劉宇輝 張晴雯 田秀平 張愛(ài)平 劉杏認(rèn) 楊正禮

(1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所,北京 100081;2天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院,天津 300384)

在海河流域一年兩熟復(fù)種系統(tǒng)中,由于追求高產(chǎn)而過(guò)度使用化學(xué)氮肥,加之有機(jī)物料投入不足,引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)培肥措施下物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化緩慢,耕層土壤培肥時(shí)間長(zhǎng),土壤板結(jié),耕性惡化,作物所需的中微量元素?zé)o法得到及時(shí)補(bǔ)充。與此同時(shí),海河流域畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展,大部分畜禽糞便未進(jìn)行無(wú)害化處理,導(dǎo)致養(yǎng)殖污染日趨嚴(yán)重。據(jù)報(bào)道,畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放已成為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)面源污染源[1],其化學(xué)需氧量(chemical oxygen demand,COD)達(dá)到1 268.26 萬(wàn)t,占全國(guó)所有污染物排放的化學(xué)需氧量的41.9%。土壤中中微量元素過(guò)度消耗造成的“短板效應(yīng)”愈演愈烈,養(yǎng)殖廢棄物污染治理迫在眉睫。針對(duì)種植和養(yǎng)殖業(yè)遇到的雙重問(wèn)題,以養(yǎng)殖業(yè)廢棄物污染治理為突破口,將畜禽糞便制成有機(jī)肥,在大田施用時(shí)輔以生物菌劑,加速其中的養(yǎng)分釋放,促進(jìn)作物對(duì)其的吸收,是有效解決以上問(wèn)題的途徑之一。因此,化肥減量配施菌肥及其有機(jī)肥替代已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[2-6]。研究表明,生物菌肥對(duì)玉米有明顯的增產(chǎn)作用[7-11]。李玉春等[12]研究發(fā)現(xiàn)微生物菌劑處理使冬小麥產(chǎn)量增加了3%,還可提高葉片葉綠素含量,促進(jìn)莖、葉中全氮的積累[13]。Rose 等[4]認(rèn)為生物菌肥中的微生物能促進(jìn)植物生長(zhǎng),在提高氮素利用方面具有巨大潛力;生物菌肥在不減少產(chǎn)量的前提下可以代替23%～52%氮肥,但不能代替磷肥。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)EM(effective micro-organisms)菌劑處理后水稻氮素吸收利用率隨著稻季的更替逐步上升,第二年增產(chǎn)效果優(yōu)于第一年,且隨著有效微生物菌的不斷施入,其對(duì)土壤肥力和菌群結(jié)構(gòu)的改良作用越來(lái)越明顯[14]。

長(zhǎng)期連作可導(dǎo)致土壤養(yǎng)分狀況失衡,理化性狀變差,而生物菌肥的介入能修復(fù)土壤,克服連作障礙,防止土傳病害的傳播。Cai 等[15]研究發(fā)現(xiàn)大量施用化肥會(huì)導(dǎo)致土壤真菌多樣性下降,而施用生物有機(jī)肥和化肥減量處理在黃瓜單作下能維持較為穩(wěn)定的土壤微生物群系。單施菌肥對(duì)土壤pH 值無(wú)顯著影響,會(huì)降低土壤中有機(jī)質(zhì)含量和微生物量,但會(huì)增加土壤速效磷和速效鉀含量,且菌肥能在一定時(shí)期內(nèi)降低土壤含水率,與秸稈反應(yīng)堆配合還能改良土壤,克服連作障礙,增加作物產(chǎn)量[16]。土壤中氮多以有機(jī)態(tài)氮的形式存在(約占全氮85%～95%)[17],而作物能直接利用的氮主要是礦質(zhì)態(tài)氮,有機(jī)態(tài)氮只有通過(guò)礦化作用才能轉(zhuǎn)化成作物可以直接利用的礦質(zhì)態(tài)氮,可礦化氮占有機(jī)氮的比例直接影響礦化作用的強(qiáng)弱,決定了土壤的供氮能力。王成等[18]研究表明,土壤可礦化氮主要集中于耕層土壤,且呈現(xiàn)出顯著的階段性變化,土壤可礦化氮不因施化肥氮的多少而變化, 但在施有機(jī)肥的后期顯著增加。Hatch 等[19]研究發(fā)現(xiàn)在牧場(chǎng)條件下施用化肥氮或糞肥短期內(nèi)并不能對(duì)總礦化氮產(chǎn)生較大影響;此外,糞肥對(duì)總礦化氮的影響微弱,但對(duì)氮的生物固持起到了極大的促進(jìn)作用,從長(zhǎng)期來(lái)看,化肥氮或者糞肥能夠明顯增加土壤總礦化氮和凈礦化氮,而總生物固氮量則低于空白處理。本試驗(yàn)通過(guò)分析減量化肥和生物菌肥配施對(duì)夏玉米主要生育時(shí)期的有機(jī)氮礦化量和礦化率的影響,探究土壤的供氮能力,以期從土壤礦化機(jī)理層面揭示其對(duì)作物產(chǎn)量造成影響的微生物驅(qū)動(dòng)效應(yīng),為海河流域下游菌肥配施和秸稈還田下有機(jī)肥替代化肥提供參考,為氮素科學(xué)管理和農(nóng)田增效減負(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在山東省濱州市濱城區(qū)濱北鎮(zhèn)中裕農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)園進(jìn)行,該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候,多年平均氣溫12.7℃,平均地面溫度14.7℃,平均日照時(shí)數(shù)2 632.0 h,年平均降水量564.8 mm,降水多集中在7-8月。作物種植方式為冬小麥—夏玉米輪作,土壤類型為潮土,2017年試驗(yàn)前耕層土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)質(zhì)含量13.7 g·kg-1、全氮0.9 g·kg-1、全鉀21 g·kg-1、速效磷70.6 mg·kg-1、堿解氮83.4 mg·kg-1、速效鉀227 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料

菌肥1：復(fù)合微生物菌劑-藍(lán)矛綠盾(有效微生物為短小芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等),可濕性粉劑,由北京十方技術(shù)有限責(zé)任公司生產(chǎn);菌肥2：酵素菌(BYM)肥料,黑色粉末狀,由寶雞乾亨農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)。2 種復(fù)合菌劑有效活菌數(shù)量均≥2 億·g-1。試驗(yàn)所用有機(jī)肥為免深耕有機(jī)肥,黑色顆粒狀,其中N + P2O5+ K2O≥5%,有機(jī)質(zhì)＞45%,由山東甕福金谷化肥有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置5 個(gè)處理,即常規(guī)施肥[N 200 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2,對(duì)照(CK)]、B1N2P2(菌肥1 為7.5 kg·hm-2,N、P2O5均較CK 減量25%)、B1ON1P1(菌肥1 為7.5 kg·hm-2,有機(jī)肥為3 t·hm-2,N、P2O5均較CK減量50%)、B2N2P2(菌肥2 為7.5 kg·hm-2, N、P2O5均較CK 減量25%)、B2ON1P1(菌肥2 為7.5 kg·hm-2,有機(jī)肥為3 t·hm-2,N、P2O5均較CK 減量50%)。每個(gè)處理3 次重復(fù)。菌肥與有機(jī)肥、磷肥作為基肥一次性施入,氮肥中的尿素1/3 作為底肥,2/3 作為追肥。每小區(qū)面積為140 m2(14 m ×10 m)。菌肥、有機(jī)肥及基肥尿素、磷酸二銨均由人工撒施,小區(qū)旋耕15 cm。夏玉米于2017年6月16日播種,大田無(wú)灌溉設(shè)施,靠自然降雨。因夏季雨量充足,趁雨前于7月13日追肥一次,其余管理措施如除草、打藥等與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田管理方式一致,并于當(dāng)年10月2日收獲。

1.4 樣品采集

于2017年夏玉米生長(zhǎng)的苗期、拔節(jié)期、抽雄期,灌漿期及成熟期5 個(gè)重要生育期,采集各處理小區(qū)0 ～20 cm 耕層土壤。采用“S”形取樣法收集土樣,每重復(fù)取3點(diǎn)混合作為一個(gè)土樣,每處理3 次重復(fù),共取9 點(diǎn)。將采集的土樣除去動(dòng)、植物殘?bào)w,一部分鮮土過(guò)2 mm 篩用于測(cè)定有機(jī)氮礦化量,其余分別過(guò)1、0.25 mm 篩,風(fēng)干后用于測(cè)定土壤pH 值、堿解氮、全氮和速效磷含量。玉米植株和籽粒于收獲期在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取25 m2(5 m×5 m)全部收獲并進(jìn)行室內(nèi)考種,并隨機(jī)選取3 個(gè)玉米植株,每重復(fù)取9 株。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.5.1 玉米產(chǎn)量、穗部性狀和穗位葉SPAD 值的測(cè)定粒,80℃烘干至恒重,稱重后求平均值即為各處理產(chǎn)量;2)玉米穗部性狀：于蠟熟期收獲時(shí),測(cè)定果穗行數(shù)(行)、行粒數(shù)(粒)和禿尖長(zhǎng)度(cm),風(fēng)干后測(cè)定千粒重(g)。其中,禿尖長(zhǎng)度、穗行數(shù)、行粒數(shù)所得數(shù)據(jù)為10 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)穗平均值。按照公式分別計(jì)算經(jīng)濟(jì)系數(shù)(harvest index,HI)、氮素收獲指數(shù)(nitrogen harvest index,NHI)和氮素生理利用率(nitrogen physiological 1)產(chǎn)量：每個(gè)處理采集3 個(gè)25 m2面積內(nèi)的玉米籽efficiency,NPE)：

3)穗位葉SPAD 值：采用SPAD-502Plus 葉綠素計(jì)(日本KONICA MINOLTA 公司)進(jìn)行測(cè)定。每個(gè)生育期在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10 片穗位葉進(jìn)行葉綠素含量測(cè)定,取其平均值。拔節(jié)期測(cè)定最上一片完全展開的葉片的中部。

1.5.2 土壤pH 值、含水率的測(cè)定 1)土壤pH 值：稱取過(guò)2 mm 篩的自然風(fēng)干土樣10 g 置于50 mL 燒杯中,加入25 mL 蒸餾水。將容器密封后,攪拌5 min,再靜置1 h 后利用PHS-3E 型pH 計(jì)(上海雷磁儀器廠)進(jìn)行測(cè)定。2)土壤含水率(%)：利用Uni100E-土壤水分速測(cè)儀(北京聯(lián)創(chuàng)思源測(cè)控技術(shù)有限公司)在田間實(shí)地測(cè)量。

1.5.3 土壤全氮、礦質(zhì)態(tài)氮、有機(jī)氮、堿解氮和速效磷含量的測(cè)定 采用半微量開氏法,利用KDY-9820 凱氏定氮儀(北京市通潤(rùn)源機(jī)電有限責(zé)任公司)測(cè)定土壤全氮含量;采用2 mol·L-1KCl 浸提,利用AA3 流動(dòng)分析儀(德國(guó)SEAL 公司)分別測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量,二者之和即為土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量;土壤有機(jī)氮為全氮減去銨態(tài)氮;采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定土壤堿解氮;采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量。

1.5.4 土壤氮礦化量的測(cè)定 采用淹水培養(yǎng)法[20-23]。稱取10 g 新鮮土樣于150 mL 三角瓶中,加入10 mL 蒸餾水,將三角瓶密封后放入40℃培養(yǎng)箱,培養(yǎng)7 d 后加入40 mL 2.5 mol·L-1KCl,振蕩30 min后過(guò)濾,采用流動(dòng)分析儀測(cè)定濾液中銨態(tài)氮,按照公式分別計(jì)算土壤銨態(tài)氮礦化量、銨態(tài)氮礦化率：

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和繪圖;Pearson 法進(jìn)行相關(guān)性分析,處理間多重比較采用LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 菌肥配施下夏玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素分析

由表1 可知,夏玉米的穗粒數(shù)依次為B1N2P2＞B2N2P2＞B1ON1P1＞CK＞B2ON1P1,這與產(chǎn)量順序基本一致,雖然B1N2P2的千粒重較低,但其較高的穗粒數(shù)對(duì)其最終產(chǎn)量的形成起到了較大的彌補(bǔ)作用。夏玉米千粒重依次為B2N2P2＞CK ＞B1ON1P1＞B2ON1P1＞B1N2P2,說(shuō)明菌肥2 與化肥的組合能明顯增加玉米的千粒重,而菌肥1 和化肥組合的千粒重最低。B1N2P2的產(chǎn)量較B1ON1P1、CK 分別高出12.63%和9.01%;B2N2P2的產(chǎn)量較B2ON1P1、CK 分別顯著高出24.55%和7.94%(P＜0.05)。表明菌肥與化肥的組合較常規(guī)化肥和菌肥與有機(jī)肥組合有其明顯的優(yōu)越性,化肥減量25%再配合生物菌肥下的產(chǎn)量最高。夏玉米禿尖長(zhǎng)度依次為B2N2P2＜B2ON1P1＜B1N2P2＜B1ON1P1＜CK,B2N2P2的禿尖長(zhǎng)度最短,且千粒重最高,說(shuō)明菌肥2 在提高玉米籽粒飽滿度方面要優(yōu)于菌肥1。

表1 不同菌肥組合下夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素分析Table 1 Yield and its components of summer maize under different combination of biofertilizers

2.2 菌肥配施對(duì)夏玉米氮素吸收利用的影響

由表2 可知,B2ON1P1的植株吸氮量和籽粒吸氮量顯著高于B1ON1P1和CK,說(shuō)明菌肥2 更能幫助玉米從土壤中獲取氮素營(yíng)養(yǎng)。氮素收獲指數(shù)反映了氮素在籽粒中的分配比例。菌肥2 的籽粒吸氮量和植株吸氮量都較高,因此氮素收獲指數(shù)比菌肥1 和CK 低,菌肥1 對(duì)促進(jìn)植株吸收的氮素向籽粒中運(yùn)轉(zhuǎn)的能力優(yōu)于菌肥2。氮素生理利用率反映了作物吸收的氮用于形成產(chǎn)量的能力,這與氮素收獲指數(shù)一致,菌肥1 能將吸收的氮更好地用于形成產(chǎn)量,說(shuō)明2 個(gè)指標(biāo)在衡量氮素利用方面的作用接近。經(jīng)濟(jì)系數(shù)是籽粒干重占地上干物質(zhì)重量的比例。結(jié)果表明,2 種菌肥組合均不能提高玉米的經(jīng)濟(jì)系數(shù),推測(cè)經(jīng)濟(jì)系數(shù)可能只受作物種類及品種的影響,對(duì)施肥的結(jié)果響應(yīng)并不明顯。綜合比較氮的吸收量上和籽粒分配比例可知,B1N2P2的氮素利用率雖略低于B1ON1P1,但其吸收總量顯著高于該處理,這與產(chǎn)量構(gòu)成因素相吻合。

表2 夏玉米收獲期化肥氮的利用率及經(jīng)濟(jì)系數(shù)Table 2 Nitrogen use efficiency and economic coefficient by summer maize at harvest

由表3 可知,苗期夏玉米SPAD 值在各處理之間無(wú)顯著差異;成熟期2 種菌肥和有機(jī)肥組合葉綠素低于純化肥和菌肥與化肥組合,而在3 個(gè)中期生育階段(拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期),菌肥與化肥組合處理的SPAD 值明顯高于菌肥加有機(jī)肥與低量化肥處理和CK(P＜0.05)。從整個(gè)玉米生育階段來(lái)看,SPAD 值呈先增加后降低的趨勢(shì),在灌漿期達(dá)到峰值。在拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期這3 個(gè)夏玉米生長(zhǎng)最快和干物質(zhì)累積最多的時(shí)期,B1N2P2的SPAD 值較B1ON1P1分別顯著高13.50%、6.97%和6.98%,B2N2P2的SPAD 值較B2ON1P1分別顯著高11.98%、8.37%和10.36%,說(shuō)明化肥減量50%已無(wú)法滿足夏玉米生長(zhǎng)發(fā)育的需要,有機(jī)肥能部分替代化肥,但不能完全替代化肥,此現(xiàn)象在灌漿以后尤為明顯。而B1N2P2與B2N2P2、B1ON1P1與B2ON1P1間均無(wú)顯著差異(P＞0.05),說(shuō)明不同生物菌肥之間的差異不明顯。CK 的化肥氮素施用量最大,但SPAD 值不是最高,說(shuō)明過(guò)量使用化肥對(duì)提高作物葉綠素含量和光合同化能力弊大于利。

表3 不同菌肥組合下夏玉米主要生育期葉片SPAD 值Table 3 SPAD readings of summer maize under different combination of biofertilizers

2.3 菌肥配施對(duì)夏玉米各生育期土壤氮礦化量和礦化率的影響

由圖1 可知,除成熟期B1ON1P1處理的氮素礦化量低于同菌肥處理外,其他時(shí)期有機(jī)肥和菌肥處理氮礦化量均高于相應(yīng)菌肥與化肥的組合,說(shuō)明有機(jī)肥的加入可以促進(jìn)氮素的礦化。在有機(jī)肥施入土壤后約30 d 激發(fā)效應(yīng)開始明顯地表現(xiàn)出來(lái),且在拔節(jié)和抽雄2 個(gè)時(shí)期氮礦化量有明顯的增長(zhǎng),灌漿期和成熟期又逐漸恢復(fù)平穩(wěn)。在苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期,B1ON1P1的氮礦化量較B1N2P2分別高41.99%、151.29%、120.09%和21.20%,成熟期較B1N2P2減少40.20%; 在各生育期B2ON1P1的氮礦化量較B2N2P2分別高 231.04%、56.28%、245.04%、16.83% 和20.30%。綜合分析可知,常規(guī)化肥(CK)和菌肥與化肥組合處理的氮礦化量在各生育期之間波動(dòng)較小,且均維持在較低水平,有機(jī)肥與菌肥配施顯著增加了氮礦化量,且菌肥1 和菌肥2 處理下氮礦化量在不同時(shí)期波動(dòng)較大,而B1N2P2在收獲時(shí)仍能保持較高的氮礦化量,這可能是由于微生物在前中期固定了大量的礦質(zhì)態(tài)氮,而后期又緩慢釋放出來(lái),這對(duì)產(chǎn)量形成具有促進(jìn)作用。

圖1 不同生育期各處理土壤氮礦化量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil nitrogen mineralization amount in different growing stages

圖2 不同生育期各處理土壤氮礦化率動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil nitrogen mineralization rate in different growing stages

土壤全氮、有機(jī)質(zhì)能反映可礦化氮的庫(kù)容,但無(wú)法反映植物生長(zhǎng)期內(nèi)或培養(yǎng)期內(nèi)土壤能夠礦化的氮素比例。對(duì)土壤供氮量的估計(jì)不僅要考慮其總量,更要考慮易礦化部分的比例[24]。氮礦化率能夠反映可礦化氮占土壤總氮的比例。由圖2 可知,氮礦化率和氮礦化量的整體變化趨勢(shì)一致,接近拋物線型。B1ON1P1的氮礦化率首次大幅增加出現(xiàn)在拔節(jié)期,B2ON1P1的氮礦化率首次大幅增加出現(xiàn)在抽雄期,且含有機(jī)肥的2 個(gè)處理均在生育中期(抽雄期)達(dá)到峰值,CK 和B1N2P2、B2N2P2的氮礦化率在生育期間的波動(dòng)小,比較平穩(wěn)。

2.4 菌肥配施對(duì)土壤含水率和pH 值的影響

由圖3 可知,0～20 cm 土壤含水率的總體呈先降低后升高再降低的趨勢(shì)。各生育期土壤平均含水率的變化范圍為11.62%～26.28%,從玉米抽雄期開始(進(jìn)入8月份后),土壤含水率迅猛增長(zhǎng),這與短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的強(qiáng)降雨有關(guān)。9月中旬開始,隨著自然降雨的減少,土壤含水率又開始下降。苗期CK 的土壤含水率顯著高于B1ON1P1、B2N2P2和B2ON1P1處理(P ＜0.05),但與B1N2P2無(wú)顯著差異(P＞0.05)。在拔節(jié)期,由于氣溫較高,蒸散量大,土壤水分有不同程度的減少,但各處理間土壤含水率無(wú)顯著差異(P＞0.05)。抽雄期各處理的土壤含水率均達(dá)到最大值,且仍以CK土壤含水率最大,極顯著高于B1ON1P1和B2ON1P1(P＜0.01),說(shuō)明有機(jī)肥能夠明顯降低土壤含水率,這與石玉龍等[25]的研究結(jié)果一致。B1N2P2和B2N2P2的土壤含水率顯著高于B1ON1P1和B2ON1P1(P ＜0.05)。灌漿期的土壤含水率除B1N2P2與B1ON1P1間無(wú)顯著差異外,其他處理的變化趨勢(shì)與抽雄期基本一致。成熟期B1N2P2的土壤含水率高于CK,但二者間無(wú)顯著差異(P＞0.05),這可能是該處理獲得最高產(chǎn)量的原因之一,即土壤含水率較為穩(wěn)定。

圖3 不同生育期各處理土壤含水率動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture content in different growing stages

由圖4 可知,0 ～20 cm 土壤pH 值總體變化范圍在7.77～8.20 之間。B1N2P2和B2N2P2的土壤pH 值變化幅度不大,且成熟期與苗期基本持平。而CK、B1ON1P1和B2ON1P1的土壤pH 值在各生育期變化幅度較大,其中CK 的土壤pH 值表現(xiàn)出波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì),2 種菌肥和有機(jī)肥的組合表現(xiàn)出波動(dòng)下降態(tài)勢(shì)。苗期B2N2P2的土壤pH 值顯著高于其它處理(P ＜0.05),拔節(jié)期CK 和B2N2P2的土壤pH 值顯著高于B1ON1P1(P ＜0.05),但其它處理間無(wú)顯著差異(P ＞0.05)。抽雄期B2N2P2的土壤pH 值顯著高于其它處理(P ＜0.05)。灌漿期和成熟期,CK、B1N2P2和B2N2P2的土壤pH 值顯著高于B1ON1P1(P ＜0.05),B1ON1P1與B2ON1P1間無(wú)顯著差異(P＞0.05)。整個(gè)玉米生育期間,菌肥與有機(jī)肥組合的土壤pH 值始終低于其它處理,且仍有持續(xù)降低的趨勢(shì)。

圖4 不同生育期各處理土壤pH 值動(dòng)態(tài)變化Fig.4 Dynamic changes of soil pH value in different growing stages

3 討論

礦質(zhì)態(tài)氮是作物能直接利用的氮素形態(tài),有機(jī)肥配施菌肥可以促進(jìn)有機(jī)態(tài)氮的礦化作用,形成更多的礦質(zhì)態(tài)氮。盧紅玲等[26]認(rèn)為,作物既吸收利用土壤中的無(wú)機(jī)氮,又大量吸收利用從土壤有機(jī)氮庫(kù)中礦化出的礦質(zhì)態(tài)氮。淹水培養(yǎng)法測(cè)定氮礦化具有簡(jiǎn)單迅速、不用調(diào)節(jié)水分含量等優(yōu)點(diǎn)。淹水培養(yǎng)法最早運(yùn)用于水田,后來(lái)也有研究者將其應(yīng)用于除稻田以外的旱地土壤,結(jié)果穩(wěn)定且可信[27]。淹水培養(yǎng)期間銨態(tài)氮累積量仍然是評(píng)價(jià)可礦化氮的較好指標(biāo)[26]。本研究中,苗期僅B2ON1P1的氮礦化量顯著高于其它處理,灌漿期各菌肥處理之間無(wú)明顯差異,成熟期僅B1N2P2的氮礦化量顯著高于其它處理。不同菌種對(duì)同一有機(jī)物料的礦化和分解速度不盡相同,在拔節(jié)期和抽雄期2 種菌肥和有機(jī)肥處理的氮礦化量均高于其它處理,且差異顯著。這可能是由于這兩個(gè)時(shí)期的氣溫和地溫較高,且土壤濕度也處于一年中最高的時(shí)期。前人研究表明,溫度和含水量對(duì)土壤氮的礦化有明顯的正交互作用[28],且溫度的影響比濕度更大。本研究中,有機(jī)肥在施入土壤后,對(duì)有機(jī)氮庫(kù)產(chǎn)生了明顯的正激發(fā)效應(yīng),這與邵興芳等[29]在東北黑土地上長(zhǎng)達(dá)32年的試驗(yàn)得到的結(jié)論相似。而未添加有機(jī)肥的3 個(gè)處理的氮礦化量在生育期間的變化幅度不大。本研究還發(fā)現(xiàn)菌肥和有機(jī)肥配施在產(chǎn)量和葉綠素上的表現(xiàn)不如菌肥配施下氮磷化肥減量25%,可能是由于氮素已經(jīng)不是它們間的限制因子,或是受到低土壤水分的負(fù)面影響。而全氮和堿解氮在始末兩生育期的測(cè)量結(jié)果顯示,除B1N2P2成熟期的土壤堿解氮含量較苗期有所降低外,其它處理的全氮和堿解氮含量均有不同程度的增加,從側(cè)面論證了B1N2P2處理下作物對(duì)氮的吸收利用率是最佳的。添加有機(jī)肥處理的礦化出過(guò)量的礦質(zhì)態(tài)氮,但作物對(duì)該礦質(zhì)態(tài)氮的吸收利用性差,過(guò)剩的氮素營(yíng)養(yǎng)成為了潛在的污染源。

菌肥中的微生物能利用化學(xué)肥料中的氮素養(yǎng)分進(jìn)行繁殖,提高對(duì)氮素的吸附量,從而降低氮素營(yíng)養(yǎng)的損失并提高氮素的回收率。Thonar 等[30]研究發(fā)現(xiàn)土壤生物菌劑和有機(jī)肥料共同施用,尤其是和動(dòng)物糞便堆肥一起施用能顯著提高玉米對(duì)磷的利用率和地上生物量,可能是由于兩者共同施用時(shí)具有更高的叢枝菌根長(zhǎng)度占比。本研究中,與常規(guī)化肥處理相比,菌肥1 能提高化肥氮的收獲指數(shù)和生理利用率,而菌肥2 未能達(dá)到預(yù)期的效果。B2N2P2的植株吸氮量和籽粒吸氮量均為最高,但其利用率卻偏低,原因是根系生物量大而氮素向籽粒中的分配比例不高。而經(jīng)濟(jì)系數(shù)受施肥的響應(yīng)不明顯,可能只取決于作物品種。

本研究中,除苗期各處理的SPAD 值無(wú)顯著差異外,其余四個(gè)生育時(shí)期菌肥和化肥組合的SPAD 值都明顯高于菌肥和有機(jī)肥組合。利用SPAD 值可以診斷作物氮素營(yíng)養(yǎng)狀況,并提高追肥的精度[31-32]。研究表明,葉片SPAD 值與葉綠素a、葉綠素b 及總?cè)~綠素含量間均存在極顯著正相關(guān)關(guān)系[33],SPAD 值越高表明葉綠素含量越高。葉綠素含量高意味著植株對(duì)氮素的獲取和利用率高。而植株的氮素積累量又取決于土壤中氮素營(yíng)養(yǎng)含量以及作物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用情況,所以SPAD 值和土壤供氮能力、作物對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)的吸收利用情況是密不可分的。SPAD 值不僅能反映葉片中的氮素累積量,也間接反映了土壤的供氮情況。通過(guò)Pearson 相關(guān)性分析可得,SPAD 值與土壤全氮、礦質(zhì)態(tài)氮均呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01),與土壤有機(jī)態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān)(P＜0.05),而與堿解氮和氮礦化量無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表4)。

本次試驗(yàn)所用有機(jī)肥具有降低土壤pH 值的作用,對(duì)改良北方濱海鹽堿土具有積極作用,但施用有機(jī)肥導(dǎo)致土壤含水率下降和產(chǎn)量不理想,限制了其推廣。

表4 SPAD 值和土壤供氮指標(biāo)之間的相關(guān)性Table 4 The relativity of soil nitrogen indicators and SPAD readings

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,菌肥和氮磷化肥配合使用雖未對(duì)氮素礦化表現(xiàn)出明顯的激發(fā)效應(yīng),但是B1N2P2的氮礦化量在后期仍能穩(wěn)定在較高水平,說(shuō)明氮礦化在生育期間變化小更能滿足夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育,氮礦化量的驟升驟降不益于作物對(duì)礦質(zhì)態(tài)氮的吸收和利用。菌肥1 能提高夏玉米的氮素利用率,B1N2P2的產(chǎn)量最高。因此,氮肥與磷肥減量25%(N 減至150 kg·hm-2,P2O5減至90 kg·hm-2),同時(shí)施用菌肥(7.5 kg·hm-2)有利于海河流域農(nóng)田增效減負(fù)和氮素利用率的提高。但菌肥1 在同一小區(qū)已是第二年連續(xù)施用,而菌肥2是第一次施用,所以上述結(jié)論還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。