不同施肥种类对玉米产量及土壤性状的影响

武凤霞　应梦真　李吉进　刘建斌

摘要：通过大田夏玉米试验，研究等氮量条件下不同施肥种类（不施肥、单施化肥、单施有机肥、有机肥+化肥混施）对夏玉米产量、土壤氮素含量、微生物种群数量、土壤酶活性的影响。结果表明，化肥+有机肥混施处理的玉米鲜质量比单施化肥、单施有机肥分别提高11.1%、7.1%，总粒质量分别提高了8.9%、6.5%;土壤中铵态氮和硝态氮变化以0～20 cm土层最大，化肥+有机肥混施处理的铵态氮含量最高，为2.38 mg/L，化肥处理的硝态氮含量最高，为18.7 mg/L，40 cm以下土层的铵态氮、硝态氮含量很低，且处理之间差异不大;培养微生物检测和分子生物学鉴定表明，土壤微生物主要集中在土壤的0～60 cm土层，在0～20 cm土层混施处理和常规化肥处理的细菌数量高于其他处理，混施处理细菌种类最多。在0～20 cm土层混施处理真菌种类最多，但数量和其他处理差异不大;在0～20 cm土层化肥+有机肥处理的脲酶、过氧化氢酶活性都高于其他处理。不同指标间具有一定的相关性。

关键词：夏玉米;施肥措施;微生物量;土壤氮素;土壤酶活

中图分类号： S513.06  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）03-0055-05

氮作为土壤肥力的重要指标和植物生长所必需的元素之一，影响着土壤的物理、化学和生物学性质[1]。氮素肥料施用对于提高作物产量效果十分显著，对农业增产功不可没。然而过量施用氮肥，既造成资源的浪费，同时又造成了环境的污染。根据国家统计局数据，在1990—2012年，华北平原小麦、玉米氮肥用量从432.4万t增加到613.44万t，增幅为41.48%[1]。氮肥过量施用影响了肥料的利用率，华北平原氮肥利用率仅为10%～20%，而技术先进国家氮肥利用率为60%以上[2-4]。大量残留的氮肥以NO3-N的形态存在于土壤中，随着降雨和灌溉淋失到土壤深层，造成地下水硝酸盐污染[5-7]。

土壤微生物是土壤生物肥力的核心，是构成土壤肥力不可缺少的组分，可以促进植物所需营养元素的循环、土壤肥力的保持及能量转化[8-9]。合理的施肥措施是提高作物产量和氮肥利用率的主要途径[10]。研究表明，不同肥料施用和有机-无机配施能够明显提高作物产量和土壤肥力[11-12]，同时能够缓解NO3-N在土层剖面中的累积和淋失[1]，另外不同施肥措施对于土壤微生物代谢活性和土壤微生物群落功能多样性也有很多影响[13]。土壤微生物对耕作、施肥等变化反应敏感，可以作为土壤质量和土壤肥力的评价指标[14-15]。过量施用氮肥同样能对土壤微生物产生广泛影响。目前，尽管国内外关于施肥对土壤微生物的影响有很多报道，但结果不尽一致。因此，在保证土壤肥力和作物产量的基础上，科學合理施肥对于保护农田环境是农业生产中需要解决的重要问题之一。

土壤酶是土壤物质循环和能量流动的重要参与者，是土壤生态系统中最活跃的组分之一，它在土壤物质循环、系统稳定性和可持续发展过程中有十分重要的影响[16-17]，与土壤的肥力水平关系密切[18]。土壤蔗糖酶、脲酶、磷酸酶等水解酶活性能够表征土壤碳、氮、磷等养分的循环状况，而土壤脱氢酶常被认为是土壤微生物活性的一个有效指标[19]。有研究认为，有机无机肥配合施用可明显提高土壤微生物数量及土壤酶活性，其数量和活性均随着有机肥施用量的增大而增加[20]。但对于不同影响因子之间的相关性分析比较少。

玉米在北京都市型现代农业中占有重要地位，并发挥着重要作用。一方面北京市玉米通过雨养旱作的模式，在农业节水中发挥着不可替代的重要作用。另一方面玉米具有突出的吸碳放氧的生态功能，在北京市的生态环境改善和保持中起到重要作用。本研究通过大田夏玉米试验，研究不同施肥模式对夏玉米产量、土壤氮素含量、微生物数量和种群、土壤酶活性的影响，以及它们之间的关系，以期为北京地区玉米生产中的氮素科学管理和土壤环境保护提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验在北京市大兴区大张本庄基本农田保护区进行。大兴区属永定河冲积平原，地势自西向东南缓倾，大部分地区海拔14～52 m，属暖温带半湿润大陆季风气候。年平均气温为11.6 ℃，年平均降水量556 mm。试验前农田土壤基本理化性质（0～20 cm土层）见表1。

1.2 试验设计

整个试验按照225 kg/hm2的纯氮施用量进行等氮处理。共设4个处理，分别为（1）不施肥处理;（2）常规化肥处理（按225 kg/hm2的纯氮施用）; （3）施有机肥处理（按225 kg/hm2的纯氮施用）;（4）化肥+有机肥处理（均按 112.5 kg/hm2 的纯氮施用）。每个处理3次重复，随机区组排列，共12个小区，小区面积50 m2。试验自2017年6月至9月进行。化肥为商品玉米专用肥，有机肥为商品有机肥，主要成分为鸡粪和蘑菇渣。

1.3 土壤样品采集

分别于2017年6月玉米种植前和2017年9月玉米收获后进行土壤样品采集，每个小区采集0～200 cm土层土壤作为供试土壤。各个小区随机从3个样品点采集，土壤均匀混合后作为1个样品，于4 ℃保存。

1.4 土壤氮素测定

不同土层中的氨态氮采用NaCl浸提-扩散法、硝态氮采用速效氮（NaCl浸提-Zn-FeSO4还原-蒸馏法）减去氨态氮法进行测定。

1.5 土壤微生物数量和种类测定

采用传统稀释倒平板法对0～200 cm的土壤可培养微生物数量进行检测，细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基。真菌采用PDA培养基，培养温度均为28 ℃。

从0～20 cm土层分离的微生物中选择10株微生物（细菌、真菌），纯化后进行分子生物学种类测定。细菌、真菌DNA分别使用细菌基因组DNA提取试剂盒（离心柱型）和真菌基因组DNA提取试剂盒（离心柱型）提取，细菌进行16S rDNA扩增，引物为27F（5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′）和1492R（5′-TACGGCTACCTTCGACTT-3′），真菌进行ITS rDNA扩增，引物为ITS1（5′-TCCGTAGGTGAAGCGG-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′。扩增后的PCR产物由北京诺赛基因组研究中心有限公司测序分析。基因测序、Blast比对后，确定微生物种类。

1.6 土壤酶活性测定

土壤过氧化氢酶采用KMnO4滴定法测定，其活性以单位土质量消耗的0.1 mol/L KMnO4的体积量（mL）表示。土壤脲酶采用比色法，其活性以3 h后单位土含有的NH4-N的mg数表示。

1.7 玉米产量测定

试验结束后采集玉米植株和果实，进行玉米鲜质量、植株鲜质量的测定;玉米风干后进行总粒质量、千粒质量、棒心质量等指数的检测。

1.8 数据处理

土壤中可培养微生物数量经对数转化后，通过Microsoft Excel for Windonws 2010软件进行分析和作图。差异显著性分析采用SPSS Statistics17.0软件进行单因素方差分析，不同因子间的相关性分析采用Pearson相关系数法。

2 结果与分析

2.1 不同處理对玉米产量的影响

2.1.1 不同处理对玉米鲜质量的影响 玉米收获后，总鲜质量、玉米质量（图1）和干质量（总粒质量、千粒质量、棒心质量）（图2-a、图2-b、图2-c），都获得了类似的结果。产量从高到底处理顺序为：化 肥+ 有机肥>施有机肥>常规化肥>不施肥处理。

化肥+有机肥处理的总鲜质量为0.73 kg/株，比施有机肥处理0.69 kg/株、常规化肥处理0.66 kg/株分别提高了 5.8%、10.6%。化肥+有机肥处理的玉米质量为 0.30 kg/株，比施有机肥处理0.28 kg/株、常规化肥处理 0.27 kg/株分别提高了7.1%、11.1%。

2.1.2 不同处理对玉米粒质量和棒心质量的影响 化肥+有机肥处理总粒质量147 g/株，比施有机肥处理138 g/株、常规化肥处理135 g/株分别提高了6.5%、8.9%（图2-a）。千粒质量和棒心质量的结果同总粒质量类似（图2-b、图2-c）。不同处理间的总粒质量/棒心质量也有一定差异（图2-d）。从高到低处理顺序为化肥+有机肥（25.30）>有机肥处理（24.91）>不施肥处理（24.48）>常规化肥处理（23.61）。化 肥+ 有机肥处理的比值最高，结合玉米产量的变化，表明化肥+有机肥处理不但促进玉米的产量，同时能够促进物质能量更有效地向果实转化。单施化肥处理比值比对照更低，表明单施化肥处理虽然能够提高玉米产量，但降低了物质能量利用的有效性。

2.2 不同处理对土壤氮素的影响

氮是植物营养三要素之一，铵态氮、硝态氮是作物生长的主要氮源。不同施肥种类对不同土层的铵态氮和硝态氮都有一定的影响（图3）。土壤中铵态氮（图3-a）和硝态氮（图 3-b）变化主要在0～40 cm土层，40 cm以下土层的铵态氮和硝态氮含量很低，且处理间差异变化不明显。

在土壤0～20 cm土层的铵态氮含量具有显著差异，化 肥+ 有机肥处理、有机肥处理铵态氮含量显著高于常规施肥处理、不施肥处理。不同处理铵态氮含量高低顺序为化肥+有机肥（2.38 mg/L）>有机肥（1.50 mg/L）>常规化肥（0.70 mg/L）>不施肥处理（0.54 mg/L）;20～40 cm土层的铵态氮高低顺序略有差异，表现为化肥+有机肥>常规化 肥> 有机肥>不施肥处理（图3-a）。铵态氮比较容易被土壤胶体吸附，化肥+有机肥处理一定程度上有利于土壤肥效的保持。

土壤硝态氮在0～40 cm土层含量要明显高于铵态氮含量。不同处理在0～20 cm土层硝态氮差异显著，高低顺序依次为常规化肥（18.7 mg/L）>化肥+有机肥（8.67 mg/L）>有机肥（4.52 mg/L）>不施肥处理（0.54 mg/L）。常规化肥处理的土壤硝态氮显著高于其他处理（图3-b）。0～20 cm 土壤铵态氮和硝态氮总和从高到低的排列为常规化肥（19.4 mg/L）>化肥+有机肥（11.05 mg/L）>施有机肥（602 mg/L）>不施肥处理（1.08 mg/L）。表明常规施肥处理夏玉米收获后土壤肥力最高。

2.3 不同处理对土壤可培养微生物数量和种类的影响

2.3.1 可培养细菌数量和种类差异 细菌是土壤主要的微生物群落，细菌数量的多少不但取决于土壤质地和肥力状况，同时也反映了土壤环境条件及肥力的供应情况。从图4-a可见，不同土层不同处理间土壤细菌量存在明显的差异。在 0～200 cm土层中，4个处理的细菌都呈现出相似的变化规律，在0～40 cm细菌量最多，含量在106～107 CFU/g;40～100 cm 细菌数量出现明显下降，100 cm有机肥处理出现细菌数量最低值6×104 CFU/g;100～120 cm细菌量出现略微上升趋势，120～200 cm细菌数量基本稳定在105～106 CFU/g。

相同土层不同处理间也存在着细菌数量的变化。在0～20 cm土层，常规化肥处理和化肥+有机肥处理的细菌含量最多，土壤细菌含量分别为1.0×107、9.7×106 CFU/g，不施肥对照处理细菌数量最少，为3.7×106 CFU/g;在20～60 cm土层，化肥+有机肥处理的细菌含量明显高于其他3个处理，细菌含量为1.0×107 CFU/g;60 cm 土层以下，不同处理间的细菌数量差异不明显。在0～60 cm土层，化肥+有机肥处理的细菌生物量最高。

从表2可以看出，在0～20 cm土层，化肥+有机肥处理的细菌种类最多，共检测出7个不同属的细菌。不施肥处理细菌种类最少，共检测出4个不同属的细菌。常规施肥处理、有机肥处理均测出5个不同属的细菌。芽孢杆菌属和假单胞菌属的细菌均在4个不同处理中被发现，是土壤中比较稳定的微生物类群。

2.3.2 可培养真菌数量和种类差异 土壤不同深度和不同处理的真菌数量差异没有细菌变化明显（图4-a）。从 图4-b 可以看出，土壤真菌主要集中在0～60 cm土层，数量在103～104 CFU/g; 土层深度100 cm以下， 基本检测不到土  在0～20 cm土层之间的真菌种类差异和细菌类似（表3），化肥+有机肥处理的真菌种类最多，共检测出8个不同属的真菌。不施肥处理细菌种类最少，共检测出5个不同属的真菌。常规施肥处理和有机肥处理均测出7个不同属的真菌。曲霉属、木霉属真菌均在4个不同处理中被发现。

2.4 不同处理对土壤酶活性的影响

从表4可以看出，化肥+有机肥处理脲酶和过氧化氢酶活性都高于其他处理，不施肥对照处理脲酶和过氧化氢酶活性都处于最低水平，有机肥处理、常规施肥处理间脲酶、过氧化氢酶活性差异不显著。

2.5 氮素含量、微生物数量、酶活性和总粒质量间的相关性

分析土壤0～20 cm土层氮素含量（硝态氮、铵态氮）、微生物数量（细菌、真菌）、酶活性（脲酶、过氧化氢酶）、和产量（总粒质量）间的相关性，见表5。结果表明，总粒质量和其他因子都呈正相关性，与过氧化氢酶、铵态氮含量的相关系数分别为 0.996、0.929。微生物细菌、真菌的数量与硝态氮呈负相关，相关系数为-0.210、-0.278，与铵态氮含量呈正相关性，相关系数为0.758、0.887。脲酶、过氧化氢酶酶活性与硝态氮、铵态氮含量呈正相关关系，硝态氮含量与脲酶活性的相关系数为0.722，高于过氧化氢酶系数为0.321，铵态氮含量与过氧化氢酶活性的相关系数为0.940高于与脲酶的相关系数为0.647。

3 结论与讨论

该研究通过对北京地区夏玉米的不同施肥种类，测定不同施肥种类对玉米产量、 土壤氮素含量、微生物种类数量、土壤酶活性的影响。结果表明，在等氮量的条件下，施用混合肥处理玉米的产量最高，土壤中的可培养细菌数量（0～80 cm）和种类（0～20 cm）最多，土壤酶活性（脲酶、过氧化氢酶）最高，土壤中铵态氮含量最高，硝态氮含量居中。另外，施用混合肥处理的总粒质量/棒心质量比值最高。因此，有机肥和化肥的混合施用能够提高肥料的综合利用率，在减少化学肥料施用量的情况下，能达到作物高产和土壤生态环境保护的双重目的。

铵态氮在土壤中容易被土壤颗粒吸收，不容易淋失，而硝態氮容易随雨水淋溶到地下[5]。因此，氮素淋失决定于土壤中硝态氮浓度的大小，土壤硝态氮浓度升高会引起硝态氮在土壤中大量积累，从而增加氮素淋失的潜在风险[21]。有机肥配施可以有效降低土壤硝态氮的积累[22-23]。采用15N标记田间微区试验结果表明，单施化肥和有机无机配施的氮素损失分别为23%、16%，长期有机无机配施能够显著提高氮肥利用率、降低氮肥损失[22]。本研究获得了类似的结果，混合施用处理土壤中的铵态氮含量最高，硝态氮含量居中。而化肥处理土壤铵态氮含量最低，硝态氮含量最高。因此，混合施肥有利于土壤肥力的保持，单一化肥处理具有更高的淋溶风险。

土壤微生物是土壤质量的重要生物评价指标[14-15]。细菌是土壤微生物群落中数量最多，分布最广的菌种。细菌数量的多寡直接反映了土壤的环境条件及肥力的供应状况[23]。本研究表明，土壤0～200 cm间都有大量的细菌存在，在0～60 cm土层生物量最高。混合使用处理的细菌数量在0～60 cm土层明显高于其他处理。在0～20 cm土层的细菌种类分析表明，混合施肥处理的细菌种类最多，共检测出芽孢菌属、假单胞菌属、地杆菌属、微杆菌属、溶杆菌属、寡养假单胞菌属、无色杆菌属等7个种属的细菌。不施肥对照、常规施肥处理、有机肥处理分别检测出4个属、5个属、5个属的细菌。土壤真菌变化没有细菌变化明显。土壤真菌主要集中在0～60 cm土层，数量在103～104 CFU/g;土层深度100 cm以下，基本检测不到土壤真菌的存在。在0～20 cm土层之间，化 肥+ 有机肥处理的真菌种类最多，共检测出8个不同属的真菌，分别为黑孢属、曲霉属、毛壳菌属、木霉属、漆斑菌属、被孢霉属、青霉属、毛霉属、双足囊菌属。不施肥处理细菌种类最少，共检测出5个不同属的真菌。常规施肥处理和有机肥处理均检测出6个不同属的真菌。表明混合施肥利于土壤细菌和真菌种群和数量的保持，有利于农田生态环境的保护。

土壤酶活性是土壤质量的重要指标，土壤酶反映了土壤生物活性和土壤生化反应强度。脲酶直接参与土壤中的氮循环，其产物是植物最重要的土壤速效氮，能在一定程度上反映土壤的供氮能力[24]。本研究结果表明，混合施肥处理土壤中的脲酶活性最高，说明更有利于土壤氮元素的循环。过氧化氢酶作为土壤中物质和能力转化的氧化还原酶，表征了生物氧化过程的强弱[25-26]。本研究结果，混合施肥处理土壤中的过氧化氢酶活性同样最高，不施肥对照最低，常规施肥、有机肥处理间没有显著差异。试验结果表明，有机肥无机混施可以提高土壤酶的活性，对物质能量转化和植物的保护都有重要意义。

土壤酶活性，土壤理化指标和微生物活性都密切相关[27]。氮素含量、微生物数量、酶活性和总粒质量间的相关性分析表明，产量（总粒质量）与其他因子都呈正相关性，与过氧化氢酶活性、铵态氮含量的相关系数分别为0.996、0929。土壤细菌、真菌微生物数量以及土壤脲酶、过氧化氢酶酶活性都能够很好反映作物产量[28]。土壤细菌、真菌微生物数量以及土壤脲酶、过氧化氢酶酶活性与土壤肥力也有一定程度的相关性，说明土壤微生物数量和土壤酶活性可以作为评价土壤硝态氮、铵态氮高低的指标，作为土壤淋溶风险的重要指示。

目前，为了保障国家粮食安全、农产品质量安全和农业生态安全，农业部提出了在保证粮食稳定增产的基础上，实施化肥使用量零增长行动[29]。有机肥和化肥混合施用是实现这一目标的重要方法之一。

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