劉嬌妹，李騰騰，張運(yùn)龍*，吳紅慧

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；2.北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計(jì)院有限公司，北京102600；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物營(yíng)養(yǎng)與施肥重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

隨著人口數(shù)量的日益增加，糧食需求持續(xù)上升，為了提高糧食產(chǎn)量，化肥的施用量在逐年增加。有研究發(fā)現(xiàn)，2009年中國(guó)化肥的總施用量占比高達(dá)世界的35%［1］?；蕦?duì)中國(guó)糧食產(chǎn)量的增加起到了舉足輕重的作用，貢獻(xiàn)率高達(dá)55%～57%，但是，化肥施用量的增加以及施用方式的不合理引發(fā)了土壤的質(zhì)量問(wèn)題，同時(shí)對(duì)環(huán)境也造成了破壞［2-3］。有機(jī)肥施用在我國(guó)具有比較悠久的歷史，有機(jī)肥是比較全面的肥料，不僅含有植物所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素，還有豐富的有機(jī)養(yǎng)分。此外，作物秸稈儲(chǔ)存一半以上的光合產(chǎn)物，其還田后不僅提供土壤養(yǎng)分，更重要的是將碳元素歸還到土壤中，且我國(guó)每年產(chǎn)生的秸稈約占世界秸稈總產(chǎn)量的1/4［4］。李明德等［5］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與化肥配施可以減少10%～20%的氮、磷、鉀化肥用量。盡管我國(guó)有機(jī)肥和秸稈資源巨大，但是并未被充分利用，化肥減量配施后有機(jī)肥或秸稈既能提高資源的有效利用，又能實(shí)現(xiàn)減肥的目的。

目前，關(guān)于化肥減施后配施有機(jī)肥或秸稈對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力的研究結(jié)果并不一致。與常規(guī)施用化肥相比，化肥減量配施有機(jī)肥后可維持作物的產(chǎn)量不降低［6］。但也有研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代50%化肥后較化肥顯著降低了小麥和玉米的產(chǎn)量［7］。陜西楊凌20年的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)證實(shí)，有機(jī)肥較化肥顯著提高土壤全氮含量46%～55%［8］。農(nóng)傳江等［9］通過(guò)3年的田間定位試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)施用化肥相比，化肥減量20%配施有機(jī)肥后顯著提高土壤有機(jī)碳15.34%。與化肥相比，有機(jī)肥施用后對(duì)土壤pH的研究結(jié)果并不一致，有減少土壤pH［10］和維持土壤pH不變［11］2種結(jié)果。與化肥相比，單施有機(jī)肥會(huì)提高土壤磷素的有效性［12］。黃紹敏等［13］研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量施用有機(jī)肥會(huì)降低磷肥的利用率，進(jìn)而降低土壤固持外源磷的能力，最終增加磷淋失的風(fēng)險(xiǎn)。此外，土壤酶的活性作為一種土壤生物肥力指標(biāo)被系統(tǒng)廣泛的研究，其與土壤的肥力狀況尤其是養(yǎng)分轉(zhuǎn)化具有顯著的相關(guān)性［14］。在青島市黃島區(qū)開(kāi)展的試驗(yàn)表明，秸稈還田處理顯著提高了作物產(chǎn)量，且提高了0～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量［15］。劉世平等［16］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后較對(duì)照平均減產(chǎn)1%左右，這主要與秸稈還田后未補(bǔ)充氮素導(dǎo)致土壤碳氮比失衡有關(guān)。研究表明，秸稈儲(chǔ)存一半以上的碳水化合物，秸稈還田的同時(shí)配施氮肥會(huì)提高土壤有機(jī)碳含量19%［17］。此外，隨著秸稈腐解、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，土壤微生物群體結(jié)構(gòu)和土壤酶活性得到顯著改善［18］，從而保持土壤生產(chǎn)力穩(wěn)定［19］。

雖然我國(guó)對(duì)化肥減施后配施有機(jī)肥或秸稈的研究較多，但多數(shù)學(xué)者研究集中在對(duì)作物產(chǎn)量或土壤指標(biāo)的影響，較少探究施肥條件下作物產(chǎn)量變化的驅(qū)動(dòng)因素。因此，本文通過(guò)在冬小麥-夏玉米典型種植區(qū)華北平原開(kāi)展的短期定位試驗(yàn)，探討化肥減施后配施有機(jī)肥和秸稈還田對(duì)作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分及酶活性的影響，并分析了產(chǎn)量改變的驅(qū)動(dòng)因素，旨在為化肥減施提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2010～2016年在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實(shí)驗(yàn)站（36°42′ N，114°54′ E）開(kāi)展。該實(shí)驗(yàn)站位于河北省邯鄲市曲周縣（華北平原），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.2℃，年總降水量平均為494 mm，其中全年降水量的56%集中在夏季的7和8月。供試土壤全氮0.9 g·kg-1，有效磷12.01 mg·kg-1，pH 7.24。

試驗(yàn)于2010年開(kāi)始，共設(shè)置4個(gè)處理，4次重復(fù)，共16個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為10 m×5 m，各小區(qū)間隔距離1 m，各區(qū)組間隔2 m。試驗(yàn)處理包括：（1）CK，對(duì)照，不施肥；（2）NPK，100%NPK，按照農(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣施用量和施用方式進(jìn)行施用，2/5的氮肥、磷肥和鉀肥在玉米播種之前全部施入，3/5的氮肥在大喇叭口期施用。氮肥、磷肥和鉀肥的供肥形態(tài)及用量分別是尿素（N 46%，250 kg·hm-2）、過(guò)磷酸鈣（P2O517.5%，45 kg·hm-2）和 硫 酸 鉀（K2O 50%，45 kg·hm-2）；（3）NPKM，70%NPK+牛糞有機(jī)肥，牛糞有機(jī)肥施用量為3000 kg·hm-2，與NPK處理氮施用量相等；（4）NPKMS，NPKM + 秸稈還田，秸稈被機(jī)械粉碎后全量還田。對(duì)于NPKM和NPKMS處理來(lái)說(shuō)，有機(jī)肥在玉米播種之前采用旋耕機(jī)混入土壤0～20 cm土層。供試玉米品種為“鄭單958”，每年6月播種，10月收獲。

1.2 樣品采集及處理

2016年10月在玉米成熟期，每個(gè)小區(qū)收獲18.0 m2樣方內(nèi)的玉米穗，按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)玉米產(chǎn)量換算成15.5%水分的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量，并調(diào)查公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。利用土鉆于玉米收獲后在每個(gè)小區(qū)行間取4個(gè)點(diǎn)（0～20 cm），將每個(gè)土壤樣品除去植物殘根和石礫等雜物后混勻，采用冰盒保存新鮮土壤樣品。土壤樣品帶回室內(nèi)后，一部分土壤進(jìn)行風(fēng)干測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)，一部分土壤保存到-20℃冰箱中用來(lái)完成土壤酶活性的測(cè)定。

土壤pH測(cè)定時(shí)土壤和水的比例為1∶2.5，然后使用pH計(jì)進(jìn)行測(cè)定；土壤全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化方法測(cè)定；土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤酶活性采用比色法測(cè)定，其中土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、二硝基水楊酸比色法［20］和磷酸苯二鈉比色法測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

土壤酶總的活性是用所有測(cè)定土壤酶活性的幾何平均值（GMea）來(lái)表示［21］：

其中，Urease、Invertase和Phosphatase分別代表脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶。

所有的試驗(yàn)結(jié)果均表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。不同施肥處理間作物產(chǎn)量、土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的差異通過(guò)單因素方差分析進(jìn)行比較，各施肥處理間差異顯著性分析均采用LSD在0.05水平上進(jìn)行比較。土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性對(duì)作物產(chǎn)量貢獻(xiàn)通過(guò)結(jié)構(gòu)等式方程模型分析。所有的統(tǒng)計(jì)分析均使用R 3.6.1進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量組成的影響

由表1可知，與CK相比，施肥處理顯著增加了玉米產(chǎn)量，且NPK、NPKM和NPKMS處理的產(chǎn)量分別增加了49.1%、61.4%和71.9%（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著增加玉米產(chǎn)量，NPKMS顯著增加玉米產(chǎn)量15.3%，NPKM和NPKMS差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理并未顯著改變每公頃的有效穗數(shù)（P＞0.05）。與CK相比，NPKMS處理顯著提高了穗粒數(shù)66.6%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著提高了千粒重13.8%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。

表1 不同施肥處理對(duì)玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量組成的影響

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和pH的影響

不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和pH產(chǎn)生了明顯的影響（圖1）。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤全氮含量，NPKM處理和NPKMS處理分別顯著提高了土壤全氮含量40.4%和43.1%，但各施肥處理間土壤全氮含量差異并不顯著。土壤有機(jī)質(zhì)含量的變化趨勢(shì)與土壤全氮相似，NPK與CK差異不顯著，NPKM和NPKMS較CK分別顯著提高了12.1%和19.9%。與NPK相比，NPKMS顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量20.6%。與CK相比，各施肥處理顯著提高了土壤有效磷含量（87.1%～102.6%），且各施肥處理間有效磷含量差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著降低了土壤pH 1.9%，NPKM和NPKMS處理未顯著改變土壤pH，且各施肥處理間pH差異不顯著。

圖1 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤pH的影響

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤酶活性的影響

不同施肥處理對(duì)土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和土壤總酶活性產(chǎn)生了明顯的影響（圖2）。與CK相比，不同施肥處理增加了土壤蔗糖酶的活性（21.5%～90.4%），NPKM、NPKMS處理增加顯著（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著改變土壤蔗糖酶的活性，NPKMS則顯著提高了56.8%。NPKM較NPKM顯著提高土壤蔗糖酶活性32.4%。不同施肥處理顯著提高了土壤脲酶的活性，增幅為27.7%～36.2%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理顯著（NPK處理除外）增加了土壤磷酸酶的活性4.6%～5.5%。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤總的酶活性，NPKM和NPKMS處理則顯著提高了土壤總酶活性（214.4%和300.3%），且不同施肥處理間差異不顯著。

圖2 不同施肥處理對(duì)土壤酶活性的影響

2.4 玉米產(chǎn)量和土壤指標(biāo)之間的回歸分析

土壤各指標(biāo)與玉米產(chǎn)量的回歸分析結(jié)果如圖3所示。玉米產(chǎn)量隨土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤酶活性的升高而顯著升高，且呈顯著正相關(guān)關(guān)系。玉米產(chǎn)量與土壤pH間未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。通過(guò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)等式方程模型分析（圖4a），施肥處理通過(guò)改變土壤全氮、土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷間接影響作物產(chǎn)量。土壤全氮會(huì)直接影響作物產(chǎn)量，也會(huì)通過(guò)影響脲酶活性間接影響作物產(chǎn)量。土壤有機(jī)質(zhì)會(huì)直接影響作物產(chǎn)量，也會(huì)通過(guò)影響轉(zhuǎn)化酶活性進(jìn)而間接影響作物產(chǎn)量。土壤有效磷會(huì)直接影響作物產(chǎn)量，也會(huì)通過(guò)影響磷酸酶活性進(jìn)而間接影響作物產(chǎn)量。從圖4b可知，土壤有效磷對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大，土壤蔗糖酶活性次之，其余指標(biāo)的影響由大到小依次為土壤有機(jī)質(zhì)、土壤脲酶活性、磷酸酶活性和土壤全氮。

圖3 玉米產(chǎn)量和土壤指標(biāo)之間的回歸分析

圖4 土壤指標(biāo)對(duì)玉米產(chǎn)量的貢獻(xiàn)分析

3 討論與結(jié)論

3.1 短期化肥減施對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

在華北平原地區(qū)，化肥的投入提高了玉米的產(chǎn)量，但同時(shí)也會(huì)引起氮淋洗，夏季高溫高濕的環(huán)境會(huì)加劇氮損失，那么合理的氮肥管理對(duì)于減少氮損失和保障糧食安全至關(guān)重要［22-23］。6年的田間試驗(yàn)結(jié)果表明，化肥減量30%配施有機(jī)肥后可維持玉米產(chǎn)量，這可能與有機(jī)肥肥效緩慢釋放可滿足玉米后期生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求有關(guān)［24-25］。白雪純等［26］研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施25%～75%配施有機(jī)肥可維持玉米的產(chǎn)量，這與本試驗(yàn)研究結(jié)果相一致。此外，李孝良等［27］研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施40%配施有機(jī)肥較單施化肥并不會(huì)引起玉米產(chǎn)量的降低。在化肥減量配施有機(jī)肥的基礎(chǔ)上進(jìn)行秸稈還田（NPKMS），則可顯著提高玉米產(chǎn)量，這可能與有機(jī)肥和秸稈還田后對(duì)土壤肥力產(chǎn)生較大的提升有關(guān)。本研究6年的試驗(yàn)結(jié)果顯示，NPKMS較NPK處理顯著提高玉米產(chǎn)量8.3%，與閆雷等［28］在黑土上的研究結(jié)果相似。中國(guó)有機(jī)肥和秸稈資源巨大且并未被充分利用，因此，在減少化肥施用的基礎(chǔ)上合理配施有機(jī)肥和秸稈對(duì)資源有效利用和糧食增產(chǎn)具有重要的意義。

3.2 短期化肥減施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、pH和酶活性的影響

大量研究表明，有機(jī)肥富含有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分，添加后可提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，進(jìn)而維持或提高土壤地力［29-30］。本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥施用6年后顯著提高了土壤全氮的含量，有機(jī)肥施用會(huì)顯著促進(jìn)土壤氮素的積累，這與Subehia等［31］研究結(jié)果相一致。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)6年化肥的施用，較對(duì)照未顯著提高土壤有機(jī)碳的含量。Russell等［32］的研究認(rèn)為，僅使用氮肥并不會(huì)表現(xiàn)出土壤碳的固持效應(yīng)。此外，在華北平原開(kāi)展的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，化肥的投入會(huì)引起土壤有機(jī)碳含量的降低［33］。有機(jī)肥的施用會(huì)帶入外源碳，增加土壤碳庫(kù)，進(jìn)而提高土壤碳的固持［34］。但是，本研究發(fā)現(xiàn)，NPKM較NPK處理未提高土壤有機(jī)碳含量（圖1）。吳榮等［35］和孫志祥等［36］的研究均發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，化肥減施后配施有機(jī)肥處理（與化肥處理氮施用量相等）未顯著提高土壤有機(jī)碳含量。這與本研究結(jié)果相一致，可能是因?yàn)橥寥乐刑嫉慕到夂椭仓旮导坝袡C(jī)肥等外源碳的投入相當(dāng)。本研究發(fā)現(xiàn)，在NPKM的基礎(chǔ)上進(jìn)行秸稈還田（NPKMS）后，與NPK處理相比，則顯著提高土壤有機(jī)碳含量（圖1）。宋大利等［17］通過(guò)收集大于10年長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田相比，秸稈還田后平均增加19.1%的土壤有機(jī)碳含量。這可能與有機(jī)肥和秸稈還田帶入更多的外源碳有關(guān)。大量研究表明，在土壤有機(jī)碳未達(dá)飽和之前，土壤有機(jī)碳的增加量與碳投入水平一般呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系［37-38］。

高飛等［39］研究發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，有機(jī)肥替代30%化肥的處理對(duì)土壤有效磷含量有明顯的增加作用。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，施肥顯著提高了土壤有效磷的含量，但是化肥與有機(jī)肥處理間差異不顯著，這可能與夏季降雨量較多導(dǎo)致土壤有效磷淋洗有關(guān)。此外，化肥的長(zhǎng)期施用引起了土壤pH的下降，這與之前的研究結(jié)果相一致［2］。然而，由于有機(jī)肥具有緩沖土壤酸堿性的作用，本試驗(yàn)中有機(jī)肥施用6年后未引起土壤pH的顯著改變，有機(jī)肥施用能夠減弱土壤的酸化。

土壤微生物通過(guò)產(chǎn)生胞外酶進(jìn)而降解土壤有機(jī)質(zhì)，并影響土壤養(yǎng)分循環(huán)。土壤酶參與許多重要的生物化學(xué)過(guò)程，已被認(rèn)為是土壤肥力的一個(gè)重要特征指標(biāo)［40］。本試驗(yàn)中，各施肥處理基本上都能提高土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性，尤其以蔗糖酶效果最佳。脲酶能夠促進(jìn)酰胺鍵的水解，使土壤中的氮轉(zhuǎn)化成植物可以吸收利用的氨。本研究表明，各施肥處理均能顯著提高土壤脲酶的活性，但施肥處理間差異不顯著，這與山東省德州市開(kāi)展的大田試驗(yàn)結(jié)果相一致［41］。與對(duì)照相比，各施肥處理顯著提高了土壤蔗糖酶的活性，且秸稈配施有機(jī)肥處理（NPKMS）顯著高于NPK 和NPKM處理，這可能是因?yàn)樾←溄斩捀缓w維素和半纖維素，會(huì)刺激真菌的生長(zhǎng)，進(jìn)而影響土壤碳循環(huán)相關(guān)蔗糖酶活性的提高［42］。

3.3 玉米產(chǎn)量和土壤指標(biāo)之間的回歸分析

本研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量與土壤有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。丁維婷等［43］根據(jù)41年長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與作物產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。邢鵬飛等［29］研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量與土壤有效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系。通過(guò)結(jié)構(gòu)等式方程模型分析得出，土壤有效磷是玉米產(chǎn)量的主要驅(qū)動(dòng)因素。磷是作物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的僅次于氮素的第二大營(yíng)養(yǎng)元素，通過(guò)影響葉片凈光合速率和葉片中谷氨酰合成酶等的活性，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)發(fā)育和新陳代謝，最終改變產(chǎn)量［44-45］。通過(guò)對(duì)比不同磷水平對(duì)玉米產(chǎn)量性狀的影響，研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫主要通過(guò)影響行粒數(shù)和百粒質(zhì)量導(dǎo)致了單株產(chǎn)量的損失［46］。有機(jī)肥中含有大量的有機(jī)磷和有機(jī)氮，在提高土壤酶活性的同時(shí)可促進(jìn)微生物對(duì)氮磷養(yǎng)分的礦化循環(huán)，有利于作物玉米的養(yǎng)分吸收利用，從而促進(jìn)其產(chǎn)量。

本研究表明，采取有機(jī)肥適當(dāng)替代化肥配施秸稈，在降低化肥使用量的同時(shí)，可適當(dāng)滿足作物生產(chǎn)需求和獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，又能在一定程度上提高土壤肥力。綜合考慮作物產(chǎn)量和土壤肥力對(duì)施肥的響應(yīng)，有機(jī)肥替代30%化肥配施秸稈能穩(wěn)產(chǎn)固碳，是該區(qū)域養(yǎng)分管理的有效途徑之一。