硅钙钾镁肥配施黄腐酸钾对土壤酶活性及桃幼树生长的影响

孙希武 彭福田 肖元松 张亚飞 郜怀峰 王国栋 贺月

(山东农业大学园艺科学与工程学院作物生物学国家重点实验室,山东 泰安 271018)

硅钙钾镁肥是一种多元素硅肥,富含硅、磷、钾、钙、镁、硼、钼等多种元素。作为弱碱性肥料,硅钙钾镁可以调节土壤pH值,改善土壤质地[1]。同时,硅钙钾镁还可增强土壤透气性,促进根系生长,防止根系早衰,并促进光合作用,增加叶绿素含量[2],进而提高作物产量和品质。

黄腐酸钾是一种分子量相对较小、易被作物吸收利用的大分子有机化合物[3]。黄腐酸钾富含微生物菌群和有机质,可以改善土壤结构和土壤环境,诱导土壤中多种有益菌群的形成,达到解磷、解钾、固氮的功效[4]。黄腐酸钾可以促进植株的生长[5],增强作物对肥料的吸收利用能力[6]。作为一种腐植酸肥料,黄腐酸钾能够通过调控土壤与肥料中养分的形态,提高肥料施用后土壤与肥料中养分的有效性,降低养分损失,提高肥料利用率,从而减少肥料的使用量,降低肥料成本[7]。

近年来对硅钙钾镁肥与黄腐酸钾的研究应用日益增多,但仅限于两者单独施用,而对硅钙钾镁肥与黄腐酸钾两者配施效应的研究鲜见报道。硅钙钾镁肥富含大量硅元素,硅可与黄腐酸等组合显著提高棉花根系活力和生物量,同时显著提高棉花抗盐性[8]。黄腐酸钾能吸附交换活化土壤中多种矿质元素,大大提升这些元素的有效性,从而提高肥料利用效率[9]。在我国,桃园土壤施肥依然以传统施肥方式为主,偏施氮肥,轻施其他元素的补充,造成土壤环境恶化。硅钙钾镁作为一种良好的土壤改良剂,在桃树上的应用鲜见报道。已有研究表明,黄腐酸钾配施化肥有利于桃树根系的加粗生长和细根的发生[10]。因此,本试验以一年生瑞蟠21号桃幼树为试验材料,研究硅钙钾镁肥配施黄腐酸钾对盆栽桃幼树土壤酶活性、土壤养分含量、根系构型及植株生长的影响,以期为桃树合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2016年在山东农业大学试验基地进行,供试桃树为一年生瑞蟠21号毛桃(Amygdalus persicaLinn.),采用盆栽试验,花盆直径30 cm,高40 cm,盆栽用土采用桃园土壤,采集0～20 cm表层土,自然风干后去除植物残体和石块,过筛后备用。供试土壤基本理化性状为pH值6.67、碱解氮含量47.56 mg·kg-1、速效磷含量32.92 mg·kg-1、速效钾含量85.72 mg·kg-1、有机质含量13.25 g·kg-1,每盆土重14 kg。供施基肥为普通氮磷钾复混肥。硅钙钾镁肥购自山西富力邦肥业有限公司,其中含有效硅SiO2≥30.0%、有效钾K2O 4.0%、有效钙CaO 32.0%、有效镁MgO 5.0%及少量微量元素。黄腐酸钾购自山东潍坊东阳化工厂,其水溶性黄腐酸含量＞50%、全氮含量2.8%、全磷(P2O5)含量0.6%、全钾(K2O)含量9.7%。

1.2 试验设计

试验于2016年3-10月展开,依据前期预试验确定肥料用量,共设置3个处理:CK(空白为对照);T1(硅钙钾镁37.32 g);T2(硅钙钾镁37.32 g+黄腐酸钾16 g),单株小区,每个处理9个重复。2016年3月在盆中定植桃树幼苗,栽植后正常管理,待桃树正常生长后于5月10日进行施肥处理,将复混肥(尿素10.87 g、聚磷酸铵9.09 g、硫酸钾11.11 g)、硅钙钾镁肥及黄腐酸钾等所有肥料水溶后冲施在盆内事先挖好的沟槽中。于6-10月中旬,取盆中新鲜土壤进行酶活性测定,风干后测定土壤养分含量及有效硅含量,同时测定植株的净光合速率及叶绿素SPAD值。8月15-20日每个处理取3株植株根系进行根系活力测定,并在桃新梢停止生长(10月17日)后进行破坏性取样,采用水冲土洗根法取出整个根系,冲洗干净后拍照,并测定根系长度及侧根数量。测定完成后将植株分为地上部和地下部,烘干后分别测定各部分干重及全氮、全磷、全钾、硅含量等,每个处理重复3次。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 土壤酶活性的测定 用土钻在距离主干5～10 cm 处随机取样,取样深度为0～20 cm,每处理取3 盆,每盆3个重复,混匀。采用苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性;采用磷酸苯二钠比色法测定土壤酸性磷酸酶活性,比色所用仪器为TU-1905 紫外线分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司);采用高锰酸钾滴定法测定土壤过氧化氢酶活性[11]。

1.3.2 土壤养分状况的测定 取样同1.3.1,自然风干后过0.25 mm 筛备用。土壤基本理化性状采用常规分析法测定,重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量,碱解扩散法测定碱解氮含量,0.5 mol·L-1NaHCO3-钼锑抗比色法测定速效磷含量,NH4OAc 浸提-火焰光度法测定有效钾含量,钼蓝比色法测定土壤有效硅含量[12]。

1.3.3 根系活力及长度、数量的测定 洗净根系后,用相机拍照保存,并将根系分为细根(直径≤2 mm)、粗根(直径≥2 mm)两部分,分别称其鲜重,按照公式计算细根比:

根系活力采用氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride,TTC)还原法测定[13],以单位鲜样质量根系还原的TTC 量表示。使用米尺测定一级侧根的长度,以全部侧根的平均值作为一级侧根平均长度,并调查一级侧根和二级侧根的条数作为一级侧根数量和二级侧根数量[14]。

1.3.4 植株解析后项目的测定 使用游标卡尺测量植株干茎。将植株分解后,于105℃杀青0.5 h,然后80℃烘干至恒重,测量植株总干重及各部分干重。按照公式计算根冠比:

干样粉碎后过0.25 mm 筛,经浓H2SO4+H2O2消煮后,采用K9850 凯氏定氮仪(济南海能仪器股份有限公司)测定全氮含量,采用钼锑抗比色法测定全磷含量,采用MODEL410 火焰光度计(Sherwoodscientific,英国)测定全钾含量,采用硅钼蓝比色法测定植株硅含量[15]。

1.3.5 植株光合速率和叶绿素含量的测定 选择晴天上午9:00-11:00,各处理每棵标记5片枝条中位叶,采用CIRAS-3 便携式光合仪(PP Systems,美国)测定净光合速率,CO2浓度设定为390 μL·L-1,于数据稳定后记录数值,测定5次重复,取平均值;叶绿素SPAD值的测定采用SPAD-502Plus 叶绿素测定仪(Konica Minolta,日本),选取各处理每棵标记的5片枝条中位叶,快速测定叶片的叶绿素SPAD值,于数据稳定后记录数值,测定3次重复,取平均值。1.3.6数据分析 采用Microsoft Office Excel 2007和DPS 7.05 软件对试验数据进行整理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤状况的影响

2.1.1 不同处理对土壤酶活性的影响 由图1可知,在桃幼树新梢生长停止前,施硅钙钾镁肥可显著提高土壤酸性磷酸酶活性,且不同时期均表现为T2＞T1＞CK。其中,在桃幼树新梢快速生长的7月中旬,T1、T2分别较CK 提高了26.5%和37.8%。从桃幼树新梢生长初期(6月中旬)至桃树新梢生长停止期(10月中旬),各处理土壤脲酶变化均呈先上升后下降的趋势,在7月中旬达到最大值,且不同时期均表现为T2 ＞T1 ＞CK。土壤过氧化氢酶活性在7月中旬达到最大值,随后下降,在10月中旬略有上升,但仍低于7月中旬。在桃幼树快速生长期(7月中旬),T1、T2 过氧化氢酶活性均高于CK,分别提高48.2%和57.5%。

2.1.2 不同处理对土壤养分状况的影响 由图2可知,6-10月各处理碱解氮含量均表现为T2＞T1＞CK,在8月中旬达到最大值,此时,T1、T2 与CK相比分别提高了15.3%、27.9%。7月中旬,土壤有效磷含量表现为T1＞T2＞CK,但生长后期T1 明显小于T2。T1、T2土壤中速效钾含量从6月中旬至9月中旬均呈持续上升趋势,9月中旬后开始下降,而CK 土壤速效钾含量在7月中旬后开始下降,且下降趋势明显,此外,T2 在整个生长季中的速效钾含量均高于其他2个处理。由此可见,施硅钙钾镁肥后,土壤中的碱解氮、有效磷及速效钾含量均有所提高,配施黄腐酸钾后各指标含量提高更加明显。

2.1.3 不同处理对土壤有效硅含量的影响 土壤有效硅是指能被当季作物吸收利用的硅。由图3可知,各处理在不同时期的有效硅含量均表现为T2＞T1＞CK,在桃幼树快速生长的7月中旬,T1、T2分别较CK 提高了19.4%、48.0%。可见,施硅钙钾镁肥可显著提高土壤有效硅含量,而配施黄腐酸钾更能促进硅钙钾镁肥中硅元素的释放,增加土壤有效硅含量。

2.2 不同处理对桃幼株生长的影响

2.2.1 不同处理对桃幼树根系生长的影响 根系是植物吸收水分和养分的主要器官。由图4可知,施硅钙钾镁肥的各处理均明显减轻了桃树根系的褐变程度,褐变程度表现为CK＞T1＞T2,且CK 根系欠发达,细根主要分布于土层上部,下层细根数量较少,而施硅钙钾镁各处理根系发达,细根分布比较均匀,尤其是配施黄腐酸钾的T2 效果更为明显。

图1 不同处理对土壤酸性磷酸酶、脲酶及过氧化氢酶活性的影响Fig.1 Effects of different treatments on activity of soil acid phosphatase,urease and catalase

细根是行使根系功能的主要部位。由表1可知,施硅钙钾镁肥显著提高了桃幼树的根系鲜重、细根比重及根系活力。与CK相比,T1、T2 细根比分别提高了11.2%、26.2%,根系活力分别提高了12.2%、18.1%。由表2可知,T1、T2的根系总长度分别较CK增加了28.1%和61.9%,而一级侧根平均长度显著缩短,分别为CK的90.2%、75.6%。一级侧根与二级侧根的数量在施硅钙钾镁肥后均有增加,其中T2分别较CK 增加46.2%、43.7%。

图2 不同处理对0～20 cm 土壤养分的影响Fig.2 Effect of different treatments on soil nutrient in 0-20 cm

2.2.2 不同处理对桃树生物量的影响 生物量可以反映植物的长势情况。由表3可知,各处理桃幼树植株生物量差异显著。与CK相比,T1、T2 总干重分别增加了1.2倍、2.0倍,干茎分别提高了23.2%、42.6%。根冠比是反映植株生长状态的重要指标之一。T1、T2 根冠比分别较CK 增加了9.4%、17.0%,且差异显著。

2.2.3 不同处理对桃幼树养分分配的影响 由表4可知,各处理不同器官全氮、全钾含量均表现为叶＞根＞茎,全磷含量均表现为根＞茎＞叶,且所有器官各处理全氮、全磷、全钾含量均表现为T2＞T1＞CK。与CK相比,T2 茎、叶、根全氮含量分别显著提高了26.2%、18.0%、18.1%,全钾含量分别显著提高了15.7%、19.5%、26.9%;T1、T2 茎、叶、根全磷含量分别显著提高了4.2%、3.6%、2.0%和7.6%、8.3%、3.6%;T1、T2桃幼树地上部硅含量分别提高了61.3%、91.9%,地下部硅含量分别提高了62.3%、102.5%。由此可见,施硅钙钾镁肥可显著提高桃幼树氮、磷、钾及硅含量,配施黄腐酸钾更有利上述元素的积累。

2.2.4 不同处理对桃幼树净光合速率及叶绿素含量的影响 由表5可知,6-10月,T1、T2的净光合速率均高于CK。除6月中旬,T2 净光合速率略低于T1,之后各时期T2 净光合速率均高于T1;8月中旬,T1、T2 的净光合速率分别较CK 显著增加22.2%、37.7%。各处理叶片SPAD值均随时间变化呈先上升后下降的趋势,各处理之间差异与净光合速率一致(表6)。

表1 不同处理对桃幼树细根比重及根系活力的影响Table1 Effects of different treatments on fine root ratio and root activity of young peach tress

表2 不同处理对桃幼树根系长度和侧根数量的影响Table2 Effect of different treatments on root length and lateral root number of young peach tress

表3 不同处理对桃幼树干茎、干物质积累的影响Table3 Effects of different treatments on dry stem and dry matter accumulation of young peach trees

表4 不同处理对桃幼树养分积累的影响Table4 Effects of different treatments on nutrient accumulation of young peach trees

表5 不同处理对桃幼树净光合速率的影响Table5 Effects of different treatments on net photosynthetic rate of young peach trees/(μmol·m-2·s-1)

表6 不同处理对桃幼树叶绿素SPAD值的影响Table6 Effect of different treatments on chlorophyll SPAD value of young peach trees

3 讨论

硅钙钾镁肥水溶液呈碱性,在水稻种植中,随着硅钙钾镁肥用量的增加,土壤pH 不断提高,而交换性氢、交换性铝和交换性酸含量不断下降,对改良酸性土壤有着重要作用[16]。超级稻大田试验也证实,施用硅钙钾镁肥可改善土壤理化性状,提高土壤有效磷含量、速效钾含量[17]。在苹果上,施用硅钙钾镁肥对酸性土壤也有很好的改良效果[18]。本研究发现,施用硅钙钾镁肥提高了桃幼树盆栽土壤碱解氮、速效钾、速效磷含量,说明硅钙钾镁肥对土壤状况有着明显的改良作用。在生长前期,T2的土壤有效磷含量略低于T1,可能是由于黄腐酸钾促进硅钙钾镁肥释放出更多的金属元素,这些元素易与磷吸附,使土壤有效磷含量减少,但随着黄腐酸钾作用增强,又能够将金属元素吸附的磷活化,同时促进硅钙钾镁肥释放出更多的硅元素,可以活化土壤中的有机磷,进而在后期又提高了土壤有效磷含量,但具体机理还有待进一步探究。此外,本研究还发现,施用硅钙钾镁肥后土壤有效硅含量显著增加,硅含量增加可以提高土壤微生物的活性和调节微生物区系的组成[19-20],而土壤生物活性和微生物区系组成间接提高了土壤酶活性[21]。硅在土壤中大量积累,给植株提供了更有利的环境,这可能是硅钙钾镁肥料改善土壤状况并促进植株生长的一个重要原因。

在辣椒[22]、葡萄[23]上施用硅钙钾镁肥,可以促进植株健壮;在黄瓜[24]、桑树[25]上施用硅钙钾镁肥,可以增加产量。在苹果上施用硅钙钾镁肥能加快苹果树枝条生长,使新梢生长旺盛[26]。硅钙钾镁肥可以防止根系早衰,促进根系生长,增加叶绿素含量,增强光合作用,均衡作物对氮素的过量吸收,减弱、溶解土壤的固态磷,促进作物对各营养元素的均衡吸收,积累较多有机营养,使作物生长健壮[2]。有研究表明,低磷会破坏叶绿体结构,降低叶绿素含量及叶片光合作用。本研究中,在6月中旬,与T1相比,T2 净光合速率略低,这可能是因为在前期配施黄腐酸钾后土壤有效磷含量降低,进而降低了桃幼树叶绿素含量和净光合速率,但具体机理还有待进一步探究。综上,施硅钙钾镁肥可以改善根系构型,延缓根系衰老,提高桃幼树光合及植株形态建成。

黄腐酸钾作为一种腐植酸盐,施入土壤后提高了土壤的保肥供肥能力[27]。研究表明,从蚯蚓中提取的腐植酸能显著促进玉米幼苗根系生长和侧根发生[28]。在苹果园灌溉施肥并配施黄腐酸钾,有利于提高土壤溶液中各组分养分含量,增加果树对养分的吸收和利用,减少土壤溶液中各养分的淋失,提高果实品质和产量[29]。研究表明,黄腐酸钾与化肥控释袋处理可改变养分的释放特性,降低氨挥发,增加土壤氮素残留;与单施化肥相比,可以显著提高根系密度,延缓根系衰老,提高植株氮肥利用率,有利于桃幼树生长健壮[30]。本研究结果表明,与单施硅钙钾镁肥相比,配施黄腐酸钾对土壤酶活、土壤氮钾含量、根系生长、植株光合、干物质量以及植株养分积累的提高作用更加显著。

黄腐酸是一种优良的络合剂,可以通过与阳离子交换、螯合、络合和吸附等形式,释放土壤中被固定的多种元素,将其从无机形态转化成有机形态,提高植物对微量元素的吸收与运转能力,进而提高土壤中元素的利用率。研究表明,单独施用硫酸锌,土壤中有益元素的利用率只有19.21%,而硫酸锌与黄腐酸混合施用后,有益元素利用率可达42.96%;铁元素与黄腐酸混用,其利用率可达42.21%[31]。与单施硅钙钾镁肥相比,配施黄腐酸钾后,土壤有效硅含量与植株硅含量均显著增加。推测硅钙钾镁肥配施黄腐酸钾对植株的生长影响更加显著的原因:一方面,黄腐酸钾可改善土壤结构,活化土壤中的氮、磷、钾、硅等元素,作为肥料自身影响植株生长;另一方面,黄腐酸钾能够促进硅钙钾镁肥在土壤中的释放,提高其利用效率,增加土壤中有效硅含量,促进植株对硅等元素的吸收利用,进而促进植株生长。

4 结论

本研究结果表明,硅钙钾镁肥可有效提高桃幼树土壤酶活性,促进桃幼树细根的生长,延缓根系衰老进程,提高氮、磷、钾及硅等营养元素的积累,同时提高叶片光合速率,促进植株生长。本研究中,硅钙钾镁肥配施黄腐酸钾较单施硅钙钾镁肥的促生长效果更加显著。