化肥减量配施菌肥对氮素矿化利用的影响

刘宇辉 张晴雯 田秀平 张爱平 刘杏认 杨正礼

(1中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京 100081;2天津农学院农学与资源环境学院,天津 300384)

在海河流域一年两熟复种系统中,由于追求高产而过度使用化学氮肥,加之有机物料投入不足,引发了严重的环境问题。传统培肥措施下物质能量转化缓慢,耕层土壤培肥时间长,土壤板结,耕性恶化,作物所需的中微量元素无法得到及时补充。与此同时,海河流域畜禽养殖业迅猛发展,大部分畜禽粪便未进行无害化处理,导致养殖污染日趋严重。据报道,畜禽养殖业的污染排放已成为我国重要的农业面源污染源[1],其化学需氧量(chemical oxygen demand,COD)达到1 268.26 万t,占全国所有污染物排放的化学需氧量的41.9%。土壤中中微量元素过度消耗造成的“短板效应”愈演愈烈,养殖废弃物污染治理迫在眉睫。针对种植和养殖业遇到的双重问题,以养殖业废弃物污染治理为突破口,将畜禽粪便制成有机肥,在大田施用时辅以生物菌剂,加速其中的养分释放,促进作物对其的吸收,是有效解决以上问题的途径之一。因此,化肥减量配施菌肥及其有机肥替代已成为国内外研究的热点[2-6]。研究表明,生物菌肥对玉米有明显的增产作用[7-11]。李玉春等[12]研究发现微生物菌剂处理使冬小麦产量增加了3%,还可提高叶片叶绿素含量,促进茎、叶中全氮的积累[13]。Rose 等[4]认为生物菌肥中的微生物能促进植物生长,在提高氮素利用方面具有巨大潜力;生物菌肥在不减少产量的前提下可以代替23%～52%氮肥,但不能代替磷肥。也有学者发现EM(effective micro-organisms)菌剂处理后水稻氮素吸收利用率随着稻季的更替逐步上升,第二年增产效果优于第一年,且随着有效微生物菌的不断施入,其对土壤肥力和菌群结构的改良作用越来越明显[14]。

长期连作可导致土壤养分状况失衡,理化性状变差,而生物菌肥的介入能修复土壤,克服连作障碍,防止土传病害的传播。Cai 等[15]研究发现大量施用化肥会导致土壤真菌多样性下降,而施用生物有机肥和化肥减量处理在黄瓜单作下能维持较为稳定的土壤微生物群系。单施菌肥对土壤pH 值无显著影响,会降低土壤中有机质含量和微生物量,但会增加土壤速效磷和速效钾含量,且菌肥能在一定时期内降低土壤含水率,与秸秆反应堆配合还能改良土壤,克服连作障碍,增加作物产量[16]。土壤中氮多以有机态氮的形式存在(约占全氮85%～95%)[17],而作物能直接利用的氮主要是矿质态氮,有机态氮只有通过矿化作用才能转化成作物可以直接利用的矿质态氮,可矿化氮占有机氮的比例直接影响矿化作用的强弱,决定了土壤的供氮能力。王成等[18]研究表明,土壤可矿化氮主要集中于耕层土壤,且呈现出显著的阶段性变化,土壤可矿化氮不因施化肥氮的多少而变化, 但在施有机肥的后期显著增加。Hatch 等[19]研究发现在牧场条件下施用化肥氮或粪肥短期内并不能对总矿化氮产生较大影响;此外,粪肥对总矿化氮的影响微弱,但对氮的生物固持起到了极大的促进作用,从长期来看,化肥氮或者粪肥能够明显增加土壤总矿化氮和净矿化氮,而总生物固氮量则低于空白处理。本试验通过分析减量化肥和生物菌肥配施对夏玉米主要生育时期的有机氮矿化量和矿化率的影响,探究土壤的供氮能力,以期从土壤矿化机理层面揭示其对作物产量造成影响的微生物驱动效应,为海河流域下游菌肥配施和秸秆还田下有机肥替代化肥提供参考,为氮素科学管理和农田增效减负提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验在山东省滨州市滨城区滨北镇中裕农牧产业园进行,该地区属于温带大陆性季风气候,多年平均气温12.7℃,平均地面温度14.7℃,平均日照时数2 632.0 h,年平均降水量564.8 mm,降水多集中在7-8月。作物种植方式为冬小麦—夏玉米轮作,土壤类型为潮土,2017年试验前耕层土壤基本理化性质为有机质含量13.7 g·kg-1、全氮0.9 g·kg-1、全钾21 g·kg-1、速效磷70.6 mg·kg-1、碱解氮83.4 mg·kg-1、速效钾227 mg·kg-1。

1.2 试验材料

菌肥1：复合微生物菌剂-蓝矛绿盾(有效微生物为短小芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等),可湿性粉剂,由北京十方技术有限责任公司生产;菌肥2：酵素菌(BYM)肥料,黑色粉末状,由宝鸡乾亨农业发展有限公司生产。2 种复合菌剂有效活菌数量均≥2 亿·g-1。试验所用有机肥为免深耕有机肥,黑色颗粒状,其中N + P2O5+ K2O≥5%,有机质＞45%,由山东瓮福金谷化肥有限公司生产。

1.3 试验设计

试验共设置5 个处理,即常规施肥[N 200 kg·hm-2,P2O5120 kg·hm-2,对照(CK)]、B1N2P2(菌肥1 为7.5 kg·hm-2,N、P2O5均较CK 减量25%)、B1ON1P1(菌肥1 为7.5 kg·hm-2,有机肥为3 t·hm-2,N、P2O5均较CK减量50%)、B2N2P2(菌肥2 为7.5 kg·hm-2, N、P2O5均较CK 减量25%)、B2ON1P1(菌肥2 为7.5 kg·hm-2,有机肥为3 t·hm-2,N、P2O5均较CK 减量50%)。每个处理3 次重复。菌肥与有机肥、磷肥作为基肥一次性施入,氮肥中的尿素1/3 作为底肥,2/3 作为追肥。每小区面积为140 m2(14 m ×10 m)。菌肥、有机肥及基肥尿素、磷酸二铵均由人工撒施,小区旋耕15 cm。夏玉米于2017年6月16日播种,大田无灌溉设施,靠自然降雨。因夏季雨量充足,趁雨前于7月13日追肥一次,其余管理措施如除草、打药等与当地农田管理方式一致,并于当年10月2日收获。

1.4 样品采集

于2017年夏玉米生长的苗期、拔节期、抽雄期,灌浆期及成熟期5 个重要生育期,采集各处理小区0 ～20 cm 耕层土壤。采用“S”形取样法收集土样,每重复取3点混合作为一个土样,每处理3 次重复,共取9 点。将采集的土样除去动、植物残体,一部分鲜土过2 mm 筛用于测定有机氮矿化量,其余分别过1、0.25 mm 筛,风干后用于测定土壤pH 值、碱解氮、全氮和速效磷含量。玉米植株和籽粒于收获期在每个小区内随机选取25 m2(5 m×5 m)全部收获并进行室内考种,并随机选取3 个玉米植株,每重复取9 株。

1.5 测定项目与方法

1.5.1 玉米产量、穗部性状和穗位叶SPAD 值的测定粒,80℃烘干至恒重,称重后求平均值即为各处理产量;2)玉米穗部性状：于蜡熟期收获时,测定果穗行数(行)、行粒数(粒)和秃尖长度(cm),风干后测定千粒重(g)。其中,秃尖长度、穗行数、行粒数所得数据为10 个标准穗平均值。按照公式分别计算经济系数(harvest index,HI)、氮素收获指数(nitrogen harvest index,NHI)和氮素生理利用率(nitrogen physiological 1)产量：每个处理采集3 个25 m2面积内的玉米籽efficiency,NPE)：

3)穗位叶SPAD 值：采用SPAD-502Plus 叶绿素计(日本KONICA MINOLTA 公司)进行测定。每个生育期在每个小区随机选取10 片穗位叶进行叶绿素含量测定,取其平均值。拔节期测定最上一片完全展开的叶片的中部。

1.5.2 土壤pH 值、含水率的测定 1)土壤pH 值：称取过2 mm 筛的自然风干土样10 g 置于50 mL 烧杯中,加入25 mL 蒸馏水。将容器密封后,搅拌5 min,再静置1 h 后利用PHS-3E 型pH 计(上海雷磁仪器厂)进行测定。2)土壤含水率(%)：利用Uni100E-土壤水分速测仪(北京联创思源测控技术有限公司)在田间实地测量。

1.5.3 土壤全氮、矿质态氮、有机氮、碱解氮和速效磷含量的测定 采用半微量开氏法,利用KDY-9820 凯氏定氮仪(北京市通润源机电有限责任公司)测定土壤全氮含量;采用2 mol·L-1KCl 浸提,利用AA3 流动分析仪(德国SEAL 公司)分别测定硝态氮和铵态氮的含量,二者之和即为土壤矿质态氮含量;土壤有机氮为全氮减去铵态氮;采用碱解扩散法测定土壤碱解氮;采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定土壤速效磷含量。

1.5.4 土壤氮矿化量的测定 采用淹水培养法[20-23]。称取10 g 新鲜土样于150 mL 三角瓶中,加入10 mL 蒸馏水,将三角瓶密封后放入40℃培养箱,培养7 d 后加入40 mL 2.5 mol·L-1KCl,振荡30 min后过滤,采用流动分析仪测定滤液中铵态氮,按照公式分别计算土壤铵态氮矿化量、铵态氮矿化率：

1.6 数据处理

采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 软件进行数据处理和绘图;Pearson 法进行相关性分析,处理间多重比较采用LSD 法。

2 结果与分析

2.1 菌肥配施下夏玉米产量及构成因素分析

由表1 可知,夏玉米的穗粒数依次为B1N2P2＞B2N2P2＞B1ON1P1＞CK＞B2ON1P1,这与产量顺序基本一致,虽然B1N2P2的千粒重较低,但其较高的穗粒数对其最终产量的形成起到了较大的弥补作用。夏玉米千粒重依次为B2N2P2＞CK ＞B1ON1P1＞B2ON1P1＞B1N2P2,说明菌肥2 与化肥的组合能明显增加玉米的千粒重,而菌肥1 和化肥组合的千粒重最低。B1N2P2的产量较B1ON1P1、CK 分别高出12.63%和9.01%;B2N2P2的产量较B2ON1P1、CK 分别显著高出24.55%和7.94%(P＜0.05)。表明菌肥与化肥的组合较常规化肥和菌肥与有机肥组合有其明显的优越性,化肥减量25%再配合生物菌肥下的产量最高。夏玉米秃尖长度依次为B2N2P2＜B2ON1P1＜B1N2P2＜B1ON1P1＜CK,B2N2P2的秃尖长度最短,且千粒重最高,说明菌肥2 在提高玉米籽粒饱满度方面要优于菌肥1。

表1 不同菌肥组合下夏玉米产量及产量构成因素分析Table 1 Yield and its components of summer maize under different combination of biofertilizers

2.2 菌肥配施对夏玉米氮素吸收利用的影响

由表2 可知,B2ON1P1的植株吸氮量和籽粒吸氮量显著高于B1ON1P1和CK,说明菌肥2 更能帮助玉米从土壤中获取氮素营养。氮素收获指数反映了氮素在籽粒中的分配比例。菌肥2 的籽粒吸氮量和植株吸氮量都较高,因此氮素收获指数比菌肥1 和CK 低,菌肥1 对促进植株吸收的氮素向籽粒中运转的能力优于菌肥2。氮素生理利用率反映了作物吸收的氮用于形成产量的能力,这与氮素收获指数一致,菌肥1 能将吸收的氮更好地用于形成产量,说明2 个指标在衡量氮素利用方面的作用接近。经济系数是籽粒干重占地上干物质重量的比例。结果表明,2 种菌肥组合均不能提高玉米的经济系数,推测经济系数可能只受作物种类及品种的影响,对施肥的结果响应并不明显。综合比较氮的吸收量上和籽粒分配比例可知,B1N2P2的氮素利用率虽略低于B1ON1P1,但其吸收总量显著高于该处理,这与产量构成因素相吻合。

表2 夏玉米收获期化肥氮的利用率及经济系数Table 2 Nitrogen use efficiency and economic coefficient by summer maize at harvest

由表3 可知,苗期夏玉米SPAD 值在各处理之间无显著差异;成熟期2 种菌肥和有机肥组合叶绿素低于纯化肥和菌肥与化肥组合,而在3 个中期生育阶段(拔节期、抽雄期、灌浆期),菌肥与化肥组合处理的SPAD 值明显高于菌肥加有机肥与低量化肥处理和CK(P＜0.05)。从整个玉米生育阶段来看,SPAD 值呈先增加后降低的趋势,在灌浆期达到峰值。在拔节期、抽雄期和灌浆期这3 个夏玉米生长最快和干物质累积最多的时期,B1N2P2的SPAD 值较B1ON1P1分别显著高13.50%、6.97%和6.98%,B2N2P2的SPAD 值较B2ON1P1分别显著高11.98%、8.37%和10.36%,说明化肥减量50%已无法满足夏玉米生长发育的需要,有机肥能部分替代化肥,但不能完全替代化肥,此现象在灌浆以后尤为明显。而B1N2P2与B2N2P2、B1ON1P1与B2ON1P1间均无显著差异(P＞0.05),说明不同生物菌肥之间的差异不明显。CK 的化肥氮素施用量最大,但SPAD 值不是最高,说明过量使用化肥对提高作物叶绿素含量和光合同化能力弊大于利。

表3 不同菌肥组合下夏玉米主要生育期叶片SPAD 值Table 3 SPAD readings of summer maize under different combination of biofertilizers

2.3 菌肥配施对夏玉米各生育期土壤氮矿化量和矿化率的影响

由图1 可知,除成熟期B1ON1P1处理的氮素矿化量低于同菌肥处理外,其他时期有机肥和菌肥处理氮矿化量均高于相应菌肥与化肥的组合,说明有机肥的加入可以促进氮素的矿化。在有机肥施入土壤后约30 d 激发效应开始明显地表现出来,且在拔节和抽雄2 个时期氮矿化量有明显的增长,灌浆期和成熟期又逐渐恢复平稳。在苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期,B1ON1P1的氮矿化量较B1N2P2分别高41.99%、151.29%、120.09%和21.20%,成熟期较B1N2P2减少40.20%; 在各生育期B2ON1P1的氮矿化量较B2N2P2分别高 231.04%、56.28%、245.04%、16.83% 和20.30%。综合分析可知,常规化肥(CK)和菌肥与化肥组合处理的氮矿化量在各生育期之间波动较小,且均维持在较低水平,有机肥与菌肥配施显著增加了氮矿化量,且菌肥1 和菌肥2 处理下氮矿化量在不同时期波动较大,而B1N2P2在收获时仍能保持较高的氮矿化量,这可能是由于微生物在前中期固定了大量的矿质态氮,而后期又缓慢释放出来,这对产量形成具有促进作用。

图1 不同生育期各处理土壤氮矿化量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil nitrogen mineralization amount in different growing stages

图2 不同生育期各处理土壤氮矿化率动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil nitrogen mineralization rate in different growing stages

土壤全氮、有机质能反映可矿化氮的库容,但无法反映植物生长期内或培养期内土壤能够矿化的氮素比例。对土壤供氮量的估计不仅要考虑其总量,更要考虑易矿化部分的比例[24]。氮矿化率能够反映可矿化氮占土壤总氮的比例。由图2 可知,氮矿化率和氮矿化量的整体变化趋势一致,接近抛物线型。B1ON1P1的氮矿化率首次大幅增加出现在拔节期,B2ON1P1的氮矿化率首次大幅增加出现在抽雄期,且含有机肥的2 个处理均在生育中期(抽雄期)达到峰值,CK 和B1N2P2、B2N2P2的氮矿化率在生育期间的波动小,比较平稳。

2.4 菌肥配施对土壤含水率和pH 值的影响

由图3 可知,0～20 cm 土壤含水率的总体呈先降低后升高再降低的趋势。各生育期土壤平均含水率的变化范围为11.62%～26.28%,从玉米抽雄期开始(进入8月份后),土壤含水率迅猛增长,这与短时间内出现的强降雨有关。9月中旬开始,随着自然降雨的减少,土壤含水率又开始下降。苗期CK 的土壤含水率显著高于B1ON1P1、B2N2P2和B2ON1P1处理(P ＜0.05),但与B1N2P2无显著差异(P＞0.05)。在拔节期,由于气温较高,蒸散量大,土壤水分有不同程度的减少,但各处理间土壤含水率无显著差异(P＞0.05)。抽雄期各处理的土壤含水率均达到最大值,且仍以CK土壤含水率最大,极显著高于B1ON1P1和B2ON1P1(P＜0.01),说明有机肥能够明显降低土壤含水率,这与石玉龙等[25]的研究结果一致。B1N2P2和B2N2P2的土壤含水率显著高于B1ON1P1和B2ON1P1(P ＜0.05)。灌浆期的土壤含水率除B1N2P2与B1ON1P1间无显著差异外,其他处理的变化趋势与抽雄期基本一致。成熟期B1N2P2的土壤含水率高于CK,但二者间无显著差异(P＞0.05),这可能是该处理获得最高产量的原因之一,即土壤含水率较为稳定。

图3 不同生育期各处理土壤含水率动态变化Fig.3 Dynamic changes of soil moisture content in different growing stages

由图4 可知,0 ～20 cm 土壤pH 值总体变化范围在7.77～8.20 之间。B1N2P2和B2N2P2的土壤pH 值变化幅度不大,且成熟期与苗期基本持平。而CK、B1ON1P1和B2ON1P1的土壤pH 值在各生育期变化幅度较大,其中CK 的土壤pH 值表现出波动上升的态势,2 种菌肥和有机肥的组合表现出波动下降态势。苗期B2N2P2的土壤pH 值显著高于其它处理(P ＜0.05),拔节期CK 和B2N2P2的土壤pH 值显著高于B1ON1P1(P ＜0.05),但其它处理间无显著差异(P ＞0.05)。抽雄期B2N2P2的土壤pH 值显著高于其它处理(P ＜0.05)。灌浆期和成熟期,CK、B1N2P2和B2N2P2的土壤pH 值显著高于B1ON1P1(P ＜0.05),B1ON1P1与B2ON1P1间无显著差异(P＞0.05)。整个玉米生育期间,菌肥与有机肥组合的土壤pH 值始终低于其它处理,且仍有持续降低的趋势。

图4 不同生育期各处理土壤pH 值动态变化Fig.4 Dynamic changes of soil pH value in different growing stages

3 讨论

矿质态氮是作物能直接利用的氮素形态,有机肥配施菌肥可以促进有机态氮的矿化作用,形成更多的矿质态氮。卢红玲等[26]认为,作物既吸收利用土壤中的无机氮,又大量吸收利用从土壤有机氮库中矿化出的矿质态氮。淹水培养法测定氮矿化具有简单迅速、不用调节水分含量等优点。淹水培养法最早运用于水田,后来也有研究者将其应用于除稻田以外的旱地土壤,结果稳定且可信[27]。淹水培养期间铵态氮累积量仍然是评价可矿化氮的较好指标[26]。本研究中,苗期仅B2ON1P1的氮矿化量显著高于其它处理,灌浆期各菌肥处理之间无明显差异,成熟期仅B1N2P2的氮矿化量显著高于其它处理。不同菌种对同一有机物料的矿化和分解速度不尽相同,在拔节期和抽雄期2 种菌肥和有机肥处理的氮矿化量均高于其它处理,且差异显著。这可能是由于这两个时期的气温和地温较高,且土壤湿度也处于一年中最高的时期。前人研究表明,温度和含水量对土壤氮的矿化有明显的正交互作用[28],且温度的影响比湿度更大。本研究中,有机肥在施入土壤后,对有机氮库产生了明显的正激发效应,这与邵兴芳等[29]在东北黑土地上长达32年的试验得到的结论相似。而未添加有机肥的3 个处理的氮矿化量在生育期间的变化幅度不大。本研究还发现菌肥和有机肥配施在产量和叶绿素上的表现不如菌肥配施下氮磷化肥减量25%,可能是由于氮素已经不是它们间的限制因子,或是受到低土壤水分的负面影响。而全氮和碱解氮在始末两生育期的测量结果显示,除B1N2P2成熟期的土壤碱解氮含量较苗期有所降低外,其它处理的全氮和碱解氮含量均有不同程度的增加,从侧面论证了B1N2P2处理下作物对氮的吸收利用率是最佳的。添加有机肥处理的矿化出过量的矿质态氮,但作物对该矿质态氮的吸收利用性差,过剩的氮素营养成为了潜在的污染源。

菌肥中的微生物能利用化学肥料中的氮素养分进行繁殖,提高对氮素的吸附量,从而降低氮素营养的损失并提高氮素的回收率。Thonar 等[30]研究发现土壤生物菌剂和有机肥料共同施用,尤其是和动物粪便堆肥一起施用能显著提高玉米对磷的利用率和地上生物量,可能是由于两者共同施用时具有更高的丛枝菌根长度占比。本研究中,与常规化肥处理相比,菌肥1 能提高化肥氮的收获指数和生理利用率,而菌肥2 未能达到预期的效果。B2N2P2的植株吸氮量和籽粒吸氮量均为最高,但其利用率却偏低,原因是根系生物量大而氮素向籽粒中的分配比例不高。而经济系数受施肥的响应不明显,可能只取决于作物品种。

本研究中,除苗期各处理的SPAD 值无显著差异外,其余四个生育时期菌肥和化肥组合的SPAD 值都明显高于菌肥和有机肥组合。利用SPAD 值可以诊断作物氮素营养状况,并提高追肥的精度[31-32]。研究表明,叶片SPAD 值与叶绿素a、叶绿素b 及总叶绿素含量间均存在极显著正相关关系[33],SPAD 值越高表明叶绿素含量越高。叶绿素含量高意味着植株对氮素的获取和利用率高。而植株的氮素积累量又取决于土壤中氮素营养含量以及作物对土壤养分的吸收利用情况,所以SPAD 值和土壤供氮能力、作物对氮素营养的吸收利用情况是密不可分的。SPAD 值不仅能反映叶片中的氮素累积量,也间接反映了土壤的供氮情况。通过Pearson 相关性分析可得,SPAD 值与土壤全氮、矿质态氮均呈极显著正相关(P＜0.01),与土壤有机态氮含量呈显著正相关(P＜0.05),而与碱解氮和氮矿化量无显著相关关系(表4)。

本次试验所用有机肥具有降低土壤pH 值的作用,对改良北方滨海盐碱土具有积极作用,但施用有机肥导致土壤含水率下降和产量不理想,限制了其推广。

表4 SPAD 值和土壤供氮指标之间的相关性Table 4 The relativity of soil nitrogen indicators and SPAD readings

4 结论

本研究结果表明,菌肥和氮磷化肥配合使用虽未对氮素矿化表现出明显的激发效应,但是B1N2P2的氮矿化量在后期仍能稳定在较高水平,说明氮矿化在生育期间变化小更能满足夏玉米的生长发育,氮矿化量的骤升骤降不益于作物对矿质态氮的吸收和利用。菌肥1 能提高夏玉米的氮素利用率,B1N2P2的产量最高。因此,氮肥与磷肥减量25%(N 减至150 kg·hm-2,P2O5减至90 kg·hm-2),同时施用菌肥(7.5 kg·hm-2)有利于海河流域农田增效减负和氮素利用率的提高。但菌肥1 在同一小区已是第二年连续施用,而菌肥2是第一次施用,所以上述结论还有待进一步验证。