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Effect of long-term application of microorganismic compost or vermicompost on soil fertility and microbial biomass carbon

长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响



全 文 :    倡 “十五”国家科技攻关项目 “黄淮海平原高产区优质高效农业结构模式与技术研究 ”(2001BA50801)资助
倡倡 通讯作者
收稿日期 :2005唱09唱04   改回日期 :2005唱12唱27
长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响 倡
胡  诚1 ,2  曹志平2 倡倡 罗艳蕊2  马永良2
(1畅湖北省农业科学院植保土肥研究所   武汉   430064 ;2畅 中国农业大学资源与环境学院   北京   100094)
摘   要   为了研究施用生物有机肥(EM 堆肥 ,即有效微生物制剂 + 堆肥)对土壤肥力及微生物生物量碳的影响 ,进
行了 7 年的施用 15 t/ hm2 ·a有机肥 、施用 7畅5 t/ hm2 ·a有机肥(包括 EM 堆肥 、EM 鸡粪肥和传统有机肥) 、施用化肥
和对照处理的田间试验 。 结果表明 :长期施用生物有机肥的土壤肥力明显提高 。 随着生物有机肥用量的提高 ,碱
性土壤的 pH 值逐渐降低 ,土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷 、速效钾 、微生物生物量碳含量增加 ,与有机肥施用量
呈显著正相关 。 施用化肥可一定程度提高土壤有机质 、全 N 和有效养分含量 ,但作用不明显 。 施肥对土壤肥力和
微生物量碳的影响趋势是 :EM 堆肥 >传统堆肥 > 化肥 > 对照 。土壤微生物量碳与土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效
磷 、速效钾含量呈显著正相关 ,可以作为施肥过程中土壤质量变化的生物学指标 。
关键词   生物有机肥   土壤肥力  微生物生物量碳
Effect of long唱term application of microorganismic compost or vermicompost on soil fertility and microbial biomass car唱
bon .HU Cheng1 ,2 ,CAO Zhi唱Ping2 ,LUO Yan唱Rui2 ,MA Yong唱Liang2 (1畅Institute of Plan t Protection and Soil Science ,
Hubei Academy of Agricultural Science ,Wuhan 430064 ,China ;2畅College of Resources and Environmental Science ,China
Agricultural Universit y ,Beijing 100094 ,China) ,CJEA ,2007 ,15(3) :48 ~ 51
Abstract   Seven years experiment on the effects of bio唱organic fertilization ,including 15 t/hm2·a and 7畅5t/hm2 ·a vermi唱
compost(EM compost ,EM chook manure and traditional vermicompost) ,and chemical fertilizer on soil fer tility and micro唱
bial biomass carbon was conducted at the Quzhou Station of China Agricultu ral University .The results show enhancement
in soil fer tility and improvement in soil physical唱chemical proper ties under long唱term application of EM compost or t radi唱
tional vermicompost .Soil pH values gradually decline when applied EM compost or traditional vermicompost increases ,but
soil organic mat ter ,total N ,alkali唱hydrolyzable N ,available P ,available K and soil microbial biomass carbon increase ;while
significan t positive correlations are observed between them and the used amount of fertilize .Chemical fertilizer enhances
soil organic matter ,total N and available nutrien t to a cer tain extent .The differen t fer tilizers are ranked according to their
effects on soil fer tility and microbial biomass carbon as follows :cont rol < chemical fertilizer < traditional vermicompost <
EM compost .Significant positive correlations are observed between soil microbial biomass carbon and soil organic mat ter ,
total N ,alkali唱hydrolyzable N ,available P and available K ;indicating that microbial biomass carbon could be a biological in唱
dicato r in soil qualit y evaluation .
Key words   Microorganismic compost ,Soil fertility ,Soil microbial biomass carbon
(Received Sept . 4 ,2005 ;revised Dec .27 ,2005)
生物有机肥兼顾传统有机肥与添加有机菌剂的优势 ,可减少化肥 、农药的使用 ,增强作物抗逆性 ,改善
作物品质 ,使用日益广泛[1] 。 土壤微生物生物量既是土壤养分循环过程的动力 ,又可作为土壤中植物有效
养分的储备库[2] ,在土壤肥力和植物营养供应中具有重要作用 。 土壤微生物生物量对农业管理措施极为敏
感 ,是反映土壤管理变化的活指标[8] 。 土壤微生物量碳 、氮是土壤 C 素和 N 素养分转化和循环研究中的重
要参数 ,可较为直观地反映土壤微生物和土壤肥力状况[3] 。 故微生物生物量可以综合反映土壤的肥力和环
境质量状况[9] 。 因此 ,研究有机肥投入对土壤肥力及土壤微生物生物量的影响具有重要的意义 。
1   试验材料与方法
试验在中国农业大学曲周试验站进行 。 试验区属暖温带半湿润季风气候 ,光 、热 、水资源比较丰富 。 冬
第 15卷第 3 期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol畅15   No畅3
2 0 0 7 年 5 月 Chinese Journal of Eco唱Agriculture May ,  2007
季寒冷干燥 ,夏季温暖多雨 ,年均降雨量 604mm ,分配不均匀 ,7 、8 月份降雨约占全年总量的 60 % ,常积涝成
灾 ;年蒸发量 1841mm ,约为年降雨量的 3 倍 ,春旱尤为严重 。 浅层地下水矿化度大 ,地下水位高 ,在气候因
素影响下形成积盐深度大 、含盐量高的原生盐碱土 ,是内陆冲积平原浅层咸水型盐渍化地区[4] 。
试验所用材料有 EM 堆肥 、EM 鸡粪堆肥 、传统堆肥 、化肥 (包括碳酸氢铵 、尿素和过磷酸钙) 。 每
50kgEM 堆肥的原料有秸秆 30kg ,畜禽粪 15kg ,棉籽饼 2畅5kg ,糠 2畅5kg ,红糖 1kg ,EM 菌剂原液 200mL 。
其中 EM(Effective microorganism ,即有效微生物)由 10 个属几十种微生物复合培养而成 ,其中代表性的微
生物类群有光合微生物 、乳酸菌 、酵母菌 、放线菌 、醋酸杆菌等 ;EM 原液由北京伊埃姆生物技术有限公司提
供 。 传统堆肥原料 ,除不含红糖及 EM 原液外 ,其余原料与 EM 堆肥相同 。 将经过筛选的原料充分混匀后 ,
分别按传统堆肥方法和 EM 微生态工程技术进行堆肥发酵制成堆肥 。 EM 鸡粪堆肥是用添加 EM 菌剂的饲
料喂养鸡的粪便堆制而成 。试验设 8 个处理 ,3 次重复 ,完全随机区组排列 。 试验方案如下 :处理 Ⅰ 施用 EM
堆肥 15 t/hm2·a ,处理 Ⅱ 施用 EM 鸡粪堆肥 15t/hm2 ·a ,处理 Ⅲ 施用传统堆肥 15t/hm2·a ,处理 Ⅳ 施用 EM 堆
肥 7畅5 t/hm2 ·a ,处理 Ⅴ 施用 EM 鸡粪堆肥 7畅5t/hm2 ·a ,处理 Ⅵ 施用传统堆肥 7畅5t/hm2 ·a ,处理 Ⅶ 施用化肥
(750kg碳铵 + 300kg 尿素 + 750kg 过磷酸钙)/hm2 ·a ,处理 Ⅷ 为不施肥对照 。 田间试验开始于 1997 年 ,至
2004 年共历时 7 年种植 13 季作物 。 小麦与玉米轮作 ,一年两熟 ,每年种植冬小麦和夏玉米之前施肥 。
2004 年在小麦收获后种植夏玉米前取样 ,使用 3cm × 20cm 土钻在各小区随机采集 0 ~ 20cm 耕层土壤
15 钻 ,迅速装入塑料袋中带回试验室 。 用 0畅01mol/L 的 CaCl2 溶液浸提 pH 计法测定土壤 pH ,重铬酸钾外
加热法测定有机质 ,土壤全 N 分析采用半微量凯氏定 N 法 ,碱解氮分析采用碱解扩散法 ,土壤有效磷分析采
用 0畅5mol/L NaHCO3 浸提唱钼锑抗比色法 ,土壤有效钾分析采用 1mol/L的 NH4Ac浸提唱火焰光度法 。 土壤
微生物生物量碳采用氯仿熏蒸唱0畅5mol/L K2 SO4 浸提法测定 ,熏蒸提取采用 Vance等[10]的操作步骤 ,浸提
液中可溶性碳采用重铬酸钾氧化外热源法测定 ,微生物量碳转换系数为 2畅64 。
2   结果与分析
经过 13 季
作物种植后 ,小
麦收获后夏玉
米种植前土壤
pH 、有机质 、全
N 、碱解氮 、有
效磷 、速效钾及
微生物量碳含
量见表 1 。
表 1   不同有机肥处理的土壤肥力及微生物生物量碳 倡
Tab畅1   Soil fer tility and microbial biomass carbon of differen t compost experiment treatments
测定指标
Indexes
不同施肥处理 Fert ilizat ion treatments
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ Ⅶ Ⅷ
pH 7畅16b 7畅16b 7畅17b 7畅18b 7畅18b 7畅20b 7畅44a 7畅52a
有机质/g·kg - 1 22畅43a 22畅71a 22畅35a 19畅31b 19畅57b 19畅23b 13畅24c 12畅18c
全 N/g· kg - 1 1畅46a 1畅46a 1畅38ab 1畅13c 1畅20bc 1畅09c 0畅81d 0畅78d
碱解氮 /mg·kg - 1 129畅52a 118畅50ab 110畅60abc 102畅96bc 104畅08bc 99畅07c 68畅87d 63畅29d
有效磷 /mg·kg - 1 59畅99a 60畅48a 54畅92a 31畅00bc 34畅85b 24畅66bc 20畅12c 3畅25d
速效钾 /mg·kg - 1 256畅02a 270畅06a 278畅08a 173畅79b 181畅81b 171畅11b 94畅23c 98畅91c
微生物量碳/mg·kg - 1 279畅54a 263畅57a 262畅01a 206畅02b 217畅33b 204畅59b 146畅77c 135畅72c
    倡 根据邓肯多重比较相同的字母表示处理之间差异不显著 ( P < 0畅05) 。
2畅1   长期施用生物有机肥对土壤 pH 值的影响
碱性土壤的 pH 值随有机肥投入增加而减小 。 施用有机肥的各处理 Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 、Ⅴ 、Ⅵ 之间 pH差异不
显著 ,施用化肥处理和对照之间差异不显著 ;但所有施用有机肥处理与化肥处理及对照之间差异显著( P <
0畅05) 。 将 pH值( y1)与有机肥施用量( x1 )进行回归分析得方程 :
y1 = - 0畅000301 x1 + 7畅422     ( r = 0畅820 倡 倡 ) (1)
土壤 pH 值与有机肥施用量呈极显著负相关 。 故长期施用有机肥可以降低盐碱地的 pH值 ,改良土壤 。
2畅2   长期施用生物有机肥对土壤有机质的影响
土壤有机质含量随有机肥投入的增加而增加 。 施15 t/hm2 ·a有机肥各处理( Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ )之间差异不显著 ,
含量处于第一层次 ;施 7畅5 t/hm2 ·a有机肥各处理( Ⅳ 、Ⅴ 、Ⅵ )之间差异不显著 ,含量处于第二层次 ;施化肥和
对照( Ⅶ 、Ⅷ )之间差异也不显著 ,含量最低 。 但施 15 t/hm2 ·a 有机肥各处理与施 7畅5 t/hm2 ·a有机肥各处理
及无有机肥处理之间差异显著( P < 0畅05) ,施 7畅5 t/hm2 ·a有机肥各处理与无有机肥处理之间差异显著( P <
0畅05) 。 虽然施 15t/hm2 ·a有机肥各处理之间及施7畅5t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异不显著 ,但添加了 EM
菌剂的处理 Ⅰ 、Ⅱ 土壤有机质含量略高于处理 Ⅲ ,添加了 EM 菌剂的处理 Ⅳ 、Ⅴ 土壤有机质含量略高于处理
Ⅵ ,说明添加 EM 菌剂的堆肥比传统堆肥可以更多地提高土壤有机质含量 。 将有机质含量( y2)与有机肥施
用量( x2 )进行回归分析得方程 :
第 3期 胡   诚等 :长期施用生物有机肥对土壤肥力及微生物生物量碳的影响 49 
y2 = 0畅000943 x2 + 1畅356019     ( r = 0畅921 倡 倡 ) (2)
回归分析结果说明土壤有机质含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅3   长期施用生物有机肥对土壤全 N的影响
土壤全 N 含量随有机肥投入的增加而增加 。 施 15t/hm2 ·a 有机肥各处理之间差异不显著 ,含量较高 ;
施 7畅5t/hm2·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量次之 ;无有机肥处理之间差异也不显著 ,含量最低 。 但施
15 t/hm2 ·a有机肥处理 Ⅰ 、Ⅱ 与施 7畅5t/hm2 ·a有机肥各处理及无有机肥处理之间差异显著( P < 0畅05) ,施
7畅5 t/hm2·a有机肥各处理与无有机肥处理之间差异显著( P < 0畅05) ;处理 Ⅲ 与处理 Ⅳ 、Ⅵ 之间差异显著( P
< 0畅05) ,处理 Ⅲ 与处理 Ⅴ 之间差异不显著 。 虽然施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理之间及施7畅5 t/hm2·a有机肥各
处理之间差异不显著 ,但添加了 EM 菌剂的处理 Ⅰ 、Ⅱ 土壤全 N 含量高于处理 Ⅲ ,添加了 EM 菌剂的处理
Ⅳ 、Ⅴ 土壤全 N 含量高于处理 Ⅵ ,说明添加 EM 菌剂的堆肥比传统堆肥可以更多地提高土壤的全 N 含量 。
将土壤全 N 含量( y3)与有机肥施用量( x3 )进行回归分析得方程 :
y3 = 0畅000633 x3 + 0畅809     ( r = 0畅895 倡 倡 ) (3)
回归分析结果说明土壤全 N 含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅4   长期施用生物有机肥对土壤碱解氮的影响
土壤碱解氮含量随有机肥投入的增加而增加 。 施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量较高 ;
施 7畅5t/hm2·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量次之 ;无有机肥处理之间差异也不显著 ,含量最低 。 但有
机肥处理与化肥处理及对照之间差异显著 ( P < 0畅05) 。 虽然施 15t/hm2 · a 有机肥各处理之间及施
7畅5 t/hm2·a有机肥各处理之间差异不显著 ,但添加了 EM 菌剂的处理 Ⅰ 、Ⅱ 土壤碱解氮含量高于处理 Ⅲ ,添
加了 EM 菌剂的处理 Ⅳ 、Ⅴ 土壤碱解氮含量高于处理 Ⅵ ,说明添加 EM 菌剂的堆肥比传统堆肥可以更多地提
高土壤的碱解氮含量 。 将碱解氮含量( y4)与有机肥施用量( x4 )进行回归分析得方程 :
y4 = 0畅05114 x4 + 70畅530     ( r = 0畅887 倡 倡 ) (4)
回归分析结果说明土壤碱解氮含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅5   长期施用生物有机肥对土壤有效磷的影响
土壤有效磷含量随有机肥投入的增加而增加 。 施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理间差异不显著 ,含量较高 ;施
7畅5 t/hm2·a 有机肥各处理之间差异不显著 ,含量次之 ;施化肥和不施肥处理之间差异显著 ,不施肥的对照含
量最低 。 但施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理与施 7畅5 t/hm2·a有机肥各处理及无有机肥处理之间差异显著( P <
0畅05) ,处理 Ⅳ 、Ⅴ 与处理 Ⅶ 之间差异显著( P < 0畅05) ,处理 Ⅳ 、Ⅴ 与对照之间差异显著( P < 0畅05) ,处理 Ⅶ 与
对照之间差异显著( P < 0畅05) 。 虽然施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理及施 7畅5 t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异
不显著 ,但添加了 EM 菌剂的处理 Ⅰ 、Ⅱ 土壤有效磷含量高于处理 Ⅲ ,添加了 EM 菌剂的处理 Ⅳ 、Ⅴ 土壤有效
磷含量高于处理 Ⅵ ,说明添加 EM 菌剂的堆肥比传统堆肥可以更多地提高土壤的有效磷含量 。 各种施肥处
理的土壤有效磷含量都显著高于对照 。 将有效磷含量( y5)与有机肥施用量( x5 )进行回归分析得方程 :
y5 = 0畅04753 x5 + 9畅422     ( r = 0畅922 倡 倡 ) (5)
回归分析结果说明土壤有效磷含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅6   长期施用生物有机肥对土壤速效钾的影响
土壤速效钾含量随有机肥投入的增加而增加 。 施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量最高 ;
施 7畅5t/hm2·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量处于第二层次 ;无有机肥处理之间差异也不显著 ,含量最
低 。但施 15 t/hm2 · a 有机肥各处理与施 7畅5 t/hm2 · a 有机肥各处理及无有机肥处理之间差异显著
( P < 0畅05) ,施 7畅5t/hm2·a有机肥各处理与无有机肥处理之间差异显著( P < 0畅05) 。 添加 EM 菌剂的堆肥
对土壤的速效钾含量影响不明显 。 将速效钾含量( y6)和有机肥施用量( x6 )进行回归分析得方程 :
y6 = 0畅173 x6 + 93畅460     ( r = 0畅944 倡 倡 ) (6)
回归分析结果说明土壤速效钾含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅7   长期施用生物有机肥对土壤微生物生物量碳的影响
土壤微生物生物量碳随有机肥投入的增加而增加 。 施 15 t/hm2 ·a 有机肥各处理之间差异不显著 ,含量
较高 ;施 7畅5 t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异不显著 ,含量处于第二层次 ;化肥处理和对照之间差异不显著 ,
含量最低 。 施 15 t/hm2 ·a有机肥各处理与施 7畅5 t/hm2·a有机肥各处理及无有机肥处理之间差异显著( P <
50  中 国 生 态 农 业 学 报 第 15 卷
0畅05) ,施 7畅5 t/hm2·a有机肥各处理与无有机肥处理之间差异显著(P < 0畅05) 。 虽然施 15t/hm2·a有机肥各处
理之间及施 7畅5t/hm2 ·a有机肥各处理之间差异不显著 ,但添加了 EM 菌剂的处理Ⅰ、Ⅱ土壤微生物生物量碳含量
高于处理 Ⅲ ,添加了 EM 菌剂的处理 Ⅳ 、Ⅴ土壤微生物生物量碳含量高于处理 Ⅵ ,说明添加 EM 菌剂的堆肥比传
统堆肥可以提高土壤微生物生物量碳含量 。 将微生物生物量碳含量( y7)和有机肥施用量( x7)进行回归分析得
方程 :
y7 = 0畅123 x7 + 144畅108     ( r = 0畅963 倡 倡 ) (7)
回归分析结果说明土壤微生物生物量碳含量与有机肥施用量呈极显著正相关 。
2畅8   土壤微生物生物量碳与土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷和速效钾的相关性
    长期施用有机肥可以显著提高土壤微生物生物量
碳 、土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷和速效钾含量 ,相
关分析结果表明(表 2) ,土壤微生物生物量碳与土壤有
机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷和速效钾含量呈显著正相关 ;
土壤微生物生物量碳与土壤的 pH 值呈显著负相关 。
3   小结与讨论
长期施用生物有机肥土壤的肥力明显提高 ,理化性
质得到改善 。 随着有机肥用量的提高 ,土壤 pH 值降低 ,
逐渐接近中性 ;土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷 、速效
钾和微生物生物量碳含量也随着增加 。 施用化肥也可提
高土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷 ,是因为增加了植物
根茬残留 ,但作用不明显 。 施肥对土壤肥力和微生物生
物量碳的影响趋势是 :EM 堆肥 > 传统堆肥 > 化肥 > 不
           
表 2   土壤微生物生物量碳与土壤 pH 、有机
质 、全 N 、碱解氮 、有效磷和速效钾的相关性
Tab畅2   Relationships between soil microbial biomass
carbon and soil organic matter ,total N ,alkali唱hydroly唱
zable N ,available P and available K
项   目
Items
回归方程
Regression equation
相关系数
r
土壤 pH 值 y 倡 = - 0畅00227 x + 7畅738 0畅808 倡 倡 ( n = 24)
土壤有机质 y = 0畅007119 x + 0畅360 0畅908 倡 倡 ( n = 24)
土壤全 N y = 0畅004782 x + 0畅139 0畅882 倡 倡 ( n = 24)
土壤碱解氮 y = 0畅38 x + 17畅794 0畅860 倡 倡 ( n = 24)
土壤有效磷 y = 0畅359 x - 40畅77 0畅908 倡 倡 ( n = 24)
土壤速效钾 y = 1畅283 x - 84畅633 0畅916 倡 倡 ( n = 24)
    倡 y 为土壤微生物生物量碳含量 ,倡倡 极显著相关( P < 0畅01) 。
施肥对照 。 土壤的微生物生物量碳与土壤有机质 、全 N 、碱解氮 、有效磷 、速效钾含量呈显著正相关 ,可以用
来作为长期培肥过程中土壤质量变化的生物学指标[2] 。 除了速效钾之外 ,施用添加 EM 菌剂的堆肥比传统
堆肥处理的土壤养分含量略高 。 主要是因为添加 EM 菌剂能有效地促进堆肥分解 ,提高土壤肥力[5 ,6] 。 添
加 EM 菌剂的堆肥处理的土壤微生物生物量碳比传统堆肥处理略高 ,原因在于添加 EM 菌剂的堆肥比传统
堆肥处理的土壤微生物活性略高 ,微生物生物量碳有所增加[7] 。 与对照相比 ,施用化肥可提高土壤有机质
含量和微生物生物量碳 ,分别比对照高 8畅70 % 和 8畅14 % ,这是因为化肥增加了留在土壤中的根茬量 。 施用
有机肥各处理土壤全 N 和碱解氮含量都显著高于化肥和对照 ,说明施用有机肥可以显著提高土壤 N 含量 。
各种施肥处理的土壤有效磷含量都显著高于对照 ,说明长期不施肥的土壤有效磷亏缺 。 施用化肥不能提高
土壤有效钾 ,而施用有机肥可以显著提高土壤有效钾 。 曲周盐碱土壤缺 N 、缺 P 而富 K ,施用有机肥可以提
高土壤 N 、P含量 ,具有改善土壤肥力 ,改良土壤的作用 。
参   考   文   献
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