摘要
为探究生物有机肥在毛乌素沙地谷子种植及沙地培肥中的应用效果，设置不施肥（CK）、100% 化肥 （T1）、20% 生物有机肥 +80% 化肥（T2）、20% 生物有机肥基质 +80% 化肥（T3）、100% 生物有机肥（T4）、 20% 有机肥 +80% 化肥（T5）共 6 个处理，对各处理下谷子农艺性状、产量及其构成因素、土壤养分及土壤微生物群落特征进行研究。结果表明，施肥处理对谷子农艺性状、产量及其构成因素均产生积极效应，其中生物有机肥与化肥配施的 T2 促生与增产效果最佳，产量为 4197 kg/hm2 ，较 CK 和纯化肥的 T1 分别增大 71% 和 32%。纯生物有机肥的 T4 增产效果不显著，但对土壤 pH、有机质和养分的改善效果最佳，T2 土壤有机质仅次于 T4，其余养分指标也略小于 T4。土壤微生物群落碳源代谢活性呈 T4>T2>T3>T1>T5>CK 的趋势，被优先利用的碳源均为氨基酸类，但生物有机肥施用促进了糖类和羧酸类的利用。生物有机肥施用也提高了土壤微生物群落多样性指数，表现为 T2 的 Shannon 指数和 Simpson 指数最大，T4 的 McIntosh 指数最大。综上所述，本研究条件下生物有机肥与化肥配施是平衡毛乌素沙地土壤培肥和谷子产量的有效方法，研究结果可为促进沙区农业可持续发展和干旱区土壤改良提供科学参考。
Abstract
To explore the effects of bio-organic fertilizer on millet［Setaria italica（L.）Beauv］cultivation and soil fertility improvement in the Mu Us sandy land，six treatments were established：no fertilization（CK），100% chemical fertilizer（T1）， 20% bio-organic fertilizer + 80% chemical fertilizer（T2），20% bio-organic fertilizer substrate + 80% chemical fertilizer（T3）， 100% bio-organic fertilizer（T4），and 20% organic fertilizer + 80% chemical fertilizer（T5）．The study focused on millet agronomic traits，yield and its components，soil nutrients，and soil microbial community characteristics．The results showed that fertilization treatments had positive effects on millet agronomic traits，yield，and its components．Among them，T2 had the best growth and yield-promoting effects，with a yield of 4197 kg/hm2 ，increasing by 71% and 32%，compared to CK and T1， respectively．The yield increase effect of T4 was not significant，but it showed the best improvement in soil pH，organic matter， and nutrient content．The soil organic matter content in T2 was second only to T4，while other nutrient indices were slightly lower than those in T4．The carbon source metabolic activity of the soil microbial community showed a trend of T4>T2> T3>T1>T5>CK， with amino acids being the preferentially utilized substrates．However，the application of bio-organic fertilizer promoted the utilization of sugars and carboxylic acids．The application of bio-organic fertilizer also enhanced the diversity of soil microbial community，as indicated by the highest Shannon and Simpson indices in T2 and the highest McIntosh index in T4．Overall，the combined application of bio-organic fertilizer and chemical fertilizer was an effective method for balancing soil fertility improvement and millet yield in the Mu Us sandy land under the conditions of this study．These results could provide scientific reference for effective crop cultivation and soil improvement in sandy areas．
Keywords
谷子在旱区粮食生产中占据重要地位，具有适应性广、抗逆性强、营养价值高等特点[1-2]，也是陕西省神木市的传统栽培作物[3]。2018 年神木市第一次在辖区内的毛乌素沙地试种谷子，成功将谷子种植线北移，拓宽了谷子可种植区域[4]。然而该区域毛乌素沙地土壤类型主要为风沙土[5]，土壤砂粒含量较高[6]，水肥存储能力差，因养分迁移过程主要受水分迁移控制，故易受季节性降水不均的影响[7]，从而淋溶引发地下水污染或蒸发导致盐分表聚现象。研究表明，有机肥添加是沙地土壤培肥的有效措施之一[8]，其通过增加土壤有机质和提升微生物活性[9]，促进团聚体形成，改善沙地土壤理化性状，提高土壤养分有效性，进而促进地上部植物生物量的积累[10]。
生物有机肥是一种富含腐熟有机质和功能微生物的有机肥料，兼具有机肥和微生物肥料的双重作用[9]。其不仅能够改善土壤肥力[11]，还能优化土壤微生物群落结构，为促进农业可持续发展提供重要支持[12-13]。特别是在沙地环境中，尝试利用生物有机肥替代化肥，培肥贫瘠的沙地土壤，同时减轻化肥带来的潜在环境问题，为农业生产提供新的可持续发展路径，具有重要的研究与实践价值。 Wang 等[14]研究表明生物有机肥配施化肥不仅可以改善砂壤土的有机质和速效养分含量，还能提高水稻产量及稻株各部位干物质总量。杨金虎[15]通过研究科尔沁沙地南缘饲草种植，发现生物有机肥与化肥配施对饲草产量、品质和土壤肥力的提升效果优于纯生物有机肥。另有研究表明，外源有机碳添加不仅可以提高土壤有机质，还能丰富微生物数量与多样性[16-17]，增强土壤微生物群落活性、碳源代谢能力[18]，而不同的有机碳源对麦田土壤微生物群落代谢活性和多样性指数的作用呈现出秸秆炭 >生物有机肥 >有机肥的趋势[19]，且土壤微生物群落碳源代谢活性及多样性指数随着生物有机肥施用量的增加而增大[20]。
目前，生物有机肥替代化肥对土壤培肥、微生物活性和作物影响的研究多集中于经济价值较高的作物，如葡萄[12]、番茄[21]等，或土壤发育较好的种植区，如河北砂壤土区[11]、山东棕壤土区[22]、吉林黑土区[23]等，对于干旱区沙地大田作物的研究鲜有报道，因此有必要开展生物有机肥施用条件下毛乌素沙地谷子种植的研究。本研究在毛乌素沙地东南缘设置不同的施肥模式，探索生物有机肥、生物有机肥基质、生物有机肥配施化肥和有机肥配施化肥对谷子生长、产量及其构成因素、土壤养分、土壤微生物群落活性、碳源代谢能力和多样性的影响，以期为沙区谷子种植及沙地可持续利用与发展提供理论依据和实践基础。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地位于毛乌素沙地东南缘，神木市毛乌素治沙造林基地范围内（38°48′12″～38°57′08″N， 109°47′13″～110°4′30″E），实测试验地 0～20 cm 土层土壤养分状况为有机质 2.84 g/kg、全氮 0.10 g/kg、全磷 0.34 g/kg、全钾 20.24 g/kg、碱解氮 15.71 mg/kg、有效磷 14.56 mg/kg、速效钾 69.75 mg/kg、pH 8.94。
1.2 供试材料
本试验所用谷子品种为‘晋谷 2 号’，采用宽窄行种植，宽行行距 50 cm，窄行行距 10 cm，种植密度约 37.5 万株 /hm2。试验用化肥包括尿素 （N 46%）、过磷酸钙（P2O5 16%）和硫酸钾（K2O 50%），均为市面上采购获得。生物有机肥（粉剂、有机质≥ 40%、有效活菌数≥ 0.2 亿个 /g）和有机肥 （粉剂、有机质≥ 30%、N+P2O5+K2O ≥ 5%）由陕西均良土壤环境技术有限责任公司生产，生物有机肥基质是生物有机肥按标准灭菌后的无菌物料[24]。
1.3 试验设计
试验共设计 6 个处理，不施肥（CK）、100% 化肥（T1）、20% 生物有机肥 +80% 化肥（T2）、 20% 生物有机肥基质 +80% 化肥（T3）、100% 生物有机肥（T4）、20% 有机肥 +80% 化肥（T5），各处理的施肥类型与施肥量见表1。试验采用随机区组设计，每个处理设置 3 个重复，共 18 个小区，每个小区面积 20 m2 （4 m×5 m），小区间设置 30 cm 宽的观察道，四周设置 1 m 宽的保护行。所有肥料作为基肥一次性施入，施肥后深翻 30 cm，整平后播种，播种时间为 2020 年 5 月 20 日，收获时间为 2020 年 10 月 15 日。其他种植配置及管理技术参考当地水平。
表1试验处理组施肥种类与施肥量
1.4 测定指标及方法
1.4.1 谷子农艺性状与产量测定
为了去除边际效应，于收获期在每小区距离边界 0.5 m 的中心区域随机采集 5 株谷子样本，室内测定其农艺形状，包括株高、茎粗、叶片数、顶端第一个完全展开叶的叶片长度与宽度、穗长、穗重、穗粒重和千粒重。产量方面，以小区为单位收割所有谷穗，风干去皮后称重得到小区产量，再按公顷面积折算产值。
1.4.2 土壤样品采集与测定
土壤样品采集：谷子收获后，用“梅花采样法”于每个小区选 5 个点，用土钻（直径 38 mm） 采集 0～20 cm 土层土壤，将其混合均匀视为 1 个土壤样品。每个土壤样品用“四分法”分为 2 份，一份土样保存于 4℃冰箱中，用于测定土壤微生物群落特征；另一份经风干后，过 0.15 mm 筛，用于测定土壤养分指标。
土壤养分测定方法：用 pH 计测定土壤 pH；用重铬酸钾容量外加热法测定土壤有机质；用凯氏定氮法测定全氮；用碱解扩散法测定碱解氮；用浓硫酸-高氯酸消解，钼锑抗比色法测定全磷（波长 700 nm）；用碳酸氢钠浸提，钼锑抗分光光度法测定有效磷；用氢氧化钠熔融，火焰光度法测定全钾； 用醋酸铵浸提，火焰光度法测定速效钾。土壤养分指标测定方法与步骤参考《土壤农化分析》[25]。
土壤微生物群落特征的测定方法：用 Biolog ECO 微平板法测定土壤微生物群落的碳源利用能力及功能多样性[26]，Biolog ECO 微平板（Marix Technologies Corporation 生产）上有 96 个孔，分 3 组，即 3 次重复，每组 32 个孔，1 个孔为对照孔，其余 31 个孔有单一碳源，碳源分为 6 大类，其中糖类 10 种、氨基酸类 6 种、羧酸类 7 种、胺类 2 种、酚酸类 2 种、聚合物类 4 种[27]，碳源在微平板上的分布与分类见表2。
表2Biolog ECO 微平板的碳源分布及其分类
Biolog ECO 微平板接种和培养土壤微生物的具体步骤：称取相当于 5.0 g 风干土的鲜土样，置于装有 45 mL 无菌生理盐水的三角瓶中，摇床（转速 180 r/min）振荡 30 min。之后在超净工作台内，将得到的土壤悬浮液静置片刻后取上清液，采用 10 倍稀释法，用无菌生理盐水将其稀释至浓度为 10-3 的悬浮液。接种悬浮液于 Biolog ECO 微平板中，每孔 150 μL。将接种的 ECO 板装入聚乙烯盒中置于 28℃下暗箱中连续培养 240 h，期间每隔 24 h 用 ELISA 反应微平板读数器测定各反应孔 590 nm 波长的吸光值，由此计算反映土壤微生物群落特征的指标（见 1.5）。
1.5 数据处理
基于 Biolog ECO 微平板法测定的吸光值，依据公式计算平均颜色变化率（AWCD）、土壤微生物群落多样性指数和 6 类碳源利用能力。
1.5.1 平均颜色变化率
AWCD 表征土壤微生物对碳源的利用能力，反映土壤微生物群落代谢活性[21]。
(1)
(2)
Ni 是第 i 个孔的相对吸光值，若 Ni <0，则将其记为 0（即 Ni ≥ 0）；Ci 为各反应孔的吸光值；R 为对照孔的吸光值。此外，对比各类碳源的平均相对吸光值以反映土壤微生物群落的碳源利用情况。
1.5.2 群落多样性指数
Shannon 丰富度指数、Simpson 优势度指数和 McIntosh 均一度指数，常被用于评价土壤微生物功能多样性[28]。本研究用 Biolog ECO 微平板培养 168 h 的吸光值进行土壤微生物群落多样性指数计算。计算公式：
(3)
(4)
H 为微生物群落 Shannon 指数，Pi 表示第 i 个孔的相对吸光值与 31 个孔的相对吸光值总和的比值；Ni 是第 i 个孔的相对吸光值（Ni ≥ 0）；N 为 31 个孔的相对吸光值总和。
(5)
D 为微生物群落 Simpson 指数的倒数，Simpson 指数通常用 1/D 值表示，Ni 是第 i 个孔的相对吸光值（Ni ≥ 0）；N 为 31 个孔的相对吸光值总和。
(6)
U 为微生物群落 McIntosh 指数；Ni 是第 i 孔的相对吸光值（Ni ≥ 0）。
1.5.3 碳源利用能力
基于 Biolog ECO 微平板培养 168 h 的吸光值计算 Ni，即第 i 个孔的相对吸光值，后按照表2中碳源分类计算各类碳源相对吸光值的平均值，记为土壤微生物群落的碳源利用能力。
数据采用 Excel 2016 计算与处理，采用 SPSS 26.0 进行单因素方差分析和 LSD 法多重比较、Pearson 相关性分析和主成分分析，并用 Origin 9.0 作图。
2 结果与分析
2.1 施肥处理对谷子的影响
2.1.1 谷子农艺性状
收获期谷子农艺性状分析表明（图1），谷子株高、茎粗均表现为 T2 最大，分别为 90.91、 0.78 cm，分别比 CK 增加 8.29%、30.00%，分别比 T1 增加 6.12%、8.33%。各处理叶片数差异不显著，叶长呈现 T2>T3>T1>T5>T4>CK，叶宽呈现 T2>T3>T5>T1>T4>CK。总体上，生物有机肥配施化肥对株高、茎粗及叶片生长产生积极效应，有效促进谷子的营养生长。
图1收获期谷子农艺性状指标
注：各指标值不同处理的字母若不同，表示其在处理间具有显著差异（P<0.05）。下同。
2.1.2 谷子产量及其构成因素
施肥处理对谷子产量及其构成因素的影响见表3。各处理谷子穗长、穗重、穗粒重差异均不显著，其中 T2 单株穗长、穗重、穗粒重均最大，分别较 CK 增加 9.68%、44.16%、35.74%。千粒重表现为 T2 最大，为 2.28 g，显著大于 T1，与其余处理差异不显著。谷子产量呈 T2>T5>T3>T1>T4>CK 的趋势，其中 T2 产量为 4197 kg/hm2，较 CK 和 T1 分别增产 70.71% 和 32.43%，且显著大于 CK 和 T4。 T5 产量为 3902 kg/hm2，仅次于 T2，表明有机肥也可起到增产的效果，但效果不如施用等量生物有机肥。相关性分析表明（表4），谷子产量与各生长指标均呈正相关，其中与株高、茎粗、叶长、叶宽呈显著正相关，即谷子农艺性状越好产量越高。
表3施肥处理对谷子产量构成因素的影响
注：数据后小写字母不同表示处理间的差异显著（P<0.05）。表5、6 同。
表4谷子产量与生长指标的相关性分析
注：r 为 Pearson 相关性系数；* 表示在 0.05 级别（双尾）呈显著相关；** 表示在 0.01 级别（双尾）呈显著相关。
2.2 施肥处理对土壤养分的影响
施肥处理对土壤养分的影响见表5。试验区土壤偏碱性，CK、T1 的土壤 pH 分别为 8.50、8.46， T2～T5 土壤 pH 均降低，其中 T4 最小，为 8.23。 T4 土壤有机质含量最大，为 5.72 g/kg，分别较 CK 和 T1 提高 111.85% 和 85.11%，T2 土壤有机质含量仅次于 T4，分别较 CK 和 T1 提高 60.00% 和 39.81%。全氮含量呈 T4>T2>T5>CK>T3>T1 的趋势，其中 T4 显著大于 T1 和 T3。土壤全磷含量表现为 T2 最大，较 CK 提高 30.30%。各处理间土壤全钾含量无显著差异。T4 土壤碱解氮、有效磷、速效钾均最大，分别为 23.21、20.10、95.00 mg/kg，分别较 CK 提高 39.40%、220.57%、66.67%，较 T1 提高 26.69%、26.97% 和 24.18%。综合而言，施用纯生物有机肥对土壤养分的改善效果最佳，生物有机肥与化肥配施的效果次之。
表5施肥处理对土壤养分的影响
2.3 施肥处理对土壤微生物群落特征的影响
2.3.1 平均颜色变化率
AWCD 越大，表明土壤微生物活性越高[28]。不同施肥处理土壤微生物群落 AWCD 的变化见图2。 0～24 h 各处理 AWCD 都很小，之后随培养时间增加而增大，其中 T4 和 T2 土壤微生物群落的 AWCD 增长斜率较大，表明该处理下土壤微生物活性增强较快，T3 次之，T1 最小，且各处理于 168 h 时变化趋势放缓，因此后续土壤微生物群落碳源代谢及功能多样性分析使用 168 h 的吸光值数据。显著性分析表明，培养 48 h 后 T2 和 T4 处理的 AWCD 显著大于其余处理，说明生物有机肥的施用及施用量对土壤微生物活性有重要影响。
图2土壤微生物群落培养过程中平均颜色变化率变化
2.3.2 多样性指数
施肥处理对土壤微生物群落多样性指数的影响见表6。T2 丰富度指数最大，T3 和 T4 次之，均显著大于 T1。同样，T2 优势度指数最大，为 38.34，显著大于 T1。T4 的均一度指数最大，为 11.60，T2 次之。综上所述，T2 和 T4 土壤微生物多样性更高，表明施用生物有机肥能有效提高土壤微生物群落功能多样性。
表6不同施肥处理土壤微生物群落多样性指数差异
2.3.3 碳源利用能力
土壤微生物群落的碳源利用能力分析结果见图3。各处理土壤微生物对 6 类碳源的总利用能力呈 T4>T2>T3>T1>T5>CK 的趋势，分别为 9.14、 8.56、8.15、7.32、7.10 和 7.09，说明生物有机肥能有效提高土壤微生物群落对碳源的综合利用能力，且生物有机肥的施用量越大其效果越好。不同施肥处理的土壤微生物群落对各类碳源的利用能力均表现为氨基酸类最高，酚酸类最低，同时 T2、T3 和 T4 表现出较高的糖类利用能力。土壤微生物群落对羧酸类的利用程度呈 T4>T2>T3>T5>CK>T1 的趋势，T4 与 T2 显著高于其余处理。综合而言，施肥处理对土壤微生物群落碳源优先利用种类的影响有限，但施用生物有机肥促进土壤微生物群落对糖类和羧酸类的利用，反映出对土壤微生物群落代谢途径的影响。
2.3.4 代谢功能主成分分析
土壤微生物群落代谢功能主成分分析表明，特征值大于 1 的成分有 8 个，累积方差贡献率为 87.22%，其中 PC1 和 PC2 的累积方差贡献率为 41.37%，PCA 分析结果见图4。施肥处理间存在明显的分布差异，其中 CK、T1 和 T5 位于第三象限且分布较为集中，T3 和 T4 与它们的分异主要体现在 PC1 轴，T2 位于第一象限。方差分析表明，T4 和 T2 分别在 PC1 和 PC2 水平与其余处理形成显著差异，说明 PC1 和 PC2 能有效表征出施肥处理对土壤微生物群落碳源代谢功能的差异，且生物有机肥的施用改变了微生物群落对不同种类碳源的代谢。31 种碳源对 PC1 和 PC2 主成分的因子载荷图见图5，对 PC1 的贡献率大的碳源有 13 种（图5PC1 轴圈内碳源的特征向量系数 >0.5），其中糖类 8 种，羧酸类 3 种，氨基酸类和聚合物类各 1 种，对 PC2 的贡献率大的有 6 种（图5PC2 轴圈内碳源的特征向量系数 >0.5），其中氨基酸 2 种，糖类、羧酸类、酚酸类和聚合物类各 1 种。说明施肥处理对土壤微生物群落代谢起分异作用的主要为糖类、羧酸类和氨基酸类。
图3土壤微生物群落的碳源利用能力
注：大写字母不同表示同一处理碳源间存在显著差异（P<0.05）；小写字母不同表示同一碳源处理间存在显著差异（P<0.05）。
图4不同施肥处理土壤微生物群落代谢功能主成分分析
2.4 谷子产量与土壤养分、微生物群落多样性的相关性
谷子农艺性状、产量构成因素与产量的变化趋势一致（表4），因此选择产量指标与土壤因子进行相关性分析，结果见表7。谷子产量与除 pH、全钾外的其余指标均呈正相关，而土壤 pH 与土壤全钾呈正相关，与其余指标均呈负相关，即土壤碱性越高，土壤养分（全钾除外）越低，微生物活性也越低。土壤有机质除与全氮、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾呈显著正相关外，还与微生物 AWCD 和均一度指标呈显著正相关。表明土壤有机质可以通过影响土壤养分和微生物群落特征，进而影响谷子的产量。
图531 种碳源对 PC1 和 PC2 贡献的特征向量系数
注：A2～H4 各孔号及其对应的碳源与表2 一致。
表7谷子产量与土壤养分、微生物群落多样性的相关性分析
注：* 表示在 0.05 级别（双尾）呈显著相关；** 表示在 0.01 级别（双尾）呈显著相关。AWCD 为平均颜色变化率。
3 讨论
3.1 施肥处理对谷子的影响
作物营养生长是生殖生长的基础，本研究中生物有机肥与化肥配施对谷子农艺性状和产量及产量构成因素的促进效果最佳（图1，表3），这与张彪[29]研究发现一致，可能因其综合了无机肥的速效性与生物有机肥的长效性，且微生物具有活化土壤难溶化合物的能力，从而改善了土壤的肥力水平，提高了作物的肥料利用率[12]。侯栋等[30]研究表明微生物菌肥 60% 替代化肥对花椰菜产量产生负效应，杜彩艳等[31]研究表明纯生物有机肥对当归产量及其构成因素的施肥效应显著低于 50% 生物有机肥与化肥配施。本研究纯生物有机肥施用下谷子的农艺性状与产量低于 20% 生物有机肥与 80% 化肥配施，这可能是因为生物有机肥属于长效肥，养分释放缓慢，高比例长效肥施用无法满足谷子拔节期较高的养分需求[32]，进而影响了产量。另外，O’Callaghan 等[33]的研究指出微生物制剂的田间性能受土壤性质限制，鉴于本研究区土壤肥力基础差、微生物数量与活性低，可能导致生物有机肥中微生物的功能发挥受限，有机物质分解转化速率低，肥效发挥速度减慢，从而限制施用纯生物有机肥对谷子的增产效果。
3.2 施肥处理对土壤养分的影响
土壤有机质、全氮、全磷和全钾是土壤养分的基础，反映土壤长期肥力水平，而土壤碱解氮、有效磷和速效钾是植物可以直接利用的速效养分，反映土壤的养分供给能力[34]。本研究中，生物有机肥与化肥配施（T2）、施用纯生物有机肥（T4）均能不同程度地提高土壤有机质、全氮、全磷和速效养分含量（表5），这与前人研究结果一致[31-35]。此外，施用纯生物有机肥的土壤增质效果更好，这一方面受该处理谷子产量较低（表3，3.1）、整个生育期土壤养分消耗少的影响；另一方面可能是外源有机质的大量投入提高了土壤有机质含量和养分存贮能力，氮素更易以有机态氮的形式存在，铵态氮挥发和硝酸盐淋溶等损失减少[36]，同时平衡了无机磷、钾的固定与溶解[37]。但生物有机肥和有机肥的施用（T2～T5）处理，土壤全钾含量降低，这与大多数研究结果相悖，如姚海等[38]研究表明土壤全钾储量与堆肥施肥量呈正比，Zhou 等[39]研究表明有机无机配施没有显著增加土壤全钾含量。可能是受研究区域土壤类型与施肥种类的影响，本研究区沙地土壤全钾本底含量相对较高，此外，受微生物代谢产生有机酸的影响，生物有机肥和有机肥的施用调节了沙地土壤的酸碱性[40]，pH 的降低促进了土壤矿物钾溶解与释放[41]，也表明土壤中的钾不是本区域的限制因素。
3.3 施肥处理对土壤微生物群落特征的影响
土壤微生物数量庞大、生命活动频繁，参与有机物质的分解和转化、氮素的矿化与分解、磷钾的溶解与转化，在土壤养分循环及能量流动过程中发挥重要作用，关乎农业生态系统的可持续发展[42]。本研究生物有机肥与化肥配施（T2）对土壤微生物代谢的影响稍弱于纯生物有机肥（T4），但优于等量有机肥（T5），因为生物有机肥富含有机质，为土壤微生物群落的生长和繁殖提供碳、氮等必要养分。此外，丰富的有益功能微生物，可以增加土壤微生物群落 Shannon 指数、Simpson 指数和 McIntosh 指数，并与土著微生物互作，刺激土壤微生物生命活动，提高微生物群落代谢活性[9，20]。灭菌后的生物有机肥基质不含活性微生物，但其丰富的有机物质及微生物代谢产物，对土壤微生物群落产生促发效应[43]。化肥降低土壤结构与孔性，降低土壤微生物多样性，进而对土壤微生物代谢活性产生抑制作用[44]。刘莲莲等[19] 研究表明施肥处理改变了土壤微生物的碳源利用类型，生物有机肥对糖类和羧酸类碳源的利用能力最强，但可能受研究年限限制[45]，本研究施肥处理引起土壤微生物群落碳源利用程度的分异，但主要利用种类未发生剧烈变化，均为氨基酸类（图3）。因此，施肥处理对沙地土壤微生物群落碳源代谢模式的影响需要进一步的长期定位试验研究。
3.4 谷子产量与土壤因子的关系
土壤是植物生长所需养分的主要供给源，因此土壤肥力在一定程度上决定作物产量。本研究谷子产量与土壤养分指标呈正相关（pH、全钾除外），这可能与研究区域土壤呈碱性有关，施肥降低土壤碱性，土壤钾溶解与释放增加。此外，多数研究用速效钾反映土壤钾水平[12，31，46]，因此也有必要开展进一步的研究以明确产量与沙地土壤全钾的关系及其作用机理。可能受谷子生长期中期养分供给不足的影响[32]，纯生物有机肥处理土壤养分于收获期最佳，但产量并非最高，这也限制了谷子产量与土壤养分因子间的相关性。土壤微生物通过其生命活动参与土壤营养物质的吸收转化[47]，一方面通过分解有机物质形成腐殖酸并释放养分，另一方面固持营养元素，形成微生物生物量，作为土壤有效养分的储备库。微生物通过影响土壤养分有效性而影响作物产量，因此微生物活性、多样性对谷子产量的影响小于土壤养分，阮丽霞等[48]研究也表明土壤养分对木薯产量的影响大于土壤微生物多样性，同时土壤养分因子与土壤微生物多样性呈极显著相关，也有研究表明土壤微生物活性与多样性受土壤营养状况、pH、质地、温度、水分、植被覆盖、季节变化等条件的影响[49]，其中土壤有机质提供各种微生物所必需的能量、底物，对微生物至关重要。李鑫等[50]在碱性环境条件下的研究表明，土壤 pH 与 AWCD 呈显著负相关，而与多样性指数相关性不显著。因碱性土壤 pH 降低有利于提高土壤营养元素的可利用性，为微生物生长提供适合的环境条件，提高微生物活性。而本研究 pH 与 AWCD 和多样性指数的相关性不显著，可能是受土壤质地和研究年限的限制。
生物有机肥、有机肥等有机（类）肥料输入通过提高土壤养分有效性增加产量[51]，同时对土壤微生物活性产生“余遗效应”[52]，进而持续影响作物生产力。本研究 20% 生物有机肥 +80% 化肥处理综合效果最佳，提高土壤养分含量与供给能力，促进谷子植株生长与产量增加，促发土壤微生物群落活性与碳源代谢能力，丰富土壤微生物群落多样性，从而实现土壤培肥与作物增产的良性循环，可为沙区农业种植提供参考。但本研究试验年限较短，且仅研究了谷子收获期土壤因子、产量及其相关性，具有一定程度的局限性，因此可以开展长期的监测试验，研究生物有机肥施用对土壤养分、微生物活性与作物生长的动态影响。此外，本研究生物有机肥施用仅设置 2 个梯度，施肥量跨度较大，后续可以缩小配比梯度，探索适于沙地谷子的最优施肥配方。
4 结论
毛乌素沙地独特的环境条件要求农业发展在提升作物产量的同时兼顾土壤培肥，以遏制化肥不合理施用带来的潜在环境风险和土壤退化问题。本研究发现，20% 生物有机肥与 80% 化肥配施可有效提高谷子农艺性状、产量及其构成因素，同时降低土壤碱性，提升土壤有机质含量，平衡土壤养分潜力与有效性，并增强土壤微生物活性、碳源利用能力和多样性，实现土壤培肥，进而持续影响作物生产力。研究结果可为沙地农业的可持续发展提供理论参考和科学依据。