花生缓释专用肥配施根瘤菌菌剂的肥效和增产增效作用研究

李 敏梁伟健 付时丰罗培宇杨劲峰韩晓日*

(1.沈阳农业大学土地与环境学院/土肥高效利用国家工程研究中心/农业农村部东北玉米营养与科学观测试验站,辽宁 沈阳 110866;2.辽宁方园有机食品认证有限公司,辽宁 沈阳 110866)

花生是我国重要的经济作物和油料作物,近年来其国内产量超过1 700万t[1]。花生的产量和品质虽然严重依赖肥料的投入,但研究表明,当肥料用量达到适宜用量后,随着肥料施用量的继续增加,作物产量不增反降,肥料利用率也趋于下降,造成了资源浪费,不利于环境保护[1]。不合理施肥会造成植株养分失衡,农作物产品品质下降,土壤板结酸化、肥力下降等问题[2-3]。

花生种植过程中,由于其独特的生长特性,不便追肥,并且不同生育期对氮、磷、钾各养分的需求存在差异[4]。实际生产过程中通常采用一次性基施的施肥方式,但是常规肥料养分释放快,养分供给速率与作物养分需求规律不同步,很难满足植株不同生育期需求,容易造成前期肥力过剩,后期植株脱肥早衰,对花生产量的形成和品质的稳定造成损害[5]。并且肥料施用后容易造成挥发、径流和淋溶等损失,导致肥料资源浪费和环境污染[6]。目前,缓释肥料及根瘤菌菌剂的应用逐渐成为解决该问题的新途径。新型缓释复合肥料主要根据作物在不同生长发育阶段对养分的不同需求,通过在肥料表面覆盖一层薄膜去控制肥料养分的释放速度和释放量,一次性基施就能够满足作物全生育期对养分的需求,不仅避免肥料中的养分在土壤中快速释放,还能协调土壤养分供应与植物养分吸收之间的矛盾,减少环境污染[7-9],在减少人工与资料成本、增产和增效方面都具有明显优势。根瘤菌菌剂作为一种生物菌剂,可促进与豆科植物形成共生固氮体系,提高作物产量,减少化肥使用量,是绿色环保的供氮方式。

目前对缓控释肥和根瘤菌菌剂的研究屡见不鲜,但对两者配合使用对土壤肥力和花生的影响研究较少[10-18]。本试验采用新型花生缓释专用肥与花生根瘤菌菌剂配合施用的方式,依托沈阳农业大学后山棕壤花生新型肥料试验地,采用田间试验与室内分析相结合的研究方法,研究二者不同配合施用对土壤肥力和花生产量的影响,旨在通过一次性施肥并在特定时间段进行针对性的养分释放,实现精准供肥,保证花生高产稳产。为肥料配方的进一步优化和作物减肥增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在沈阳农业大学后山花生新型肥料试验地进行,地理位置123°33′E,40°48′N,处于松辽平原南部中心地带,属温带湿润—半湿润季风气候,年平均气温7.0～8.1℃,无霜期为148～180 d,生长期平均降雨量为547～684 mm,土壤类型为棕壤。基本理化指标见表1。

表1 试验地土壤的基本理化性质Table 1 The basic physical and chemical properties of the test soil

1.2 试验材料

供试花生品种为“花育20”。供试新型花生缓释专用肥(N13-P17-K15)来自沈阳农业大学植物营养与肥料研究所,常规肥料来自辽宁富友肥业有限公司。根瘤菌菌剂采用花生根瘤菌菌剂(中国农大CCBAU 11445),将根瘤菌剂用0.8%生理盐水稀释3倍后,用小喷雾器均匀喷撒在花生种子表面,阴干后使用。50 mL 菌剂可以供667 m2田地种子用。本试验中用1 瓶菌剂(50 mL菌剂+100 mL 0.8%生理盐水稀释),放到小喷雾器中(现用现混)使用。

1.3 试验设计

共设置5 个处理,见表2。其中CF 处理与NF处理为等氮磷钾养分,各处理设置3个重复,随机区组排列,小区面积18 m2(6垄宽,6 m 长,垄距50 cm)。

表2 试验处理设计Table 2 Design of treatments

1.4 测定项目与方法

于2018年花生播前及各生育期(出苗期、开花下针期、结荚期、成熟期)采集0～20 cm 土壤样本,各处理在每个小区随机采集两点,并于开花下针期、结荚期、成熟期分别采集花生根瘤样本,各处理在每个小区随机取2株,用铲子小心将花生完整根系挖出,以确保根瘤全部取出,取回后置于0.15 mm 筛中用流水冲洗,摘取根系根瘤,计数称质量[6]。样本测定项目与方法:土壤p H 采用p H 电极法(雷磁PHS-3G),水土比2.5∶1。土壤碱解氮采用1.0 mol·L-1NaOH 碱解扩散法测定。土壤有效磷采用0.5 mol·L-1Na HCO3浸提—钼锑抗比色法测定。速效钾采用1.0 mol·L-1NH4OAC浸提—火焰光度计法测定,有机质和土壤全氮采用干烧法测定,全磷采用NaOH 熔融—钼锑抗分光光度计法测定,全钾采用NaOH 熔融—火焰光度法测定。

花生产量计算:每个小区单独计产,将计产区内花生荚果全部摘下,风干后进行考种,折算出小区籽粒产量。

土壤综合肥力指数(soil integrated fertility index,IFI):采用内梅罗指数法对所有处理的土壤肥力品质进行评价,本文选用土壤p H、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾为分肥力指标,计算分肥力系数,利用修正的内梅罗公式计算土壤综合肥力指数。

(1) 分肥力指数IFIi的计算:

式中,IFIi表示分肥力系数,X表示该属性测定值;Xa与Xp分别表示分级标准下、上限,Xc表示介于分级标准上、下限间。属性值分级标准(Xa、Xc、Xp)主要参考第二次全国土壤普查标准 (表3)。

表3 土壤各属性的分级标准值Table 3 The grading standard value of soil properties

(2) 综合土壤肥力指数IFI的计算:

式中,IFIi平均与IFIi最小为土壤各属性分肥力均值与最小值;n为评价指标个数。

1.5 数据分析

数据采用Excel 2016和Origin 2021进行数据整理和作图,使用SPSS 19.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤有效养分的影响

不同处理下的土壤速效养分含量在不同时期的变化有所差异。表4可知,在花生的整个生育时期不同处理土壤中碱解氮含量表现为先升高后降低的趋势,所有处理均在开花下针期达到高峰。在苗期,CF处理的含量最高,比NF-处理高13.3%。开花下针期各处理碱解氮含量较苗期均有增加,其中CF处理含量与苗期一样,仍为所有处理中的最高值,显著高于NF、NF-、NF-R 处理,分别提高了8.9%、11.8%、9.81%,但与NF+R 处理相比无显著差异。结荚期各处理碱解氮含量要普遍低于开花下针期,降幅最高的是CF处理,下降了35.53%;降幅最低的是NF处理,下降了6.03%,具体表现为CF＞NF-＞NF-R＞NF+R＞NF。结荚期NF+R 处理和NF 处理碱解氮含量显著高于其他处理。成熟期与结荚期相比,碱解氮含量略有下降。各处理中NF+R 处理的含量最高,显著高于CF、NF-、NF-R 处理,分别提高了14.3%、17.4%、6.6%。高于NF 处理3.0%,但并无显著差异。花生缓释专用肥和根瘤菌菌剂可以提高花生生育后期土壤碱解氮的含量。

表4 不同施肥处理对土壤有效养分的影响 (mg/kg)Table 4 Effects of different fertilization treatments on soil available nutrients

土壤速效磷含量在苗期和开花下针期整体变化不大,基本持平,而到结荚期含量大幅降低,成熟期与结荚期基本持平。在花生各生育时期,NF+R处理相较于其他处理速效磷含量均为最高,CF和NF-处理含量相当,NF和NF-R 处理相当。苗期NF+R和NF处理土壤有效磷含量显著高于CF处理,分别高出了23.6%和17.7%;NF-R 处理土壤有效磷含量比CF处理高7.5%,比NF-处理高8.2%,但差异并不显著;开花下针期NF+R和NF处理土壤速效磷含量优于其他处理,具体表现为NF+R＞NF＞NF-R＞CF＞NF-,NF+R显著高于CF处理,高出了18.1%;NF-R处理土壤有效磷含量比CF处理高8.8%,比NF-处理高15.8%,但差异并不显著;结荚期各处理土壤有效磷含量有所降低,降低幅度最大的是CF处理,为80.7%。降低幅度最小的是NF+R,为40.9%;与CF相比,在成熟期NF、NF+R、NF-和NF-R处理土壤速效磷含量分别提高了29.4%、52.8%、4.3%和26.7%,其中NF、NF+R和NF-R处理达到了显著水平。说明花生缓释专用肥及根瘤菌菌剂可以提高花生整个生育期内土壤速效磷的含量。

在花生的整个生育时期,各处理土壤中速效钾含量略有下降,但幅度不大。苗期CF 处理土壤速效钾含量最高,且显著高于其他各处理,与NF、NF+R、NF-和NF-R 处理相比分别提高了11.3%、8.3%、23.2%和12.6%;开花下针期土壤速效钾含量最高的处理变为NF+R,但与CF和NF相比差异并不显著,比NF-和NF-R 处理分别提高了14.7%和5.6%,且达到了显著水平;结荚期和成熟期速效磷含量变化特征相似,具体表现为NF+R＞NF＞NF-R＞CF＞NF-。结果说明,花生缓释专用肥、根瘤菌菌剂的使用可以提高花生生育后期土壤速效钾含量。

2.2 不同施肥处理对花生结瘤情况的影响

从表5可看出,在开花下针期NF+R 处理结瘤数最高,分别是CF、NF、NF-和NF-R 处理的2.22、1.45、1.89和1.26倍;NF-R 处理是NF-处理的1.49倍,且差异显著;结荚期NF+R 处理结瘤数仍为最高,为27.33个/株,是CF、NF和NF-处理的2.1、1.61、2.1 倍,且差异显著,是NF-R处理的1.17 倍,但差异不显著;NF-R 处理是NF-处理的1.79倍,差异显著;在成熟期,NF+R处理是CF处理的1.97倍,差异显著,是NF处理的1.39倍,是NF-R 的1.2倍,但均无显著差异;NF-R 是NF-处理的2.19倍,差异显著。说明与常规施肥方式相比,新型肥料能提高根系活性,促进花生结瘤;与单施新型肥料相比,配施根瘤菌菌剂处理能显著提高有效根瘤数量。

表5 不同施肥处理对花生根瘤数的影响(个/株)Table 5 Effect of different fertilization treatments on nodule number of peanut

2.3 不同施肥处理对花生产量的影响

从图1可看出,花生缓释专用肥和根瘤菌菌剂的施用对花生产量具有积极的影响。配施菌剂处理(NF+R、NF-R)下花生的产量要显著高于其对照处理(NF、NF-),NF+R 处理显著高于NF处理,提高了11.6%。NF-R 处理显著高于NF-处理,提高了14.6%,增产效果明显;与常规施肥(CF)相比,花生缓释专用肥配施根瘤菌菌剂(NF+R)可显著提高花生产量,是所有处理的最高产量,为4 688.4 kg/hm2。与CF 相比,NF+R 处理的产量提高了1 270.6 kg/hm2,增产22.05%。与NF-和NF-R 处理相比,分别提高了27.0%和10.8%,差异性均达到了显著水平;NF-R 处理的产量次之,与NF和CF处理相比无显著差异,产量基本持平;NF-处理花生产量显著低于NF 处理,降低了13.8%,但与CF 处理相比无显著差异,说明新型肥料减施在一定程度上减少花生产量,但与根瘤菌菌剂搭配施用后,增产效果与单施新型肥料相比无异。

图1 不同施肥处理对花生产量的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on peanut yield

2.4 不同施肥处理作物产量对土壤综合肥力指数的响应

作物产量直接反映了土壤供应和协调作物生长的肥力水平。图2是不同施肥处理作物总产量对土壤综合肥力指数的响应。由图可知,土壤综合肥力指数与试验开始前的1.74相比,常规施肥处理(CF)和施用花生缓释专用肥(NF、NF+R、NF-、NF-R)的处理IFI均有所提高。NF+R、NF-R、NF处理IFI值较高,同时作物的产量也比较高。CF和NF-处理土壤综合肥力较低,并且作物的产量也相对较低。内梅罗指数法对土壤综合肥力评价结果与土壤的实际生产力基本一致,较高的土壤肥力能够表征作物的高产。CF 和NF-处理的产量和IFI均无显著差异,但与CF处理相比,NF-处理减少了肥料的投入量;NF 和NF-R处理相比,产量无显著差异,而NF-R 处理的IFI却高于NF处理,差异性接近于显著水平(PIFI=0.063),说明配施菌剂在肥料减施的情况下仍可以保证土壤肥力,而不致产量下降;NF+R 和NF-R 处理相比,IFI无显著差异,几乎处于同一水平,而NF+R 处理的产量显著高于NF-R 处理(P＜0.05),高出了10.8%。说明在施肥量相等的情况下,花生缓释专用肥和根瘤菌菌剂可以提高土壤肥力和花生产量。

图2 不同施肥处理作物总产量对土壤综合肥力指数的响应Fig.2 Response of crop annual yield to integrated fertility index(IFI)under different fertilization treatments

2.5 土壤养分指标与肥力综合指数相关性

通过对土壤各养分指标与IFI相关性的分析发现,有机质、碱解氮、全磷、速效磷与综合肥力指数呈显著相关关系,p H、全氮、全钾、速效钾与综合肥力指数不相关 (表6)。

表6 土壤综合肥力指数与养分指标的相关系数Table 6 Correlation coefficients between IFI and soil nutrients

3 讨论

有关施用缓释肥料对作物产量影响的研究较多。有研究表明,施用缓释肥料可以改善花生的农艺性状,促进花生产量的提高。另外,缓释肥料的施用可显著增加花生干物质的积累,提高肥料养分利用率[19-23]。本研究结果表明,与常规肥料相比,供试的花生缓释专用肥表现出一定的缓释特性,施用后延长了养分的释放周期,可确保花生生育后期养分的需求,配施根瘤菌菌剂增加了根瘤数,避免了生育后期脱肥早衰,有利于花生产量的形成和品质的稳定。研究结果还表明,在合理减施肥料用量及配施菌剂的情况下,该缓释肥有望保持土壤肥力和作物丰产。施氮量过多,养分供应不平衡是阻碍我国花生产量提高,导致肥料资源严重浪费的主要原因[24],该缓释肥在减量15%的条件下,花生产量和IFI与常规施肥相比均无显著差异,说明与常规肥料相比,该缓释肥料在减少肥料施入量的同时保证了土壤肥力与花生产量;而减量15%且配施菌剂的条件下,花生产量和IFI均高于常规施肥处理,但与全量施用且配施菌剂处理相比花生产量有下降趋势。该缓释肥在减量15%的条件下,如果以根瘤菌菌剂代替部分化肥,对土壤肥力和花生产量有一定的补偿效应。花生接种根瘤菌菌剂能够提高其种子和周围土壤中根瘤菌的数量,进而保证有效的结瘤和较高的花生产量。本试验所采用的根瘤菌菌剂是一种固氮菌,李艳宁等[25-28]研究认为,选择固氮能力高且适宜的根瘤菌菌剂,能提高花生的共生固氮能力,减少氮肥的投入量。土壤肥力是决定土壤生产力的主要因素,是众多土壤理化及生物属性综合作用的反映,本研究选用p H、有机质、全氮、碱解氮、全磷、速效磷、全钾和速效钾计算的土壤综合肥力指数(IFI)可综合表征花生缓释专用肥及其配施菌剂对土壤肥力的影响特征[29]。前人研究表明,缓释肥能够提高土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾等养分的含量,从而提高土壤肥力[30-31],这与本研究的结果一致。本试验条件下,花生缓释专用肥及根瘤菌菌剂的施用改变了供试土壤的肥力特征,提高了土壤综合肥力指数。

4 结论

本研究表明,花生缓释专用肥配施根瘤菌菌剂的增产增效作用显著。花生缓释专用肥减缓了养分的释放速度。与等施肥量的常规施肥处理相比,花生缓释专用肥配施根瘤菌菌剂对花生产量及土壤肥力的提高效果显著。花生缓释专用肥减施与常规施肥处理效果相当。花生缓释专用肥减量配施根瘤菌菌剂在减少肥料投入量的情况下确保了土壤肥力和花生产量,表明根瘤菌菌剂对土壤肥力和花生产量可以起到一定的补偿效应,为减肥增效提供了理论依据。