王 雨,劉傳洲,陳金林,劉廣明,王秀萍,姚榮江
磷肥配施生物質改良劑對鹽漬土改良與玉米增產(chǎn)的效應①
王 雨1,2,劉傳洲3,陳金林1*,劉廣明2*,王秀萍4,姚榮江2
(1 南京林業(yè)大學南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037;2 中國科學院南京土壤研究所,南京 210008;3 江蘇沿海生態(tài)科技發(fā)展有限公司,南京 210000;4 河北省農(nóng)林科學院濱海農(nóng)業(yè)研究所,河北唐山 063299)
以玉米為供試作物,通過田間試驗設置無磷肥和生物質改良劑對照、單施不同量磷肥和磷肥配施生物質改良劑(微生物菌肥、生物質炭、腐殖酸和黃腐酸)處理,研究了磷肥配施生物質改良劑對鹽漬化土壤的改良效應及對玉米的增產(chǎn)作用。結果表明:與對照處理相比,各處理的土壤容重和pH分別降低1.96% ~ 14.38% 和0.11% ~ 1.98%,土壤有效磷含量增加33.71% ~ 182.39%;施磷75 kg/hm2處理下的籽粒磷素積累量最高,施磷150 kg/hm2處理下的莖稈、葉片和植株的磷素積累量最顯著;磷肥利用率、磷肥農(nóng)學效率和磷肥偏生產(chǎn)力隨施磷量增加呈下降趨勢。與對照處理相比,各處理的玉米單株鮮重和干重分別增加6.52% ~ 34.78% 和11.54% ~ 42.31%,百粒重和產(chǎn)量分別增加31.15% ~ 40.52% 和21.81% ~ 60.02%。主成分分析表明,150 kg/hm2磷肥配施7 500 kg/hm2生物質炭處理的綜合得分最高(分值為1.255 1),該處理在土壤改良、磷肥利用與玉米增產(chǎn)等方面的綜合效果最優(yōu)。
磷肥;生物質改良劑;鹽漬化土壤;改良效應;玉米產(chǎn)量
黃河三角洲濱海鹽堿土地處海陸之交,面積大且增速快,極具農(nóng)業(yè)開發(fā)利用潛力,合理有效地改良鹽堿地對糧食增產(chǎn)意義重大[1]。缺磷是黃河三角洲鹽漬化土壤最基本的屬性之一,而磷素是玉米生長必需的養(yǎng)分要素。磷素在土壤中移動性差,容易在土壤中大量累積,且極易被固定,當季利用率僅為10% ~ 20%[2–5]。21世紀以來我國磷肥使用量呈逐年增長趨勢,過量使用可能造成土壤生態(tài)環(huán)境污染[6–8]。合理施磷并結合鹽漬土壤改良措施提高磷素利用效率以實現(xiàn)作物增產(chǎn)并防止產(chǎn)生污染,是農(nóng)業(yè)高效利用黃河三角洲鹽堿地大力發(fā)展玉米產(chǎn)業(yè),從而充分發(fā)揮黃河三角洲土壤資源潛力的必要途徑。
目前,國內外學者通過物理、化學和生物措施在改良鹽漬化土壤和提高作物磷素利用方面開展了大量研究,除秸稈還田[9–10]及有機無機配施[11–12]等方法外,還施用聚丙烯酰胺[13]、生物質炭[14–15]、腐殖酸類[16]和黃腐酸鉀[17]等調理劑來改善農(nóng)田土壤理化性質,提高土壤磷素有效性,獲得作物高產(chǎn)。眾多學者已經(jīng)圍繞磷肥施用量、單一秸稈還田、有機無機配施等在不同區(qū)域進行了大量試驗,關注點圍繞在磷肥利用率和作物產(chǎn)量等方面,而針對磷肥配施生物質改良劑協(xié)同改良鹽堿土、提升磷素利用率及玉米產(chǎn)量的研究相對較少。因此,本研究選用微生物菌肥、生物質炭、腐殖酸和黃腐酸4種生物質改良劑,探討了3個水平施磷配施生物質改良劑對黃河三角洲鹽漬土理化性狀、磷素利用特征及玉米產(chǎn)量的影響,以明確合理的施磷水平和不同生物質改良劑對鹽堿地的改良潛力,篩選最佳配施方案,為黃河三角洲鹽堿地改良利用和玉米減磷增效提供技術支撐和理論參考。
試驗地位于山東省農(nóng)業(yè)科學院黃河三角洲現(xiàn)代農(nóng)業(yè)試驗示范基地(37°18'N,118°36'E),為典型鹽漬化土壤,前茬作物為小麥。試驗區(qū)屬華北濕潤大陸性季風氣候,年均氣溫12℃,年降水量約600 mm,年蒸發(fā)量約1 800 mm,全年無霜期202 ~ 210 d。該區(qū)土壤為來自于沖積性黃土母質的粉砂壤土,屬中度鹽化土壤。供試土壤性狀均一,肥力均勻,播前0 ~ 20 cm土層土壤容重為1.24 g/cm3,pH為8.60,電導率為1.50 dS/m,全鹽含量為2.67 g/kg,有機質含量為8.90 g/kg,堿解氮含量為57.75 mg/kg,全磷含量為0.70 g/kg,有效磷含量為8.61 mg/kg。
供試玉米品種為登海652。供試磷肥為磷酸二銨(含N 150 g/kg,P2O5420 g/kg),氮肥為尿素(含N 464 g/kg)。供試微生物菌肥(主要成分:中藥材、菜籽餅和菌種)購自南京寧糧生物有限公司,生物質炭(主要成分:秸稈稻殼)購自鎮(zhèn)江澤地農(nóng)業(yè)生物科技有限公司,腐殖酸(有效含量400 g/kg)購自萍鄉(xiāng)市博新實業(yè)有限公司,黃腐酸(有效含量500 g/kg)購自諸城綠隴電子商務有限公司。供試生物質改良劑的基本理化性質見表1。
試驗設置3個磷肥水平 (P5:75 kg/hm2;P10:150 kg/hm2;P15:225 kg/hm2)、4種生物質改良劑(微生物菌肥:W;生物炭:S;腐殖酸:F;黃腐酸:H),處理包括無磷肥和生物質改良劑的對照處理(CK)、3個磷肥單施處理 (P5、P10和P15)、磷肥與生物質改良劑配施處理(P5W、P5S、P5F、P5H、P10W、P10S、P10F、P10H、P15W、P15S、P15F、P15H)共16個。采用完全隨機區(qū)組試驗設計,每個處理重復3次(共48個小區(qū)),小區(qū)面積為3 m×4 m。玉米全生育期尿素施用量為240 kg/hm2,氮肥基追比為4∶6 (基施96 kg/hm2,拔節(jié)至穗分化期追施144 kg/hm2);磷酸二銨作磷素基肥一次性施入;4種生物質改良劑隨同基肥一次性施入,施用量分別為微生物菌肥1 500 kg/hm2、生物質炭7 500 kg/hm2、腐殖酸375 kg/hm2、黃腐酸150 kg/hm2。在所有肥料與生物質改良劑均勻撒施后對土壤表層進行翻耙,翻耙深度為0 ~ 20 cm。2020年6月21日播種玉米,2020年10月8日收獲,玉米種植密度為63 000株/hm2。試驗期間其余田間管理措施與當?shù)毓芾泶胧┮恢隆?/p>
表1 供試生物質改良劑的基本理化性質
2020年10月8日對成熟期玉米每個小區(qū)單打單收進行測產(chǎn),計算百粒重。10月10日對48個小區(qū)進行土壤樣品與植物樣品的采集。在每個小區(qū)中間采集0 ~ 20 cm土層的環(huán)刀樣品,測定土壤容重、土壤孔隙度及土壤飽和導水率。在各小區(qū)隨機選3個點,按0 ~ 20、20 ~ 40 cm深度采樣,3個采樣點的同土層土壤混勻作為該小區(qū)的土壤樣品。土壤樣品帶回實驗室自然風干后,磨碎、過篩,測定土壤電導率、pH和有效磷含量。采用土水質量比為1∶5浸提土壤并用電導率儀和pH計分別測定土壤電導率和pH,采用0.5 mol/L NaHCO3浸提–鉬銻抗比色法測定土壤有效磷含量,采用H2SO4-H2O2消煮–鉬銻抗比色法測定玉米莖稈、葉片和籽粒磷素含量并計算磷素積累量。
本文按照以下公式計算磷肥利用效率。磷肥利用率(%) = (施磷區(qū)作物累積吸磷量–未施磷區(qū)作物累積吸磷量)/施磷區(qū)磷肥用量×100;磷肥農(nóng)學效率(kg/kg) = (施磷區(qū)玉米的產(chǎn)量–未施磷區(qū)玉米產(chǎn)量)/施磷區(qū)磷肥用量;磷肥偏生產(chǎn)力(kg/kg) = 施磷區(qū)玉米產(chǎn)量/施磷區(qū)磷肥用量;磷素收獲指數(shù)(%) = (成熟期玉米籽粒磷積累量/玉米植株磷素積累總量)×100。
采用Microsoft Excel 2010軟件對數(shù)據(jù)進行處理;采用SPSS Statistics 25.0軟件進行方差分析和主成分分析,Duncan’s法進行多重比較檢驗,表中數(shù)據(jù)為“平均值 ± 標準差”;采用GraphPad Prism 7.0軟件進行繪圖。
磷肥配施生物質改良劑不同程度改變了土壤理化性質(表2、圖1)。磷肥配施生物質改良劑顯著降低了土壤容重,較CK處理下降1.96% ~ 14.38%,P10水平下P10W處理顯著高于P10H處理8.00%,P15水平下P15S處理顯著低于P15、P15F和P15H處理。不同處理的飽和導水率在0.011 1 ~ 0.033 6 mm/min,P5S、P10S和P15S處理分別顯著高于CK處理48.28%、33.00%、66.01%;P5水平下P5W、P5S和P5F處理顯著高于CK處理;P10水平下P10S和P10H處理顯著高于CK處理;P15水平下P15S處理顯著高于CK處理。不同處理的毛管孔隙度、非毛管孔隙度和總孔隙度分別在37.56% ~ 43.01%、1.27% ~ 2.20% 和39.04% ~ 44.76%,P15S處理的毛管孔隙度與CK處理差異顯著;P15H處理的非毛管孔隙度與CK處理差異顯著;P5S和P15S處理的總孔隙度與CK處理差異顯著。
表2 不同處理鹽漬土壤物理性質
注:同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示處理間差異在<0.05水平顯著,下同。
(圖中不同小寫字母表示處理間差異在P<0.05水平顯著,下同)
各處理0 ~ 20 cm土壤pH為8.80 ~ 9.11,P5W處理顯著低于CK處理3.40%,其他處理較CK處理下降0.22% ~ 1.98%;各處理20 ~ 40 cm土壤pH為9.16 ~ 9.42,P5W處理顯著低于CK處理2.76%,其他處理較CK處理下降0.11% ~ 1.27%;土壤pH表現(xiàn)為隨深度增加而增加。各處理0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤的電導率和CK處理相比,差異均不顯著。
由表3可知,施磷量和生物質改良劑兩者交互作用對土壤有效磷含量產(chǎn)生影響。各處理0 ~ 20 cm的土壤有效磷含量在5.28 ~ 14.91 mg/kg,顯著高于CK處理,較CK處理增加33.71% ~ 182.39%;各處理20 ~ 40 cm的土壤有效磷含量在1.43 ~ 2.88 mg/kg,較CK處理增加39.86% ~ 101.40%;土壤有效磷含量隨土壤深度增加而減少。
由表4可知,施磷量和生物質改良劑兩者交互作用對磷素利用產(chǎn)生促進作用。不同處理玉米莖稈磷素積累量為2.61 ~ 5.97 kg/hm2,P10S處理較CK處理顯著增加128.74%,其他處理較CK處理增加17.24% ~ 80.08%,不同磷水平總體表現(xiàn)為P10>P5>P15。葉片磷素積累量為1.86 ~ 3.29 kg/hm2,P10S處理較CK處理顯著增加76.88%,其他處理較CK處理增加31.18% ~ 73.12%,不同磷水平總體表現(xiàn)為P10>P15>P5。籽粒磷素積累量為8.06 ~ 15.16 kg/hm2,P5H處理較CK處理增加88.09%,其他處理較CK處理增加53.85% ~ 86.97%,不同磷水平總體表現(xiàn)為P5>P10>P15。植株磷素積累量為12.52 ~ 22.29 kg/hm2,P10F處理較CK處理增加78.04%,其他處理較CK處理增加50.80% ~ 74.84%,不同磷水平總體表現(xiàn)為P10>P5>P15。
各處理的磷肥利用率在2.83% ~ 11.98%,P5、P10和P15水平下磷肥利用率分別為10.16%、5.90% 和3.34%,整體處于偏低水平。磷肥農(nóng)學效率在0.79 ~ 19.12 kg/kg,P5、P10和P15水平下磷肥農(nóng)學效率分別為10.17、10.32 和5.13 kg/kg,其中,P5水平下P5S處理最高,P10水平下P10H處理最高,P15水平下P15H處理最高。磷肥偏生產(chǎn)力在28.49 ~ 102.23 kg/kg,P5、P10和P15水平下磷肥偏生產(chǎn)力分別為93.28、51.88和32.83 kg/kg,其中,P5水平下以P5S處理最高,P10水平下以P10H處理最高,P15水平下以P15H處理最高。磷素收獲指數(shù)在57.26% ~ 75.48%,P5、P10和P15水平下磷素收獲指數(shù)分別為69.50%、65.57% 和69.07%,其中,不同磷水平下P5H、P10H和P15F處理最高。
表3 不同處理下土壤有效磷含量
表4 不同處理玉米的磷素利用
磷肥和生物質改良劑配施不同程度上促進玉米干物質積累,增加籽粒飽滿度及玉米產(chǎn)量(圖2)。不同磷肥水平和生物質改良劑處理均增加玉米單株鮮重和干重,分別較CK處理增加6.52% ~ 34.78% 和11.54% ~ 42.31%。磷肥和生物質改良劑能顯著增加玉米百粒重和產(chǎn)量,較CK處理分別增加31.15% ~ 40.52% 和21.81% ~ 60.02%。施磷量對百粒重有極顯著影響,對產(chǎn)量表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢。CK處理百粒重最低為22.09 g,各磷肥配施生物質改良劑處理百粒重較CK處理增加31.15% ~ 40.52%。CK處理產(chǎn)量最低,為5 233.25 kg/hm2,各磷肥配施生物質改良劑處理產(chǎn)量較CK處理增產(chǎn)21.81% ~ 60.02%。
圖2 不同處理收獲期玉米農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量
對16個處理的土壤理化指標、磷素利用特征和玉米收獲指標進行主成分分析,得到主成分特征值(表5)。由表5可知,第1 ~ 第6主成分的特征值分別為6.992、3.298、2.854、2.607、1.648和1.254,貢獻率分別為32.963%、15.707%、13.591%、12.413%、7.847% 和5.971%,累積貢獻率為88.491%,已經(jīng)能夠反映大部分信息,故本研究中提取前6個主成分作效應綜合評價。
表5 不同指標主成分分析
16個處理的主成分綜合得分見圖3。統(tǒng)計結果顯示,各處理主成分綜合得分排序依次為P10S>P5S> P5F>P10H>P10F>P5W>P15S>P15H>P15F>P10>P5>P10W>P5H>P15>P15W>CK,其中P10S處理綜合得分最高為1.255 1,CK處理綜合得分最低為–3.470 2。
土壤飽和導水率是決定土壤入滲和滲漏性能的主要因素,土壤容重和孔隙度可以調節(jié)土壤的緊實狀況,影響?zhàn)B分轉化,適宜的土壤容重和孔隙度有利于作物根系的生長發(fā)育[18–19]。李金彪等[11]、張雪辰等[13]研究發(fā)現(xiàn),通過不同物料摻拌、添加化學改良劑等方法,可以增加鹽漬土毛管孔隙度與總孔隙度,降低土壤容重,提升土壤飽和導水率。本試驗中,磷肥配施生物質炭處理的飽和導水率均顯著高于CK處理,土壤總孔隙度增加1.29% ~ 10.76%,這與前人研究結果相一致。這可能是由于體積質量較低的生物質炭施入后對土壤容重起到了稀釋作用使土壤容重降低,進而使土壤疏松性和孔隙度增加,從而改變土壤飽和導水率。因此,生物質炭對降低土壤容重、增加土壤飽和導水率和孔隙度具有一定效果,可以用于改良黃河三角洲鹽漬化土壤。
土壤pH作為土壤酸堿度的強度指標,是衡量土壤肥力和基本性質的重要因素之一。其可以改變土壤中營養(yǎng)元素的化合形態(tài)和時效性,同時影響土壤容重和滲透性等理化性質[20–21]。本試驗結果發(fā)現(xiàn),施磷和生物質改良劑處理土壤pH較CK處理分別下降0.22% ~ 1.98% 和0.11% ~ 1.27%。土壤pH降低,可以減少有機物礦化,一定程度上減少了土壤磷的固定。
圖3 主成分綜合得分
土壤有效磷含量是土壤磷素供應水平高低的重要指標,磷肥利用效率是衡量磷肥合理使用的重要指標,二者從不同方面描述了作物對磷肥的利用情況。本試驗結果顯示,磷肥配施生物質改良劑各處理0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土壤有效磷含量較CK處理顯著增加;與單施磷肥相比,4種生物質改良劑能不同程度提高植物磷素積累量,說明生物質改良劑可以促進玉米對磷的吸收,減少磷的固定或活化土壤中的磷,從而提高磷肥在土壤中的有效性。本試驗發(fā)現(xiàn),磷肥利用率、磷肥農(nóng)學效率、磷肥偏生產(chǎn)力隨施磷量增加呈下降趨勢,磷素收獲指數(shù)隨施磷量增加變化不明顯。說明磷肥過量會降低玉米對磷肥的利用效率,造成土壤中磷素盈余;不同生物質改良劑對磷素利用效率影響不同,但可以提高土壤磷素的同化力形成與運輸。該結果與張福鎖等[2]和李軍等[22]的研究結果類似。
磷肥的合理施用可以有效地提高作物產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn),不同磷肥水平下配施生物質改良劑處理后玉米干鮮重、百粒重和產(chǎn)量較CK處理均有不同程度增加,P5、P10和P15水平下玉米平均產(chǎn)量分別為6 996.00、7 781.31和7 387.09 kg/hm2,較CK處理顯著增產(chǎn)33.68%、48.96% 和41.16%,說明施磷和生物質改良劑可以促進玉米生長發(fā)育和干物質積累,對百粒重有極顯著影響;當施磷量為P15水平時,玉米產(chǎn)量略有下降,這與楊麗等[23]研究結果一致,原因可能是磷肥施用過量抑制了玉米干物質的有效轉移,使得籽粒產(chǎn)量的增加與生物產(chǎn)量不同步,導致產(chǎn)量下降。因此,只有適當?shù)臏p少磷肥用量配施生物質改良劑來維持土壤適宜的有效磷含量和供磷水平,才能保證磷肥的高效利用,促進玉米植株生長發(fā)育和物質積累,從而獲得與常規(guī)施磷量相當或更高的產(chǎn)量。
在觀測指標較多的研究中,由于變量個數(shù)太多且彼此間存在一定相關性,使所觀測的指標數(shù)值有一定的重疊,不能準確解釋試驗結果。而主成分分析是將原來數(shù)量較多的單項指標轉換成新的彼此獨立且個數(shù)較少的綜合指標,來解釋原指標里所包含的信息,其評價更全面客觀,結果更可靠[20]。已有研究證明,利用主成分分析可以評價鹽漬土質量和篩選鹽漬土改良物料等[24]。本研究利用主成分分析法對16個處理的測定指標進行主成分分析,得到主成分特征值,提取前6個主成分作綜合評價,結果顯示,P10S處理的綜合得分最高,為1.255 1;CK處理綜合得分最低,為–3.470 2。此外,通過計算發(fā)現(xiàn),P10水平是磷肥最佳施用水平,生物質炭是效果最好的生物質改良劑,即P10水平下配施生物炭在鹽漬化土壤改良、磷素利用與增產(chǎn)方面綜合效應最好。
磷肥配施生物質改良劑通過降低土壤容重和pH、增大土壤飽和導水率和孔隙度來實現(xiàn)鹽漬土壤改良;同時通過提高土壤有效磷含量和作物磷素積累量來提高磷肥利用效率,進而促進玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量提升。150 kg/hm2磷肥配施7 500 kg/hm2生物質炭處理的綜合效應最優(yōu),其使得土壤容重降低5.22%,0 ~ 20、20 ~ 40 cm土壤有效磷含量分別提高105.49% 和48.95%,玉米磷素積累量和產(chǎn)量分別提高68.77% 和48.50%。該配施措施適宜在黃河三角洲鹽漬化土壤區(qū)推廣應用。
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Effects of Phosphate Fertilizer Combined with Biological Materials on Saline Soil Improvement and Maize Yield
WANG Yu1, 2, LIU Chuanzhou3, CHEN Jinlin1*, LIU Guangming2*, WANG Xiuping4, YAO Rongjiang2
(1 Co-innovation Center for Sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2 Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 Jiangsu Coastal Ecological Technology Development Co., Ltd., Nanjing 210000, China; 4 Institutes of Coastal Agriculture, Hebei Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Tangshan, Hebei 063299, China)
An experiment was conducted to study the effects of phosphorus fertilizer combined with four kinds of biological materials (microbial fertilizer, W; biochar, S; humic acid, F; and fulhuic acid, H) on salinized soil improvement and maize yield. A total of 16 treatments including no phosphate fertilizer and no biological material treatment (CK), conventional phosphorus fertilizer (P5, 75 kg/hm2; P10, 150 kg/hm2; P15, 225 kg/hm2), and phosphorus fertilizer combined with materials (P5W, P5S, P5F, P5H, P10W, P10S, P10F, P10H, P15W, P15S, P15F, P15H, P15H) were set up in this experiment. Results show that compared with CK, soil bulk density and pH are decreased by 1.96%–14.38% and 0.11%–1.98% respectively, soil available P content are increased by 33.71%–182.39%. P accumulation in grain is the highest under 75 kg/hm2P fertilizer application and P accumulation in stem, leaf and plant are the most significant under 150 kg/hm2P fertilizer application. The utilization rate, agricultural efficiency and partial productivity of P fertilizer are decreased as P fertilizer amount is increased. Maize fresh weight and dry weight per plant are increased by 6.52%–34.78% and 11.54%–42.31% respectively. The 100-grain weight and yield are increased by 31.15%–40.52% and 21.81%–60.02% respectively. Principal component analysis shows that the highest comprehensive score of 150 kg/hm2P fertilizer combined with 7 500 kg/hm2biochar treatment is 1.255 1, and this treatment has the best comprehensive effect on soil improvement, phosphorus fertilizer utilization and maize yield increase. This study provides important theoretical and technical support for salinized soil improvement and efficient phosphate fertilizer utilization.
Phosphate fertilizer; Biological materials; Salinized soil; Improvement effect; Maize yield
S156.4
A
10.13758/j.cnki.tr.2023.02.015
王雨, 劉傳洲, 陳金林, 等. 磷肥配施生物質改良劑對鹽漬土改良與玉米增產(chǎn)的效應. 土壤, 2023, 55(2): 348–355.
國家自然科學基金委員會–山東聯(lián)合基金重點項目(U1806215),農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重點項目(NK20221804)和國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFD1900104)資助。
(gmliu@issas.ac.cn;jlchen@njfu.edu.cn)
王雨(1995—),女,新疆昌吉人,碩士研究生,主要從事土壤改良與高效利用方面的研究。E-mail:643959267@qq.com