不同肥料及配比对土壤肥力和玉米产量的影响研究＊

高浩展 ， 沈金晶 ， 王冰怡

（浙江农林大学，浙江 杭州 311300）

0 引言

目前有研究表明，复合肥在一定程度上能促进玉米的前期生长和干物质积累，从而有助于玉米产量提升[1]。但是复合肥存在许多弊端，目前常用的硫酸铵、普通过磷酸钙等都属于酸性肥料，长期大量使用会引起土壤酸化[2]。滥施化肥、过量施肥也造成土壤营养供应过剩，多余的营养物质一部分下渗后污染地下水，一部分随地表径流进入河流污染水体。此外，由于部分农民片面追求经济效益，存在为了追求高产出而过量盲目施肥的现象，而导致了环境的污染以及生产成本的上升[3]。

已有大量研究表明生物炭可以增加土壤 pH 值、阳离子交换量（CEC）和土壤有机碳（SOC）[4-5]，减少土壤容重，增强土壤对碳的固定，减缓 CH4和 NH3的释放和挥发，增加作物产量[6]。生物质炭技术如今早已被应用到多种农业生产活动中。生物质炭技术的潜力也体现在多个方面，比如改良土壤性状、修复土壤重金属污染、进行土壤固碳、促进农田温室气体的增汇减排等。但也有研究认为炭基复合肥与常规施肥对玉米地的增产效应并没有表现出明显的优劣[7]。

有机肥也具有广阔的应用前景，目前在农业上也在推广有机肥替代化肥，有研究表明，有机肥料投入可以显著提高土壤微生物量，也可以作为土壤改良剂恢复土壤生产力[8]。但是土壤理化性质、酶活性及作物产量对于有机肥和炭基肥施用后的响应状况目前还不明确。

现在大量研究认为科学合理的施用肥料及配比不仅能有效提高玉米产量，也可以降低肥料用量，提高肥料利用率，减少生产成本，进而提高生产效益[9]。禹阳等[10]认为采用有机肥+复合肥配施方式，能够显著增加甘薯产量，且综合有效地提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾的含量。黄东风等[11]认为化肥与有机肥各半的施肥模式可提高蔬菜产量，降低菜田氮磷径流。

本研究利用田间试验，研究炭基肥、商品有机肥、复合肥及其不同的配比对作物产量、土壤养分以及酶活性的影响，以期找出最佳肥料的配比，为提高耕地地力水平提供理论依据。

1 试验方法

1.1 试验材料与设计

试验地位于临安板桥启源家庭农场，地理坐标为30°17′N，119°79′E。该地区为季风亚热带气候，年平均降水量1 420 mm，平均气温15.9°C。试验以田间试验区比对为主，试验时间为 2019—2020年，选用炭质有机肥与普通商品有机肥进行等量示范，整个示范区除有机肥使用不同外，其他栽培管理措施均相同，记录施肥、施药的品种、数量和时间（肥料记录养分含量）。所有处理均按照等氮量进行施肥，具体使用量根据示范作物类型的常规使用量而定，一般蔬菜作物53.3 kg ha-1～66.67 kg ha-1所使用的炭基肥基本性质为有效养分总量为7%，pH 为7.5，N、P2O5、K2O含量分别为1.93%、1.63%、3.52%。钾素比一般有机肥高。本次试验共3种肥料，分为 8 种处理方式，每种处理分别设置 3 次重复，3m×3m 为一个样方，样方之间有田埂隔开，随机区组排列，具体处理如表1所示。

表1 不同肥料及配比处理及其施用量

1.2 试验样品采集

试验区内土壤样品在玉米地第一季成熟采集，每个小区按照对角线法采样，取0～20 cm5个土壤样品混合制备成一个混合样。每份混合样品过 2mm 筛子，挑去肉眼可见石粒、根系以及植物残体，混匀并分成两份：一份室温自然风干，用于基本理化性质测定；一份存于4℃冰箱，用于土壤酶活性测定分析。

1.3 测定方法

土壤理化性质测定参照鲁如坤等[12]方法：土壤有机碳采用重铬酸钾—硫酸外加热法测定；有效磷采用盐酸—氟化铵溶液浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾采用醋酸铵提取，火焰分光光度计测定；土壤 pH 采用水土比2.5∶1，玻璃电极法测定。本研究测定了7种土壤水解酶的活性，包括α—葡萄糖苷酶（AG，EC 3.2.1.20）、β—葡萄糖苷酶活性（BG，EC 3.2.1.21）、纤维二糖水解酶（CB，EC 3.2.1.91）、β—木糖苷酶（XYL，EC 3.2.1.37）、β—N—乙酰基氨基葡萄糖苷酶（NAG，EC3.2.1.30）、亮氨酸氨基酞酶（LAP，EC 3.4.11.1）、酸性磷酸酶（PHOS，EC 3.1.3.1）。土壤酶活性测定参照Saiya-Cork等[13]描述的方法进行测定，其原理为利用底物与酶水解释放4—甲基伞形酮酰（4—MUB）或 MUC (4—甲基香豆素)进行荧光检测，通过荧光强度的变化反映酶活性。将混有酶和底物混合物的微孔板放入25℃培养箱中黑暗培养3h，并用微板荧光计（Synergy™ H1, Biotek）测定荧光裂解产物MUB(4—甲基伞形花基)或 MUC (4—甲基香豆素)的产量，测定时激发波长为365nm，发射波长为450nm。所有酶活性均以nmol 产物g-1干土h-1表示。

1.4 数据统计与分析

试验所得数据均为3次重复处理结果的平均值，利用Micorsoft Excel 2010和SPSS23.0对数据进行统计分析。利用Origin 8.0 软件对处理后的数据进行绘图。数据表现形式为平均值加标准差，统计差异水平利用单因素方差分析（One-way ANOVA）中的Duncan多重比较检验不同处理间的差异显著性，显著性水平设为P=0.05，显著性水平P＜0.05认为达到显著性差异水平，P＜0.01 认为达到极显著差异水平。相关性分析采用皮尔逊（Pearson）相关分析法进行双尾检验确定显著性。

2 结果与讨论

2.1 不同类型的肥料对土壤基础性质的影响

2.1.1 不同类型的肥料对土壤容重和含水率的影响

土壤水分是植物水分的直接来源，参与土壤系统与植物根系间的养分运输及循环，对植物的生长状况具有重要意义。通常施加生物炭可以通过增加土壤表面积和孔隙度，有效吸附水分，减少因渗透和地表径流的损失进而增加土壤的有效水，对保水能力较差的砂壤土具有明显的改进作用[14-16]。但也有研究结果表明生物质炭对于土壤物理性质的改善并不显著。Marcus[17]研究结果表明，生物炭对土壤含水量、孔隙度、田间持水量、植株可利用的有效水分、团聚体稳定性和永久凋萎点没有显著的影响。

土壤容重是土壤紧实度的一个重要指标，受土壤孔隙度影响。通常来讲，生物质炭孔隙较大，质地疏松，其对于改进土壤孔隙度、水分和肥力的截留能力较强，生物质炭这种疏松多孔的结构可以改善黏重土壤的物理结构，从而降低土壤容重和促进水分固持。Oguntunde 等[18]研究发现，生物质炭施入土壤，能够使土壤色度加深，增加土壤、对太阳热能的吸收。由于生物质炭的孔隙发达，所以其进入土壤之后可以降低9%的土壤容重，使土壤总孔隙率增加5%左右[19]。

在本次研究结果中，玉米土壤容重和含水率没有表现出明显的差异性如图1、图2所示。推测可能是试验时间较短（仅为一季），或炭基肥中生物质炭的施用量较少有关。

图1 不同肥料配比对土壤含水率的影响

图2 不同肥料配比对土壤容重的影响

2.1.2 不同类型配料及配比对土壤 pH 影响

此前已有大量研究表明长期采用不同施肥措施与耕层土壤pH值间具有紧密关系，长期单施氮肥或不合理的氮肥配施导致土壤pH下降明显，连年大量施用氮肥也是加剧土壤酸化的重要诱因[20]。大量研究此前表明，在解决土壤酸化方面大致有以下几种方向：孙爱华等[21-22]指出在酸性土壤中施加生物质炭，可以明显增加pH值，而在碱性土中则变化不大。刘慧屿等[23]认为施用秸秆生物质炭可以提高氮肥利用率（NUE），从而显著降低农田土壤酸化速率。曾沐梵等[24]通过对不同缓解措施的预测发现，最有效的土壤酸化防治措施是优化氮管理，降低铵态氮的输入和硝态氮的淋洗，以及施用有机肥来增加盐基离子（BC）的输入，维持土壤BC平衡。如图3所示，相较于CF，BBF显著提高了土壤pH，提高程度为5.67%，这也表明炭基肥可以在一定程度上削弱化肥施用对土壤酸度的负面影响，推测可能的原因为：1）生物质炭本身呈碱性，输入土壤后可有效改良土壤酸度[25-26]；2）生物质炭表面存在的酚基、羧基和羟基，输入土壤后会与土壤溶液中的H+结合从而降低土壤溶液中H+浓度；此外生物质炭含有较多的碳酸盐、硅酸盐和碳酸氢盐等化合物，这些盐类物质也可与H+结合进而提升土壤 pH[27-28]；3）生物质炭输入土壤后其表面的含氧官能团可以结合Al3+来降低土壤交换性铝含量，增加土壤中可交换性阳离子的丰度，从而增加土壤盐基饱和度并最终导致土壤pH值的提升[29]。本次试验印证了前人的研究，且进一步发现生物质炭基肥对于缓解土壤酸化相对于其他肥料类型具有较好效果。其他肥料类型对于土壤pH的提升并不显著，原因可能是玉米种植时间仅为一季。

图3 不同肥料配比对土壤pH的影响

2.2 不同类型的肥料对土壤肥力的影响

2.2.1 不同类型的肥料对土壤有机质含量的影响

如图4所示，各处理中土壤有机质含量均随着商品有机肥和炭基肥的添加而增加，其中施加了商品有机肥∶复合肥为1∶2 的区块的有机质含量显著高于常规施肥的区块。OM、BBF、1/3BBF、2/3BBF、2/3OM 处理的有机质含量分别较CK增加3% 、6.1%、1.5%、11.7%、12.2%，而单纯只施用复合肥的地块其有机质含量较对照组来说有所下降。由此可见，将炭质有机肥和普通商品有机肥混合施用可显著提高土壤有机质含量，有利于土壤有机质积累，可提高我国农田地中土壤有机质含量不高的现状以及农作物的产量。秦永美等[30]认为有机肥替代化肥提高了土壤pH值、有机质、有效磷和阳离子交换量。章明奎等[31]研究表明，施用生物质炭可显著提高土壤有机碳的积累，增加土壤有机碳的氧化稳定性。他们认为长期单一施用生物质炭可能会引起土壤有机质生物活性的下降，但生物质炭与一般生物质有机肥配合施用可削弱这些负影响，而之前的研究并未指明如何配比会最大程度促进土壤有机质含量增加。本研究认为施加商品有机肥∶复合肥为1∶2的肥料对于土壤有机质含量提升具有较好的效果，推测原因为试验地处于南方丘陵地，土壤类型为红壤性土，有机肥和复合肥的施用可以很大程度上改善红壤有机质，氮磷元素缺乏的缺点。

图4 不同肥料配比对土壤有机质的影响

2.2.2 不同类型的肥料对土壤速效钾含量的影响

速效钾是指土壤中易被作物吸收利用的钾素。包括土壤溶液钾及交换性钾。而速效钾虽然只占土壤全钾量的0.1%~2%，但其含量是表征土壤钾素供应状况的重要指标之一。如图5所示，本次研究结果显示商品有机肥∶复合肥比例2∶1的肥料的速效钾含量显著高于其余各类型肥料，除了复合肥与炭基肥∶复合肥1∶2的肥料类型与对照组相比分别下降4.56%和12.91%。其余商品有机肥、炭基肥，商品有机肥∶复合肥2∶1，炭基肥∶复合肥2∶1，商品有机肥∶复合肥1∶2的肥料类型与对照组相比均有上升，具有显著性差异。由此可见，商品有机肥和复合肥2∶1的肥料类型提升玉米土壤供钾能力最为显著，其他多种混合施肥方式和炭基肥，商品有机肥均能提升玉米土壤的供钾能力。此前大量研究表明，施用生物炭肥能有效提高收获后耕层土壤有机质、速效磷和速效钾的含量[32]，张锴等[33]认为，高效钾肥对于土壤速效钾含量的提升最明显，其次是炭基肥处理。而本次研究进一步得出，商品有机肥与复合肥2∶1的混合肥料类型相比于生物质炭基肥，对于土壤速效钾的提升更为明显。

图5 不同肥料类型及配比对土壤速效钾影响

2.2.3 不同类型的肥料对于土壤酶活性的影响

土壤酶是由微生物和动植物分泌或残体分解释放的一类生物催化剂，在营养物质循环和能量代谢方面发挥着重要作用[34]。土壤酶活性不仅能够表示土壤生物学活性的强度，而且可以作为评价土壤肥力水平的指标[35-37]。一般情况下，土壤肥力越高，转化酶活性越强[38]。由表2可知，绝大部分的肥料类型对于不同酶的活性均高于CK对照处理，AG、CB、NAG、XYL均出现了显著性差异，2/3BBF的酶活性均高于其他组，炭基肥∶复合肥2∶1的混合肥料类型对于土壤酶活性的提升最为显著。在小部分数据中出现施肥组酶活性略低于对照组的情况，猜测可能是由于随着生物质炭添加量的增加，土壤中酶活性会呈现出先增加后降低的趋势[39]。而此前的研究已证明生物质炭中丰富的有机碳能改善土壤孔隙度、通气性和团粒结构，从而可以使土壤物理性状得到极大改善[40]，而本研究进一步证明了混合肥料，尤其是炭基肥：复合肥2：1的混合肥料类型对于土壤酶活性的提升相比于生物质炭基肥更显著，由于增施生物质炭具有改善土壤结构和增强土壤的蓄肥保水能力，从而提高土壤养分含量和促进植物菌根生长的作用[41]，而混合肥料类型提升更显著则是因为单施生物质炭和单施有机肥均会明显提高土壤的pH值，降低了土壤交换性酸含量，生物质炭与有机肥配合施用可增加土壤水稳定性团聚体，对提高土壤酶活性要好于单施生物质炭，在影响土壤容重、有效钾、有效磷等方面，两者基本相似[42]。

2.2.4 土壤理化性质与酶活性的相关分析

由图6可知，土壤理化性质与酶活性之间具有一定的相关性。本实验测定了7种具有代表性的土壤酶活性，包括α—葡萄糖苷酶（AG）、β—葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖水解酶（CB）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、N—乙酰—β氨基葡萄糖苷酶（NAG）、磷酸酶（PHOS）、β-木糖苷酶（XYL）。故由图6可知，全氮与有机质呈极显著正相关（r=0.687**），容重与含水率呈显著负相关（r=-0.405*），有效磷与含水率呈显著负相关（r=-0.433*），亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶与硝态氮呈显著正相关，分别为（r=0.481*），（r=0.436*），β—木糖苷酶与速效钾呈显著负相关（r=-0.437*），亮氨酸氨基肽酶与速效钾呈极显著正相关（r=0.520**）。

图6 土壤理化性质与酶活性的相关分析

2.3 不同类型的肥料及配比对玉米产量的影响

玉米成熟后的各区块测产结果表明，与空白对照组相比，随着生物质炭基肥施入量的增加，玉米产量逐渐提高（图7）。当施加商品有机肥∶复合肥配比2∶1的肥料时，平均玉米产量显著高于对照组的28.44 t ha-1，对玉米产量的提升最为显著，其次为1/3OM、1/3BBF 处理，其总产量分别达36.28 t ha-1和 35.00 t ha-1，施加复合肥料和对照组相比也具有显著性，玉米产量为33.45t ha-1，增产量达47.84 t ha-1。由此可见，商品有机肥与炭基肥和复合肥混合施用，可有效增加玉米的产量，其中商品有机肥与复合肥混合施用效果更显著。此前生物质炭基肥对作物增长的研究讨论仍存在争议[43-45]。有部分研究认为，随着大量营养元素K、Ca、Mg、P等和有机质溶解在土壤中，生物质炭基肥的使用能有效缓解其释放速度[46]、改善肥力、增加肥料利用率、提高产量[47]。刘敏等[48]研究认为有机肥无机肥配施可显著改善玉米品质,提高产量。本次试验印证了一部分前人的研究。且进一步说明混合施用有机肥，复合肥以及生物质炭基肥有利于提高玉米的产量，并且有机肥和复合肥的混施效果更佳。

表2 不同肥料类型及配比对土壤酶活性影响

图7 不同类型配料及配比对玉米产量影响

3 结论

1)生物质炭基肥可以有效缓解土壤酸化，对于土壤有机质和速效钾来说，施用有机肥：复合肥2∶1和1∶2 的混合肥料类型提升最显著。其余类型大部分有提升但效果不显著。

2)对于土壤酶活性来说，生物质炭基肥∶复合肥2∶1 的肥料类型提升最为显著，其次是生物质炭基肥∶复合肥1∶2的肥料类型，其余肥料类型绝大部分有提升但不显著。

3)施用各种类型的肥料对玉米产量均有一定的提升作用，其中商品有机肥∶复合肥2∶1的混合肥料类型提升效果最为显著。

4)本研究表明有机肥和复合肥的混合肥料类型以及生物质炭基肥和复合肥的混合肥料类型为较佳的施肥方式。