沈冰濤，張孝倩，陳紅，江旭聰

李孝良，汪建飛，肖新

安徽科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，安徽 鳳陽 233100

砂姜黑土是淮北平原主要土壤類型之一，占淮北平原總耕地面積的2/3，達(dá)到180萬公頃左右，土地生產(chǎn)率低下，作物產(chǎn)量低且不穩(wěn)定[1]。由于養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)分離，種植戶失去了有機(jī)肥的來源，從而使化肥施用量持續(xù)增加。長期不合理地過量施用化肥，導(dǎo)致土壤失去可耕作性，增產(chǎn)效果不顯著，且造成嚴(yán)重農(nóng)業(yè)面源污染[2]。研究表明，長期單施化肥可使土壤酸化、板結(jié)、含水量降低、土壤養(yǎng)分流失，且過量施用化肥會加劇上述問題[3]。面對這種情況，國內(nèi)外學(xué)者做了許多研究，發(fā)現(xiàn)施用有機(jī)肥可達(dá)到改善土壤理化性質(zhì)、提高土壤酸堿緩沖性、促進(jìn)酶活性提高等效果，也能緩解由于過量施用化肥帶來的土壤酸化、鹽漬化、養(yǎng)分流失等問題[4～9]。宇萬太等[10]研究表明，施用有機(jī)肥可以顯著提高土壤中有效養(yǎng)分。邢鵬飛等[2]研究表明，有機(jī)肥替代部分無機(jī)肥后可明顯提高小麥產(chǎn)量。因此，開展有機(jī)肥替代化肥研究對指導(dǎo)合理施肥和維持土壤可持續(xù)利用具有指導(dǎo)意義。

目前，圍繞淮北平原砂姜黑土的相關(guān)研究主要集中在生物炭與秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響[11～13]。而關(guān)于淮北平原有機(jī)肥替代化肥對麥田土壤肥力特征研究相對較少。為此，本研究以安徽省沿淮淮北地區(qū)砂姜黑土為研究對象，探討了以有機(jī)肥替代化肥的合適替代比例及不同替代比例下對土壤養(yǎng)分、土壤酶活性的影響，以為沿淮地區(qū)麥田合理施肥提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種：煙農(nóng)15；供試土壤的理化性狀：有機(jī)質(zhì)含量8.90g/kg，全氮含量0.57g/kg，堿解氮含量50.03mg/kg，速效磷含量10.16mg/kg，速效鉀含量168.05mg/kg，pH 8.15；供試肥料：亳州司爾特生態(tài)肥業(yè)有限公司提供的化肥，安徽養(yǎng)地生態(tài)科技有限公司提供的有機(jī)肥料。施肥種類:復(fù)合肥(含氮(N) 15g/100g，磷(P2O5)15g/100g，鉀 ( K2O )15g/100g)；豬糞有機(jī)肥總養(yǎng)分( N + P2O5+ K2O) 含量≥5g/100g，有機(jī)質(zhì)含量≥45g/100g。

1.2 試驗(yàn)方法

表1 各處理的施肥用量

試驗(yàn)于2017年11月15日至2018年6月9日在安徽省亳州市利辛縣進(jìn)行，試驗(yàn)地位于淮北平原，土壤類型為砂姜黑土。氣候?qū)儆谂瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候，年平均降雨量800mm，年平均氣溫14.7℃。試驗(yàn)共設(shè)5個施肥處理，3次重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)采用隨機(jī)分布，共15個小區(qū)。分別為CK(不施肥料) 、UF(100%化肥)、OF20(20%有機(jī)肥+80%無機(jī)肥)、OF40(40%有機(jī)肥+60%無機(jī)肥)、OF100(100%有機(jī)肥) 5種處理，面積分別是340m2(5m×68m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)、720m2(10m×72m)，小區(qū)間均以寬為0.5m的埂隔開，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一樣，直至收獲。不同處理每個小區(qū)施肥用量詳見表1。

1.3 樣品采集與處理

土壤樣品于小麥?zhǔn)斋@期(2018年6月9日)進(jìn)行采集。各小區(qū)均統(tǒng)一采取S形布點(diǎn)法取5個采樣點(diǎn)，用取土器取0～20cm耕作層土樣，剔除石礫、可見植物殘體等雜物后混勻樣品，部分樣品于4℃冰箱保存鮮樣，預(yù)處理后用于微生物特性的測定，另一份土樣風(fēng)干分別過1mm和0.25mm篩用于測定土壤化學(xué)特性，土樣單獨(dú)保存。

1.4 測定項(xiàng)目方法及數(shù)據(jù)處理

1.4.1 土壤基本化學(xué)特性的測定

土壤pH采用電位法測定，土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀法-外加熱法，堿解氮含量測定采用擴(kuò)散滴定法，全氮含量測定采用濃硫酸消煮-半微量開氏法，速效磷含量測定采用0.5mol/L NaHCO3浸提分光光度法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[14]。

1.4.2 土壤微生物特性的測定

土壤脲酶活性含量測定采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法，以24h每克土壤中產(chǎn)生的NH3-N的毫克數(shù)表示；土壤堿性磷酸酶活性含量測定采用磷酸苯二鈉法，以24h后1g土壤中釋放出的酚的質(zhì)量(mg)表示；過氧化氫酶活性含量測定采用高錳酸鉀滴定法，以每克土1min消耗的0.02mol/L的KMnO4體積表示；蔗糖酶活性用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24h每克土生成的葡萄糖毫克數(shù)表示[15]。為消除誤差和土壤中其他因素的影響，每樣重復(fù)3次，同時做無土和無基質(zhì)2種對照。

1.4.3 產(chǎn)量

小麥產(chǎn)量在測產(chǎn)區(qū)每個小區(qū)取中間3行的小麥?zhǔn)崭詈筮M(jìn)行測產(chǎn)，然后換算為單位面積產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

用Excel 2010軟件處理數(shù)據(jù)和繪表，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代化肥處理對土壤pH和養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 有機(jī)肥替代化肥對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量和pH的影響

從表2可以看出，與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高，分別提高了16.70%、22.09%、21.41%、30.38%，其中以純有機(jī)肥處理的效果最好。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的有機(jī)質(zhì)含量分別提高了4.61%、4.03%、11.72%(P<0.05)，這表明增施有機(jī)肥可提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤全氮含量分別提高3.27%、4.92%、4.92%、9.84%(P>0.05)。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤全氮含量分別提高1.59%、1.59%、6.35%。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、F100處理的土壤pH分別降低0.12%、1.11%、0.99%、0.37%。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤pH分別降低0.99%、0.86%、0.25%，說明有機(jī)肥施用對砂姜黑土偏堿環(huán)境有一定緩沖作用。

表2 不同處理下的土壤pH和養(yǎng)分含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，表3同。

2.1.2 有機(jī)肥替代化肥對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

有機(jī)肥替代化肥處理對小麥土壤養(yǎng)分的影響結(jié)果見表2。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤堿解氮含量分別提高17.45%、24.95%、5.99%、7.30%，達(dá)到顯著性差異水平(P<0.05)。與單施化肥處理相比，OF20處理的堿解氮含量提高6.39%，達(dá)到顯著性差異水平。UF、OF20、OF40、OF100處理的速效磷含量與不施肥處理相比，分別提高15.73%、18.41%、16.26%、20.55%，差異達(dá)到顯著性水平。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的土壤速效磷含量分別提高2.31%、0.46%、4.17%，各處理之間差異不顯著。施肥與不施肥組處理相比，UF、OF20、OF40、OF100速效鉀含量分別提高3.79%、6.07%、5.31%、6.83%(P<0.05)，有機(jī)肥替代化肥與單施化肥處理組相比，OF20、OF40、OF100速效鉀含量分別提高2.20%、1.46%、2.92%(P<0.05)。

2.2 有機(jī)肥替代化肥處理對土壤酶活性的影響

2.2.1 有機(jī)肥替代化肥對土壤過氧化氫酶活性的影響

由圖1可知， UF、OF20、OF40、OF100處理與不施肥處理相比，過氧化氫酶活性分別提高1.05%、4.21%、4.73%、3.68%(P>0.05)。與單施化肥處理相比，OF20、OF40、OF100處理的過氧化氫酶活性分別提高3.12%、3.64%、2.60%，各處理間沒有表現(xiàn)出顯著性差異水平?？梢?，適當(dāng)施用有機(jī)肥可以使土壤過氧化氫酶活性維持在較高水平，減少過氧化氫對植株毒害作用。在有機(jī)肥替代化肥處理中，OF40處理相對于其他有機(jī)肥替代化肥處理效果略微增加，但沒有表現(xiàn)出顯著性差異。

圖1 不同處理下的土壤過氧化氫酶活性

2.2.2 有機(jī)肥替代化肥對土壤蔗糖酶活性的影響

由圖2可見，施肥與不施肥處理均可提高土壤蔗糖酶活性，施肥處理與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的蔗糖酶活性分別提高12.34%、15.09%、7.64%、22.48%(P<0.05)。與單施化肥處理相比，OF20處理蔗糖酶活性提高2.44%，OF40處理的蔗糖酶活性降低4.18%，沒有表現(xiàn)出顯著性差異。OF100處理與單施化肥處理相比，蔗糖酶活性提高9.02%(P<0.05)?？梢?，增施有機(jī)肥可以部分提高土壤蔗糖酶活性。

圖2 不同處理下的土壤蔗糖酶活性

2.2.3 有機(jī)肥替代化肥對土壤磷酸酶活性的影響

由圖3可以看出，不同施肥處理的磷酸酶活性都顯著高于CK，其中UF、OF20、OF40、OF100處理的磷酸酶活性分別比CK處理提高22.62%(P<0.05)、24.05%(P<0.05)、23.15%(P<0.05)、2.87%(P>0.05)。有機(jī)肥替代化肥處理與單施化肥處理相比，OF20、OF40處理的磷酸酶活性分別增加1.17%、0.43%(P>0.05)，OF100處理磷酸酶活性降低16.11%(P<0.05)。

圖3 不同處理下的土壤磷酸酶活性

2.2.4 有機(jī)肥替代化肥對土壤脲酶活性的影響

由圖4可以看出，施肥處理與不施肥處理相比，土壤脲酶活性均有所增加，其中UF、OF20、OF40、OF100處理的土壤脲酶活性分別提高9.21%、3.35%、18.39%、28.41%，OF100處理增加得最明顯。有機(jī)肥替代化肥與單施化肥處理比較，OF40、OF100處理的脲酶活性分別提高8.41%、17.59%(P<0.05)，OF20處理降低5.36%(P>0.05)。可見，化肥中配施一定量的有機(jī)肥，可以提高土壤脲酶活性。

圖4 不同處理下的土壤脲酶活性

2.3 有機(jī)肥替代化肥對小麥產(chǎn)量的影響

由表3可知，施肥處理的小麥產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著高于未施肥處理。與不施肥處理相比，UF、OF20、OF40、OF100處理的產(chǎn)量分別增加61.72%、64.73%、56.65%、42.38%(P<0.05)。與單施化肥處理，OF20處理的產(chǎn)量提高了1.86%。對產(chǎn)量構(gòu)成因素分析可知，有機(jī)肥替代化肥處理主要是通過增加有效穗數(shù)和穗粒數(shù)來提高小麥產(chǎn)量，與不施肥處理相比有效穗數(shù)和穗粒數(shù)分別提高了51.99%、12.46%，與單施化肥處理相比分別提高了1.43%、3.78%。對千粒重的影響不顯著，說明在麥田配施一定量有機(jī)肥能夠增加有效分蘗，提高有效穗數(shù)和穗粒數(shù)，有利于產(chǎn)量三要素的協(xié)同提高，從而增加小麥產(chǎn)量。

表3 不同處理下的小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

3.1.1 有機(jī)肥替代化肥對土壤養(yǎng)分的影響

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不合理地大量施用化肥，導(dǎo)致肥料利用率低，大量的養(yǎng)分流失在農(nóng)村的地表水源中，造成了土壤質(zhì)量下降和水污染等問題。如何在維持農(nóng)作物高產(chǎn)的同時提高肥料的利用效率，逐漸成為農(nóng)業(yè)熱點(diǎn)問題[16]?；示哂蟹市п尫趴?、容易被作物吸收利用等特點(diǎn)，而有機(jī)肥肥效緩慢，不能及時滿足作物關(guān)鍵生育時期對養(yǎng)分的需求[17]，若采取有機(jī)肥替代部分化肥使用，可滿足作物生長需求并獲得減量增效的效果[18]。

本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥部分替代化肥處理中(OF20、OF40、OF100)的全氮含量比UF處理有所提高。堿解氮含量OF20處理也高于UF處理。前人研究也表明有機(jī)肥部分施入土壤有助于土壤氮素的積累[10]。此外，OF20、OF40和OF100處理的速效磷、速效鉀含量也高于UF處理，說明有機(jī)肥適當(dāng)替代比例的化肥會提高土壤速效養(yǎng)分。Jun等[19]研究結(jié)果也證實(shí)，施入適當(dāng)有機(jī)肥有助于提高土壤中速效磷、速效鉀含量。

本研究結(jié)果還表明，有機(jī)肥施用量越高，土壤中有機(jī)質(zhì)含量越高，OF20、OF40、OF100處理的有機(jī)質(zhì)含量都高于UF處理。施用有機(jī)肥導(dǎo)致偏堿土壤pH略有降低。邢鵬飛等[2]研究也表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著施入有機(jī)肥比例的增加而相對增加，這與本研究結(jié)果一致。李靜等[20]研究表明，施用有機(jī)肥和化肥都能使土壤pH降低，有機(jī)肥替代化肥處理相對單施化肥處理，對于偏堿土壤降低程度高，這與本研究結(jié)果一致。因此，有機(jī)肥適當(dāng)替代化肥可以顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量，降低偏堿土壤pH。

3.1.2 有機(jī)肥替代化肥對土壤酶活性的影響

土壤酶作為土壤生物活性及土壤地力的重要組成部分，土壤中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)都在土壤酶活動參與下進(jìn)行完成的，根據(jù)土壤酶活性的高低，可以了解土壤生化反應(yīng)的程度。有機(jī)肥替代化肥對土壤酶活性將產(chǎn)生不同的影響。研究表明，施用有機(jī)肥可以提高土壤中相關(guān)酶的活性[21]。

本研究結(jié)果表明，OF20、OF40、OF100處理的過氧化氫酶活性都高于UF處理，有機(jī)肥替代化肥處理中以O(shè)F40處理最高，說明適當(dāng)施入有機(jī)肥對過氧化氫酶活性效果處理較好。這與魯耀雄[22]研究結(jié)果相似。蔗糖酶活性隨著有機(jī)肥比例增大而增強(qiáng)，說明蔗糖酶活性與有機(jī)肥施入量密切相關(guān)，邱珊蓮等[23]也得出相似結(jié)論。UF20、OF40處理比UF處理磷酸酶活性提高要快，魯艷紅等[24]研究表明，紅壤水稻土壤化肥與有機(jī)肥配合施用可以提高磷酸酶活性，本研究結(jié)果與此相似。OF100處理相對UF處理有所降低，說明不同施肥、土壤類型對磷酸酶的活性有較大影響，磷酸酶在土壤中的變化規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。脲酶能促進(jìn)土壤中酰胺肽鍵的水解，生成植物根系可吸收利用的氨，可用于評價土壤的供氮能力[25]。有機(jī)肥替代化肥處理脲酶活性相對于單施化肥處理，以O(shè)F40、OF100處理的提高效果比較明顯，OF20處理后脲酶活性有所降低，這與林誠等[26]長期定位試驗(yàn)中秸稈和糞肥可以大幅度提高脲酶活性的結(jié)論不同，說明施用有機(jī)肥時間短可能對脲酶活性的影響效果不太明顯。

3.1.3 有機(jī)肥替代化肥對小麥產(chǎn)量的影響

化肥肥效快、容易被作物吸收，而有機(jī)肥肥效緩慢，不能及時滿足作物關(guān)鍵生育時期對養(yǎng)分的大量需求。本研究結(jié)果表明，采用有機(jī)肥部分替代化肥處理，降低了化肥的使用量，但小麥產(chǎn)量沒有大幅度波動，OF20處理理論上產(chǎn)量有所提高，較單施化肥處理提高1.86%，未達(dá)到顯著性差異。有機(jī)肥替代化肥處理(OF20)的單位面積穗粒數(shù)和有效穗數(shù)較高，千粒重略有降低。OF40和OF100處理相比，UF處理有所降低，但未達(dá)到顯著性差異水平。溫延臣等[27]研究表明，采取有機(jī)肥適當(dāng)替代化肥施用，養(yǎng)分能協(xié)調(diào)平衡供應(yīng)，可適當(dāng)滿足作物生產(chǎn)需求和獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，同時適當(dāng)減少化肥用量，這與本研究結(jié)果相似。

3.2 結(jié)論

1)有機(jī)肥替代20%化肥處理對土壤中有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀的含量影響顯著。有機(jī)肥替代20%化肥對土壤全氮、速效磷含量也有影響，短期內(nèi)差異效果不顯著。有機(jī)肥對調(diào)節(jié)土壤酸堿性，短期內(nèi)效果不顯著。

2)有機(jī)肥替代20%化肥能對土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、磷酸酶活性產(chǎn)生影響。蔗糖酶活性大致隨著有機(jī)肥投入的量多少，活性也相應(yīng)提高。通過施入有機(jī)肥提高過氧化氫酶活性的效果不明顯，但相對單施化肥來考慮，略有增加趨勢。磷酸酶活性在有機(jī)肥替代化肥處理中，以O(shè)F20處理效果較好。

3)不同有機(jī)肥替代化肥比例對小麥產(chǎn)量影響顯著，有機(jī)肥替代20%化肥處理，小麥產(chǎn)量高于單施化肥處理，相對其他處理，從整體上看，OF20處理對提高小麥產(chǎn)量和土樣養(yǎng)分及酶活性效果最佳。

4)總的來看，適當(dāng)比例有機(jī)肥替代化肥處理既能保證作物產(chǎn)量，又能在一定程度上提高土壤肥力和酶活性。本研究結(jié)果顯示，有機(jī)肥替代20%化肥能夠獲得較高小麥產(chǎn)量，有機(jī)肥替代20%和40%化肥更能保持土壤肥力和酶活性，但不一定是最優(yōu)替代比例，要保持較高的土壤肥力和酶活性的有機(jī)肥與化肥替代比例，則需要長時間的進(jìn)一步研究和探討。