付修勇, 井大煒， 段曉塵， 劉 芬

(德州學院 資源環(huán)境與規(guī)劃學院, 山東 德州 253023)

不同施肥措施對德州市農(nóng)田土壤生物學性狀的影響

付修勇, 井大煒， 段曉塵， 劉 芬

(德州學院 資源環(huán)境與規(guī)劃學院, 山東 德州 253023)

[目的] 探討不同施肥措施對山東省德州市農(nóng)田土壤生物學性狀的作用效果，為農(nóng)田土壤的培肥與農(nóng)作物的合理種植提供理論依據(jù)。[方法] 通過連續(xù)3 a的大田試驗，研究CK(對照，不施肥)、CF(尿素提供100%的氮)、CM(牛糞提供100%的氮)和CM+CF(牛糞和尿素各提供50%的氮)等處理對德州市農(nóng)田土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量、微生物多樣性、活性有機碳及碳庫管理指數(shù)的影響。[結(jié)果] 與CF處理相比，CM+CF處理顯著提高了農(nóng)田土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量和部分微量元素的有效性，降低了pH值；明顯增加了土壤微生物數(shù)量與微生物量碳、氮含量，其中細菌數(shù)分別較CK，CF和CM處理顯著增加91.22%，65.47%和17.11%；同時，CM+CF處理的微生物多樣性指數(shù)最高，并與微生物總量的變化趨勢一致，而CF與CK處理的微生物多樣性指數(shù)與微生物總量的變化趨勢不一致。此外，CM+CF處理的低活性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)亦顯著高于其他處理，其中碳庫管理指數(shù)比CK，CF和CM處理高出69.52，67.84，38.61。與CM+CF處理相比，CM處理對農(nóng)田土壤的影響效果較小。[結(jié)論] 牛糞與化肥配施能顯著改善德州市農(nóng)田土壤的生物學性狀，有利于提升土壤肥力和增強供肥性。

農(nóng)田土壤; 牛糞; 微生物多樣性; 活性有機碳; 碳庫管理指數(shù)

華北平原以小麥—玉米一年兩熟種植為主體種植制度，是中國的糧食主產(chǎn)區(qū)[1]。但由于化肥氮的當季利用率僅有30%左右，所以長期的單施化肥措施，不僅造成了直接的經(jīng)濟損失，且部分地區(qū)因施肥不當已引起環(huán)境污染[2]，出現(xiàn)地表水富營養(yǎng)化、地下水硝態(tài)氮含量超標等問題[3]，同時還導致農(nóng)作物品質(zhì)的下降。因此，探尋一種合理的施肥措施，對于培肥農(nóng)田土壤和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境顯得尤為重要。

有機肥能優(yōu)化土壤微生物群落，改善土壤農(nóng)化性狀，提升土壤肥力，并且對養(yǎng)分具有緩釋效果[4]，所以，在化肥中配施有機肥是多年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的研究熱點。許多研究發(fā)現(xiàn)[5-7]，有機肥與化肥配施可增加土壤微生物多樣性，且能促進作物對氮素的吸收與利用，有助于土壤肥力的提高與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。牛糞是一種豐富的有機肥資源，僅次于豬糞資源，占畜禽糞便的1/3[8]。近年來，諸多學者利用牛糞在油菜[8]、西瓜[9]、水稻[10]等作物上開展了深入的研究，并獲得良好的增產(chǎn)效應(yīng)，但關(guān)于牛糞在冬小麥—夏玉米上的應(yīng)用，尤其針對農(nóng)田土壤生物學性狀進行連續(xù)多年的研究報道則較少。土壤微生物是土壤有機質(zhì)、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的內(nèi)在動力[7]，且土壤微生物及其參與下的物質(zhì)轉(zhuǎn)化是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。同時，維持土壤微生物多樣性對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力與增強農(nóng)田土壤緩沖能力具有重要意義[11]。此外，土壤活性有機碳與土壤速效養(yǎng)分、土壤物理性狀等緊密相關(guān)，已成為評價土壤質(zhì)量的重要指標之一[12-13]?？梢?，掌握這些土壤生物學特征指標的變化規(guī)律對于了解施肥的作用機理并評價施肥效果具有重要的理論指導意義。為此，本研究擬針對山東省德州市農(nóng)田土壤，以腐熟好的牛糞為供試原料，通過連續(xù)3 a的大田試驗開展牛糞與化肥配施對農(nóng)田土壤養(yǎng)分、微生物數(shù)量、微生物多樣性及活性有機碳的研究，評價不同施肥措施對農(nóng)田土壤生態(tài)環(huán)境的改善效應(yīng)，進而為農(nóng)田土壤的培肥與農(nóng)作物的合理種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地選擇在山東省德州市德城區(qū)二屯鎮(zhèn)李莊村(東經(jīng)116°42′，北緯36°59′)，海拔高度為22.7 m。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L氣候，多年年均氣溫和平均降水量分別為13.1 ℃和583 mm，其中降雨量主要集中在7—9月。地貌特征為沖積平原，土壤類型為潮土。2014—2016年連續(xù)開展了3 a試驗，其中2014年試驗開始時0—20 cm土壤基本理化性狀為：有機質(zhì)13.68 g/kg,全氮0.92 g/kg，全磷1.85 g/kg,全鉀57.00 g/kg，pH值8.39。種植制度為冬小麥—夏玉米一年兩熟種植。

1.2 試驗設(shè)計

采用田間小區(qū)試驗，隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)4個處理：處理1不施肥(CK)；處理2單施化肥(CF)；處理3牛糞(CM)；處理4牛糞提供50%的氮，化肥提供50%的氮(CM+CF)。每個處理重復3次，每小區(qū)面積為12×9=108 m2，共計12個小區(qū)。小區(qū)與小區(qū)之間用寬12 cm，深60 cm的水泥隔板分隔，并設(shè)置1.0 m×1.0 m的保護行。冬小麥于每年10月中旬播種，次年6月上旬收獲,播種時采用人工開溝撒種,行距20 cm；夏玉米于6月中旬人工點播(6.7萬株/hm2)，10月上旬收獲，其中有機肥與化肥作為基肥一次性施入，采用撤施的方式。除CK外，各處理均為等養(yǎng)分量，N，P2O5，K2O施加量分別相當于280.50，206.50，175.00 kg/hm2，各處理P與K不足部分分別用過磷酸鈣、硫酸鉀補足。冬小麥、夏玉米生育期內(nèi)其他的農(nóng)作管理措施與當?shù)卮筇锍Ｒ?guī)方法一致。

1.3 測定項目與方法

分別在2014,2015和2016年度3個玉米收獲季進行采樣分析，在每個小區(qū)按“S”型選取7點，用土鉆法取0—20 cm土層土樣，混合均勻后分為2份：一份新鮮土樣于4 ℃冰箱避光保存，盡快測定微生物數(shù)量和微生物量碳、氮及微生物多樣性指數(shù)；另一份樣品風干，過0.25 mm篩后測定土壤養(yǎng)分與活性有機碳等指標。

土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、pH值和微量元素的測定均采用常規(guī)方法[14]；土壤微生物數(shù)量采用稀釋平板計數(shù)法[15]；土壤微生物量碳、氮的測定采用氯仿熏蒸K2SO4浸提法；土壤微生物群落功能多樣性采用Biolog GN平板分析法測定[16]。

土壤總有機碳的測定采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤活性有機碳測定與碳庫管理指數(shù)計算：采用33，167，333 mmol/L KMnO4氧化法分別測定土壤樣品中高活性、中活性和低活性有機碳含量。以對照處理土壤為參照。碳庫指數(shù)與碳庫管理指數(shù)等相關(guān)指標參照王改玲等[12]的方法計算。

1.4 統(tǒng)計方法

采用Excel 2013處理數(shù)據(jù)并制圖，采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件進行方差分析和多重比較(LSD法，p<0.05)。數(shù)據(jù)取2014—2016年3 a試驗數(shù)據(jù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分

從表1可見，不同施肥處理對農(nóng)田土壤的pH值產(chǎn)生了顯著影響，CM+CF處理的pH值最低，分別較CK，CF和CM處理顯著下降0.31，0.23，0.14。各處理的堿解氮、速效磷和速效鉀含量表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，其大小次序分別為：CM+CF>CM>CF>CK，且各處理間的差異均達顯著水平，CM+CF處理的堿解氮、速效磷和速效鉀分別較CK顯著提高89.58%，68.82%和49.43%，分別較CF處理顯著提高44.83%，36.26%和27.19%。說明牛糞配施化肥處理較單施化肥處理可以顯著增加土壤中速效養(yǎng)分含量。同時，不同施肥措施對土壤中微量元素的有效性也產(chǎn)生一定影響。同CF處理相比，CM+CF和CM處理不同程度地提高了有效Fe，Mn含量，而對有效Cu，Zn含量的影響較小。其中CM+CF處理的有效Fe，Mn含量均為最高，并顯著高于其他處理。以上分析認為，各施肥措施均對農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量產(chǎn)生了顯著影響，其中牛糞與化肥配施的作用效果最顯著。

表1 不同處理對農(nóng)田土壤養(yǎng)分含量的影響

注：CK為不施肥；CF為單施化肥；CM為牛糞；CM+CF為牛糞提供50%的氮，化肥提供50%的氮。數(shù)據(jù)為平均值±標準誤，同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(p<0.05)。下同。

2.2 微生物數(shù)量與微生物量碳、氮

由表2可見，農(nóng)田土壤中細菌、放線菌與真菌所占微生物總量的比例分別為63.66%～75.41%，23.87%～35.64%和0.70%～0.79%，說明細菌占絕對優(yōu)勢，放線菌次之，真菌最少。與對照相比，各處理均明顯增加了土壤的細菌數(shù)和真菌數(shù)，而對放線菌數(shù)的影響較小。在施肥處理中，CM與CM+CF處理的細菌數(shù)與真菌數(shù)顯著高于CF處理；而CM+CF處理的細菌數(shù)達最高值，并顯著高于其他處理，分別比CK，CF與CM處理顯著高出91.22%，65.47%與17.11%。同時，CK，CF，CM和CM+CF處理使農(nóng)田微生物總量分別達到752.99，841.47，1 067.71，1 215.43(104CFU/g)，且各個處理之間均達差異顯著水平。從表2還可知，各處理的微生物量碳、氮含量呈現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律，其大小次序為：CM+CF>CM>CF>CK，且處理間差異均達顯著水平，其中CM+CF處理的微生物量碳含量分別較CK，CF與CM處理提高64.96%，35.97%與16.03%，微生物量氮含量分別提高83.02%，36.01%與10.75%。由此可知，不同施肥措施對德州市農(nóng)田土壤微生物數(shù)量和微生物量碳、氮含量的影響存在顯著差異，其中牛糞與化肥配施處理的增幅最大。

表2 不同處理對農(nóng)田土壤微生物數(shù)量與微生物量碳、氮含量的影響

2.3 微生物多樣性

本研究通過Shannon指數(shù)公式計算了農(nóng)田土壤微生物多樣性指數(shù)(圖1)。由圖1可知，不同施肥處理使德州市農(nóng)田土壤的微生物多樣性指數(shù)變化各異，這說明各個處理的土壤微生物群落的豐富度存在差異。CM+CF處理的微生物多樣性指數(shù)達最高值，并顯著高于其他處理，這與微生物總量的變化規(guī)律基本一致；而CF處理的微生物多樣性指數(shù)相比對照明顯降低，這與微生物總量的變化規(guī)律不一致，可能是由于單施化肥處理使農(nóng)田土壤環(huán)境適宜于某一類或幾類微生物的生長，而對其他類群微生物的生存不一定產(chǎn)生影響，即對不同類微生物的作用效果有差異，導致土壤中微生物總數(shù)可能較高，但其對應(yīng)的微生物多樣性指數(shù)則不一定高。由此可見，除了分析土壤微生物總量外，很有必要對土壤微生物多樣性指數(shù)進行研究。

圖1 不同處理對農(nóng)田土壤微生物多樣性指數(shù)的影響

2.4土壤活性有機碳與碳庫管理指數(shù)

由表3可以看出，各個處理土壤總有機碳含量的變化規(guī)律為：CM>CM+CF>CF≈CK，說明施用牛糞處理相比單施化肥可以顯著提高農(nóng)田土壤的總有機碳含量。CM+CF處理的低活性有機碳含量顯著高于其他處理，依次為CM處理，也顯著高于CK，CF處理；同CF處理相比，CM+CF，CM處理的低活性有機碳含量分別高出46.63%，23.60%，且低活性有機碳占總有機碳的比重分別為30.85%，24.66%，亦高于CF處理(23.39%)。與低活性有機碳相比，中活性、高活性有機碳含量相對較低，其波動范圍分別為0.82～1.07，0.32～0.51 g/kg。CM+CF和CM處理的中活性、高活性有機碳含量較CF處理均顯著升高。同時可見，CM+CF處理的中活性、高活性有機碳占總有機碳的比重均為最高，分別達到了12.65%和6.03%。從表3還可見，CM+CF處理的碳庫管理指數(shù)達最高值，并顯著高于其他處理，分別比CK，CF和CM處理明顯高出69.52，67.84，38.61；其次為CM處理，也顯著高于CF處理，而CF處理與CK無顯著性差異。綜上，牛糞處理的總有機碳、3種活性有機碳含量與碳庫管理指數(shù)相比對照和單施化肥均得到了顯著提升，這表明施用牛糞既能提高土壤有機碳數(shù)量，還能改善土壤有機碳質(zhì)量，有利于提高土壤的綜合生產(chǎn)力。

表3 不同處理對農(nóng)田土壤活性有機碳與碳庫管理指數(shù)的影響

3 討 論

施肥對農(nóng)田土壤理化性狀具有明顯的作用效果[17]。本研究表明，通過連續(xù)3 a的大田試驗，不同施肥措施使農(nóng)田土壤養(yǎng)分發(fā)生了顯著變化。首先，牛糞與化肥配施處理使土壤pH值顯著低于其他處理，而土壤pH值能直接影響土壤養(yǎng)分的存在狀態(tài)、轉(zhuǎn)化和有效性，對農(nóng)作物的生長發(fā)育有直接的影響。究其原因可能在于牛糞配施化肥可以明顯增強農(nóng)作物的根系活性，進而能刺激根系產(chǎn)生較多的根系分泌物[9]。有研究發(fā)現(xiàn)[18]，根系分泌物中含有一定量的有機酸。可見，牛糞配施化肥處理可能明顯提高了根系分泌物中有機酸含量，進而導致土壤pH值的下降，這可能是配施牛糞處理降低土壤pH值的機理之一[19]。有文獻表明[20]，土壤pH值降低可以促進土壤P，K與部分鹽類離子的溶解，可能是牛糞配施化肥處理具有較高的速效磷、速效鉀含量的主要原因之一，這有助于提高土壤中養(yǎng)分離子的有效性。

諸多學者研究認為[5,21-22]，單施有機肥或有機—無機肥配施可以提高土壤細菌、真菌和微生物總量。這一結(jié)論在本試驗中也得到了證實：施用牛糞的2個處理使農(nóng)田土壤細菌數(shù)、真菌數(shù)和微生物總量均明顯高于對照、單施化肥處理。這表明牛糞的施入可以促進農(nóng)田土壤微生物的生長發(fā)育，其原因可能在于大部分微生物在農(nóng)田土壤中實際上處于低營養(yǎng)狀態(tài)[20]，當牛糞加入土壤后，可為微生物提供新能源，使其在種群數(shù)量上發(fā)生明顯改變；同時，牛糞本身也帶入了大量活的微生物[9]，起到了“接種”作用。本試驗還得出，施用牛糞處理對農(nóng)田土壤的放線菌數(shù)影響較小，相比對照、單施化肥處理均無顯著性差異，而井大煒等[17]針對豇豆的研究則認為，蚯蚓糞與化肥配施處理能顯著提高土壤放線菌數(shù)。這與本研究結(jié)果不完全一致，造成這一差異可能與作物種類、肥料特性、試驗周期等因素有關(guān)。

一個群落中物種類型數(shù)越多，各類型間分布比例越均勻，該群落的生物多樣性指數(shù)就越高[9]。本研究中，單施化肥處理的微生物多樣性指數(shù)明顯低于對照，這與微生物總量的變化規(guī)律不一致。分析其原因可能是由于不同施肥處理使農(nóng)田土壤環(huán)境對各類微生物的影響效果存在差異，可能僅適宜某一類或幾類微生物的生長，而對其他類微生物則并無作用[7]，導致土壤微生物多樣性指數(shù)與微生物總量的變化趨勢不同步。本研究還發(fā)現(xiàn)，施用牛糞的2個處理的微生物多樣性指數(shù)明顯高于單施化肥處理，其原因在于雖然單施化肥與牛糞處理的養(yǎng)分總用量相等，但前者在農(nóng)田土壤中釋放迅速，高濃度的氮、磷與鉀可能會抑制固氮菌、磷細菌與鉀細菌的生長繁殖[19-24]，從而會降低微生物群落的豐富度。說明牛糞的施用能顯著提高農(nóng)田土壤微生物群落的豐富度，進一步印證了施用牛糞措施在提高農(nóng)田土壤微生物數(shù)量與微生物多樣性指數(shù)方面的作用效果顯著優(yōu)于單施化肥。

研究土壤活性有機碳與碳庫管理指數(shù)的變化規(guī)律，可進一步明確土壤管理與施肥的科學性[12-13]。本試驗中，施用牛糞處理相比對照和單施化肥能顯著提高農(nóng)田土壤中高活性、中活性和低活性有機碳含量與碳庫管理指數(shù)，這與葉桂梅等[23]對楊樹幼苗的研究結(jié)論基本一致。這可能與施加牛糞能顯著提高農(nóng)田土壤微生物數(shù)量和微生物多樣性有關(guān)，有利于進入土壤的根系分泌物與有機殘體數(shù)量的增加[19]，進而促進活性有機碳的生成，并提高碳庫管理指數(shù)；也可能與牛糞能為農(nóng)田土壤直接提供有機碳源，進而增加土壤的有機碳庫有一定關(guān)聯(lián)。此外，本試驗研究中，在施用牛糞的2個處理中，牛糞與化肥配施處理對農(nóng)田土壤生物學性狀的改善效果顯著優(yōu)于牛糞處理，這可能與配施處理有助于協(xié)調(diào)土壤的C/N比，并且化肥又彌補了土壤中消耗的氮[25]，進而更利于改善土壤生態(tài)環(huán)境有密切關(guān)聯(lián)。

4 結(jié) 論

牛糞與化肥配施處理能顯著提高農(nóng)田土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量和部分微量元素的有效性，降低了pH值；明顯增加了土壤微生物數(shù)量與微生物量碳、氮含量；同時，牛糞配施化肥處理的微生物多樣性指數(shù)最高，并與微生物總量的變化趨勢一致，而單施化肥與對照處理的微生物多樣性指數(shù)與微生物總量的變化趨勢不一致。此外，牛糞配施化肥處理的低活性有機碳含量和碳庫管理指數(shù)亦顯著高于其他處理。與牛糞配施化肥處理相比，牛糞處理對農(nóng)田土壤的影響效果較小。牛糞與化肥配施能顯著改善德州市農(nóng)田土壤的生物學性狀，有利于提升土壤肥力和增強供肥性。

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EffectsofDifferentFertilizationMeasuresonSoilBiologicalCharacteristicsinFarmlandofDezhouCity

FU Xiuyong, JING Dawei, DUAN Xiaochen, LIU Fen

(CollegeofResources,EenvironmentandPlanning,DezhouUniversity,Dezhou,Shandong253023,China)

[Objective] Exploring the effect of different fertilization measures on soil biological characteristics in the farmland of Dezhou City, Shandong Province, in order to provide theoretical basis for the fertilization of farmland and reasonable plantation of crops. [Methods] A field experiment including four treatments, i. e. CK (neither urea nor cattle manure was applied), CF (100% of nitrogen was provided by urea), CM (100% of nitrogen was provided by cattle manure), and CM+CF (50% and 50% of nitrogen was provided by cattle manure and urea, respectively) was performed. The study was conducted to determine the effects of different treatments on soil nutrients, microbial population, microbial diversity index, active organic carbon and carbon pool management index in the farmland of Dezhou City. [Results] CM+CF treatment significantly increased available nitrogen, available phosphorus, available potassium and trace element contents, but decreased the pH value in the farmland soil. The microorganism population and contents of microbial biomass carbon and microbial biomass nitrogen were obviously increased by the use of CM+CF treatment. For bacteria quantity, it increased by 91.22%, 65.47% and 17.11%, respectively, as compared with the treatments of CK, CF and CM. Meanwhile, the microbial diversity index was also found having the highest value in the CM+CF treatment, it had the same variation tendency as total microbial population had. However, the microbial diversity indices and microbial population had different variation tendency between CF and CK treatments. Additionally, the inertly organic carbon content and carbon pool management index in CM+CF treatment were also significantly higher than those of other treatments, indicating carbon pool management index increases by 69.52, 67.84 and 38.61, respectively, as compared with the treatments of CK, CF and CM. However, less effect on farmland soil in CM treatment was observed in comparison with the one in CM+CF treatment. [Conclusion] Cattle manure co-applied with inorganic fertilizer could significantly improve soil biological characteristics in the farmland of Dezhou City, which was beneficial to increase soil fertility and enhance nutrient supplying capability.

farmlandsoil;cattlemanure;microbialdiversity;activeorganiccarbon;carbonpoolmanagementindex

A

1000-288X(2017)05-0076-05

S157.3

文獻參數(shù)： 付修勇, 井大煒， 段曉塵，等.不同施肥措施對德州市農(nóng)田土壤生物學性狀的影響[J].水土保持通報，2017,37(5)：76-80.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.013； Fu Xiuyong, Jin Dawei, Duan Xiaochen, et al. Effects of different fertilization measures on soil biological characteristics in farmland of Dezhou City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：76-80.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.013

2017-06-01

2017-07-06

山東省軟科學研究計劃“自然資源脅迫下的山東省節(jié)約型社會發(fā)展模式研究”(2009RKB578)

付修勇(1964—),男(漢族),山東省禹城市人,本科，教授,主要從事自然資源與環(huán)境研究。E-mail:fuxy640724@163.com。