化肥減施配施微生物菌肥對鹽堿地土壤質(zhì)量及玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

朱望帥，韓震，胡一涵，祝德玉，陳化榜，趙茂林，王建林

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/山東省旱作農(nóng)業(yè)技術(shù)重點實驗室，山東 青島 266109；2.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/中國科學(xué)院種子創(chuàng)新研究院，北京 100101)

玉米是黃河三角洲墾殖區(qū)重要的飼料作物和糧食作物，但受該地區(qū)土壤鹽堿障礙影響，產(chǎn)量常低而不穩(wěn)，使得玉米種植業(yè)發(fā)展嚴(yán)重受阻[1]。研究表明，施肥是提升鹽堿地作物生產(chǎn)力的重要措施[2]，根據(jù)土壤供肥能力、玉米生長特性以及當(dāng)?shù)厣a(chǎn)水平建立相應(yīng)的施肥模式，是提高鹽堿地玉米產(chǎn)值的關(guān)鍵。但該地區(qū)普遍存在化肥施用過量、以肥料的高投入追求作物高產(chǎn)出的問題，施用量已遠(yuǎn)超經(jīng)濟(jì)意義上的最優(yōu)施用量，在增加投入成本的同時加劇了土壤鹽堿程度，使經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益下降[3，4]。因此，亟需一種既可保障玉米產(chǎn)量穩(wěn)定，又可減少化肥施用量的科學(xué)合理施肥模式。

微生物菌肥是一種通過添加活性有益菌群來改善土壤環(huán)境使作物得到特定肥效的有機(jī)肥料[5]，它通過改變根際土壤微生物分布，制造和協(xié)助作物吸收養(yǎng)分，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[6，7]。研究表明，微生物菌肥在鹽堿田中表現(xiàn)出較好的效果，在修復(fù)鹽堿土壤、培肥地力及提高作物抗病和耐鹽堿能力等方面有不可替代的作用[8－10]。前人對玉米施肥研究主要集中在施肥量、施肥方式及水肥效應(yīng)等方面[11－14]，尚缺乏化肥減施與微生物菌肥在濱海鹽堿地施用效果的系統(tǒng)研究。本研究針對黃河三角洲地區(qū)土壤鹽堿和化肥施用過量的現(xiàn)狀，探討化肥減施及配施微生物菌肥對鹽堿地土壤養(yǎng)分、生物學(xué)性狀及玉米產(chǎn)量、品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)效益等的影響，以期獲得一套鹽堿地養(yǎng)地增產(chǎn)、化肥減量增效的施肥模式，為該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021年5—10月在中國科學(xué)院中科東營分子設(shè)計育種研究中心(北緯37°71′，東經(jīng)118°90′)進(jìn)行。種植期間平均氣溫為24℃，累計降水量為869 mm(圖1)。試驗地土壤為濱海鹽化潮土，耕層(0～20 cm)土質(zhì)為黏土，基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH值8.39，含鹽量2.42 g·kg－1，有機(jī)質(zhì)含量10.63 g·kg－1、堿解氮42.75 mg·kg－1、速效磷10.01mg·kg－1、速效鉀211.46 mg·kg－1。

圖1 玉米生長期的平均氣溫與降水量

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

試驗設(shè)5個處理，分別為不施肥(對照，CK)、單施化肥(CF)；減施20%化肥＋微生物菌肥(CF1)；減施30%化肥＋微生物菌肥(CF2)；減施50%化肥＋微生物菌肥(CF3)，詳見表1。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次，小區(qū)面積為6.8 m×5.0 m＝34.0 m2。

表1 試驗處理施肥方案 (kg·hm－2)

供試玉米品種為鮑玉3號，5月1日播種，播種密度6.75萬株·hm－2，9月下旬收獲。供試肥料:化肥為磷酸二銨(N 15%，P2O542%)，微生物菌肥(山東德州陽光科技有限公司生產(chǎn)，富含解淀粉芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、側(cè)孢短芽孢桿菌等有益菌群，有效活菌數(shù)≥2.0億·g－1)。所有肥料作為基肥一次性施入，整個生育期不澆水、不追肥，水分供應(yīng)均來源于自然降雨。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì) 玉米收獲期各處理取0～20 cm混合土樣，風(fēng)干過篩，分裝于滅菌密封袋中備用。土壤pH值、含鹽量和養(yǎng)分含量參照鮑士旦[15]的方法測定。

1.3.2土壤生物學(xué)性狀 取部分混合土樣于4℃冰箱中保存，土壤微生物量和微生物量氮碳含量分別采用稀釋涂布平板法、氯仿熏蒸—硫酸鉀浸提法測定；參照徐雙等[16]的分析方法測定土壤酶活性。

1.3.3 產(chǎn)量及品質(zhì) 玉米成熟期實收測產(chǎn)，用谷物水分測定儀(PM－8188－A)測定籽粒含水量，按14%的含水率折算成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。利用近紅外谷物分析儀(InfratectTM1241，丹麥福斯公司)測定籽粒品質(zhì)。

1.3.4 經(jīng)濟(jì)效益 經(jīng)濟(jì)效益定義為產(chǎn)值與生產(chǎn)投入的差值，生產(chǎn)投入主要包括種子、化肥成本及耕種、收獲時的投入，產(chǎn)值為玉米籽粒產(chǎn)量收益。1.3.5 肥料養(yǎng)分利用指標(biāo) 肥料農(nóng)學(xué)利用效率(AE，kg·kg－1)＝[施肥區(qū)產(chǎn)量(kg·hm－2)－不施肥區(qū)產(chǎn)量(kg·hm－2)]/施肥純量(kg·hm－2)。肥料偏生產(chǎn)力(PFP，kg·kg－1)＝作物經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量(kg·hm－2)/施肥量(kg·hm－2)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、作圖和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知，化肥減施＋微生物菌肥處理均降低了土壤pH值和含鹽量，而單施化肥增加了兩者的值。與CK相比，CF1、CF2、CF3處理的pH值分別降低4.73%、5.46%、6.19%；與CF相比，CF1、CF2、CF3處理分別降低5.42%、6.14%、6.87%，其中CF3處理的pH值與CK、CF差異均達(dá)顯著水平。含鹽量以CF3處理最低，為1.64g·kg－1，較CK和CF處理分別降低15.90%和20.77%。CF1、CF2、CF3處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別較CK提升38.94%、42.33%和36.06%，差異均達(dá)顯著水平；較CF分別提升22.03%、25.00%、19.49%，其中CF1、CF2與CF差異達(dá)顯著水平。與CK相比，各施肥處理均能提高堿解氮和速效磷含量，各處理間速效鉀含量無顯著變化。其中，堿解氮和速效磷含量均為CF處理最高，分別為63.12、18.27 mg·kg－1，CF、CF1和CF2處理的堿解氮含量較CK增幅分別為27.77%、25.10%和24.43%，差異均達(dá)顯著水平，CF、CF1、CF2、CF3處理的土壤速效磷含量較CK分別顯著提高62.54%、46.17%、59.61%、33.90%。

表2 不同處理土壤理化性質(zhì)

2.2 不同施肥處理對土壤微生物的影響

由表3看出，不同施肥處理對土壤細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量有明顯影響，各處理土壤微生物均以細(xì)菌為主，約占微生物總量的98%以上。CF1、CF2、CF3處理明顯增加土壤細(xì)菌、放線菌數(shù)量和微生物總量，降低真菌數(shù)量。其中以CF3處理效果最顯著，細(xì)菌、放線菌數(shù)量及微生物總量較CK分別增加84.62%、73.91%、84.52%；與CF相比分別增加90.61%、85.83%、90.83%。而CF處理真菌數(shù)量較CK增加10.49%，細(xì)菌、放線菌數(shù)量較CK降低3.15%、6.16%。

表3 不同處理土壤微生物數(shù)量 (cfu/g)

由圖2看出，施肥能明顯提高土壤微生物量碳含量，以CF3處理效果最好，為112.03 mg·kg－1，相比CK、CF處理顯著增加86.47%、44.24%。不同處理間微生物量氮含量表現(xiàn)為CF1＞CF2＞CF＞CF3＞CK，CF1處理比CK顯著增加64.86%。

圖2 不同施肥處理對土壤微生物量碳、氮含量的影響

2.3 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

圖3顯示，化肥減施＋微生物菌肥各處理能明顯提高土壤過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性，且處理間土壤酶活性無顯著性差異。CF1、CF2、CF3處理與CF相比，過氧化氫酶活性分別提高47.62%、41.27%、42.86%，以CF1處理效果最好。各處理間脲酶和堿性磷酸酶的變化趨勢相一致，表現(xiàn)為CF3＞CF1＞CF2＞CF＞CK，與CK相比，不同施肥處理的脲酶、堿性磷酸酶活性變化范圍分別在4.42%～37.17%、10.11%～35.58%；CF3處理的脲酶、堿性磷酸酶活性較CF分別提高31.36%、23.13%。

圖3 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.4 不同施肥處理對玉米籽粒品質(zhì)的影響

圖4顯示，玉米淀粉含量隨著化肥用量減少，呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，即CF1＞CF2＞CF＞CF3＞CK，各處理淀粉含量在52.43%～65.01%，其中CF1處理較CK顯著提高24.00%。粗蛋白含量在9.37%～10.15%，其中CF2處理最高，較CK增加8.32%，且處理間差異不顯著。各處理的粗脂肪含量變化趨勢與淀粉含量較一致，CF1處理最高，為5.67%，與CK相比，顯著提高10.31%。

圖4 不同施肥處理對玉米籽粒品質(zhì)的影響

2.5 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表4看出，施肥處理均能顯著提高玉米產(chǎn)量，各處理對玉米增產(chǎn)優(yōu)劣順序為CF2＞CF＞CF1＞CF3＞CK，CF2、CF、CF1、CF3較CK分別顯著增產(chǎn)38.08%、34.36%、31.88%、25.22%，且CF、CF1、CF2處理間差異不顯著，但均顯著高于CK和CF3處理。施肥處理均能顯著提高玉米產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)效益，每公頃經(jīng)濟(jì)效益表現(xiàn)為CF2＞CF＞CF1＞CF3＞CK，CF2、CF、CF1、CF3較CK分別增加2 716.2、2 674.1、1 476.0、1 244.8元，增幅分別為20.83%、20.51%、11.32%、9.55%。

2.6 不同施肥處理對肥料養(yǎng)分利用效率的影響

由表5看出，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力要高于磷肥，化肥減施＋微生物菌肥能顯著提高肥料、氮肥、磷肥偏生產(chǎn)力。其中CF2處理的肥料、氮肥、磷肥農(nóng)學(xué)利用效率最高，較CF分別提高58.35%、58.21%、58.46%，除與CF3處理差異不顯著外，均顯著高于其它處理。各處理的肥料、氮肥、磷肥偏生產(chǎn)力變化趨勢一致，均隨著微生物肥添加比例的增加而提高，以CF3處理效果最好，且顯著高于其它處理，其肥料偏生產(chǎn)力較CF、CF1、CF2分 別 顯 著 增 加86.28%、51.86%、26.93%；其次是CF2處理，PFP較CF處理顯著提高46.75%。

表5 不同施肥處理對玉米肥料養(yǎng)分利用的影響 (kg·kg－1)

3 討論與結(jié)論

鹽堿田的共性是土壤肥力低，理化性狀和保肥能力差，易導(dǎo)致作物缺苗斷壟[17]。因此，在種植作物時首要考慮改善土壤理化環(huán)境和補(bǔ)充土壤養(yǎng)分。本試驗結(jié)果顯示，化肥減施＋微生物菌肥能夠明顯降低鹽堿地土壤pH值和含鹽量，顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷含量，土壤環(huán)境與營養(yǎng)狀況得到顯著改善。說明微生物菌肥可抑制土壤積鹽，對土壤鹽堿性具有緩沖作用，同時使土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分得到補(bǔ)充。這與王啟堯等[18]的研究結(jié)果一致，其在對濱海鹽漬農(nóng)田的研究中也證明施用微生物菌肥可起到明顯的降鹽效果。

土壤微生物和土壤酶活性對鹽堿脅迫反應(yīng)敏感，是指示土壤理化性狀變化和反映土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[19]。鹽堿地土壤微生物和土壤酶活性的提升歸于土壤環(huán)境的改善和肥力的提高[20]。本試驗結(jié)果顯示，化肥減施＋微生物菌肥處理會顯著增加細(xì)菌、放線菌及微生物總體數(shù)量，降低真菌數(shù)量，而單施化肥會增加真菌數(shù)量，降低細(xì)菌與放線菌數(shù)量，同時化肥減施＋微生物菌肥處理對土壤微生物量碳氮含量的提升效果表現(xiàn)更優(yōu)。原因在于，微生物菌肥中大量活性有益菌群的施入改善了玉米根際土壤微生態(tài)結(jié)構(gòu)，使細(xì)菌數(shù)量得以顯著增加，同時抑制了因施過量化肥導(dǎo)致的真菌增長，促進(jìn)了土壤向高肥效的“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)化[21]。這與方成等[22]的研究結(jié)果相一致。土壤微生物的生長繁殖促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的固持和轉(zhuǎn)化，外加施肥對土壤酶促基質(zhì)的補(bǔ)充，使土壤酶活性也得以顯著提升[23]。

提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)是農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心。本研究中，施肥可以明顯提高鹽堿田玉米產(chǎn)量和籽粒淀粉、粗蛋白、粗脂肪含量，且減施30%化肥＋微生物菌肥施肥模式(CF2)表現(xiàn)效果最優(yōu)，與其它處理相比，增產(chǎn)2.77%～38.08%，粗蛋白含量提高2.94%～8.32%。這與劉全鳳[24]、王東升[25]等的研究結(jié)果相似。經(jīng)濟(jì)效益分析表明，其整體變化趨勢與產(chǎn)量一致，均在CF2處理獲得最高產(chǎn)值和經(jīng)濟(jì)效益，分別為21 595.8、15 755.8元/hm2，經(jīng)濟(jì)效益較對照提高20.83%。

本試驗結(jié)果顯示，化肥減施＋微生物菌肥的施肥模式對提高肥料農(nóng)學(xué)利用率和肥料偏生產(chǎn)力具有積極效應(yīng)，其中減施30%化肥＋微生物菌肥處理較單施化肥肥料農(nóng)學(xué)利用效率和肥料偏生產(chǎn)力顯著提高58.35%和46.75%。由此可見，減施化肥＋微生物菌肥的施肥模式可實現(xiàn)鹽堿地玉米產(chǎn)量、品質(zhì)、經(jīng)濟(jì)效益及肥料養(yǎng)分利用效率的協(xié)同提高，對穩(wěn)定土壤肥力和發(fā)展循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)揮積極作用。

綜上所述，化肥減施＋微生物菌劑的施肥模式可實現(xiàn)鹽堿地養(yǎng)地增產(chǎn)與化肥減量增效的目標(biāo)，以化肥減施30%配施微生物菌肥綜合效果最佳。后續(xù)研究工作可結(jié)合水肥一體化和測土配方施肥等技術(shù)，為指導(dǎo)鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)。