花生緩釋專用肥配施根瘤菌菌劑的肥效和增產增效作用研究

李 敏梁偉健 付時豐羅培宇楊勁峰韓曉日*

(1.沈陽農業大學土地與環境學院/土肥高效利用國家工程研究中心/農業農村部東北玉米營養與科學觀測試驗站,遼寧 沈陽 110866;2.遼寧方園有機食品認證有限公司,遼寧 沈陽 110866)

花生是我國重要的經濟作物和油料作物,近年來其國內產量超過1 700萬t[1]?；ㄉ漠a量和品質雖然嚴重依賴肥料的投入,但研究表明,當肥料用量達到適宜用量后,隨著肥料施用量的繼續增加,作物產量不增反降,肥料利用率也趨于下降,造成了資源浪費,不利于環境保護[1]。不合理施肥會造成植株養分失衡,農作物產品品質下降,土壤板結酸化、肥力下降等問題[2-3]。

花生種植過程中,由于其獨特的生長特性,不便追肥,并且不同生育期對氮、磷、鉀各養分的需求存在差異[4]。實際生產過程中通常采用一次性基施的施肥方式,但是常規肥料養分釋放快,養分供給速率與作物養分需求規律不同步,很難滿足植株不同生育期需求,容易造成前期肥力過剩,后期植株脫肥早衰,對花生產量的形成和品質的穩定造成損害[5]。并且肥料施用后容易造成揮發、徑流和淋溶等損失,導致肥料資源浪費和環境污染[6]。目前,緩釋肥料及根瘤菌菌劑的應用逐漸成為解決該問題的新途徑。新型緩釋復合肥料主要根據作物在不同生長發育階段對養分的不同需求,通過在肥料表面覆蓋一層薄膜去控制肥料養分的釋放速度和釋放量,一次性基施就能夠滿足作物全生育期對養分的需求,不僅避免肥料中的養分在土壤中快速釋放,還能協調土壤養分供應與植物養分吸收之間的矛盾,減少環境污染[7-9],在減少人工與資料成本、增產和增效方面都具有明顯優勢。根瘤菌菌劑作為一種生物菌劑,可促進與豆科植物形成共生固氮體系,提高作物產量,減少化肥使用量,是綠色環保的供氮方式。

目前對緩控釋肥和根瘤菌菌劑的研究屢見不鮮,但對兩者配合使用對土壤肥力和花生的影響研究較少[10-18]。本試驗采用新型花生緩釋專用肥與花生根瘤菌菌劑配合施用的方式,依托沈陽農業大學后山棕壤花生新型肥料試驗地,采用田間試驗與室內分析相結合的研究方法,研究二者不同配合施用對土壤肥力和花生產量的影響,旨在通過一次性施肥并在特定時間段進行針對性的養分釋放,實現精準供肥,保證花生高產穩產。為肥料配方的進一步優化和作物減肥增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在沈陽農業大學后山花生新型肥料試驗地進行,地理位置123°33′E,40°48′N,處于松遼平原南部中心地帶,屬溫帶濕潤—半濕潤季風氣候,年平均氣溫7.0～8.1℃,無霜期為148～180 d,生長期平均降雨量為547～684 mm,土壤類型為棕壤?；纠砘笜艘姳?。

表1 試驗地土壤的基本理化性質Table 1 The basic physical and chemical properties of the test soil

1.2 試驗材料

供試花生品種為“花育20”。供試新型花生緩釋專用肥(N13-P17-K15)來自沈陽農業大學植物營養與肥料研究所,常規肥料來自遼寧富友肥業有限公司。根瘤菌菌劑采用花生根瘤菌菌劑(中國農大CCBAU 11445),將根瘤菌劑用0.8%生理鹽水稀釋3倍后,用小噴霧器均勻噴撒在花生種子表面,陰干后使用。50 mL 菌劑可以供667 m2田地種子用。本試驗中用1 瓶菌劑(50 mL菌劑+100 mL 0.8%生理鹽水稀釋),放到小噴霧器中(現用現混)使用。

1.3 試驗設計

共設置5 個處理,見表2。其中CF 處理與NF處理為等氮磷鉀養分,各處理設置3個重復,隨機區組排列,小區面積18 m2(6壟寬,6 m 長,壟距50 cm)。

表2 試驗處理設計Table 2 Design of treatments

1.4 測定項目與方法

于2018年花生播前及各生育期(出苗期、開花下針期、結莢期、成熟期)采集0～20 cm 土壤樣本,各處理在每個小區隨機采集兩點,并于開花下針期、結莢期、成熟期分別采集花生根瘤樣本,各處理在每個小區隨機取2株,用鏟子小心將花生完整根系挖出,以確保根瘤全部取出,取回后置于0.15 mm 篩中用流水沖洗,摘取根系根瘤,計數稱質量[6]。樣本測定項目與方法:土壤p H 采用p H 電極法(雷磁PHS-3G),水土比2.5∶1。土壤堿解氮采用1.0 mol·L-1NaOH 堿解擴散法測定。土壤有效磷采用0.5 mol·L-1Na HCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAC浸提—火焰光度計法測定,有機質和土壤全氮采用干燒法測定,全磷采用NaOH 熔融—鉬銻抗分光光度計法測定,全鉀采用NaOH 熔融—火焰光度法測定。

花生產量計算:每個小區單獨計產,將計產區內花生莢果全部摘下,風干后進行考種,折算出小區籽粒產量。

土壤綜合肥力指數(soil integrated fertility index,IFI):采用內梅羅指數法對所有處理的土壤肥力品質進行評價,本文選用土壤p H、有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀為分肥力指標,計算分肥力系數,利用修正的內梅羅公式計算土壤綜合肥力指數。

(1) 分肥力指數IFIi的計算:

式中,IFIi表示分肥力系數,X表示該屬性測定值;Xa與Xp分別表示分級標準下、上限,Xc表示介于分級標準上、下限間。屬性值分級標準(Xa、Xc、Xp)主要參考第二次全國土壤普查標準 (表3)。

表3 土壤各屬性的分級標準值Table 3 The grading standard value of soil properties

(2) 綜合土壤肥力指數IFI的計算:

式中,IFIi平均與IFIi最小為土壤各屬性分肥力均值與最小值;n為評價指標個數。

1.5 數據分析

數據采用Excel 2016和Origin 2021進行數據整理和作圖,使用SPSS 19.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤有效養分的影響

不同處理下的土壤速效養分含量在不同時期的變化有所差異。表4可知,在花生的整個生育時期不同處理土壤中堿解氮含量表現為先升高后降低的趨勢,所有處理均在開花下針期達到高峰。在苗期,CF處理的含量最高,比NF-處理高13.3%。開花下針期各處理堿解氮含量較苗期均有增加,其中CF處理含量與苗期一樣,仍為所有處理中的最高值,顯著高于NF、NF-、NF-R 處理,分別提高了8.9%、11.8%、9.81%,但與NF+R 處理相比無顯著差異。結莢期各處理堿解氮含量要普遍低于開花下針期,降幅最高的是CF處理,下降了35.53%;降幅最低的是NF處理,下降了6.03%,具體表現為CF＞NF-＞NF-R＞NF+R＞NF。結莢期NF+R 處理和NF 處理堿解氮含量顯著高于其他處理。成熟期與結莢期相比,堿解氮含量略有下降。各處理中NF+R 處理的含量最高,顯著高于CF、NF-、NF-R 處理,分別提高了14.3%、17.4%、6.6%。高于NF 處理3.0%,但并無顯著差異?；ㄉ忈寣Ｓ梅屎透鼍鷦┛梢蕴岣呋ㄉ笃谕寥缐A解氮的含量。

表4 不同施肥處理對土壤有效養分的影響 (mg/kg)Table 4 Effects of different fertilization treatments on soil available nutrients

土壤速效磷含量在苗期和開花下針期整體變化不大,基本持平,而到結莢期含量大幅降低,成熟期與結莢期基本持平。在花生各生育時期,NF+R處理相較于其他處理速效磷含量均為最高,CF和NF-處理含量相當,NF和NF-R 處理相當。苗期NF+R和NF處理土壤有效磷含量顯著高于CF處理,分別高出了23.6%和17.7%;NF-R 處理土壤有效磷含量比CF處理高7.5%,比NF-處理高8.2%,但差異并不顯著;開花下針期NF+R和NF處理土壤速效磷含量優于其他處理,具體表現為NF+R＞NF＞NF-R＞CF＞NF-,NF+R顯著高于CF處理,高出了18.1%;NF-R處理土壤有效磷含量比CF處理高8.8%,比NF-處理高15.8%,但差異并不顯著;結莢期各處理土壤有效磷含量有所降低,降低幅度最大的是CF處理,為80.7%。降低幅度最小的是NF+R,為40.9%;與CF相比,在成熟期NF、NF+R、NF-和NF-R處理土壤速效磷含量分別提高了29.4%、52.8%、4.3%和26.7%,其中NF、NF+R和NF-R處理達到了顯著水平。說明花生緩釋專用肥及根瘤菌菌劑可以提高花生整個生育期內土壤速效磷的含量。

在花生的整個生育時期,各處理土壤中速效鉀含量略有下降,但幅度不大。苗期CF 處理土壤速效鉀含量最高,且顯著高于其他各處理,與NF、NF+R、NF-和NF-R 處理相比分別提高了11.3%、8.3%、23.2%和12.6%;開花下針期土壤速效鉀含量最高的處理變為NF+R,但與CF和NF相比差異并不顯著,比NF-和NF-R 處理分別提高了14.7%和5.6%,且達到了顯著水平;結莢期和成熟期速效磷含量變化特征相似,具體表現為NF+R＞NF＞NF-R＞CF＞NF-。結果說明,花生緩釋專用肥、根瘤菌菌劑的使用可以提高花生生育后期土壤速效鉀含量。

2.2 不同施肥處理對花生結瘤情況的影響

從表5可看出,在開花下針期NF+R 處理結瘤數最高,分別是CF、NF、NF-和NF-R 處理的2.22、1.45、1.89和1.26倍;NF-R 處理是NF-處理的1.49倍,且差異顯著;結莢期NF+R 處理結瘤數仍為最高,為27.33個/株,是CF、NF和NF-處理的2.1、1.61、2.1 倍,且差異顯著,是NF-R處理的1.17 倍,但差異不顯著;NF-R 處理是NF-處理的1.79倍,差異顯著;在成熟期,NF+R處理是CF處理的1.97倍,差異顯著,是NF處理的1.39倍,是NF-R 的1.2倍,但均無顯著差異;NF-R 是NF-處理的2.19倍,差異顯著。說明與常規施肥方式相比,新型肥料能提高根系活性,促進花生結瘤;與單施新型肥料相比,配施根瘤菌菌劑處理能顯著提高有效根瘤數量。

表5 不同施肥處理對花生根瘤數的影響(個/株)Table 5 Effect of different fertilization treatments on nodule number of peanut

2.3 不同施肥處理對花生產量的影響

從圖1可看出,花生緩釋專用肥和根瘤菌菌劑的施用對花生產量具有積極的影響。配施菌劑處理(NF+R、NF-R)下花生的產量要顯著高于其對照處理(NF、NF-),NF+R 處理顯著高于NF處理,提高了11.6%。NF-R 處理顯著高于NF-處理,提高了14.6%,增產效果明顯;與常規施肥(CF)相比,花生緩釋專用肥配施根瘤菌菌劑(NF+R)可顯著提高花生產量,是所有處理的最高產量,為4 688.4 kg/hm2。與CF 相比,NF+R 處理的產量提高了1 270.6 kg/hm2,增產22.05%。與NF-和NF-R 處理相比,分別提高了27.0%和10.8%,差異性均達到了顯著水平;NF-R 處理的產量次之,與NF和CF處理相比無顯著差異,產量基本持平;NF-處理花生產量顯著低于NF 處理,降低了13.8%,但與CF 處理相比無顯著差異,說明新型肥料減施在一定程度上減少花生產量,但與根瘤菌菌劑搭配施用后,增產效果與單施新型肥料相比無異。

圖1 不同施肥處理對花生產量的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on peanut yield

2.4 不同施肥處理作物產量對土壤綜合肥力指數的響應

作物產量直接反映了土壤供應和協調作物生長的肥力水平。圖2是不同施肥處理作物總產量對土壤綜合肥力指數的響應。由圖可知,土壤綜合肥力指數與試驗開始前的1.74相比,常規施肥處理(CF)和施用花生緩釋專用肥(NF、NF+R、NF-、NF-R)的處理IFI均有所提高。NF+R、NF-R、NF處理IFI值較高,同時作物的產量也比較高。CF和NF-處理土壤綜合肥力較低,并且作物的產量也相對較低。內梅羅指數法對土壤綜合肥力評價結果與土壤的實際生產力基本一致,較高的土壤肥力能夠表征作物的高產。CF 和NF-處理的產量和IFI均無顯著差異,但與CF處理相比,NF-處理減少了肥料的投入量;NF 和NF-R處理相比,產量無顯著差異,而NF-R 處理的IFI卻高于NF處理,差異性接近于顯著水平(PIFI=0.063),說明配施菌劑在肥料減施的情況下仍可以保證土壤肥力,而不致產量下降;NF+R 和NF-R 處理相比,IFI無顯著差異,幾乎處于同一水平,而NF+R 處理的產量顯著高于NF-R 處理(P＜0.05),高出了10.8%。說明在施肥量相等的情況下,花生緩釋專用肥和根瘤菌菌劑可以提高土壤肥力和花生產量。

圖2 不同施肥處理作物總產量對土壤綜合肥力指數的響應Fig.2 Response of crop annual yield to integrated fertility index(IFI)under different fertilization treatments

2.5 土壤養分指標與肥力綜合指數相關性

通過對土壤各養分指標與IFI相關性的分析發現,有機質、堿解氮、全磷、速效磷與綜合肥力指數呈顯著相關關系,p H、全氮、全鉀、速效鉀與綜合肥力指數不相關 (表6)。

表6 土壤綜合肥力指數與養分指標的相關系數Table 6 Correlation coefficients between IFI and soil nutrients

3 討論

有關施用緩釋肥料對作物產量影響的研究較多。有研究表明,施用緩釋肥料可以改善花生的農藝性狀,促進花生產量的提高。另外,緩釋肥料的施用可顯著增加花生干物質的積累,提高肥料養分利用率[19-23]。本研究結果表明,與常規肥料相比,供試的花生緩釋專用肥表現出一定的緩釋特性,施用后延長了養分的釋放周期,可確?；ㄉ笃陴B分的需求,配施根瘤菌菌劑增加了根瘤數,避免了生育后期脫肥早衰,有利于花生產量的形成和品質的穩定。研究結果還表明,在合理減施肥料用量及配施菌劑的情況下,該緩釋肥有望保持土壤肥力和作物豐產。施氮量過多,養分供應不平衡是阻礙我國花生產量提高,導致肥料資源嚴重浪費的主要原因[24],該緩釋肥在減量15%的條件下,花生產量和IFI與常規施肥相比均無顯著差異,說明與常規肥料相比,該緩釋肥料在減少肥料施入量的同時保證了土壤肥力與花生產量;而減量15%且配施菌劑的條件下,花生產量和IFI均高于常規施肥處理,但與全量施用且配施菌劑處理相比花生產量有下降趨勢。該緩釋肥在減量15%的條件下,如果以根瘤菌菌劑代替部分化肥,對土壤肥力和花生產量有一定的補償效應?；ㄉ臃N根瘤菌菌劑能夠提高其種子和周圍土壤中根瘤菌的數量,進而保證有效的結瘤和較高的花生產量。本試驗所采用的根瘤菌菌劑是一種固氮菌,李艷寧等[25-28]研究認為,選擇固氮能力高且適宜的根瘤菌菌劑,能提高花生的共生固氮能力,減少氮肥的投入量。土壤肥力是決定土壤生產力的主要因素,是眾多土壤理化及生物屬性綜合作用的反映,本研究選用p H、有機質、全氮、堿解氮、全磷、速效磷、全鉀和速效鉀計算的土壤綜合肥力指數(IFI)可綜合表征花生緩釋專用肥及其配施菌劑對土壤肥力的影響特征[29]。前人研究表明,緩釋肥能夠提高土壤中有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀等養分的含量,從而提高土壤肥力[30-31],這與本研究的結果一致。本試驗條件下,花生緩釋專用肥及根瘤菌菌劑的施用改變了供試土壤的肥力特征,提高了土壤綜合肥力指數。

4 結論

本研究表明,花生緩釋專用肥配施根瘤菌菌劑的增產增效作用顯著?；ㄉ忈寣Ｓ梅蕼p緩了養分的釋放速度。與等施肥量的常規施肥處理相比,花生緩釋專用肥配施根瘤菌菌劑對花生產量及土壤肥力的提高效果顯著?；ㄉ忈寣Ｓ梅蕼p施與常規施肥處理效果相當?；ㄉ忈寣Ｓ梅蕼p量配施根瘤菌菌劑在減少肥料投入量的情況下確保了土壤肥力和花生產量,表明根瘤菌菌劑對土壤肥力和花生產量可以起到一定的補償效應,為減肥增效提供了理論依據。