施肥是影响土壤质量演变及其可持续利用的最深远的农业措施之一，长期施用化肥可以保证相对较高的作物产量，但会产生资源利用率低、可持续性弱等对环境不利的影响，甚至导致农田生态系统功能的进一步退化。

然而，目前尚不清楚长期固定施用有机、化学肥料和有机与化学混合肥料，在土壤上的潜在风险。

2024年9月徐州农科院朱晓亚为第一作者，唐忠厚研究员为通讯作者，在Applied Soil Ecology发表了题为Long-term stationary fertilization decreased soil health in field-grown sweetpotato by increasing soil-borne diseases or allelochemicals的研究论文。

该论文研究了不同施肥条件下土壤特性的差异和相似性，确定与甘薯产量下降相关的土壤因素。该研究为改善甘薯种植田土壤生态系统功能、保持土壤健康、确保土壤可持续发展提供科学依据。

研究内容

01 | 长期固定施肥对土壤 MBC 含量和酶活性的影响

图1  不同处理下土壤微生物量碳（MBC）、过氧化氢酶（A）、脲酶（B）、转化酶（C）和碱性磷酸酶（D）活性

                                                                                    注：不同小写字母在不同处理间差异显著（P < 0.05）。

土壤微生物量和酶活性水平可以代表土壤中物质的代谢旺盛、土壤健康等重要指标。研究发现长期施用仅化肥（NPK）显著提高了土壤微生物量碳（MBC）含量和酶活性。

此外，与无肥料（CK）相比，NPK中MBC含量的增加幅度，脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性均小于仅施用有机肥（M）和化肥+有机肥（MNPK）。这与有机肥料的应用密切相关，有机肥料为土壤微生物提供足够的碳源，为土壤酶提供更多的基质，并产生更多的植物生物质返回田间。

与此同时，长期施用有机肥料会导致土壤C、N和P元素的更快循环。然而，NPK中的土壤过氧化氢酶活性高于有机肥（M和MNPK）。土壤过氧化氢酶被认为是抵抗活性氧（ROS）的主要指标之一，高浓度的ROS对土壤微生物或植物有负面影响。因此，施用NPK肥料可以在一定程度上减弱ROS对土壤的生物毒性，但同时减少土壤有机质（SOM）的代谢和N、P养分的转化、供应。

02 | 长期固定施肥对对土壤真菌的影响

图2 不同处理中物种水平的真菌群落组成

真菌在生态系统中发挥着一系列重要作用如：寄生、分解、致病性、共生性以及影响生态系统的结构和功能。

研究发现，在长期不同施肥下，土壤中的优势真菌门是子囊菌门和担子菌门，子囊菌门是一种快速生长的富营养真菌，在分解的早期阶段降解不稳定的有机物，而担子菌门是生长缓慢的寡营养真菌，主要在分解过程的后期分解顽固的有机物。长期施用有机肥料促进了富营养细菌的生长并抑制了寡养细菌。然而，长期固定施肥可能会对农业生态系统产生负面影响，特别是在病原体数量增加和土壤真菌病害恶化方面。

如研究结果所示，长期施用NPK促进了Fusarium oxysporum（尖孢镰刀菌）和Fusarium proliferatum（镰刀菌）的生长，这些真菌会导致甘薯茎腐病、根腐病或黑斑病。但长期施用有机肥（M）降低了这两种真菌的相对丰度，而增加了Humicola olivacea（腐质霉菌）的相对丰度。而Humicola olivacea属被称为植物病害生物控制的潜在拮抗剂。

03 | 长期固定施肥对土壤线虫群落的影响

表1 不同处理下土壤线虫的群落组成

                                                                                            注：Pp、Ba、Fu和Op分别代表植物寄性线虫、细菌食性线虫、真菌食性线虫和杂食性线虫。

 表2 不同处理下土壤线虫群落生态指数

土壤线虫在生态系统中具有重要地位，能够反映土壤状况和变化。不同土壤和植被类型下的土壤线虫群落存在显著差异，且受施肥管理措施影响。

研究发现与CK相比，M和NPK中以植物寄性线虫的丰度增加。然而，长期MNPK施肥则表现为降低。与CK相比，长期施肥（M、NPK和MNPK）显着增加了以细菌为食的线虫的相对丰度。一方面，施肥显著提高了EI指数，表明食物供应显着增加，从而改善了土壤养分条件。另一方面，长期施肥处理的线虫群落的NCR值均为>0.5，表明细菌在SOM分解中起关键作用，即有机输入可以提高线虫群落的NCR值。

因此，施肥有利于细菌食性线虫的生长和繁殖，并增强细菌在土壤中的分解能力。

04 | 长期固定施肥对土壤酚酸成分的影响

图3 不同处理中各种酚酸类物质的含量

酚酸通常是芳香环上具有活性羧基的有机酸。它们主要通过根系分泌、植物残渣分解等途径进入土壤，对作物生长发育有抑制作用。

与CK相比，施肥显着增加了土壤酚酸的含量，原因可能是施肥可以增强根系活力，促进根系生长，从而促进根系分泌物的增加。此外，长期施用有机肥料（M和MNPK）的土壤中丁香酸、丁香醛、香草酸、香兰素、阿魏酸和对香豆酸的含量高于长期施用化学肥料（NPK）。

05 | 酚酸、真菌和线虫群落之间的关系

图4 热图显示了酚酸、真菌种类和线虫属之间的相互关系

研究发现尖孢镰刀菌与咖啡酸之间存在显著的正相关，表明酚酸类物质在感染过程中可促进镰刀菌分泌的病原真菌毒素（主要包括镰刀菌酸），促进感染，抑制宿主防御。镰刀菌酸是各种作物枯萎病害的原因，诱导植物细胞早期去极化，改变细胞膜通透性或电位，导致跨膜电位去极化，产生活性氧，影响细胞膜完整性。

植物寄生性线虫（Amplimelinius、Geocenamus）的数量与咖啡酸含量呈显著正相关，表明酚酸在土壤中的积累对刺激或诱导土壤动物和微生物群落变化的影响大于它们对酚酸的吞噬和消化作用。植物寄生性线虫（Mesodorylaimus）和镰刀菌之间存在负相关。

因此，有机改良剂可用于通过操纵碎屑食物网的结构来控制土壤传播的植物病原体。

06 | 土壤性质对甘薯产量的影响

图5 土壤酶活性（A）、真菌（B）、线虫（C）和酚酸（D）与甘薯产量之间关系的冗余分析（RDA）

RDA分析结果表明，施肥导致甘薯产量增加的最相关因素发生变法例如：土壤微生物生物量碳（MBC）含量的增加，脲酶、转化酶和碱性磷酸酶活性的增加， Mortierella alpina（高山被孢霉）丰度的减少和细菌食性线虫（Acrobloides和Mesorhabditis）丰度的增加。

与长期施用有机肥料（M和MNPK）相比，长期施用化学肥料（NPK）的甘薯产量相对较低，主要是由于NPK土壤的MBC含量较低，脲酶、转化酶、碱性磷酸酶活性较低，以及真菌病原体和植物寄生性线虫的相对丰度较高。

07 | 总结

研究证明，长期综合施用有机肥和化学肥料比单独施用化学肥料或有机肥料能更有效地改善和维持土壤健康和作物产量。

在长期不同的肥料施用下，连作甘薯种植田的土壤生物学特性存在显著差异。长期施肥，特别是有机肥和化肥（MNPK），可以改善土壤有机质的代谢和氮磷养分的转化，减少一些有害真菌和植物寄生虫线虫的丰度，它们在一定程度上提高了甘薯产量。然而，在MNPK中仍观察到高浓度的酚酸（即丁香酸、丁香醛、香草酸、香兰素、阿魏酸和对香豆酸等）。因此，在甘薯种植田长期施用MNPK衍生的酚酸的潜在危害值得进一步关注。

原文链接：DOI: 10.1016/j.apsoil.2024.105658