丁維婷，房靜靜，武雪萍*，張繼宗*，張久明，張軍政，劉亦丹，宋霄君，李婧妤，鄭鳳君，張孟妮，劉曉彤

（1.中國農(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；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086；3.首都師范大學(xué)，北京 100048；4.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；5.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150030；6.山西師范大學(xué)，山西 臨汾 041004）

過量的氮肥投入不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染、土壤退化等［1］。林治安等［2］、徐明崗等［3］、韓曉增等［4］研究認(rèn)為有機(jī)無機(jī)配施是一種環(huán)境保護(hù)性施肥技術(shù)。適度有機(jī)肥替代既能促進(jìn)作物增產(chǎn)，又能改善土壤養(yǎng)分狀況［5-9］，有機(jī)肥替代化肥是一種行之有效的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展策略［10］。探索適宜的有機(jī)肥替代比例對(duì)于解決農(nóng)產(chǎn)品安全以及生態(tài)環(huán)境等難題和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。對(duì)于有機(jī)無機(jī)配施比例問題，大多研究［11-13］從作物產(chǎn)量效應(yīng)和氮效率等方面確定有機(jī)肥替代化肥比例，且替代比例不一，而從生物學(xué)活性以及產(chǎn)量品質(zhì)角度研究較少。土壤生物學(xué)活性主要指土壤微生物和酶活性，土壤微生物是土壤中一切生物化學(xué)過程的主要參與者，微生物量碳氮一般被認(rèn)為是土壤活性養(yǎng)分的儲(chǔ)存庫，是植物所需養(yǎng)分的重要來源［14］。土壤酶在物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化過程中起主要的催化作用，它與土壤養(yǎng)分循環(huán)、能量轉(zhuǎn)移以及環(huán)境質(zhì)量等密切相關(guān)［15］。土壤微生物活動(dòng)和土壤酶活性是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子，同時(shí)它們對(duì)不同施肥處理的響應(yīng)能力更強(qiáng)。因此，通過研究不同施肥處理對(duì)土壤微生物活性以及春麥產(chǎn)量品質(zhì)的影響，以此來評(píng)價(jià)土壤肥力水平和土壤培肥效果具有重要意義。有關(guān)黑土區(qū)春麥有機(jī)替代無機(jī)適宜比例還不明確，因地制宜確定合理高效的施肥措施和培肥模式，需從當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，開展綜合研究。因此，本文針對(duì)不同施肥處理對(duì)土壤生物學(xué)活性、產(chǎn)量品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)效益等方面開展綜合分析和研究。本文旨在嫩江縣開展定位監(jiān)測(cè)，對(duì)不同施肥處理進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)，為黑土區(qū)春麥確定適宜的有機(jī)肥替代化肥比例、科學(xué)施肥提供理論依據(jù)，為后續(xù)深入研究有機(jī)肥替代機(jī)制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省嫩江縣中儲(chǔ)糧北方公司四場(chǎng)科技園區(qū)（49°56′N，125°42′E）。年均氣溫-0.1 ℃，無霜期105 d，降水量570 mm，蒸發(fā)量719 mm，土壤類型為厚層粘底黑土，耕層土壤（0～20 cm）的基本性狀為有機(jī)碳22.58 g/kg、全氮1.80 g/kg、堿解氮183.32 mg/kg、有效磷30.71 mg/kg、pH 6.01。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2019年，種植制度為小麥-大豆，一年一熟輪作制。供試春小麥品種為“克春9號(hào)”，4月初播種，8月中旬收獲。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：①不施肥（CK）；②100%化肥（100%NPK）；③25%有機(jī)肥+75%化肥（25%M）；④50%有機(jī)肥+50%化肥（50%M）；⑤100%有機(jī)肥（100%M）。具體施肥量情況：施氮（N）總量為75 kg/hm2，磷肥（P2O5）75 kg/hm2，鉀肥（K2O）37.5 kg/hm2?；史謩e用尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀。有機(jī)肥為商品有機(jī)肥，其養(yǎng)分含量為N 5.05%、P2O52.75%、K2O 1.50%，有機(jī)質(zhì)含量31.20%。有機(jī)肥替代化學(xué)氮素的100%、50%、25%，各處理有機(jī)肥用量分別為1500、750、375 kg/hm2，各施肥處理分別扣除有機(jī)肥N含量后用尿素補(bǔ)充，保證各施肥處理養(yǎng)分投入量一致。有機(jī)肥和氮、磷、鉀肥作基肥一次性施入。各處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，每個(gè)處理面積22.5 m2，共337.5 m2。

1.3 土樣采集與處理

于2019年8月小麥?zhǔn)斋@期采集土壤樣品。用S點(diǎn)法取樣，各處理分別選取3個(gè)采樣點(diǎn)，采樣深度為0～20 cm，挑出土壤樣品中的植物根系、石礫和其他雜物，將土壤樣品過2 mm篩，放入4℃冰箱中保存，用于微生物特性的測(cè)定。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤微生物生物量的測(cè)定

采用Vance等［16］和吳金水等［17］提供的氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提方法測(cè)定土壤微生物生物量碳、氮。具體操作為：稱取相當(dāng)于10 g烘干土重的鮮土放入鋁盒中，然后將其放入真空干燥器中。干燥器中放入一只盛有60 mL無乙醇氯仿和沸石的燒杯以及一只盛有氫氧化鈉溶液的燒杯，并在真空干燥器底部放入少量蒸餾水和濾紙，上述準(zhǔn)備是用于吸收熏蒸過程中產(chǎn)生的二氧化碳并保持空間內(nèi)一定的濕度。將真空干燥器蓋好后，使用凡士林密封各處空隙，用真空泵抽真空后保持氯仿沸騰3 min，關(guān)閉真空干燥器閥門，并用黑色塑料袋將其完全包裹，避光熏蒸24 h后打開真空干燥器閥門，有空氣吸入聲音則表示熏蒸成功，取出氯仿和氫氧化鈉，更換底部蒸餾水，多次抽真空直至土壤樣品無氯仿氣味為止；取出土壤并溶于40 mL濃度為0.5 mol/L的K2SO4溶液中（土液比1∶4），震蕩浸提30 min后過濾獲得浸提液。浸提液立即測(cè)定。同時(shí)做未熏蒸土壤浸提液對(duì)照試驗(yàn)。測(cè)定采用Vario TOC（德國）儀器完成。

1.4.2 土壤酶活性的測(cè)定

稱取相當(dāng)于1.0 g烘干土的新鮮土樣，放入500 mL的玻璃燒杯中，加入滅菌后冷卻的醋酸緩沖液125 mL，在磁力攪拌器上攪拌10 min后，嚴(yán)格按照相應(yīng)要求，使用多通道移液器將緩沖液、土壤樣品懸濁液、標(biāo)準(zhǔn)品和相應(yīng)底物加入到黑底的96孔酶標(biāo)板中，加完樣后，用錫箔紙覆蓋微孔板，于20℃培養(yǎng)箱中，黑暗條件下培養(yǎng)4 h，培養(yǎng)后上機(jī)測(cè)試，采用多功能酶標(biāo)儀（Scientific Fluoroskan Ascent FL，美國Thermo公司）測(cè)定5種土壤水解酶，即β-葡萄糖苷酶（BG）、β-纖維二糖苷酶（CBH）、乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）（相應(yīng)底物見表1 ）。具體測(cè)定參照Saiya-Cork等［18］的方法并稍作修改。試劑購于Sigma-Aldrich公司，用無菌水配置后于4℃冰箱短暫保存待用。

表1 測(cè)試酶及所用底物

1.4.3 小麥籽粒產(chǎn)量測(cè)定

各小區(qū)設(shè)3個(gè)1.0 m2樣方取樣，風(fēng)干后脫粒、稱重，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4.4 小麥綜合品質(zhì)測(cè)定

采用DA7200多功能近紅外分析儀（瑞典波通公司）測(cè)定小麥品質(zhì)指標(biāo)，蛋白質(zhì)含量、容重、出粉率、濕面筋含量、沉降值、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間、最大拉伸阻力、延展性和拉伸面積等。重復(fù)3次。

1.5 計(jì)算方法

1.5.1 土壤微生物量碳氮

式中，EC為熏蒸土壤浸提液中的碳-未熏蒸土壤浸提液中的碳，KEC為微生物量碳轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45；EN為熏蒸土壤浸提液中的氮-未熏蒸土壤浸提液中的氮，KEN為微生物量氮轉(zhuǎn)換系數(shù)0.54。

1.5.2 土壤酶活性

土壤酶活性值計(jì)算參照 Deforest［19］方法。

1.5.3 氮肥利用率

氮肥農(nóng)學(xué)效率（%）=（施氮區(qū)產(chǎn)量-空白區(qū)產(chǎn)量）/施氮量×100

氮肥偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件分析數(shù)據(jù)，Excel 2010制作圖表。利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA）和最小顯著差數(shù)法（LSD）多重比較（a=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)替代比對(duì)土壤微生物量碳、氮的影響

由圖1可看出，不同施肥處理之間土壤微生物生物量碳差異不同。與CK相比，有機(jī)肥處理（100%M和25%M）土壤微生物生物量碳分別提高了0.82%、9.67%，而50%M處理和單施化肥處理分別降低了7.87%、1.17%。由于單施化肥抑制了微生物繁殖生長(zhǎng)，100%NPK處理土壤微生物生物量碳比CK略低，但沒有顯著差異。所有處理中以25%M處理為最大值，且與50%M處理差異達(dá)到顯著水平。可見，25%M處理可顯著提高土壤微生物生物量碳含量。

土壤微生物生物量氮的變化類似于上述微生物生物量碳的變化。由圖1可知，不同施肥處理之間微生物生物量氮差異不同。與CK相比，有機(jī)肥處理（100%M和25%M）土壤微生物生物量氮分別提高3.33%、28.64%，而50%M處理降低了4.14%，施用有機(jī)肥可提高土壤微生物生物量氮，而不合理的施肥也會(huì)抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖。本試驗(yàn)條件下，單施化肥處理較CK微生物生物量氮略有增加，但沒有達(dá)到顯著水平，而25%M處理微生物生物量氮達(dá)到最大值，差異達(dá)顯著水平。所以，適量的有機(jī)無機(jī)肥料配合施用可以使土壤保持較高的微生物生物量。

2.2 不同有機(jī)替代比對(duì)土壤酶活性的影響

圖1 不同施肥處理對(duì)土壤微生物生物量碳、氮的影響

圖2 不同施肥處理下土壤酶活性

不同施肥處理對(duì)土壤酶活性有顯著影響（圖2）。與CK處理相比，100%M處理土壤β-葡萄糖苷酶活性提高了14.31%，其他處理土壤β-葡萄糖苷酶活性降低了8.79%～21.03%。各施肥處理土壤β-纖維二糖苷酶活性較不施肥處理均有提升，有機(jī)肥處理（100%M、25%M）土壤β-纖維二糖苷酶活性較CK分別提高了103.48%、102.45%，且與CK、50%M處理存在顯著差異。不同處理間土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性差異不顯著，有機(jī)肥處理（100%M、25%M）土壤乙酰氨基葡萄糖苷酶活性較CK分別提高3.22%、26.42%，50%M和100%NPK分別降低了9.82%、5.67%。各施肥處理土壤酸性磷酸酶活性均高于不施肥處理，有機(jī)肥處理（100%M、25%M）酸性磷酸酶活性顯著高于其他處理，較CK分別提高了149.98%、170.53%，50%M、100%NPK處理土壤酸性磷酸酶活性與CK差異不顯著。各處理土壤亮氨酸氨基肽酶活性相比較，有機(jī)肥處理（100%M、25%M）較CK提高了10.52%～28.87%，并與其他處理差異顯著，50%M、100%NPK與CK差異不顯著。整體來看，以全量有機(jī)肥和25%有機(jī)替代施肥處理顯著提高了土壤酶活性。

2.3 不同有機(jī)替代比對(duì)春麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

不同施肥處理對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量產(chǎn)生顯著影響（表2）。與CK相比，各施肥處理均有不同程度的增產(chǎn)。有機(jī)肥處理（100%M、50%M和25%M）較CK分別增產(chǎn)了0.82%、12.45%和24.23%，100%NPK處理增產(chǎn)24.34%，以單施化肥處理（100%NPK）產(chǎn)量最高，25%M次之，兩者間產(chǎn)量差異不顯著。以100%M處理增產(chǎn)最少，與CK產(chǎn)量無顯著差異，有機(jī)肥處理（100%M、50%M和25%M）間小麥籽粒產(chǎn)量均存在顯著差異，這說明不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量影響較大，有機(jī)肥在一定范圍內(nèi)替代化肥可繼續(xù)維持小麥的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。作物氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力與小麥產(chǎn)量對(duì)不同施肥處理的響應(yīng)一致，氮肥利用率最高值出現(xiàn)在100%NPK處理，25%M處理次之。

表2 不同施肥處理小麥籽粒平均產(chǎn)量和氮肥利用率

2.4 不同有機(jī)替代比對(duì)春麥品質(zhì)的影響

小麥品質(zhì)性狀分為籽粒品質(zhì)、面粉品質(zhì)和面團(tuán)品質(zhì)3類指標(biāo)進(jìn)行分析（表3）。與CK相比，有機(jī)肥處理（100%M、50%M和25%M）的小麥品質(zhì)變化規(guī)律不一，有機(jī)肥處理（100%M、50%M和25%M）的一部分小麥品質(zhì)（容重、穩(wěn)定時(shí)間、形成時(shí)間、拉伸面積、最大拉伸阻力）得到提升，除拉伸面積100%M處理高于50%M外，以50%M處理提高幅度最大，100%M處理次之，25%M處理最小；另一部分品質(zhì)指標(biāo)（蛋白質(zhì)含量、出粉率、沉降值、濕面筋、吸水率、延展性）有所下降，以100%M處理下降幅度最大，25%M處理次之，綜合這3個(gè)有機(jī)肥處理來看，以50%M處理的小麥品質(zhì)提升狀況良好。100%NPK處理的籽粒品質(zhì)、面粉品質(zhì)和面團(tuán)品質(zhì)較CK分別提高了3.83%～12.34%、8.29%～26.11%、1.92%～386.67%。有機(jī)肥的施用維持或提升了部分品質(zhì)指標(biāo)，但同時(shí)也使得部分品質(zhì)指標(biāo)降低，有機(jī)肥處理（100%M、50%M和25%M）的小麥蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、沉降值、吸水率為弱筋小麥標(biāo)準(zhǔn)，其面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積以及最大拉伸阻力等指標(biāo)依然達(dá)到了優(yōu)質(zhì)中筋或強(qiáng)筋小麥的標(biāo)準(zhǔn)。

表3 不同施肥處理對(duì)小麥品質(zhì)的影響

2.5 不同有機(jī)替代比投入產(chǎn)出效益分析

對(duì)各處理進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，具體成本價(jià)格數(shù)據(jù)參照國家統(tǒng)計(jì)局和農(nóng)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4所示。從糧食增產(chǎn)的角度出發(fā)，除CK處理外，以25%M處理投入產(chǎn)出比最小，不同有機(jī)替代比處理（100%M、50%M和25%M）的投入產(chǎn)出比有較大差異。綜合來說，25%M處理能有效增加產(chǎn)值、提高效益。

表4 經(jīng)濟(jì)效益分析

3 討論

3.1 不同有機(jī)替代比對(duì)土壤微生物生物量碳氮的影響

土壤微生物生物量作為土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的活性庫或源，可部分反映土壤微生物活動(dòng)的強(qiáng)弱和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化速率的快慢，是土壤微生物質(zhì)量變化的重要指標(biāo)［20］。本研究結(jié)果顯示，適量的有機(jī)無機(jī)肥料配合施用可以使土壤保持較高的微生物生物量，不同施肥處理之間土壤微生物生物量差異不同，所有處理中25%M處理的土壤微生物生物量碳氮均為最大值，其微生物生物量碳、氮較CK分別提高了9.67%、28.64%，且差異達(dá)到顯著水平。100%M處理微生物生物量碳、氮較CK略有增加，差異未達(dá)到顯著水平，50%M較CK有所降低，100%NPK處理并未顯著提高土壤微生物生物量碳氮，不合理的施肥抑制了微生物繁殖生長(zhǎng)。適量有機(jī)肥的施入提供了豐富的碳源，而土壤微生物生物量主要受土壤中有機(jī)碳源的影響［14］，有機(jī)肥與化肥配合施用補(bǔ)充土壤有機(jī)碳源，提高了養(yǎng)分有效性和土壤微生物的活性。有機(jī)無機(jī)肥料配施提高微生物對(duì)肥料氮的固持量［21］，即可以顯著提高土壤微生物生物量氮，因此有機(jī)肥與化肥配施的土壤微生物生物量碳氮較高，25%M處理可顯著提高黑土土壤微生物生物量碳氮。

3.2 不同有機(jī)替代比對(duì)土壤酶活性的影響

大多研究者認(rèn)為土壤酶是研究土壤生態(tài)效應(yīng)的有效傳感器［22-23］。土壤β-葡萄糖苷酶、β-纖維二糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶以及亮氨酸氨基肽酶等都是土壤有機(jī)碳降解和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶，其活性常表征了土壤微生物活性［24］。本研究結(jié)果顯示，有機(jī)無機(jī)配施（25%M）在提高土壤酶活性方面占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)，土壤生物性質(zhì)-酶活性對(duì)施肥處理變化的響應(yīng)能力更強(qiáng)，不同施肥處理土壤酶活性存在顯著差異。一方面是有機(jī)肥含有大量養(yǎng)分和豐富的酶促基質(zhì)所決定，另一方面小麥?zhǔn)斋@期氣溫較高、降雨量充沛、外源有機(jī)物的增加等諸多因素對(duì)土壤微生物產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，從而促進(jìn)了不同處理間土壤酶活性的差異性。適量有機(jī)肥替代（25%M）可以通過為土壤微生物提供碳源，促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化，進(jìn)而提高氮肥利用效率。土壤酶活性的高低可以作為土壤肥力評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)［25-26］。本研究發(fā)現(xiàn)，全量有機(jī)肥和25%有機(jī)替代施肥處理顯著提高土壤酶活性。

3.3 不同有機(jī)替代比對(duì)春麥產(chǎn)量品質(zhì)的影響

大多研究者認(rèn)為，有機(jī)肥替代化肥比例并非越高越好，在現(xiàn)實(shí)中必然存在一個(gè)最佳比例，適宜的有機(jī)替代比顯著提高小麥、水稻等糧食作物的產(chǎn)量，而有機(jī)肥替代比例超出一定范圍會(huì)降低作物產(chǎn)量［27-29］。溫廷臣等［1］通過連續(xù)3年的商品有機(jī)肥定位施肥試驗(yàn)表明，等養(yǎng)分有機(jī)肥替代化肥施用后，與單施化肥產(chǎn)量無顯著差異。本研究得出類似結(jié)論，與不施肥處理相比，無論是單施有機(jī)肥、有機(jī)無機(jī)配施或單施化肥處理小麥均有不同程度的增產(chǎn)，小麥產(chǎn)量與作物氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力對(duì)不同施肥處理的響應(yīng)一致，其最高值均出現(xiàn)在100%NPK處理，其次為25%M處理，兩者間差異不顯著。不同有機(jī)替代比處理（25%M、50%M、100%M）產(chǎn)量存在顯著差異，所以有機(jī)肥替代比例在一定范圍內(nèi)可以維持較高的產(chǎn)量以及產(chǎn)量的穩(wěn)定性和可持續(xù)性。本研究結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益分析，得出25%M處理投入產(chǎn)出比最小，其對(duì)于提高肥料資源利用率，增加小麥產(chǎn)量，提高效益等方面效果更加顯著。肥料種類、施肥量、施肥時(shí)間以及有機(jī)肥與化肥配施比例的不同對(duì)作物品質(zhì)均有顯著影響［30-32］。適宜的肥料配比可以改善土壤環(huán)境，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［33-35］。前人研究結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)配施可以改善小麥品質(zhì)的大部分指標(biāo)［36-40］。姜東等［41］認(rèn)為有機(jī)肥、無機(jī)肥主效應(yīng)對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)影響程度不同，有機(jī)肥主效應(yīng)對(duì)大部分品質(zhì)指標(biāo)無影響，無機(jī)肥處理主效應(yīng)及有機(jī)無機(jī)肥交互效應(yīng)對(duì)籽粒產(chǎn)量和大部分品質(zhì)性狀均有顯著影響，有機(jī)無機(jī)肥料配合施用與單施無機(jī)肥處理相比提高了小麥大部分品質(zhì)性狀，有利于強(qiáng)筋小麥籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的同步提高。本研究發(fā)現(xiàn)，3個(gè)有機(jī)肥處理（25%M、50%M、100%M）小麥品質(zhì)變化不一，有機(jī)肥的施用維持或提升了小麥籽粒品質(zhì)、面團(tuán)品質(zhì)中的大部分指標(biāo)。

4 結(jié)論

綜合分析表明，有機(jī)肥不同比例替代化肥以25%有機(jī)替代在改善土壤生物學(xué)活性、增加春麥產(chǎn)量及改善小麥品質(zhì)方面效果良好，同時(shí)可以提高氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力，增加經(jīng)濟(jì)效益。