趙 旭，宋清暉，王曉慧，王學剛，馮宇涵，孫思淼，李洪濤，常 偉，宋福強

（1黑龍江大學生命學院/農業(yè)微生物技術教育部工程研究中心，哈爾濱150500；2黑龍江大學生命學院/黑龍江省寒地生態(tài)修復與資源利用重點實驗室，哈爾濱150080；3黑龍江省慶東陽光農業(yè)生物科技股份有限公司，黑龍江肇東151100）

0 引言

玉米(Zea mays)是世界三大糧食作物之一，在農業(yè)生產中占有重要地位[1]。化肥施用在作物增產、耕地養(yǎng)分補充等方面發(fā)揮了重要作用[2]，隨著集約化農業(yè)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，大量施用化肥已成為普遍采用的標準增產栽培措施[3]。據統(tǒng)計，過去的三十年時間里，中國玉米產量增加了85%，然而化肥施用增加了450%，糧食產量的增長速度遠不及化肥的增施速度[4]。集約化農業(yè)系統(tǒng)中過量和長期施用化肥，一方面造成了許多土壤問題，包括土壤酸化和電導率升高、土壤酶活性降低、微生物多樣性降低、土壤有機質(SOM)含量降低，從而降低了土壤肥力[5]。另一方面，大量的化肥施用不僅增加了成本，降低國際市場競爭力[6]，還會隨降雨污染地下水、河流和湖泊，對生態(tài)環(huán)境造成壓力[7]。由此可見，研究科學合理的施肥措施對減少化肥用量，提高土壤肥力，提高玉米產量，促進農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。有機肥替代或部分替代化肥是實現(xiàn)中國化肥零增長，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[8]。有機肥料也被叫做農家肥，包括糞尿肥、堆漚肥、雜肥、餅肥、廄肥、沼氣肥等。有機肥中含有大量的氨基酸和有機質，以氮、磷、鉀等植物生長所需的養(yǎng)分，與化學肥料相比，有機肥料可以優(yōu)化根際細菌，改善土壤的理化性質，提高土壤的連續(xù)生產能力等，對環(huán)境的負面影響較小[9-10]。在有機肥基礎上加入菌群，制成的生物有機肥，還具有優(yōu)化土壤菌群群落結構，提高土壤酶活性的作用[11]。謝軍等[8]研究表明，雞糞有機肥能夠提高玉米產量，并且降低了玉米產量的年度變異系數(shù)。蔡澤江等[12]研究表明，秸稈酵母腐熟有機肥能夠改善土壤酸度，獲得持續(xù)高產。陳志龍等[13]研究表明，有機肥與化肥混合施用能提高小麥的氮肥利用效率。Liu等[14]研究結果表明，長期施用有機肥顯著增加0～100 cm土層保水能力，提高水分利用效率，緩解干旱脅迫。有機肥逐步替代化肥，是未來生態(tài)農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，研究不同有機肥對于化肥的替代能力，開發(fā)新型高性能有機肥料具有重要意義。本研究旨在通過不同有機肥對比傳統(tǒng)化肥的定位施肥實驗，在松嫩平原玉米農田進行定位監(jiān)測，分析不同有機肥對玉米生長發(fā)育、產量及土壤性質的影響，為東北地區(qū)有機肥代替化肥施用及黑土土壤的可持續(xù)利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2019年4—10月在黑龍江省綏化市肇東試驗基地進行，本區(qū)域位于松嫩平原中部(45°10′N，125°22′E)，地面海拔高程在120～230 m之間，屬寒溫帶氣候，年平均氣溫4.4℃，平均積溫為2772℃，年降水量448 mm，蒸發(fā)量1638 mm，全年無霜期平均在140天左右，年平均日照時數(shù)2780 h。土壤類型為黑鈣土。供試作物玉米，品種為‘好玉723’。供試肥料信息見表1。

表1 供試肥料信息

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 本試驗玉米為田間種植，共設5個處理，每個處理3個小區(qū)，共計15個小區(qū)，各小區(qū)隨機分布。每個小區(qū)占地面積0.067 hm2，起壟種植，壟間距0.6 m，株距0.25 m，播種密度為5×104株/hm2。其他管理措施同當?shù)卮筇铩?/p>

1.2.2 測定指標 玉米產量：在玉米收獲季節(jié)（10月7日）每塊小區(qū)取1.8×10 m樣方收獲玉米籽粒，烘干后測定玉米籽粒總重及百粒重，推算出每公頃產量。

玉米葉片光合特性及葉綠素含量：在玉米大喇叭口期（7月29日）上午9:00—10:00使用CI-340手持光合測定系統(tǒng)測定各處理玉米植株主莖功能葉（倒3葉）的凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2濃度以及氣孔導度。分光光度法測定葉片葉綠素a、葉綠素b以及總葉綠素含量。

土壤酶活性：根據土壤標準采樣法，于玉米大喇叭口期在每塊樣地用土鉆采集耕層(0～20 cm)土壤樣品1 kg。具體為每個小區(qū)隨機取10個樣品充分混合后成為1個樣品后帶回實驗室測定，采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定土壤脲酶活性，3,5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，磷酸苯二鈉比色法測定土壤堿性磷酸酶活性[15]。

總球囊霉素含量及根系叢枝菌根真菌(AMF)侵染率：用牛血清蛋白(BSA)作標準液，考馬斯亮藍顯色法測定土壤總球囊霉素含量[16]，AMF侵染率采用酸性品紅染色法測定[17]。

1.3 數(shù)據處理

運用Excel 2016進行數(shù)據處理及作圖，采用SPSS 17.0對試驗數(shù)據進行統(tǒng)計分析，5個處理之間單因子數(shù)據差異顯著性采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和LSD多重比較(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同肥料處理對玉米產量的影響

不同肥料處理下的玉米產量，由大到小依次為T4＞CK＞T2＞T3＞T1（見表2）。同對照處理CK相比，T4處理下玉米產量增幅為11.53%，且差異達到顯著水平(P＜0.05)，T1和T3處理下玉米產量顯著低于CK(P＜0.05)，T2處理下玉米產量較CK差異不顯著(P＞0.05)，各組處理下的玉米百粒重均無明顯差異(P＞0.05)。

表2 不同肥料處理對玉米產量的影響

2.2 不同肥料處理對玉米葉片光合特性的影響

由表3可知，T2、T3、T4處理下玉米葉片凈光合速率均高于CK，分別較之增加32.34%(T2)、18.49%(T3)、24.10%(T4)，且差異達到顯著水平(P＜0.05)。T1處理下玉米葉片凈光合速率略低于CK，但差異不顯著(P＞0.05)。T1、T2、T3、T4、處理下的玉米葉片蒸騰速率、胞間CO2濃度、氣孔導度均顯著低于CK，其中T1處理下玉米葉片蒸騰速率、氣孔導度較CK降幅最大，分別下降了57.48%、58.33%。T4處理下玉米葉片胞間CO2濃度最低，為82.00 μmol/mol。

表3 不同肥料處理對玉米葉片光合特性的影響

2.3 不同肥料處理對玉米葉片葉綠素含量的影響

不同肥料處理下的玉米葉片葉綠素含量如圖1所示，T2、T3、T4處理下的玉米葉片葉綠素a含量均高于CK，較 CK 增加了 5.02%(T2)、14.41%(T3)、11.11%(T4)，其中 T3和T4差異達到顯著水平(P＜0.05)；T2、T3、T4處理下的玉米葉片葉綠素b含量均顯著高于CK(P＜0.05)，T1處理變化不顯著(P＞0.05)；總葉綠素含量由大到小依次為T4＞T3＞T2＞CK＞T1，T4、T3、T2處理分別較CK增加了14.76%、14.74%、7.46%，其中T4和T3差異達到顯著水平(P＜0.05)。

圖1 不同肥料處理對玉米葉綠素含量的影響

2.4 不同肥料處理對玉米田間土壤酶活性的影響

不同肥料處理下土壤脲酶活性變化范圍處于5.53～10.37 mg/g之間（圖2），T1處理下土壤脲酶活性最高，較CK增長6.84%，差異達到顯著水平(P＜0.05)，T2、T3、T4處理下土壤脲酶活性均低于CK，分別下降了35.79%(T2)、43.03%(T3)、33.50%(T4)，且差異達到顯著水平(P＜0.05)；4種有機肥處理下的土壤堿性磷酸酶活性均高于CK（圖3），其中T1、T3增長顯著(P＜0.05)，土壤堿性磷酸酶活性變化范圍11.911～15.658 mg/g，T3處理下土壤堿性磷酸酶活性最高，較CK提高31.80%；不同肥料處理對玉米田間土壤蔗糖酶活性的影響如圖4所示，土壤蔗糖酶活性變化范圍為1.471～2.129 mg/g，4種有機肥處理下的土壤蔗糖酶活性較CK均顯著增加(P＜0.05)，T4處理下土壤蔗糖酶活性最高，較CK提高30.91%。

圖2 不同肥料處理對玉米田間土壤脲酶活性的影響

圖3 不同肥料處理對玉米田間土壤堿性磷酸酶活性的影響

圖4 不同肥料處理對玉米田間土壤蔗糖酶活性的影響

2.5 不同肥料處理對玉米根系AM真菌侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

叢枝菌根真菌可與玉米根系建立良好的共生關系，形成泡囊結構（圖5）。不同肥料處理對玉米根系AMF侵染率的影響如圖6所示，AMF侵染率同土壤總球囊霉素含量呈顯著的正相關。T2處理下的AMF侵染率最高，為93.59%，較CK增加了58.90%，T1、T2、T3、T4處理下的AMF侵染率分別較CK增加了28.30%(T1)、58.90%(T2)、20.71%(T3)、41.58%(T4)，其中T2和T4差異達到顯著水平(P＜0.05)；T1、T2、T3、T4處理下的土壤總球囊霉素含量均高于CK，且差異均達到顯著水平(P＜0.05)。T2處理下的土壤總球囊霉素含量最高，為0.140 mg/g，較CK顯著增加8.52%。

圖5 AMF與玉米根系侵染形成泡囊

圖6 不同肥料處理對玉米根系AMF侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

3 討論

3.1 不同肥料處理對玉米產量的影響

本試驗研究結果表明，T4相對于傳統(tǒng)化肥對玉米產量具有顯著的積極影響，證明有機肥替代傳統(tǒng)化肥是可行的。溫延臣等[18]研究表明，有機肥能顯著增加土壤有機碳和全氮含量，利于植物吸收利用，進而提高作物產量。Mohamed等[19]研究表明，有機肥有利于增加土壤透氣性，改良土壤真菌、細菌種群結構，能夠提高玉米產量和品質。Zhao等[20]研究表明有機肥能提高土壤養(yǎng)分有效性、微生物生物量、酶活性和土壤氮素過程，并在一定程度上促進作物產量。超效有機肥是在有機肥的基礎上向腐熟物料中添加功能性微生物菌劑進行二次發(fā)酵而制成的含有大量功能性微生物的有機肥料，具有改良土壤理化性質，增加土壤有益微生物的作用，其相比于傳統(tǒng)化肥具有增產作用；本試驗中，T2處理下的玉米產量相比于CK略低，但差異不顯著，表明其在有機肥替代化肥方面具有一定可行性，而T1處理下的玉米產量較CK顯著降低，說明秸稈還田雖然能改良土壤結構、增加土壤有益微生物豐富度[21]，但單獨的秸稈腐熟還田并不能滿足玉米產量的需求，還需要添加適量的肥料以達到增產的目的。

3.2 不同肥料處理對玉米葉片光合特性及葉綠素含量的影響

光合作用是影響作物產量的重要生理過程，已有研究表明施用有機肥可以提高植物的光合作用強度[22]。本實驗結果表明，T2、T3、T4三種有機肥處理下玉米葉片凈光合速率均高于CK，證明了這一研究結果。各處理下胞間CO2濃度與凈光合速率呈現(xiàn)顯著的負相關，這與彭輝輝等[23]研究結果一致。研究發(fā)現(xiàn)，4組有機肥處理下的葉片氣孔導度與蒸騰作用強度都顯著低于CK，同凈光合速率呈負相關，這說明了葉片凈光合速率的增加是由于非氣孔因素造成的，推測可能原因是葉片凈光合速率還受到葉肉細胞光合性能的影響[24]，凈光合速率的提高是由于施用有機肥提高了玉米葉肉細胞光合性能。

植物光合作用在葉綠體中進行，葉綠體中的光合色素是植物光合作用的物質基礎，植物葉片葉綠素含量很大程度上反映了植物進行光合作用的能力[25]。本試驗結果表明，T2、T3、T4處理均不同程度上提高了玉米葉片葉綠素含量，其中，T4處理的葉片總葉綠素含量比普通化肥高136.1%，說明施用有機肥可顯著提高葉片葉綠素含量，這與前人的研究結果一致[26-27]。

3.3 不同肥料處理對玉米田間土壤酶活性的影響

脲酶直接催化尿素水解，土壤脲酶活性表征土壤的氮素狀況[28]。本研究中，T1處理下土壤脲酶活性顯著增加，這與馬慧娟等[29]在秸稈還田對土壤脲酶活性影響的研究結果一致?？赡苁怯捎诮斩掃€田向土壤提供了大量有機質，為土壤微生物維持生命活動供應營養(yǎng)，提高了各類微生物的數(shù)量，從而提高土壤脲酶活性；T2、T3、T4有機肥處理后，相比于CK處理，土壤脲酶活性均顯著降低，這一定程度上反映了高氮化肥對土壤脲酶活性的影響，也反映了施用有機肥能夠實現(xiàn)農業(yè)土壤肥料施用的降氮目標。

蔗糖酶直接參與土壤有機質代謝，其活性大小與土壤肥力呈正相關[30]。本研究中相比于CK，4種有機肥處理后的土壤蔗糖酶活性均有不同程度提高，證明了有機肥能提高土壤蔗糖酶活性，對土壤具有改良作用，這與商放澤等[31]研究結果一致。

堿性磷酸酶可以加速有機磷脫磷速度，對土壤磷素的有效性具有重要作用[30]。張俊麗等[31]研究表明，有機肥施用后顯著提高了玉米田間土壤堿性磷酸酶活性，這與本研究結果一致，證明了施用有機肥對作物的磷素吸收具有積極作用。

3.4 不同施肥處理對玉米根系AMF侵染率及根際土壤總球囊霉素含量的影響

AMF能與玉米根系結合形成菌根結構，改善根際環(huán)境，促進植物對礦質養(yǎng)分的吸收，提高植物抗病性和抗逆性[32]。球囊霉素是AMF分泌到土壤中的一種糖蛋白，能夠提高土壤有機碳含量，增強土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤質量[16]。本研究結果表明，4種有機肥處理后的玉米根系AMF侵染率均不同程度高于CK，證明了有機肥能增強AMF與玉米的共生作用，對菌根的形成具有促進作用。這與Jiang等[34]研究結果一致。本研究中，總球囊霉素含量與AMF侵染率呈正相關，且4組有機肥處理后的總球囊霉素含量均顯著高于CK，說明有機肥施用可提高玉米根系AMF侵染率與土壤總球囊霉素含量。

4 結論

菌糠+雞糞+腐殖酸有機肥(T2)、菌糠+雞糞+枯草芽孢桿菌腐熟有機肥(T3)、超效有機肥(T4)相比于玉米專用復合肥(CK)均提高了玉米葉片的光合性能，其中T3和T4最優(yōu)；與CK相比，T4處理顯著提高玉米產量，T2處理達到相近產量水平；秸稈+枯草芽孢桿菌腐熟有機肥(T1)相比于CK顯著提高了脲酶活性，4種有機肥均顯著提高了土壤蔗糖酶、堿性磷酸酶活性，表明了有機肥在農業(yè)降氮減排、增加作物磷素吸收、增強有機質分解方面有積極作用；4種有機肥處理下，AMF侵染率和土壤總球囊霉素含量均高于化肥處理，其中T2和T4最優(yōu)，表明有機肥在促進AMF與玉米植株共生和改良土壤結構方面有積極作用。綜上，使用超效有機肥、菌糠+雞糞+腐殖酸有機肥替代化肥，能夠達到化肥減施效果；并且未來的研究中可以進一步改良有機肥配方或進行有機肥配施以達到玉米增產增效的作用。