商品有机肥对砂质潮土理化性状、冬小麦产量及养分积累的影响

徐春燕，张 倩，王雅娴，王红雨，盛 开，王宜伦

（1.河南农业大学 资源与环境学院，河南 郑州 450046；2.卫辉市农业农村局，河南 卫辉 453100）

黄淮海平原是我国重要的粮食主产区，冬小麦、夏玉米产量分别约占全国粮食总产的75%和35%[1]。砂质潮土是黄淮海平原典型的中低产田之一[2]，复种指数高、化肥不合理施用、水分管理不当[3-4]等原因导致砂质潮土有效耕层浅、结构性差、保水保肥性弱、生物多样性低等问题进一步加剧[5]，严重制约了砂质潮土作物产量提升和土壤可持续利用。

有机肥能够增加土壤有机质含量，提高土壤的吸收性、缓冲性、抗逆性，有利于土壤中养分的转化和循环。研究表明，偏施化肥不利于良好土壤团聚结构的形成，而有机无机肥料配施可提高土壤透气性、增加土壤养分固持量[6-7]。目前，传统有机肥在改良土壤理化性状、提高作物产量和品质等方面已有大量研究。孔祥旋等[8]发现，畜禽粪肥类有机肥施用能显著提高砂质潮土上当季小麦产量以及耕层土壤有机质、全氮、有效磷、有效钾含量和水分利用效率，同时可保持较长后效。ZHAO 等[9]研究发现，添加玉米和小麦秸秆等有机物料可显著提高土壤大团聚体的百分比，增加有机碳储量。李哲[10]研究发现，施用酒糟有机物料可显著提高高粱产量、土壤养分含量以及土壤胞外酶活性。尽管有机肥施用在中低产田地力提升、作物增产等方面具有明显的优势，但传统有机肥存在体积大、施用不便、腐熟不充分易烧苗、无害化处理缺乏等问题，而商品有机肥充分利用发酵技术及工艺，解决了普通有机肥易带病菌、腐熟水平低、物理性状差等问题，同时富含有机质和大量有益物质，可提高土壤结构稳定性、微生物活性和土壤肥力[11]。近年来，含生物炭类有机肥、微生物菌肥、腐植酸类有机肥等新型商品有机肥在农业生产中的应用已初见效果，而不同有机原料的商品有机肥在不同区域、土壤类型及作物上效果存在差异。目前，适宜砂质潮土、兼顾作物产量和地力提升的商品有机肥品种还未见报道。因此，拟以常规化肥为对照，通过分析不同商品有机肥（含炭有机无机复混肥、含菌复合肥、含菌有机肥、含炭有机肥、腐植酸有机肥）对冬小麦产量及构成因子、地上部养分积累量、土壤养分状况、土壤胞外酶活性的影响，探明适宜砂质潮土地力提升和作物增产的商品有机肥类型，为砂质潮土地区产能提升提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2021 年10 月至2022 年6 月于河南省新乡县朗公庙镇王府庄村（113°43'E、35°10'N）进行，该地属于温带大陆性季风气候，年平均气温和降水量分别为26.3 ℃、354.4 mm。供试土壤为潮土，种植制度为小麦-玉米轮作，供试土壤物理性黏粒占比8.64%、物理性砂粒占比91.36%，pH 值8.07，容重（0～20 cm）1.57 g/cm3，有机碳5.07 g/kg、全氮0.62 g/kg、铵态氮1.36 mg/kg、硝态氮8.75 mg/kg、速效磷5.92 mg/kg、速效钾64.00 mg/kg。

1.2 试验设计

试验共设6 个处理，养分投入如表1 所示。CK处理施用肥料为尿素、过磷酸钙、氯化钾，MO、BO、HA 处理施用对应的商品有机肥各1 500 kg/hm2，BC处理施用含炭有机无机复混肥600 kg/hm2，MC 处理施用含菌复合肥391 kg/hm2。各处理保持等氮量、等钾量投入。商品有机肥、磷肥、钾肥于播种前一次施入，氮肥基追比为5∶5，均于返青期追施尿素。供试冬小麦品种为豫农908，播种量为187.5 kg/hm2，小区面积40 m2。各处理4次重复，随机区组排列。上季玉米秸秆全量还田，灌溉、病虫草害防治及其他田间管理措施同当地种植习惯一致。供试肥料中，含菌复合肥（由解淀粉芽孢杆菌和胶冻样芽孢杆菌复配而成，有效活菌数≥0.2 亿个/g，N∶P2O5∶K2O=23∶14∶6）、含菌有机肥（由枯草芽孢杆菌和哈茨木霉菌复配而成，有效活菌数≥2亿个/g，有机质≥50%）均由河南心连心化学工业集团股份有限公司生产，含炭有机无机复混肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶10，总碳≥6%）由爱放牧生物质新材料有限公司生产，含炭有机肥（总碳≥20%、有机质≥45%）由河南惠农土质保育研发有限公司生产，腐植酸有机肥（腐植酸≥25%、黄腐酸≥5%、有机质≥45%）由乌鲁木齐市黑色生态科技有限公司生产。上述5种商品有机肥病原菌、重金属等指标符合有机肥料标准《有机肥料》（NY/T 525—2021）。供试化学氮、磷、钾肥分别为尿素（N，46%）、过磷酸钙（P2O5，12%）、氯化钾（K2O，60%）。

表1 各处理N-P2O5-K2O投入情况Tab.1 Input of N-P2O5-K2O of each treatment kg/hm2

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品的采集与分析 于小麦成熟期采用五点取样法采集耕层（0～20 cm）土壤样品，同时采用环刀法测定土壤容重。经过风干、过筛后，土水比1∶2.5 测定土壤pH 值，采用重铬酸钾容量法-外加热法测定土壤有机碳含量，采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，采用氯化钾浸提-靛酚蓝比色法测定铵态氮含量，采用双波长分光光度法测定硝态氮含量，采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法测定土壤速效磷含量，采用醋酸铵浸提-火焰光度法测定土壤速效钾含量[12]。

采集原状土壤样品装入硬质塑料盒内，以保持原有结构。采用湿筛法分析土壤团聚体组成，具体方法：首先在团聚体分析仪套筛顶部放置50 g 鲜土，然后将2、0.25、0.053 mm 3种孔径的套筛自上而下依次排列，之后沿桶壁加入去离子水，对土样进行浸泡20 min 后垂直振荡20 min，振动频率为25次/min、振幅为8 cm，最终将留在筛子上的土壤冲洗到铝盒中，60 ℃下烘干称质量[13]。

采用荧光微型板酶检测技术和多功能酶标仪（SCIENTIFIC FLUOROSKAN ASCENT FL，美 国Thermo公司）测定土壤α-葡糖苷酶（αG）、β-葡糖苷酶（βG）、β-纤维二糖苷酶（CBH）、β-木糖苷酶（XYL）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、磷酸酯酶（AP）活性。具体操作：称取相当于1.0 g 干土的新鲜土壤样品，加入50 mmol/L醋酸盐缓冲液（预先调至供试土壤pH 值）100 mL 涡旋混匀，加样过程中使用磁力搅拌器搅拌以维持土壤悬浊液的均匀度。将缓冲液、土壤样品悬浊液、10 μmol/L 标准底物和200 μmol/L 相应酶荧光底物按照一定体积和顺序加入到黑色的96孔酶标板中，于25 ℃避光培养4 h，上机前加入10 μL 1.0 mol/L氢氧化钠溶液终止反应，随即在激发波长为365 nm、发射波长为450 nm 的条件下测定各孔吸光值，计算各胞外酶活性[14]。

1.3.2 冬小麦产量与养分积累量测定 于小麦成熟期在代表性小区选取3 个1 m2样方，以14%含水量折算作为产量。同时采集3 个0.3 m2样方，调查测定小麦穗数、穗粒数和千粒质量。秸秆与穗分离后，在105 ℃杀青30 min，65 ℃烘干至恒定质量，将秸秆与籽粒样品粉碎后，采用浓H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法测定全氮含量，钼蓝比色法测定全磷含量，火焰光度计法测定全钾含量[12]。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2021、SPSS 21.0 和Origin 2021 进行数据统计、显著性检验（LSD法）和图表绘制，采用Spearman相关系数法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 商品有机肥对砂质潮土冬小麦产量及其构成因子的影响

由表2 可知，与CK 处理相比，各商品有机肥处理显著提高冬小麦产量24.6%～49.7%。其中，BC 和BO 处理增产效果较好，分别显著增产49.7%、43.8%。BC 处理穗数及千粒质量分别显著提高16.6%、4.4%，BO 处理穗数及千粒质量分别显著提高13.4%、10.3%。HA 处理显著提高冬小麦穗数12.3%，冬小麦显著增产27.2%。MC、MO 处理可提高冬小麦穗数、千粒质量，但未达显著水平。可见，各商品有机肥处理尤其是BC、BO 处理主要通过增加穗数和千粒质量实现冬小麦显著增产。

表2 商品有机肥对砂质潮土冬小麦产量及其构成因子的影响Tab.2 Effect of commercial organic fertilizer on the yield and component factors of winter wheat in sandy fluvo-aquic soil

2.2 商品有机肥对砂质潮土冬小麦养分积累量的影响

由图1 可知，与CK 处理相比，BC、BO、HA 处理可显著提高冬小麦地上部氮、磷、钾积累量。其中，以BC 处理效果最好，BO 处理次之，BC 处理地上部氮、磷、钾积累量分别显著提高44.6%、43.1%、54.4%，BO处理分别显著提高24.8%、33.5%、45.5%。MC 处理显著提高冬小麦地上部氮、磷积累量21.7%、22.5%，MO 处理显著提高地上部磷、钾积累量10.1%、6.2%。

图1 商品有机肥对砂质潮土冬小麦成熟期籽粒和秸秆养分积累量的影响Fig.1 Effect of commercial organic fertilizer on grain and straw nutrient accumulation of winter wheat at maturity in sandy fluvo-aquic soil

2.3 商品有机肥对砂质潮土土壤容重和团聚体占比的影响

由图2 可知，与CK 处理相比，MO、BO、HA 处理分别显著降低0～10 cm 土壤容重5.6%、5.6%、4.9%，BC、MC 处理对0～10 cm 土壤容重降低效果不显著。施用商品有机肥对10～20 cm 土壤容重无显著影响。由图3 可知，与CK 处理相比，BC 和BO 处理能够提高＞2 mm、0.25～2 mm团聚体占比，降低0.053～0.25 mm团聚体占比。其中，BC 分别显著提高＞2 mm、0.25～2 mm 团聚体占比26.5%、102.3%，BO 则显著提高0.25～2 mm 团聚体占比148.2%。MC 处理显著提高0.25～2 mm 团聚体占比40.8%。此外，MO 和HA 处理仅提高了0.053～0.25 mm团聚体占比。可见，含炭类有机肥BC 和BO 处理更有利于促进＞0.25 mm 团聚体的形成。

图2 商品有机肥对砂质潮土土壤容重的影响Fig.2 Effect of commercial organic fertilizer on soil bulk density of sandy fluvo-aquic soil

图3 商品有机肥对砂质潮土土壤团聚体占比的影响Fig.3 Effect of commercial organic fertilizer on the proportion of aggregates in sandy fluvo-aquic soil

2.4 商品有机肥对砂质潮土土壤养分的影响

由表3 可知，施用商品有机肥降低了砂质潮土耕层土壤pH 值。其中，BO 和HA 处理降低效果显著。BC、MC、BO、HA 处理分别显著提高有机碳和速效钾含量33.1%～44.8%、10.8%～16.7%，BC 处理最优。MO 处理显著提高铵态氮含量71.8%，BO 处理还显著提高速效磷含量31.5%。各商品有机肥处理对全氮、硝态氮含量影响较小。

表3 商品有机肥对砂质潮土土壤养分的影响Tab.3 Effect of commercial organic fertilizer on soil nutrients in sandy fluvo-aquic soil

2.5 商品有机肥对砂质潮土土壤胞外酶活性的影响

由图4 可知，与CK 处理相比，BC 和BO 处理显著提高了αG、CBH、XYL、LAP、AP 活性，HA 处理显著提高了AP 活性，MC 处理显著提高了CBH、XYL活性，MO 处理对土壤各胞外酶活性无显著影响。对冬小麦产量、养分积累量、土壤理化性状、胞外酶活性进行相关性分析，结果如图5 所示。冬小麦产量、籽粒磷积累量、籽粒钾积累量、秸秆氮积累量、秸秆钾积累量、有机碳含量、速效钾含量均与XYL和AP 活性呈显著或极显著正相关关系或在0.001水平上相关，籽粒氮积累量与NAG活性呈显著正相关关系（P＜0.05），土壤全氮含量与αG、CBH 活性呈显著正相关关系（P＜0.05）。可见，施用商品有机肥影响了土壤胞外酶活性，并促进了土壤养分转化及冬小麦地上部养分积累，最终实现冬小麦产量提升。

图4 商品有机肥对砂质潮土土壤胞外酶活性的影响Fig.4 Effect of commercial organic fertilizer on extracellular enzyme activity in sandy fluvo-aquic soil

图5 冬小麦产量、养分积累量与砂质潮土土壤理化性状及胞外酶活性的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of winter wheat yield and nutrient accumulation with soil physicochemical properties and extracellular enzyme activity in sandy fluvo-aquic soil

3 结论与讨论

本研究中，施用含炭类有机肥对冬小麦增产及养分积累效果较好，其中含炭有机无机复混肥和含炭有机肥分别显著增产49.7%、43.8%。施用含炭类有机肥可以提高土壤速效养分含量，加速土壤碳氮转化[15-16]。本研究中，施用含炭类有机肥后可提高土壤各养分含量，其中有机碳、速效钾含量提高显著。这可能是因为生物炭施用后增加了土壤碳源，且由于生物炭对营养元素具有较强吸附作用，与有机肥配施后能有效降低氮磷钾等营养元素的淋失概率，提高了土壤的保水保肥能力[17]。本研究中，土壤全氮含量与α-葡糖苷酶和β-纤维二糖苷酶活性呈显著正相关关系，有机碳含量与β-木糖苷酶活性呈显著正相关关系，与磷酸酯酶活性呈极显著正相关关系。可见，施用含炭类有机肥提高了碳、氮、磷循环相关胞外酶活性，实现了土壤养分供应和养分保持[18-19]。研究表明，生物炭是一类比表面积大、疏松多孔的富碳物质，施用生物炭可带来大量碳源，促进土壤微生物活性增加，而土壤微生物又可以通过分泌的多聚物胶结土壤颗粒，从而促进团聚体的形成[20-27]。本研究中，含炭有机无机复混肥和含炭有机肥处理显著提高了砂质潮土中＞0.25 mm 团聚体占比。

本研究中，施用腐植酸有机肥对冬小麦增产及养分积累效果仅次于含炭类有机肥，腐植酸有机肥施用下冬小麦地上部养分积累量显著提高，增产率达27.2%，这与马红梅等[28]的研究结果相似。本研究结果表明，施用腐植酸有机肥可显著提高土壤速效钾含量，这可能是因为腐植酸具有较大的比表面积，能够吸附土壤溶液中的钾离子，减少了钾的流失与固定[29]。本研究中，施用腐植酸有机肥可提高铵态氮、硝态氮含量，这可能是由于腐植酸配施尿素后，腐植酸分子中丰富的活性官能团与尿素生成了络合物，对氮起到了缓释增效作用[30]。

在配施化肥条件下，促腐菌剂在腐解有机物料、释放养分的同时可通过刺激有机质分解功能菌群生长和增强土壤酶活性[31-32]，有效提高土壤有机质及速效养分含量，这与本研究中含菌复合肥施用后显著提高土壤有机碳含量及β-纤维二糖苷酶、β-木糖苷酶活性的结果相一致。2种菌肥对土壤速效磷和速效钾含量均有提高，这可能是由于其含有的芽孢杆菌具有解磷和解钾功能。目前，已有大量具有解磷和解钾功能的芽孢杆菌从土壤中被筛选出来，且证实被添加到土壤中能够显著提高土壤速效磷和速效钾含量[33]。但与含炭类有机肥和腐植酸有机肥相比，菌肥对冬小麦增产及养分积累效果略差，对土壤理化性状及胞外酶活性的提升效果一般，这可能与砂质潮土保水、保肥、温度缓冲性能差，不利于菌肥中微生物定殖有关。

有机肥施用可有效提高冬小麦产量和土壤肥力水平，是砂质潮土改良的重要途径。本研究中的含炭有机无机复混肥和含炭有机肥较单施化肥在提高砂质潮土土壤有机碳含量、速效钾含量、胞外酶活性及土壤中＞0.25 mm 团聚体占比，降低0～10 cm 土壤容重，促进冬小麦地上部养分积累方面效果更好，可实现冬小麦显著增产49.7%、43.8%，是供试砂质潮土适宜的商品有机肥。