李巖，張芮寧，劉志泰，張文杰，劉小花，胡展森，孫國文，李超*

（1.承德市農(nóng)林科學(xué)院，河北承德 067000；2.沈陽師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110000；3.圍場縣行政審批局，河北圍場 068450）

土壤是人類發(fā)展的重要依靠，也是植物生存的基礎(chǔ)。進(jìn)一步探究土壤的理化性質(zhì)等對提高土壤使用效率至關(guān)重要。在植物的生長過程中需要5 個基本要素，即光能、熱量、空氣、水分和養(yǎng)分，除了光能外，其他的要素都與土壤有著密切的關(guān)系[1]。

肥料含有豐富的營養(yǎng)元素，對植株的生長有重要的作用，不僅能夠為植株的生長發(fā)育提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，保證植株的產(chǎn)量和果實的品質(zhì)，還具有改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力的作用，達(dá)到改善土壤環(huán)境的目的。常見的肥料種類分為有機肥、復(fù)合肥、有機-無機肥、菌肥等[2]。文中以微生物菌肥、碳基肥、硅肥為例，探究3 種肥料對土壤理化性質(zhì)的改變，旨在為新型高效肥料產(chǎn)品在農(nóng)田土壤改良中的推廣應(yīng)用提供參考。

1 微生物菌肥研究進(jìn)展

微生物菌肥是根據(jù)土壤生態(tài)學(xué)、植物營養(yǎng)學(xué)和現(xiàn)代有機可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)為原理研制出來的生物肥料。它通過微生物活動的產(chǎn)物供給植物養(yǎng)分和調(diào)節(jié)植株生長，是一種集合了國內(nèi)外最頂端的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的肥料，是解決我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)難題的一種新型生物肥料[3]。

1.1 微生物菌肥對植物生長的影響

微生物肥料的研究最早始于根瘤菌的研究。從最初接種根瘤菌開始，中國微生物肥料的應(yīng)用和研究逐漸進(jìn)入了一個穩(wěn)定的時期。楊東敏等[4]研究發(fā)現(xiàn)，微生物菌肥可以顯著改善土壤養(yǎng)分，降低土壤pH，不同的微生物菌肥具有不同的作用。在鹽漬化嚴(yán)重的土壤中添加菌肥，不僅可以改善土壤，提高土壤肥力，還可以提高植物成活率。劉春燕等[5]研究表明，桃園施用微生物肥可提高0～40 cm土層的土壤質(zhì)量。楊蘭蘭等[6]研究表明，有機肥對老蘋果園的土壤具有較明顯的改良效果，對0～20 cm 土層土壤的全氮、全磷和全鉀含量分別提高了44.83%、20.99%和28.75%，對20～40 cm 土層的土壤也具有較好的改良效果。

1.2 微生物菌肥對土壤理化性質(zhì)的影響

21 世紀(jì)以來，無機肥的過量施用嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為了減少肥料的施用量，微生物肥料研究的熱潮逐漸興起。菌肥能夠降低土壤容重，提高總孔隙度和持水量。目前對微生物肥料功能菌種的研究主要集中在兩類，一類是提高土壤肥力的菌種，另一類是具有抗病性和抗逆性功能的菌種。盧海潼等[7]在燕麥抽穗期、灌漿期和成熟期施用菌肥可提高土壤含水量，降低土壤容重，提高土壤總孔隙度。韋建玉等[8]研究表明，不同微生物肥料對土壤物理環(huán)境的影響不同，與其他菌肥相比，菌德豐能顯著提高土壤總孔隙度，降低土壤容重。

1.3 微生物菌肥對酶的影響

土壤酶與土壤微生物關(guān)系密切，土壤微生物的活性影響土壤酶的活性。研究發(fā)現(xiàn)，添加微生物肥料可以顯著提升土地中土壤磷酸酶和蔗糖酶活性，同時第三季度土壤脲酶的活性也得到了大幅度提升。王超等[9]發(fā)現(xiàn)，通過使用微生物菌肥，可以提高土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶和蔗糖酶的活性，改善了冬瓜的生長條件，提高了冬瓜的品質(zhì)。

2 碳基肥研究進(jìn)展

碳基肥料以生物炭為肥效載體，將生物炭與無機肥結(jié)合使用，具有生物炭改良土壤的效果，同時避免了生物炭礦物養(yǎng)分含量不足的問題。主要高碳基肥是一種混合20%生物炭的碳基肥，由生物炭、天然礦物質(zhì)肥、腐殖酸、微量元素等組成，具有養(yǎng)分釋放緩慢的特點，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)建循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢。它的使用有助于延緩養(yǎng)分的釋放，減少無機肥料的消耗，從而減少對自然環(huán)境的污染，改善土壤，促進(jìn)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。

從化學(xué)角度看，主要組成有C、H、O 等，從微觀角度來看，烷基和芳香族結(jié)構(gòu)是其主要結(jié)構(gòu)，由多種復(fù)雜的含碳物質(zhì)（纖維素、羧酸等衍生物、呋喃、吡喃、脫水糖、苯酚、烷烴及烯烴衍生物等）組成，這也是高碳基肥具有良好吸附特性的原因。

2.1 碳基肥對土壤理化性質(zhì)的影響

碳基肥料中的生物炭通常呈弱堿性，常作為土壤添加劑用于改善土壤酸堿度。汪坤等[10]研究表明，花生殼生物炭和生物碳基改進(jìn)劑的施用，提高了根際土壤pH。李文淵等[11]研究表明，生物炭改良劑可以提高土壤的持水能力和電導(dǎo)率。劉慧等[12]研究表明，生物炭可降低植煙土壤容重，改善土壤三相比，施用生物碳基肥料提高了肥料利用率，植煙土壤堿解氮含量較不施用生物碳基肥料增加，高碳基肥料增加了植煙土壤可溶性養(yǎng)分。生物碳基肥料具有緩釋作用，這不僅可改變土壤結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分，也可以提升肥料的使用效率[13]。

2.2 碳基肥對土壤酶活性的影響

提高土壤酶活性可以提高土壤中營養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)化和利用效率。脲酶是對氮素轉(zhuǎn)化起關(guān)鍵作用的酶，可以用其活性來表示土壤的供氮能力，蔗糖酶活性是反映土壤有機質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化狀況。土壤蔗糖酶、土壤淀粉酶和土壤纖維素酶活性與微生物數(shù)量、土壤呼吸強度有關(guān)。生物炭和炭基肥對土壤酶活性產(chǎn)生不同效應(yīng)的原因可能與生物炭吸附酶促反應(yīng)的底物或者結(jié)合位點有關(guān)。馮慧琳等[14]發(fā)現(xiàn)，生物炭可以提高煙草種植土壤中蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和中性磷酸酶的活性。然而，韓光明等[15]表明，隨著生物炭的施用，土壤酸性磷酸酶活性增加，而過氧化氫酶和多酚氧化酶活性降低。

2.3 碳基肥對土壤微生物群落的影響

生物炭常先通過改變土壤的理化性質(zhì)進(jìn)而影響到微生物的生存環(huán)境，其次生物炭自身疏松多孔的結(jié)構(gòu)也成為微生物的良好棲息地，它自身所攜帶的一些營養(yǎng)元素和微量元素也會被微生物直接利用。

馬嘯等[16]使用生物炭和土壤作為盆栽香蕉幼苗的基質(zhì)，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌、真菌、放線菌、氨化細(xì)菌和固氮細(xì)菌的數(shù)量都有不同程度的增加，根際微生物對碳源的利用能力也有所提高。王雪玉[17]發(fā)現(xiàn)，在結(jié)果期，生物炭的應(yīng)用顯著增加了黃瓜根系土中細(xì)菌種類的豐度，如生絲微菌科（Hyphomicrobiaceae）、紅螺菌科（Rhodospirillaceae）、中華桿菌科（Sinobacteraceae）等。

土壤細(xì)菌群落對不同施肥處理的反應(yīng)相對復(fù)雜。土壤細(xì)菌群落持續(xù)參與作物的生長階段，放線菌也積極參與土壤非氮和含氮有機化合物的分解。這些微生物促進(jìn)蛋白質(zhì)物質(zhì)的分解，進(jìn)而改善土壤肥力。此外，真菌含有強大的復(fù)雜酶系統(tǒng)，并參與土壤有機質(zhì)的分解過程。韓光明等發(fā)現(xiàn)，在種植菠菜的土壤上施用生物炭后，根際土壤中的細(xì)菌、真菌、放線菌、氨化細(xì)菌、好氧自生固氮菌及反硝化細(xì)菌均有不同程度增加。

3 硅肥研究進(jìn)展

雖然硅不是所有作物都需要的營養(yǎng)元素，但其對禾本科作物的增產(chǎn)作用明顯。試驗表明，硅對玉米增產(chǎn)有明顯的作用[18]，可使玉米根、莖、葉表面形成硅膠層，強化莖葉，使根系健康發(fā)育，從而防止病害侵襲，增強植物的抗病蟲害和抗倒伏能力。硅化表皮細(xì)胞可使葉片挺直，有利于作物的光合作用，提高光合效率。硅能促進(jìn)玉米生殖生長，提高玉米穗粒數(shù)和粒重，促進(jìn)玉米早熟。鈣是植物體細(xì)胞細(xì)胞壁的組成成分，是重要酶的激活劑，對促進(jìn)植物代謝有一定作用。缺鈣植株較矮，容易早衰，幼葉卷曲，葉尖出現(xiàn)“粘”現(xiàn)象，結(jié)實率降低。因此，施用鈣可以增強作物抗性，促進(jìn)作物生長，減少病蟲害的發(fā)生，提高玉米產(chǎn)量[19-21]。

3.1 硅肥對酶的影響

硅可以有效提高植物的耐旱性，通過沉積增加植物葉片的厚度，從而減少蒸騰和水分損失，增加葉片的相對含水量。硅可以通過增加葉綠素含量來增強干旱脅迫下植物的光合強度，但氣孔導(dǎo)度基本不受影響。硅可以提高POD 和CAT 酶的活性，降低MDA 活性提高干旱脅迫下植物的抗氧化能力。沉積硅還可以抵抗干旱引起的內(nèi)部和外部滲透壓的增加，從而在一定程度上抵抗干旱。曹逼力等[22]對干旱脅迫下番茄的研究表明，施用外源硅可以提高光合能力，增加生物量積累，已廣泛應(yīng)用于多種實踐。人們普遍認(rèn)為，硅可以在一定程度上緩解植物體內(nèi)的重金屬脅迫。但是普遍認(rèn)為硅肥在土壤中容易失活，其生物有效性降低，因此研究新型高效的硅肥復(fù)合產(chǎn)品對于農(nóng)田土壤重金屬污染有著重要意義。

土壤微生物群落對金屬脅迫敏感，常被用作重金屬污染的重要指標(biāo)。在重金屬污染的土壤中，硅肥和生物炭的加入會改變土壤的理化性質(zhì)。許多研究發(fā)現(xiàn)，在土壤中施用硅肥和生物炭可以有效地改變微生物種群的多樣性和結(jié)構(gòu)。研究指出生物炭可以降低土壤酶的活性，這可能是因為生物炭的加入直接影響了土壤微生物的活性，從而影響了酶的產(chǎn)生[21，23]。例如，添加生物炭會抑制過氧化氫酶、β-葡萄糖苷酶和蛋白酶的活性。然而，以往的研究表明，生物炭激活了土壤酶的活性，如脲酶、轉(zhuǎn)化酶、脫氫酶和堿性磷酸酶。

3.2 對土壤微生物群落的影響

添加生物炭后，土壤中細(xì)菌、真菌和古細(xì)菌的群落組成都有不同程度的變化，硝化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌的活性都有所提高。硅肥的施用提高了重金屬污染土壤中細(xì)菌群落的豐度，為微生物提供了較好的生態(tài)環(huán)境。最新研究表明，硅肥的施用降低了重金屬對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的選擇壓力，促進(jìn)了土壤細(xì)菌的豐富度[24]。然而，在硅肥和生物炭聯(lián)合施用后，關(guān)于重金屬污染土壤的生物學(xué)特性的信息很少。因此，推測在重金屬污染的土壤中添加硅肥和生物炭后，土壤中微生物數(shù)量和結(jié)構(gòu)將會發(fā)生改變，其原因可能是由于添加劑加入土壤后，土壤的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生了顯著的變化（如土壤pH、EC 等），從而影響了重金屬土壤中微生物群落的活性和群落結(jié)構(gòu)[21，23]。

4 結(jié)果與展望

在植物生長的過程中離不開良好的土質(zhì)，這就需要因地制宜地去選擇相關(guān)的肥料，不同的肥料有著不同的作用，微生物菌肥可以有效降低土壤容重，提高總孔隙度，改善土壤相關(guān)酶活性；碳基肥主要成分生物炭，由于結(jié)構(gòu)疏松多孔，可以有效提高肥料利用率，持續(xù)改善土壤的養(yǎng)分結(jié)構(gòu)和比例；硅肥的利用在于土壤重金屬相關(guān)治理。在今后選擇肥料的過程中可以嘗試不同肥料的配施，以此改善土壤，提高植株相關(guān)活性。因此，研究新型高效的復(fù)合肥料產(chǎn)品對于農(nóng)田土壤的改良有著重要的意義。