郭智妍 盧維宏 潘思雨 程瑞妍 莢俊飛 曾明志
宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院 宿州 234000
大量研究結(jié)果表明,將有機(jī)調(diào)理劑與化肥有機(jī)復(fù)配應(yīng)用于質(zhì)量退化的農(nóng)田土壤調(diào)控中,都取得了顯著的效果。如:孟阿靜等[1]將常規(guī)肥料與黃腐酸復(fù)配在紅棗上進(jìn)行應(yīng)用,對(duì)紅棗產(chǎn)量及品質(zhì)(Vc、可溶性糖、糖酸比、可溶性蛋白等)均有明顯的促進(jìn)效應(yīng),實(shí)現(xiàn)增收20.8%~35.7%。在小麥的促生增產(chǎn)措施中,也發(fā)現(xiàn)腐植酸具有改善小麥根系發(fā)育、地上部生長及產(chǎn)量等相關(guān)指標(biāo)的作用[2]。劉佳歡等[3]在小麥種植中施用黃腐酸,提高了脲酶、磷酸酶、蔗糖酶等3 種土壤酶活性和根際土壤中微生物的多樣性。黃腐酸鉀、復(fù)合氨基酸、α-萘乙酸鈉等作為肥料增效劑,分別單獨(dú)施用或結(jié)合水肥復(fù)配施用在前人的研究中也取得了類似結(jié)果[4~6]。此外,外源補(bǔ)充中微量元素具有緩解作物生理性病害、改善生長發(fā)育特性、增加產(chǎn)量的效果也已被大量研究證實(shí),如外源補(bǔ)充鉬元素能夠有效提高大豆根瘤菌的數(shù)量,促進(jìn)大豆的生物固氮能力;相反,缺鉬則會(huì)嚴(yán)重影響大豆的生長發(fā)育,導(dǎo)致減產(chǎn)。研究表明,施用鉬肥可有效促進(jìn)大豆根系發(fā)育、葉面積指數(shù)、產(chǎn)量等指標(biāo),產(chǎn)量增幅可達(dá)31.64%[7]。目前,將有機(jī)調(diào)理劑與中微量元素有機(jī)結(jié)合對(duì)大豆生長及根際微環(huán)境影響的研究較少,特別是針對(duì)皖北沙姜黑土區(qū)域的研究鮮有報(bào)道。因此,探究有機(jī)調(diào)理劑與化肥減量聯(lián)合措施對(duì)皖北沙姜黑土區(qū)大豆生長及根際土壤微環(huán)境的影響具有重要意義。本研究選用礦源腐植酸、黃腐酸2 種有機(jī)調(diào)理劑分別與中微量元素(鉬、鈣)復(fù)配,探究其對(duì)皖北沙姜黑土區(qū)大豆生長及根際土壤微環(huán)境的影響,以期為化肥增效減施、大豆高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省宿州市埇橋區(qū)朱仙莊鎮(zhèn)(海拔27.3 米)。試驗(yàn)田供試土壤類型為砂姜黑土。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì):全氮1.16 g/kg、全磷0.57 g/kg、全鉀31.70 g/kg、堿解氮86.94 mg/kg、速效磷9.83 mg/kg、速效鉀273.40 mg/kg、有機(jī)質(zhì)13.20 g/kg,pH 值7.20。
供試大豆品種為“中黃13”(由宿州市農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆所提供),具有抗倒伏、抗?jié)?、抗大豆花葉病毒病、中抗大豆孢囊線蟲病的特性。
供試肥料分別為黃腐酸(農(nóng)用,河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司)、腐植酸(農(nóng)用,河南心連心化學(xué)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司)、硝酸銨鈣(農(nóng)用,山西金蘭化工股份有限公司)和鉬酸銨(分析純,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。供試配方肥分別為常規(guī)配方肥(市售N-P2O5-K2O 15-15-15 平衡肥,總養(yǎng)分≥45%)、實(shí)驗(yàn)室自制大豆專用配方肥(測(cè)土配方確定為N-P2O5-K2O 13-10-16,總養(yǎng)分≥39%,下文簡(jiǎn)稱“優(yōu)化配方肥”)。
以田間試驗(yàn)的方式進(jìn)行,在常規(guī)配方肥(CK)的基礎(chǔ)上,設(shè)置了4 個(gè)減肥增效試驗(yàn)處理,分別采用基肥方式施用。
CK:常規(guī)配方肥,施肥量為300 kg/hm2;
T1:優(yōu)化配方肥+ 黃腐酸0.5%+ 鉬酸銨0.04%,施肥量為240 kg/hm2;
T2:優(yōu)化配方肥+ 腐植酸2.0%+ 鉬酸銨0.04%,施肥量為240 kg/hm2;
T3:優(yōu)化配方肥+ 黃腐酸0.5%+ 鉬酸銨0.04%+硝酸鈣0.5%,施肥量為240 kg/hm2;
T4:優(yōu)化配方肥+ 腐植酸2.0%+ 鉬酸銨0.04%+硝酸鈣0.5%,施肥量為240 kg/hm2。
每個(gè)處理3 次重復(fù),每個(gè)重復(fù)為1 個(gè)小區(qū),單個(gè)小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m)。將供試配方肥與土壤混合均勻后,按照常規(guī)方法種植品種為“中黃13”的大豆,播種量為8.0 kg/畝。2022 年6 月10 日播種,所有處理除了施肥差異外其余各項(xiàng)管理措施均保持一致,10 月15 日收獲。
采收時(shí),選取各小區(qū)中間連續(xù)4 列,每列連續(xù)5 株帶根系整株挖出,用抖土法收集大豆根際土壤樣品(約500 g),混勻去雜后裝自封袋,編號(hào)密封后帶回實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)風(fēng)干、破碎、過篩后備用。植株樣品采集時(shí),將抖土后的植株整株裝尼龍網(wǎng)袋后帶回實(shí)驗(yàn)室分別調(diào)查株高、根長、分根數(shù)、豆秸生物量、單株結(jié)莢數(shù)、單株空殼數(shù);同時(shí),脫粒晾干后調(diào)查百粒重、產(chǎn)量指標(biāo)。其中,單株結(jié)莢數(shù)、分根數(shù)均采用計(jì)數(shù)法測(cè)量;株高、根長均采用量程為30 cm(精度為1.0 mm)的直尺進(jìn)行測(cè)量,株高是從植株莖基部測(cè)量到大豆生長最上部,根長是從莖基部測(cè)量到大豆根尖末端;豆秸生物量指標(biāo)為去除籽粒后剩余的所有秸稈部分干重(75 ℃烘干至恒重);百粒重、產(chǎn)量為籽粒去雜曬干(水分13%)用電子天平(精度為0.01)稱重。
土壤理化性質(zhì)指標(biāo)測(cè)定:土壤pH 值測(cè)定方法采用pH 計(jì)測(cè)量法,水土比為2.5 ∶1,置于恒溫振蕩器中于25 ℃、120 r/min 條件下振蕩30 min,取出靜置2.0 h 后取上清液測(cè)定酸堿度[8]。土壤電導(dǎo)率測(cè)定采用電導(dǎo)率儀,取過2 mm 篩孔的風(fēng)干土樣和蒸餾水,按照水土比5 ∶1 加入50 mL 透明塑料瓶中,置于恒溫振蕩器中于25 ℃、120 r/min條件下振蕩30 min,取出靜置1.5 h 后取上清液測(cè)定電導(dǎo)率[9]。土壤堿解氮根據(jù)《森林土壤水解性氮的測(cè)定》用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定[10];有效磷依據(jù)《土壤檢測(cè) 第7 部分 土壤有效磷的測(cè)定》用鉬銻抗比色法進(jìn)行檢測(cè)[11];速效鉀依據(jù)《土壤速效鉀和緩效鉀含量的測(cè)定》用中性乙酸銨溶液浸提、火焰光度計(jì)法檢測(cè)[12,13];有機(jī)質(zhì)依據(jù)《土壤檢測(cè) 第6部分:土壤有機(jī)質(zhì)的測(cè)定》用重鉻酸鉀氧化土壤有機(jī)碳,多余的氧化劑用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,記錄硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗體積,經(jīng)計(jì)算得有機(jī)質(zhì)的量[14]。
土壤微生物指標(biāo)采用平板計(jì)數(shù)法測(cè)定土壤中可培養(yǎng)微生物(細(xì)菌、真菌)的數(shù)量[15]。培養(yǎng)結(jié)束后,用數(shù)學(xué)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)菌落數(shù),記錄數(shù)據(jù)并拍照。
采用Microsoft-excel 2019 和SPSS 26.0 等軟件對(duì)各指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、方差分析和顯著差異性比較。
2.1.1 對(duì)大豆生長指標(biāo)的影響
由表1 可以看出,與CK 相比,各減肥增效試驗(yàn)處理(T1~T4)均不同程度地促進(jìn)了大豆的生長指標(biāo)。其中,以T2 處理整體效果最佳,株高、根長、分根數(shù)、豆秸生物量、單株結(jié)莢數(shù)分別提高了0.97%、7.92%、22.34%、6.82%、2.31%;其次是T3 處理,株高、根長、分根數(shù)、豆秸生物量、單株結(jié)莢數(shù)分別增加了14.10%、6.17%、22.48%、1.78%、1.62%;再者是T1 處理,除株高外的根長、分根數(shù)、豆秸生物量、單株結(jié)莢數(shù)4 項(xiàng)指標(biāo)分別增加了7.92%、14.89%、2.99%、20.14%。T4 處理僅對(duì)大豆的分根數(shù)、單株結(jié)莢數(shù)2 項(xiàng)指標(biāo)分別增加了12.98%、3.70%。綜上所述,以T2 處理對(duì)大豆生長指標(biāo)的促進(jìn)效果最好,對(duì)本研究中所調(diào)查的大豆5 項(xiàng)生長指標(biāo)均表現(xiàn)了不同程度的促進(jìn)效應(yīng)。
表1 2 種有機(jī)調(diào)理劑復(fù)配中微量元素對(duì)大豆生長指標(biāo)的影響Tab.1 Eff ects of trace elements in the combination of two organic conditioners on the growth indexes of soybean
2.1.2 對(duì)大豆產(chǎn)量指標(biāo)的影響
由表2 可以看出,與CK 相比,除T4 處理外,各減肥增效試驗(yàn)處理均不同程度地降低了大豆的空殼數(shù)量和空殼率,提高了大豆產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)。其中,以T1 處理整體效果最好,空殼數(shù)下降了25.82%,空殼率由15.51%下降至9.58%,百粒重增加了9.39%,增產(chǎn)28.50%,均達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05);其次是T2 處理,空殼數(shù)減少了47.31%,空殼率降至7.99%,增產(chǎn)16.57%,均達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05);再者是T3 處理,空殼數(shù)降低了22.34%,空殼率降為11.85%,增產(chǎn)12.27%;T4 處理中僅大豆百粒重提高了9.39%,其余均不同程度地表現(xiàn)了抑制效應(yīng)。綜上所述,以T1處理對(duì)大豆產(chǎn)量相關(guān)指標(biāo)的綜合促進(jìn)效應(yīng)最佳。同時(shí),在優(yōu)化配方肥的基礎(chǔ)上,黃腐酸、鉬酸銨、硝酸鈣的復(fù)配及腐植酸、鉬酸銨、硝酸鈣的復(fù)配中,均為前兩者復(fù)配的效果優(yōu)于三者復(fù)配,且黃腐酸的效果優(yōu)于腐植酸。
表2 2 種有機(jī)調(diào)理劑復(fù)配中微量元素對(duì)大豆產(chǎn)量指標(biāo)的影響Tab.2 Eff ects of trace elements in the combination of two organic conditioners on the yield indexes of soybean
由表3 可以看出,與CK 相比,各減肥增效試驗(yàn)處理均不同程度地優(yōu)化調(diào)控了大豆根際土壤的理化性質(zhì)。其中,以T2 處理最為明顯,大豆根際土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)均有了顯著(P<0.05)提升,指標(biāo)增幅分別達(dá)到了60.44%、24.47%、11.88%,土壤堿解氮、電導(dǎo)率分別下降了18.36%、11.93%;其次是T1 處理,大豆根際土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)指標(biāo)分別提高了42.17%、18.89%、13.96%,堿解氮、電導(dǎo)率下降了13.33%、11.67%,均達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05);再者是T3 處理的有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)分別提高了26.41%、9.08%、9.09%,堿解氮、電導(dǎo)率下降了5.92%、29.59%,僅部分指標(biāo)達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05);T4 處理的大豆根際土壤有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)分別提高了22.65%、13.72%、11.04%,堿解氮、電導(dǎo)率下降了9.13%、5.78%,僅部分指標(biāo)達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05)。綜上所述,以T2 處理的整體效果最佳,T1 處理各項(xiàng)指標(biāo)(除有效磷外)均與T2 處理基本持平。同時(shí),在優(yōu)化配方肥的基礎(chǔ)上,腐植酸、鉬酸銨、硝酸鈣復(fù)配的效果中表現(xiàn)了以前兩者的復(fù)配優(yōu)于三者的效果,黃腐酸也表現(xiàn)了相同的趨勢(shì),二者復(fù)配情況下腐植酸對(duì)根際土壤的改善效應(yīng)優(yōu)于黃腐酸,尤其是土壤有效磷。
表3 2 種有機(jī)調(diào)理劑復(fù)配中微量元素對(duì)大豆根系土壤理化性質(zhì)的影響Tab.3 Eff ects of trace elements in the combination of two organic conditioners on the physicochemical properties of soybean root soil
由表4 可以看出,與CK 相比,各減肥增效試驗(yàn)處理均不同程度地影響了大豆根際土壤中可培養(yǎng)微生物(真菌、細(xì)菌)群落數(shù)量。其中,T1 處理分別降低了大豆根際土壤細(xì)菌、真菌數(shù)量,下降了5.48%、33.33%,提高了細(xì)菌/真菌比值,增幅達(dá)到了41.73%;T2 處理中大豆根際土壤真菌數(shù)量下降了9.52%,細(xì)菌數(shù)量持平,提高了細(xì)菌/真菌比值,增幅達(dá)到了10.50%;T3 處理分別提高了大豆根際土壤細(xì)菌、真菌、微生物總量,增幅分別達(dá)到了16.44%、142.85%、32.33%,降低了細(xì)菌/真菌比值達(dá)52.09%;T4 處理分別提高了大豆根際土壤細(xì)菌、真菌、細(xì)菌/真菌比值、微生物總量,增幅分別達(dá)到了34.93%、28.57%、5.04%、34.13%。綜上所述,以T2 的效果最佳,抑制了根際土壤的真菌數(shù)量,增加了細(xì)菌/真菌比值,這有利于大豆根際土壤從真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)化。
表4 不同有機(jī)調(diào)理劑復(fù)配中微量元素對(duì)大豆根系微生物的影響Tab.4 Eff ects of trace elements in the combination of two organic conditioners on root microorganisms of soybean
化肥減量增效是實(shí)現(xiàn)大豆高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)與土壤環(huán)境友好協(xié)同并行的重要途徑。大量研究表明,黃腐酸、腐植酸等有機(jī)土壤調(diào)理劑在促進(jìn)作物生長、增加產(chǎn)量、增加植物地上部和根系的干物質(zhì)重等方面具有優(yōu)勢(shì)[16~18],尤其是在刺激根系發(fā)育方面。如Dobbss 等[19]研究表明,腐植酸處理下,番茄側(cè)根數(shù)和側(cè)根長度增幅分別達(dá)到了150%~264%、405%~2280%。Muscolo 等[20]、Atiyeh 等[21]在綜述腐殖質(zhì)與植物生長發(fā)育之間關(guān)系時(shí),發(fā)現(xiàn)腐殖質(zhì)能促進(jìn)植物生長,特別是其小分子生物活性物質(zhì),對(duì)促進(jìn)擬南芥和玉米幼苗根系生長的作用尤為突出。本研究涉及的黃腐酸、腐植酸2 種有機(jī)調(diào)理劑均能增加大豆根長、分根數(shù)、豆秸生物量,這與黃腐酸、腐植酸對(duì)根系的刺激效應(yīng)密切相關(guān)。在促進(jìn)大豆5項(xiàng)生長指標(biāo)中,以T2處理效果最佳,其次是T1處理,這2個(gè)處理均不同程度地促進(jìn)了株高、根長、分根數(shù)、豆秸生物量和單株結(jié)莢數(shù),而含黃腐酸的T1 處理在促進(jìn)大豆單株結(jié)莢數(shù)方面更具有優(yōu)勢(shì);與含腐植酸的T2 處理相比,單株結(jié)莢數(shù)增加了17.42%,這可能與黃腐酸的小分子、高活性、易傳導(dǎo)特性有關(guān),這也進(jìn)一步維持了增加百粒重和降低空殼數(shù)、空殼率的優(yōu)勢(shì),而腐植酸的促生增產(chǎn)效果則與改善土壤結(jié)構(gòu)、活化被固定的土壤養(yǎng)分有關(guān)。進(jìn)一步結(jié)合試驗(yàn)田基礎(chǔ)理化性質(zhì)中堿解氮缺乏、速效磷極度缺乏、有機(jī)質(zhì)中等的特性,黃腐酸的生物刺激效應(yīng)比腐植酸的改土調(diào)控效應(yīng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)結(jié)果更具有“時(shí)效性快”的優(yōu)勢(shì)[22,23]。于晟玥等[24]和張麗麗[25]種植小麥、番茄的研究結(jié)果表明,施用黃腐酸能有效促進(jìn)作物的生長生產(chǎn)能力,提高作物對(duì)P、N 的吸收效率,增加地上部生物量積累。梁媛媛等[26]在河南許昌種植冬小麥的過程中施用不同分子量的黃腐酸,小麥產(chǎn)量提升了21.62%~49.06%。此外,黃腐酸的小分子、全水溶、易傳導(dǎo)特性也進(jìn)一步促進(jìn)了鉬酸銨中“鉬”、硝酸鈣中“鈣”的生物有效性,更容易被攜帶進(jìn)入植物體內(nèi)完成同化效應(yīng),形成生長發(fā)育優(yōu)勢(shì)和產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)[27],這也進(jìn)一步證實(shí)了三者復(fù)配后在促進(jìn)大豆生長5 項(xiàng)指標(biāo)的效果上稍稍優(yōu)于二者復(fù)配的原因。
土壤理化指標(biāo)是作物養(yǎng)分供應(yīng)和土壤肥力的重要指標(biāo)。本研究中涉及的4 種不同減肥增效優(yōu)化配方肥均不同程度地優(yōu)化了大豆根際土壤理化指標(biāo)。學(xué)者研究表明,腐植酸中的羧基、羰基和羥基等官能團(tuán),具有較強(qiáng)的離子交換和吸附能力,進(jìn)入土壤后,既可固持土壤和肥料中過多的養(yǎng)分離子,又可以在其含量較低時(shí)釋放出來,實(shí)現(xiàn)增加土壤大、中、微量元素的有效性和利用效率[28,29]。以黃腐酸、腐植酸為有機(jī)調(diào)理劑的T1、T2 2 個(gè)處理中,以T2 處理對(duì)土壤速效磷、速效鉀的提升促進(jìn)效果最佳,且均達(dá)到了顯著性水平(P<0.05),較T1處理增幅分別達(dá)到了12.85%、4.70%,這與較大分子的腐植酸具有較好的改土優(yōu)勢(shì)有關(guān)[30,31],尤其是在提高土壤磷的活性和有效磷方面[32,33]效果更為突出。趙萌萌等[34]、劉燦華等[35]、于常海等[36]的研究結(jié)果進(jìn)一步表明,在化肥減施增效過程中應(yīng)用腐植酸、黃腐酸,均能夠?qū)崿F(xiàn)活化土壤鉀、磷等營養(yǎng)元素,提高有機(jī)質(zhì)含量,改善土壤理化結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。此外,腐植酸、鉬酸銨、硝酸鈣的復(fù)配效果中,前兩者的復(fù)配效果優(yōu)于三者復(fù)配的效果,這可能是硝酸鈣與肥料、土壤中的磷酸根結(jié)合,形成難溶的磷酸鈣,繼而使得部分水溶性磷轉(zhuǎn)換成了難溶性磷,表現(xiàn)為有效磷含量下降[37]。
根際微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的一環(huán),不僅參與了土壤中幾乎全部的化學(xué)反應(yīng),也直接或間接地影響著土壤微環(huán)境,特別是作物根際微環(huán)境的優(yōu)劣,是制約作物生長和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素。研究表明,在農(nóng)田土壤中長期施用有機(jī)-無機(jī)復(fù)合肥能夠有效改善土壤微生物活性,特別是氨氧化細(xì)菌[38~40]。肖瓊等[41]的研究結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了單施或配施有機(jī)物料比單施化肥在促進(jìn)根際土壤微生物環(huán)境方面更具有優(yōu)勢(shì)。陳星星等[42]在探索腐植酸對(duì)鹽脅迫下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤酶活的影響中發(fā)現(xiàn),腐植酸能夠改善土壤肥力狀況,增加根際土壤微生物數(shù)量,提高土壤酶活性,進(jìn)而緩解鹽脅迫對(duì)苦瓜幼苗生長的抑制效應(yīng)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步選用腐植酸、黃腐酸與肥料復(fù)配,在受重金屬污染的土壤種植煙草,其根際土壤中的微生物活性、種群多樣性均得到改善[43,44]。這些均與本研究中涉及到的T1 處理、T2 處理的試驗(yàn)結(jié)果具有較強(qiáng)的一致性,表現(xiàn)為真菌數(shù)量下降、細(xì)菌/真菌比值升高。以往研究中的土傳病害多表現(xiàn)為真菌性病害,且不少研究者將土傳病害發(fā)生嚴(yán)重的土壤稱之為“真菌型”[45,46],細(xì)菌/真菌比值的提升有助于土壤由“真菌型”向“細(xì)菌型”轉(zhuǎn)變,本研究結(jié)果進(jìn)一步為作物根際土壤結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考依據(jù)。
本研究涉及的2 種有機(jī)調(diào)理劑(黃腐酸、腐植酸)與中微量元素復(fù)配配方對(duì)大豆的生長性狀及根際土壤微環(huán)境均表現(xiàn)了不同程度的改善效應(yīng),特別是增加了大豆產(chǎn)量、活化了土壤養(yǎng)分、改善了土壤微生物群體結(jié)構(gòu)。綜合來看,以T1 處理“優(yōu)化配方肥+黃腐酸0.5%+鉬酸銨0.04%”對(duì)刺激大豆生長發(fā)育和產(chǎn)量關(guān)鍵因素形成的效果最為突出,而T2 處理“優(yōu)化配方肥+腐植酸2.0%+鉬酸銨0.04%+硝酸鈣0.5%”對(duì)根際土壤的理化性質(zhì)和生物學(xué)指標(biāo)改善效應(yīng)最佳,可以考慮在大豆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。