逄 娜，程 松，張水梅，袁靜超，劉劍釗，劉松濤，任 軍，梁 堯，蔡紅光

(1.延邊大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 延吉 133002；2.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)部東北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033)

土壤是重要的自然資源，是人類賴以生存和發(fā)展的巨大碳氮庫(kù)和生物庫(kù)，支撐著作物生產(chǎn)[1]。土壤肥力決定著作物產(chǎn)量高低與品質(zhì)優(yōu)劣[2]。施用有機(jī)肥是提升土壤肥力的重要途徑[3]。中國(guó)農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富，將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為土壤肥力和作物所需的養(yǎng)分是循環(huán)農(nóng)業(yè)的重要環(huán)節(jié)，也是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的基礎(chǔ)[4-5]。當(dāng)前，以農(nóng)業(yè)廢棄物為來(lái)源的有機(jī)肥在全國(guó)有著較大面積的應(yīng)用，且種類多樣，明確不同種類有機(jī)肥還田對(duì)土壤肥力的提升作用是實(shí)現(xiàn)土壤高效培肥的前提與基礎(chǔ)。

有機(jī)肥還田后可顯著提升土壤有機(jī)碳含量與養(yǎng)分供應(yīng)能力[6]。土壤酶活性作為評(píng)價(jià)土壤肥力高低的重要指標(biāo)，與土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化及養(yǎng)分有效性密切相關(guān)[7]。單施化肥對(duì)土壤酶活性無(wú)顯著影響，但配施有機(jī)肥后可以顯著提高土壤蔗糖酶活性[8]。玉米秸稈還田后礦化釋放的養(yǎng)分，可顯著提高土壤纖維素酶和脲酶活性[9]，豬糞、牛糞等禽畜糞肥還田可促進(jìn)土壤生物活性，提高土壤蔗糖酶、脲酶和過(guò)氧化氫酶活性[10-11]。由于土壤類型、有機(jī)肥品質(zhì)等因素的差異，不同種類有機(jī)肥還田后土壤酶活性的變化各異。

東北黑土土質(zhì)肥沃、結(jié)構(gòu)良好，為保障區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢(shì)。但多年來(lái)不合理利用導(dǎo)致黑土肥力退化趨勢(shì)明顯，已引起全社會(huì)的廣泛關(guān)注。東北地區(qū)年均畜禽糞便年產(chǎn)量近5億t[12]，同時(shí)，東北黑土區(qū)作為我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)，秸稈資源豐富，年均玉米秸稈產(chǎn)量達(dá)1.7億t[13]，實(shí)施有機(jī)培肥是改善黑土肥力退化現(xiàn)狀、提升黑土可持續(xù)生產(chǎn)力的有效措施[14]。因此，綜合評(píng)價(jià)不同種類有機(jī)肥還田對(duì)黑土肥力與玉米產(chǎn)量的影響，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)黑土有機(jī)培肥與農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用具有重要意義。本研究基于多年田間定位試驗(yàn)，探討玉米秸稈與禽畜糞肥等不同種類有機(jī)肥還田對(duì)土壤有機(jī)碳、速效養(yǎng)分與酶活性等肥力因子的影響及多年玉米產(chǎn)量的動(dòng)態(tài)變化，為建立東北黑土有機(jī)培肥技術(shù)體系、提升黑土肥力與健康提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本試驗(yàn)位于吉林省公主嶺市吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(E124°48′33.8″，N43°30′23″)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫4～5 ℃，年均降水量450～650 mm，年均日照2 743 h，年均有效積溫2 600～3 000 ℃，無(wú)霜期110～140 d，土壤類型為中層黑土。試驗(yàn)起始于2011年秋季，試驗(yàn)前該區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)為0～20 cm土層：有機(jī)碳16.5 g/kg、全氮1.56 g/kg、全磷0.54 g/kg、全鉀18.0 g/kg、pH值6.20，20～40 cm土層：有機(jī)碳13.9 g/kg、全氮1.34 g/kg、全磷0.41 g/kg、全鉀17.5 g/kg、pH值6.21。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)起始于2011年秋季，共設(shè)置5個(gè)處理，分別為單施化肥(NPK)、化肥配施玉米秸稈(NPK+ST)、化肥配施牛糞(NPK+NF)、化肥配施雞糞(NPK+JF)和化肥配施豬糞(NPK+ZF)，每個(gè)處理3次重復(fù)，各小區(qū)面積104 m2。各處理年均化肥施用量為N 200 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，40%氮肥和全部磷、鉀肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔節(jié)期追施。配施玉米秸稈處理為小區(qū)當(dāng)年秸稈全部還田，配施畜禽糞肥處理各有機(jī)肥年均投入量為15 000 kg/(hm2·a)，于秋收后撒施于地表，經(jīng)旋耕混入0～15 cm土層，翌年春季使用免耕施肥播種機(jī)進(jìn)行施肥與播種，采用玉米連作-平播耕種方式，品種為先玉335，種植密度為6萬(wàn)/hm2。供試有機(jī)肥養(yǎng)分性狀列于表1。2012-2016年，試驗(yàn)區(qū)玉米生長(zhǎng)季(5-9月)降雨量如圖1。

表1 供試有機(jī)肥養(yǎng)分性狀Tab.1 Basic properties of organic manure

圖1 2012-2016年試驗(yàn)區(qū)玉米生長(zhǎng)季降雨量Fig.1 Rainfall during maize grow season in experimental site from 2012 to 2016

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定

土壤樣品于2016年玉米收獲后采集，采用五點(diǎn)采樣法，用土鉆分別采集0～20 cm，20～40 cm土層土壤樣品，剔除動(dòng)、植物殘?bào)w和石塊，風(fēng)干后過(guò)2 mm篩待測(cè)。土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)采用常規(guī)分析法測(cè)定[15]，土壤活性有機(jī)碳采用KMnO4氧化法測(cè)定[16]，即能被濃度為333 mmol/L KMnO4氧化的有機(jī)碳，為活性有機(jī)碳。土壤酶活性采用關(guān)松蔭[17]和吳金水等[18]的方法，即脲酶利用靛酚藍(lán)比色法(NH3-N mg/(g·d)，37 ℃)，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法(苯酚μmol/(g·d)，37 ℃)，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法(葡萄糖mg/(g·d)，37 ℃)，纖維素酶采用蒽酮比色法(葡萄糖 mg/(g·d)，37 ℃)。

1.4 產(chǎn)量測(cè)定

2012-2016年，玉米成熟期進(jìn)行籽粒產(chǎn)量的測(cè)定，各小區(qū)按13 m2取樣，以14%含水量折算玉米籽粒產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 23.0進(jìn)行Duncan′s多重比較，Origin 2018進(jìn)行圖表的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥配施有機(jī)肥處理玉米產(chǎn)量的年際間變化

化肥配施有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響如表2所示，各處理玉米產(chǎn)量年際間呈波動(dòng)變化。在試驗(yàn)開(kāi)始后的第1年(2012年)和第3年(2014年)，與NPK處理相比，各配施有機(jī)肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響不顯著。2013年，與NPK處理相比，NPK+ZF處理玉米產(chǎn)量得以顯著增加，其他處理玉米產(chǎn)量無(wú)顯著變化。2015年，NPK+ST處理玉米產(chǎn)量顯著高于NPK和NPK+NF處理，但NPK+NF、NPK+JF、NPK+ZF處理與NPK處理玉米產(chǎn)量間差異不顯著。2016年，化肥配施有機(jī)肥各處理玉米產(chǎn)量均顯著高于NPK處理，增幅為6.86%～19.4%，以NPK+ZF處理產(chǎn)量最高，顯著高于NPK+ST和NPK+JF處理，但與NPK+NF處理間無(wú)顯著差異。5 a玉米產(chǎn)量平均值的高低表現(xiàn)為NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK+NF>NPK，與NPK處理相比，各處理的增幅分別為11.70%，9.93%，6.17%，4.82%。

2.2 化肥配施有機(jī)肥處理土壤有機(jī)碳與活性有機(jī)碳含量的變化

化肥配施不同種類有機(jī)肥處理對(duì)0～20 cm土層土壤有機(jī)碳含量有不同程度的影響，如圖2-A所示，與NPK處理相比，化肥配施有機(jī)肥增加了土壤有機(jī)碳含量，其中NPK+NF和NPK+ZF處理土壤有機(jī)碳含量的增加達(dá)到顯著水平，增幅為11.5%，11.1%。NPK+ST和NPK+JF處理對(duì)該土層土壤有機(jī)碳含量的影響不顯著。各處理20～40 cm土層土壤有機(jī)碳含量間差異不顯著。與NPK處理相比，化肥配施有機(jī)肥顯著增加了0～20 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量(圖2-B)，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF各處理土壤活性有機(jī)碳含量的增幅分別為36.2%，39.2%，18.3%，35.4%，其中NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF三者間差異并不顯著，但均顯著高于NPK+JF處理。各處理20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳含量間差異不顯著。

表2 化肥配施有機(jī)肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Tab.2 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on maize yield t/hm2

柱上不同小寫(xiě)字母代表不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同。Different small letters above the bars represent significant difference between different treatments(P<0.05).The same as Fig.3.

2.3 化肥配施有機(jī)肥處理土壤pH值和速效養(yǎng)分含量的變化

化肥配施不同種類有機(jī)肥對(duì)土壤pH值的影響如表3所示。與NPK處理相比，化肥配施有機(jī)肥處理增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤pH值，以NPK+NF處理兩土層pH值的增加顯著，增幅分別為4.95%，4.71%。其他處理對(duì)兩土層pH值的影響均未達(dá)到顯著水平。與NPK處理相比，NPK+NF和NPK+JF處理對(duì)0～20 cm土層堿解氮含量的影響不顯著，NPK+ZF處理顯著增加了該土層堿解氮的含量，增幅為11.1%，NPK+ST處理堿解氮含量顯著下降，下降了10.8%；NPK+ZF和NPK+NF處理顯著增加了20～40 cm土層土壤堿解氮的含量，而NPK+ST和NPK+JF處理對(duì)該土層堿解氮含量的影響不顯著。與NPK處理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層速效磷含量，增幅分別為1.19，2.68，3.02倍，NPK+ST處理對(duì)該土層速效磷含量無(wú)顯著影響；NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了20～40 cm土層速效磷含量，增幅分別為1.20，1.73倍，NPK+ST和NPK+NF 2個(gè)處理對(duì)該土層速效磷含量無(wú)顯著影響。與NPK處理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層速效鉀含量，增幅分別為14.0%，16.2%，19.6%，NPK+ST處理對(duì)該土層速效鉀含量無(wú)顯著影響；NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF處理對(duì)20～40 cm土層速效鉀含量無(wú)顯著影響，NPK+ZF處理顯著增加了該土層速效鉀的含量，增幅為11.9%。

表3 化肥配施有機(jī)肥處理對(duì)土壤pH值和速效養(yǎng)分含量的影響Tab.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil pH and available nutrients contents

2.4 化肥配施有機(jī)肥處理土壤酶活性的變化

化肥配施不同種類有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性有不同程度的影響(圖3)。與NPK處理相比，NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層土壤纖維素酶活性，增幅分別為27.0%，29.3%，15.7%，NPK+JF對(duì)該土層土壤纖維素酶活性的影響不顯著(圖3-A)。各有機(jī)肥處理20～40 cm土層土壤纖維素酶活性的高低表現(xiàn)為：NPK+NF>NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK，與NPK相比，增幅分別為41.7%，33.2%，19.4%，5.42%。NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于NPK處理，增幅分別為54.8%，47.3%，126.0%，88.0%(圖3-B)，其中NPK+JF和NPK+ZF處理間該土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著，NPK+ST和NPK+NF 2個(gè)處理間0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著。在20～40 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理土壤蔗糖酶活性顯著高于NPK處理，增幅分別為26.8%，19.0%，19.3%，31.4%，配施有機(jī)肥處理間無(wú)顯著差異。

與NPK處理相比，NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層脲酶活性，增幅分別為16.0%，12.1%，NPK+ST和NPK+NF處理對(duì)該土層脲酶活性無(wú)顯著影響，NPK+JF處理脲酶活性顯著高于NPK+ST和NPK+NF處理，NPK+ZF、NPK+ST和NPK+NF處理脲酶活性間差異不顯著(圖3-C)。各處理20～40 cm土層土壤脲酶活性間無(wú)顯著差異。與NPK處理相比，化肥配施有機(jī)肥處理顯著增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤磷酸酶活性(圖3-D)。在0～20 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理磷酸酶活性分別增加87.9%，103.0%，92.8%，124.0%，其中NPK+ZF處理顯著高于NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF處理。在20～40 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理土壤磷酸酶活性的較NPK處理分別增加99.5%，94.9%，98.4%，96.9%，各有機(jī)肥處理間差異不顯著。

圖3 化肥配施有機(jī)肥處理對(duì)土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil enzyme activity

3 討論與結(jié)論

土壤有機(jī)碳是表征土壤肥力的重要指標(biāo)。增施有機(jī)肥是提升土壤有機(jī)碳水平的重要途徑。本研究結(jié)果表明，與單施化肥相比，連續(xù)5 a增施有機(jī)肥能夠增加0～20 cm土層土壤有機(jī)碳的含量，以化肥配施牛糞和配施豬糞處理對(duì)土壤有機(jī)碳的積累效果最顯著。土壤有機(jī)碳的積累與外源碳投入的數(shù)量和質(zhì)量直接相關(guān)，全量秸稈還田處理雖然碳投入量最高，但其較高的C/N比不利于微生物對(duì)其分解與利用[19]，導(dǎo)致其腐解與腐殖化過(guò)程較慢，對(duì)土壤有機(jī)碳含量的貢獻(xiàn)不如豬糞和牛糞。豬糞和牛糞中碳含量明顯高于雞糞，因此，二者對(duì)土壤有機(jī)碳含量的積累作用更加突出?；钚杂袡C(jī)碳在土壤中不穩(wěn)定、周轉(zhuǎn)速度較快，是土壤碳循環(huán)的關(guān)鍵動(dòng)力，成為植物營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源[20]。與單施化肥相比，增施有機(jī)肥顯著增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤活性有機(jī)碳的含量，不同有機(jī)肥處理間以化肥配施雞糞處理最低，由于雞糞的C/N比低，且其活性有機(jī)碳的遷移能力比豬糞、秸稈和牛糞低[21]。

與單施化肥相比，化肥配施秸稈對(duì)0～20 cm，20～40 cm土層養(yǎng)分有效性的影響均不顯著，這主要與秸稈氮磷鉀養(yǎng)分投入量較低，以及其較高C/N比所造成的土壤堿解氮消耗密切相關(guān)[22]。相比之下，牛糞、豬糞與雞糞處理對(duì)土壤速效養(yǎng)分含量的積累作用更加明顯?；逝涫┎煌N類有機(jī)肥處理下土壤速效養(yǎng)分的變化更多地取決于畜禽糞肥中養(yǎng)分含量。由此可見(jiàn)，與玉米秸稈全量還田相比，畜禽糞肥的施入更有助于提升土壤速效養(yǎng)分的供應(yīng)。值得注意的是，化肥配施不同種類有機(jī)肥對(duì)總有機(jī)碳和活性有機(jī)碳的影響主要集中于0～20 cm土層，而0～20 cm，20～40 cm土層土壤速效養(yǎng)分對(duì)不同種類有機(jī)肥處理均有顯著響應(yīng)，這與有機(jī)肥施用條件下土壤速效養(yǎng)分隨水向下運(yùn)移的特征有關(guān)[23]。

土壤酶積極參與土壤中各種生物化學(xué)反應(yīng)，其高低反映了土壤生物的活性與生化反應(yīng)的程度[24]。纖維素酶和蔗糖酶是表征土壤碳素轉(zhuǎn)化的速度與程度的指標(biāo)，化肥配施有機(jī)肥處理不同程度地增加了耕層纖維素酶和蔗糖酶的活性，由于有機(jī)肥的投入，為土壤微生物活動(dòng)提供了豐富的碳源底物，同時(shí)又增加了養(yǎng)分和能量，促進(jìn)了土壤相關(guān)酶活性的提高[25]。本研究中，化肥配施秸稈和配施牛糞處理耕層土壤纖維素酶活性顯著高于其他有機(jī)肥處理(除NPK+ST處理外)，主要由于秸稈與牛糞屬于植物來(lái)源，其纖維素含量較高[26]?；逝涫╇u糞和配施豬糞處理耕層土壤蔗糖酶含量較高，表明其土壤中高分子有機(jī)化合物更易被轉(zhuǎn)化為能夠被植物和土壤微生物吸收和利用的簡(jiǎn)單糖類[27]。農(nóng)作物秸稈為土壤提供有效的生物活性能量，攜帶大量纖維組分，提供反應(yīng)底物，另外玉米秸稈的C/N比較高，增加了碳源物質(zhì)，促進(jìn)微生物的繁殖，刺激了纖維素酶活性的提高[28-29]。牛糞中含有大量的微生物，土壤纖維素酶活性與微生物豐度有一定的相關(guān)性[30-31]。雞糞中含有70%的飼料未被發(fā)酵吸收，含有大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為蔗糖酶提供更多的酶促基質(zhì)[32-33]，而豬糞能夠增加土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量，有助于提高土壤蔗糖酶的活性[34-35]。脲酶參與土壤中氮素的轉(zhuǎn)化，本研究中，在0～20 cm土層脲酶活性以化肥配施雞糞和配施豬糞處理較高，表明二者更利于土壤速效氮素的釋放，從而保證植物的養(yǎng)分供應(yīng)。磷酸酶是土壤有機(jī)磷向無(wú)機(jī)磷的轉(zhuǎn)化過(guò)程的重要產(chǎn)物。本研究，化肥配施豬糞處理耕層土壤磷酸酶活性顯著高于其他有機(jī)肥處理，原因在于配施豬糞處理有更高的磷素輸入。

有機(jī)培肥對(duì)作物產(chǎn)量的提升效果取決于土壤肥力水平、有機(jī)肥的品質(zhì)及施用量[36]。本研究中，在2012-2015年，除個(gè)別年份化肥配施秸稈或配施豬糞處理玉米產(chǎn)量顯著高于單施化肥處理外，多數(shù)年份配施有機(jī)肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響不顯著，在有機(jī)培肥的第5年(2016年)，化肥配施有機(jī)肥各處理玉米產(chǎn)量均顯著高于單施化肥。可見(jiàn)，隨著有機(jī)肥施用年限的延長(zhǎng)，耕層土壤有機(jī)碳含量、速效養(yǎng)分供應(yīng)及酶活性等肥力因子得以明顯改善，從而促進(jìn)了玉米產(chǎn)量的大幅提升。這與張秀芝等[37]關(guān)于有機(jī)培肥后黑土玉米產(chǎn)量變化的結(jié)果相一致。從多年平均玉米產(chǎn)量來(lái)看，化肥配施有機(jī)肥比單施化肥處理有所增加，但秸稈全量還田或是增施有機(jī)肥處理平均玉米產(chǎn)量間無(wú)顯著差異。主要原因可能在于各種有機(jī)肥的投入量相對(duì)較低，仍需更長(zhǎng)時(shí)間尺度觀測(cè)玉米產(chǎn)量對(duì)不同種類有機(jī)物料處理差異響應(yīng)。

5 a連續(xù)培肥后，與單施化肥相比，化肥配施牛糞和配施豬糞處理顯著增加了耕層土壤有機(jī)碳及其活性組分的含量，而化肥配施秸稈或雞糞對(duì)有機(jī)碳的提升主要集中于其活性組分；化肥配施豬糞或雞糞對(duì)0～40 cm土層土壤速效養(yǎng)分的積累作用優(yōu)于配施牛糞或秸稈處理；化肥配施有機(jī)肥處理對(duì)0～20 cm，20～40 cm土層土壤纖維素酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的提高有積極作用，各種酶活性對(duì)不同種類有機(jī)肥的響應(yīng)程度各異。5 a間，各處理玉米產(chǎn)量呈現(xiàn)波動(dòng)變化，化肥配施有機(jī)肥處理的平均玉米產(chǎn)量比單施化肥處理增加4.82%～11.7%，其中，以化肥配施豬糞處理增幅最高。