王含瑞，徐得雨，肖雯麗，王俊紅，王夢亮

（山西大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)研究所，山西 太原 030006）

近年來我國玉米年產(chǎn)量穩(wěn)居世界前3，但以往高投入、高消耗的粗放增長方式使玉米生產(chǎn)過度依賴化肥投入[1-2]。化肥的大量施用一方面造成土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失調(diào)，物理性狀變差，土地重金屬超標和部分病原菌積累；另一方面水溶性養(yǎng)分等物質(zhì)通過雨水和農(nóng)田灌水滲入到地下水及河流中，造成環(huán)境污染。

玉米是旱作區(qū)主要種植作物，地力瘠薄和干旱脅迫是生產(chǎn)的主要限制因子，由于農(nóng)民不合理耕種和施肥導(dǎo)致土壤表層結(jié)構(gòu)惡化，養(yǎng)分供應(yīng)失衡等土壤肥力退化日益突出，嚴重制約了玉米產(chǎn)量的提高。生物有機肥是指特定功能微生物與主要來源于動植物殘體的有機物料復(fù)合而成兼具微生物肥料和有機肥效應(yīng)的肥料[3]。研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥替代部分化肥可以促進肥料的養(yǎng)分利用率、改善土壤肥力狀況、增加土壤酶活性并提高作物產(chǎn)量，近年來越來越受到各級政府部門及科研機構(gòu)的重視。劉鎧鳴[4]研究發(fā)現(xiàn)，無機肥和生物有機肥配施可以改良根際土壤、提高土壤酶活和土壤肥力；王俊紅等[5]研究發(fā)現(xiàn)，生物有機肥合理替代部分化肥，土壤養(yǎng)分含量與酶活均有增加的趨勢，且一些具有生物防治與促生作用的功能菌屬出現(xiàn)明顯的富集現(xiàn)象；SHI 等[6]研究表明，生物有機肥可以緩解生物脅迫，并可持續(xù)地提高作物產(chǎn)量。

本研究依托旱地玉米長期定位試驗區(qū)，研究不同比例生物有機肥替代化肥對土壤養(yǎng)分含量、酶活性和玉米產(chǎn)量的影響，旨在為生物有機肥替代化肥實現(xiàn)玉米增產(chǎn)增效和資源可持續(xù)發(fā)展提供理論與決策支持。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2021年在山西省臨汾市浮山縣北王鄉(xiāng)喬家垣村旱地玉米田進行[7]。試驗田地處山西中南部旱平地，海拔1 349 m（35°44′N，113°44′E），屬暖溫帶大陸季風(fēng)氣候，春冬寒冷干燥，夏季高溫多雨，年均日照時數(shù)為2 252 h，年均氣溫為11.2 ℃，年均降水量500～550 mm，主要集中在7—9月，是典型的旱作雨養(yǎng)區(qū)。試驗田土壤類型為石灰性褐土，質(zhì)地為壤土，播種前土壤表層養(yǎng)分含量為有機質(zhì)13.64 g/kg，全氮0.75 g/kg，速效磷13.2 mg/kg，速效鉀153.6 mg/kg，pH 值7.5。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為先玉1141，由山東登海先鋒種業(yè)有限公司提供；供試化肥為史丹利緩釋摻混肥（N∶P2O5∶K2O=20∶20∶5）；供試生物有機肥由山西利晨生物科技有限公司提供，菌種為枯草芽孢桿菌（Bacillus subtilis），有效活菌數(shù)≥2×108cfu/g，有機質(zhì)≥45%。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4 個施肥處理，試驗設(shè)計方案如表1所示。小區(qū)面積25 m2（10.0 m×2.5 m），每個處理3 次重復(fù)，隨機排列，共12 個小區(qū)。玉米行距、株距分別為60、30 cm。

表1 試驗設(shè)計方案Tab.1 Experimental design scheme

當(dāng)?shù)馗髦贫葹橐荒暌皇欤? a 的播種均在4月底至5月初進行，收獲在10月初進行。所有肥料均作為基肥，在玉米播種前均勻撒入相應(yīng)小區(qū)，然后旋耕整地播種一次性完成，整個玉米生育期內(nèi)不再追肥，其他與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)管理措施一致。

1.4 測定項目及方法

在玉米收獲期，采用五點法隨機在玉米根際部位進行土壤樣品的采集并混勻，即先用土鏟除去表層土，采集0～20 cm 耕層土壤，并去除作物根際殘體和石塊等。一份于通風(fēng)處自然晾干后過0.2 mm篩用于測定土壤養(yǎng)分含量，另一份4 ℃低溫保藏用于測定土壤酶活性。

有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀分別采用重鉻酸鉀外加熱法、凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法測定；脲酶、磷酸酶和蔗糖酶分別采用苯酚-次氯酸納比色法、磷酸苯二鈉比色法和硫代硫酸鈉滴定法測定[8]。

在玉米收獲期，每小區(qū)采集長勢一致的連續(xù)30 株果穗，測定玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成因素。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016 和SPSS 26.0 對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；采用Origin 2019 對各處理下土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性進行熱圖分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對旱地玉米土壤養(yǎng)分含量的影響

由表2 可知，CK 下養(yǎng)分含量均為最低，不同施肥處理對土壤養(yǎng)分含量均有一定的影響；2019年的研究數(shù)據(jù)表明，當(dāng)年的有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量均比其他年份含量低，可能與2019年屬極度干旱年有關(guān)。同一年不同的施肥處理對旱地玉米土壤養(yǎng)分均有提高作用，其中，NPKHB 處理效果最佳，與NPK 處理相比，4 a 內(nèi)土壤有機質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量平均分別提高了6.90%、24.65%、51.20%、5.47%。同時以NPKHB 處理下的有機質(zhì)含量為例，與NPK 處理相比，4 a 間其含量分別提高了4.67%、2.11%、6.27%和14.54%，表明隨著替代年份的增加，生物有機肥能夠提高土壤養(yǎng)分含量的效果也隨之明顯。

表2 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤養(yǎng)分含量的影響Tab.2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient contents of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2 不同施肥處理對旱地玉米土壤酶活性的影響

2.2.1 不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響如圖1 所示。

圖1 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil urease activity of maize in dryland from 2018 to 2021

由圖1 可知，與NPK 相比，NPKDB 和NPKHB處理下均一定程度提高了土壤脲酶活性，NPKDB處理下脲酶活性在4 a 間分別提高了7.30%、5.19%、7.59% 和14.01%；NPKHB 處理下脲酶活性在4 a 間分別提高了4.44%、3.25%、9.49% 和13.38%，即土壤脲酶活性隨著生物有機肥的增施梯度增大而整體呈降低的趨勢?？傮w來看，施用生物有機肥的土壤脲酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而提高。以上結(jié)果說明，生物有機肥的施用可提高脲酶活性，加強植物對礦化有機物的吸收，供植物吸收利用，其中以NPKDB 處理促進脲酶活性效果最明顯。

我暗下決心：這注定是一場不一樣的旅行，我在途中為自己種下了一粒夢想的種子，我將會全力以赴為自己的夢想努力。

2.2.2 不同施肥處理對旱地玉米土壤磷酸酶活性的影響 由圖2 可知，與NPK 相比，NPKDB 處理下磷酸酶活性在4 a 間分別提高了6.30%、5.22%、6.98%和10.16%；NPKHB 處理下磷酸酶活性在4 a間分別提高了3.94%、11.30%、10.08%和12.50%。同時施用生物有機肥的土壤磷酸酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而相應(yīng)提高。因此，增施生物有機肥可在一定程度上提高磷酸酶活性，增加土壤供磷能力。

圖2 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil phosphatase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.2.3 不同施肥處理對旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影響 由圖3 可知，隨著配施生物有機肥比例的增加，土壤蔗糖酶酶活性提高。與NPK 相比，NPKDB 處理下蔗糖酶活性在4 a 間分別提高了13.89%、10.85%、13.73%和26.82%，差異性顯著；NPKHB 處理下蔗糖酶活性在4 a 間分別提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，差異性顯著。同時施用生物有機肥的土壤蔗糖酶酶活性增加幅度隨著生物有機肥替代年份的增加而提高。因此，增施生物有機肥可促進蔗糖酶活性的提高，加強了土壤的熟化作用，其中以NPKHB 促進蔗糖酶活性效果最明顯。

圖3 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米土壤蔗糖酶活性的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on soil sucrase activity of maize in dryland from 2018 to 2021

2.3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)性分析

對上述7 個土壤指標標準化后的數(shù)據(jù)進行主成分分析，得到各成分的特征根和方差貢獻率，根據(jù)特征根≥1 的原則，可以提取一個主成分[9]。該主成分的方差貢獻率為91.29%，即該主成分覆蓋了91.29%的原始數(shù)據(jù)信息量，能夠反映生物有機肥部分替代化肥后土壤養(yǎng)分含量和酶活性的信息。

根據(jù)主成分的方法貢獻率計算不同處理的綜合得分并排序（表3），各處理綜合得分依次為NPKHB>NPKDB>NPK>CK。因此，生物有機肥部分替代化肥可改善土壤養(yǎng)分含量、提高土壤酶活性，且改善與提高程度和生物有機肥替代化肥比例密切相關(guān)。

表3 不同處理土壤評價指標綜合成分得分及排序Tab.3 Comprehensive component score and ranking of soil evaluation indexes under different treatments

對土壤養(yǎng)分含量與土壤酶活性的相關(guān)性進行分析，由圖4 可知，土壤養(yǎng)分含量與酶活性存在顯著相關(guān)性。其中，有機質(zhì)含量與脲酶活性交互相關(guān)系數(shù)高達0.879 0，速效磷含量與蔗糖酶活性交互相關(guān)系數(shù)高達0.921 6，全氮含量與脲酶活性交互相關(guān)系數(shù)高達0.920 0，速效鉀含量與脲酶活性交互相關(guān)系數(shù)高達0.951 4，因此，土壤養(yǎng)分含量能在一定程度上提高酶活性，有利于玉米吸收營養(yǎng)物質(zhì)。

圖4 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的交互相關(guān)系數(shù)Fig.4 Plot of interactive correlation coefficients between soil nutrients and soil enzyme activities

2.4 不同施肥處理對旱地玉米產(chǎn)量的影響

由表4 可知，不同施肥處理間旱地玉米產(chǎn)量存在差異。產(chǎn)量高低總體趨勢表現(xiàn)為NPKDB>NPKHB>NPK>CK。與NPK 相比，NPKDB 處理下玉米產(chǎn)量在4 a 間分別提高了6.96%、4.61%、12.85%和2.67%；NPKHB 處理下玉米產(chǎn)量在4 a間分別提高了7.15%、2.23%、10.39% 和1.28%。因此，適當(dāng)?shù)臏p量化肥配施生物有機肥產(chǎn)量不減略增，其中以NPKDB 增產(chǎn)效果較為明顯。

表4 2018—2021年不同施肥處理對旱地玉米產(chǎn)量構(gòu)成及產(chǎn)量的影響Tab.4 Effects of different fertilization treatments on yield composition and yield of maize in dryland from 2018 to 2021

3 討論

3.1 生物有機肥替代化肥對旱地玉米土壤養(yǎng)分含量的影響

3.2 生物有機肥替代化肥對旱地玉米土壤酶活性的影響

土壤酶活性能反映土壤生物活性和生化反應(yīng)強度，可作為評價土壤肥力水平和微生物活性強弱的重要生物指標[15]。田間試驗表明，生物有機肥部分替代化肥相比單施化肥能提高土壤中脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，且土壤酶活性隨著生物有機肥替代年份的增加而提高：與NPK 相比，NPKHB 處理下蔗糖酶活性在4 a間分別提高了18.12%、12.82%、16.10%和27.57%，可能是因為化肥和生物有機肥合理配施不僅給土壤提供豐富的能源，還導(dǎo)致土壤的微生物生物量、區(qū)系組成以及代謝過程發(fā)生改變，使得土壤中主要由微生物產(chǎn)生的酶活性提高。有關(guān)生物有機肥替代化肥對土壤酶活性的影響，胡誠等[16]研究表明，隨著生物有機肥用量的提高，土壤脲酶、堿性磷酸酶和過氧化氫酶活性增加；王星琳[17]研究表明，相較單施化肥處理，生物有機肥替代化肥后，小麥根際土壤脲酶、中性磷酸酶和蔗糖酶活性增加，與本試驗結(jié)果一致。

3.3 土壤養(yǎng)分與土壤酶活性的相關(guān)性分析

土壤養(yǎng)分與土壤酶活性相關(guān)性分析表明，二者相關(guān)系數(shù)均大于0.85，呈顯著相關(guān)性。這可能是因為化肥和生物有機肥合理配施不僅給土壤提供豐富的能源，其中含有的無機氮還直接調(diào)節(jié)土壤中的碳氮比，進一步促進土壤的能量代謝，提高土壤酶活性[18]。

3.4 生物有機肥替代化肥對玉米產(chǎn)量的影響

生物有機肥替代化肥對玉米產(chǎn)量的影響為不變略增，可能是因為其提高了土壤養(yǎng)分含量和酶活性，促進了植物根部的生長，影響了植物對土壤中營養(yǎng)成分的吸收和利用。朱代強[19]研究表明，生物有機肥部分替代化肥可提高蒜苗的生長量；杜二小等[20]研究表明，施肥處理為減施氮肥20%+生物有機肥替代總施氮量的20%時，旱地馬鈴薯產(chǎn)量在各處理間表現(xiàn)最佳，與本試驗研究的結(jié)果也基本一致。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)販p量化肥配施生物有機肥不僅能提高土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性，改善土壤肥力，維持作物產(chǎn)量，而且隨著生物有機肥替代年份的增加，土壤養(yǎng)分含量和土壤酶活性的提高效果更加明顯。一方面，生物有機肥的配施提高了肥料利用率，促進了作物對養(yǎng)分的吸收；另一方面養(yǎng)分含量的提高為土壤微生物的活動和酶活性創(chuàng)造了有利條件，進而促進土壤能量代謝，一定程度上提高作物產(chǎn)量。因此，生物有機肥與化肥配施是實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)切實有效的途徑。