張建鵬

(濮陽職業(yè)技術(shù)學院,河南濮陽 457000)

化肥作為速效養(yǎng)分能夠迅速補充土壤肥力,滿足植物生長對養(yǎng)分的需求,近幾十年來,化肥在我國糧食產(chǎn)量快速增長的過程中起到至關(guān)重要的作用[1-2]。然而近年來,化肥的不合理施用不僅造成肥料利用率降低,化肥增產(chǎn)報酬率下降,還導致土壤酸堿化加重,土壤結(jié)構(gòu)改變,土壤質(zhì)量退化,微生物群落失衡,農(nóng)業(yè)污染源嚴重等[3-7]問題,嚴重制約了我國農(nóng)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展,且根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的主要農(nóng)作物化肥零增長目標,提升肥料利用率迫在眉睫[8-9]。因此,如何合理施肥,減少化肥使用量,提高作物產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤肥力,是當前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要研究課題。目前,有關(guān)其他類型肥料替代部分或全部化肥用以提升肥料利用率、改善土壤質(zhì)量以及提高作物生長發(fā)育的研究有很多。陶偉等的研究表明,85%化肥配施復(fù)合微生物菌肥能夠有效提高土壤蔗糖酶、脲酶和酸性蛋白酶活性[10];張樹衡等的研究表明,微生物菌肥與生物有機肥配施能夠顯著提高花椒功能葉片葉綠素含量、實際光化學效率,且能夠有效促進花椒幼苗生長及增強其生長潛力[11];許小偉等的研究表明,有機肥與無機肥配施能夠明顯提升花生品質(zhì),且在一定比例范圍內(nèi),隨著有機肥投入的增加,能夠明顯提高葉片葉綠素含量、光合速率、氣孔導度以及超氧化物歧化酶、過氧化氫酶和過氧化物酶的活性[12];谷端銀等的研究表明,合理的施肥措施能夠有效改善土壤養(yǎng)分質(zhì)量,提高作物產(chǎn)量及品質(zhì),改善植株葉片生理特性,提高功能葉片光合作用能力[13-16]。

微生物菌肥是通過微生物生命活動促使農(nóng)作物得到特定肥效的一類微生物制劑,施入土壤中能夠通過自身代謝和分泌的產(chǎn)物改善土壤及作物根系周圍的生態(tài)環(huán)境,增加土壤透氣性,促進有益微生物生長繁殖,提高土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與供應(yīng)能力,培肥地力,增強根系活力,促進作物生長,提高作物抗逆性[17-18]。楊志剛等的研究表明,增施微生物菌肥能夠顯著提高辣椒產(chǎn)量,改善辣椒品質(zhì),增加可溶性糖含量[19]。李琦等的研究表明,微生物菌肥替代部分化肥可以促進燕麥生長,提高燕麥產(chǎn)量及營養(yǎng)品質(zhì),減少化肥施用量,提高化肥利用率[20]。土壤調(diào)理劑能夠通過活性物質(zhì)與土壤和水之間的媒介作用促進土壤團聚體形成,提高土壤透氣性,增強土壤蓄水保肥能力。目前,化肥、微生物菌肥與土壤調(diào)理劑配施的應(yīng)用主要集中在設(shè)施蔬菜方面[21-23],且大多數(shù)的研究局限于單一化肥或微生物菌肥與土壤調(diào)理劑對土壤與作物的研究,而化肥減施與微生物菌肥及土壤調(diào)理劑配施在重茬馬鈴薯上的應(yīng)用卻鮮有報道,且不同區(qū)域土壤類型、氣候條件下,肥效差異較大。因此,本研究通過多年田間定位試驗,研究不同化肥用量與微生物菌肥及土壤調(diào)理劑配施對豫東地區(qū)重茬馬鈴薯生長發(fā)育和土壤質(zhì)量的影響,找到適宜的施肥模式,以期為豫東地區(qū)重茬馬鈴薯的高效施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2018年3月至2021年6月在河南省濮陽市清豐縣大屯鄉(xiāng)(地理位置:114°53′E,35°85′N)進行,該區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L氣候區(qū),年平均氣溫13.4 ℃,年降水量540 mm,年平均日照時長 2 454 h,無霜期為215 d。供試土壤為黃潮土黏土質(zhì),基礎(chǔ)土壤速效養(yǎng)分含量如下:堿解氮含量 56.32 mg/kg,速效磷含量74.65 mg/kg,有機質(zhì)含量9.34 g/kg,速效鉀含量124.32 mg/kg,pH值8.12。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置6個處理,分別為對照不施肥(CK)、單施化肥(T1)、化肥減量50%+微生物菌肥(T2)、化肥減量30%+微生物菌肥(T3)、化肥減量50%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑(T4)、化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑(T5),3次重復(fù),共計18個小區(qū)。小區(qū)面積40 m2,過道0.6 m,保護行3 m,馬鈴薯株行距40 cm×50 cm。供試品種為中薯5號,豫東地區(qū)一年兩熟,春季生育期為3月20日至6月10日,秋季生育期為8月20日至11月10日。單施化肥用量:純氮(N) 100 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 425 kg/hm2;微生物菌肥(有效活菌數(shù)≥1.0×108CFU/g,含N 12.26%、P2O54.39%、K2O 8.26%、有機質(zhì)25.32%)用量為1 200 kg/hm2;土壤調(diào)理劑(含氨基酸粉、硫酸亞鐵、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸鈉等) 75 kg/hm2。所有肥料均作為基肥一次性施入,其他田間管理按照當?shù)爻Ｒ?guī)生產(chǎn)模式進行。

1.3 樣品采集與測定方法

于2021年馬鈴薯塊莖膨大期(5月27日)測定旗葉SPAD值、光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)。每個小區(qū)定位選取10株馬鈴薯,采用SPAD-502葉綠素儀測定頂端第3葉SPAD值,采用LI-6400便攜式光合儀測定旗葉Pn、Tr、Gs、Ci。

于2021年馬鈴薯塊莖形成期(5月1日)采集植株葉片,帶回實驗室液氮處理10 min后,-80 ℃保存,用于測定超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量。其中SOD、POD、CAT活性以及MDA含量分采用氮藍四唑光化還原法、愈創(chuàng)木酚氧化法、紫外吸收法和硫代巴比妥酸法測定[24]。

于2021年馬鈴薯收獲期(6月10日)進行產(chǎn)量測定,重復(fù)間取平均值,折算成公頃產(chǎn)量。收獲時,測定馬鈴薯商品薯率、干物質(zhì)率。每個小區(qū)選取大小均勻的薯塊3個,用于馬鈴薯品質(zhì)的測定。其中薯塊淀粉、維生素C、還原糖、粗蛋白含量分別采用水浸提-碘色法、熒光法、蒽酮比色法、半微量凱氏定氮法測定[26]。商品薯率的測定:質(zhì)量在100 g以上,無蟲眼,無病害的馬鈴薯為商品薯。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進行數(shù)據(jù)計算與處理,采用SPSS 17.0進行處理間差異顯著性比較與相關(guān)性分析。文中表格數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量的影響

由圖1可知,不同施肥年限下各處理土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量差異較大。連續(xù)不同施肥2年后(2020年),除T2處理土壤速效磷、速效鉀含量與CK處理差異不顯著外,其他施肥處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均顯著高于CK處理(P<0.05),其中T5處理土壤堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均最高,較CK處理分別顯著提高21.41%、10.40%、15.20%、14.91%。在所有施肥處理中,T2處理土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量最低,其中土壤堿解氮、速效鉀含量顯著低于T1處理,而速效磷含量與T1處理無顯著差異。T1處理土壤有機質(zhì)含量最低,顯著低于T4、T5處理,但與T2、T3處理差異不顯著。

隨著不同施肥時間的延長(2021年),各處理土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量與2020年發(fā)生較大變化。與CK處理相比,不同施肥處理土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量均顯著提高,而與T1處理相比,化肥減量配施微生物菌肥或土壤調(diào)理劑處理土壤速效養(yǎng)分及有機質(zhì)含量均不同程度提高,其中T5處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量仍均最高,較其他施肥處理分別提高2.68%～14.44%、5.15%～13.08%、3.11%～13.40%、0.31%～15.68%。配施土壤調(diào)理劑的T4、T5處理中的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀及有機質(zhì)含量均不同程度地高于相對應(yīng)不配施土壤調(diào)理劑的T2、T3處理,其中除土壤有機質(zhì)含量無顯著差異外,土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量均顯著提高。

2.2 對土壤酶活性的影響

由圖2可知,與CK處理相比,不同施肥年限下各施肥處理土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均顯著提高(P<0.05)。而在所有施肥處理對比中,配施微生物菌肥或土壤調(diào)理劑的T2、T3、T4、T5處理中的土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均顯著高于T1處理,其中T5處理的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性在不同施肥年限下均最高,連續(xù)施肥2年后(2020年),T5處理的脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性較其他施肥處理分別提高16.55%～36.29%、10.13%～35.94%、8.22%～36.21%、5.81%～19.74%,連續(xù)施肥3年后(2021年),分別提高10.26%～48.28%、10.81%～43.86%、4.84%～38.30%、10.29%～44.23%,其中除2021年與T4處理的過氧化氫酶無顯著差異外,其他均顯著提高。而配施土壤調(diào)理劑的T4、T5處理中的各種酶的活性均不同程度地高于相對應(yīng)不配施土壤調(diào)理劑的T2、T3處理。

2.3 對馬鈴薯葉片SPAD值及光合參數(shù)變化的影響

由表1可知,經(jīng)過3年不同施肥措施處理后,各處理葉片SPAD值及光合參數(shù)差異較大。與CK處理相比,不同施肥處理SPAD值、光合速率、蒸騰速效、氣孔導度、胞間CO2濃度均有不同程度地升高,其中T5處理的SPAD值、光合速率、蒸騰速率最大,較其他處理分別提高4.79%～15.44%、11.29%～52.01%、11.99%～61.36%,SPAD值顯著高于除T4處理外的其他處理,光合速率、蒸騰速率顯著最高。T4處理的氣孔導度、胞間CO2濃度最大,較其他處理分別提高3.17%～23.98%、4.95%～22.94%,均顯著高于CK、T1、T2處理,但與T5處理均無顯著性差異。CK處理光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度均為最小值,除胞間CO2濃度與T1處理無顯著差異外,其余指標與施肥處理相比均顯著降低。

表1 不同施肥處理對馬鈴薯葉片SPAD值及光合參數(shù)變化的影響

2.4 對馬鈴薯葉片丙二醛含量及抗氧化系統(tǒng)酶活性的影響

由表2可知,經(jīng)過3年不同施肥措施處理后,各處理葉片丙二醛含量及抗氧化系統(tǒng)酶活性差異較大。與CK處理相比,不同施肥處理的丙二醛含量均有不同程度地下降,過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性均有不同程度地升高,過氧化物酶表現(xiàn)出不同的變化趨勢。其中T5處理的丙二醛含量最低,較CK處理顯著降低11.60%,且顯著低于T1、T2、T3處理;T5處理的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶的活性均最高,較其他處理分別提高4.66%～21.71%、3.49%～14.60%、5.63%～17.60%,其中過氧化氫酶的活性顯著最高,超氧化物歧化酶、過氧化物酶的活性顯著高于CK、T1、T2、T3處理,而與T4處理均無顯著性差異。T1處理的超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶活性在所有施肥處理中均最低,而丙二醛含量最高。

表2 不同施肥處理對葉片丙二醛含量及抗氧化系統(tǒng)酶活性變化的影響

2.5 對馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率的影響

由圖3可知,不同施肥年限下各處理馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率有較大的差異。連續(xù)2年不同施肥處理后(2020年),與CK處理相比,不同施肥處理的鮮薯產(chǎn)量顯著提高7.13%～21.08%(P<0.05),其中T5處理的產(chǎn)量顯著高于其他施肥處理,T1處理產(chǎn)量在所有施肥處理中最低,但與T2處理無顯著差異。連續(xù)施肥3年后(2021年),T5處理的產(chǎn)量仍最高,較其他處理分別顯著提高5.91%～39.38%,T1處理的產(chǎn)量在所有施肥處理中顯著最低,連續(xù)施肥3年后馬鈴薯的產(chǎn)量總體表現(xiàn)為T5>T3>T4>T2>T1>CK。

連續(xù)施肥2年后,不同施肥處理的商品薯率均顯著高于CK處理,其中T5處理的商品薯率最高,較其他處理分別提高3.16%～22.89%,而配施微生物菌肥或土壤調(diào)理劑的T3、T4、T5處理均顯著高于T1處理。連續(xù)施肥3年后,T1處理的商品薯率較2020年有所下降,與CK處理相比無顯著差異,而配施微生物菌肥或土壤調(diào)理劑的T2、T3、T4、T5處理均顯著高于T1、CK處理,其中T5處理的商品薯率最高,較T2、T3處理分別顯著提高9.86%、5.34%,但與T4處理無顯著差異,連續(xù)施肥3年后馬鈴薯的商品薯率總體表現(xiàn)為T5>T4>T3>T2>T1>CK。

2.6 對薯塊品質(zhì)的影響

由表3可知,經(jīng)過3年不同施肥措施處理后,各處理薯塊品質(zhì)差異較大。與CK處理相比,不同施肥處理的粗蛋白、維生素C、淀粉及還原糖含量均有不同程度地升高。其中T5處理的粗蛋白、淀粉含量最高,較其他處理分別提高2.19%～7.79%、3.26%～24.18%,粗蛋白含量顯著高于CK、T1處理,淀粉含量顯著高于除T4處理外的其他處理。

表3 不同施肥處理對薯塊品質(zhì)指標含量變化的影響

T4處理的維生素C、還原糖含量最高,較其他處理分別提高2.54%～13.31%、0.19%～6.46%,維生素C含量顯著高于CK、T1處理,還原糖含量顯著高于CK處理,其他指標之間均無顯著性差異。

2.7 土壤指標與馬鈴薯產(chǎn)量及生理指標的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表4)表明,鮮薯產(chǎn)量與土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片SPAD值與土壤有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤速效鉀含量及蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片光合速率與土壤堿解氮、有機質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤速效磷、速效鉀含量及脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片超氧化物歧化酶活性與土壤堿解氮含量及脲酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片過氧化物酶活性與土壤脲酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片過氧化氫酶活性與土壤堿解氮含量及脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉片丙二醛含量與土壤過氧化氫酶活性呈顯著負相關(guān)關(guān)系;其他指標之間均無顯著性相關(guān)關(guān)系。由此可知,不同施肥措施條件下土壤養(yǎng)分含量及酶活性的變化對馬鈴薯生理代謝及產(chǎn)量的提高具有重要的影響。

表4 土壤養(yǎng)分、酶活性與馬鈴薯產(chǎn)量及生理指標的相關(guān)性分析結(jié)果

3 討論與結(jié)論

本研究表明,與不施肥處理相比,不同施肥年限下各施肥處理均能夠提高土壤速效養(yǎng)分、有機質(zhì)含量及土壤酶活性,且隨著施肥時間的延長,各處理表現(xiàn)出不同的變化趨勢,其中連續(xù)施肥3年時,化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理的土壤堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質(zhì)含量及土壤脲酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶活性均最高,較其他施肥處理分別提高2.68%～14.44%、5.15%～13.08%、3.11%～13.40%、0.31%～15.68%和10.26%～48.28%、10.81%～43.86%、4.84%～38.30%、10.29%～44.23%,而與單施化肥相比,化肥減量配施微生物菌肥或土壤調(diào)理劑處理的土壤速效養(yǎng)分、有機質(zhì)含量及土壤酶活性整體均有不同程度提高,且配施土壤調(diào)理劑處理明顯高于不配施土壤調(diào)理劑處理。研究表明,與不施肥或單施化肥相比,復(fù)合微生物菌肥對土壤磷酸酶、過氧化氫酶、蔗糖酶均有明顯的促進作用[27]。分析認為,與單施化肥或不施肥相比,微生物菌肥能夠為土壤微生物代謝活動提供豐富的碳源,使其代謝能力強于其他處理,進而增強土壤養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化與利用,提高土壤酶活性;而土壤調(diào)理劑由于其特殊的結(jié)構(gòu),能夠改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤通透性,進而促進土壤微生物活動?；蕼p量50%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理的土壤速效養(yǎng)分、有機質(zhì)含量及土壤酶活性明顯低于化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理,可能是化肥減量過多,各養(yǎng)分不能及時供給土壤和根系的吸收與利用,進而影響土壤微生物的代謝活動及土壤酶活性,表現(xiàn)弱于減量30%處理。

葉綠素是植株葉片進行光合作用的主要色素,其中葉綠素含量與葉片光合能力及植株生長發(fā)育具有相關(guān)性,可以監(jiān)測指示植物的生長發(fā)育及營養(yǎng)狀況[28]。有研究表明,微生物菌肥對馬鈴薯葉片SPAD值及光合速率均有顯著促進作用[29]。但也有研究表明,微生物菌劑對馬鈴薯幼苗期、塊莖膨大期、成熟期的葉片SPAD值均沒有顯著影響[30]。本研究表明,連續(xù)施肥3年時,化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理能夠明顯提高馬鈴薯葉片SPAD值、光合速率及蒸騰速率,其中葉片SPAD值顯著高于CK、T1、T2、T3處理,光合速率、蒸騰速率顯著高于其他處理。這與李衛(wèi)東等的研究結(jié)果[30]不一致,可能是因為試驗用的微生物菌肥不同,也可能是土壤類型、降水量等自然條件的不同產(chǎn)生的結(jié)果差異。而配施土壤調(diào)理劑的T5處理明顯高于T4處理,分析認為,土壤調(diào)理劑具有很大的比表面積,較易吸附土壤、水分形成團聚體,改善土壤透氣性,增加土壤蓄水保肥能力,促進植株根系對養(yǎng)分、水分的吸收利用,使SPAD值、光合速率、蒸騰速率表現(xiàn)出優(yōu)于其他處理,進而能夠促進植株生長發(fā)育,提高馬鈴薯產(chǎn)量及商品薯率,改善薯塊品質(zhì)。

活性氧傷害是引起植株葉片老化的重要原因之一,植物逆境時活性氧過多能夠?qū)е录毎さ膿p傷及氧化,從而引起膜脂過氧化[31-32]。超氧化物歧化酶(SOD)是逆境時植物體內(nèi)自身生物系統(tǒng)防御活性氧傷害的重要屏障[33]。過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)可以清除過量的H2O2,減輕葉片由膜脂過氧化產(chǎn)生的傷害[34]。丙二醛(MDA)是細胞膜脂過氧化的主要產(chǎn)物,含量的高低可以表示葉片細胞膜受害的程度[35]。丙二醛含量與細胞內(nèi)抵御活性氧毒害保護系統(tǒng)的POD、CAT和SOD活性呈負相關(guān)性[36]。本研究結(jié)果表明,與其他處理相比,化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理能夠提高POD、CAT和SOD活性,降低MDA含量,其中CAT活性與T4處理相比差異顯著,POD、SOD活性和MDA含量均與T4處理無顯著性差異,但均與CK、T1、T2、T3處理差異顯著。分析認為,馬鈴薯植株在干旱、高溫脅迫逆境時,土壤調(diào)理劑能夠改善土壤透氣性,增強蓄水保肥能力,而微生物菌肥能夠改善根系的微生態(tài)環(huán)境,增強根系的氧化作用,提高POD、CAT和SOD活性,清除過量的H2O2,減輕膜脂過氧化作用。而T2處理與單施化肥處理的CAT活性和MDA含量均無顯著差異,可能是監(jiān)測指標時植株受到逆境脅迫較輕,沒有表現(xiàn)出顯著差異,具體原因有待進一步探討。

結(jié)合土壤養(yǎng)分、酶活性與馬鈴薯產(chǎn)量及生理指標的相關(guān)性分析結(jié)果可知,不同施肥措施條件下土壤養(yǎng)分含量及酶活性的變化對馬鈴薯生理代謝及產(chǎn)量的提高具有重要的影響,光合速率及抗氧化系統(tǒng)的提高能夠明顯促進植株生長發(fā)育,進而提高馬鈴薯產(chǎn)量及品質(zhì)。綜上所述,化肥減量30%+微生物菌肥+土壤調(diào)理劑處理在土壤養(yǎng)分含量、酶活性變化和馬鈴薯產(chǎn)量、品質(zhì)及生理特性各方面表現(xiàn)均最優(yōu)。