盐碱麦田生物有机肥促生增产培肥效果

左筱筱,颜 安,宁松瑞,杨 利,孙 萌,卢前成

(1.新疆农业大学资源与环境学院,乌鲁木齐 830052;2.西安理工大学/省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,西安 710048)

0 引 言

【研究意义】我国西北、东北及滨海地区盐碱地总面积超过3 333.3×104hm2,我国新疆盐碱地约占全国总面积的22.01%,盐碱化耕地面积约占新疆耕地总面积的30.12%[1-2]。如何合理利用及培肥盐碱化耕地受到关注[3]。在盐碱土治理措施中,利用微生物改良盐碱化耕地的相关技术发展迅速,近年来,将微生物技术与有机肥生产结合研制的生物有机肥已成为培肥盐碱化耕地措施[4]。【前人研究进展】生物有机肥已在水稻[5]、小麦[6]、玉米[7]等多种作物上施用,有效减少了化学肥料用量和土壤养分流失,具有活化土壤养分、培肥地力和改善土壤微生态环境等效果[8]。吴晓卫等[9]将自主试验发酵生产的生物有机肥添加到盐碱地中,降低了土壤pH和含盐量,增加土壤养分含量,提高紫花苜蓿的出苗率及产量。Hafez等[10]发现在玉米盆栽中施加固氮螺旋菌与酒糟发酵生产的生物有机肥140 d后提高了土壤肥力,其中土壤的有机碳、总氮和速效磷含量分别提高了67.8%、85.44%和87.23%。Li等[11]发现应用生物有机肥对植物生长、土壤肥力和土壤微生物群落组成产生影响,可增加土壤有效磷、有效钾含量,提高细菌多样性,降低真菌多样性。【本研究切入点】生物有机肥除了满足养分供应外,还可改善土壤养分状况和调节土壤微生物数量结构,达到增产、培肥的效果[12-13]。目前研究生物有机肥对盐胁迫下春小麦生长发育、产量及土壤环境影响的相关成果较少[14]。【拟解决的关键问题】春小麦盆栽试验以不施肥处理CK为对照,设置4种不同菌种及配比的生物有机肥(A、B、C、D),每种生物有机肥设2个施量水平(1 125、2 250 kg/hm2),研究盐碱麦田促生培肥效果最佳的生物有机肥及施量,对新疆盐碱麦田土壤改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试土壤选自新疆昌吉回族自治州呼图壁县五工台镇十户村2组(44°19′23″N,86°82′25″E),土壤pH值为8.7,电导率为1.184 mS/cm,有机质含量15.5 g/kg,碱解氮含量93.2 mg/kg,速效磷含量15.3 mg/kg,速效钾含量144.7 mg/kg。供试小麦品种新春29号。盆钵为0.26 m×0.22 m×0.30 m带底花盆。供试生物有机肥A、B、C、D为研制的4种不同菌种及配比的生物有机肥(A生物有机肥,沼泽红假单胞菌∶肉桂褐链霉菌∶胶冻样芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌=2∶3∶3∶3;B生物有机肥,沼泽红假单胞菌∶肉桂褐链霉菌∶胶冻样芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌=1∶3∶2∶1;C生物有机肥,沼泽红假单胞菌∶肉桂褐链霉菌∶胶冻样芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌=3∶3∶2∶2;D生物有机肥,沼泽红假单胞菌∶肉桂褐链霉菌∶胶冻样芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌=1∶2∶2∶2;其有机质含量≥40.0%,N含量≥1.7%,P2O5含量≥0.5%,K2O含量≥4.2%,pH=5.0,有效活菌数≥2×108cfu/mL)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2021年4～7月进行,以不施肥(CK)为对照,设置4种生物有机肥(A、B、C、D)和2个施量水平(1 125、2 250 kg/hm2),共计9个处理,每个处理重复4次。每盆称取土样13 kg,定点播入30粒春小麦种子,播种深度2～3 cm,待小麦出苗后开始定期灌水,小麦生长至3叶期定苗,每盆留苗25株。表1

表1 施肥处理设计

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 小麦农艺性状及产量

在小麦各生育时期,采用YS-SPAD型手持叶绿素仪测定小麦旗叶中部SPAD值,采用LAI-2200C叶面积指数测量仪测定叶面积指数;在小麦成熟期,每盆选5株代表植株测定穗长、穗数、穗粒数,每公顷春小麦穗数按照盆钵面积进行换算。理论产量(kg/hm2)=穗数(104/hm2)×穗粒数(粒)×千粒重(g)/100。

1.2.2.2 土壤取样

小麦收获时采集土壤,部分鲜土样存于4℃冰箱,用于土壤可培养微生物数量的测定,部分风干过筛,用于土壤理化性质测定。按照土水比1∶5(质量体积比)稀释样品,采用pH计测定土壤pH值;电导率仪测定土壤电导率;采用重铬酸钾外加热法测定有机质;采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾;采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷;采用碱解扩散法测定碱解氮[15]。

1.2.2.3 土壤可培养微生物数量

土壤细菌数量采用牛肉膏蛋白胨培养基进行平板计数法测定;土壤放线菌数量采用高氏一号培养基进行平板计数法测定;土壤真菌数量采用孟加拉红培养基进行平板计数法测定[16]。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010软件进行试验数据分析,采用软件SPSS 19.0对数据进行主成分分析[17]和单因素方差分析,SigmaPlot 12.5作图。

2 结果与分析

2.1 不同生物有机肥对春小麦叶面积指数、SPAD值及产量的影响

2.1.1 不同生物有机肥对春小麦叶面积指数的影响

研究表明,春小麦叶面积指数(LAI)在从拔节期至成熟期呈先增高后降低的变化趋势,施加不同生物有机肥各处理LAI值显著高于CK(P<0.05),施加相同生物有机肥的处理随着施肥量的增加,其LAI值总体呈现上升趋势。拔节期春小麦LAI表现为CK

注:不同小写字母表示各处理间有显著差异(P<0.05),下同

2.1.2 不同生物有机肥对春小麦SPAD值的影响

研究表明,施加生物有机肥后不同生育期内春小麦旗叶SPAD值与LAI值变化趋势相似,各处理SPAD值在小麦生育期内先增加后降低,与CK相比均显著增加(P<0.05)。在拔节期各处理春小麦旗叶SPAD值表现为CK

图2 施加不同生物有机肥下春小麦叶片SPAD值变化

2.1.3 不同生物有机肥对春小麦产量及其构成因素的影响

研究表明,与CK相比,施加生物有机肥显著增加了春小麦理论产量、穗长、穗粒数和千粒重(P<0.05),并且随着生物有机肥施用量增加,各构成因素均呈现上升趋势,但不同生物有机肥处理之间变化不显著。不同生物有机肥施量条件下,D生物有机肥处理的理论产量最高,D1、D2分别比CK增加了60.80%、74.93%,其穗长分别比CK增加了18.43%、22.54%,穗粒数分别比CK增加了47.54%、53.01%,千粒重分别比CK增加了23.17%、28.12%,各构成因素中穗粒数的增幅最明显。表2

表2 春小麦产量及其构成因素

2.2 不同生物有机肥对土壤pH、电导率的影响

研究表明,施加生物有机肥处理后土壤pH、电导率均比CK显著降低(P<0.05),并且随着生物有机肥施量的增加,土壤pH、电导率呈下降趋势,其中0～10 cm土层电导率普遍低于10～20 cm土层。0～10 cm土层,不同处理的土壤pH表现为CK>B1>C1>A1>B2>C2>D1>A2>D2;A2、D2处理的土壤pH与CK相比分别降低了0.28、0.36;不同处理的电导率表现为CK>C1>B1>B2>A1>C2>D1>A2>D2,各处理的电导率相较于CK降低了10.33%～40.51%。不同处理10～20 cm土层的土壤pH表现为CK>B1>C1>B2>A1>C2>D1>A2>D2,与CK相比,降低了1.69%～4.20%,其中D2土壤pH最低,比CK降低0.44;不同处理的电导率表现为CK>C1>B1>C2>B2>A1>A2>D1>D2,各处理的电导率相较于CK降低了21.32%～43.60%。图3

图3 施加不同生物有机肥下土壤pH及电导率变化

2.3 不同生物有机肥对土壤养分含量的影响

研究表明,施加生物有机肥后土壤有机质的含量显著增加(P<0.05),也随着生物有机肥施量的增加呈上升趋势。各处理0～10 cm土层的土壤有机质的含量表现为CK

与CK相比,施加生物有机肥处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量显著增加(P<0.05),且0～10 cm、10～20 cm土层的土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量均以D2处理最高。0～10 cm土层各处理土壤碱解氮表现为CK

2.4 不同生物有机肥下土壤可培养微生物数量变化

研究表明,施加生物有机肥处理的土壤细菌和放线菌数量显著高于CK,土壤真菌数量显著低于CK(P<0.05),随着生物有机肥施量的增加,土壤中细菌和放线菌数量呈现增长的趋势,土壤真菌数量呈现下降趋势。各处理土壤中细菌数量大小表现为CKA1>D1>D2>A2>C1>C2>B1>B2。其中,施加A、D两种生物有机肥后增加土壤中细菌、放线菌数量尤为显著(P<0.05),但对土壤中真菌数量的抑制效果不如B、C两种生物有机肥效果显著。表3

表3 不同生物有机肥下土壤微生物数量变化

2.5 盐碱麦田生物有机肥促生增产培肥效果综合评价

研究表明,对标准化后的数据指标降维,根际特征值>1的原则,提取2个主成分,其特征值分别为15.957和1.004。表4

表4 主成分的特征值与方差贡献率

春小麦LAI、SPAD值、产量及土壤有机质、碱解氮、速效钾、速效磷、细菌、放线菌在主成分1上有较高的因子载荷值,综合春小麦生长发育、产量及土壤环境的变异信息,其范围在0.894～0.985。而在主成分2中土壤真菌数量的载荷值最高,反映了土壤真菌数量的水平,0～10 cm土层的土壤电导率、有机质和10～20 cm土层的速效钾以及土壤细菌和放线菌数量的载荷值也较高。主成分1和主成分2的信息可以反映土壤肥力水平的高低。表5

表5 主成分分析的载荷值与特征向量

使用主成分分析法进行权重计算,表达式为:

Y1=0.237X1+0.237X2+0.245X3-0.247X4-0.241X5-0.242X6-0.244X7+0.235X8+0.224X9+0.246X10+0.242X11+0.246X12+0.239X13+0.246X15+0.243X16+0.236X17-0.129X18+0.239X19.

Y2=-0.133X1-0.104X2-0.126X3-0.067X4-0.160X5-0.108X6-0.069X7+0.126X8+0.077X9-0.083X10-0.144X11-0.054X12+0.122X13+0.022X15+0.023X16+0.293X17+0.831X18+0.253X19.

根际主成分函数模型:

式中,F为主成分得分,α为贡献率(%),m为主成分个数,即可计算出各处理综合得分,施加生物有机肥处理对盐碱地春小麦促生和土壤培肥综合得分均高于CK,其中D2处理得分最高,即D2处理促生与培肥效果综合最佳,A2处理次之。图5

图5 不同生物有机肥促生增产培肥效果综合得分

3 讨 论

3.1 生物有机肥对作物生长及产量的影响

生物有机肥可增加土壤养分含量,从而促进作物的营养生长和生殖生长,有助于作物产量的稳定提高[18]。研究表明,施加1 125和2 250 kg/hm2生物有机肥处理均显著提高春小麦的LAI、SPAD值、理论产量、穗长、穗粒数和千粒重,且各处理LAI、SPAD值随着施量增加呈上升趋势,不同生物有机肥处理之间变化不显著。Yuan等[19]研究表明,在烟草上施用生物有机肥能够促进植株的生长,增加烟草叶片数量。刘柳等[20]在草莓上的研究也表明,对草莓植株的生长有明显的促进作用,其植株株高、叶面积、分枝数、植株鲜重分别增加了78.4%、129.8%、73.7%、63.4%,有效提高了草莓果实的产量。施加生物有机肥可以促进作物生长发育和提高作物产量。

3.2 生物有机肥对土壤养分及微生物数量的影响

研究表明,研制出的生物有机肥能够降低土壤pH值、电导率,提高土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量,与陈智坤[21]研究结果相似,生物有机肥可以显著降低土壤pH值,还能够缓解因植株生长所造成的土壤中各种营养物质含量的降低,显著提高盐碱化土壤养分和肥力,使0～20cm的土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和土壤肥力综合指数分别增加35.9%、262.4%、596.8%、91.9%和71.5%。

研究中还发现生物有机肥能够增加根际土壤中细菌和放线菌的数量,抑制土壤真菌的生长,与宋以玲等[22]的研究结果相似,可能是生物有机肥增加了土壤中有益微生物的数量,促进了有益微生物的繁殖,从而抑制了土壤真菌的繁殖。Zhao等[23]认为施用生物有机肥能够改善根际微生物群落结构,提高土壤细菌多样性,降低土壤真菌多样性。生物有机肥本身除了含有大量营养成分外,其含有的有益微生物还会促进土壤有机质的分解和转化,改善耕地土壤质量,调节微生物群落结构。

4 结 论

各生物有机肥均促进了春小麦生长发育,降低了土壤pH、电导率,提高了土壤养分含量,调节土壤可培养微生物数量结构,其中D生物有机肥(沼泽红假单胞菌∶肉桂褐链霉菌∶胶冻样芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌=1∶2∶2∶2)施加2 250 kg/hm2时的效果最佳。