土壤调理剂配施有机肥对连作马铃薯土壤的改良效果

张建鹏

(濮阳职业技术学院,河南濮阳 457000)

马铃薯是河南省的主要粮食作物,因其产量高、适应性广、营养丰富等特点被人们广泛接受[1-2]。据相关农业部门调查表明,2021年河南省马铃薯种植面积可达8.73万hm2[3]。近年来,受耕地面积、订单农业以及集约化生产影响,马铃薯连作种植现象普遍存在[4]。然而长年连作种植不仅会造成马铃薯产量降低、病虫害频发,还会改变土壤物理结构以及土壤微生物菌群[5-7],降低土地生产力。因此,如何有效改良连作马铃薯土壤问题对马铃薯产业发展具有重要的意义。有研究表明,施用大量化肥能够在短时间内解决马铃薯产量降低问题[8],但长期大量施用化肥,不仅起不到产量增加的目的,还会造成土壤板结、养分失衡、病害加重等问题[9-11]。目前,国内众多学者研究表明,配施生物菌肥[12-13]、改变种植制度[14-15]是解决马铃薯连作障碍的有效途径。但由于轮作倒茬改良土壤时间较久以及受产业发展限制影响较大,因此,研究如何有效平衡施肥对解决马铃薯连作障碍意义更大。

有机肥含有丰富的微量元素及功能菌群,与化肥配施能够促进作物生长,提高土壤肥力,调节土壤微生物区系,改善土壤微生态环境[16-17]。闫治斌等研究表明,施用多功能生态肥能够降低连作马铃薯土壤容重,提高土壤养分含量和酶活性[13];高欣等研究表明,增施有机肥能够提高连作花生土壤有机碳各组分含量,改善土壤微生物环境,能够有效缓解花生连作障碍[18];胡月华研究表明,与单施化肥相比,无机肥有机肥配施能够提高土壤细菌、放线菌生物量,减少有害真菌生物量[19]。可见,化肥与有机肥配施在改良土壤方面具有一定的可行性。目前,无机肥与有机肥配施解决或缓解马铃薯连作障碍的研究主要集中在产量、土壤养分、酶活性以及土壤微生物方面,关于土壤团聚体及有机碳方面的研究很少,而关于土壤调理剂配施生物有机肥/微生物菌肥改良连作马铃薯土壤方面的研究更是鲜有报道[20-21]。土壤调理剂由多种矿物质原料复配而成,适量施用能够提高土壤孔隙度、减少土壤容重,以及提升土壤蓄水保肥的能力,从而达到改善土壤质量的目的[22-23]。因此,作者期望通过研究土壤调理剂配施生物有机肥/微生物菌肥对连作马铃薯土壤团聚体组成、有机碳含量累积、微生物区系代谢活性等变化的影响,旨在明确土壤调理剂配施有机肥在改良连作马铃薯土壤方面的可行性,为连作马铃薯的合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2022年在河南省濮阳市清丰县大屯乡(114°57′E,35°86′N)进行,该区域属于温带大陆性季风气候区,四季分明,光照充足,年均气温为13.4 ℃,年均降水量为520～580 mm,年均日照时长为2 454 h,年均积温为(≥10 ℃)4 498 ℃,无霜期为215 d。供试土壤为黄潮土二合土质,试验前耕层(0～20 cm)基础理化性状:全氮含量为 0.95 g/kg、有机碳含量为5.43 g/kg、pH值为8.12、容重为1.34 g/cm3、孔隙度为0.7%。试验地前茬2年均为马铃薯—小麦连续种植。

1.2 试验设计与方法

试验地为马铃薯—小麦连作种植,马铃薯季试验设对照不施肥(CK)、单施化肥(SF)、化肥减量30%+生物有机肥(FB)、化肥减量30%+微生物菌肥(FM)、化肥减量30%+生物有机肥+土壤调理剂(FBC)、化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂(FMC)6个处理,重复3次,共计18个小区,试验处理均随机区组排列。小区面积为48 m2,试验小区周边保护行为5 m,马铃薯株行距40 cm×50 cm。化肥单施用量:纯N 100 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 425 kg/hm2;生物有机肥用量:1 500 kg/hm2(N、P、K含量分别为3.85%、2.12%、1.15%,有机质含量为28.62%,有效活菌数≥0.2亿 CFU/g);微生物菌肥用量为1 200 kg/hm2(N、P、K含量分别为12.26%、4.39%、8.26%,有机质含量为25.32%,有效活菌数≥1.0亿 CFU/g);土壤调理剂用量为75 kg/hm2(含硫酸亚铁、氨基酸粉剂、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠等成分)。供试马铃薯品种:中薯5号(中国农业科学院蔬菜花卉所提供)。马铃薯生育期8—11月。70%氮肥以及其他类别肥料作为基肥在整地前施入,30%氮肥作为追肥在盛花期施入。小麦季不同处理施肥量均一致,种植密度、施肥模式、田间管理措施等均不做特殊处理,按照当地农民种植习惯进行。

1.3 样品采集与项目测定

2022年6月,通过五点取样法利用螺旋土钻采集0～20 cm处土壤。通过冰盒带回实验室后,土壤样品分成2份,1份自然阴干,用于土壤团聚体、有机碳含量的测定;另1份于-40 ℃保存,用于土壤微生物的测定。土壤容重、孔隙度利用环刀采集 0～20 cm处土壤进行测定。2018—2021年间,每年均采集土壤样品进行有机碳含量的测定。

土壤团聚体测定采用干筛法。具体方法:称取一定量的风干土样分别通过0.053、0.25、0.50、1.00、2.00 mm的套筛,人工分筛2～3 min后,收集各筛面上的土壤团聚体分别称质量,然后进行各粒级团聚体含量计算。土壤有机碳含量采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[23]测定;土壤容重、孔隙度均采用环刀法[24]测定。马铃薯产量测定时,小区产量全部称其质量,然后进行公顷折算。

土壤微生物生物量测定采用磷脂脂肪酸法。称取一定量的新鲜土壤,按照朱芸芸的提取步骤[25],采用Agilent 6890N气相色谱-质谱联用仪进行鉴定分析。

土壤微生物碳源利用能力测定采用Biolog Eco板法。按照贾鹏丽等的提纯步骤,将待测液接种于微板孔后,放入25 ℃培养箱中,每隔24 h使用 Biolog微生物鉴定系统测定580 nm处的吸光度1次,连续测定168 h[26]。平均颜色变化率(AWCD)可用于表示土壤微生物对某种碳源的代谢活性,计算公式如下[27]:

AWCD=∑(Ci-R)/31;

式中,Ci为反应孔在580 nm处的吸光度;R为对照孔吸光度。

1.4 数据处理

采用Excel 2018进行数据整理与计算,采用SPSS 19.0进行处理间的差异显著性分析,采用Canoco 4.5 进行多元分析与制图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对土壤团聚体组成的影响

连续施肥4年后,不同施肥模式能够显著影响土壤团聚体组成(表1)。与CK处理相比,不同施肥处理均能降低粒径<0.053 mm和0.053～0.250 mm 的团聚体比例,提高粒径≥0.250～2.000 mm 的团聚体比例,而粒径≥2.000 mm的团聚体表现出不同的变化。其中,FMC处理 <0.053 mm、≥0.053～0.250 mm 粒径质量比值较其他处理分别降低2.87%～18.81%、0.42%～25.34%,均显著低于CK、SF、FB、FM处理。FBC处理0.250～<2.000 mm粒径质量比值最高,较其他处理分别提高0.26%～9.28%,显著高于CK处理。SF处理≥2.000 mm粒径质量比值显著最低,较CK处理降低5.98%;FMC处理≥2.000 mm粒径质量比值最高,较CK、SF、FB、FM处理分别显著提高21.77%、29.52%、22.75%和18.28%,而与FBC处理相比无显著差异。

表1 各处理土壤团聚体不同粒级含量的变化

2.2 不同施肥模式对土壤容重和孔隙度的影响

连续施肥4年后,不同施肥模式对土壤容重与孔隙度变化有不同的影响(图1)。与基础土样容重相比,CK、SF处理土壤容重分别显著提高6.72%、13.43%,FB、FM、FBC、FMC处理土壤容重均不同程度降低。其中,FMC处理较基础土样显著降低8.2%。而不同施肥处理间土壤容重也均有不同的变化。与CK处理相比,SF处理土壤容重显著提高6.29%,FB、FM、FBC、FMC处理分别显著降低8.39%、10.49%、10.49%、13.99%,FMC处理土壤容重最低。

与基础土样孔隙度相比,CK、SF、FM处理土壤孔隙度降低,FBC、FMC处理土壤孔隙度提高,FB处理无明显变化。而不同施肥处理间土壤孔隙度也均有不同的变化。与CK处理相比,SF处理土壤孔隙度降低4.55%;FB、FM、FBC、FMC处理分别提高6.06%、4.55%、12.12%、18.18%,其中,FB、FBC、FMC处理土壤空隙度较CK处理显著提高。FMC处理土壤孔隙度最高,较其他施肥处理分别显著提高5.41%～23.81%,SF处理土壤孔隙度最低。

2.3 不同施肥模式对土壤有机碳含量的影响

由图2可知,CK、SF处理土壤有机碳含量随着施肥年限的增加整体呈逐渐降低的趋势,而FB、FM、FBC、FMC处理土壤有机碳含量呈波动性整体上升趋势。连续施肥4年后,FMC处理2022年土壤有机碳含量较2018年有明显积累,且显著高于其他处理。FMC处理2022年土壤有机碳含量较2018年增加4.36%,积累量明显高于FB(0.71%)、FM(1.23%)、FBC(2.09%)。而对比2022年不同施肥处理可知,FMC处理土壤有机碳含量最高,较其他处理分别提高6.32%～39.15%,FB、FM、FBC处理土壤有机碳含量次之,均显著高于SF、CK处理,CK处理土壤有机碳含量显著最低。

2.4 不同施肥模式对不同施肥年限下马铃薯产量的影响

不同施肥处理马铃薯产量随着施肥时间的延长表现出明显的差异。施肥1年时(2018年),与CK处理相比,不同施肥处理马铃薯产量显著提高14.71～21.96%。在不同施肥处理对比中可知,SF处理马铃薯产量最高,较FB处理显著提高6.32%,与FM、FBC、FMC相比均无显著性差异。连续不同施肥4年后(2022年),各处理马铃薯产量与2018年相比均表现出明显差异。其中CK、SF、FB、FM处理马铃薯产量分别下降38.61%、22.52%、4.89%、1.14%,CK处理马铃薯产量下降最多,其次是SF处理,而FBC、FMC处理马铃薯产量分别提高1.60%、10.44%。而在2022年不同施肥处理对比中可知,FMC处理马铃薯产量最高,较其他处理分别显著提高12.27%～116.19%(图3)。

2.5 不同施肥模式对土壤微生物生物量的影响

连续不同施肥4年后,各处理土壤微生物生物量表现出显著差异(表2)。与CK处理相比,SF处理能够提高土壤真菌、放线菌生物量以及革兰氏阳性菌/阴性菌比值,降低土壤细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量以及细菌/真菌比值。而FB、FM、FBC、FMC处理能够提高土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量以及革兰氏阳性菌/阴性菌、细菌/真菌比值。在不同施肥处理对比中可知,FMC处理土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量以及革兰氏阳性菌/阴性菌、细菌/真菌比值均最高,较其他施肥处理分别提高4.70%～40.82%、6.04%～17.98%、6.24%～52.00%、3.39%～33.54%、4.00%～14.71%和11.06%～94.12%。其中,土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量以及革兰氏阳性菌/阴性菌、细菌/真菌比值均显著高于SF、FB、FM处理。土壤真菌生物量较其他施肥处理分别显著降低5.56%～27.50%。SF处理土壤真菌生物量显著高于其他处理。

表2 各处理土壤微生物生物量的变化

2.6 不同施肥模式对土壤微生物碳源利用能力的影响

由表3可知,不同施肥处理土壤微生物对各类碳源的利用能力有明显差异。与CK处理相比,各施肥处理土壤微生物均能够提高对糖类、酚类化合物的利用能力,降低对胺类化合物的利用能力,而对羧酸类、氨基酸类、聚合物类化合物的利用能力表现出不同的变化。其中,FMC处理土壤微生物对糖类、羧酸类、氨基酸类、酚类化合物的利用能力最强,较CK处理分别显著提高82.93%、15.07%、28.89%、48.48%,除与FM、FBC处理对羧酸类化合物的利用能力无显著差异外,均显著高于其他处理指标。对胺类化合物的利用能力最低,较CK处理显著降低41.18%;FB处理土壤微生物对聚合物类化合物的利用能力最强,较CK处理提高4.84%,显著高于SF、FM、FBC处理,而与CK、FMC处理相比无显著差异。

表3 各处理土壤微生物碳源利用能力的差异(AWCD值)

2.7 土壤微生物区系与土壤团聚体组成的多元分析

为分析土壤微生物群落代谢活性与土壤团聚体间的相关性,利用土壤微生物生物量、碳源利用能力与土壤团聚体组成进行冗余(RDA)分析。结果表明,图4能够分别在累积变量84.09%、66.62%水平上解释不同施肥模式下土壤微生物生物量、碳源利用能力受土壤团聚体组成影响的变化特征。假设性测验结果表明(pesudo-F=19.9,P=0.002;pesudo-F=7.5,P=0.002),土壤微生物代谢活动受土壤团聚体影响是极显著的(P<0.01)。其中,土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌数量以及革兰氏阳性菌/阴性菌比值、细菌/真菌比值与粒径0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm团聚体呈正相关,土壤微生物对糖类、羧酸类、氨基酸类、聚合物类、酚类化合物的利用能力也与粒径 0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm团聚体呈正相关,而与粒级<0.053 mm、0.053～<0.250 mm团聚体均呈负相关。可见,粒径0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm团聚体是影响土壤微生物类群以及碳源利用能力的主要因素。RDA分析结果表明,粒径≥2.000 mm团聚体(73.40%)、0.250～<2.000 mm 团聚体(49.40%)分别是影响土壤微生物生物量、碳源代谢能力的主要驱动因子。由此可知,化肥与生物有机肥/微生物菌肥及土壤调理剂配施不仅有利于大粒径团聚体的形成,对土壤微生物区系及功能稳定性的提高也有显著地影响。

2.8 土壤微生物区系与土壤理化性状的多元分析

为了进一步探究土壤微生物区系及代谢活性受多种因素共同影响,利用土壤微生物生物量、碳源利用能力与土壤理化性状进行RDA分析。结果表明, 图5能够分别在累积变量77.13%、 56.20%水平上解释不同施肥模式下土壤微生物生物量、碳源利用能力受土壤理化性状影响的变化特征。其中,土壤细菌、放线菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌数量以及革兰氏阳性菌/阴性菌比值、细菌/真菌比值与土壤容重、有机碳含量呈正相关,与土壤空隙度呈负相关。而土壤微生物对糖类、羧酸类、氨基酸类、酚类化合物的利用能力与土壤容重、有机碳含量呈正相关,与土壤孔隙度呈负相关。可见土壤容重、有机碳是影响土壤微生物主要类群以及碳源利用能力的主要因素。RDA分析结果表明,土壤容重(61.80%)、有机碳含量(39.60%)分别是影响土壤微生物生物量、碳源代谢能力的主要驱动因子。各处理点空间位置较为分散,说明土壤微生物生物量、碳源代谢能力对不同施肥模式会产生不同的响应。可见,化肥与微生物菌肥及土壤调理剂配施,不仅有利于土壤有机碳的累积,可能为土壤微生物代谢活动提供充足的能量及良好的生态环境。

3 结论与讨论

土壤团聚体稳定机制复杂,不仅受自然因素影响,还受土壤有机碳含量、微生物代谢活性等其他因素的影响[28]。其中,土壤有机碳是土壤团聚体形成过程中的主要胶结物质,而土壤团聚体又能影响着土壤有机碳的转化与分解[29-30]。有研究表明,增施有机肥能够通过自身腐解过程产生大量胶结物质,促进团聚体形成,从而影响土壤有机碳的累积[31];也有研究表明,合理施用土壤调理剂能够促进土壤团聚体形成,增加孔隙度,提高土壤肥力[32]。本研究结果表明,与不施肥或单施化肥相比,化肥减量配施有机肥能够促进粒径较大团聚体的形成,增加土壤有机碳含量的累积,提高土壤孔隙度,降低土壤容重。这与大多数人的研究结果[33-35]较为一致。而在配施有机肥所有处理对比中可知,化肥减量配施微生物菌肥和土壤调理剂处理改良土壤物理结构效果更加明显。分析认为,相比于生物有机肥,微生物菌肥能够通过自身携带的功能菌群提高土壤微生物代谢活性,增加微生物代谢产物,有利于促进土壤大粒径团聚体的形成[28]。而土壤调理剂通过自身膨大、分散、黏着性等特点,提高土壤空隙度,降低土壤容重[36],能够为土壤微生物提供良好的生存环境,有利于大颗粒团聚体的形成,从而提高土壤有机碳的累积。由此可知,化肥减量配施微生物菌肥和土壤调理剂能够改善土壤物理结构,提升土壤质量,促进马铃薯生长发育,提高马铃薯产量。

土壤微生物不仅在土壤养分转化和循环的过程中发挥重要作用,还能够以自身代谢活性促进土壤有机碳的转化与形成[37]。本研究结果表明,化肥减量配施微生物菌肥和土壤调理剂处理能够提高土壤细菌、放线菌生物量以及细菌/真菌比值、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值,降低真菌生物量,提高土壤微生物对糖类、羧酸类、氨基酸类、酚类化合物的利用能力。分析认为,土壤调理剂及微生物菌肥配施能够提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤微生态环境,从而提高某类微生物的代谢水平。而对各类碳源利用能力的差异有可能是外源有机物的施入,促进了以某类碳源为主的微生物代谢活性。土壤微生物代谢活性的提高,反过来作用于土壤团聚体与土壤有机碳的形成。RDA分析结果表明,土壤大粒径团聚体、有机碳含量、容重均是影响土壤微生物群落、碳源代谢能力的主要驱动因子。由此可知,化肥减量与生物有机肥/微生物菌肥及土壤调理剂配施不仅有利于大粒径团聚体形成与有机碳累积,还能够为土壤微生物代谢活动提供充足的能量及良好的生存环境。

与单施化肥或不施肥相比,化肥减量与有机肥配施能够促进大粒径团聚体形成与有机碳累积,提高土壤空隙度,降低土壤容重,提高马铃薯产量。其中,化肥减量与微生物菌肥及土壤调理剂配施处理表现最优;与其他处理相比,化肥减量配施微生物菌肥和土壤调理剂处理能够提高土壤细菌、放线菌生物量以及细菌/真菌比值、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌比值,降低真菌生物量,提高土壤微生物对糖类、羧酸类、氨基酸类、酚类化合物的利用能力;RDA分析表明,土壤微生物代谢活动受多种因子共同影响,其中土壤大粒径团聚体、有机碳含量、容重是主要驱动因子;由此可知,化肥减量与微生物菌肥及土壤调理剂配施对改善土壤物理结构,促进有机碳累积,提高土壤微生物活性具有较好的效果。