不同控释氮肥比率对土壤无机氮、微生物及小麦生长的影响

2017-04-24 01:19王昌全张敬昇梁靖越
麦类作物学报 2017年3期
关键词:分蘖期硝态根际

何 杰,李 冰,王昌全,张敬昇,向 毫,尹 斌,梁靖越

(1.四川农业大学资源学院,四川成都 611130; 2.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 210008)

不同控释氮肥比率对土壤无机氮、微生物及小麦生长的影响

何 杰1,李 冰1,王昌全1,张敬昇1,向 毫1,尹 斌2,梁靖越1

(1.四川农业大学资源学院,四川成都 611130; 2.中国科学院南京土壤研究所,江苏南京 210008)

为探究控释氮肥与尿素配施对土壤供氮特征与潜力以及小麦生长的影响,采用盆栽试验研究了不同控施氮肥比率(0,10%,20%,40%,80%,100%)对根际土壤无机氮含量和细菌、真菌、放线菌数量及小麦干物质累积、生长速率和产量的影响。结果表明,施氮能显著提高土壤无机氮含量和微生物数量。小麦分蘖期,CUR0处理土壤的硝态氮含量和微生物数量最大。随生育期推进,CRU40及更高控氮比率处理显著增加土壤的无机氮含量;较CRU0处理,CRU40处理显著增加土壤细菌数量,CRU40及更高控氮比率处理显著增加土壤放线菌数量,CRU20处理土壤真菌数量增长显著。从拔节期到成熟期,CRU40处理较CRU0处理显著提高了小麦干物质量及生长速率,较CRU0和CRU100处理,成熟期小麦单株干物质量分别增加44.54%和17.42%; 各施氮处理小麦的穗粒数和千粒重无显著差异,CRU40处理较CRU0处理显著提高了单株有效穗数,籽粒产量较CRU0和CRU100处理分别增加17.38%和11.79%。综上所述,恰当配施控释氮肥能提高土壤养分含量,促进小麦生长。

控释氮肥;土壤无机氮;土壤微生物;小麦生长

小麦是我国主要的粮食作物之一,在我国农业生产中占有重要地位。施氮能有效提高小麦产量,而常规氮肥不能被作物高效利用,会通过氨挥发、淋溶、径流、反硝化作用等多种途径损失[1-3]。不仅造成肥料利用率低,还会导致臭氧层破坏、温室效应以及水体富营养化等环境问题[4-6]。控释氮肥的养分释放能与作物吸收保持一致,可以有效提高肥料利用率,减少氮素损失,降低环境污染风险[7-9]。但单施控释氮肥可能在作物生长前期造成供氮不足,且会增加施肥成本,不利于在农业生产中推广[10]。采用控释氮肥与尿素合理配施,可望达到氮素协调供应,实现降低施用成本与提高肥料利用率双赢。土壤无机氮是植物所能直接吸收的氮素来源,无机氮丰缺直接影响作物生长。土壤微生物是土壤生态系统中最活跃的部分,直接参与土壤养分转化,是土壤肥力评价的重要指标[11-12]。前人的研究大多集中在单施控释氮肥的增效减排和提高作物产量等方面[13-16],针对控释氮肥与尿素配施对土壤氮素及微生物变化特征的研究较少。本试验采用盆栽研究不同控施氮肥比率对小麦根际土壤无机氮含量、微生物数量变化及小麦干物质积累和产量的影响,以期为小麦合理施肥提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤与小麦品种

试验于2015年11月至2016年5月在四川农业大学资源学院盆栽研究室进行,盆栽。供试土壤采自四川农业大学崇州市桤泉镇试验基地0~30 cm耕层,土壤类型为水稻土。土壤基础养分含量为有机质26.96 g·kg-1,全氮1.33 g·kg-1,碱解氮58.25 mg·kg-1,速效磷12.45 mg·kg-1,速效钾95.04 mg·kg-1,pH值6.45。供试小麦品种为内麦836。

1.2 供试肥料

供试控释氮肥由南京土壤研究所研制,氮含量为41.4%,氮素释放时间约为90 d。供试尿素由四川美丰化工有限公司生产,含氮量为46.4%。以优级纯KH2PO4和KCl作为磷源、钾源,由北京鹏彩精细化工有限公司生产。

1.3 试验设计

试验选用内径35 cm、高33 cm塑料盆,每盆装过1 mm筛的风干土15 kg。设计7个处理:CK(不施氮肥),CRU0(100%尿素),CRU10(10%控释氮肥+90%尿素),CRU20(20%控释氮肥+80%尿素),CUR40(40%控释氮肥+60%尿素),CUR80(80%控释氮肥+20%尿素),CUR100(100%控释氮肥)。施氮量保持一致(CK不施氮),N、P、K按0.15 g·kg-1N、0.09 g·kg-1P2O5、0.09 g·kg-1K2O与土壤混合均匀。试验于2015年11月5日播种,每盆25粒小麦,待出苗后定苗20株。每个处理重复12次,共计84盆,随机摆放。盆栽试验过程中,每周浇水1~2次,每次1 L,除草。

1.4 样品采集与测定

在小麦分蘖期(播种后58 d)、拔节期(播种后108 d)、孕穗期(播种后134 d)、成熟期(播种后182 d)采集土样,将每个处理3个盆栽的小麦根系带土样挖出,抖掉根系外围土,取根表附近土样,装入无菌袋中,放入4℃冰箱中冷藏保鲜,用以测定土壤微生物数量及无机氮含量。将每盆20株小麦植株量取株高后,于65℃烘干至恒重,称重,记录。

土壤细菌、放线菌、真菌数量采用涂抹平板计数法测定,分别用牛肉膏蛋白胨培养基、高氏I号培养基及马丁氏培养基进行分离培养,然后测定每克干土中的微生物菌落数[17]。

土壤铵态氮和硝态氮含量分别采用靛酚蓝比色法和紫外双波段比色法测定[18]。

生长速率=(后期干物质量-前期干物质量)/生育期天数[19]。

小麦成熟期进行测产,统计相关产量构成因子。

1.5 数据分析

试验数据用Excel 2013和SPSS 19.0软件进行分析处理,采用LSD方法进行统计处理。

2 结果与分析

2.1 不同控释氮肥比例对小麦根际土壤无机氮含量的影响

2.1.1 对土壤铵态氮含量的影响

由图1可知,小麦生长期内,土壤铵态氮含量先升高后降低,都处于较低水平。各生育期不同施氮处理土壤铵态氮含量均比CK处理显著增加。分蘖期CRU20、CRU40和CRU80处理铵态氮含量较CRU0处理显著增加;拔节期到成熟期,大于20%控释氮肥处理均较CRU0处理显著增加土壤铵态氮含量。分蘖期至孕穗期,土壤铵态氮含量以CRU40处理最高,成熟期则是CRU100处理最高。

2.1.2 对土壤硝态氮含量的影响

小麦生长周期内,土壤硝态氮含量呈先增加后降低趋势(图2),较CK处理,各施氮处理均显著提高土壤硝态氮含量(成熟期CRU0除外)。分蘖期以CRU0处理硝态氮含量最大,显著高于其他处理;拔节期和孕穗期各控释氮肥处理均比CRU0处理显著提高土壤硝态氮含量;成熟期土壤硝态氮含量随控释氮肥比增加而升高,40%及以上控释氮肥处理与CRU0处理差异显著。

FN:分蘖期;BJ:拔节期;YS:孕穗期;CS:成熟期。柱图上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

FN:Tillering stage;BJ:Jointing stage;YS:Booting stage;CS:Mature stage.Different small letters above column indicate significant difference among different treatments(P<0.05). The same below.

图1 不同处理对土壤铵态氮含量的影响

Fig.1 Effect of different treatments on the content of ammonium nitrogen in soil

2.2 不同控释氮肥比例对小麦根际土壤微生物数量的影响

2.2.1 对小麦根际土壤细菌数量的影响

由图3可知,小麦根际土壤细菌数量随生育期的推进先增后降,孕穗期达到峰值。从分蘖期至孕穗期,较CK处理,各施氮处理均显著提高根际土壤细菌数量。分蘖期各施氮处理间细菌数量无显著差异;拔节期至成熟期,CRU40处理较CRU0显著增加土壤细菌数量。

2.2.2 对小麦根际土壤放线菌数量的影响

小麦生长周期内,根际放线菌数量随生育期推移而增大(图4)。放线菌数量在分蘖期,施氮处理比CK处理显著增加,随控释氮肥比例增大而减小;拔节期,CRU40和CRU80处理较CRU0显著增加;孕穗期,CRU40及更高控释氮肥处理比CRU0显著增加;成熟期,随控释氮肥比例增大而增多,CRU40及更高控释氮肥处理和CRU0处理间差异显著。

2.2.3 对小麦根际土壤真菌数量的影响

由图5可看出,小麦生长周期内,根际土壤真菌数量基本呈增加趋势。土壤真菌数量在拔节期到成熟期,施氮处理较CK显著增加;分蘖期和拔节期的施氮处理间差异不显著;孕穗期,CRU20和CRU40处理较其他处理显著增加;成熟期,CRU20处理比CRU0显著增加,CRU100较CRU0处理显著降低。

图3 不同处理对小麦根际土壤细菌数量的影响

图4 不同处理对小麦根际土壤放线菌数量的影响

图5 不同处理对小麦根际土壤真菌数量的影响

2.3 不同控释氮肥比例对小麦生长的影响

2.3.1 对小麦干物质积累的影响

由表1可知,施氮处理小麦干物质积累量显著高于CK处理。小麦干物质积累量在分蘖期以CRU0处理最大,各施氮处理间差异不显著;拔节期,小麦干物质积累量随控释氮肥比例的增加而先增加后降低,CRU80处理最大,显著高于除CRU40以外的所有处理;孕穗期和成熟期,CRU40处理较其他施氮处理显著提高了小麦干物质积累量。CRU40处理小麦成熟期干物质积累量较CRU0和CRU100处理分别提升44.54%和17.42%。

表1 不同处理对小麦干物质积累的影响

Table 1 Effect of different treatments on dry matter accumulation in wheat g·plant-1

同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

Values followed by different small letters in same column mean significant difference among different treatments at 0.05 level. The same below.

2.3.2 对小麦生长速率的影响

由表2可知,施氮处理较CK处理显著提高了小麦生长速率。从播种到分蘖期,CRU0处理小麦生长速率最大,不同施氮处理间无显著差异。分蘖期到拔节期,随控释氮肥比例增加,小麦生长速率先增大后减小,CRU40和CRU80处理显著高于其余处理。拔节期到孕穗期,CRU40处理生长速率最大,与其余处理的差异显著。孕穗期到成熟期,CRU40处理生长速率最大,与CRU0、CRU10处理间差异显著,较CRU0处理提高了39.12%。小麦整个生育期间,CRU40处理生长速率显著高于其余处理。

2.3.3 对小麦产量和产量构成因子的影响

由表3可知,施氮处理较CK处理均显著提高了小麦单株有效穗数、穗粒数和籽粒产量,而对小麦千粒重无显著影响。施氮处理间,CRU40处理单株有效穗数最大,与CRU0处理差异显著;各施氮处理间穗粒数无显著差异;CRU40和CRU80处理较其余施氮处理显著增加小麦单株籽粒产量。

表2 不同处理对小麦生长速率的影响

Table 2 Effect of different treatments on the growth rate of wheat mg·d-1·plant-1

表3 不同处理对小麦单株产量和产量构成因子的影响

Table 3 Effect of different treatments on yield and yield components per plant of wheat

处理Treatment有效穗数Effectiveear穗粒数Kernelsperear千粒重1000⁃grainweight/g籽粒产量Grainyield/gCK1.92c14.27b37.52a1.01dCRU02.78b37.23a40.15a4.20bcCRU102.68b37.33a39.69a3.97cCRU203.02ab36.20a39.72a4.39bCRU403.18a38.53a40.76a4.93aCRU803.07ab38.20a39.88a4.70aCRU1002.93ab37.53a39.74a4.41b

3 讨 论

微生物直接参与土壤有机质形成与养分转化,其数量与种类影响着土壤生态系统的稳定性,是评价土壤肥力与健康的生物学指标[20-21]。施用控释氮肥可以有效提高土壤无机氮含量和微生物数量[21-23]。小麦生长周期内,旱地土壤硝化作用强烈,铵态氮会向硝态氮转化,降低了铵态氮含量;硝态氮作为干旱与半干旱地区的氮素主要存在形式,含量大小与地上作物生长状况密切相关[24-25]。由于控释氮肥的养分释放受土壤温度等影响,有研究表明,在秋冬播种后,当土壤温度接近0 ℃,控释氮肥氮素基本无法释放,而在越冬后硝态氮含量逐渐升高[26],这与本试验中土壤硝态氮含量在小麦生育中后期较高的结果一致。本试验结果表明,CRU40及以上控释氮肥占比处理能持续供应小麦全生育期的氮素养分,充足的底物供应可能在一定程度上激活了氮转化功能菌及酶活[27-28],进一步增加土壤硝态氮累积,因而在小麦关键生育时期硝态氮含量均处于较高水平。土壤微生物前期较少,中后期数量增多,这可能与土壤温度变化和小麦生长状况有关,小麦生长前期温度低,微生物生长繁殖缓慢,中后期温度回升,微生物数量增多[29];同时,小麦前期生长缓慢,中后期生长旺盛,促使小麦生根,增加根系分泌物,为微生物生长繁殖提供了良好的物质基础[30],根系生长增大了土壤孔隙度,为微生物提供良好的生存环境,促进微生物生长。本研究显示,不同控释氮肥占比处理对根际土壤微生物种类及数量影响程度不同,其中,CRU40处理对提高小麦生育中后期土壤微生物数量的综合效果较优。说明添加适宜比例的控释氮肥,可以有效促进微生物生长,加速氮素同化与代谢,有利于土壤氮素有效化;而持续的氮素供应也提高了部分微生物的底物条件,残留的包膜材料一定程度扩大了土壤孔隙,改善了土壤通气状况[31],优化了土壤微生物的生存环境,进而又反作用于土壤氮素循环。CRU40及以上控释氮肥比率处理在小麦生长中后期均具有显著提高土壤铵态氮(24.23%~53.08%)和硝态氮(42.17%~74.91%)含量的作用。

有研究表明,施用控释氮肥能够有效延长氮素释放期,保证作物关键生育时期的氮素供应,有效提高作物干物质累积,增加作物产量[32-33]。本试验中,小麦生育前期,CRU0处理小麦干物质积累量和生长速率最大,这是因为尿素在生育前期氮素释放迅速,养分供应充足。而 CRU40处理可显著提高小麦生育中后期干物质积累与生长速率,且增产效果最佳,较常规施肥处理的单株籽粒产量增加了17.38%,较全施控释氮肥增加了11.79%。这主要是因为常规尿素前期养分释放过快,后期保肥能力差,添加恰当控释氮肥保障了关键时期的氮素供应,充足的底物进一步增加了微生物繁殖,一定程度上有利于土壤养分的有效化,进而促进了小麦生长发育。

4 结 论

在本试验条件下,较单施尿素处理,CRU40及更高控释氮肥占比处理均显著提高了小麦生长中后期土壤无机氮含量,CRU40处理增加了土壤微生物数量,提高了小麦干物质累积量和生长速率。控释氮肥与尿素合理配施能有效调节氮素释放速率,促进土壤微生物繁殖,加速氮素转化,有利于小麦对氮素的吸收利用,提高小麦产量。

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Effect of Different Controlled Release Nitrogen Fertilizer Rate on Soil Inorganic Nitrogen,Microorganism and Wheat Growth

HE Jie1,LI Bing1,WANG Changquan1,ZHANG Jingsheng1,XIANG Hao1,YIN Bin2,LIANG Jingyue1

(1.College of Resources,Sichuan Agricultural University,Chengdu,Sichuan 611130,China;2.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing,Jiangsu 210008,China)

In order to explore the effects of controlled release nitrogen fertilizer and urea fertilizer application on soil nitrogen supplying characteristics and potential as well as the growth of wheat,pot experiment was carried out to research the effect of different ratio of controlled release nitrogen fertilizer(0,10%,20%,40%,80%,100%) on root rhizosphere soil inorganic nitrogen content,amount of bacteria,fungi and actinomycetes, and dry matter accumulation,growth rate and yield of wheat. The results showed that the nitrogen fertilizer could significantly increase the content of soil inorganic nitrogen and microbial amount. At the tillering stage of wheat,the content of nitrate nitrogen in soil and the quantity of microorganism in the soil reached the maximum with CRU0 treatment.With the advance of the growth period,CRU40 and the above ratio treatments significantly increased soil inorganic nitrogen content. Compared with CRU0,CRU40 treatment significantly increased the number of bacteria,and CRU40 and above the ratio treatments significantly increased the number of actinomycetes,and CRU20 treatment significantly increased the number of fungi. Compared with CRU0 treatment,CRU40 significantly increased wheat dry matter weight and growth rate from jointing stage to mature stage. Compared with CRU0 and CRU100 at mature stage,CRU40 significantly increased wheat dry matter weight by 44.54% and 17.42%,respectively. There was no significant difference in grain number and 1000-grain weight of wheat among different nitrogen application treatments. CRU40 treatment significantly increased the number of effective spikes per plant,compared with CRU0 treatment. The grain yield was increased by 17.38% and 11.79%,respectively under CRU40 treatment,compared with CRU0 and CRU100 treatments. In summary,proper application of controlled release nitrogen fertilizer could increase soil nutrient content and promote the growth of wheat.

Controlled release nitrogen fertilizer; Soil inorganic nitrogen; Soil microorganism; Wheat growth

时间:2017-03-07

2016-07-04

2016-08-01

国家科技支撑计划项目(2013BAD07B13); 四川省科技支撑计划项目(2012JZ0003)

E-mail:hejie930824@163.com

王昌全(E-mail:w.changquan@163.com)

S512.1;S311

A

1009-1041(2017)03-0349-08

网络出版地址:http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170307.1639.024.html

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