减氮条件下接种根瘤菌对花生生长、氮肥效率及经济效益的影响

章孜亮，高 俊，李丽艳，罗小梅，苏海榆，杜迎辉，苏建党

(1.领先生物农业股份有限公司,河北 秦皇岛066004；2.河北省农业生物技术创新中心,河北 秦皇岛066004；3.阜新蒙古族自治县现代农业发展服务中心,辽宁 阜新123100)

花生是我国重要的油料作物与经济作物,是食用油和蛋白质的重要来源,目前已成为世界上最大的生产和消费国[1-2]。

氮素是花生必需的大量营养元素之一,参与植物体内重要化合物的组成及多种营养代谢活动,与花生的生长发育及产量和品质的形成关系密切[3-4]。作为豆科植物,花生可与根瘤菌形成共生固氮体系,利用大气中的氮气作为氮源[5],研究发现,花生需氮量的50%左右是由根瘤固氮提供[6]。合理施用氮肥不仅可以促进花生生长、增加产量、改善荚果品质、提高氮肥利用效率,还可获得更高的经济效益[7-8],但过量施用氮肥易造成植株徒长、抑制荚果生长,致使产量下降[9],不利于花生根瘤形成[10],同时过量施用氮肥还会造成农业环境污染[11]。

播种时人工接种根瘤菌,可有效提高作物的结瘤固氮能力,改善氮素营养、提高产量和经济效益[12-13]。根瘤菌的应用效果受氮肥施用影响明显,过量施氮对根瘤固氮能力产生抑制作用,且抑制程度与施氮量呈正比[14]。减少化肥施入量,对发挥豆科作物固氮能力、提高固氮效率及作物生产有巨大的优势[15]。前人关于花生减施氮肥及接种根瘤菌的研究报道较多,但将减施氮肥与根瘤菌配合使用鲜有报道,因此,本研究选择辽宁阜新地区花生为研究对象,进行2年田间试验,以当地农民习惯施氮量为对照,探讨减施氮肥条件下接种根瘤菌对花生生长、氮肥利用效率及经济效益的影响,以期为花生科学合理施肥及氮素高效利用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年和2019年在辽宁省阜新市蒙古族自治县阜新镇农业技术推广中心试验地进行,年均气温7.2℃,平均日照数为2865.5h,无霜期150d左右,年平均降水量500mm左右。试验地土壤类型为褐土,土壤质地为砂壤土,其耕层土壤主要理化性质见表1。

表1 供试土壤基础理化性质Table 1 Soil basic physical and chemical properties

1.2 试验材料

供试品种为当地主栽品种阜花17号,生育期119d左右。供试肥料:尿素(N≥46%)、过磷酸钙(P2O5≥12%)、硫酸钾(K2O≥50%)；供试根瘤菌:液体花生根瘤菌,有效活菌数≥50亿/m L,由领先生物农业股份有限公司生产。

1.3 试验设计与方法

设4个处理,①不施氮肥(N0)；②常规施氮(N100%)；③减氮20%+接种根瘤菌(N80%+Ri)；④减氮50%+接种根瘤菌(N50%+Ri)。其中常规施氮量(施氮90 kg/hm2)为当地习惯施肥量,对应的减氮20%和减氮50%处理,施氮量分别为72 kg/hm2和45 kg/hm2,各处理磷、钾肥用量一致,分别为P2O567.5 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2,接种根瘤菌处理的根瘤菌用量为2250 m L/hm2。氮、磷、钾肥全部基施,根瘤菌在播种前进行拌种,具体用量150m L/袋拌15～20kg花生种子,操作方法是将菌剂直接喷洒在种子表面混拌均匀,确保每粒种子表面都粘上足够数量的菌剂,阴干后播种。每处理3次重复,随机区组排列,小区面积30m2(10m×3m),行距50cm,株距16cm,每小区种植6行。

1.4 测定指标及方法

于盛花期每小区随机采取各处理5穴,测定株高、根瘤数(即有效根瘤数,指着生在主根和侧根上,个体饱满,内含物为红色或粉红色的根瘤总数)、果针数(将直径大于0.3cm的果针数作为有效果针数进行统计)、植株鲜质量。

于收获期每小区随机采取2m2样方,用于产量统计。另每个处理随机取5穴,测定总分枝数、结果枝数、单株果数、百果质量、百仁质量、出仁率。

1.5 数据处理

1.5.1 氮肥利用率计算

植株氮素吸收量/(kg·hm-2)=植株某部位含氮量×该部位干物质量

氮肥农学利用率(AEN)/(kg·kg-1)=(施氮区产量-不施氮区产量)/氮肥用量

氮肥偏生产力(PFPN)/(kg·kg-1)=施氮区产量/氮肥用量

氮肥生理效率(PEN)/(kg·kg-1)=(施氮区产量-不施氮区产量)/(施氮区植株总吸氮量-不施氮区植株总吸氮量)

1.5.2 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件对数据进行处理,采用SASS 9.0数据处理系统进行方差分析及差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 对盛花期花生生长性状的影响

由表2可知,不施氮肥处理明显抑制花生的生长,与常规施肥处理相比,减氮条件下接种花生根瘤菌对花生根瘤数量、果针数及植株鲜质量有明显促进作用。2018年N50%+Ri处理和N80%+Ri处理花生结瘤数较常规施肥处理分别增加49.5%、20.7%,花生果针数分别增加5.2%、9.6%。植株鲜质量表现为N80%+Ri处理最高,N50%+Ri处理较常规施肥处理略有下降,各处理间株高差异不显著。2019年减氮施肥+接种根瘤菌处理结果与2018年相似,其中N80%+Ri处理花生结瘤数量、果针数、植株鲜质量较常规施肥处理均有增加。N50%+Ri处理花生结瘤数和植株鲜质量较常规施肥有增加,株高和果针数有下降的趋势。说明合理的施氮量配施根瘤菌能充分发挥根瘤菌固氮效果,从而促进花生生长。

表2 不同处理对盛花期花生生长性状的影响Table 2 Effect of different treatments on growth traits of peanut

2.2 对花生收获期产量性状的影响

表3可见,不施氮处理(N0)各项指标均为最低,施氮和接种根瘤菌处理花生产量性状显著优于不施氮处理。2018年试验结果表明,减氮条件下接种花生根瘤菌有利于花生总分枝数、单株果数及百果质量数的增加,其中N80%+Ri处理表现最好,N50%+Ri处理次之,但与常规施肥间差异未达显著水平。与不施氮处理(N0)相比,N80%+Ri处理、N50%+Ri处理及常规施肥处理分别增产11.7%、7.7%、5.6%。与常规施肥处理相比,减氮配施根瘤菌有增产趋势,增幅1.9%～5.8%。2019年N80%+Ri处理花生结果枝数、单株果数、百果质量、百仁质量、出仁率表现最好,但N50%+Ri处理较不施氮处理各项指标有所增加,与常规施肥处理相比有减少趋势。花生产量表现为N80%+Ri处理产量最高、常规施肥和N50%+Ri处理次之,较不施氮处理分别增产18.7%、10.8%、8.9%。与常规施肥处理相比,N80%+Ri处理增产7.1%,N50%+Ri处理有减产的趋势,但差异未达显著水平。

2.3 对氮肥效率的影响

表4可见,减氮并接种根瘤菌对花生的氮肥效率影响明显,与不施氮肥处理(N0)相比,所有施氮处理均显著增加花生荚果氮素吸收量。2018年试验结果表明,减氮条件下接种根瘤菌能显著提高氮肥农学效率、氮肥偏生产力。其中,与常规施肥处理相比,N80%+Ri处理和N50%+Ri处理氮肥农学效率分别提高4.38 kg·kg-1、4.69 kg·kg-1；氮肥偏生产力分别提高16.49 kg·kg-1、53.11 kg·kg-1；氮肥生理效率间差异均不显著,但有增加的趋势。2019年试验结果与2018年相似,与常规施肥处理相比,N80%+Ri处理和N50%+Ri处理氮肥农学效率分别提高5.54 kg·kg-1、3.15 kg·kg-1；氮肥偏生产力分别提高17.14kg·kg-1、48.92 kg·kg-1；氮肥生理效率处理间差异均不显著,其中N50%+Ri处理有下降的趋势。

表3 不同处理对花生产量性状的影响Table 3 Effect of different treatments on yield traits of peanut

utilization表4 不同处理对花生氮肥利用效率的影响Table 4 Effect of different treatments on peanut N efficiency

2.4对花生经济效益的影响

由表5可以看出,虽然施氮肥或接种根瘤菌增加了生产成本,但可以显著增加经济效益。2018年,N80%+Ri处理产值和利润最高,其次为N50%+Ri处理,减氮配施根瘤菌处理与常规施肥处理间差异不显著。与不施氮肥处理(N0)相比,N80%+Ri处理、N50%+Ri处理及常规施肥处理产值分别增加11.7%、7.7%、5.6%；利润分别增加10.7%、10.7%、4.4%。N80%+Ri处理较常规施肥处理产值和利润分别增加7.6%、6.0%。2019年试验结果同样表现为N80%+Ri处理产值和利润最大。

与不施氮肥相比,N80%+Ri处理、N100%处理、N50%+Ri处理产值分别增加18.6%、10.8%、8.9%,利润分别增加18.7%、10.3%、8.3%；N80%+Ri处理较常规施肥产值和利润分别增加7.1%和7.6%,N50%+Ri处理较常规施肥有下降的趋势,但未达显著水平。2018年和2019年的试验结果说明,在减少氮素投入的情况下,接种花生根瘤菌能提高氮肥效益。

表5 不同处理对花生经济效益的影响Table 5 Effect of different treatments on peanut benefit economic

3 讨论与结论

氮素在植物生长发育中不可或缺,氮素营养状况是决定花生生长发育与产量形成的关键因素。我国花生产量虽居世界首位,种植方式较为成熟,但存在的问题也日渐突显[16]。过量施用氮肥,增加了淋洗、氨挥发及径流等途径损失风险,导致资源浪费和环境污染,极大地限制了豆科作物结瘤固氮[6,17]。以往研究结果表明,减施氮肥配施有机肥和钙肥,花生主茎高、侧枝长、生物积累量、单株荚果数和饱果率显著提高,补偿因氮肥减施造成的生长和产量的降低,实现花生稳产丰产[18]。

接种根瘤菌是提高豆科作物产量与品质、减少氮肥用量、提高氮肥利用效率的关键措施[19-20]。根瘤菌与豆科植物形成的根瘤共生体是自然界中最为高效的固氮体系。前人研究认为,花生氮素营养主要来自根瘤固氮,其固氮量占花生植株氮素累积量的47.88%,其次为土壤氮素,占比为39.24%,肥料氮最小,仅占13.3%[21-23],说明在花生氮素代谢中根瘤固氮发挥着重要作用,而氮肥贡献相对较小。因此,适当控制氮肥投入,充分发挥根瘤菌固氮潜力,是花生“减氮增效”的重要途径。减氮50%+接种根瘤菌能够明显增加大豆的光合速率和干物质累积,大豆籽粒产量均有明显增加[24]。刘佳等[25-26]在南方红壤土花生试验结果表明,在减施氮肥25%条件下,配合接种根瘤菌产量增幅达26.1%,并且可以明显提高花生的氮素吸收量和氮肥利用率,还可以显著增加经济效益。本试验两年研究结果表明,适量减氮条件下接种根瘤菌,对花生根瘤数量、果针数及植株鲜质量有明显促进作用,有利于花生总分枝数、单株果数及产量的增加,同时减施氮肥配合接种根瘤菌可增加氮肥利用效率及经济效益,其中减氮20%接种根瘤菌处理表现最好,与前人结果基本一致。减氮50%配合接种根瘤菌处理在2018年较常规施肥处理产量略有增加,但2019年较常规施肥有减产的趋势,可能由于第一年土壤肥力较好,减施氮肥能够满足花生生长,经过一年的消耗,第二年的种植由于氮素养分不足使花生生长发育受到抑制,导致花生产量下降。

综上所述,通过接种高含量根瘤菌,充分发挥根瘤菌固氮优势,能够达到花生氮肥减施增效的目的。本试验条件下,两年试验结果以减氮20%条件下接种根瘤菌(N80%+Ri)处理最优,花生各生长指标均有显著增加,产量增幅为11.7%～18.7%,还可以明显提高花生氮素吸收量及氮肥利用效率,显著增加经济效益。本试验结果对于花生高效高产种植、科学合理施用氮肥,实现农业节本增效有很好的理论指导意义。