朱 瑜,譚俊杰,梁 闐,楊尚東,譚宏偉

(1.廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/廣西農(nóng)業(yè)環(huán)境與農(nóng)產(chǎn)品安全重點實驗室/植物科學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心,南寧 530004;2.廣西民族師范學(xué)院,廣西崇左 532200;3.廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,南寧 530007)

0 引言

甘蔗(SaccharumofficirumL)是世界上最主要的糖料作物之一,其蔗糖產(chǎn)量約占世界總糖產(chǎn)量的70%以上[1],而在我國蔗糖產(chǎn)量則占到90%以上[2]。此外,甘蔗還是全球重要的可再生能源作物[3]。我國南方甘蔗栽培主要分布于廣西、廣東和云南等地[4]。其中,廣西是我國糖料甘蔗的重要產(chǎn)區(qū),甘蔗栽培面積、蔗糖產(chǎn)量已連續(xù)9年占全國60%以上,甘蔗產(chǎn)業(yè)已成為廣西農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)[5]。研究發(fā)現(xiàn),肥料是甘蔗以及其它作物生產(chǎn)過程中重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料,其對產(chǎn)量和品質(zhì)的形成至關(guān)重要[6]。然而,由于長期不合理的施肥方式,廣西甘蔗產(chǎn)區(qū)面臨嚴(yán)峻的土壤污染和肥力退化的問題[7],包括:土壤重金屬污染、有機物質(zhì)含量減少、土壤酶活性降低、土壤有益微生數(shù)目和種類減少、多種病蟲害發(fā)生嚴(yán)重等[8-9]。目前,我國大約有1/5的耕地土壤有不同程度的重金屬污染,如何對耕地土壤中重金屬進(jìn)行合理修復(fù),從而減少其對動植物體及人體健康的影響是現(xiàn)階段迫切需要解決的重要問題之一[10]。廣西擁有豐富礦產(chǎn)資源,已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)145種,如:錳、銻、鈦、鉛、鋅、鎘、汞、鉻等[11]。然而,礦產(chǎn)資源開采過程中,伴隨著人為運輸和自然力的帶動(水流和氣流)已對周邊環(huán)境產(chǎn)生污染。據(jù)調(diào)查,廣西部分農(nóng)田已出現(xiàn)了多種重金屬含量超標(biāo)的情況[12]。尤其,礦產(chǎn)開發(fā)區(qū)域周圍農(nóng)田土壤受到不同程度污染(含量和深度),如:河池、桂林、南寧、百色、梧州、賀州等地,其中鎘、汞、鉻、鉛等重金屬含量與普通農(nóng)田相比,相差十幾倍至幾十倍[13-15]。

隨著人們對食品安全的重視,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著農(nóng)藥和化肥減量使用方向轉(zhuǎn)變。其中,有機生產(chǎn)是一種較為安全規(guī)范的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式,作物種植過程中所使用的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料均取材自然界,從而有效避免施用無機化學(xué)產(chǎn)品產(chǎn)生的污染[16]。至今的研究發(fā)現(xiàn),生物有機肥和微生物肥均是可有效代替無機化肥的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料[17]。其中,生物有機肥主要是將有益微生物與動植物殘體(如畜禽糞便、農(nóng)作物秸稈等)充分混合,然后再進(jìn)行無害化和腐熟處理,從而形成一種復(fù)合且兼具藻類活性細(xì)胞生物肥料和有機肥效應(yīng)的肥料[18];而微生物肥是有益微生物種類人工培養(yǎng)、發(fā)酵、量化生產(chǎn)后,制成的生物肥料,具有操作簡單、有益菌活性高、定殖速度快、綠色無污染等優(yōu)點[19-20],如:藻類活性細(xì)胞生物肥。無論生物有機肥或微生物肥均是一種重要的有機、綠色、無污染肥料,有助于發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)。

研究發(fā)現(xiàn),自然界中有機質(zhì)對土壤重金屬修復(fù)上發(fā)揮重要作用,因有機質(zhì)中含有羧基、醇羥基、烯醇羥基以及不同類型的羰基結(jié)構(gòu)等官能團結(jié)構(gòu),它們都可以通過吸附、螯合、絡(luò)合等多種作用方式,從而影響到重金屬在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化[21]。馮光輝等[22]研究表明:施用微生物肥可有效阻礙水稻植株對重金屬的吸收,減少稻米中重金屬含量。研究還發(fā)現(xiàn),植物生長過程中添加生物有機肥,其可以改變土壤的物理、化學(xué)和生物性質(zhì),進(jìn)而顯著鈍化土壤中的重金屬[23]。另一方面,符策凡等[24]研究發(fā)現(xiàn),甘蔗連作土地施用生物有機肥不僅有助于提高產(chǎn)量和品質(zhì),而且還有助于減輕甘蔗蟲害的發(fā)生。伍榮冬等[25]亦研究發(fā)現(xiàn)施用不同種類微生物肥都可以影響甘蔗的生長發(fā)育,從而改變甘蔗的的產(chǎn)量和品質(zhì)。此外,王艷平等[26]研究發(fā)現(xiàn),施用生物有機肥和微生物肥可有效改善連作茶菊土壤肥力和微生物群落結(jié)構(gòu),增加土壤養(yǎng)分有效供給,顯著促進(jìn)連作茶菊的生長以及提高其產(chǎn)量和改善品質(zhì),對減輕連作障礙具有顯著效果;李蒙等[27]亦發(fā)現(xiàn),微生物肥可提高番茄葉片光合作用,顯著促進(jìn)番茄植株生長;劉京京等[28]研究還發(fā)現(xiàn),微生物肥可顯著調(diào)節(jié)玉米和大豆根系激素和次生代謝物質(zhì)的變化以及土壤中酶的活性,增強作物對干旱的抵抗能力。

為此,本實驗以甘蔗為研究對象,探究生物有機肥和微生物肥(藻類活性細(xì)胞生物肥)對降低甘蔗重金屬含量以及提高甘蔗產(chǎn)量與品質(zhì)的作用效果,旨為廣西甘蔗的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于廣西壯族自治區(qū)崇左市扶綏縣山圩鎮(zhèn)(107°57′9″E,22°25′51″N)進(jìn)行;前茬作物為甘蔗;土壤理化性狀如下:pH值5.5,有機質(zhì)含量27.1 g/kg,全氮(N)1.3 g/kg,全磷(P)0.46 g/kg,全鉀(K)9.1 g/kg,堿解氮32 mg/kg,速效磷13 mg/kg,速效鉀78 mg/kg;土壤重金屬含量:有效鎘0.25 mg/kg,有效汞0.27 mg/kg,有效砷31 mg/kg,有效鉻107 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計與材料

試驗于2022年1月17日—2023年1月9日進(jìn)行,甘蔗品種為‘柳城05-136’;每個施肥處理設(shè)3個重復(fù),共15個小區(qū),甘蔗栽培行距1.2 m,小區(qū)面積667 m2,試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計。所用施肥材料如下所示,施用方法與用量如表1所示:A化肥:采用單質(zhì)氮、磷、鉀化肥(N、P、K:20-6-15),購置于科綠農(nóng)資有限公司;B藻類活性細(xì)胞生物肥:藻類活性細(xì)胞生物肥購置于北京地福來科技發(fā)展公司,單細(xì)胞藻體含量≥5.0×106個/mL;藻類活性細(xì)胞生物肥分兩次均勻噴施于土壤表面,每次噴施前稀釋100倍,第一次于2022年1月18日種植前噴施于蔗田;第二次于2022年6月18噴施;C生物有機肥:生物有機肥為益田生物有機肥,生物有機肥養(yǎng)分組成為:有機質(zhì)41 g/kg,含氮4.11 g/kg,含磷1.1 g/kg,含鉀2.25 g/kg,有效活菌數(shù)(cfu)≥0.20億/g,甘蔗種植前耕地一次性均勻施入;D藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥:甘蔗種植前分別將兩類肥料一次性均勻噴施和撒施于蔗田,具體方法同上。

表1 甘蔗不同施肥處理Table 1 Different fertilization treatments on sugarcanes

1.3 測定指標(biāo)與方法

甘蔗有效莖數(shù)、產(chǎn)量的測定參照區(qū)惠平[29]的方法進(jìn)行;蔗糖含量、田間蔗汁錘度的測定參照李文鳳[30]的方法進(jìn)行。甘蔗植株重金屬鎘、汞、砷、鉻含量分別采用石墨爐原子吸收光譜法和原子熒光光譜法的方法進(jìn)行測定[31-32]。

1.4 統(tǒng)計分析

使用Microsoft Excel 2019軟件統(tǒng)計數(shù)據(jù)和制圖;采用IBM SPSS 26.0統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素方差分析(P＜0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對甘蔗植株重金屬含量的影響

2.1.1 不同施肥處理對甘蔗植株鎘含量的影響

由圖1可知,與施用化肥(A)處理相比,藻類活性細(xì)胞生物肥(B)、生物有機肥(C)和藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥(D)處理顯著降低了甘蔗植株鎘的含量;表明,與施用化肥相比,無論是藻類活性細(xì)胞生物肥亦或是生物有機肥,均有助于顯著降低甘蔗植株對鎘的吸收。

圖1 不同施肥處理對甘蔗鎘含量的影響Fig.1 Effect of different fertilizers on cadmium content in sugarcane

2.1.2 不同施肥處理對甘蔗植株汞含量的影響

由圖2可知,與施用化肥(A)處理相比,生物有機肥(C)以及藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥(D)處理中甘蔗植株汞含量顯著降低。上述結(jié)果表明,生物有機肥以及藻類活性細(xì)胞生物肥和生物有機肥組合處理均可顯著降低甘蔗對汞的吸收。

圖2 不同施肥處理對甘蔗汞含量的影響Fig.2 Effect of different fertilizers on mercury content in sugarcane

2.1.3 不同施肥處理對甘蔗植株砷含量的影響

由圖3可知,與施用化肥(A)處理相比,無論是藻類活性細(xì)胞生物肥(B)、生物有機肥(C)抑或是藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥(D)處理均顯著降低了甘蔗植株中砷的含量。表明:藻類活性細(xì)胞生物肥和生物有機肥均可顯著降低甘蔗對砷的吸收。

圖3 不同施肥處理對甘蔗砷含量的影響Fig.3 Effect of different fertilizers on arsenic content in sugarcane

2.1.4 不同施肥處理對甘蔗鉻含量的影響

由圖4可知,與施用化肥(A)處理相比,藻類活性細(xì)胞生物肥(B)、生物有機肥(C)以及藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥(D)處理均顯著降低了甘蔗植株中鉻的含量。表明:藻類活性細(xì)胞生物肥、生物有機肥以及藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合均可顯著降低甘蔗對鉻的吸收。

圖4 不同施肥處理對甘蔗鉻含量的影響Fig.4 Effect of different fertilizers on chromium content in sugarcane

2.2 不同施肥處理對甘蔗產(chǎn)量與有效莖數(shù)的影響

由表2可知,與施用化肥(A)處理相比,雖然單一的藻類活性細(xì)胞生物肥(B)和生物有機肥(C)處理甘蔗產(chǎn)量顯著低于相應(yīng)的化肥處理,但藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合(D)處理甘蔗產(chǎn)量與化肥之間不存在顯著差異;另一方面,同樣與施用化肥(A)處理相比,藻類活性細(xì)胞生物肥(B)、生物有機肥(C)以及藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合(D)處理甘蔗有效莖數(shù)與施用化肥處理之間均不存在顯著差異,表明:與施用化肥處理相比,雖然施用單一的藻類活性細(xì)胞生物肥或生物有機肥均難以顯著提高甘蔗產(chǎn)量和有效莖數(shù);但是,藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合(D)處理則有助于顯著提高甘蔗產(chǎn)量。

表2 不同施肥處理對甘蔗產(chǎn)量和有效莖數(shù)的影響Table 2 Effects of different fertilizers on cane yields and stem numbers

2.3 不同施肥處理對甘蔗品質(zhì)的影響

由表3可知,與施用化肥(A)處理相比,除了藻類活性細(xì)胞生物肥(B)處理甘蔗的蔗糖含量外,生物有機肥以及藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合的蔗糖含量,以及蔗汁錘度均顯著高于相應(yīng)的化肥(A)處理,尤其藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合(D)處理提升甘蔗的蔗糖含量和蔗汁錘度的效果最為顯著。換言之,藻類活性細(xì)胞生物肥和生物有機肥均有助于提升甘蔗的品質(zhì),尤其組合施用提升的效果更佳。

表3 不同施肥處理對甘蔗品質(zhì)的影響Table 3 Effect of different fertilizers on sugarcane quality

3 討論

甘蔗因其植株高大且生長周期長,需肥量大,為了追求高收益,施用化肥是大多數(shù)生產(chǎn)者的選擇[33]。但是長期施用化肥會導(dǎo)致土壤肥力逐年降低、重金屬積累和病害發(fā)生,進(jìn)而降低甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)[34]。由于土壤重金屬(鎘、汞、砷、鉻、鉛等)積累會顯著影響作物的正常生理活動,例如:降低植物酶活性[35]、阻礙細(xì)胞器的形成[36];以及養(yǎng)分吸收利用效率下降,不利于作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成[37]等。研究發(fā)現(xiàn),土壤中施用微生物菌肥不僅可以吸附以及固化土壤中大部分重金屬,而且可以降低土壤重金屬的有效性[38]。如:鄭少玲等[39]以芥藍(lán)為研究對象發(fā)現(xiàn),生物有機肥可以有效減少芥藍(lán)對重金屬的吸收;LIU等[40]亦發(fā)現(xiàn),生物有機肥中含有的有機質(zhì)和有益微生物對重金屬具有很強的吸附與螯合作用,進(jìn)而顯著影響植物體內(nèi)重金屬的含量;HE等[41]研究發(fā)現(xiàn),土壤中微生物可以通過分泌有機酸和植物激素等物質(zhì)改變植物對于土壤中重金屬的吸收,進(jìn)而可以顯著影響植物體內(nèi)重金屬的含量。LUO等[42]研究還發(fā)現(xiàn),藻類活性細(xì)胞生物肥可以通過其細(xì)胞內(nèi)積累或結(jié)合、胞外固定、ROS清除等多種途徑顯著改變重金屬的毒性和含量,降低重金屬對植物的負(fù)面影響;馬鐵錚等[43]發(fā)現(xiàn),生物有機肥可以顯著減少土壤和水稻體內(nèi)有效態(tài)鎘和鉛的含量。AMMAR等[44]發(fā)現(xiàn),微生物肥可以有效地改善土壤環(huán)境條件,不僅可以產(chǎn)生有機物、植物激素和活性化合物,而且還可以固化土壤重金屬,為植物的生長提供更為有利的條件。本文亦發(fā)現(xiàn),施用生物有機肥和藻類活性細(xì)胞生物肥亦顯著降低甘蔗植株重金屬含量,與前人研究結(jié)果一致。

另一方面,生物有機肥和微生物肥可顯著改善植物根際環(huán)境土壤微生物結(jié)構(gòu),提高土壤酶活性,增加土壤有效養(yǎng)分含量,從而解決甘蔗生長需肥問題與長期單一施用化肥形成的環(huán)境問題[45];盧國培[46]等發(fā)現(xiàn),生物有機肥,不僅顯著增加宿根甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì),而且還減少化肥使用量;LI等[47]還發(fā)現(xiàn),施加生物有機肥或微生物肥可以顯著影響土壤中細(xì)菌群落組成,增強土壤中代謝活性,進(jìn)而促進(jìn)植物的生長發(fā)育。生物有機肥或藻類活性細(xì)胞生物肥可重塑土壤中的微生物群落組成,增強土壤中代謝活性,進(jìn)而促進(jìn)植物的生長發(fā)育;黃香武等[48]發(fā)現(xiàn)生物有機肥可顯著增加甘蔗有效莖數(shù),提高甘蔗產(chǎn)量;周文靈等[49]亦發(fā)現(xiàn),藻類活性細(xì)胞生物肥可顯著提高甘蔗根系活力,促進(jìn)甘蔗根系對養(yǎng)分的吸收利用。

另外黃恒掌等[50]發(fā)現(xiàn),不同種類微生物肥可顯著促進(jìn)甘蔗糖分的積累;微生物肥與化肥搭配使用,不僅可以提高蔗糖含量和產(chǎn)量,而且還可以減少化肥的投入[51]。此外,生物有機肥與化肥相比,生物有機肥雖然在甘蔗出苗率、分蘗率、莖徑方面的影響效果不及化肥,但有效莖、蔗糖含量、蔗汁錘度等方面顯著增加[52-53]。本文亦發(fā)現(xiàn),與施用化肥相比,生物有機肥和藻類活性細(xì)胞生物肥均顯著提高甘蔗的蔗糖含量和蔗汁錘度,同時兩者混合使用還可以增加甘蔗產(chǎn)量和有效莖數(shù)。

4 結(jié)論

(1)與施用化肥相比,藻類活性細(xì)胞生物肥和生物有機肥均顯著降低了甘蔗植株鎘、汞、砷、鉻重金屬的含量;

(2)與施用化肥相比,單施生物有機肥或藻類活性細(xì)胞生物肥處理的甘蔗產(chǎn)量和有效莖數(shù)雖然不同程度地低于化肥處理,但藻類活性細(xì)胞生物肥+生物有機肥組合處理的甘蔗產(chǎn)量和有效莖數(shù)相比于化肥處理分別增加了1 500 kg/hm2和2 090株/hm2;

(3)與施用化肥相比,藻類活性細(xì)胞生物肥和生物有機肥均有助于提升甘蔗的品質(zhì),尤其組合施用提升的效果更佳。