高浩展 ， 沈金晶 ， 王冰怡

（浙江農(nóng)林大學(xué)，浙江 杭州 311300）

0 引言

目前有研究表明，復(fù)合肥在一定程度上能促進(jìn)玉米的前期生長和干物質(zhì)積累，從而有助于玉米產(chǎn)量提升[1]。但是復(fù)合肥存在許多弊端，目前常用的硫酸銨、普通過磷酸鈣等都屬于酸性肥料，長期大量使用會引起土壤酸化[2]。濫施化肥、過量施肥也造成土壤營養(yǎng)供應(yīng)過剩，多余的營養(yǎng)物質(zhì)一部分下滲后污染地下水，一部分隨地表徑流進(jìn)入河流污染水體。此外，由于部分農(nóng)民片面追求經(jīng)濟(jì)效益，存在為了追求高產(chǎn)出而過量盲目施肥的現(xiàn)象，而導(dǎo)致了環(huán)境的污染以及生產(chǎn)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、陽離子交換量（CEC）和土壤有機(jī)碳（SOC）[4-5]，減少土壤容重，增強(qiáng)土壤對碳的固定，減緩 CH4和 NH3的釋放和揮發(fā)，增加作物產(chǎn)量[6]。生物質(zhì)炭技術(shù)如今早已被應(yīng)用到多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中。生物質(zhì)炭技術(shù)的潛力也體現(xiàn)在多個方面，比如改良土壤性狀、修復(fù)土壤重金屬污染、進(jìn)行土壤固碳、促進(jìn)農(nóng)田溫室氣體的增匯減排等。但也有研究認(rèn)為炭基復(fù)合肥與常規(guī)施肥對玉米地的增產(chǎn)效應(yīng)并沒有表現(xiàn)出明顯的優(yōu)劣[7]。

有機(jī)肥也具有廣闊的應(yīng)用前景，目前在農(nóng)業(yè)上也在推廣有機(jī)肥替代化肥，有研究表明，有機(jī)肥料投入可以顯著提高土壤微生物量，也可以作為土壤改良劑恢復(fù)土壤生產(chǎn)力[8]。但是土壤理化性質(zhì)、酶活性及作物產(chǎn)量對于有機(jī)肥和炭基肥施用后的響應(yīng)狀況目前還不明確。

現(xiàn)在大量研究認(rèn)為科學(xué)合理的施用肥料及配比不僅能有效提高玉米產(chǎn)量，也可以降低肥料用量，提高肥料利用率，減少生產(chǎn)成本，進(jìn)而提高生產(chǎn)效益[9]。禹陽等[10]認(rèn)為采用有機(jī)肥+復(fù)合肥配施方式，能夠顯著增加甘薯產(chǎn)量，且綜合有效地提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量。黃東風(fēng)等[11]認(rèn)為化肥與有機(jī)肥各半的施肥模式可提高蔬菜產(chǎn)量，降低菜田氮磷徑流。

本研究利用田間試驗(yàn)，研究炭基肥、商品有機(jī)肥、復(fù)合肥及其不同的配比對作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分以及酶活性的影響，以期找出最佳肥料的配比，為提高耕地地力水平提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于臨安板橋啟源家庭農(nóng)場，地理坐標(biāo)為30°17′N，119°79′E。該地區(qū)為季風(fēng)亞熱帶氣候，年平均降水量1 420 mm，平均氣溫15.9°C。試驗(yàn)以田間試驗(yàn)區(qū)比對為主，試驗(yàn)時(shí)間為 2019—2020年，選用炭質(zhì)有機(jī)肥與普通商品有機(jī)肥進(jìn)行等量示范，整個示范區(qū)除有機(jī)肥使用不同外，其他栽培管理措施均相同，記錄施肥、施藥的品種、數(shù)量和時(shí)間（肥料記錄養(yǎng)分含量）。所有處理均按照等氮量進(jìn)行施肥，具體使用量根據(jù)示范作物類型的常規(guī)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質(zhì)為有效養(yǎng)分總量為7%，pH 為7.5，N、P2O5、K2O含量分別為1.93%、1.63%、3.52%。鉀素比一般有機(jī)肥高。本次試驗(yàn)共3種肥料，分為 8 種處理方式，每種處理分別設(shè)置 3 次重復(fù)，3m×3m 為一個樣方，樣方之間有田埂隔開，隨機(jī)區(qū)組排列，具體處理如表1所示。

表1 不同肥料及配比處理及其施用量

1.2 試驗(yàn)樣品采集

試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土壤樣品在玉米地第一季成熟采集，每個小區(qū)按照對角線法采樣，取0～20 cm5個土壤樣品混合制備成一個混合樣。每份混合樣品過 2mm 篩子，挑去肉眼可見石粒、根系以及植物殘?bào)w，混勻并分成兩份：一份室溫自然風(fēng)干，用于基本理化性質(zhì)測定；一份存于4℃冰箱，用于土壤酶活性測定分析。

1.3 測定方法

土壤理化性質(zhì)測定參照魯如坤等[12]方法：土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀—硫酸外加熱法測定；有效磷采用鹽酸—氟化銨溶液浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨提取，火焰分光光度計(jì)測定；土壤 pH 采用水土比2.5∶1，玻璃電極法測定。本研究測定了7種土壤水解酶的活性，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）、纖維二糖水解酶（CB，EC 3.2.1.91）、β—木糖苷酶（XYL，EC 3.2.1.37）、β—N—乙?；被咸烟擒彰福∟AG，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）。土壤酶活性測定參照Saiya-Cork等[13]描述的方法進(jìn)行測定，其原理為利用底物與酶水解釋放4—甲基傘形酮酰（4—MUB）或 MUC (4—甲基香豆素)進(jìn)行熒光檢測，通過熒光強(qiáng)度的變化反映酶活性。將混有酶和底物混合物的微孔板放入25℃培養(yǎng)箱中黑暗培養(yǎng)3h，并用微板熒光計(jì)（Synergy? H1, Biotek）測定熒光裂解產(chǎn)物MUB(4—甲基傘形花基)或 MUC (4—甲基香豆素)的產(chǎn)量，測定時(shí)激發(fā)波長為365nm，發(fā)射波長為450nm。所有酶活性均以nmol 產(chǎn)物g-1干土h-1表示。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)處理結(jié)果的平均值，利用Micorsoft Excel 2010和SPSS23.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用Origin 8.0 軟件對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式為平均值加標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)差異水平利用單因素方差分析（One-way ANOVA）中的Duncan多重比較檢驗(yàn)不同處理間的差異顯著性，顯著性水平設(shè)為P=0.05，顯著性水平P＜0.05認(rèn)為達(dá)到顯著性差異水平，P＜0.01 認(rèn)為達(dá)到極顯著差異水平。相關(guān)性分析采用皮爾遜（Pearson）相關(guān)分析法進(jìn)行雙尾檢驗(yàn)確定顯著性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同類型的肥料對土壤基礎(chǔ)性質(zhì)的影響

2.1.1 不同類型的肥料對土壤容重和含水率的影響

土壤水分是植物水分的直接來源，參與土壤系統(tǒng)與植物根系間的養(yǎng)分運(yùn)輸及循環(huán)，對植物的生長狀況具有重要意義。通常施加生物炭可以通過增加土壤表面積和孔隙度，有效吸附水分，減少因滲透和地表徑流的損失進(jìn)而增加土壤的有效水，對保水能力較差的砂壤土具有明顯的改進(jìn)作用[14-16]。但也有研究結(jié)果表明生物質(zhì)炭對于土壤物理性質(zhì)的改善并不顯著。Marcus[17]研究結(jié)果表明，生物炭對土壤含水量、孔隙度、田間持水量、植株可利用的有效水分、團(tuán)聚體穩(wěn)定性和永久凋萎點(diǎn)沒有顯著的影響。

土壤容重是土壤緊實(shí)度的一個重要指標(biāo)，受土壤孔隙度影響。通常來講，生物質(zhì)炭孔隙較大，質(zhì)地疏松，其對于改進(jìn)土壤孔隙度、水分和肥力的截留能力較強(qiáng)，生物質(zhì)炭這種疏松多孔的結(jié)構(gòu)可以改善黏重土壤的物理結(jié)構(gòu)，從而降低土壤容重和促進(jìn)水分固持。Oguntunde 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)炭施入土壤，能夠使土壤色度加深，增加土壤、對太陽熱能的吸收。由于生物質(zhì)炭的孔隙發(fā)達(dá)，所以其進(jìn)入土壤之后可以降低9%的土壤容重，使土壤總孔隙率增加5%左右[19]。

在本次研究結(jié)果中，玉米土壤容重和含水率沒有表現(xiàn)出明顯的差異性如圖1、圖2所示。推測可能是試驗(yàn)時(shí)間較短（僅為一季），或炭基肥中生物質(zhì)炭的施用量較少有關(guān)。

圖1 不同肥料配比對土壤含水率的影響

圖2 不同肥料配比對土壤容重的影響

2.1.2 不同類型配料及配比對土壤 pH 影響

此前已有大量研究表明長期采用不同施肥措施與耕層土壤pH值間具有緊密關(guān)系，長期單施氮肥或不合理的氮肥配施導(dǎo)致土壤pH下降明顯，連年大量施用氮肥也是加劇土壤酸化的重要誘因[20]。大量研究此前表明，在解決土壤酸化方面大致有以下幾種方向：孫愛華等[21-22]指出在酸性土壤中施加生物質(zhì)炭，可以明顯增加pH值，而在堿性土中則變化不大。劉慧嶼等[23]認(rèn)為施用秸稈生物質(zhì)炭可以提高氮肥利用率（NUE），從而顯著降低農(nóng)田土壤酸化速率。曾沐梵等[24]通過對不同緩解措施的預(yù)測發(fā)現(xiàn)，最有效的土壤酸化防治措施是優(yōu)化氮管理，降低銨態(tài)氮的輸入和硝態(tài)氮的淋洗，以及施用有機(jī)肥來增加鹽基離子（BC）的輸入，維持土壤BC平衡。如圖3所示，相較于CF，BBF顯著提高了土壤pH，提高程度為5.67%，這也表明炭基肥可以在一定程度上削弱化肥施用對土壤酸度的負(fù)面影響，推測可能的原因?yàn)椋?）生物質(zhì)炭本身呈堿性，輸入土壤后可有效改良土壤酸度[25-26]；2）生物質(zhì)炭表面存在的酚基、羧基和羥基，輸入土壤后會與土壤溶液中的H+結(jié)合從而降低土壤溶液中H+濃度；此外生物質(zhì)炭含有較多的碳酸鹽、硅酸鹽和碳酸氫鹽等化合物，這些鹽類物質(zhì)也可與H+結(jié)合進(jìn)而提升土壤 pH[27-28]；3）生物質(zhì)炭輸入土壤后其表面的含氧官能團(tuán)可以結(jié)合Al3+來降低土壤交換性鋁含量，增加土壤中可交換性陽離子的豐度，從而增加土壤鹽基飽和度并最終導(dǎo)致土壤pH值的提升[29]。本次試驗(yàn)印證了前人的研究，且進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭基肥對于緩解土壤酸化相對于其他肥料類型具有較好效果。其他肥料類型對于土壤pH的提升并不顯著，原因可能是玉米種植時(shí)間僅為一季。

圖3 不同肥料配比對土壤pH的影響

2.2 不同類型的肥料對土壤肥力的影響

2.2.1 不同類型的肥料對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

如圖4所示，各處理中土壤有機(jī)質(zhì)含量均隨著商品有機(jī)肥和炭基肥的添加而增加，其中施加了商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥為1∶2 的區(qū)塊的有機(jī)質(zhì)含量顯著高于常規(guī)施肥的區(qū)塊。OM、BBF、1/3BBF、2/3BBF、2/3OM 處理的有機(jī)質(zhì)含量分別較CK增加3% 、6.1%、1.5%、11.7%、12.2%，而單純只施用復(fù)合肥的地塊其有機(jī)質(zhì)含量較對照組來說有所下降。由此可見，將炭質(zhì)有機(jī)肥和普通商品有機(jī)肥混合施用可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于土壤有機(jī)質(zhì)積累，可提高我國農(nóng)田地中土壤有機(jī)質(zhì)含量不高的現(xiàn)狀以及農(nóng)作物的產(chǎn)量。秦永美等[30]認(rèn)為有機(jī)肥替代化肥提高了土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、有效磷和陽離子交換量。章明奎等[31]研究表明，施用生物質(zhì)炭可顯著提高土壤有機(jī)碳的積累，增加土壤有機(jī)碳的氧化穩(wěn)定性。他們認(rèn)為長期單一施用生物質(zhì)炭可能會引起土壤有機(jī)質(zhì)生物活性的下降，但生物質(zhì)炭與一般生物質(zhì)有機(jī)肥配合施用可削弱這些負(fù)影響，而之前的研究并未指明如何配比會最大程度促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。本研究認(rèn)為施加商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥為1∶2的肥料對于土壤有機(jī)質(zhì)含量提升具有較好的效果，推測原因?yàn)樵囼?yàn)地處于南方丘陵地，土壤類型為紅壤性土，有機(jī)肥和復(fù)合肥的施用可以很大程度上改善紅壤有機(jī)質(zhì)，氮磷元素缺乏的缺點(diǎn)。

圖4 不同肥料配比對土壤有機(jī)質(zhì)的影響

2.2.2 不同類型的肥料對土壤速效鉀含量的影響

速效鉀是指土壤中易被作物吸收利用的鉀素。包括土壤溶液鉀及交換性鉀。而速效鉀雖然只占土壤全鉀量的0.1%~2%，但其含量是表征土壤鉀素供應(yīng)狀況的重要指標(biāo)之一。如圖5所示，本次研究結(jié)果顯示商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥比例2∶1的肥料的速效鉀含量顯著高于其余各類型肥料，除了復(fù)合肥與炭基肥∶復(fù)合肥1∶2的肥料類型與對照組相比分別下降4.56%和12.91%。其余商品有機(jī)肥、炭基肥，商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥2∶1，炭基肥∶復(fù)合肥2∶1，商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥1∶2的肥料類型與對照組相比均有上升，具有顯著性差異。由此可見，商品有機(jī)肥和復(fù)合肥2∶1的肥料類型提升玉米土壤供鉀能力最為顯著，其他多種混合施肥方式和炭基肥，商品有機(jī)肥均能提升玉米土壤的供鉀能力。此前大量研究表明，施用生物炭肥能有效提高收獲后耕層土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效鉀的含量[32]，張鍇等[33]認(rèn)為，高效鉀肥對于土壤速效鉀含量的提升最明顯，其次是炭基肥處理。而本次研究進(jìn)一步得出，商品有機(jī)肥與復(fù)合肥2∶1的混合肥料類型相比于生物質(zhì)炭基肥，對于土壤速效鉀的提升更為明顯。

圖5 不同肥料類型及配比對土壤速效鉀影響

2.2.3 不同類型的肥料對于土壤酶活性的影響

土壤酶是由微生物和動植物分泌或殘?bào)w分解釋放的一類生物催化劑，在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)和能量代謝方面發(fā)揮著重要作用[34]。土壤酶活性不僅能夠表示土壤生物學(xué)活性的強(qiáng)度，而且可以作為評價(jià)土壤肥力水平的指標(biāo)[35-37]。一般情況下，土壤肥力越高，轉(zhuǎn)化酶活性越強(qiáng)[38]。由表2可知，絕大部分的肥料類型對于不同酶的活性均高于CK對照處理，AG、CB、NAG、XYL均出現(xiàn)了顯著性差異，2/3BBF的酶活性均高于其他組，炭基肥∶復(fù)合肥2∶1的混合肥料類型對于土壤酶活性的提升最為顯著。在小部分?jǐn)?shù)據(jù)中出現(xiàn)施肥組酶活性略低于對照組的情況，猜測可能是由于隨著生物質(zhì)炭添加量的增加，土壤中酶活性會呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢[39]。而此前的研究已證明生物質(zhì)炭中豐富的有機(jī)碳能改善土壤孔隙度、通氣性和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而可以使土壤物理性狀得到極大改善[40]，而本研究進(jìn)一步證明了混合肥料，尤其是炭基肥：復(fù)合肥2：1的混合肥料類型對于土壤酶活性的提升相比于生物質(zhì)炭基肥更顯著，由于增施生物質(zhì)炭具有改善土壤結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)土壤的蓄肥保水能力，從而提高土壤養(yǎng)分含量和促進(jìn)植物菌根生長的作用[41]，而混合肥料類型提升更顯著則是因?yàn)閱问┥镔|(zhì)炭和單施有機(jī)肥均會明顯提高土壤的pH值，降低了土壤交換性酸含量，生物質(zhì)炭與有機(jī)肥配合施用可增加土壤水穩(wěn)定性團(tuán)聚體，對提高土壤酶活性要好于單施生物質(zhì)炭，在影響土壤容重、有效鉀、有效磷等方面，兩者基本相似[42]。

2.2.4 土壤理化性質(zhì)與酶活性的相關(guān)分析

由圖6可知，土壤理化性質(zhì)與酶活性之間具有一定的相關(guān)性。本實(shí)驗(yàn)測定了7種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）、纖維二糖水解酶（CB）、亮氨酸氨基肽酶（LAP）、N—乙?！掳被咸烟擒彰福∟AG）、磷酸酶（PHOS）、β-木糖苷酶（XYL）。故由圖6可知，全氮與有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（r=0.687**），容重與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.405*），有效磷與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.433*），亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶與硝態(tài)氮呈顯著正相關(guān)，分別為（r=0.481*），（r=0.436*），β—木糖苷酶與速效鉀呈顯著負(fù)相關(guān)（r=-0.437*），亮氨酸氨基肽酶與速效鉀呈極顯著正相關(guān)（r=0.520**）。

圖6 土壤理化性質(zhì)與酶活性的相關(guān)分析

2.3 不同類型的肥料及配比對玉米產(chǎn)量的影響

玉米成熟后的各區(qū)塊測產(chǎn)結(jié)果表明，與空白對照組相比，隨著生物質(zhì)炭基肥施入量的增加，玉米產(chǎn)量逐漸提高（圖7）。當(dāng)施加商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥配比2∶1的肥料時(shí)，平均玉米產(chǎn)量顯著高于對照組的28.44 t ha-1，對玉米產(chǎn)量的提升最為顯著，其次為1/3OM、1/3BBF 處理，其總產(chǎn)量分別達(dá)36.28 t ha-1和 35.00 t ha-1，施加復(fù)合肥料和對照組相比也具有顯著性，玉米產(chǎn)量為33.45t ha-1，增產(chǎn)量達(dá)47.84 t ha-1。由此可見，商品有機(jī)肥與炭基肥和復(fù)合肥混合施用，可有效增加玉米的產(chǎn)量，其中商品有機(jī)肥與復(fù)合肥混合施用效果更顯著。此前生物質(zhì)炭基肥對作物增長的研究討論仍存在爭議[43-45]。有部分研究認(rèn)為，隨著大量營養(yǎng)元素K、Ca、Mg、P等和有機(jī)質(zhì)溶解在土壤中，生物質(zhì)炭基肥的使用能有效緩解其釋放速度[46]、改善肥力、增加肥料利用率、提高產(chǎn)量[47]。劉敏等[48]研究認(rèn)為有機(jī)肥無機(jī)肥配施可顯著改善玉米品質(zhì),提高產(chǎn)量。本次試驗(yàn)印證了一部分前人的研究。且進(jìn)一步說明混合施用有機(jī)肥，復(fù)合肥以及生物質(zhì)炭基肥有利于提高玉米的產(chǎn)量，并且有機(jī)肥和復(fù)合肥的混施效果更佳。

表2 不同肥料類型及配比對土壤酶活性影響

圖7 不同類型配料及配比對玉米產(chǎn)量影響

3 結(jié)論

1)生物質(zhì)炭基肥可以有效緩解土壤酸化，對于土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀來說，施用有機(jī)肥：復(fù)合肥2∶1和1∶2 的混合肥料類型提升最顯著。其余類型大部分有提升但效果不顯著。

2)對于土壤酶活性來說，生物質(zhì)炭基肥∶復(fù)合肥2∶1 的肥料類型提升最為顯著，其次是生物質(zhì)炭基肥∶復(fù)合肥1∶2的肥料類型，其余肥料類型絕大部分有提升但不顯著。

3)施用各種類型的肥料對玉米產(chǎn)量均有一定的提升作用，其中商品有機(jī)肥∶復(fù)合肥2∶1的混合肥料類型提升效果最為顯著。

4)本研究表明有機(jī)肥和復(fù)合肥的混合肥料類型以及生物質(zhì)炭基肥和復(fù)合肥的混合肥料類型為較佳的施肥方式。