长期添加外源不同有机物对土壤性状和甘薯产量的影响

秦广利　陈玉琴　崔保伟

摘要：为了探究添加外源有机物对土壤性状、甘薯生长发育的影响，在2019—2022年通过田间定点试验，设置氮磷钾肥单施+秸秆不还田（CK）处理、氮磷钾肥单施+秸秆还田（T1）处理、50%氮磷钾肥配施生物有机肥+秸秆还田（T2）处理、50%氮磷钾肥配施羊粪+秸秆还田（T3）处理、50%氮磷钾肥配施基质+秸秆还田（T4）处理5个处理，研究化肥添加外源有机物对土壤养分、酶活性、容重、孔隙度、含水量、团聚体分布及稳定性和鲜薯产量、淀粉率变化的影响。结果表明，与CK相比，化肥添加不同外源有机物的处理不仅能够提高土壤养分含量、酶活性、鲜薯产量及薯块淀粉率，还能够降低土壤容重、提高土壤孔隙度与含水量、提高大团聚体质量分数、提升团聚体稳定性。而化肥添加外源有机物的对比试验结果表明，T2处理能够明显提高土壤碱解氮、速效磷、全氮、全磷含量及土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性；T3处理能够提高土壤速效钾、有机质含量及蔗糖酶活性；T4处理能够提高土壤孔隙度与含水量。此外，T4处理能够提高＞2.000 mm粒径团聚体质量分数，而T1处理能够提高0.250～2.000 mm粒径团聚体质量分数。T4处理土壤团聚体的平均质量直径分别较T1、T3处理显著提高9.04%、6.99%，几何質量直径分别较T1、T2、T3处理显著提高15.05%、5.94%、10.88%。鲜薯产量表现为T2＞T3＞T1＞T4，薯块淀粉率表现为T3＞T2＞T4＞T1。相关性分析结果表明，鲜薯产量及薯块淀粉率的变化与土壤酶活性、土壤结构变化密切相关。综上所述，化肥添加外源有机物能够提高土壤养分含量、酶活性，改善土壤结构，提升土壤团聚体稳定性，提高鲜薯产量及薯块淀粉率。

关键词：外源有机物；甘薯；土壤养分；酶活性；团聚体

中图分类号：S531.06；S152.3；S154.2文献标志码：A文章编号：1002-1302（2023）17-0098-07

化肥是现代农业粮食、经济等作物增产的有效途径，在保障我国粮食安全中担当重要角色［1］。然而，近年来过度施用化肥不仅造成资源浪费、环境污染，还造成土壤养分不均、生物学活性降低、土壤板结等问题，化肥对粮食的单产贡献率逐年降低［2-3］。为了实现农业的绿色可持续发展，原国家农业部于2015年提出《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，因此，研究化肥减量增效成为实现化肥使用量零增长目标的重要方向［4］。

河南省是我国小麦生产主产区，其种植面积、产量及总产量均居我国首位［5］。河南省大部分地区的作物均为一年两熟，冬季主要种植小麦，夏季搭配其他作物［6］。近年来，随着人们对食品安全要求的提高以及甘薯产业的良好发展，夏季甘薯种植面积逐年增加［7］。然而，由于甘薯是忌连作作物，常年或多年连续种植会造成病虫害频发、土壤养分不均、菌群失调、结构失衡等问题［8-11］。有研究者提出：改变种植制度或施肥调控是解决作物连作障碍的有效途径［12-14］。但是，由于甘薯轮作倒茬调理土壤状况需要较长时间，不利于甘薯生产及产业发展，因此大多数种植户往往选择增施化肥来抵消连作障碍造成的负面影响。但是，长期大量施用化肥会对土壤结构、养分均衡及生物学活性造成较大影响［15-17］。而有研究结果表明，与单施化肥相比，合理的化肥减量+增施有机物料不仅能提升肥料利用率、提高土壤养分含量及酶活性，还能够改善土壤结构，促进作物根系对养分的吸收与利用，从而有利于作物生长发育［18-20］。

有机物料作为天然的土壤调理剂，主要来源于植物或动物废弃物，施入土壤中能够改善土壤结构、增加土壤有机质含量及调节土壤养分释放速率，使养分持续稳定地供应［21-22］。我国是世界上最大的农业废弃物生产国，由于人们观念落后及对农业废弃物用途的了解不够，往往通过焚烧或丢弃进行处理，不仅浪费自然资源，还破坏了生态环境［23-24］。因此，有机物料还田对农业可持续发展具有重要意义。目前大多数人的研究主要集中在单一有机物料还田对土壤有机碳含量、酶活性等方面的影响，且研究结果差异较大［25-27］。探究多种有机物料还田对土壤养分、酶活性、团聚体、土壤结构及其相关性影响的研究相对较少，关于甘薯方面的研究更是少见。因此，本研究通过分析化肥减量添加不同有机物对甘薯与小麦连作田土壤养分、酶活性、容重、孔隙度、含水量、团聚体分布及稳定性和鲜薯产量、淀粉率变化的影响，预测农业有机物料还田应用投入的可能性，旨在为农业废弃物的合理还田提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于河南省商丘市睢阳区冯桥镇李楼村（116°43′7″E，39°28′13″N），该地平均海拔为 53 m，属典型的大陆性季风气候，年平均气温 14.2 ℃，年平均降水量700 mm，年平均日照时数 1 944 h，无霜期211 d。供试土壤类型为黄潮土，土质为二合土，试验前基础土壤（0～20 cm）肥力：碱解氮含量43.85 mg/kg，速效磷含量53.21 mg/kg，速效钾含量135.58 mg/kg，全氮含量0.95 g/kg，全磷含量 0.74 g/kg，有机质含量10.65 g/kg，pH值8.13。

1.2 试验材料

供试甘薯品种为商薯19，由河南省商丘市农林科学院育种；供试小麦品种为周麦18，由河南省周口市农业科学院育种。供试氮磷钾肥为复合肥料（N、P2O5、K2O含量分别为10%、10%、20%），由河南彤丰肥业有限公司生产；供试生物有机肥养分含量为2.98%N、1.26%P2O5、1.94%K2O、40.53%有机质，有效活菌数≥0.2亿CFU/g，由内蒙古二连浩特市沃土地有机肥业有限公司生产；供试羊粪养分含量为1.45%N、0.89%P2O5、1.12%K2O、22.47%有机质，购买自附近养殖户；供试基质养分含量为1.53%N、1.46%P2O5、0.91%K2O、18.96%有机质，购买于附近市场。

1.3 试验设计

试验于2019年6月15日至2022年10月15日进行，采用随机区组设计，共设如下5个处理：氮磷钾肥单施+秸秆不还田（CK）、氮磷钾肥单施+秸秆还田（T1）、50%氮磷钾肥配施生物有机肥+秸秆还田（T2）、50%氮磷钾肥配施羊粪+秸秆还田（T3）、50%氮磷钾肥配施基质+秸秆还田（T4）。每个处理重复3次，小区面积124.8 m2，试验采用甘薯—小麦轮作种植，甘薯季进行不同施肥处理，小麦季施肥一致。甘薯生育期为6月15日至10月10日，甘薯株行距为26.6 cm×80 cm，氮磷钾肥、生物有机肥、羊粪、基质的施用量分别为750 、675、7 500、15 000 kg/hm2。以70%氮肥作基肥，30%氮肥作追肥，在薯蔓同长期进行追肥，其他有机物均作为基肥施入。小麦生育期为10月15日至6月10日，种植密度、施肥措施等均参照当地农民习惯，不作特殊处理。甘薯、小麦秸秆均通过机械在收获时直接还田。

1.4 样品的采集

于2022年10月15日采集土壤样品。借助螺旋土钻，用“S”形取样法采集0～20 cm土层的新鲜土样，挑出较大根系、石砾后带回实验室。将样品分成2个部分，一部分用于土壤养分含量、酶活性的测定；一部分用于土壤团聚体结构的测定。另外，每个小区通过环刀法采集3处0～20 cm土层样品，用于土壤容重、孔隙度的测定。

1.5 测试项目与方法

1.5.1 土壤理化性状测定方法 土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定，土壤速效磷含量采用碳酸氢钠法测定，土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定，土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定，土壤全磷含量采用高氯酸-硫酸法测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定，土壤pH值采用水土法测定［28］。

1.5.2 土壤酶活性的测定 土壤脲酶活性采用苯酚钠比色法测定，土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法［29］测定。

1.5.3 土壤容重、孔隙度与含水量的测定 土壤容重、孔隙度和含水量均采用环刀法测定，其中，土壤孔隙度=1-容重/2.65 ［28］。

1.5.4 土壤團聚体含量的测定 土壤团聚体含量采用湿筛法测定。将一定量的风干土样通过2.000、0.250、0.053 mm套筛后静置2～3 min，称取各筛面上的团聚体质量，用于团聚体结构、稳定性指标的计算。其中，直径＞0.25 mm的团聚体称为大团聚体，直径＜0.25 mm的团聚体为微团聚体［30］。

1.5.5 甘薯产量及淀粉率的测定 在2022年甘薯收获时测定小区内全部面积的甘薯产量，并折算成单位面积（1 hm2）产量。淀粉率采用烘干法测定，计算公式：淀粉率=（干物率×0.869 45-6.345 70）×100%。

1.6 计算公式

土壤团聚体稳定性的测定指标主要有平均质量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）［31］，计算公式如下：

式中：X[TX-]i为i粒级团聚体平均直径；Wi为i粒级团聚体质量所占比例；Mi为i粒级团聚体质量。

1.7 数据处理

用WPS Office进行数据计算、分析与图表制作，用DPS 9.50进行方差分析与相关性分析，用Canoco 5.0进行不同处理间土壤肥力与土壤结构的冗余分析（RDA）与作图。

2 结果与分析

2.1 土壤养分含量及pH值的变化

由表1可知，在化肥添加不同外源有机物条件下，土壤养分含量和pH值存在明显差异。与CK相比，化肥添加外源有机物能够明显提高土壤养分含量，降低土壤pH值。其中，T2处理土壤碱解氮、速效磷、全氮、全磷含量均高于其他处理，其中土壤碱解氮含量分别较T1、T4处理显著提高5.23%、9.15%，土壤全氮、全磷含量分别较T4处理显著提高5.38%、5.41%。T3处理能够提高土壤速效钾、有机质含量。其中土壤速效钾、有机质含量分别较T4处理显著提高5.25%、5.74%。T2处理的土壤速效钾、有机质含量仅次于T3处理，且与T3处理相比均无显著差异。在不同化肥添加外源有机物处理下，土壤pH值均比CK有不同程度的降低，但无显著差异。由此可知，化肥添加不同外源有机物处理能够明显影响土壤养分和pH值的变化。

2.2 土壤酶活性的变化

由表2可知，化肥添加不同外源有机物对土壤酶活性变化有较大影响。与CK相比，化肥添加外源有机物能够明显提高土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性。T2处理土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性高于其他处理。其中，土壤脲酶较T1、T4处理分别显著提高7.26%、9.92%；土壤过氧化氢酶较T1、T4处理分别显著提高9.18%、8.08%；碱性磷酸酶较其他化肥添加外源有机物处理显著提高6.98%～11.52%；T3处理土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性仅次于T2处理。T3处理土壤蔗糖酶活性较其他化肥添加外源有机物处理显著提高7.48%～13.40%，T2处理蔗糖酶活性显著高于T1处理。由此可知，化肥添加不同外源有机物处理能够明显提高土壤酶活性。

2.3 土壤容重、孔隙度和含水量变化

由图1可知，在化肥添加不同外源有机物处理下，土壤容重、孔隙度及含水量差异较大。与CK相比，化肥添加外源有机物能够明显降低土壤容重，其中T2、T4处理的土壤容重分别较CK降低了4.87%、6.25%。T4处理的土壤容重最低，但与其他化肥添加外源有机物处理相比均无显著差异。与CK相比，化肥添加外源有机物能够提高土壤孔隙度、含水量。其中，T4处理能够提高土壤孔隙度、含水量，T4处理的土壤孔隙度与其他化肥添加外源有机物处理相比均无显著差异，含水量较T1处理显著提高了8.27%，且T2、T3处理的含水量显著高于T1处理。由此可见，化肥添加不同外源有机物处理对土壤容重、孔隙度及含水量变化产生较大影响。

2.4 土壤团聚体结构分布的变化

由表3可知，化肥添加不同外源有機物对土壤团聚体结构分布变化的影响较大。与CK相比，化肥添加外源有机物能够提高＞2.000 mm粒径、0.053～0.250 mm粒径团聚体质量分数，降低0.053～0.250 mm粒径、＜0.053 mm粒径团聚体质量分数。T4处理能够提高＞2.000 mm粒径团聚体质量分数，降低0.053～0.250 mm粒径团聚体质量分数，其中＞2.000 mm粒径团聚体质量分数较T1处理显著提高了5.90%，T3处理其次，0.053～0.250 mm粒径团聚体质量分数分别较T1、T3处理显著降低了21.38%、14.33%，T2处理其次。T1处理能够提高0.250～2.000 mm粒径团聚体的质量分数，较T3处理显著提高5.46%，T2处理的提高效果次之。T2处理能够降低＜0.053 mm粒径团聚体的质量分数，分别较T1、T4处理显著降低14.59%、5.93%，T3处理其次。整体来看，＞2.000 mm粒径（55.65%～59.61%）为团聚体的主要组成部分，其次是0.250～2.000 mm粒径（28.07%～29.96%），0.053～0.250 mm粒径（5.26%～7.82%）、＜0.053 mm 粒径（6.03%～8.46%）的质量分数均较低。由此可知，化肥添加外源有机物能够提高土壤大团聚体的质量分数，降低微团聚体的质量分数。

2.5 土壤团聚体稳定性的变化

由图2可知，化肥添加不同外源有机物条件下的土壤团聚体稳定性变化较大。与CK相比，化肥添加不同外源有机物能够提高土壤团聚体的平均质量直径、几何质量直径。其中，T4处理能够提高土壤团聚体平均质量直径、几何质量直径，其中土壤团聚体平均质量直径分别较T1、T3处理显著提高了9.04%、6.99%，T2处理其次，而与其他化肥添加外源有机物处理相比均无显著差异；T4处理的土壤团聚体几何质量直径分别较T1、T2、T3处理显著提高了15.05%、5.94%、10.88%，T2处理其次， 且显著高于T1处理。由此可见，化肥添加不同外源有机物处理能够提高土壤团聚体的稳定性。

2.6 甘薯产量及薯块淀粉率的变化

由图3可知，在化肥添加不同外源有机物条件下，鲜薯产量及淀粉率变化较大。与CK相比，化肥添加不同外源有机物处理能够提高鲜薯产量、薯块淀粉率。其中，T2处理能够显著提高鲜薯产量，分别较T1、T3、T4处理显著提高了15.85%、6.04%、19.48%，T3处理其次，且显著高于T1、T4处理。整体上看，鲜薯产量表现为T2＞T3＞T1＞T4。T3处理能够提高薯块淀粉率，分别较T1、T4处理显著提高了7.77%、5.53%，T2处理其次，且显著高于T1、T4处理。整体上看，薯块淀粉率表现为 T3＞T2＞T4＞T1。由此可见，化肥添加不同外源有机物处理能够提高鲜薯产量及薯块淀粉率。

2.7 相关性分析

鲜薯产量、薯块淀粉率与土壤酶活性及容重、孔隙度间存在一定的相关关系。由表4可知，鲜薯产量与土壤脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶活性呈极显著（P<0.01）正相关关系，与土壤蔗糖酶活性、孔隙度呈正相关关系，与土壤容重呈负相关关系；薯块淀粉率与土壤过氧化氢酶活性呈极显著（P<0.01）正相关关系，与土壤脲酶活性、孔隙度呈显著（P<0.05）正相关关系，与土壤碱性磷酸酶活性呈正相关关系，与土壤容重呈负相关关系。由此可知，鲜薯产量、薯块淀粉率的变化与土壤酶活性及容重、孔隙度变化密切相关。化肥添加外源有机物可通过提高土壤酶活性、改善土壤结构促进甘薯生长发育，进而提高鲜薯产量与淀粉率。

为了进一步分析土壤生物学活性与土壤结构的相关性，通过土壤酶活性与土壤团聚体稳定性、容重、孔隙度及含水量进行冗余分析。由图4可以看出，排序轴1与排序轴2能够在累积变量85.42%的水平上解释化肥添加外源有机物条件下土壤酶活性与土壤结构间的相互关系，其中土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶活性与土壤团聚体几何平均直径、平均质量直径、孔隙度、含水量呈正相关关系，而与土壤容重呈负相关关系。团聚体几何平均直径（63.10%）是影响土壤酶活性的主要因子。由此可知，土壤酶活性变化与土壤结构变化密切相关，其中化肥添加外源有机物可通过提高土壤团聚体稳定性，改善土壤物理结构来提高土壤酶活性。

3 讨论与结论

土壤养分含量能够显著影响作物根系对养分的吸收与利用，而土壤酶是土壤养分转化和循环的主要驱动力，是表征土壤质量的重要指标［32］。有研究发现，有机物料还田能够增加土壤有机质含量，提升土壤肥力，提高土壤酶活性［33-35］。但是，有机物种类繁多、成分复杂，不同有机物还田能够对土壤肥力与土壤环境造成不确定的影响，需要进一步研究［36］。本研究结果表明，与单施氮磷钾肥（CK）相比，无机肥与有机物配施能够提高土壤养分含量、土壤酶活性，降低土壤pH值。这与李春喜等的研究结果［27］较为一致。有分析认为，化肥减量与秸秆或有机物料配施能够调节土壤C/N值，促进土壤中难溶养分分解与利用，并且有机物料含有丰富的有机质和营养成分，还田后能够增加土壤肥力。而有机物料中丰富的碳源能够满足土壤中以此类碳源为基质的微生物代谢活性，能够提高养分转化与利用效率，进而提高土壤相关酶活性。与氮磷钾肥单施+秸秆还田（T1）处理相比，在50%氮磷钾肥配施生物有机肥+秸秆还田（T2）处理下，土壤各养分含量均有不同程度的提高，50%氮磷钾肥配施羊粪+秸秆还田（T3）处理的土壤各养分含量表现出不同的变化趋势，50%氮磷钾肥配施基质+秸秆还田（T4）处理的土壤各养分含量均降低。T3、T4处理的土壤各养分含量没有表现出优势。分析认为，出现上述现象有可能与羊粪或基质中养分含量较低有关，也有可能与其养分释放速率、释放程度有关，羊粪或基质在改良土壤理化性质方面带来的积极效应不足以抵消氮磷钾肥减量的负面影响，从而未表现出明显优势。

土壤团聚体结构能够决定土壤孔隙的分布与稳定性，其结构变化对土壤容重、孔隙度及含水量的變化均具有显著影响［36］。有研究发现，有机物料还田能够改善土壤结构，增加土壤团聚体的团聚性，提高土壤团聚体稳定性［37-38］。本研究结果表明，与CK相比，化肥添加不同有机物不仅能够提高土壤孔隙度和含水量、降低土壤容重，还能提高大团聚体质量分数及团聚体稳定性。这与李传哲等的研究结果［39-40］较为一致。这是因为有机物料含有丰富的多孔物质和较大的比表面积，施入土壤中能够吸附较小颗粒并形成大粒径团聚体，从而提高土壤孔隙度，降低土壤容重。而与T1处理相比，T2、T3、T4处理在土壤容重、孔隙度、含水量及团聚体方面的变化与CK相同。分析认为，生物有机肥或羊粪或基质中含有丰富的有机质和其他矿质养分，施入土壤中后能够增加土壤胶结物质含量，且丰富的碳源基质能够提高土壤微生物代谢活性，并通过菌丝的缠绕作用凝结较小团聚体形成大粒径团聚体，进而在容重、孔隙度、含水量方面表现出明显优势。

本研究结果表明，与CK相比，化肥添加不同有机物的处理能够提高鲜薯产量与薯块淀粉率。分析认为，秸秆或有机物料还田后能够改善土壤理化性质和物理结构，促进甘薯根系对土壤养分的吸收与利用，从而促进植株生长发育，提高叶片光合作用，增加光合产物累积，进而提高鲜薯产量与薯块淀粉率。相关性分析结果表明，甘薯生长发育与土壤酶活性、土壤结构变化密切相关，其中化肥添加外源有机物可通过提高土壤团聚体稳定性、改善土壤物理结构来提高土壤酶活性和养分转化速率，进而促进植株生长发育，提高鲜薯产量与薯块淀粉率。综上所述，与单施氮磷钾肥相比，化肥添加外源有机物能够提高土壤养分含量、酶活性，改善土壤结构，提升土壤团聚体稳定性，提高鲜薯产量及薯块淀粉率。

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收稿日期：2023-04-20

基金项目：河南省软科学研究计划（编号：222400410551）；河南省高等学校重点科研项目（编号：23B210010）；河南省高校人文社会科学研究一般项目（编号：2023-ZDJH-257）。

作者简介：秦广利（1979—），女，河南商丘人，硕士，副教授，主要从事微生物专业教学与科研工作。E-mail：sqzyqgl@163.com。

通信作者：陈玉琴，硕士，副教授，主要从事土壤改良方面的研究。E-mail：yqc0714@126.com。