摘要
玉米是我国重要的粮食作物之一，我国北方农牧交错带地区生态系统较为脆弱，化肥的大量施用不利于玉米种植的可持续发展。在河北省承德市围场满族蒙古族自治县进行了田间小区试验，设置不施肥空白、常规施化肥对照、有机肥替代化肥（等量的氮替代 20%、40% 和 60%）和增施有机肥（15、30 和 45 t/hm2 ）共 8 个处理，探索了短期的不同比例有机肥替代化肥和增施有机肥处理对玉米产量、玉米植株和籽粒性状、土壤理化性质以及土壤原核生物和真菌群落的影响。结果发现，各有机肥替代处理和增施有机肥处理的产量与常规施化肥处理间没有显著差异，但是较高的有机替代比例有降低产量的趋势。有机替代 20% 处理的平均产量最高，但其土壤总磷含量显著低于常规施化肥。多数有机替代和增施有机肥的处理相比常规施化肥均有提高籽粒氮、磷、钾、粗蛋白和淀粉含量的效果。玉米秸秆性质在各处理间变化不大。增施有机肥相比其他处理显著提升了土壤总氮和速效钾的含量。有机肥的各处理均显著提升了土壤原核生物和真菌的属丰度，如 Micromonospora 和 Chaetomium。另外，施用有机肥也显著提高了与有机质降解和氮循环相关的微生物类群丰度。土壤理化性质中总氮的含量与多个属的丰度具有较强且显著的正相关性。整体看来，有机肥的施用在短期内主要提升了土壤的养分利用率并改变了重要微生物的丰度，20% 的替代比例为该试验地区有机替代的最优比例。在这个替代比例下，产量相比常规施肥没有出现降低的趋势，土壤和籽粒的养分指标也出现了显著提高。
Abstract
Maize is one of the important grain crops in our country. The ecological environment in the northern pastoralagricultural transitional zone of our country is relatively fragile，and the extensive use of chemical fertilizers is not conducive to the sustainable development of maize cultivation. A field experiment was conducted in Weichang Manchu and Mongolian Autonomous County，Hebei Province. Eight treatments were set up，including no fertilization control，conventional chemical fertilizer application control，organic fertilizer substitution for chemical fertilizers（with nitrogen substitution rates of 20%，40% and 60%）treatments，and additional organic fertilizer application（15，30 and 45 t/hm2 ）treatments. The impact of short-term different ratios of organic fertilizer substitution for chemical fertilizers and additional organic fertilizer application on maize yield，maize plant and grain traits，soil physical and chemical properties，and soil prokaryotic and fungal communities were explored. The results showed no significant difference in yield between the organic substitution treatments and the conventional chemical fertilizer treatment，but there was a trend of decreasing yield with higher organic substitution ratios. The 20% organic substitution treatment had the highest average yield，but its soil total phosphorus content was significantly lower than that of the conventional chemical fertilizer treatment. Most of the organic substitution and additional organic fertilizer treatments had an effect on increasing grain nitrogen，phosphorus，potassium，crude protein and starch content，compared to the conventional chemical fertilizer treatment. The properties of maize straw did not change significantly among treatments. Additional organic fertilizer application significantly increased the content of soil total nitrogen and available potassium，compared to other treatments. The various treatments with organic fertilizer significantly increased the abundance of some soil prokaryotic and fungal genera，such as Micromonospora and Chaetomium. Additionally，the application of organic fertilizer also significantly increased the abundance of some taxa related to organic matter degradation and nitrogen cycling. In the soil physical and chemical properties，the content of total nitrogen showed a strong and significant positive correlation with the abundance of several genera. Overall，the combined application of organic fertilizer mainly increased the utilization rate of soil nutrients and changed the abundance of some important microorganisms in the short term， and a 20% substitution ratio was the optimal organic substitution ratio for this experimental area. At this substitution ratio，the yield did not show a decreasing trend compared to conventional fertilization，and some nutrient indicators of soil and grains also showed significant improvements.
Keywords
目前我国的耕地面积占全世界的 7% 左右，但是化肥施用量却占全世界化肥施用总量的大约三分之一[1]。玉米是我国重要的粮食作物之一，在 2022 年，其耕作面积占我国总耕作面积的比例超过了三分之一。我国玉米单位面积化肥施用量超过标准用量 28% 以上的省份有 9 个，多数都是北方省份[2]。玉米种植中长期使用化肥的习惯会对土壤质量产生较大的负面影响，包括土壤板结、pH 下降和有机质含量降低等，进而在长期的种植过程中影响玉米的产量和品质。使用有机肥来替代化肥是一种能够改善土壤质量下降的方法，并且其能够提高肥料中养分的利用率和土壤有机质的含量。陈梦茹等[3]发现，有机肥等量替代化肥中氮的比例区间为 17%～29% 时，可使春玉米干物质累积量、产量、水分利用效率和氮肥偏生产力达到最优效果。另一项山东德州地区的研究发现，玉米生产中有机肥替代氮肥比例为 60% 时，净收益最大[4]。陈凤林等[5]研究了在等量养分投入下，不同类型的有机肥（生物炭和精致有机肥）替代化肥以及不同替代比例对玉米产量、养分吸收及氮素利用效率的影响，发现不同类型有机肥最佳的替代比例具有一定差别。杨凯等[6]的研究也发现，不同的有机物料（羊粪、木薯渣、木本泥炭、味精废浆料）与化肥配比对玉米的产量、养分吸收和土壤性质的影响不同。总的看来，不同的有机肥应用研究所关注的侧重点有所差别，有机肥替代化肥的最优比例与有机肥类型、种植习惯和土壤气候特点等诸多因素有关。我国北方农牧交错带地区气候相对干旱，生态系统较为脆弱，长期施用化肥相比其他地区更容易引起土壤质量退化等问题。利用当地更容易获取的畜禽粪污生产的有机肥来部分替代化肥具有潜在的环保意义和经济价值。目前在这些地区，等量氮替代条件下使用有机肥替代化肥以及增施有机肥对玉米产量、品质和土壤理化性质等的影响还不清楚。
目前大量的研究倾向于探索长期的有机肥替代化肥处理的试验效果[2，7]。比如一项长达 35 年之久的水稻试验发现，长期的有机肥替代化肥的处理能够更加显著地影响土壤性质和微生物群落[7]。短期的试验则有助于揭示有机肥施用对土壤理化性质和微生物群落的影响过程[8]。特别是长期的试验会对土壤理化性质产生较大的变化，进而间接地影响土壤微生物群落结构，而短期的试验则可用来探究有机肥的添加对土壤微生物有更加直接的影响。比如研究发现，短期进行有机氮肥替代化肥处理对土壤微生物群落的影响可能要小于无机氮肥[8]，这可能跟有机质的降解过程较慢有关。目前很少有研究全面探究有机肥和化肥的不同配比（包括替代和增施的各种梯度）对玉米种植土壤原核生物和真菌群落多样性，以及各类群丰度的影响，而这对于理解有机肥的应用对土壤微生物的影响过程，以及综合性的评估有机肥对土壤质量的影响来讲至关重要。
综合来看，全面地探究在北方农牧交错带地区进行有机肥替代化肥以及增施有机肥的处理对玉米产量、玉米植株和籽粒指标，土壤理化性质和微生物群落的影响具有重要的价值。本研究于 2022 年在河北省承德市围场满族蒙古族自治县开展了玉米田间小区试验。通过设置多个有机肥替代化肥以及增施有机肥不同比例的处理来研究短期的有机肥施用对土壤养分和微生物群落的影响，进而揭示有机肥的施用对玉米生产的影响机制，同时也为在农牧交错带地区进行长期的定位试验提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本研究试验地点位于河北省承德市围场满族蒙古族自治县四道沟乡（41°42′21.60″N， 117°52′6.96″E）。该地区位于我国北方农牧交错带地区，地处大兴安岭余脉、内蒙古高原和燕山余脉交汇处，属大陆性季风型、高原-山地气候，年平均温度为 5.3℃，年降水量区间为 300～560 mm。试验地土壤类型为棕壤。
1.2 试验材料
试验地种植的玉米品种为瑞普 908。复合肥使用氯化钾型复合肥（N-P2O5-K2O 百分比含量为 22-10-10）。尿素（N 46%）； 磷酸二铵（N 18%， P2O5 46%）；氯化钾（K2O 55%）。有机肥为畜禽粪污充分堆肥发酵腐熟制成，由承德益收农业科技有限公司提供。有机肥的养分含量分别为总氮（N）： 1.17%；总磷（P2O5）：0.95%；总钾（K2O）：1.39%。
1.3 试验设计
本研究共设置 8 个试验处理：空白组 （Blank）、常规施化肥对照（CK）、有机肥替代化肥 20% 的氮（Sub20）、有机肥替代化肥 40% 的氮 （Sub40）、有机肥替代化肥 60% 的氮（Sub60）、增施有机肥 15 t/hm2 （Add15）、增施有机肥 30 t/hm2 （Add30）及增施有机肥 45 t/hm2 （Add45）。玉米的常规施化肥处理（CK）的施肥量为每公顷施用 750 kg 的复合肥。有机肥替代处理是在保证施用肥料总氮含量不变的情况下，按一定比例减少化肥的施用，并按照对应的氮替代量施用有机肥。为保证有机替代处理中磷、钾施用含量与常规施化肥一致，有机替代的 3 个处理中化肥选择尿素、磷酸二铵和氯化钾进行搭配。增施有机肥处理则是在常规施化肥的基础上增加有机肥的施用，空白组不施用任何肥料。小区采用随机区组设计，每个处理 4 个重复，每个处理的小区长 8 m，宽 3 m，面积为 24 m2。所有处理的施肥均为底肥，全部在播种前完成。施肥方式为撒施，施肥后翻耕。2022 年 4 月 20 日进行施肥和播种。种植密度为每公顷 6 万株；行距为 50 cm。玉米整个生长季进行人工浇水一次，不进行追肥。
1.4 样品采集
2022 年 9 月 24 日进行收获。使用五点取样法用土钻随机采集各个试验小区表层 0～20 cm 土层土壤，装于自封袋中，用于土壤理化测定。使用 50 mL 无菌离心管装取部分土壤样品，带回实验室置于-20℃冰箱保存，用于土壤 DNA 提取。玉米植株采集靠近小区中间区域的连续 5 株分别进行各性状的测定，然后计算均值。其中籽粒相关数据待鲜穗风干后进行各指标的测定。基于各小区的田间产量测定结果、籽粒含水量以及小区面积进行换算，得到理论上的每公顷产量。
1.5 土壤理化性质测定
土壤 pH 使用 pH 计测定，电导率（EC）使用电导率仪测定，使用水土比 5∶1 制作混悬液。土壤含水量使用烘干法测定。土壤铵态氮使用靛酚蓝比色法测定。硝态氮使用酚二磺酸比色法测定。土壤有效磷使用 NaHCO3 浸提-钼锑抗分光光度法测定。土壤速效钾使用 NH4OAc 浸提-火焰光度法测定。土壤全氮使用半微量凯氏定氮法测定。土壤全磷使用 HClO4-H2SO4 消煮-钼蓝比色法测定。土壤有机质（SOM）使用重铬酸钾容量法-外加热法测定。以上土壤指标的测定方法见文献[9]。籽粒及秸秆全氮用 H2SO4-H2O2 消煮-半微量凯氏定氮法测定；全磷使用 H2SO4-H2O2 消煮-钼锑抗比色法测定；全钾用 H2SO4-H2O2 消煮-火焰光度法测定。籽粒容重通过一定体积的装置称重法进行测定。籽粒蛋白质含量通过半微量凯氏定氮法测定；淀粉含量通过蒽酮-硫酸比色法测定。以上指标的具体测定方法见文献[10-11]。
1.6 分子生物学实验
使用土壤 DNA 提取试剂盒（DNeasy PowerSoil Pro Kits，QIAGEN）提取样品 DNA。原核生物 PCR 引物为 515F（5′-GTGYCAGCMGCCGCGGTAA-3′） 和 909R（5′-CCCCGYCAATTCMTTTRAGT-3′），扩增 16S rRNA 基因的 V4～V5 区域。真菌的引物为 gITS7（5′-GTAARTCATCGARTCTTTG-3′） 和 ITS4 （5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′），用于扩增 ITS 片段的部分区域。正向引物的 5′ 端处插入一段 12 bp 长的 barcode 用于区分样品。PCR 扩增体系为 25 μL，其中包括 12.5 μL 1×MasterMix（Tsingke，中国）、1.0 μmol/L 反向引物、1.0 μmol/L 含 barcode 的正向引物、无菌超纯水 9.5 μL 和 1 μL 模板 DNA。16S rDNA 的 PCR 扩增程序为 94℃预变性 3 min，29 个循环（94℃变性 40 s，55℃退火 1 min， 72℃延伸 1 min），最后 72℃延伸 10 min。ITS 的 PCR 扩增程序为 95℃预变性 5 min，34 个循环 （94℃变性 45 s，55℃退火 45 s，72℃延伸 45 s），最后 72℃延伸 8 min。每个样品的 PCR 做两个重复，然后将产物混合在一起进行凝胶电泳。使用胶回收试剂盒（UE DNA Gel Extraction Kits，UElandy，中国）进行纯化。将纯化后的样品进行等摩尔质量混合和建库，使用 NovaSeq 6000 测序仪（Illumina， San Diego，CA，USA）进行 2×250 bp 模式的测序。
1.7 生物信息分析
扩增子测序的序列首先根据样本的 barcode 进行区分。使用 FLASH 软件将每个样本的双向序列拼接为完整的单向序列[12]。使用 QIIME2 软件平台进行后续的生物信息学分析[13]。其中采用 DADA2 软件获得 ASVs（amplified sequence variants）[14]。分别使用 SILVA 数据库（release_138）[15]和 UNITE 数据库[16]进行 16S rDNA 和 ITS 片段的分类学注释。
1.8 统计分析
所有的统计分析和可视化均使用 R 语言（版本 4.4.0）完成，其中统计分析基于 microeco 包（版本 1.9.0）[17]来完成。土壤和植物的各指标首先进行组间方差齐性检验，具有方差齐性的指标使用单因素方差分析（post hoc 检验使用 Duncan 多重范围比较），不具有使用非参数的 Kruskal-Wallis 检验（post hoc 检验使用 Dunn's 多重比较），这些分析使用 microeco 包中的 trans_env 类中的 cal_diff 函数来完成。微生物测序数据为了获得一致的测序深度，使用 microtable 类中的 rarefy_samples 函数分别对 16S rDNA 和 ITS 数据进行数据抽平。Alpha 多样性指标的计算基于 microtable 类中的 cal_alphadiv 函数。Bray-Curtis 距离矩阵使用 microtable 类中的 cal_betadiv 函数计算。PerMANOVA（Permutational Multivariate Analysis of Variance）分析使用 trans_beta 类中的 cal_manova 函数完成。使用 trans_func 类中的 cal_spe_func 函数基于 FAPROTAX 数据库[18]对原核生物的性状进行预测；基于 FungalTraits 数据库[19]对真菌的性状进行预测。然后使用 cal_spe_ func_perc 函数来获取这些功能群体的相对丰度。使用 trans_diff 类中的广义线性混合效应模型（基于 beta 分布函数）来拟合属的相对丰度以及预测的微生物功能群体的相对丰度，将每一个区组作为随机效应的单元进行分析。微生物类群与土壤理化性质的相关性分析使用 trans_env 类中的 cal_cor 函数来完成（P 值校正使用其中的默认方法）。作图基于 ggplot2 包（版本 3.5.0）完成。
2 结果与分析
2.1 有机无机肥配施对玉米产量、植株和籽粒的影响
各有机肥替代和有机肥增施小区处理的产量与常规施肥相比都没有显著差别（图1a）。Sub20 处理（平均产量 10.77 t/hm2）相比 Sub60 处理（7.5 t/hm2）和 CK（9.3 t/hm2）具有相对较高的平均产量。籽粒粗蛋白含量上，有机肥施用的各处理与常规施化肥间的差异都不显著（图1b）；淀粉含量在各处理间则具有较大波动（图1c）。秸秆的氮、磷、钾含量方面，常规施肥与各个有机替代处理以及有机肥增施处理之间都没有显著差异（图1d、e、f）； 在籽粒氮、磷、钾含量上，Sub20 处理相比 CK 和 Add15 处理具有显著更高的籽粒氮和磷含量（图1g、 h），而籽粒钾含量伴随着各处理有机肥施用量的增多呈现出增高的趋势（图1i）。整体上，不施肥的空白处理与其他各个施肥处理间差异显著。
图1玉米产量以及植株和籽粒的养分指标
注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
在植株性状方面，Sub40 处理相比其他处理具有最低的第三节茎粗（图2b），有机肥增施的各个处理相比有机替代处理整体上具有更高的第三节茎粗。Sub60 处理相比其他处理具有最低的穗位高（ 显著低于 CK 和 Sub20 处理，图2c）。在株高、穗粗、穗长、单穗粒重等方面，常规施肥与各个有机替代处理以及有机肥增施处理之间都没有显著差异。不施肥的空白处理在各个玉米指标上都具有相对较差的表现。
2.2 有机无机肥配施对土壤理化指标及微生物多样性的影响
在土壤 pH 和 SOM 上，各个处理之间没有表现出显著差异（图3a、c）。有机肥增施处理整体具有更高的 EC、总氮和速效钾含量（图3b、d、 i）。各有机替代处理相比常规施肥和有机肥增施处理整体上具有更低的总磷（图3g）和有效磷（图3h）含量。在土壤铵态氮和硝态氮含量上，各个有机替代处理以及有机肥增施处理与常规施化肥间并没有显示出显著差异。在土壤微生物的 Alpha 多样性方面（Shannon-Weiner 指数），各处理在原核生物和真菌上都没有表现出显著变化。在基于 Bray-Curtis 距离的 beta 多样性上，常规施化肥与各有机肥替代和有机肥增施处理之间也没有显示出显著差异（两两组间进行的 perMANOVA 分析）。
图2玉米植株的性状指标
图3土壤各理化指标
2.3 有机无机肥配施对微生物丰度的影响
原核生物的高丰度门包括 Actinobacteria、 Proteobacteria、Acidobacteria、Chloroflexi 和 Thaumarchaeota 等。真菌的高丰度门包括 Ascomycota、 Basidiomycota、Mortierellomycota、Mucoromycota 和 Chytridiomycota 等。为了研究不同施肥处理对微生物丰度的影响，使用广义线性混合效应模型分析属水平上各有机肥处理相比常规施肥的变化趋势（图4）。在原核生物方面，相比常规施肥，有机肥的各处理均显著增加了 Micromonospora 属的丰度（例如 Sub20：coef=2.36，P=0.00017；Sub40： coef=2.47，P=0.000073；Sub60：coef=3.38，P<0.0001； Add15：coef=3，P<0.0001，图4a）以及 Steroidobacter 属的丰度（ 例如 Sub20：coef=0.6，P=0.0032）。除了Sub20 处理外，其他处理也显著提升了 Terris-poro-bacter 属的丰度（例如 Sub40：coef=2.18，P=0.0007； Add15：coef=3.16，P<0.0001）。各个有机替代及有机肥增施处理对属的丰度影响具有较为相似的趋势（图4a）。对于真菌来讲，有机肥的各个处理相比常规施肥整体上增加了大量的属丰度（图4b），比如 Eucasphaeria（例如 Sub20：coef=2.66，P<0.0001）、 Chaetomium、Coniochaeta、Chaetomidium、Lysurus、 Mucor、Phialosimplex、Arachnomyces 和 Bradymyces。另外，多个有机肥处理相比常规施肥还显著降低了 Minimedusa（例如 Sub40：coef=-1.58，P=0.02）、 Clonostachys 和 Knufla 等属的丰度。不施肥空白相比常规施化肥在对真菌属的影响上也具有与有机替代相似的结果（图4b）。
图4原核生物和真菌的属水平丰度的差异分析
注：a 为原核生物，b 为真菌。差异检验方法为基于 beta 分布函数的广义线性混合效应模型，常规施化肥（CK）在模型中为参比对照。GLMM coef：模型系数。* 表示 P<0.05，** 表示 P<0.01；*** 表示 P<0.001。下同。
2.4 有机无机肥配施对微生物功能群体的影响
研究微生物功能群体的丰度有助于揭示处理因素对微生物类群的影响机制。对于原核生物的功能群而言，各有机肥相关的处理相比常规施化肥显著增加了硫化合物氧化（dark_oxidation_of_sulfur_compounds）及亚硝酸盐氨化（nitrite_ammonification）的功能群体丰度（图5a）。有机肥增施的 3 个处理相比有机肥替代处理影响了更多的功能群体，比如显著提升了厌氧化能异养（anaerobic_chemoheterotrophy）、发酵（fermentation）、产甲烷（methanogenesis）、纤维素降解（cellulolysis）等群体丰度。相比之下，真菌相关的性状整体上受有机肥处理的影响较小（图5b）。
图5原核生物和真菌的功能群体丰度的差异分析
注：a 为原核生物，b 为真菌。
2.5 微生物与土壤理化指标的相关性
为了进一步探索施肥引起的土壤理化性质改变对微生物类群丰度的影响，将类群差异丰度分析中极显著的属丰度与土壤理化性质进行相关性分析 （图6）。总氮显现出了最多的显著相关系数，其中极显著相关的属包括了 Terrisporobacter（系数 =0.72， P=0.0006）、Turicibacter（系数=0.64，P=0.0044）、 Micromonospora（系数 =0.65，P=0.0037）、Romboutsia（系数 =0.61，P=0.0086）、Sodiomyces（系数 = 0.66，P=0.0037）。除此之外，SOM 与 Ramlibacter 也具有极显著且较强的正相关性（系数 =0.65，P= 0.0037）。pH 则与 Gemmatimonas 具有极显著负相关性（系数 =-0.72，P=0.0006）。
图6属与土壤理化性质间的相关性分析
注：相关性方法为 Pearson 相关。所选择的属在有机肥相关的处理（至少 1 个）中丰度极显著高于常规施化肥。P 值校正方法为 BH （Benjamini & Hochberg）方法。* 表示 P <0.05，** 表示 P <0.01，*** 表示 P <0.001。
3 讨论
3.1 有机肥的施用通过提升土壤养分的利用效率影响玉米生产
本研究探索了短期的不同比例有机肥替代化肥和有机肥增施对玉米产量、植株性状、籽粒品质、土壤理化性质以及土壤微生物群落的影响。结果发现，在 3 个有机肥替代化肥的处理中，20% 的等量氮替代处理相比 40% 和 60% 处理整体上具有更好的表现，在一些指标上也要比常规施肥有更好的表现，比如有机替代 20% 处理的籽粒氮和磷含量显著高于常规施肥。虽然在多数指标上 20% 的替代处理没有展现出与常规施化肥显著的变化，但是有着增高的趋势（如产量和籽粒粗蛋白），这说明适当比例的有机肥替代化肥短期内并不会产生负面的效果。有研究发现，有机肥 20% 的氮替代处理具有最高的产量[20]，这可能预示着产量的显著提高需要更长时间才能表现出来。在本研究中，不同处理间的产量没有表现出显著性，这可能与不同试验的土壤气候，以及试验进行的时间等多种因素有关。有机替代 20% 的土壤总磷含量相比常规施肥有下降的趋势，这很可能预示着有机替代处理改善了植株对磷的吸收以及向籽粒中的转移效率，使得土壤磷的吸收和利用效率有所提高。由于有机替代 20% 与常规施肥两个试验处理所施入的总氮量一致，收获后的秸秆氮和土壤总氮含量没有明显差异，有机替代 20% 处理的籽粒氮却显著提高了，这预示着有机替代提升了肥料中氮素的整体利用效率。以往的研究也发现，有机肥的施用能够提高玉米茎叶或籽粒中氮、磷、钾的含量，进而提高肥料养分的利用率[6]。另一项连续 3 年的研究也发现 20% 的氮替代处理有助于提升土壤质量[21]。王素萍等[22]进行的短期研究推荐有机氮肥替代 15%～30% 化学氮肥，发现有机肥替代化肥能够提高甜玉米果实中维生素 C、可溶性糖和可溶性蛋白含量。这些发现与本试验的结果具有一致的趋势。结合本试验各处理下的土壤养分数据，有机肥提升玉米籽粒品质可能与其改善了土壤养分（氮和磷）吸收效率以及补充微量元素有关。这些信息表明，气候较为独特的北方农牧交错带地区的最佳有机肥替代比例与其他多数地区较为相似。
这项研究中 3 个比例的有机肥增施处理相比其他处理显著提升了土壤总氮以及速效钾的含量。相比常规施肥对照，有机肥增施有助于提升籽粒氮、磷、钾的含量。在这方面其比有机肥替代 20% 具有更高的影响。这表明增施有机肥通过大量增加土壤养分含量来促进作物对养分的吸收，进而改善籽粒的品质。另外，增施有机肥短期内并没有显著增加产量，过多的增施有机肥还会较大的提升土壤的 EC（图3）。需要注意的是作为探索性的研究，这里增施有机肥最低处理（15 t/hm2）的施用量也要比常规商品有机肥的施用量大得多。因此在实际条件下，同时考虑投入和产出，如果畜禽粪污等产生的有机肥来源较易获取且成本较低时，可以适当进行增施来短期内快速提升土壤的养分储备。但在习惯于施较多化肥量的地块，由于土壤养分含量较高，可能并不适合增施大量有机肥，可采取有机替代的方式来施用有机肥。
3.2 有机肥的施用提高了重要的微生物类群丰度进而影响玉米生产
在本研究中，各个有机替代以及有机肥增施处理相比常规施肥处理在原核生物和真菌物种多样性和群落结构上并没有显示出显著差异，这很可能与试验进行的时间长短有关。以往的研究也发现，短期进行有机氮肥替代化肥处理对土壤微生物群落的影响可能要小于无机氮肥[8]，而多年的有机肥施用会显著影响土壤微生物群落结构[23]。所以有关多样性方面本试验与以前的研究具有相似的结果，且进一步说明了有机肥对微生物群落的影响程度可能会随着时间的增加而增大。推测在本试验中，有机肥对一些微生物类群的影响应该来自于其中 SOM 的作用或者是有机肥中微生物的直接效果。虽然群落结构上没有显著差异，但是有机肥的施用显著影响了一些微生物的相对丰度，比如各个有机肥相关的处理都提高了 Micromonospora 属的丰度。这个属的物种具有较强的生物大分子降解能力，也有广泛地产生次级代谢产物进而拮抗病原菌的能力[24]。Terrisporobacter 属的丰度增加可能与其发酵能力有关[25]。有机肥的施用增加了土壤中的 SOM，进而促进了大量大分子的降解和发酵等相关的原核微生物功能类群的生长（图5）。有机肥中 SOM 的矿化作用涉及到氮素的转换，进而会影响一些与氮循环相关的细菌功能类群的丰度 （图6）。有机肥相关的处理也广泛提升了 Chaetomium 丰度（图4b）。这个真菌属的物种可能具有植物促生作用和抗病原菌的效果[26]。这些结果预示着短期施用有机肥也有提升土壤有益微生物丰度的效果。以前的研究也有发现短期的有机肥替代化肥试验会显著影响玉米种植土壤的微生物多样性和群落结构，包括非根际土[27]和根际土[28]。这些结论预示着不同条件下的试验结果具有一定的差别，环境条件会影响微生物群落对于 SOM 等添加的响应特征。而 Meta 分析结果显示，在我国影响玉米产量的因素包括细菌和真菌[29]。因此，有机肥的施用所带来的改善土壤质量和促进作物生长的效果中包括了微生物所起到的作用。因此，推测在这项研究中，短期有机肥的施用很可能通过直接影响一些重要的微生物类群丰度进而促进玉米的生长。
4 结论
各个有机肥替代处理和增施有机肥处理的产量与常规施化肥处理间没有显著差异，但是较高的有机替代比例有降低产量的趋势。多数有机替代和增施有机肥的处理相比常规施化肥都有提高籽粒氮、磷、钾、粗蛋白和淀粉含量的效果。玉米秸秆性质在各处理间变化不大。增施有机肥相比其他有机替代和常规施肥处理显著提升了土壤总氮和速效钾的含量。在土壤原核生物和真菌群落的 Alpha 多样性以及 beta 多样性上，各个有机肥的处理相比常规施肥对照均没有表现出显著的差异，但是有机肥相关的各处理显著提升了一些重要的细菌和真菌的属丰度，以及一些与 SOM 降解和氮循环等有关的功能群体的丰度。对于有机肥替代的比例来讲，整体上 20% 的替代比例为该试验地区的最优比例。在这个比例下，产量相比常规施肥没有出现降低的趋势，土壤和籽粒的一些养分指标也出现了显著的提高。