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        生物炭基肥對(duì)馬鈴薯田土壤脲酶活性和產(chǎn)量的影響

        2021-12-17 07:20:38劉紅健王海莉任少勇
        作物雜志 2021年6期
        關(guān)鍵詞:生物產(chǎn)量

        高 佳 王 姣 王 松 劉紅健 康 佳 沈 弘 王海莉 任少勇

        (1湖州靈糧生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司,313000,浙江湖州;2浙江清華長(zhǎng)三角研究院,314000,浙江嘉興)

        土壤酶是由微生物、動(dòng)植物活體及殘骸分解釋放于土壤中的一類活性物質(zhì),是土壤生態(tài)系統(tǒng)保持物質(zhì)和能量轉(zhuǎn)化聯(lián)系的紐帶[1]。酶活性的增強(qiáng)可促進(jìn)土壤的代謝作用,使土壤養(yǎng)分形態(tài)發(fā)生變化,從而提高其有效性。土壤酶活性是土壤生物活性和肥力的重要指標(biāo)。其中土壤脲酶活性對(duì)評(píng)價(jià)土壤肥力水平有重要意義。隨著“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”的提出,浙江省湖州市是全國(guó)第2批推廣試點(diǎn)城市,但是由于該地區(qū)土壤瘠薄、土質(zhì)較差、保水保肥性差,導(dǎo)致水肥利用率低,成為馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)提高的重要限制因子。因此研究保水保肥的新型肥料及其增產(chǎn)機(jī)制對(duì)改良土壤、提高馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)具有重要意義。

        生物炭基肥是根據(jù)作物不同生育期的需肥要求,將生物炭與化肥按照一定比例混合加工制成的一種新型緩釋肥料,具有改良土壤、增加地溫、保水、保肥和延長(zhǎng)肥效的功能。其主要成分是生物質(zhì)炭。生物炭是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作物秸稈、枝條、咖啡渣等廢棄物在低氧或部分缺氧條件下,經(jīng)熱裂解炭化產(chǎn)生的一類高度芳香烴難熔性固態(tài)物質(zhì)[2]。它能延緩肥料在土壤中的養(yǎng)分釋放,提高土壤有機(jī)碳含量,提高地溫及土壤保水保肥能力,促進(jìn)土壤微生物繁殖,提高土壤肥力,是肥料的增效載體[3],具有良好的土壤改良作用[4]。學(xué)者在生物質(zhì)炭對(duì)菜豆、玉米、水稻[5]等作物上的應(yīng)用效果做了相關(guān)研究,但生物炭基肥對(duì)土壤脲酶活性的影響報(bào)道較少。有研究[6-7]表明,施用生物炭會(huì)促進(jìn)與N、P等礦質(zhì)元素利用相關(guān)的土壤脲酶活性,降低參與土壤碳礦化等生態(tài)學(xué)過(guò)程的土壤脲酶活性。許云翔等[8]施用生物質(zhì)炭 6年后發(fā)現(xiàn),15t/hm2的生物質(zhì)炭下土壤脲酶活性比0t/hm2增加了36.5%。侯建偉等[9]和趙軍[10]研究表明,生物質(zhì)炭可顯著提高土壤脲酶活性,其活性隨著生物質(zhì)炭施入量的增加而增強(qiáng)。但是,關(guān)于生物炭基肥對(duì)馬鈴薯土壤脲酶活性和產(chǎn)量影響的研究目前還鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)通過(guò)比較生物炭基肥和等量 N、P、K化肥對(duì)土壤脲酶活性和馬鈴薯產(chǎn)量的影響,為生物炭基肥在馬鈴薯生產(chǎn)上的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 供試材料

        試驗(yàn)于2019和2020年8-12月在浙江省湖州市吳興區(qū)八里店鎮(zhèn)試驗(yàn)基地(30°22′ N,119°15′ E)進(jìn)行。該地四季分明,氣候溫和,年均氣溫15.8℃,年均降水量約1200mL,無(wú)霜期約225d,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,試驗(yàn)地土壤為砂壤土。2019和2020年試驗(yàn)地 0~20cm耕層有機(jī)質(zhì)含量分別為 9.06和11.89g/kg,堿解氮為43.88和44.23mg/kg,有效磷為 11.21和 12.41mg/kg,速效鉀為 101.59和98.39mg/kg,pH為8.13和8.09。供試馬鈴薯品種為“中薯3號(hào)”的脫毒原種,肥料為尿素(N 46.3%)、過(guò)磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 52%)和生物炭基馬鈴薯專用肥(含有機(jī)碳64%,氮10%,磷8%,鉀18%,由生物質(zhì)炭與化肥復(fù)合而成)。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        共設(shè) 9個(gè)處理,包括 4個(gè)不同生物炭基肥處理,施肥量分別是300、600、900、1200kg/hm2,用T1、T2、T3、T4表示;5個(gè)對(duì)照處理,分別為不施肥(CK0)以及與 T1、T2、T3、T4對(duì)應(yīng)等量 N、P2O5、K2O施肥處理,用CK1、CK2、CK3、CK4表示,各處理施肥量見(jiàn)表1。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),4次重復(fù)。小區(qū)面積 30m2(5.0m×6.0m),行距 60cm,株距31.3cm,播種密度52 500株/hm2,各處理肥料在播種時(shí)作為基肥一次性全部施入。2019年8月19日人工播種,11月25日收獲測(cè)產(chǎn);2020年8月10日人工播種,11月28日收獲測(cè)產(chǎn),灌溉均采用滴灌,其他管理同一般生產(chǎn)田。

        表1 各處理施肥量Table 1 Fertilization amounts of all treatments kg/hm2

        1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

        于2019年和2020年9-12月進(jìn)行樣品采集,在馬鈴薯苗期、塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期分別取0~10、10~20和20~40cm耕層土壤。每個(gè)小區(qū)沿對(duì)角線取3點(diǎn),剔除石塊和植物殘根等雜物,混合制樣,裝袋后帶回實(shí)驗(yàn)室,樣品風(fēng)干后過(guò)1mm篩,采用靛酚藍(lán)比色法[NH3-N mg/(g·24h),37℃][11]測(cè)定土壤脲酶活性。

        1.4 數(shù)據(jù)處理

        采用Excel 2010、SAS 9.1和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯田土壤脲酶活性的影響

        土壤脲酶是一種有高度專一性的酶,能促進(jìn)土壤中含氮有機(jī)化合物的分解,最終產(chǎn)物是氨、二氧化碳和水,其活性常用來(lái)表征土壤氮素轉(zhuǎn)化和供應(yīng)強(qiáng)度。從圖1~3可看出,2019和2020年土壤脲酶活性變化規(guī)律相似。隨馬鈴薯生育期推進(jìn),施肥處理的馬鈴薯0~40cm土層的土壤脲酶活性均呈先升高后降低趨勢(shì)。整體來(lái)看,塊莖增長(zhǎng)期土壤脲酶活性最強(qiáng),2年平均值在1.03~1.41mg/(g·24h)之間,其次是成熟收獲期,苗期脲酶活性最弱。在馬鈴薯苗期、塊莖增長(zhǎng)期、成熟收獲期各施肥處理的土壤脲酶活性 2年平均值分別較 CK0提高 8.88%~33.47%、8.76%~25.34%和3.12%~18.27%。表明施肥可以增強(qiáng)土壤脲酶活性,其活性高低與植物生長(zhǎng)發(fā)育速度密切相關(guān)。

        圖1 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯苗期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.1 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at seedling stage of potato

        在馬鈴薯相同生育時(shí)期,土壤脲酶活性隨著土層深度的增加而減小,0~10cm土層脲酶活性最高,各處理各時(shí)期2年平均值變化在0.95~1.19mg/(g·24h)之間,脲酶活性較10~20cm土層高6.19%~8.17%,較20~40cm土層高12.86%~17.09%。說(shuō)明土壤脲酶活性存在表層富集效應(yīng),可能是表層土壤能較好地與外界進(jìn)行物質(zhì)與能量交換,利于微生物的繁殖來(lái)增強(qiáng)土壤脲酶活性。

        土壤脲酶是一種酰胺酶,其活性高低表征土壤的氮素狀況。同一土層中,隨著施肥量的增加,馬鈴薯田土壤脲酶活性逐漸升高,且均高于CK0。由圖1可知,在馬鈴薯苗期,CK1、CK2、CK3、CK4處理的脲酶活性分別高于T1、T2、T3、T4,且 0~10、10~20和20~40cm土層脲酶活性2年均值分別較生物炭基肥處理高 4.74%~7.17%,2.52%~3.66%和1.64%~4.87%。說(shuō)明化肥作為一種速效肥料,可以快速提高土壤氮素轉(zhuǎn)化,促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育,0~10cm土層氮素轉(zhuǎn)化效率最高。由圖2和圖3可知,在馬鈴薯塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期,T1、T2、T3、T4處理的土壤脲酶活性均分別高于CK1、CK2、CK3、CK4,其中塊莖增長(zhǎng)期施生物炭基肥處理的0~10、10~20和20~40cm土層脲酶活性2年平均值較施化肥處理提高 0.71%~3.16%,1.81%~3.57%和2.22%~4.04%;成熟收獲期提高 2.49%~5.61%,1.59%~4.53%和 2.45%~3.89%。表明生物炭基肥具有緩釋效果,與等量化肥相比,更能滿足馬鈴薯生長(zhǎng)中后期對(duì)氮肥的需求。

        圖2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯塊莖增長(zhǎng)期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.2 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at the tuber growth stage of potato

        圖3 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯成熟收獲期不同土層土壤脲酶活性的影響Fig.3 Effects of biochar-based fertilizer on soil urease activity of different soil layers at harvest stage of potato

        2.2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

        由表2可知,2019和2020年馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素變化規(guī)律相似。除CK1外,各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)差異不顯著。T1、T2、T3和T4馬鈴薯單薯重分別與CK0達(dá)到了顯著或極顯著差異。各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯重、大薯率表現(xiàn)為 T3>CK3>T4>CK4>T2>CK2>T1>CK1>CK0。T1~T4處理產(chǎn)量2年平均值分別較CK1~CK4處理增加了1.32%~7.85%、4.57%~9.81%、6.44%~14.79%和 9.38%~12.17%。2年產(chǎn)量平均值表現(xiàn)為T3>T4>CK3>T2>CK4>T1>CK2>CK1>CK0,T3處理產(chǎn)量最高,達(dá)到了32 655.62kg/hm2,極顯著高于CK0。表明施生物炭基肥能提高氮肥利用率,延長(zhǎng)氮素在土壤中的存留期,減少淋失,促進(jìn)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育,通過(guò)提高單株結(jié)薯數(shù)、單薯重和大薯率等增加產(chǎn)量。

        表2 生物炭基肥對(duì)馬鈴薯產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effects of biochar-based fertilizer on yield and its factors of potato

        2.3 土壤脲酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性

        由表3可以看出,在馬鈴薯不同生育時(shí)期,土壤脲酶活性與馬鈴薯產(chǎn)量間存在正相關(guān)關(guān)系。特別是塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期,土壤脲酶活性與產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.926~0.972。說(shuō)明這 2個(gè)時(shí)期土壤脲酶活性的高低直接影響馬鈴薯產(chǎn)量。

        表3 土壤脲酶活性與產(chǎn)量的相關(guān)性Table 3 Correlation of the soil urease activity and yield

        3 討論

        土壤酶是參與土壤新陳代謝的重要物質(zhì),土壤里發(fā)生的生化反應(yīng)幾乎都是由土壤酶參與完成的。土壤脲酶參與土壤中氮的循環(huán),是土壤中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成有效氮,再被植物吸收過(guò)程中不可或缺的[12-13]。李東坡等[14]在吉林省0~25cm土壤脲酶活性動(dòng)態(tài)的研究表明,施肥處理的脲酶活性表現(xiàn)為高量有機(jī)肥>低量有機(jī)肥>化肥>不施肥。本試驗(yàn)中,隨著施肥量的增加,馬鈴薯田土壤脲酶活性逐漸增加。在相同施肥量下,苗期施化肥的馬鈴薯田土壤脲酶活性高于施生物炭基肥處理,在塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期,施生物炭基肥的馬鈴薯田土壤脲酶活性高于施化肥處理。施六八[15]研究表明,施用炭基復(fù)合肥能夠顯著提高蘿卜的產(chǎn)量,比施常規(guī)復(fù)合肥增產(chǎn)2161.05~3928.65kg/hm2,主要原因是炭基復(fù)合肥比常規(guī)復(fù)合肥的利用率高,可以持續(xù)供應(yīng)蘿卜生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分。劉小虎等[16]研究表明,在相同施肥量下,炭基緩釋專用肥處理的花生產(chǎn)量大于 N、P、K肥處理。本試驗(yàn)中,在一定范圍內(nèi)增施生物炭基肥可以改善馬鈴薯的單株結(jié)薯數(shù)、單薯重和大薯率等產(chǎn)量構(gòu)成因素,從而提高了馬鈴薯產(chǎn)量。

        施肥改善了土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)了土壤脲酶活性,進(jìn)而促進(jìn)了土壤微生物的新陳代謝,加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化,提高了土壤供肥能力,為馬鈴薯生長(zhǎng)提供了良好的環(huán)境,但是施肥過(guò)量反而降低馬鈴薯產(chǎn)量。本文研究結(jié)果展示了生物炭基肥的良好應(yīng)用前景。但是,由于生物炭基肥的緩釋效應(yīng),在浙江地區(qū)為了促進(jìn)馬鈴薯前期的生長(zhǎng),生物炭基肥和化肥配合施用能否進(jìn)一步增加馬鈴薯的產(chǎn)量還需要做深入研究。

        4 結(jié)論

        在等量施肥條件下,施生物炭基肥可以提高土壤脲酶活性,滿足馬鈴薯全生育時(shí)期生長(zhǎng)發(fā)育需求。在馬鈴薯苗期,土壤脲酶活性表現(xiàn)為CK4>T4>CK3>T3>CK2>T2>CK1>T1>CK0;在塊莖增長(zhǎng)期和成熟收獲期,土壤脲酶活性表現(xiàn)為T4>CK4>T3>CK3>T2>CK2>T1>CK1>CK0。馬鈴薯不同生育時(shí)期土壤脲酶活性表現(xiàn)為塊莖增長(zhǎng)期>成熟收獲期>苗期;不同土層脲酶活性表現(xiàn)為 0~10cm>10~20cm>20~40cm。各施肥處理的馬鈴薯單株結(jié)薯數(shù)、單薯重、大薯率為T3>CK3>T4>CK4>T2>CK2>T1>CK1>CK0。馬鈴薯產(chǎn)量為 T3>T4>CK3>T2>CK4>T1>CK2>CK1>CK0。生物炭基肥具有緩釋的作用,可以提高肥料利用率,與等量N、P、K化肥相比更能滿足馬鈴薯中后期生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)養(yǎng)分的需求。生物炭基肥施用量為 900kg/hm2時(shí)馬鈴薯產(chǎn)量最高,可作為浙江地區(qū)馬鈴薯種植的推薦施肥量。

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