化肥减量配施生物有机肥对玉米生长及土壤微生物和酶活性的影响*

Effects of Reduced Chemical Fertilizer with Application of Bio-Organic Fertilizer on Maize Growth, Microorganism and Enzyme Activities in Soil

宋以玲 Yiling SONG , 于建 Jian YU , 陈士更 Shigeng CHEN , 肖承泽 Chengze XIAO , 李玉环 Yuhuan LI , 苏秀荣 Xiurong SU , 丁方军 Fangjun DING

1 山东农大肥业科技有限公司山东泰安 271600 Shandong Agricultural University Fertilizer Science & Technology Co., Ltd., Tai′an 271600, China 2 山东省腐植酸高效利用工程技术研究中心山东泰安 271600 Engineering & Technology Research Center of High Efficient Utilization of Humic Acid of Shandong Province, Tai′an 271018, China 3 山东农业大学资源与环境学院山东泰安 271018 College of Resources and Environment, Shandong Agricultural University, Tai′an 271018, China 4 山东农业大学化学学院山东泰安 271018 College of Chemistry, Shandong Agricultural University, Tai′an 271018, China

Author notes:

Correspondence to: 宋以玲(1989-)，女，研究生，主要从事新型肥料的研发与应用；songyiling0915@163.com Correspondence to: 丁方军(1964-)，男，教授，主要从事土壤肥料、新型肥料研发及生产技术研究；sdndfyjs@163.com

摘要：

通过田间小区试验，研究化肥减量施用条件下，配施不同配比的生物有机肥对玉米生长、产量、土壤生物学特性和养分含量的影响，为化肥减量化应用于玉米生产的实践提供理论依据。试验结果表明：与常规施肥(100%化肥)相比，在化肥减量施用15%~30%的条件下，增施生物有机肥后促进了孕穗期玉米的生长，且当生物有机肥增施量为40 kg/亩(1亩=666.67 m²)时，玉米产量分别显著提高了12.19%(T2)和8.64%(T4)；而当生物有机肥增施量为20 kg/亩时出现了减产效应，其中T3玉米产量显著降低了12.62%；减量化肥增施生物有机肥显著提高了土壤细菌和放线菌数而降低了真菌数，同时提高了土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，进而提高了土壤中有效养分和有机质含量，但当化肥减量施用30%、生物有机肥增施量为20 kg/亩时，其有效养分和总养分含量却低于常规施肥。在化肥减量与生物有机肥增量配比适宜的条件下，才具有增产提质和养地改土的良好效果。

关键词：

生物有机肥; 玉米; 土壤微生物; 土壤酶;

Abstract：

The field experiment was conducted to study the effects of different proportion of bio-organic fertilizer on maize growth, yield, soil biological characteristics and nutrient content under the conditions of fertilizer reduction, it provides a theoretical basis for the application of chemical fertilizer reduction in maize production. The results showed that, compared with conventional fertilization (100% chemical fertilizer), under the conditions of decreasing chemical fertilizer by 15% to 30%, application of bio-organic fertilizer could promote maize growth at booting stage, and significantly increased maize yield by 12.19% (T2) and 8.64% (T4) with the amount of bio-organic fertilizer was increased by 40 kg per mu (1 mu=666.67 m²), however, the yield decreased when the amount of bio-organic fertilizer was increased by 20 kg per mu, which significantly decreased by 12.62% (T3). Reducing the amount of chemical fertilizer and applying bio-organic fertilizer significantly increased the number of bacteria and actinomycetes in the soil, decreased the number of fungi, and the activities of urease, phosphatase and invertase in soil were increased, thus increasing the content of available nutrients and organic matter in the soil. However, when chemical fertilizer was reduced by 30% and the amount of bio-organic fertilizer increased by 20 kg per mu, the contents of available nutrients and total nutrients were lower than those of conventional fertilization. It is concluded that, when the reducing chemical fertilizer combined with bio-organic fertilizer in a proper proportion that could show the best effect on improve the yield and quality of corn as well as soil nutrients.

Keyword：

bio-organic fertilizer; maize; soil microorganism; soil enzyme;

土壤为植物生长提供必要的水、肥、气、热，是植物生长的基础，然而由于人类长期过度索取，导致土壤养分含量降低、农作物产量和品质下降。19世纪李比希植物矿物质营养学说和养分归还学说的建立，为化肥工业的兴起奠定了理论基础。随着化肥的长期大量施用，导致资源浪费、环境污染，如土壤酸化、水体富营养化、大气氮沉降和氮氧化物排放加剧^[1-2]及作物质量下降等严重后果^[3]。为解决上述问题，近年来国内外相继开展了在农业生产中用新型肥料部分代替化肥的探索^[4-7]，其中生物有机肥具有增强土壤肥力、提高土壤疏松度、调控土壤微生物组成和结构、降低土传病害、促进植物生长及提高植物的抗逆性、产量和品质等优势^[8-12]。大量研究表明，部分生物有机肥替代无机肥可促进黄瓜、小白菜、玉米等作物对氮、磷、钾等养分的吸收利用率，提高土壤微生物群落的种类和数量，改善土壤酶活性，进而优化了作物生长环境，提高了作物产量和品质^[13-14]。减量化肥配施生物有机肥还具有防治烟草黑胫病、青枯病^{[11, 15]}，茄子青枯病^[16]，冬瓜枯萎病^[17]等土传病害以及降低盐碱地土壤容重、土壤盐分含量与碱化度，提高土壤有机质和有效养分含量等优良改土效果^[18-20]。

玉米是我国重要的粮食作物之一，具有生长发育旺盛、产量高、需肥量大等特点，因此生产上主要通过大量施用化肥来保证其充足的养分供应，但随着化肥的长期施用，导致土壤板结、盐渍化严重，增产效果不断降低^[21]。随着各种新型肥料的兴起，出现了大量有关生物有机肥应用于玉米生产的研究，主要分为以下3种情况：①无机肥用量不变的情况下增施生物有机肥^[22-23]；②直接用大量的生物有机肥替代无机肥^[24-25]；③减量某一养分含量的情况下增施生物有机肥，其余养分含量用单一无机养分补给^[26-27]。为积极响应落实我国农业部对化肥“零增长”的政策要求，增施生物有机肥以减少化肥用量是一条切实可行的途径，然而在保证养分含量相等的条件下减量无机肥配施生物有机肥的施肥方式较为复杂，因此，本试验在减施不同用量化肥的同时增施不同用量的生物有机肥，以寻求最佳减增配比。通过探究不同减增配比对玉米生长、产量、土壤微生物群落种类和数量、土壤酶活性以及土壤养分含量的影响，来寻找既能增产又能改土的最佳减增配比，为生物有机肥在玉米减量化肥中的应用提供切实可行的技术支持和理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验时间和地点

2016年6月27日至2016年10月10日在山东省泰安市肥城市兴润园试验田开展试验。

1.2 试验材料

供试玉米品种：山农206。

供试肥料：山东农大肥业科技有限公司微生物肥料车间提供的生物有机肥和复合肥车间提供的无机复合肥，各肥料的基本特性如表 1所示。

表 1

供试肥料的基本特性

供试肥料	菌数/(亿个·g^-1)	w(N-P₂O₅-K₂O)/%	腐殖酸	底料	w(有机质)/%
复合肥		25-10-10
生物有机肥	6	总量≥5	有	稻壳鸡粪+种鸡粪	≥60

1.3 试验设计

如表 2所示，试验共设5个处理。每个小区面积50 m²，各处理种植后统一管理，其间共浇水5次、除草3次、打药1次，直至收获。

表 2

试验设计

处理	复合肥施用量/ (kg·亩^-1)	生物有机肥施用量/ (kg·亩^-1)
注：1)1亩=666.67 m²，下同
CK	50.0(100%)
T1	42.5	20.0
T2	42.5	40.0
T3	35.0	20.0
T4	35.0	40.0

1.4 测定项目与方法

株高在玉米孕穗期用卷尺测定从地面到顶端生长点的高度；茎粗用游标卡尺测定距离茎基部40 cm处的直径；叶面积用卷尺测定功能叶的长和宽，单叶叶面积=长×宽×0.75；叶绿素(SPAD值)采用SPAD-502Plus便携式叶绿素测定仪测定；收获后小区取样测定穗粒数、百粒重、单株产量，根据所取植株总产量折合亩产；微生物数量采用平板菌落计数法测定^[28]；土壤有机质采用重铬酸钾容量法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；速效磷采用碳酸氢钠溶解钼锑抗比色法测定；有效钾采用乙酸铵溶解火焰光度计法测定^[29]；脲酶采用苯酚-次氯酸钠比色法测定，以24 h后1 g土壤中铵态氮的质量(mg)表示脲酶活性；过氧化氢酶采用滴定法测定，其活性用1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO₄(37 ℃、24 h)的体积(mL)表示；蔗糖酶采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后1 g土壤中葡萄糖的质量(mg)表示蔗糖酶的活性；土壤磷酸酶采用磷酸苯二钠比色法测定，结果以24 h后1 g土壤中释放出的酚并转化为磷(P)的质量(mg)表示；土壤脱氢酶采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定，结果以24 h后1 g土壤中所形成的三苯基甲臜(TPF)的质量(mg)表示^[30]。

1.5 数据处理

采用Excel 2003软件处理数据和制表，采用DPS 7.05软件进行统计分析，采用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验(p＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米生长的影响

如表 3所示：减量化肥增施生物有机肥可促进玉米的生长，其株高、叶面积、茎粗和SPAD值均高于仅施化肥处理，但各处理株高间的差异不显著；叶面积的大小顺序为T2＞T1＞T4＞T3＞CK，其中T2、T1、T4与CK相比呈显著性差异(p＜0.05)；茎粗的大小顺序为T2＞T1＞T4＞CK＞T3，其中T2和T1与CK相比呈显著性差异；SPAD值的大小顺序为T3＞T4＞T2＞T1＞CK，除T1外，均与CK呈显著性差异。综上比较可知，T2的效果较好，其叶面积、茎粗和SPAD值分别比CK显著提高了65.11%、7.14%和6.02%，而T3的效果却较差。

表 3

不同施肥处理对玉米生长指标的影响(孕穗期)

处理	株高/cm	叶面积/cm²	茎粗/cm	SPAD值
CK	178.75±5.44 a	0.513±0.019 c	3.08±0.088 cd	2.99±0.088 d
T1	182.75±4.27 a	0.670±0.002 b	3.27±0.048 ab	3.08±0.050 cd
T2	182.75±3.86 a	0.847±0.038 a	3.30±0.051 a	3.17±0.091 bc
T3	182.50±5.97 a	0.536±0.001 c	2.99±0.050 d	3.30±0.056 a
T4	182.50±2.08 a	0.669±0.001 b	3.17±0.091 c	3.27±0.048 ab

试验结果表明：减量化肥增施生物有机肥能在一定程度上促进叶片的伸展和光合色素的形成，从而促进玉米的光合作用和对碳水化合物的积累；化肥的减少量与生物有机肥的增施量应保持一定的配比，当化肥减量15%、生物有机肥用量为20 kg/亩或40 kg/亩时对玉米生长指标的影响效果不显著，而当化肥减量30%、生物有机肥用量为20 kg/亩或40 kg/亩时对玉米生长指标的影响效果较无机肥减量15%明显。

2.2 不同施肥处理对玉米产量的影响

由表 4可知，不同施肥处理对玉米产量的影响存在差异。当化肥减量15%、生物有机肥用量为40 kg/亩时，玉米的穗粒数、百粒重、单株产量以及亩产量分别提高了5.17%、7.15%、8.89%以及12.19%；但生物有机肥用量为20 kg/亩时，出现了轻微的减产效应。当化肥减量30%、生物有机肥用量为40 kg/亩时，其穗粒数和百粒重与CK持平，亩产显著提高了8.64%；而生物有机肥用量为20 kg/亩时，其穗粒数、单株产量和亩产量都有所降低，其中亩产量与CK相比显著降低了12.62%。

表 4

不同施肥处理对玉米产量的影响

处理	穗粒数/粒	百粒重/g	单株产量/g	亩产量/kg
CK	527.25±14.41 bc	36.49±2.11 a	202.83±22.17 ab	521.69±4.39 c
T1	535.50±9.57 ab	36.92±0.41 a	202.64±15.40 ab	512.07±3.73 c
T2	554.50±5.00 a	39.10±1.13 a	220.86±16.55 a	585.30±7.61 a
T3	514.50±21.00 c	38.08±2.92 a	184.01±14.15 b	455.86±9.76 d
T4	527.50±6.61 bc	37.92±2.50 a	196.12±6.76 b	566.61±5.15 b

试验结果表明，减量化肥与增施生物有机肥的比例较优时才能起到明显的增产效应，当化肥减量较大而生物有机肥增施量不足时会引起一定的减产效应，因此需要确定适宜的减增配比。

2.3 不同施肥处理对玉米根际土壤微生物量的影响

土壤微生物量直接影响土壤的生物学特性、养分组成与转化以及土壤团粒结构的稳定性。细菌是土壤微生物的主体，在总量和种类上占绝对优势；放线菌利于土壤有机质的分解和养分的释放，即可将稳定的化合物(如纤维素、几丁质和磷脂类)降解为简单形式；有益真菌可以分解纤维素、淀粉、树胶、木质素以及较易分解的蛋白质和糖类。由图 1可知：各处理根际土壤细菌数＞放线菌数＞真菌数；减施化肥增施生物有机肥后提高了根际土壤细菌数和放线菌数而降低了真菌数，且均达到显著水平；在化肥减量15%和30%的条件下，土壤细菌数和放线菌数均随生物有机肥增施量的提高而增加，真菌数则出现了相反的结果；当生物有机肥施入量为20 kg/亩时，根际细菌数、放线菌数和真菌数受化肥减量的影响不大，即T1和T3间差异不显著；而当生物有机肥施入量达到40 kg/亩时，根际细菌数、放线菌数和真菌数均随无机肥减量的增大而增多，与T2相比，T4的细菌数、放线菌数和真菌数分别显著提高了31.67%、15.57%和15.46%。因此，当生物有机肥施入量较少时，根际微生物的种类和数量受化肥减量的影响不显著，而生物有机肥施入量较多时产生了显著的效果。

图 1

不同施肥处理对玉米根际土壤细菌、放线菌和真菌数量的影响

2.4 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

生物有机肥本身含有大量的营养物质和微生物群落，因此具有改善土壤环境、活化土壤养分的能力。由表 5可知：除T3外，减量化肥增施生物有机肥可提高土壤中碱解氮、全氮、有效磷、速效钾和有机质含量，且T2与CK相比碱解氮和全氮分别显著提高了10.02%和58.02%；除T3外，其余处理与CK相比，速效钾、有效磷和有机质均出现显著性升高差异；当化肥减量一定时，增施生物有机肥越多，土壤中养分含量越高，且对有机质的影响效果最明显。以上结果表明，生物有机肥在向土壤提供大量营养物质的同时，还能依靠微生物的生长代谢进一步活化、分解土壤中难溶、不易移动、不能被作物直接吸收的养分，因此提高了根际土壤中可直接吸收的养分和有机质含量。

表 5

不同施肥处理对土壤养分含量的影响

处理	碱解氮/ (mg·kg^-1)	全氮/ (g·kg^-1)	速效钾/ (mg·kg^-1)	有效磷/ (mg·kg^-1)	有机质/ (g·kg^-1)
CK	26.05±1.49 ab	0.536±0.001 c	117.02±2.64 c	12.57±0.098 cd	9.56±0.394 e
T1	27.68±1.49 ab	0.670±0.002 b	122.33±2.52 b	13.38±0.324 bc	10.33±0.327 d
T2	28.66±1.49 a	0.847±0.038 a	135.01±1.73 a	17.06±0.828 a	14.34±0.602 a
T3	25.73±0.56 b	0.513±0.019 c	115.33±2.52 c	11.83±0.107 d	11.68±0.263 c
T4	27.19±1.85 ab	0.669±0.001 b	121.01±1.00 b	13.59±0.467 b	13.05±0.348 b

2.5 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

土壤酶是由土壤微生物、动植物活体分泌及动植物残骸分解释放于土壤中的一类具有催化能力的生物活性物质，其活性与微生物的代谢活动密切相关。由表 6可知：不同施肥处理对土壤酶活性的影响不同，减量化肥增施生物有机肥显著提高了土壤脲酶、土壤磷酸酶和土壤蔗糖酶的活性，并随化肥减量的增大其活性呈上升趋势，且化肥减量30%与减量15%间存在显著性差异，T3和T4与CK相比，脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性分别显著提高了72.24%和115.58%，105.15%和58.76%，67.29%和93.23%，而对过氧化氢酶和脱氢酶活性的影响效果不显著。由此表明，土壤酶活性与肥料的种类和含量间存在密切关系，且生物有机肥可通过改变土壤酶的活性来影响土壤中有效养分含量，而土壤酶活性同样会受土壤中有效养分含量的影响，因此土壤酶活性与肥料种类和含量有关。

表 6

不同施肥处理对土壤酶活性的影响

处理	脲酶/ (mg·g^-1·d^-1)	过氧化氢酶/ (mL·g^-1·d^-1)	脱氢酶/ (mg·g^-1·d^-1)	磷酸酶/ (mg·g^-1·d^-1)	蔗糖酶/ (mg·g^-1·d^-1)
CK	0.353±0.001 d	10.65±0.148 ab	2.63±0.048 ab	0.97±0.026 d	6.94±0.902 d
T1	0.457±0.045 c	10.01±0.274 b	2.08±0.068 b	1.17±0.013 c	8.79±1.070 c
T2	0.457±0.044 c	10.20±0.158 b	2.23±0.048 b	1.11±0.114 c	9.04±0.337 c
T3	0.608±0.045 b	10.11±0.158 b	2.82±0.133 a	1.99±0.178 b	11.61±0.493 b
T4	0.761±0.046 a	10.93±0.158 a	2.43±0.192 ab	1.54±0.104 b	13.41±0.806 a

3 讨论

3.1 减量化肥增施生物有机肥对玉米生长和产量的影响

大量研究结果表明，生物有机肥可以提高土壤有机质含量，改善土壤物理、化学和生物学特性，同时对作物具有提质增产的效应^[31-34]。本研究发现：减量化肥增施生物有机肥可促进玉米叶片的伸展和茎干的生长，同时通过提高叶片内光合色素的含量来促进玉米的光合作用，提高碳水化合物的合成和贮存；当化肥减量15%、生物有机肥施入量达到40 kg/亩时，显著提高了玉米的产量；当化肥减量30%、生物有机肥施入量达到40 kg/亩时，才能保持相对稳定的产量。因此，在减量化肥时一定要确定好所需生物有机肥的用量，以确保稳定的产量，此研究结果与张焕菊、李艳红、田艳洪等人所研究的增施生物有机肥对烟草、玉米生长影响的结果一致^{[4, 35-36]}。此外，当化肥减量30%时，增施生物有机肥对玉米生长指标的影响效果较化肥减量15%时明显，因此，化肥减量越多，玉米的生长受生物有机肥用量的影响越显著。

3.2 减量化肥对土壤生物学特性和土壤养分含量的影响

土壤微生物对土壤健康和病害防控极其关键，具有巨大的生物化学活力，在有机质分解、土壤养分循环(碳、氮、磷等)和土壤团粒结构形成中具有重要的作用^[37-38]。本研究发现，生物有机肥对土壤根际微生物影响效果为细菌数＞放线菌数＞真菌数，减量化肥增施生物有机肥后显著提高了根际土壤细菌数和放线菌数而降低了土壤真菌数。张云伟等发现，在化肥减量20%情况下，配施生物有机肥可有效提高烟草根际土壤细菌和放线菌数，降低根际真菌数，进而减轻土传病害的发病率^[39]。本研究还发现：生物有机肥施入量较少时，根际微生物的种类和数量受化肥减量的影响不显著；而当生物有机肥施入量较多时，根际微生物的种类和数量受化肥减量的增加而增加，这与李艳红、陶磊等人的研究结果相似^{[35, 40]}。本研究发现，土壤酶是土壤中活跃的有机成分之一，在土壤养分循环过程中起着重要作用^[41]，减量化肥增施生物有机肥可显著提高土壤脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性，而对土壤过氧化氢酶和脱氢酶活性的影响较小，这一方面可能是生物有机肥本身含有大量的酶类物质，因此对土壤酶有增加作用；另一方面，生物有机肥含有大量的有益微生物和营养物质，可为产酶微生物提供丰富的营养源，促进产酶微生物的生长和繁殖。此结果与孙家骏、孔涛等人所研究的生物有机肥对土壤养分和酶活性的影响结果相似^{[8, 10]}。本研究还发现，除T3外，减量化肥增施生物有机肥均提高了土壤中有效养分和有机质含量，在化肥减量15%、生物有机肥施入量为40 kg/亩时，土壤中各有效养分和有机质含量最高；当化肥减量一定时，生物有机肥施入量越大，土壤有效养分和有机质含量越高。其原因首先是生物有机肥本身含有大量的有效养分和有机质；其次，有机质不仅控制着土壤中养分和能量的循环，还是微生物群落稳定的营养和能量来源^[42]，因此土壤有机质和土壤微生物间形成良好的互利共赢关系，并通过土壤微生物的生长代谢改善土壤酶活性，以此活化、分解土壤中难溶、不易移动、不能被作物直接吸收的养分，从而提高土壤养分的有效性和利用率，同时维持相对稳定的土壤团粒结构，提高土壤的保水保肥性，最终优化根际土壤环境，促进植物根系的生长和对营养物质的吸收。

4 结语

综上所述，在本试验条件下，减量化肥增施生物有机肥配比适宜时可促进玉米生长，提高玉米产量，同时提高土壤有益微生物数量和土壤养分的利用率；当化肥减量比例过大而生物有机肥的增施量不足时，虽然具有活化土壤养分、改善土壤微生物结构、优化土壤环境的能力，但由于养分总量供给欠缺，最终造成一定的减产效应。因此，通过减量化肥增施生物有机肥的方式来落实化肥“零增长”政策时，要把握好减量和增施的配比，向既要增产提质、养地护田还能提高经济效益的方向发展。

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