不同肥料对土壤性质影响的研究进展

李岩，张芮宁，刘志泰，张文杰，刘小花，胡展森，孙国文，李超*

（1.承德市农林科学院，河北承德 067000；2.沈阳师范大学生命科学学院，辽宁沈阳 110000；3.围场县行政审批局，河北围场 068450）

土壤是人类发展的重要依靠，也是植物生存的基础。进一步探究土壤的理化性质等对提高土壤使用效率至关重要。在植物的生长过程中需要5 个基本要素，即光能、热量、空气、水分和养分，除了光能外，其他的要素都与土壤有着密切的关系[1]。

肥料含有丰富的营养元素，对植株的生长有重要的作用，不仅能够为植株的生长发育提供充足的营养物质，保证植株的产量和果实的品质，还具有改善土壤结构，增加土壤肥力的作用，达到改善土壤环境的目的。常见的肥料种类分为有机肥、复合肥、有机-无机肥、菌肥等[2]。文中以微生物菌肥、碳基肥、硅肥为例，探究3 种肥料对土壤理化性质的改变，旨在为新型高效肥料产品在农田土壤改良中的推广应用提供参考。

1 微生物菌肥研究进展

微生物菌肥是根据土壤生态学、植物营养学和现代有机可持续发展农业为原理研制出来的生物肥料。它通过微生物活动的产物供给植物养分和调节植株生长，是一种集合了国内外最顶端的现代农业科技的肥料，是解决我国农业生产难题的一种新型生物肥料[3]。

1.1 微生物菌肥对植物生长的影响

微生物肥料的研究最早始于根瘤菌的研究。从最初接种根瘤菌开始，中国微生物肥料的应用和研究逐渐进入了一个稳定的时期。杨东敏等[4]研究发现，微生物菌肥可以显著改善土壤养分，降低土壤pH，不同的微生物菌肥具有不同的作用。在盐渍化严重的土壤中添加菌肥，不仅可以改善土壤，提高土壤肥力，还可以提高植物成活率。刘春燕等[5]研究表明，桃园施用微生物肥可提高0～40 cm土层的土壤质量。杨兰兰等[6]研究表明，有机肥对老苹果园的土壤具有较明显的改良效果，对0～20 cm 土层土壤的全氮、全磷和全钾含量分别提高了44.83%、20.99%和28.75%，对20～40 cm 土层的土壤也具有较好的改良效果。

1.2 微生物菌肥对土壤理化性质的影响

21 世纪以来，无机肥的过量施用严重影响了农业的可持续发展。为了减少肥料的施用量，微生物肥料研究的热潮逐渐兴起。菌肥能够降低土壤容重，提高总孔隙度和持水量。目前对微生物肥料功能菌种的研究主要集中在两类，一类是提高土壤肥力的菌种，另一类是具有抗病性和抗逆性功能的菌种。卢海潼等[7]在燕麦抽穗期、灌浆期和成熟期施用菌肥可提高土壤含水量，降低土壤容重，提高土壤总孔隙度。韦建玉等[8]研究表明，不同微生物肥料对土壤物理环境的影响不同，与其他菌肥相比，菌德丰能显著提高土壤总孔隙度，降低土壤容重。

1.3 微生物菌肥对酶的影响

土壤酶与土壤微生物关系密切，土壤微生物的活性影响土壤酶的活性。研究发现，添加微生物肥料可以显著提升土地中土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，同时第三季度土壤脲酶的活性也得到了大幅度提升。王超等[9]发现，通过使用微生物菌肥，可以提高土壤过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性，改善了冬瓜的生长条件，提高了冬瓜的品质。

2 碳基肥研究进展

碳基肥料以生物炭为肥效载体，将生物炭与无机肥结合使用，具有生物炭改良土壤的效果，同时避免了生物炭矿物养分含量不足的问题。主要高碳基肥是一种混合20%生物炭的碳基肥，由生物炭、天然矿物质肥、腐殖酸、微量元素等组成，具有养分释放缓慢的特点，符合当前可持续发展和创建循环经济的发展趋势。它的使用有助于延缓养分的释放，减少无机肥料的消耗，从而减少对自然环境的污染，改善土壤，促进作物的品质和产量。

从化学角度看，主要组成有C、H、O 等，从微观角度来看，烷基和芳香族结构是其主要结构，由多种复杂的含碳物质（纤维素、羧酸等衍生物、呋喃、吡喃、脱水糖、苯酚、烷烃及烯烃衍生物等）组成，这也是高碳基肥具有良好吸附特性的原因。

2.1 碳基肥对土壤理化性质的影响

碳基肥料中的生物炭通常呈弱碱性，常作为土壤添加剂用于改善土壤酸碱度。汪坤等[10]研究表明，花生壳生物炭和生物碳基改进剂的施用，提高了根际土壤pH。李文渊等[11]研究表明，生物炭改良剂可以提高土壤的持水能力和电导率。刘慧等[12]研究表明，生物炭可降低植烟土壤容重，改善土壤三相比，施用生物碳基肥料提高了肥料利用率，植烟土壤碱解氮含量较不施用生物碳基肥料增加，高碳基肥料增加了植烟土壤可溶性养分。生物碳基肥料具有缓释作用，这不仅可改变土壤结构和营养成分，也可以提升肥料的使用效率[13]。

2.2 碳基肥对土壤酶活性的影响

提高土壤酶活性可以提高土壤中营养元素的转化和利用效率。脲酶是对氮素转化起关键作用的酶，可以用其活性来表示土壤的供氮能力，蔗糖酶活性是反映土壤有机质积累和转化状况。土壤蔗糖酶、土壤淀粉酶和土壤纤维素酶活性与微生物数量、土壤呼吸强度有关。生物炭和炭基肥对土壤酶活性产生不同效应的原因可能与生物炭吸附酶促反应的底物或者结合位点有关。冯慧琳等[14]发现，生物炭可以提高烟草种植土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和中性磷酸酶的活性。然而，韩光明等[15]表明，随着生物炭的施用，土壤酸性磷酸酶活性增加，而过氧化氢酶和多酚氧化酶活性降低。

2.3 碳基肥对土壤微生物群落的影响

生物炭常先通过改变土壤的理化性质进而影响到微生物的生存环境，其次生物炭自身疏松多孔的结构也成为微生物的良好栖息地，它自身所携带的一些营养元素和微量元素也会被微生物直接利用。

马啸等[16]使用生物炭和土壤作为盆栽香蕉幼苗的基质，发现细菌、真菌、放线菌、氨化细菌和固氮细菌的数量都有不同程度的增加，根际微生物对碳源的利用能力也有所提高。王雪玉[17]发现，在结果期，生物炭的应用显著增加了黄瓜根系土中细菌种类的丰度，如生丝微菌科（Hyphomicrobiaceae）、红螺菌科（Rhodospirillaceae）、中华杆菌科（Sinobacteraceae）等。

土壤细菌群落对不同施肥处理的反应相对复杂。土壤细菌群落持续参与作物的生长阶段，放线菌也积极参与土壤非氮和含氮有机化合物的分解。这些微生物促进蛋白质物质的分解，进而改善土壤肥力。此外，真菌含有强大的复杂酶系统，并参与土壤有机质的分解过程。韩光明等发现，在种植菠菜的土壤上施用生物炭后，根际土壤中的细菌、真菌、放线菌、氨化细菌、好氧自生固氮菌及反硝化细菌均有不同程度增加。

3 硅肥研究进展

虽然硅不是所有作物都需要的营养元素，但其对禾本科作物的增产作用明显。试验表明，硅对玉米增产有明显的作用[18]，可使玉米根、茎、叶表面形成硅胶层，强化茎叶，使根系健康发育，从而防止病害侵袭，增强植物的抗病虫害和抗倒伏能力。硅化表皮细胞可使叶片挺直，有利于作物的光合作用，提高光合效率。硅能促进玉米生殖生长，提高玉米穗粒数和粒重，促进玉米早熟。钙是植物体细胞细胞壁的组成成分，是重要酶的激活剂，对促进植物代谢有一定作用。缺钙植株较矮，容易早衰，幼叶卷曲，叶尖出现“粘”现象，结实率降低。因此，施用钙可以增强作物抗性，促进作物生长，减少病虫害的发生，提高玉米产量[19-21]。

3.1 硅肥对酶的影响

硅可以有效提高植物的耐旱性，通过沉积增加植物叶片的厚度，从而减少蒸腾和水分损失，增加叶片的相对含水量。硅可以通过增加叶绿素含量来增强干旱胁迫下植物的光合强度，但气孔导度基本不受影响。硅可以提高POD 和CAT 酶的活性，降低MDA 活性提高干旱胁迫下植物的抗氧化能力。沉积硅还可以抵抗干旱引起的内部和外部渗透压的增加，从而在一定程度上抵抗干旱。曹逼力等[22]对干旱胁迫下番茄的研究表明，施用外源硅可以提高光合能力，增加生物量积累，已广泛应用于多种实践。人们普遍认为，硅可以在一定程度上缓解植物体内的重金属胁迫。但是普遍认为硅肥在土壤中容易失活，其生物有效性降低，因此研究新型高效的硅肥复合产品对于农田土壤重金属污染有着重要意义。

土壤微生物群落对金属胁迫敏感，常被用作重金属污染的重要指标。在重金属污染的土壤中，硅肥和生物炭的加入会改变土壤的理化性质。许多研究发现，在土壤中施用硅肥和生物炭可以有效地改变微生物种群的多样性和结构。研究指出生物炭可以降低土壤酶的活性，这可能是因为生物炭的加入直接影响了土壤微生物的活性，从而影响了酶的产生[21，23]。例如，添加生物炭会抑制过氧化氢酶、β-葡萄糖苷酶和蛋白酶的活性。然而，以往的研究表明，生物炭激活了土壤酶的活性，如脲酶、转化酶、脱氢酶和碱性磷酸酶。

3.2 对土壤微生物群落的影响

添加生物炭后，土壤中细菌、真菌和古细菌的群落组成都有不同程度的变化，硝化细菌和反硝化细菌的活性都有所提高。硅肥的施用提高了重金属污染土壤中细菌群落的丰度，为微生物提供了较好的生态环境。最新研究表明，硅肥的施用降低了重金属对土壤细菌群落结构的选择压力，促进了土壤细菌的丰富度[24]。然而，在硅肥和生物炭联合施用后，关于重金属污染土壤的生物学特性的信息很少。因此，推测在重金属污染的土壤中添加硅肥和生物炭后，土壤中微生物数量和结构将会发生改变，其原因可能是由于添加剂加入土壤后，土壤的物理化学性质发生了显著的变化（如土壤pH、EC 等），从而影响了重金属土壤中微生物群落的活性和群落结构[21，23]。

4 结果与展望

在植物生长的过程中离不开良好的土质，这就需要因地制宜地去选择相关的肥料，不同的肥料有着不同的作用，微生物菌肥可以有效降低土壤容重，提高总孔隙度，改善土壤相关酶活性；碳基肥主要成分生物炭，由于结构疏松多孔，可以有效提高肥料利用率，持续改善土壤的养分结构和比例；硅肥的利用在于土壤重金属相关治理。在今后选择肥料的过程中可以尝试不同肥料的配施，以此改善土壤，提高植株相关活性。因此，研究新型高效的复合肥料产品对于农田土壤的改良有着重要的意义。