生物有机肥替代化肥对旱地玉米土壤养分和产量的影响

王含瑞，徐得雨，肖雯丽，王俊红，王梦亮

（山西大学 应用化学研究所，山西 太原 030006）

近年来我国玉米年产量稳居世界前3，但以往高投入、高消耗的粗放增长方式使玉米生产过度依赖化肥投入[1-2]。化肥的大量施用一方面造成土壤养分结构失调，物理性状变差，土地重金属超标和部分病原菌积累；另一方面水溶性养分等物质通过雨水和农田灌水渗入到地下水及河流中，造成环境污染。

玉米是旱作区主要种植作物，地力瘠薄和干旱胁迫是生产的主要限制因子，由于农民不合理耕种和施肥导致土壤表层结构恶化，养分供应失衡等土壤肥力退化日益突出，严重制约了玉米产量的提高。生物有机肥是指特定功能微生物与主要来源于动植物残体的有机物料复合而成兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料[3]。研究发现，生物有机肥替代部分化肥可以促进肥料的养分利用率、改善土壤肥力状况、增加土壤酶活性并提高作物产量，近年来越来越受到各级政府部门及科研机构的重视。刘铠鸣[4]研究发现，无机肥和生物有机肥配施可以改良根际土壤、提高土壤酶活和土壤肥力；王俊红等[5]研究发现，生物有机肥合理替代部分化肥，土壤养分含量与酶活均有增加的趋势，且一些具有生物防治与促生作用的功能菌属出现明显的富集现象；SHI 等[6]研究表明，生物有机肥可以缓解生物胁迫，并可持续地提高作物产量。

本研究依托旱地玉米长期定位试验区，研究不同比例生物有机肥替代化肥对土壤养分含量、酶活性和玉米产量的影响，旨在为生物有机肥替代化肥实现玉米增产增效和资源可持续发展提供理论与决策支持。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2021年在山西省临汾市浮山县北王乡乔家垣村旱地玉米田进行[7]。试验田地处山西中南部旱平地，海拔1 349 m（35°44′N，113°44′E），属暖温带大陆季风气候，春冬寒冷干燥，夏季高温多雨，年均日照时数为2 252 h，年均气温为11.2 ℃，年均降水量500～550 mm，主要集中在7—9月，是典型的旱作雨养区。试验田土壤类型为石灰性褐土，质地为壤土，播种前土壤表层养分含量为有机质13.64 g/kg，全氮0.75 g/kg，速效磷13.2 mg/kg，速效钾153.6 mg/kg，pH 值7.5。

1.2 试验材料

供试玉米品种为先玉1141，由山东登海先锋种业有限公司提供；供试化肥为史丹利缓释掺混肥（N∶P2O5∶K2O=20∶20∶5）；供试生物有机肥由山西利晨生物科技有限公司提供，菌种为枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），有效活菌数≥2×108cfu/g，有机质≥45%。

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设4 个施肥处理，试验设计方案如表1所示。小区面积25 m2（10.0 m×2.5 m），每个处理3 次重复，随机排列，共12 个小区。玉米行距、株距分别为60、30 cm。

表1 试验设计方案Tab.1 Experimental design scheme

当地耕作制度为一年一熟，4 a 的播种均在4月底至5月初进行，收获在10月初进行。所有肥料均作为基肥，在玉米播种前均匀撒入相应小区，然后旋耕整地播种一次性完成，整个玉米生育期内不再追肥，其他与当地常规管理措施一致。

1.4 测定项目及方法

在玉米收获期，采用五点法随机在玉米根际部位进行土壤样品的采集并混匀，即先用土铲除去表层土，采集0～20 cm 耕层土壤，并去除作物根际残体和石块等。一份于通风处自然晾干后过0.2 mm筛用于测定土壤养分含量，另一份4 ℃低温保藏用于测定土壤酶活性。

有机质、全氮、速效磷和速效钾分别采用重铬酸钾外加热法、凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定；脲酶、磷酸酶和蔗糖酶分别采用苯酚-次氯酸纳比色法、磷酸苯二钠比色法和硫代硫酸钠滴定法测定[8]。

在玉米收获期，每小区采集长势一致的连续30 株果穗，测定玉米产量及其产量构成因素。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26.0 对试验数据进行统计分析；采用Origin 2019 对各处理下土壤养分含量和土壤酶活性进行热图分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对旱地玉米土壤养分含量的影响

由表2 可知，CK 下养分含量均为最低，不同施肥处理对土壤养分含量均有一定的影响；2019年的研究数据表明，当年的有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均比其他年份含量低，可能与2019年属极度干旱年有关。同一年不同的施肥处理对旱地玉米土壤养分均有提高作用，其中，NPKHB 处理效果最佳，与NPK 处理相比，4 a 内土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量平均分别提高了6.90%、24.65%、51.20%、5.47%。同时以NPKHB 处理下的有机质含量为例，与NPK 处理相比，4 a 间其含量分别提高了4.67%、2.11%、6.27%和14.54%，表明随着替代年份的增加，生物有机肥能够提高土壤养分含量的效果也随之明显。

表2 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米土壤养分含量的影响Tab.2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient contents of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2 不同施肥处理对旱地玉米土壤酶活性的影响

2.2.1 不同施肥处理对旱地玉米土壤脲酶活性的影响 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米土壤脲酶活性的影响如图1 所示。

图1 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米土壤脲酶活性的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil urease activity of maize in dryland from 2018 to 2021

由图1 可知，与NPK 相比，NPKDB 和NPKHB处理下均一定程度提高了土壤脲酶活性，NPKDB处理下脲酶活性在4 a 间分别提高了7.30%、5.19%、7.59% 和14.01%；NPKHB 处理下脲酶活性在4 a 间分别提高了4.44%、3.25%、9.49% 和13.38%，即土壤脲酶活性随着生物有机肥的增施梯度增大而整体呈降低的趋势。总体来看，施用生物有机肥的土壤脲酶活性增加幅度随着生物有机肥替代年份的增加而提高。以上结果说明，生物有机肥的施用可提高脲酶活性，加强植物对矿化有机物的吸收，供植物吸收利用，其中以NPKDB 处理促进脲酶活性效果最明显。

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2.2.2 不同施肥处理对旱地玉米土壤磷酸酶活性的影响 由图2 可知，与NPK 相比，NPKDB 处理下磷酸酶活性在4 a 间分别提高了6.30%、5.22%、6.98%和10.16%；NPKHB 处理下磷酸酶活性在4 a间分别提高了3.94%、11.30%、10.08%和12.50%。同时施用生物有机肥的土壤磷酸酶活性增加幅度随着生物有机肥替代年份的增加而相应提高。因此，增施生物有机肥可在一定程度上提高磷酸酶活性，增加土壤供磷能力。

图2 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米土壤磷酸酶活性的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil phosphatase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2.3 不同施肥处理对旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影响 由图3 可知，随着配施生物有机肥比例的增加，土壤蔗糖酶酶活性提高。与NPK 相比，NPKDB 处理下蔗糖酶活性在4 a 间分别提高了13.89%、10.85%、13.73%和26.82%，差异性显著；NPKHB 处理下蔗糖酶活性在4 a 间分别提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，差异性显著。同时施用生物有机肥的土壤蔗糖酶酶活性增加幅度随着生物有机肥替代年份的增加而提高。因此，增施生物有机肥可促进蔗糖酶活性的提高，加强了土壤的熟化作用，其中以NPKHB 促进蔗糖酶活性效果最明显。

图3 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil sucrase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.3 土壤养分与土壤酶活性的相关性分析

对上述7 个土壤指标标准化后的数据进行主成分分析，得到各成分的特征根和方差贡献率，根据特征根≥1 的原则，可以提取一个主成分[9]。该主成分的方差贡献率为91.29%，即该主成分覆盖了91.29%的原始数据信息量，能够反映生物有机肥部分替代化肥后土壤养分含量和酶活性的信息。

根据主成分的方法贡献率计算不同处理的综合得分并排序（表3），各处理综合得分依次为NPKHB>NPKDB>NPK>CK。因此，生物有机肥部分替代化肥可改善土壤养分含量、提高土壤酶活性，且改善与提高程度和生物有机肥替代化肥比例密切相关。

表3 不同处理土壤评价指标综合成分得分及排序Tab.3 Comprehensive component score and ranking of soil evaluation indexes under different treatments

对土壤养分含量与土壤酶活性的相关性进行分析，由图4 可知，土壤养分含量与酶活性存在显著相关性。其中，有机质含量与脲酶活性交互相关系数高达0.879 0，速效磷含量与蔗糖酶活性交互相关系数高达0.921 6，全氮含量与脲酶活性交互相关系数高达0.920 0，速效钾含量与脲酶活性交互相关系数高达0.951 4，因此，土壤养分含量能在一定程度上提高酶活性，有利于玉米吸收营养物质。

图4 土壤养分与土壤酶活性的交互相关系数Fig.4 Plot of interactive correlation coefficients between soil nutrients and soil enzyme activities

2.4 不同施肥处理对旱地玉米产量的影响

由表4 可知，不同施肥处理间旱地玉米产量存在差异。产量高低总体趋势表现为NPKDB>NPKHB>NPK>CK。与NPK 相比，NPKDB 处理下玉米产量在4 a 间分别提高了6.96%、4.61%、12.85%和2.67%；NPKHB 处理下玉米产量在4 a间分别提高了7.15%、2.23%、10.39% 和1.28%。因此，适当的减量化肥配施生物有机肥产量不减略增，其中以NPKDB 增产效果较为明显。

表4 2018—2021年不同施肥处理对旱地玉米产量构成及产量的影响Tab.4 Effects of different fertilization treatments on yield composition and yield of maize in dryland from 2018 to 2021

3 讨论

3.1 生物有机肥替代化肥对旱地玉米土壤养分含量的影响

3.2 生物有机肥替代化肥对旱地玉米土壤酶活性的影响

土壤酶活性能反映土壤生物活性和生化反应强度，可作为评价土壤肥力水平和微生物活性强弱的重要生物指标[15]。田间试验表明，生物有机肥部分替代化肥相比单施化肥能提高土壤中脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，且土壤酶活性随着生物有机肥替代年份的增加而提高：与NPK 相比，NPKHB 处理下蔗糖酶活性在4 a间分别提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，可能是因为化肥和生物有机肥合理配施不仅给土壤提供丰富的能源，还导致土壤的微生物生物量、区系组成以及代谢过程发生改变，使得土壤中主要由微生物产生的酶活性提高。有关生物有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响，胡诚等[16]研究表明，随着生物有机肥用量的提高，土壤脲酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性增加；王星琳[17]研究表明，相较单施化肥处理，生物有机肥替代化肥后，小麦根际土壤脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶活性增加，与本试验结果一致。

3.3 土壤养分与土壤酶活性的相关性分析

土壤养分与土壤酶活性相关性分析表明，二者相关系数均大于0.85，呈显著相关性。这可能是因为化肥和生物有机肥合理配施不仅给土壤提供丰富的能源，其中含有的无机氮还直接调节土壤中的碳氮比，进一步促进土壤的能量代谢，提高土壤酶活性[18]。

3.4 生物有机肥替代化肥对玉米产量的影响

生物有机肥替代化肥对玉米产量的影响为不变略增，可能是因为其提高了土壤养分含量和酶活性，促进了植物根部的生长，影响了植物对土壤中营养成分的吸收和利用。朱代强[19]研究表明，生物有机肥部分替代化肥可提高蒜苗的生长量；杜二小等[20]研究表明，施肥处理为减施氮肥20%+生物有机肥替代总施氮量的20%时，旱地马铃薯产量在各处理间表现最佳，与本试验研究的结果也基本一致。

4 结论

本研究结果表明，适当地减量化肥配施生物有机肥不仅能提高土壤养分含量和土壤酶活性，改善土壤肥力，维持作物产量，而且随着生物有机肥替代年份的增加，土壤养分含量和土壤酶活性的提高效果更加明显。一方面，生物有机肥的配施提高了肥料利用率，促进了作物对养分的吸收；另一方面养分含量的提高为土壤微生物的活动和酶活性创造了有利条件，进而促进土壤能量代谢，一定程度上提高作物产量。因此，生物有机肥与化肥配施是实现绿色可持续发展农业切实有效的途径。