中旬播种，9月中旬收获。其他田间管理措施同常规管理方法。

表2 田间试验各处理施肥量 （kg/hm2）

1.4 测定项目及方法

1.4.1 产量指标

在谷子成熟期，每小区随机选择长势一致的植株样，取样面积为2 m（长）×1.2 m（宽），将选取的谷穗全部剪掉放入网袋中统计谷子的有效穗数，自然风干后称重，并进行脱粒、称重，依据每小区面积换算成公顷产量。每小区选取10穗进行室内考种，测量单穗重、单穗粒重、千粒重并记录。

1.4.2 农艺性状

在拔节期（7月16日）、抽穗期（8月1日）、开花期（8月10日）、成熟期（9月16日），每小区分别取长势一致的植株样6株，每处理3次重复，用盒尺测定各时期谷子株高并记录。

1.4.3 生物量累积与转运测定

北京红螺食品有限公司，其产品经历了从北京特色礼品向大众休闲食品过渡的进程。改革开放初，红螺的原始工艺是在一个灶台上架一口大铜锅，敞锅煮制腌渍发酵过的果品。不管春夏秋冬，员工们都要在高温的室内辛勤劳作，汗流浃背地翻锅，不停地铲煤填火。在付出那么多辛苦的同时，煮制出的果脯仍然无鲜亮感。在1985年、1986年两年中，红螺人实验发明了真空煮制果脯技术，减少了腌渍、发酵工序时间，此举大大降低了员工的劳动强度。

在拔节期、抽穗期、开花期和成熟期，每小区分别取长势一致的植株6株，3次重复，去除地下部分，按茎、叶、穗分开并装到纱网袋中，80℃烘干至恒重，然后称重，记录植株各器官生物量。

1.4.4 土壤养分

在谷子成熟期（2020年9月）进行取样，具体操作为：用土钻取距谷子茎秆10 cm处0～20 cm土层土壤作为非根际土［46］，铁锹挖出整株谷子，根系去除表皮大块土壤后，剩余根上附近附着的土壤作为根际土，风干后过0.25 mm筛，用于土壤养分测定。采用KCl浸提的方法测定铵态氮和硝态氮含量；碳酸氢钠浸提法测定有效磷含量；采用重铬酸钾容量法测定有机质含量；pH值采用pH计测定。

1.4.5 土壤酶活性

用土钻在每小区中间区域，取距植株10 cm处0～20 cm土层作为非根际土；用铁锹将完整根系挖出后去除表层大块土壤，剩余根附着的土抖落在自封袋中作为根际土带回［47］，每处理取3次重复，混合均匀后过0.25 mm筛，用于酶活性测定。

土壤脲酶采用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定［39］；碱式磷酸酶采用磷酸苯二钠法测定［48］。

1.5 数据分析

采用DPS 7.05，通过Duncan新复极差法对不同处理的各项指标进行数据处理和统计分析，并进行显著性检验，显著性水平设定为0.05。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代部分化肥对谷子产量及产量构成因素的影响

表3 不同施肥处理对谷子产量及产量构成因素的影响

2.2 有机肥替代部分化肥对不同生育期谷子株高的影响

对不同施肥处理的谷子各时期株高（图1）进行分析，结果表明，NPKM处理株高较高，与NPK、CK和M处理在谷子不同生育期相比，均不同程度增加了谷子株高，较其他几个处理存在显著差异。NPKM处理的谷子株高比NPK、CK和M处理在拔节期分别提高11.9%、12.5%和46.4%，抽穗期分别提高5.5%、4.0%和21.9%，开花期分别提高14.0%、9.2%和21.2%，成熟期分别提高8.2%、7.4%和10.2%。

图1 不同施肥处理的谷子株高

2.3 有机肥替代部分化肥对谷子生物量的影响

2.3.1 不同施肥处理对谷子生物量的影响

对不同施肥处理下谷子不同器官生物量结果进行分析，由表4 可知，与NPK处理相比，NPKM处理提高了谷子各器官的生物量，在不同时期均较高。NPKM处理在拔节期茎、叶生物量比NPK处理分别增加42.4%、23.4%，抽穗期茎、叶生物量比NPK处理分别增加33.2%、44.5%，开花期茎、叶生物量比NPK处理分别增加20.9%、11.0%，成熟期各处理茎、叶、穗生物量持平。

表4 不同施肥处理对不同生育期单株各器官生物量的影响

拔节期、抽穗期、开花期的各器官生物量占比大小均为叶＞茎＞穗；成熟期各器官生物量所占总生物量的比例大小为穗＞茎＞叶。抽穗期的茎生物量在整个生育期中所占比例最大，叶的生物量在拔节期所占比例最大，可以得出，前期主要由叶片进行营养积累，后期植株长大后营养分配到茎和穗。

对不同施肥处理的谷子单株生物量进行分析，由图2可知，NPKM处理的单株生物量在不同时期始终最大，其次为NPK和M处理，且两者之间无显著差异。抽穗期NPKM处理的单株生物量为17.9 g，较NPK、CK和M处理分别提高14.4%、39.5%和11.0%；开花期NPKM处理的单株生物量为24.5 g，较NPK、CK和M处理分别提高56.2%、69.7%和39.8%；成熟期NPKM处理的单株生物量为40.0 g，较NPK、CK和M处理分别提高6.8%、14.3%和11.8%。

图2 不同施肥处理下谷子单株生物量积累

2.3.2 有机肥替代部分化肥对谷子地上部各器官生物量运转的影响

茎、叶的物质贮藏运转及抽穗后的光合产物形成了谷子籽粒生物量。为探究营养器官物质运转对穗粒的贡献，采用开花期生物量与成熟期生物量的差值估计物质的运转量，其中，负值代表转移量，正值代表转入量［49］。由表5可以看出，NPKM处理的茎、叶物质转运量高于其他几个处理。叶对谷穗增重的贡献率最大，茎的贡献率次之，开花期谷子的叶片物质转运量为2.51～4.59 g/株，茎的物质转运量为1.56～3.40 g/株，茎、叶的物质转运量分别占穗重增加量的6.58%～14.00%、10.69%～18.90%。茎、叶、穗的转运量因施肥处理不同表现出开花后光合产物的贡献率不同，M和NPK处理的营养器官物质转运量相似，但NPKM处理的营养器官物质运转量高于M和NPK处理，说明部分有机肥和常规化肥结合能有效地促进谷子后期光合作用，加速生物量的运转。

表5 不同施肥处理对谷子不同时期地上部各器官生物量运转的影响

2.4 有机肥替代部分化肥对土壤养分的影响

对不同施肥处理的根际与非根际土壤养分进行分析，由表6可知，与NPK处理相比，NPKM处理提高了土壤有机质含量，对土壤铵态氮、有效磷含量、硝态氮和pH值无显著影响。NPKM处理的土壤有机质含量显著高于其他处理，比NPK、CK和M处理分别提高了30.1%、54.8%和23.5%；对根际土壤养分的影响，与NPK处理相比，NPKM处理对根际土壤铵态氮和硝态氮含量有所提高，对有效磷、有机质和pH值无显著影响。

表6 不同施肥处理对根际和非根际土壤养分的影响

2.5 有机肥替代部分化肥对土壤酶活性的影响

对不同施肥处理的土壤酶活性进行分析，结果见图3。NPKM处理显著影响土壤酶活性，对土壤酶活性的提高有一定的促进作用。与其他处理相比，NPKM处理的土壤脲酶活性显著提高。NPKM处理的非根际土壤脲酶活性比NPK、CK和M处理分别提高19.5%、44.0%和9.1%，根际土壤脲酶活性大小依次排序为NPK＞M＞NPKM＞CK，3种施肥处理较CK处理分别提高27.0%、20.4%、18.8%，非根际土土壤脲酶活性大小排序为NPKM＞M＞NPK＞CK，3种施肥处理较CK处理分别提高44.0%、32.1%、20.5%。非根际土壤脲酶活性增幅高于根际土壤，其中NPKM处理的土壤脲酶活性提高最多，使土壤中有机质和氮素更高效地进行转化，谷子因土壤中酶活性的提高能很好地吸收氮素营养和生长。NPKM处理磷酸酶活性与NPK、CK和M处理相比有所提高。NPKM处理的非根际土壤磷酸酶活性比NPK、CK和M处理分别提高3.8%、8.0%和8.0%，根际土壤磷酸酶活性较NPK、CK和M处理分别提高10.0%、65.0%和22.2%。由此可以得出，NPKM处理将化肥和有机肥有效结合在一起，更好地提高了土壤磷酸酶活性。

图3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

2.6 RDA冗余分析

对土壤养分与土壤酶活性之间的相关性进行冗余分析，冗余分析图直观地显示了环境因素对研究对象的解释程度，夹角小于90°，代表二者正相关，等于90°代表二者不相关，大于90°代表二者负相关，夹角越小，相关性越高；各因素之间的相关大小程度用箭头连线的长短表示，连线越长，相关性越大，反之越小［50］。由图4可知，施肥处理尤以NPKM处理对土壤酶活性和土壤养分有显著影响。两种土壤酶活性与AP、P、OM、NO3、NH4有密切联系。LSM与AP、NO3和Pr呈正相关，与NH4、pHr呈负相关；Ur与Omr、Pr、NO3呈正相关，与pHr、NH4r呈负相关；LSMr与Omr、Pr呈正相关，与NH4、pHr呈负相关；U与OM呈正相关，与NH4呈负相关。

图4 不同施肥处理下土壤中理化性质与酶活性的冗余分析

2.7 相关性分析

对不同施肥处理的各项指标进行双相关分析，结果由表7可知，谷子产量与生物量、有机质含量、脲酶活性、根际有效磷含量、根际脲酶活性和根际磷酸酶活性之间呈正相关，与铵态氮含量呈负相关，且达到极显著水平。生物量与有机质含量、脲酶活性、根际有效磷、根际脲酶和根际磷酸酶之间呈正相关，铵态氮与有机质和脲酶活性呈显著负相关，有效磷含量与磷酸酶、根际有效磷、根际脲酶和根际磷酸酶活性呈正相关，有机质含量与脲酶、根际有效磷和根际磷酸酶活性呈正相关，脲酶与根际有效磷、根际脲酶和根际磷酸酶活性呈正相关，根际有效磷与根际脲酶和根际磷酸酶活性呈正相关，根际脲酶与根际磷酸酶活性呈显著正相关。

表7 施肥处理下各项指标之间的双向相关分析

3 讨论

3.1 有机肥替代部分化肥对谷子产量及构成因素的影响

有机肥替代部分化肥能否减肥增效可以从产量水平、对作物的生长发育、肥料利用效率和培肥土壤等方面考虑［51］。丁维婷等［52］研究表明有机无机肥配合施用、常规化肥和单独施用有机肥与不施肥处理相比，对于作物的增产都有不同程度的提高。姜佰文等［39］研究有机无机肥料对玉米产量的影响，结果表明有机无机配施可提高玉米产量。朱倩倩等［17］研究化肥减量有机肥替代对棉花产量的影响，结果表明有机肥替代减氮30%较习惯施肥相比有利于提高棉花产量。邢鹏飞等［34］研究有机肥替代部分无机肥对小麦产量的影响，结果表明有机肥替代30%无机肥对小麦有较好的增产作用。本研究结果表明，与NPK处理相比，NPKM处理的谷子产量较NPK和M处理没有减产反而有所增加，且达到显著差异（P＜0.05），通过增加有效穗数、单穗重、单穗粒重等产量构成因子，提高了出谷率，对谷子产量提高效果明显，这与许多学者的研究结论一致。

3.2 有机肥替代部分化肥对谷子生长发育及生物量积累的影响

植物株高能体现出植株的生长情况，与植株内部营养分配和积累有一定关系。较高的株高有利于谷子更好地获得光照、温度、水、气，有助于营养吸收，为以后的生殖生长奠定良好的基础。本试验结果表明，谷子各时期株高，NPKM处理较NPK、CK和M处理均有不同程度的提高，NPKM处理有助于提升谷子株高，利于谷子生长发育，这与杨永青等［53］研究不同施肥处理对谷子产量、品种的影响结果一致。

营养器官是生物量积累的基础，对谷穗生物量的累积十分重要，而地上部茎、叶等各器官中营养物质的不断积累和分配就是生物量的累积过程，对作物产量的形成有重要影响［54］。NPKM处理的生物量高于其他处理，且运转高于NPK和M处理，以叶的贡献为主，优化生物量的运转，有利于籽粒的形成。

NPKM在整个生育期间增加了谷子地上部茎、叶等器官的生物量，从而提高了单株生物量，对单株生物量的影响随着生育期的推进逐渐增多，NPKM处理的单株生物量高于NPK、CK和M处理，NPKM处理是化肥和有机肥的结合，以化肥为主，辅以部分有机肥，在谷子整个生育期都能及时满足谷子的营养需求，对谷子地上部生物量的积累促进作用较大，高于NPK和M处理且显著高于CK处理，NPKM处理保证且增加了谷子生物量，有利于产量的形成，这与郑凤霞等［55］有机无机肥配施影响冬小麦干物质生产的结论一致。

3.3 有机肥替代部分化肥对土壤养分的影响

有机肥对土壤的有机质含量有显著增加的效果，提高土壤养分［56］。本研究结果表明，NPKM处理显著提高了土壤中有机质含量，对硝态氮含量有一定的增加作用，这与刘增兵等［57］的研究结果一致。铵态氮和有效磷较NPK处理相比有所减少，可能是在谷子生长过程中吸收的养分从土壤中汲取，然而，被吸收的养分并没有通过施肥被输送到土壤中，导致对应的土壤养分含量下降。NPKM处理的根际土壤有机质含量减少，可能是根系土壤中的有机质含量被植株所吸收，且谷子到成熟期根系代谢减弱所致。

3.4 有机肥替代部分化肥对土壤酶活性的影响

土壤酶在作物生长、土壤组成及土壤肥力上具有重要作用［58］，酶活性作为土壤质量的重要指标，与微生物活性和土壤理化指标紧密联系［59］。土壤酶有多种类型，种类不同对土壤养分的影响效果不同。脲酶在自然界中普遍存在且在土壤中活跃，对作物生长有关键作用，与土壤供氮密切相关［60］，是水解酶系的一种，对尿素的水解较专一［61］，磷酸酶活性对土壤磷素的时效性有重要影响［62］。

本试验结果显示，施肥对土壤酶活性的提高均有显著作用，这与陶磊等［7］研究结果一致。土壤脲酶活性以NPKM处理较高，且显著高于NPK、CK和M处理，这一结果与马忠明等［48］对其他作物的研究结果一致；NPKM处理的根际土脲酶活性较NPK处理偏低且低于非根际土壤，这与吴迪等［61］的研究结果不一致，可能与有机肥的类型及谷子生育期有关，有机肥自身的碳氮比对氮素转化有一定影响，碳氮比高的其氮素有效性低［63］，推测有可能是有机肥的碳氮比高抑制了土壤中脲酶对氮素的矿化，且谷子到成熟期，植株所需养分需求减少，根际代谢活动减弱或根际土壤中某些物质的产生影响了酶活性，NPKM处理中化肥和有机肥养分含量偏低，微生物可利用的营养源减少等原因，具体原因还需进一步探究分析。NPKM处理的土壤磷酸酶活性高于NPK、CK和M处理，但增加效果不显著，与CK处理相比，显著提高了土壤磷酸酶活性，说明NPKM处理对磷素的吸收有一定的促进作用，这一结果与赵旭等［64］的结论一致。原因可能和根际代谢、分泌物的释放、根际和土壤的相互作用、肥料及生育期有一定关联。NPKM处理的土壤酶活性在一定程度上优于NPK和M处理，可以更好地提高土壤酶活性。根系具有活跃的代谢能力，根际附近的土壤酶活性大多高于离根系远的土壤，本试验研究结果与安婷婷［65］对其他作物的研究结果基本一致。

本试验通过以上讨论得出，谷子产量与生物量、土壤养分、酶活性各部分之间有着显著的相关性，也相互作用，NPKM处理在一定程度上可以改善土壤养分、提高土壤酶活性，利于各器官的吸收，促进植株生长，更好地进行生物量的积累，保证产量的形成，这一结果和许多学者的研究结果一致［16，66-67］，在实践中具有一定的参考价值，可因地制宜实施。本研究由于试验周期较短，且只对谷子成熟期根际土壤酶活性和养分进行了研究，根际和非根际土壤酶活性在不同生育期有不同的变化规律［68］，而大田试验中影响因素较多，对于根际与非根际土壤中酶活性的研究，还需进行长期试验并在不同时期上进一步探究。

4 结论

有机肥替代部分化肥使土壤中有机质含量明显增加，刺激了土壤中酶活性的升高，酶活性升高对土壤氮、磷、钾养分有明显影响，土壤养分得到保证从而利于植株生物量的积累，保证了谷子稳产高产，同时也减少了化肥用量。