土壤調理劑配施有機肥對連作馬鈴薯土壤的改良效果

張建鵬

(濮陽職業技術學院,河南濮陽 457000)

馬鈴薯是河南省的主要糧食作物,因其產量高、適應性廣、營養豐富等特點被人們廣泛接受[1-2]。據相關農業部門調查表明,2021年河南省馬鈴薯種植面積可達8.73萬hm2[3]。近年來,受耕地面積、訂單農業以及集約化生產影響,馬鈴薯連作種植現象普遍存在[4]。然而長年連作種植不僅會造成馬鈴薯產量降低、病蟲害頻發,還會改變土壤物理結構以及土壤微生物菌群[5-7],降低土地生產力。因此,如何有效改良連作馬鈴薯土壤問題對馬鈴薯產業發展具有重要的意義。有研究表明,施用大量化肥能夠在短時間內解決馬鈴薯產量降低問題[8],但長期大量施用化肥,不僅起不到產量增加的目的,還會造成土壤板結、養分失衡、病害加重等問題[9-11]。目前,國內眾多學者研究表明,配施生物菌肥[12-13]、改變種植制度[14-15]是解決馬鈴薯連作障礙的有效途徑。但由于輪作倒茬改良土壤時間較久以及受產業發展限制影響較大,因此,研究如何有效平衡施肥對解決馬鈴薯連作障礙意義更大。

有機肥含有豐富的微量元素及功能菌群,與化肥配施能夠促進作物生長,提高土壤肥力,調節土壤微生物區系,改善土壤微生態環境[16-17]。閆治斌等研究表明,施用多功能生態肥能夠降低連作馬鈴薯土壤容重,提高土壤養分含量和酶活性[13];高欣等研究表明,增施有機肥能夠提高連作花生土壤有機碳各組分含量,改善土壤微生物環境,能夠有效緩解花生連作障礙[18];胡月華研究表明,與單施化肥相比,無機肥有機肥配施能夠提高土壤細菌、放線菌生物量,減少有害真菌生物量[19]?？梢?化肥與有機肥配施在改良土壤方面具有一定的可行性。目前,無機肥與有機肥配施解決或緩解馬鈴薯連作障礙的研究主要集中在產量、土壤養分、酶活性以及土壤微生物方面,關于土壤團聚體及有機碳方面的研究很少,而關于土壤調理劑配施生物有機肥/微生物菌肥改良連作馬鈴薯土壤方面的研究更是鮮有報道[20-21]。土壤調理劑由多種礦物質原料復配而成,適量施用能夠提高土壤孔隙度、減少土壤容重,以及提升土壤蓄水保肥的能力,從而達到改善土壤質量的目的[22-23]。因此,作者期望通過研究土壤調理劑配施生物有機肥/微生物菌肥對連作馬鈴薯土壤團聚體組成、有機碳含量累積、微生物區系代謝活性等變化的影響,旨在明確土壤調理劑配施有機肥在改良連作馬鈴薯土壤方面的可行性,為連作馬鈴薯的合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018—2022年在河南省濮陽市清豐縣大屯鄉(114°57′E,35°86′N)進行,該區域屬于溫帶大陸性季風氣候區,四季分明,光照充足,年均氣溫為13.4 ℃,年均降水量為520～580 mm,年均日照時長為2 454 h,年均積溫為(≥10 ℃)4 498 ℃,無霜期為215 d。供試土壤為黃潮土二合土質,試驗前耕層(0～20 cm)基礎理化性狀:全氮含量為 0.95 g/kg、有機碳含量為5.43 g/kg、pH值為8.12、容重為1.34 g/cm3、孔隙度為0.7%。試驗地前茬2年均為馬鈴薯—小麥連續種植。

1.2 試驗設計與方法

試驗地為馬鈴薯—小麥連作種植,馬鈴薯季試驗設對照不施肥(CK)、單施化肥(SF)、化肥減量30%+生物有機肥(FB)、化肥減量30%+微生物菌肥(FM)、化肥減量30%+生物有機肥+土壤調理劑(FBC)、化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調理劑(FMC)6個處理,重復3次,共計18個小區,試驗處理均隨機區組排列。小區面積為48 m2,試驗小區周邊保護行為5 m,馬鈴薯株行距40 cm×50 cm?；蕟问┯昧?純N 100 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 425 kg/hm2;生物有機肥用量:1 500 kg/hm2(N、P、K含量分別為3.85%、2.12%、1.15%,有機質含量為28.62%,有效活菌數≥0.2億 CFU/g);微生物菌肥用量為1 200 kg/hm2(N、P、K含量分別為12.26%、4.39%、8.26%,有機質含量為25.32%,有效活菌數≥1.0億 CFU/g);土壤調理劑用量為75 kg/hm2(含硫酸亞鐵、氨基酸粉劑、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉等成分)。供試馬鈴薯品種:中薯5號(中國農業科學院蔬菜花卉所提供)。馬鈴薯生育期8—11月。70%氮肥以及其他類別肥料作為基肥在整地前施入,30%氮肥作為追肥在盛花期施入。小麥季不同處理施肥量均一致,種植密度、施肥模式、田間管理措施等均不做特殊處理,按照當地農民種植習慣進行。

1.3 樣品采集與項目測定

2022年6月,通過五點取樣法利用螺旋土鉆采集0～20 cm處土壤。通過冰盒帶回實驗室后,土壤樣品分成2份,1份自然陰干,用于土壤團聚體、有機碳含量的測定;另1份于-40 ℃保存,用于土壤微生物的測定。土壤容重、孔隙度利用環刀采集 0～20 cm處土壤進行測定。2018—2021年間,每年均采集土壤樣品進行有機碳含量的測定。

土壤團聚體測定采用干篩法。具體方法:稱取一定量的風干土樣分別通過0.053、0.25、0.50、1.00、2.00 mm的套篩,人工分篩2～3 min后,收集各篩面上的土壤團聚體分別稱質量,然后進行各粒級團聚體含量計算。土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[23]測定;土壤容重、孔隙度均采用環刀法[24]測定。馬鈴薯產量測定時,小區產量全部稱其質量,然后進行公頃折算。

土壤微生物生物量測定采用磷脂脂肪酸法。稱取一定量的新鮮土壤,按照朱蕓蕓的提取步驟[25],采用Agilent 6890N氣相色譜-質譜聯用儀進行鑒定分析。

土壤微生物碳源利用能力測定采用Biolog Eco板法。按照賈鵬麗等的提純步驟,將待測液接種于微板孔后,放入25 ℃培養箱中,每隔24 h使用 Biolog微生物鑒定系統測定580 nm處的吸光度1次,連續測定168 h[26]。平均顏色變化率(AWCD)可用于表示土壤微生物對某種碳源的代謝活性,計算公式如下[27]:

AWCD=∑(Ci-R)/31;

式中,Ci為反應孔在580 nm處的吸光度;R為對照孔吸光度。

1.4 數據處理

采用Excel 2018進行數據整理與計算,采用SPSS 19.0進行處理間的差異顯著性分析,采用Canoco 4.5 進行多元分析與制圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式對土壤團聚體組成的影響

連續施肥4年后,不同施肥模式能夠顯著影響土壤團聚體組成(表1)。與CK處理相比,不同施肥處理均能降低粒徑<0.053 mm和0.053～0.250 mm 的團聚體比例,提高粒徑≥0.250～2.000 mm 的團聚體比例,而粒徑≥2.000 mm的團聚體表現出不同的變化。其中,FMC處理 <0.053 mm、≥0.053～0.250 mm 粒徑質量比值較其他處理分別降低2.87%～18.81%、0.42%～25.34%,均顯著低于CK、SF、FB、FM處理。FBC處理0.250～<2.000 mm粒徑質量比值最高,較其他處理分別提高0.26%～9.28%,顯著高于CK處理。SF處理≥2.000 mm粒徑質量比值顯著最低,較CK處理降低5.98%;FMC處理≥2.000 mm粒徑質量比值最高,較CK、SF、FB、FM處理分別顯著提高21.77%、29.52%、22.75%和18.28%,而與FBC處理相比無顯著差異。

表1 各處理土壤團聚體不同粒級含量的變化

2.2 不同施肥模式對土壤容重和孔隙度的影響

連續施肥4年后,不同施肥模式對土壤容重與孔隙度變化有不同的影響(圖1)。與基礎土樣容重相比,CK、SF處理土壤容重分別顯著提高6.72%、13.43%,FB、FM、FBC、FMC處理土壤容重均不同程度降低。其中,FMC處理較基礎土樣顯著降低8.2%。而不同施肥處理間土壤容重也均有不同的變化。與CK處理相比,SF處理土壤容重顯著提高6.29%,FB、FM、FBC、FMC處理分別顯著降低8.39%、10.49%、10.49%、13.99%,FMC處理土壤容重最低。

與基礎土樣孔隙度相比,CK、SF、FM處理土壤孔隙度降低,FBC、FMC處理土壤孔隙度提高,FB處理無明顯變化。而不同施肥處理間土壤孔隙度也均有不同的變化。與CK處理相比,SF處理土壤孔隙度降低4.55%;FB、FM、FBC、FMC處理分別提高6.06%、4.55%、12.12%、18.18%,其中,FB、FBC、FMC處理土壤空隙度較CK處理顯著提高。FMC處理土壤孔隙度最高,較其他施肥處理分別顯著提高5.41%～23.81%,SF處理土壤孔隙度最低。

2.3 不同施肥模式對土壤有機碳含量的影響

由圖2可知,CK、SF處理土壤有機碳含量隨著施肥年限的增加整體呈逐漸降低的趨勢,而FB、FM、FBC、FMC處理土壤有機碳含量呈波動性整體上升趨勢。連續施肥4年后,FMC處理2022年土壤有機碳含量較2018年有明顯積累,且顯著高于其他處理。FMC處理2022年土壤有機碳含量較2018年增加4.36%,積累量明顯高于FB(0.71%)、FM(1.23%)、FBC(2.09%)。而對比2022年不同施肥處理可知,FMC處理土壤有機碳含量最高,較其他處理分別提高6.32%～39.15%,FB、FM、FBC處理土壤有機碳含量次之,均顯著高于SF、CK處理,CK處理土壤有機碳含量顯著最低。

2.4 不同施肥模式對不同施肥年限下馬鈴薯產量的影響

不同施肥處理馬鈴薯產量隨著施肥時間的延長表現出明顯的差異。施肥1年時(2018年),與CK處理相比,不同施肥處理馬鈴薯產量顯著提高14.71～21.96%。在不同施肥處理對比中可知,SF處理馬鈴薯產量最高,較FB處理顯著提高6.32%,與FM、FBC、FMC相比均無顯著性差異。連續不同施肥4年后(2022年),各處理馬鈴薯產量與2018年相比均表現出明顯差異。其中CK、SF、FB、FM處理馬鈴薯產量分別下降38.61%、22.52%、4.89%、1.14%,CK處理馬鈴薯產量下降最多,其次是SF處理,而FBC、FMC處理馬鈴薯產量分別提高1.60%、10.44%。而在2022年不同施肥處理對比中可知,FMC處理馬鈴薯產量最高,較其他處理分別顯著提高12.27%～116.19%(圖3)。

2.5 不同施肥模式對土壤微生物生物量的影響

連續不同施肥4年后,各處理土壤微生物生物量表現出顯著差異(表2)。與CK處理相比,SF處理能夠提高土壤真菌、放線菌生物量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌比值,降低土壤細菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量以及細菌/真菌比值。而FB、FM、FBC、FMC處理能夠提高土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值。在不同施肥處理對比中可知,FMC處理土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值均最高,較其他施肥處理分別提高4.70%～40.82%、6.04%～17.98%、6.24%～52.00%、3.39%～33.54%、4.00%～14.71%和11.06%～94.12%。其中,土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌、細菌/真菌比值均顯著高于SF、FB、FM處理。土壤真菌生物量較其他施肥處理分別顯著降低5.56%～27.50%。SF處理土壤真菌生物量顯著高于其他處理。

表2 各處理土壤微生物生物量的變化

2.6 不同施肥模式對土壤微生物碳源利用能力的影響

由表3可知,不同施肥處理土壤微生物對各類碳源的利用能力有明顯差異。與CK處理相比,各施肥處理土壤微生物均能夠提高對糖類、酚類化合物的利用能力,降低對胺類化合物的利用能力,而對羧酸類、氨基酸類、聚合物類化合物的利用能力表現出不同的變化。其中,FMC處理土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、酚類化合物的利用能力最強,較CK處理分別顯著提高82.93%、15.07%、28.89%、48.48%,除與FM、FBC處理對羧酸類化合物的利用能力無顯著差異外,均顯著高于其他處理指標。對胺類化合物的利用能力最低,較CK處理顯著降低41.18%;FB處理土壤微生物對聚合物類化合物的利用能力最強,較CK處理提高4.84%,顯著高于SF、FM、FBC處理,而與CK、FMC處理相比無顯著差異。

表3 各處理土壤微生物碳源利用能力的差異(AWCD值)

2.7 土壤微生物區系與土壤團聚體組成的多元分析

為分析土壤微生物群落代謝活性與土壤團聚體間的相關性,利用土壤微生物生物量、碳源利用能力與土壤團聚體組成進行冗余(RDA)分析。結果表明,圖4能夠分別在累積變量84.09%、66.62%水平上解釋不同施肥模式下土壤微生物生物量、碳源利用能力受土壤團聚體組成影響的變化特征。假設性測驗結果表明(pesudo-F=19.9,P=0.002;pesudo-F=7.5,P=0.002),土壤微生物代謝活動受土壤團聚體影響是極顯著的(P<0.01)。其中,土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌數量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌比值、細菌/真菌比值與粒徑0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm團聚體呈正相關,土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、聚合物類、酚類化合物的利用能力也與粒徑 0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm團聚體呈正相關,而與粒級<0.053 mm、0.053～<0.250 mm團聚體均呈負相關?？梢?粒徑0.250～<2.000 mm、≥2.000 mm團聚體是影響土壤微生物類群以及碳源利用能力的主要因素。RDA分析結果表明,粒徑≥2.000 mm團聚體(73.40%)、0.250～<2.000 mm 團聚體(49.40%)分別是影響土壤微生物生物量、碳源代謝能力的主要驅動因子。由此可知,化肥與生物有機肥/微生物菌肥及土壤調理劑配施不僅有利于大粒徑團聚體的形成,對土壤微生物區系及功能穩定性的提高也有顯著地影響。

2.8 土壤微生物區系與土壤理化性狀的多元分析

為了進一步探究土壤微生物區系及代謝活性受多種因素共同影響,利用土壤微生物生物量、碳源利用能力與土壤理化性狀進行RDA分析。結果表明, 圖5能夠分別在累積變量77.13%、 56.20%水平上解釋不同施肥模式下土壤微生物生物量、碳源利用能力受土壤理化性狀影響的變化特征。其中,土壤細菌、放線菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌數量以及革蘭氏陽性菌/陰性菌比值、細菌/真菌比值與土壤容重、有機碳含量呈正相關,與土壤空隙度呈負相關。而土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、酚類化合物的利用能力與土壤容重、有機碳含量呈正相關,與土壤孔隙度呈負相關?？梢娡寥廊葜?、有機碳是影響土壤微生物主要類群以及碳源利用能力的主要因素。RDA分析結果表明,土壤容重(61.80%)、有機碳含量(39.60%)分別是影響土壤微生物生物量、碳源代謝能力的主要驅動因子。各處理點空間位置較為分散,說明土壤微生物生物量、碳源代謝能力對不同施肥模式會產生不同的響應?？梢?化肥與微生物菌肥及土壤調理劑配施,不僅有利于土壤有機碳的累積,可能為土壤微生物代謝活動提供充足的能量及良好的生態環境。

3 結論與討論

土壤團聚體穩定機制復雜,不僅受自然因素影響,還受土壤有機碳含量、微生物代謝活性等其他因素的影響[28]。其中,土壤有機碳是土壤團聚體形成過程中的主要膠結物質,而土壤團聚體又能影響著土壤有機碳的轉化與分解[29-30]。有研究表明,增施有機肥能夠通過自身腐解過程產生大量膠結物質,促進團聚體形成,從而影響土壤有機碳的累積[31];也有研究表明,合理施用土壤調理劑能夠促進土壤團聚體形成,增加孔隙度,提高土壤肥力[32]。本研究結果表明,與不施肥或單施化肥相比,化肥減量配施有機肥能夠促進粒徑較大團聚體的形成,增加土壤有機碳含量的累積,提高土壤孔隙度,降低土壤容重。這與大多數人的研究結果[33-35]較為一致。而在配施有機肥所有處理對比中可知,化肥減量配施微生物菌肥和土壤調理劑處理改良土壤物理結構效果更加明顯。分析認為,相比于生物有機肥,微生物菌肥能夠通過自身攜帶的功能菌群提高土壤微生物代謝活性,增加微生物代謝產物,有利于促進土壤大粒徑團聚體的形成[28]。而土壤調理劑通過自身膨大、分散、黏著性等特點,提高土壤空隙度,降低土壤容重[36],能夠為土壤微生物提供良好的生存環境,有利于大顆粒團聚體的形成,從而提高土壤有機碳的累積。由此可知,化肥減量配施微生物菌肥和土壤調理劑能夠改善土壤物理結構,提升土壤質量,促進馬鈴薯生長發育,提高馬鈴薯產量。

土壤微生物不僅在土壤養分轉化和循環的過程中發揮重要作用,還能夠以自身代謝活性促進土壤有機碳的轉化與形成[37]。本研究結果表明,化肥減量配施微生物菌肥和土壤調理劑處理能夠提高土壤細菌、放線菌生物量以及細菌/真菌比值、革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值,降低真菌生物量,提高土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、酚類化合物的利用能力。分析認為,土壤調理劑及微生物菌肥配施能夠提高土壤孔隙度,降低土壤容重,改善土壤微生態環境,從而提高某類微生物的代謝水平。而對各類碳源利用能力的差異有可能是外源有機物的施入,促進了以某類碳源為主的微生物代謝活性。土壤微生物代謝活性的提高,反過來作用于土壤團聚體與土壤有機碳的形成。RDA分析結果表明,土壤大粒徑團聚體、有機碳含量、容重均是影響土壤微生物群落、碳源代謝能力的主要驅動因子。由此可知,化肥減量與生物有機肥/微生物菌肥及土壤調理劑配施不僅有利于大粒徑團聚體形成與有機碳累積,還能夠為土壤微生物代謝活動提供充足的能量及良好的生存環境。

與單施化肥或不施肥相比,化肥減量與有機肥配施能夠促進大粒徑團聚體形成與有機碳累積,提高土壤空隙度,降低土壤容重,提高馬鈴薯產量。其中,化肥減量與微生物菌肥及土壤調理劑配施處理表現最優;與其他處理相比,化肥減量配施微生物菌肥和土壤調理劑處理能夠提高土壤細菌、放線菌生物量以及細菌/真菌比值、革蘭氏陽性菌/革蘭氏陰性菌比值,降低真菌生物量,提高土壤微生物對糖類、羧酸類、氨基酸類、酚類化合物的利用能力;RDA分析表明,土壤微生物代謝活動受多種因子共同影響,其中土壤大粒徑團聚體、有機碳含量、容重是主要驅動因子;由此可知,化肥減量與微生物菌肥及土壤調理劑配施對改善土壤物理結構,促進有機碳累積,提高土壤微生物活性具有較好的效果。