秦廣利　陳玉琴　崔保偉

摘要：為了探究添加外源有機物對土壤性狀、甘薯生長發(fā)育的影響，在2019—2022年通過田間定點試驗，設置氮磷鉀肥單施+秸稈不還田（CK）處理、氮磷鉀肥單施+秸稈還田（T1）處理、50%氮磷鉀肥配施生物有機肥+秸稈還田（T2）處理、50%氮磷鉀肥配施羊糞+秸稈還田（T3）處理、50%氮磷鉀肥配施基質+秸稈還田（T4）處理5個處理，研究化肥添加外源有機物對土壤養(yǎng)分、酶活性、容重、孔隙度、含水量、團聚體分布及穩(wěn)定性和鮮薯產量、淀粉率變化的影響。結果表明，與CK相比，化肥添加不同外源有機物的處理不僅能夠提高土壤養(yǎng)分含量、酶活性、鮮薯產量及薯塊淀粉率，還能夠降低土壤容重、提高土壤孔隙度與含水量、提高大團聚體質量分數(shù)、提升團聚體穩(wěn)定性。而化肥添加外源有機物的對比試驗結果表明，T2處理能夠明顯提高土壤堿解氮、速效磷、全氮、全磷含量及土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性；T3處理能夠提高土壤速效鉀、有機質含量及蔗糖酶活性；T4處理能夠提高土壤孔隙度與含水量。此外，T4處理能夠提高＞2.000 mm粒徑團聚體質量分數(shù)，而T1處理能夠提高0.250～2.000 mm粒徑團聚體質量分數(shù)。T4處理土壤團聚體的平均質量直徑分別較T1、T3處理顯著提高9.04%、6.99%，幾何質量直徑分別較T1、T2、T3處理顯著提高15.05%、5.94%、10.88%。鮮薯產量表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞T4，薯塊淀粉率表現(xiàn)為T3＞T2＞T4＞T1。相關性分析結果表明，鮮薯產量及薯塊淀粉率的變化與土壤酶活性、土壤結構變化密切相關。綜上所述，化肥添加外源有機物能夠提高土壤養(yǎng)分含量、酶活性，改善土壤結構，提升土壤團聚體穩(wěn)定性，提高鮮薯產量及薯塊淀粉率。

關鍵詞：外源有機物；甘薯；土壤養(yǎng)分；酶活性；團聚體

中圖分類號：S531.06；S152.3；S154.2文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2023）17-0098-07

化肥是現(xiàn)代農業(yè)糧食、經(jīng)濟等作物增產的有效途徑，在保障我國糧食安全中擔當重要角色［1］。然而，近年來過度施用化肥不僅造成資源浪費、環(huán)境污染，還造成土壤養(yǎng)分不均、生物學活性降低、土壤板結等問題，化肥對糧食的單產貢獻率逐年降低［2-3］。為了實現(xiàn)農業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，原國家農業(yè)部于2015年提出《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，因此，研究化肥減量增效成為實現(xiàn)化肥使用量零增長目標的重要方向［4］。

河南省是我國小麥生產主產區(qū)，其種植面積、產量及總產量均居我國首位［5］。河南省大部分地區(qū)的作物均為一年兩熟，冬季主要種植小麥，夏季搭配其他作物［6］。近年來，隨著人們對食品安全要求的提高以及甘薯產業(yè)的良好發(fā)展，夏季甘薯種植面積逐年增加［7］。然而，由于甘薯是忌連作作物，常年或多年連續(xù)種植會造成病蟲害頻發(fā)、土壤養(yǎng)分不均、菌群失調、結構失衡等問題［8-11］。有研究者提出：改變種植制度或施肥調控是解決作物連作障礙的有效途徑［12-14］。但是，由于甘薯輪作倒茬調理土壤狀況需要較長時間，不利于甘薯生產及產業(yè)發(fā)展，因此大多數(shù)種植戶往往選擇增施化肥來抵消連作障礙造成的負面影響。但是，長期大量施用化肥會對土壤結構、養(yǎng)分均衡及生物學活性造成較大影響［15-17］。而有研究結果表明，與單施化肥相比，合理的化肥減量+增施有機物料不僅能提升肥料利用率、提高土壤養(yǎng)分含量及酶活性，還能夠改善土壤結構，促進作物根系對養(yǎng)分的吸收與利用，從而有利于作物生長發(fā)育［18-20］。

有機物料作為天然的土壤調理劑，主要來源于植物或動物廢棄物，施入土壤中能夠改善土壤結構、增加土壤有機質含量及調節(jié)土壤養(yǎng)分釋放速率，使養(yǎng)分持續(xù)穩(wěn)定地供應［21-22］。我國是世界上最大的農業(yè)廢棄物生產國，由于人們觀念落后及對農業(yè)廢棄物用途的了解不夠，往往通過焚燒或丟棄進行處理，不僅浪費自然資源，還破壞了生態(tài)環(huán)境［23-24］。因此，有機物料還田對農業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前大多數(shù)人的研究主要集中在單一有機物料還田對土壤有機碳含量、酶活性等方面的影響，且研究結果差異較大［25-27］。探究多種有機物料還田對土壤養(yǎng)分、酶活性、團聚體、土壤結構及其相關性影響的研究相對較少，關于甘薯方面的研究更是少見。因此，本研究通過分析化肥減量添加不同有機物對甘薯與小麥連作田土壤養(yǎng)分、酶活性、容重、孔隙度、含水量、團聚體分布及穩(wěn)定性和鮮薯產量、淀粉率變化的影響，預測農業(yè)有機物料還田應用投入的可能性，旨在為農業(yè)廢棄物的合理還田提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于河南省商丘市睢陽區(qū)馮橋鎮(zhèn)李樓村（116°43′7″E，39°28′13″N），該地平均海拔為 53 m，屬典型的大陸性季風氣候，年平均氣溫 14.2 ℃，年平均降水量700 mm，年平均日照時數(shù) 1 944 h，無霜期211 d。供試土壤類型為黃潮土，土質為二合土，試驗前基礎土壤（0～20 cm）肥力：堿解氮含量43.85 mg/kg，速效磷含量53.21 mg/kg，速效鉀含量135.58 mg/kg，全氮含量0.95 g/kg，全磷含量 0.74 g/kg，有機質含量10.65 g/kg，pH值8.13。

1.2 試驗材料

供試甘薯品種為商薯19，由河南省商丘市農林科學院育種；供試小麥品種為周麥18，由河南省周口市農業(yè)科學院育種。供試氮磷鉀肥為復合肥料（N、P2O5、K2O含量分別為10%、10%、20%），由河南彤豐肥業(yè)有限公司生產；供試生物有機肥養(yǎng)分含量為2.98%N、1.26%P2O5、1.94%K2O、40.53%有機質，有效活菌數(shù)≥0.2億CFU/g，由內蒙古二連浩特市沃土地有機肥業(yè)有限公司生產；供試羊糞養(yǎng)分含量為1.45%N、0.89%P2O5、1.12%K2O、22.47%有機質，購買自附近養(yǎng)殖戶；供試基質養(yǎng)分含量為1.53%N、1.46%P2O5、0.91%K2O、18.96%有機質，購買于附近市場。

1.3 試驗設計

試驗于2019年6月15日至2022年10月15日進行，采用隨機區(qū)組設計，共設如下5個處理：氮磷鉀肥單施+秸稈不還田（CK）、氮磷鉀肥單施+秸稈還田（T1）、50%氮磷鉀肥配施生物有機肥+秸稈還田（T2）、50%氮磷鉀肥配施羊糞+秸稈還田（T3）、50%氮磷鉀肥配施基質+秸稈還田（T4）。每個處理重復3次，小區(qū)面積124.8 m2，試驗采用甘薯—小麥輪作種植，甘薯季進行不同施肥處理，小麥季施肥一致。甘薯生育期為6月15日至10月10日，甘薯株行距為26.6 cm×80 cm，氮磷鉀肥、生物有機肥、羊糞、基質的施用量分別為750 、675、7 500、15 000 kg/hm2。以70%氮肥作基肥，30%氮肥作追肥，在薯蔓同長期進行追肥，其他有機物均作為基肥施入。小麥生育期為10月15日至6月10日，種植密度、施肥措施等均參照當?shù)剞r民習慣，不作特殊處理。甘薯、小麥秸稈均通過機械在收獲時直接還田。

1.4 樣品的采集

于2022年10月15日采集土壤樣品。借助螺旋土鉆，用“S”形取樣法采集0～20 cm土層的新鮮土樣，挑出較大根系、石礫后帶回實驗室。將樣品分成2個部分，一部分用于土壤養(yǎng)分含量、酶活性的測定；一部分用于土壤團聚體結構的測定。另外，每個小區(qū)通過環(huán)刀法采集3處0～20 cm土層樣品，用于土壤容重、孔隙度的測定。

1.5 測試項目與方法

1.5.1 土壤理化性狀測定方法 土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，土壤速效磷含量采用碳酸氫鈉法測定，土壤速效鉀含量采用乙酸銨浸提-火焰光度法測定，土壤全氮含量采用凱氏定氮法測定，土壤全磷含量采用高氯酸-硫酸法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，土壤pH值采用水土法測定［28］。

1.5.2 土壤酶活性的測定 土壤脲酶活性采用苯酚鈉比色法測定，土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，土壤蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定，土壤堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法［29］測定。

1.5.3 土壤容重、孔隙度與含水量的測定 土壤容重、孔隙度和含水量均采用環(huán)刀法測定，其中，土壤孔隙度=1-容重/2.65 ［28］。

1.5.4 土壤團聚體含量的測定 土壤團聚體含量采用濕篩法測定。將一定量的風干土樣通過2.000、0.250、0.053 mm套篩后靜置2～3 min，稱取各篩面上的團聚體質量，用于團聚體結構、穩(wěn)定性指標的計算。其中，直徑＞0.25 mm的團聚體稱為大團聚體，直徑＜0.25 mm的團聚體為微團聚體［30］。

1.5.5 甘薯產量及淀粉率的測定 在2022年甘薯收獲時測定小區(qū)內全部面積的甘薯產量，并折算成單位面積（1 hm2）產量。淀粉率采用烘干法測定，計算公式：淀粉率=（干物率×0.869 45-6.345 70）×100%。

1.6 計算公式

土壤團聚體穩(wěn)定性的測定指標主要有平均質量直徑（MWD）、幾何平均直徑（GMD）［31］，計算公式如下：

式中：X[TX-]i為i粒級團聚體平均直徑；Wi為i粒級團聚體質量所占比例；Mi為i粒級團聚體質量。

1.7 數(shù)據(jù)處理

用WPS Office進行數(shù)據(jù)計算、分析與圖表制作，用DPS 9.50進行方差分析與相關性分析，用Canoco 5.0進行不同處理間土壤肥力與土壤結構的冗余分析（RDA）與作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤養(yǎng)分含量及pH值的變化

由表1可知，在化肥添加不同外源有機物條件下，土壤養(yǎng)分含量和pH值存在明顯差異。與CK相比，化肥添加外源有機物能夠明顯提高土壤養(yǎng)分含量，降低土壤pH值。其中，T2處理土壤堿解氮、速效磷、全氮、全磷含量均高于其他處理，其中土壤堿解氮含量分別較T1、T4處理顯著提高5.23%、9.15%，土壤全氮、全磷含量分別較T4處理顯著提高5.38%、5.41%。T3處理能夠提高土壤速效鉀、有機質含量。其中土壤速效鉀、有機質含量分別較T4處理顯著提高5.25%、5.74%。T2處理的土壤速效鉀、有機質含量僅次于T3處理，且與T3處理相比均無顯著差異。在不同化肥添加外源有機物處理下，土壤pH值均比CK有不同程度的降低，但無顯著差異。由此可知，化肥添加不同外源有機物處理能夠明顯影響土壤養(yǎng)分和pH值的變化。

2.2 土壤酶活性的變化

由表2可知，化肥添加不同外源有機物對土壤酶活性變化有較大影響。與CK相比，化肥添加外源有機物能夠明顯提高土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性。T2處理土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性高于其他處理。其中，土壤脲酶較T1、T4處理分別顯著提高7.26%、9.92%；土壤過氧化氫酶較T1、T4處理分別顯著提高9.18%、8.08%；堿性磷酸酶較其他化肥添加外源有機物處理顯著提高6.98%～11.52%；T3處理土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性僅次于T2處理。T3處理土壤蔗糖酶活性較其他化肥添加外源有機物處理顯著提高7.48%～13.40%，T2處理蔗糖酶活性顯著高于T1處理。由此可知，化肥添加不同外源有機物處理能夠明顯提高土壤酶活性。

2.3 土壤容重、孔隙度和含水量變化

由圖1可知，在化肥添加不同外源有機物處理下，土壤容重、孔隙度及含水量差異較大。與CK相比，化肥添加外源有機物能夠明顯降低土壤容重，其中T2、T4處理的土壤容重分別較CK降低了4.87%、6.25%。T4處理的土壤容重最低，但與其他化肥添加外源有機物處理相比均無顯著差異。與CK相比，化肥添加外源有機物能夠提高土壤孔隙度、含水量。其中，T4處理能夠提高土壤孔隙度、含水量，T4處理的土壤孔隙度與其他化肥添加外源有機物處理相比均無顯著差異，含水量較T1處理顯著提高了8.27%，且T2、T3處理的含水量顯著高于T1處理。由此可見，化肥添加不同外源有機物處理對土壤容重、孔隙度及含水量變化產生較大影響。

2.4 土壤團聚體結構分布的變化

由表3可知，化肥添加不同外源有機物對土壤團聚體結構分布變化的影響較大。與CK相比，化肥添加外源有機物能夠提高＞2.000 mm粒徑、0.053～0.250 mm粒徑團聚體質量分數(shù)，降低0.053～0.250 mm粒徑、＜0.053 mm粒徑團聚體質量分數(shù)。T4處理能夠提高＞2.000 mm粒徑團聚體質量分數(shù)，降低0.053～0.250 mm粒徑團聚體質量分數(shù)，其中＞2.000 mm粒徑團聚體質量分數(shù)較T1處理顯著提高了5.90%，T3處理其次，0.053～0.250 mm粒徑團聚體質量分數(shù)分別較T1、T3處理顯著降低了21.38%、14.33%，T2處理其次。T1處理能夠提高0.250～2.000 mm粒徑團聚體的質量分數(shù)，較T3處理顯著提高5.46%，T2處理的提高效果次之。T2處理能夠降低＜0.053 mm粒徑團聚體的質量分數(shù)，分別較T1、T4處理顯著降低14.59%、5.93%，T3處理其次。整體來看，＞2.000 mm粒徑（55.65%～59.61%）為團聚體的主要組成部分，其次是0.250～2.000 mm粒徑（28.07%～29.96%），0.053～0.250 mm粒徑（5.26%～7.82%）、＜0.053 mm 粒徑（6.03%～8.46%）的質量分數(shù)均較低。由此可知，化肥添加外源有機物能夠提高土壤大團聚體的質量分數(shù)，降低微團聚體的質量分數(shù)。

2.5 土壤團聚體穩(wěn)定性的變化

由圖2可知，化肥添加不同外源有機物條件下的土壤團聚體穩(wěn)定性變化較大。與CK相比，化肥添加不同外源有機物能夠提高土壤團聚體的平均質量直徑、幾何質量直徑。其中，T4處理能夠提高土壤團聚體平均質量直徑、幾何質量直徑，其中土壤團聚體平均質量直徑分別較T1、T3處理顯著提高了9.04%、6.99%，T2處理其次，而與其他化肥添加外源有機物處理相比均無顯著差異；T4處理的土壤團聚體幾何質量直徑分別較T1、T2、T3處理顯著提高了15.05%、5.94%、10.88%，T2處理其次， 且顯著高于T1處理。由此可見，化肥添加不同外源有機物處理能夠提高土壤團聚體的穩(wěn)定性。

2.6 甘薯產量及薯塊淀粉率的變化

由圖3可知，在化肥添加不同外源有機物條件下，鮮薯產量及淀粉率變化較大。與CK相比，化肥添加不同外源有機物處理能夠提高鮮薯產量、薯塊淀粉率。其中，T2處理能夠顯著提高鮮薯產量，分別較T1、T3、T4處理顯著提高了15.85%、6.04%、19.48%，T3處理其次，且顯著高于T1、T4處理。整體上看，鮮薯產量表現(xiàn)為T2＞T3＞T1＞T4。T3處理能夠提高薯塊淀粉率，分別較T1、T4處理顯著提高了7.77%、5.53%，T2處理其次，且顯著高于T1、T4處理。整體上看，薯塊淀粉率表現(xiàn)為 T3＞T2＞T4＞T1。由此可見，化肥添加不同外源有機物處理能夠提高鮮薯產量及薯塊淀粉率。

2.7 相關性分析

鮮薯產量、薯塊淀粉率與土壤酶活性及容重、孔隙度間存在一定的相關關系。由表4可知，鮮薯產量與土壤脲酶、過氧化氫酶、堿性磷酸酶活性呈極顯著（P<0.01）正相關關系，與土壤蔗糖酶活性、孔隙度呈正相關關系，與土壤容重呈負相關關系；薯塊淀粉率與土壤過氧化氫酶活性呈極顯著（P<0.01）正相關關系，與土壤脲酶活性、孔隙度呈顯著（P<0.05）正相關關系，與土壤堿性磷酸酶活性呈正相關關系，與土壤容重呈負相關關系。由此可知，鮮薯產量、薯塊淀粉率的變化與土壤酶活性及容重、孔隙度變化密切相關?；侍砑油庠从袡C物可通過提高土壤酶活性、改善土壤結構促進甘薯生長發(fā)育，進而提高鮮薯產量與淀粉率。

為了進一步分析土壤生物學活性與土壤結構的相關性，通過土壤酶活性與土壤團聚體穩(wěn)定性、容重、孔隙度及含水量進行冗余分析。由圖4可以看出，排序軸1與排序軸2能夠在累積變量85.42%的水平上解釋化肥添加外源有機物條件下土壤酶活性與土壤結構間的相互關系，其中土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶活性與土壤團聚體幾何平均直徑、平均質量直徑、孔隙度、含水量呈正相關關系，而與土壤容重呈負相關關系。團聚體幾何平均直徑（63.10%）是影響土壤酶活性的主要因子。由此可知，土壤酶活性變化與土壤結構變化密切相關，其中化肥添加外源有機物可通過提高土壤團聚體穩(wěn)定性，改善土壤物理結構來提高土壤酶活性。

3 討論與結論

土壤養(yǎng)分含量能夠顯著影響作物根系對養(yǎng)分的吸收與利用，而土壤酶是土壤養(yǎng)分轉化和循環(huán)的主要驅動力，是表征土壤質量的重要指標［32］。有研究發(fā)現(xiàn)，有機物料還田能夠增加土壤有機質含量，提升土壤肥力，提高土壤酶活性［33-35］。但是，有機物種類繁多、成分復雜，不同有機物還田能夠對土壤肥力與土壤環(huán)境造成不確定的影響，需要進一步研究［36］。本研究結果表明，與單施氮磷鉀肥（CK）相比，無機肥與有機物配施能夠提高土壤養(yǎng)分含量、土壤酶活性，降低土壤pH值。這與李春喜等的研究結果［27］較為一致。有分析認為，化肥減量與秸稈或有機物料配施能夠調節(jié)土壤C/N值，促進土壤中難溶養(yǎng)分分解與利用，并且有機物料含有豐富的有機質和營養(yǎng)成分，還田后能夠增加土壤肥力。而有機物料中豐富的碳源能夠滿足土壤中以此類碳源為基質的微生物代謝活性，能夠提高養(yǎng)分轉化與利用效率，進而提高土壤相關酶活性。與氮磷鉀肥單施+秸稈還田（T1）處理相比，在50%氮磷鉀肥配施生物有機肥+秸稈還田（T2）處理下，土壤各養(yǎng)分含量均有不同程度的提高，50%氮磷鉀肥配施羊糞+秸稈還田（T3）處理的土壤各養(yǎng)分含量表現(xiàn)出不同的變化趨勢，50%氮磷鉀肥配施基質+秸稈還田（T4）處理的土壤各養(yǎng)分含量均降低。T3、T4處理的土壤各養(yǎng)分含量沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢。分析認為，出現(xiàn)上述現(xiàn)象有可能與羊糞或基質中養(yǎng)分含量較低有關，也有可能與其養(yǎng)分釋放速率、釋放程度有關，羊糞或基質在改良土壤理化性質方面帶來的積極效應不足以抵消氮磷鉀肥減量的負面影響，從而未表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

土壤團聚體結構能夠決定土壤孔隙的分布與穩(wěn)定性，其結構變化對土壤容重、孔隙度及含水量的變化均具有顯著影響［36］。有研究發(fā)現(xiàn)，有機物料還田能夠改善土壤結構，增加土壤團聚體的團聚性，提高土壤團聚體穩(wěn)定性［37-38］。本研究結果表明，與CK相比，化肥添加不同有機物不僅能夠提高土壤孔隙度和含水量、降低土壤容重，還能提高大團聚體質量分數(shù)及團聚體穩(wěn)定性。這與李傳哲等的研究結果［39-40］較為一致。這是因為有機物料含有豐富的多孔物質和較大的比表面積，施入土壤中能夠吸附較小顆粒并形成大粒徑團聚體，從而提高土壤孔隙度，降低土壤容重。而與T1處理相比，T2、T3、T4處理在土壤容重、孔隙度、含水量及團聚體方面的變化與CK相同。分析認為，生物有機肥或羊糞或基質中含有豐富的有機質和其他礦質養(yǎng)分，施入土壤中后能夠增加土壤膠結物質含量，且豐富的碳源基質能夠提高土壤微生物代謝活性，并通過菌絲的纏繞作用凝結較小團聚體形成大粒徑團聚體，進而在容重、孔隙度、含水量方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

本研究結果表明，與CK相比，化肥添加不同有機物的處理能夠提高鮮薯產量與薯塊淀粉率。分析認為，秸稈或有機物料還田后能夠改善土壤理化性質和物理結構，促進甘薯根系對土壤養(yǎng)分的吸收與利用，從而促進植株生長發(fā)育，提高葉片光合作用，增加光合產物累積，進而提高鮮薯產量與薯塊淀粉率。相關性分析結果表明，甘薯生長發(fā)育與土壤酶活性、土壤結構變化密切相關，其中化肥添加外源有機物可通過提高土壤團聚體穩(wěn)定性、改善土壤物理結構來提高土壤酶活性和養(yǎng)分轉化速率，進而促進植株生長發(fā)育，提高鮮薯產量與薯塊淀粉率。綜上所述，與單施氮磷鉀肥相比，化肥添加外源有機物能夠提高土壤養(yǎng)分含量、酶活性，改善土壤結構，提升土壤團聚體穩(wěn)定性，提高鮮薯產量及薯塊淀粉率。

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收稿日期：2023-04-20

基金項目：河南省軟科學研究計劃（編號：222400410551）；河南省高等學校重點科研項目（編號：23B210010）；河南省高校人文社會科學研究一般項目（編號：2023-ZDJH-257）。

作者簡介：秦廣利（1979—），女，河南商丘人，碩士，副教授，主要從事微生物專業(yè)教學與科研工作。E-mail：sqzyqgl@163.com。

通信作者：陳玉琴，碩士，副教授，主要從事土壤改良方面的研究。E-mail：yqc0714@126.com。