原寒 徐子雯 岑宇 谷仙 秦天羽 蔣高明
摘要:現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中人工合成物質(zhì)的大量使用,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。我國有機(jī)肥資源豐富,充分利用有機(jī)肥是緩解當(dāng)前環(huán)境問題的重要途徑之一。本試驗(yàn)以脫毒蒼山蒜為材料,在長(zhǎng)期有機(jī)肥養(yǎng)地的基礎(chǔ)上以不施肥為對(duì)照,研究了不同有機(jī)肥(腐熟牛糞、腐熟兔糞、大豆發(fā)酵肥)處理對(duì)土壤養(yǎng)分、大蒜氮素吸收及產(chǎn)量等的影響。結(jié)果表明,腐熟牛糞處理對(duì)0~20 cm土層土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀含量改善作用更好,大豆發(fā)酵肥對(duì)20~40 cm土層改善作用較好。土壤碳通量表現(xiàn)為腐熟牛糞處理最高,表明土壤微生物最活躍。大豆發(fā)酵肥處理下大蒜植株體內(nèi)的氮素積累量最高。4種處理對(duì)大蒜農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響差異不顯著,CK(不施肥)表現(xiàn)仍較好,說明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥具有養(yǎng)地的重要功能。本研究結(jié)果可為生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供有機(jī)肥效方面的參考。
關(guān)鍵詞:有機(jī)肥;土壤肥力;大蒜;碳通量;產(chǎn)量
中圖分類號(hào):S633.406+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào):A文章編號(hào):1001-4942(2019)07-0060-07
進(jìn)入化學(xué)農(nóng)業(yè)階段以來,化肥、農(nóng)藥、地膜等化學(xué)合成物質(zhì)的過量使用,造成了土壤酸化[1]、肥力下降、土壤板結(jié)[2]、重金屬含量超標(biāo)等嚴(yán)重環(huán)境問題[3]。從1971年到1990年間,化肥施用量和糧食產(chǎn)量之間呈線性增長(zhǎng),然而中國1991—2011年間,化肥用量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過糧食產(chǎn)量的增長(zhǎng)速度[4]。同時(shí),由于農(nóng)作物長(zhǎng)期處于農(nóng)藥、化肥污染環(huán)境中,農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和食用安全性也受到威脅,農(nóng)藥殘留和重金屬含量超標(biāo)都會(huì)嚴(yán)重危害人體健康。
中國擁有豐富的有機(jī)肥資源。有機(jī)肥不僅含有滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育必需的氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì)、氨基酸、蛋白質(zhì)等養(yǎng)分[5],還能改善土壤質(zhì)量,培肥地力,提高作物產(chǎn)量,改善作物品質(zhì)[6,7]。中國有機(jī)肥資源每年可提供30.5×106 ??t氮,比每年氮肥總使用量(27.9×106 ??t)還多,但是有機(jī)肥利用率僅為39%[8]。以畜禽糞便為主的大量有機(jī)肥堆積變成了環(huán)境污染源[9,10],必須尋找有機(jī)肥利用的合理途徑。有研究表明,有機(jī)肥替代化肥能夠使玉米產(chǎn)量保持穩(wěn)定或穩(wěn)定增長(zhǎng)[11];紅壤稻田系統(tǒng)增產(chǎn)和穩(wěn)定性均以有機(jī)肥替代化肥最好[12];有機(jī)肥替代化肥可促進(jìn)雙季稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),維持系統(tǒng)的可持續(xù)性[13],提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率,提高氮素累積量,減少環(huán)境污染,培肥土壤[14,15]。在小麥上的研究表明,施用有機(jī)肥能顯著改善土壤物理性質(zhì)[16],并提高土壤養(yǎng)分含量[17-19],進(jìn)而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[20,21]。
大蒜(Allium sativum L.)是百合科(Liliaceae)蔥屬(Allium)二年生草本植物,原產(chǎn)于亞洲西部高原,在中國已有2000多年的栽培歷史,是一種重要的出口創(chuàng)匯蔬菜[22]。以鱗莖、花莖、幼株為主要產(chǎn)品,目前我國已成為全世界最主要的大蒜生產(chǎn)、消費(fèi)和出口國[23]。大蒜作為重要出口產(chǎn)品,提高大蒜品質(zhì)和產(chǎn)量尤為重要。本試驗(yàn)以大蒜為材料,結(jié)合我國有機(jī)肥資源現(xiàn)狀,探尋有機(jī)模式下,如何合理施用有機(jī)肥。
1 材料與方法
1.1 試驗(yàn)地概況及材料
試驗(yàn)于2017年10月至2018年10月在山東省臨沂市平邑縣蔣家莊山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(35°26′34″N, 117°49′13″E)進(jìn)行。該試驗(yàn)區(qū)地處中緯地區(qū),年降水量799.1 mm,年平均溫度15.1℃。供試土壤從2006年開始停用化肥,改用牛糞養(yǎng)地11年。土壤類型為棕壤,供試大蒜品種為脫毒蒼山蒜。試驗(yàn)田土壤養(yǎng)分含量見表1。
1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理,分別為 CM:施用腐熟牛糞; RM:施用腐熟兔糞;SM:施用大豆發(fā)酵肥;CK:不施肥。隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次,小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2。供試大蒜于2017年10月21日播種,株距12 cm,行距21 cm,2018年6月3日收獲。采用等氮量控制施肥方式,年施氮量為290 kg·hm-2,在種植前深耕時(shí)將有機(jī)肥一次性施入,各有機(jī)肥氮含量及施肥量見表2。
1.3 樣品采集與測(cè)定方法
1.3.1 樣品采集 大蒜收獲后,在各小區(qū)內(nèi)按五點(diǎn)取樣法,采集0~20、20~40 cm 土層土壤樣品。剔除動(dòng)植物殘?bào)w、可見根系、石礫等非土壤部分,自然風(fēng)干后研磨,過0.15 mm篩,備用。
在大蒜成熟期取全部植株,采用5點(diǎn)取樣法,分別在每小區(qū)內(nèi)選取有代表性的1 m2 內(nèi)所有大蒜植株 (含枯葉)將其根、葉身+葉鞘和鱗莖迅速洗凈、擦干,并按3部分進(jìn)行分樣,樣品經(jīng)105℃殺青30 min,80℃下烘干至恒重。
1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目 土壤有機(jī)碳:重鉻酸鉀容量法;土壤全氮:濃硫酸消煮—?jiǎng)P氏定氮法;土壤全磷、全鉀:高壓罐消解法;土壤碳通量:Li-8100土壤碳通量自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè);葉綠素含量及光合速率測(cè)定:大蒜抽薹前,用手持式葉綠素檢測(cè)儀CM1000測(cè)定第三片葉葉綠素含量;用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)測(cè)量大蒜第三片葉凈光合速率。
株高:大蒜抽薹前,測(cè)量植株從土壤表面基部至葉片拉直后最長(zhǎng)葉片頂部的高度;葉長(zhǎng):大蒜抽薹前,測(cè)量植株第三片葉葉片基部至葉尖的長(zhǎng)度;葉寬:大蒜抽薹前,測(cè)量植株第三片葉最寬處;鱗莖縱、橫徑:測(cè)定鱗莖縱向、橫向最大直徑;單頭重:隨機(jī)選取小區(qū)中50頭鱗莖,稱重,取平均值;植株樣品各部分氮含量測(cè)定同土壤。
大蒜產(chǎn)量=平均鱗莖重×666.7m2株數(shù);各器官氮素積累量(kg·hm-2)=氮素含量×干物質(zhì)質(zhì)量;各器官氮素分配比例(%)=各器官氮素積累量/單莖氮素積累量×100;氮素收獲指數(shù)(NHI)=鱗莖氮素積累量/植株氮素積累量。
1.4 數(shù)據(jù)處理
采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和繪圖,采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析軟件用LSD法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。
2 結(jié)果與分析
2.1 不同有機(jī)肥對(duì)蒜田土壤養(yǎng)分的影響
試驗(yàn)結(jié)果表明,在大蒜季結(jié)束時(shí),各處理土壤有機(jī)碳表現(xiàn)為0~20 cm土層與基礎(chǔ)地力無顯著差異,但處理間表現(xiàn)為CM和RM顯著高于SM和CK(P<0.05),20~40 cm土層CM與基礎(chǔ)地力無顯著差異,RM顯著降低,SM和CK顯著升高(P<0.05),處理間表現(xiàn)為SM>CK>CM、RM(圖1A)。土壤全氮表現(xiàn)為0~20 cm土層CM與基礎(chǔ)地力無顯著差異,RM、SM、CK均顯著降低(P<0.05),處理間表現(xiàn)為CM>RM>CK>SM,20~40 cm 土層土壤全氮表現(xiàn)為CM、RM、CK均顯著低于基礎(chǔ)地力,SM顯著高于基礎(chǔ)地力;處理間差異顯著,表現(xiàn)為SM最高,RM最低(P<0.05)(圖1B)。在大蒜生長(zhǎng)季結(jié)束時(shí),土壤全磷表現(xiàn)為各處理下0~20、20~40 cm土層均顯著低于基礎(chǔ)地力,處理間在0~20 cm土層表現(xiàn)為CM最高,SM最低,在20~40 cm土層表現(xiàn)為SM最高,CK最低,差異達(dá)顯著水平(P<0.05)(圖1C)。與基礎(chǔ)地力相比,土壤全鉀與全磷表現(xiàn)相同,各處理均顯著低于基礎(chǔ)地力(P<0.05),各處理間,0~20 cm土層中無顯著差異,20~40 cm土層中表現(xiàn)為CM顯著高于其他處理(P<0.05)(圖1D)。
由圖2看出,從大蒜春季開始生長(zhǎng)到大蒜收獲期,土壤碳通量整體表現(xiàn)為CM最高,SM最低,并且各處理的總體變化狀況基本一致,在4月30日和5月14日之后兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)較其他時(shí)間段高;到大蒜收獲期,CK碳通量高于CM。因?yàn)镃K是連續(xù)養(yǎng)地11年后的土壤,微生物群落已比較穩(wěn)定,分解的土壤有機(jī)碳較多。
對(duì)大蒜抽薹之前7天的碳通量日變化進(jìn)行平均,結(jié)果如圖3A。4種處理下土壤碳通量的日變化均呈現(xiàn)對(duì)稱的單峰變化,在下午2時(shí)左右達(dá)到最高,處理間表現(xiàn)為CM最高,且?guī)缀鯙槠渌幚淼膬杀?,RM、SM、CK處理的峰值表現(xiàn)為CK>SM>RM,在其他時(shí)間段土壤碳通量水平相同。在大蒜收獲期,碳通量的日變化結(jié)果如圖3B,CM處理仍最高,SM最低。
2.2 不同有機(jī)肥對(duì)大蒜農(nóng)藝性狀的影響
如表3所示,各處理的株高和葉寬無顯著差異,SM處理的葉長(zhǎng)顯著小于CM處理,CK處理的葉綠素含量顯著高于各施肥處理(P<0.05),3種有機(jī)肥處理間葉綠素含量差異不顯著,凈光合速率表現(xiàn)為CK顯著高于CM和RM處理,SM顯著高于CM處理(P<0.05)。
2.3 不同有機(jī)肥對(duì)大蒜氮素分配的影響
由圖4和表4看出,在大蒜根中,各處理的氮素積累表現(xiàn)為RM和SM顯著高于CM(P<0.05),CK與各施肥處理間無顯著差異;在大蒜鱗莖中,SM處理下的氮素積累顯著高于CK(P<0.05),與SM和RM無顯著差異;在大蒜莖葉中,各處理的氮素積累均無顯著差異;大蒜植株中,總氮素積累表現(xiàn)為SM最高,CK最低(P<0.05)(圖4)。在氮素分配比例方面,收獲鱗莖中的氮素比例最高,氮收獲指數(shù)(NHI)表現(xiàn)為CM顯著高于CK(P<0.05),RM和SM與CM、CK無顯著差異(表4)。
2.4 不同有機(jī)肥對(duì)大蒜產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
不同處理下大蒜植株各部分干物質(zhì)量均無顯著差異(表5)。從大蒜鱗芽數(shù)、單瓣重、鱗莖橫徑和縱徑等產(chǎn)量構(gòu)成因素和鱗莖產(chǎn)量方面比較,各處理間差異均不顯著(表6)。
3 討論與結(jié)論
土壤是具有生物活性的有機(jī)體,土地生產(chǎn)力的高低很大程度上由土壤肥力決定,利用有機(jī)肥培肥地力是我國農(nóng)業(yè)的特色之一[24]。土壤有機(jī)質(zhì)是土壤養(yǎng)分的重要來源,直接影響土壤的保水保肥能力。土壤有機(jī)質(zhì)可由土壤有機(jī)碳計(jì)算得到,與有機(jī)碳變化一致。研究表明,經(jīng)過腐熟的有機(jī)肥含有大量相對(duì)穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì),在土壤中不易被分解而積累下來,可顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[25]。本試驗(yàn)中,施用牛糞和兔糞顯著提高土壤上層的有機(jī)碳含量,施用大豆發(fā)酵肥對(duì)下層土壤的有機(jī)碳含量作用顯著,即使是對(duì)照,有機(jī)質(zhì)含量也較高,這與此試驗(yàn)地已連續(xù)施用11年牛糞有關(guān),因此,在長(zhǎng)期施用有機(jī)肥之后,即使不施肥,土壤肥力仍能保持較長(zhǎng)時(shí)間。
氮磷鉀作為作物三大必需元素,也常用來衡量土壤肥力。研究表明,長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著提高土壤全氮含量[26,27],增加土壤中磷的有效性[28]。大蒜是需肥較多的蔬菜,整個(gè)生育期對(duì)氮、鉀兩種元素吸收量較高[29]。本試驗(yàn)中,4種處理下土壤全氮和全磷都表現(xiàn)為SM在0~20 cm土層含量最低,20~40 cm土層含量最高,CM表現(xiàn)則與SM表現(xiàn)相反。其原因可能與有機(jī)肥本身性質(zhì)有關(guān),牛糞中有機(jī)質(zhì)豐富,含作物必需的N、P、K及微量元素,但其肥效遲緩[30],因此在0~20 cm土層中保留較多;兔糞中的N、P、K含量高于其他畜禽糞便,且肥效快[31];大豆發(fā)酵肥屬植物性肥料,其氮素含量高,養(yǎng)分釋放迅速。因此牛糞對(duì)上層土壤的改善效果較好,大豆發(fā)酵肥對(duì)下層土壤的改善效果較好,可配合施用。本試驗(yàn)中氮素在大蒜植株體內(nèi)的積累也表明大豆發(fā)酵肥肥效較好。
碳通量表征土壤呼吸的強(qiáng)弱,通常作為衡量土壤微生物活性、土壤肥力及土壤透氣性的指標(biāo),并且有效指示著生態(tài)系統(tǒng)演替的過程和方向[32]。土壤呼吸強(qiáng),表明微生物處于良好狀態(tài),可儲(chǔ)存并循環(huán)更多養(yǎng)分。在施肥管理方面的研究表明,施用有機(jī)肥可以顯著提高土壤微生物呼吸強(qiáng)度和碳氮含量[33,34]。在本試驗(yàn)中,CM和CK相對(duì)較高,SM和RM相對(duì)較低,其可能原因是由于CM、RM、SM 3種有機(jī)肥保持施氮量一致,但其含水量和含氮量均有差異,實(shí)際施肥量并不相同,其中牛糞(CM)施肥量最高,因此其微生物量高于兔糞(RM)和大豆發(fā)酵肥(SM),其次,由于此試驗(yàn)地在試驗(yàn)前已連續(xù)11年施用牛糞,少量的牛糞和大豆發(fā)酵肥施用一年并不足以改變其原有的微生物群落,因此CK處理的碳通量仍然較高。
Barraclougha等[35]研究指出,氮素的吸收利用與農(nóng)作物的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成關(guān)系密切。氮素供應(yīng)與光合作用直接相關(guān),當(dāng)?shù)毓?yīng)不足時(shí),植株表現(xiàn)為矮小黃化,植株干物質(zhì)降低,尤其是葉片干物質(zhì),而葉片干物質(zhì)影響植株光合生產(chǎn)和再生器官內(nèi)同化物的分配[36],進(jìn)而影響作物產(chǎn)量。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要色素,其含量高低在一定范圍內(nèi)與光合能力呈正相關(guān),是反映葉片生理活性的重要指標(biāo)之一[37]。本試驗(yàn)中,SM處理下植株氮素積累量最高,CK處理下大蒜葉片的光合速率高于其他處理,鱗莖產(chǎn)量及其構(gòu)成因素各處理無顯著差異,其原因可能與此試驗(yàn)地基礎(chǔ)地力較高有關(guān)。
綜上所述,不同有機(jī)肥對(duì)土壤和大蒜植株的影響不同。牛糞中的養(yǎng)分可積累在上層土壤中,緩慢釋放,大豆發(fā)酵肥的肥效較快,可改善下層土壤肥力;連續(xù)多年施用牛糞后,即使不施肥,土壤仍保持較高的肥力和生產(chǎn)力。
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