司海麗,紀(jì)立東,劉菊蓮,柳驍桐,鄭淑欣
(1.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,銀川 750002;2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院作物研究所,銀川 750002;3.寧夏中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心,寧夏 中衛(wèi) 755000)
【研究意義】玉米是世界上最具潛力的糧飼兼用型作物,作為我國(guó)第一大作物,在保障糧食安全的同時(shí)可以緩解飼料短缺并占有重要地位[1]。然而在耕地資源有限的情況下,只有提高玉米單產(chǎn),才是維持持續(xù)增產(chǎn)的唯一途徑[3],而提高單產(chǎn)最直接的方法就是增加水肥投入。研究表明,化肥對(duì)玉米的增產(chǎn)效果趨于降低,同時(shí)可加劇土壤鹽堿化程度和地下水富集[4],尤其是長(zhǎng)期以來氮肥過量施用造成土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤有機(jī)質(zhì)流失、生物活性下降,甚至土壤肥力降低[5]。近年來,隨著生態(tài)農(nóng)業(yè)逐步發(fā)展,我國(guó)農(nóng)田以施用無機(jī)化肥為主逐漸轉(zhuǎn)向以施用有機(jī)肥有主[6]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)肥具有緩效性,且含有氮、磷、鉀、氨基酸和及微量元素[7],可為作物生長(zhǎng)提供所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能改良土壤理化性狀,改善作物品質(zhì)及提高土壤微生物生物量、酶活性、群落功能多樣性和豐度[8-10],同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)糞便的資源化利用。因此,施用有機(jī)肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中提高土壤生產(chǎn)力,保持作物產(chǎn)量,減少化肥施用的有效措施[11-12]。但是,有機(jī)肥過量施用也會(huì)帶來負(fù)面影響。3年生釀酒葡萄施用有機(jī)肥超過12 t/hm2時(shí),會(huì)抑制對(duì)氮磷鉀吸收,減緩生長(zhǎng),從而降低產(chǎn)量,且過量施用有機(jī)肥會(huì)惡化土壤微生物生存環(huán)境,增加蔬菜中硝酸鹽累積量[13-14]。葉榮生[15]通過柑橘盆栽試驗(yàn)得出:有機(jī)肥施用量達(dá)到土壤總重16%時(shí),會(huì)明顯抑制柑橘幼苗生長(zhǎng)。同時(shí),有機(jī)肥是屬于長(zhǎng)效肥,在作物生長(zhǎng)后期持續(xù)釋放養(yǎng)分在一定程度上會(huì)造成農(nóng)作物貪青和晚熟,并且有機(jī)肥中氮素含量較高,過量施用很容易出現(xiàn)燒苗、燒根,還可能增加深層土壤硝態(tài)氮累積量,增大淋失風(fēng)險(xiǎn),污染地下水和地表水,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[16]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】雞糞有機(jī)肥中含有相對(duì)較高的氮磷鉀,分別約為5.43%、5.06%和4.89%,是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有機(jī)肥的主要原料之一,但是關(guān)于有機(jī)肥施用閾值在玉米種植上的研究較少?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗(yàn)以飼料玉米為研究對(duì)象,通過大田隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)試驗(yàn),探討有機(jī)肥不同施用水平對(duì)玉米產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分和生物活性影響,以期為科學(xué)養(yǎng)田,提高土壤生物學(xué)質(zhì)量,確定有機(jī)肥合理施用量提供科學(xué)依據(jù)。
2018—2019年在寧夏引黃灌區(qū)青銅峽市邵崗鎮(zhèn)甘城子村(105°41′E、37°36′N,海拔1150 m)進(jìn)行2年定位試驗(yàn),該區(qū)域?qū)俅箨懶詺夂?,年均日照時(shí)數(shù)2897 h,日照率達(dá)65%。年均降水量147.7 mm,年均蒸發(fā)量約2902 mm。該地區(qū)土壤0~30 cm層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì):土壤pH為8.3~8.5、有機(jī)質(zhì)9.87 g/kg、全鹽0.25 g/kg、全氮0.64 g/kg、堿解氮57.65 mg/kg、速效磷31.75 mg/kg、速效鉀271.25 mg/kg,土壤肥力較貧瘠,砂礫含量高。
供試玉米:當(dāng)?shù)刂髟云贩N“登海605”。供試肥料:雞糞有機(jī)肥,采用封閉式連續(xù)動(dòng)態(tài)槽式強(qiáng)制曝氣好氧快速堆肥發(fā)酵工藝(依據(jù)標(biāo)準(zhǔn):NY 525),包括物料預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵、臭氣處理和加工包裝等環(huán)節(jié)。其pH為8.1,全鹽含量24.6 g/kg、有機(jī)質(zhì)506.0 g/kg、全氮25.8 g/kg、全磷23.5 g/kg、全鉀38.1 g/kg。有機(jī)肥生產(chǎn)工藝遵循規(guī)?;笄蒺B(yǎng)殖糞便處理需求和環(huán)保要求。
試驗(yàn)采用單因素完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)6個(gè)處理。CK:不施肥;T1:施有機(jī)肥3750 kg/hm2;T2:施有機(jī)肥7500 kg/hm2;T3:施有機(jī)肥15 000 kg/hm2;T4:施有機(jī)肥30 000 kg/hm2;T5:施有機(jī)肥45 000 kg/hm2。小區(qū)面積8 m×12 m=96 m2,采用機(jī)械寬窄行種植,寬行70 cm,窄行40 cm,株距20 cm。灌溉方式為滴灌,滴灌帶鋪設(shè)于窄行中間位置,全生育期等量灌溉,灌溉6次,灌溉定額為5400 m3/hm2。播種前將所有有機(jī)肥一次性撒施后深耕。全生育期其他農(nóng)藝操作及病蟲害防控措施一致。
1.4.1 土壤養(yǎng)分測(cè)定 2018年試驗(yàn)前和2018、2019年收獲期采用5點(diǎn)法取樣法采集0~30 cm 層土壤帶回實(shí)驗(yàn)室。pH計(jì)測(cè)定土壤pH;DDS-11電導(dǎo)率儀測(cè)定全鹽含量;重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量;堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量;用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量;用1 mol/L醋酸銨溶液浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量。
1.4.2 玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因素測(cè)定 玉米收獲期,每個(gè)小區(qū)按照1.1 m×2.0 m規(guī)格設(shè)置樣方,采用卷尺測(cè)定穗長(zhǎng)和禿尖長(zhǎng);采用游標(biāo)卡尺測(cè)定穗粗;對(duì)穗行數(shù)以及行粒數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù),稱取單穗重和百粒重,并測(cè)定產(chǎn)量。
1.4.3 土壤微生物測(cè)定 采用稀釋平板分離計(jì)數(shù)法測(cè)定土壤細(xì)菌、真菌和放線菌三大微生物類群數(shù)量,以每克干土所含菌落數(shù)(cfu)表示。細(xì)菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基在37 ℃下培養(yǎng)2~3 d,真菌用馬丁氏—孟加拉紅培養(yǎng)基在27~28 ℃下培養(yǎng)3 d,放線菌用高氏一號(hào)培養(yǎng)基27~28 ℃下培養(yǎng)6 d,記錄每類菌種的菌落數(shù),再依據(jù)土壤含水量計(jì)算出每克干土所含菌落數(shù)(cfu)。
1.4.4 土壤酶活性測(cè)定 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定,以24 h后1 g土壤葡萄糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示;脲酶活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測(cè)定,以24 h后1 g土壤中NH3-N質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示;堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定,以24 h后1 g土壤中酚的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mg/g)表示;過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定,以20 min內(nèi)1 g土壤消耗的0.1 mol/L KMnO4體積數(shù)(mL)表示。
試驗(yàn)采用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和作圖,采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用LSD法進(jìn)行方差分析和多重比較(P<0.05)。
由表1可知,施用有機(jī)肥可有效提高玉米生長(zhǎng)指標(biāo),增加產(chǎn)量。相比2018年玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素,2019表現(xiàn)為降低,這可能與年際間玉米各個(gè)生育期的氣候與降雨分布有關(guān)。2018年各處理玉米穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)及穗重?zé)o顯著差異,T4較CK處理百粒重顯著增加21.4%,其他處理間無顯著差異;禿尖長(zhǎng)度總體偏長(zhǎng),但T5處理顯著高于其他處理。2019年玉米整體生長(zhǎng)指標(biāo)低于2018,2019年百粒重明顯低于2018年,這是因?yàn)?019年倒春寒導(dǎo)致玉米苗期受損,加上后期干旱少雨,影響總體長(zhǎng)勢(shì)。2019年各個(gè)處理間表現(xiàn)出相對(duì)明顯的差異,總體以處理T3和T4最好。與CK處理相比,施用有機(jī)肥能顯著增加玉米穗長(zhǎng),但各施肥處理間無顯著差異;T3處理穗粗顯著高于其他處理,較CK處理極顯著增加5.9 mm;穗重以T4處理最顯著,其中分別較T1和CK 處理分別顯著增加16.6和48.6 g;百粒重和行粒數(shù)均以T3處理最高;禿尖長(zhǎng)以CK處理最長(zhǎng),其次是T1處理。
表1 不同用量有機(jī)肥對(duì)玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響
如表2所示,產(chǎn)量構(gòu)成因素之間具有相關(guān)性。行粒數(shù)和穗長(zhǎng)間呈顯著正相關(guān);穗重和穗長(zhǎng)間呈極顯著正相關(guān),穗重與穗粗間呈顯著正相關(guān),穗重與行粒數(shù)間呈極顯著正相關(guān),而百粒重與其他產(chǎn)量構(gòu)成因素之間無相關(guān)性。
表2 各產(chǎn)量構(gòu)成因素相關(guān)系數(shù)
通過對(duì)玉米產(chǎn)量和有機(jī)肥施用量進(jìn)行曲線擬合(圖1),2018年擬合曲線方程為:y=0.000005x2+0.2787x+6761.4,R2=0.9279,當(dāng)施肥量為27 880 kg/hm2時(shí),可達(dá)到最高產(chǎn)量10 647.87 kg/hm2;2019年擬合曲線方程為:y=0.000005x2+0.2503x+5811.1,R2=0.9138,當(dāng)施肥量為25 030 kg/hm2時(shí),可達(dá)到最高產(chǎn)量8943.60 kg/hm2。
圖1 2018、2019年不同處理施肥量-玉米產(chǎn)量擬合曲線
由表3可知,2018和2019年不同用量有機(jī)肥還田,土壤養(yǎng)分含量較CK處理均增加。2年間土壤pH沒有明顯變化,各處理均維持在8.2~9.0,土壤全鹽含量隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加,各施肥處理土壤養(yǎng)分含量均高于CK處理,且2019年土壤養(yǎng)分累積量高于2018年。與CK相比,2018年土壤全鹽含量增幅為4.3%~65.2%,2019年全鹽含量增幅為32.0%~80.0%;有機(jī)肥連續(xù)2年還田,0~30 cm層土壤有機(jī)質(zhì)含量較CK處理明顯增加,2018年以處理T4有機(jī)質(zhì)含量最高,其次是處理T3,顯著高于其他施肥處理,極顯著高于CK,分別較CK顯著增加56.31%和39.5%。2019年土壤有機(jī)質(zhì)隨著施肥量的增加呈逐漸上升趨勢(shì),處理T5有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到23.8 g/kg,較CK顯著提高141.4%,處理T1~T4較CK分別顯著增加34.3%、57.84%、84.0%和89.0%。有機(jī)肥施用可有效增加0~30 cm層土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量。2018和2019年土壤堿解氮含量均以處理T5積累量最高,分別較對(duì)照顯著增加54.2%和57.9%。2018年以處理T4土壤速效磷含量顯著高于其他處理,但2019年則以處理T5含量最高。土壤速效鉀含量整體隨著施肥量的增加而呈上升趨勢(shì),以處理T5積累量最高,2018和2019年較CK分別顯著增加125.3%和86.9%。由此可見,施用有機(jī)肥可以顯著增加0~30 cm層土壤全鹽和養(yǎng)分含量,并隨著施肥量增加,其含量呈上升趨勢(shì)。
表3 不同用量有機(jī)肥還田對(duì) 0~30 cm 土層土壤養(yǎng)分含量的影響
如表4所示,2018和2019年各施肥處理的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量明顯高于不施肥處理(CK),微生物總數(shù)表現(xiàn)為隨著有機(jī)肥施用量增加呈先增加后減少趨勢(shì),且2019年高于2018年微生物數(shù)量。2018年以處理T3細(xì)菌數(shù)量最高,為2.5×108cfu/g,較CK顯著增加252.1%;真菌數(shù)量也以處理T3最高;放線菌數(shù)量則以處理T2最高,微生物總數(shù)T3>T2>T1>T4>T5>CK。2019年細(xì)菌數(shù)量以處理T2最高,其次是處理T3,且較CK分別顯著增加215.2%和202.4%;真菌數(shù)量以處理T3最高,為12.3×105cfu/g,顯著高于其他處理;放線菌數(shù)量呈先增加后減少趨勢(shì),以處理T2數(shù)量最高,為23.89×106cfu/g;微生物總數(shù)為T2>T3>T1>T4>T5>CK,各施肥處理的細(xì)菌/真菌比值以處理T4最高,其次是處理T1,以處理T5最低,分析原因可能是隨著有機(jī)肥施用量增加,導(dǎo)致土壤中氮素累積相對(duì)較多,進(jìn)而推進(jìn)土壤由細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)變。
表4 不同用量有機(jī)肥對(duì)0~20 cm土層土壤微生物的影響
如表5所示,0~20與20~40 cm層土壤酶活性均顯著高于CK,且0~20 cm層土壤酶活性高于20~40 cm。土壤脲酶是尿素水解的專一性酶,其活性可反映土壤供氮能力的強(qiáng)弱,從0~20 cm土層來看,處理T3的土壤脲酶含量最高,較CK顯著增加63.6%,并且隨著施肥量增加呈先增加后降低趨勢(shì);土壤過氧化氫酶活性總體為高施肥量處理強(qiáng)于低施肥量處理,處理T3、T4和T5較CK分別顯著提高26.2%、25.1%和18.7%;土壤蔗糖酶和磷酸酶活性與土壤脲酶活性變化規(guī)律相似,總體以處理T3和T4土壤酶活性高于其他處理,極顯著高于對(duì)照。20~40 cm層土壤酶活性隨著施肥量增加呈逐漸升高的趨勢(shì),總體以處理T5土壤酶活性最高,土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶分別較對(duì)照顯著增加202.3%、37.4%、97.4%和56.3%。
表5 不同用量有機(jī)肥對(duì)土壤酶活性的影響
有機(jī)肥除了含有大量作物生長(zhǎng)所必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)外,還含有很多腐殖質(zhì)和微量元素,與化肥相比更利于作物生長(zhǎng),從而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[17]。任偉等[18]通過對(duì)玉米吐絲期和成熟期根系及地上部生物量的研究表明,增施有機(jī)肥更夠顯著增加玉米根系和地上部生物量,減小根冠比,促進(jìn)玉米產(chǎn)量的形成。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明,施用有機(jī)肥可以提高飼料玉米的生長(zhǎng)指標(biāo),并且連續(xù)施用有機(jī)肥2年后各處理間的產(chǎn)量構(gòu)成因子差異明顯,尤其施用有機(jī)肥后玉米穗長(zhǎng)、穗粗、穗重、百粒重和行粒數(shù)明顯高于不施肥處理,但是隨著有機(jī)肥施用量增加,各項(xiàng)產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)和產(chǎn)量呈先增后降變化趨勢(shì)。韓建等[19-21]研究表明過低或過量施用有機(jī)肥及單一施用化肥均會(huì)影響葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì),這和本研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥一般作為基施,過量有機(jī)肥對(duì)種子萌發(fā)起到抑制作用,同時(shí)過量施用有機(jī)肥會(huì)抑制植物對(duì)氮磷鉀的吸收,造成籽粒不飽滿,從而降低產(chǎn)量。
作物健康生長(zhǎng)的前提離不開良好的土壤養(yǎng)分狀態(tài),施用有機(jī)肥不僅能增加和更新土壤有機(jī)質(zhì),增強(qiáng)生物活性,還能改善土壤理化性質(zhì),提高肥料利用率[22-23]。本研究表明連續(xù)2年施用有機(jī)肥增加了土壤pH及全鹽含量,主要原因是有機(jī)肥本身含有較高的堿性物質(zhì)和鹽分。但有研究結(jié)果表明,施用有機(jī)肥可以降低土壤中的堿性物質(zhì)及鹽分含量[24],與本研究結(jié)果相反。這是因?yàn)殚L(zhǎng)期施用有機(jī)肥,土壤有機(jī)組分分解后形成有機(jī)酸,從而降低了土壤中堿性物質(zhì),同時(shí)由于有機(jī)質(zhì)增加,土壤通透性加強(qiáng),土壤表層鹽分更容易向土壤下層淋洗,降低了土壤鹽分,而本研究可能是有機(jī)肥施用年份較短。本試驗(yàn)結(jié)果還表明,施用有機(jī)肥能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,促進(jìn)土壤速效養(yǎng)分積累,這與田小明等[25]研究結(jié)果一致,主要原因是施用有機(jī)肥可使土壤有機(jī)質(zhì)和腐殖酸含量增加,增強(qiáng)土壤微生物活性,提高土壤脲酶對(duì)氮素轉(zhuǎn)化,從而增加土壤氮含量,降低土壤C/N比,促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累。姬興杰等[26]研究發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)物料能降低土壤對(duì)磷的固定,提高土壤有效磷含量,與本研究結(jié)果一致。姜佰文等[27]研究表明,施用有機(jī)肥可以緩解和改良土壤理化性質(zhì),并且有機(jī)肥中的養(yǎng)分在玉米生長(zhǎng)過程中緩慢釋放的同時(shí)還能活化土壤中可利用養(yǎng)分,達(dá)到與玉米吸收養(yǎng)分同步。徐軍等[28]在青貯玉米上的研究結(jié)果表明有機(jī)肥中腐殖質(zhì)帶有的正負(fù)電荷可吸附離子,減緩?fù)寥鲤B(yǎng)分流失。因此,合理施用有機(jī)肥能夠增加土壤養(yǎng)分,改善土壤理化質(zhì)量。
施用有機(jī)肥可有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,從而促進(jìn)土壤微生物繁殖,改善土壤微生態(tài)環(huán)境。細(xì)菌因代謝能力強(qiáng),繁殖快,并且與土壤接觸表面積大,在土壤中活躍數(shù)量大,是土壤微生物的主要組成部分[29]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,施用有機(jī)肥能夠明顯增加玉米根圍土壤微生物數(shù)量,尤其是細(xì)菌數(shù)量增幅較大,和前人研究結(jié)果一致,且微生物總數(shù)隨著有機(jī)肥施用量增加呈先增加后減少趨勢(shì),且2019年明顯高于2018年。土壤環(huán)境中各類微生物在代謝過程中會(huì)產(chǎn)生很多酶,而土壤酶可以催化一系列化學(xué)反應(yīng),從而促進(jìn)土壤代謝,土壤酶活性受土壤微環(huán)境影響,能直接反映出土壤質(zhì)量和健康狀況[30-31]。李晨華等[32]研究表明,施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施可以提高土壤多種酶活性。本試驗(yàn)表明,與不施肥處理相比,施用不同量有機(jī)肥均能有效提高0~20和20~40 cm層土壤脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶和蔗糖酶活性,并且0~20 cm層酶活性明顯高于20~40 cm層,這與高明等[33]“土壤酶活性在土壤表層具有富集效應(yīng)”研究結(jié)論一致??赡苁怯捎谕寥辣韺优c外界環(huán)境接觸多,氧氣充足,利于微生物繁殖,而隨著土壤深度增加,土壤與外界物質(zhì)及能量交換降低,土壤營(yíng)養(yǎng)含量減少,微生物繁殖受到限制,進(jìn)而土壤酶活性降低[34]。本研究結(jié)果還表明,0~20 cm層土壤酶活性變化與20~40 cm層變化趨勢(shì)不一致,20~40 cm層土壤酶活性隨著有機(jī)肥施用量增加而逐漸增加,這可能是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥后,耕層底部土壤養(yǎng)分增加促進(jìn)酶促反應(yīng)的正向進(jìn)行,從而提高了土壤酶活性[35]。
隨著有機(jī)肥施用量增加,玉米產(chǎn)量變化顯著,呈先增后降變化趨勢(shì),2018和2019年最高產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的有機(jī)肥施用量分別為27 880和25 030 kg/hm2。隨著有機(jī)肥施用量增加,0~30 cm層土壤養(yǎng)分含量呈顯著增加變化趨勢(shì)。隨著有機(jī)肥施用量增加,土壤微生物數(shù)量呈先增加后減少趨勢(shì),2019年高于2018年。施用有機(jī)肥后,0~20、20~40 cm層土壤酶活性顯著高于不施肥處理,且0~20 cm高于20~40 cm層。