有机肥替代化肥对旱地胡麻氮磷运移规律的影响

2020-12-10马伟明史丽萍韩宝萱王英泽刘宝文李文珍高玉红

土壤与作物 2020年4期

马伟明，史丽萍，韩宝萱，曹智，王英泽，刘宝文，李文珍，高玉红

(1.定西市农业科学研究院，甘肃定西 743000；2.甘肃省干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070)

0 引言

胡麻(LinumusitatissimumL.)又称油用亚麻，是世界第四大油料作物，在全球范围内均广泛种植。联合国粮农组织调查显示，中国油用亚麻种植规模仅次于加拿大和印度，居世界第三位[1]。我国胡麻主要分布在西北和华北地区，不仅是重要的油料作物，同时也是当地主要的经济作物，而甘肃省是我国胡麻主产区，胡麻生产不仅给全省提供了营养丰富的胡麻油，还带动了食用油的深加工以及农业经济的发展[2]。但我国胡麻单位面积产量仅为901 kg·hm-2左右，低于世界发达国家水平，只有美国和加拿大单产的4/5[3]。究其原因，除受土壤瘠薄和气候干旱等因素影响外，还与施肥有重要的关系[4]。氮、磷素营养对胡麻的生长发育和产量的形成有重要影响，但在胡麻生产中，为了追求高产，普遍存在过量施肥现象，不仅严重浪费肥料，还提高了生产成本[5]，而且土壤理化性质变劣，养分供给能力下降，造成一系列生态和环境问题[6-7]。

有机肥作为一种绿色、生态缓效肥料，富含N、P、K以及多种微量元素和氨基酸、维生素等多种有机营养成分，持续供给作物生长发育所需各种养分，同时也可改善土壤结构和理化性质，提高肥料利用效率，是保证作物稳产和推动农业可持续发展的重要措施[8-10]。生物有机肥是在普通有机肥基础上添加了多种有益微生物菌群的一种新型肥料，研究表明，生物有机肥能有效改善土壤环境，降低病虫害的发生，促进作物生长，改善作物经济性状，增加作物产量，提高农产品品质和土壤肥力[11-13]。近年来，有关生物有机肥在作物种植方面的研究日趋增多，刘彦伶等[14]通过研究长期不同施肥对水稻(OryzasativaL.)干物质和磷素吸收发现，与单施化肥相比，50%有机肥替代化肥能够显著增加水稻产量、干物质和磷素积累量。白玲等[15]研究表明，有机无机肥配施可以显著提高棉花生长中后期干物质积累及养分吸收量，与单施化肥处理相比，不同有机无机肥配施可以保持或提高棉花产量、单铃重以及氮素利用效率。在玉米(ZeamaysL.)种植中，党翼等[16]研究发现，在一定范围内，随有机肥用量的增加，玉米百粒重、穗行数及籽粒干物质积累均显著增加。生物有机肥在胡麻上的研究，多侧重于有机肥对品质的改善和产量的提高[17-19]，而对胡麻养分运移规律的研究鲜有报道。因此，本试验通过研究不同比例生物有机肥代替化肥对胡麻养分运移规律及产量的影响，明确胡麻生产中有机肥替代化肥的合适比例，为胡麻的高产稳产提供科学施肥依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2018年4-8月在甘肃省定西市农业科学院西寨油料站(104°12′～105°01′E,35°17′～36°02′N)进行。该站位于陇中黄土高原半干旱丘陵沟壑区，属于典型中温带干旱半干旱区域，农田土壤为典型黄绵土。海拔高度2 020 m，无霜期平均140 d，年日照时数2 477 h，年均太阳辐射595 kJ·cm-2，年均温度6.43 ℃，≥0 ℃积温2 934 ℃，≥10 ℃积温2 239 ℃，干燥度2.53；年平均降水量400 mm，年蒸发量1 531 mm，80%保证率的年降水量365 mm，变异系数24.3%，属于典型的雨养农业区。土壤养分情况如下：有机质9.12 g·kg-1，全氮0.99 g·kg-1，全磷0.67 g·kg-1，速效磷27.1 mg·kg-1，碱解氮48.9 mg·kg-1，速效钾108 mg·kg-1，pH 8.7。

1.2 试验设计

试验采取单因素完全随机区组设计，设单施化肥CK(F1)：氮、磷、钾肥分别选用尿素(46% N)、过磷酸钙(16% P2O5)和硫酸钾(52% K2O)，氮、磷、钾肥均作为基肥施用；单施肉蛋白生物有机肥(F2)；单施福瑞年土壤调理剂(F3)；30%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F4)；30%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F5)；60%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F6)；60%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F7)；90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)；90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)。各处理氮、磷、钾施用总量相同，分别按N 90 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2SO42.5 kg·hm-2，F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9处理肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂施用量根据其全氮含量计算其施用量，施肥量见表1，磷、钾肥用化肥补充。

表1 不同小区具体施肥情况(kg·hm-2)Table 1 Fertilizer applications in different treatments (kg·hm-2)

氮、磷、钾肥及有机肥均作为基肥施入，肉蛋白生物有机肥由石家庄金太阳生物有机肥有限公司生产并提供，相关养分含量如下：N=3%，P2O5=2%，K2SO4=1%，有机质≥30%，粗蛋白≥8%，氨基酸≥4%，中量元素钙≥6%。福瑞年土壤调理剂由白银丰宝农业科技有限公司生产并提供，相关养分的含量如下：N≥15%，有机质≥16%，水分≤6%。有机肥撒施到各小区内，并翻耕入土。试验3次重复，共30个小区。每一小区长3 m，宽5 m，面积15 m2。小区间走道宽30 cm，重复间走道宽50 cm，四周设1 m保护行。胡麻品种选用陇亚10号，栽植密度为750万株·hm-2，条播，播种深度为3 cm，行间距离20 cm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 干物质。采用烘干法测定，分别在胡麻苗期、现蕾期、盛花期、青果期和成熟期，每小区拔取具有代表性且长势基本一致的植株10株，在实验室内将植株叶、茎、花、果等器官分开，于105 ℃恒温箱中杀青30 min，而后将温度降至60 ℃烘干至恒重，分别测定叶、茎、果干重量，并计算干物质重量[20]。

1.3.2 植株氮和磷。将烘干的各器官样品分别粉碎、过筛供测量使用。测量采用H2SO4-H2O2消煮法，植株全氮采用凯氏定氮法，植株全磷采用钼锑抗比色法[21]。相关的计算公式[22-23]如下：

氮(磷)素积累量=生物量×氮(磷)素含量

氮(磷)素吸收效率(%)=植株氮(磷)素积累量/施入氮(磷)素量×100%

氮(磷)素收获指数(%)=籽粒氮(磷)素积累量/植株氮(磷)素吸收量×100%

1.3.3 产量构成及产量。在胡麻收获时，分别测定各小区单株有效果数、单果粒数及千粒重等产量构成指标。各小区单收单打，测量各小区实际产量，并计算单位面积实际产量。

1.4 数据处理

用Excel 2010进行数据整理和图表制作，SPSS17.0统计软件进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥处理下胡麻养分积累的动态分析

2.1.1 有机肥替代化肥处理下胡麻叶片氮、磷素积累规律。由图1可知，不同生物有机肥替代化肥处理下胡麻全生育期叶片氮素和磷素含量均呈先增加后降低的变化趋势，在盛花期最大，苗期最低。苗期和现蕾期，各生物有机肥替代化肥处理间氮素含量无显著差异。盛花期，胡麻叶片氮素含量随着肉蛋白生物有机肥替代化肥比例的升高而增加(30%～90%)，其中，30%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F4)处理较单施化肥(F1)处理下叶片氮含量显著降低4.7%，而60%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F6)和90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)处理较单施化肥(F1)处理显著增加4.0%和5.6%；且F1、F6和F8处理下叶片氮含量分别较单施肉蛋白生物有机肥(F2)处理显著增加3.2%、7.3%和9.0%。

图1 有机肥替代化肥处理下胡麻叶片氮素和磷素的动态积累Fig.1 Dynamic accumulation of nitrogen and phosphorus in flax leaves under organic fertilizer replacement

福瑞年土壤调理剂替代化肥处理下，叶片氮含量变化趋势与肉蛋白生物有机肥替代化肥处理相似，30%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F5)和60%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F7)处理分别较F1处理下降9.4%和6.7%，而90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理较F1处理增加13.6%(P<0.05)。青果期，肉蛋白生物有机肥替代化肥处理胡麻叶片氮含量较F1显著增加17.2%～27.8%(F4除外)，其中，F8处理最高，较F1显著增加27.8%，较其他肉蛋白生物有机肥处理增加8.6%～28.3%(P<0.05)；福瑞年土壤调理剂显著增加了胡麻叶片氮含量，较F1增加7.3%～27.0%，其中，F9处理最高，较单施福瑞年土壤调理剂(F3)处理显著增加10.4%，较其他福瑞年土壤调理剂替代化肥处理增加4.6%～14.8%。成熟期，肉蛋白生物有机肥替代化肥处理叶片氮含量变化趋势与盛花期相反，F4处理最高，较F1增加24.3%，较其他肉蛋白生物有机肥替代化肥处理增加15.5%～57.9%(P<0.05)；福瑞年土壤调理剂替代化肥处理F9最高，较F1显著增加50.9%，较其他福瑞年土壤调理剂替代化肥处理显著增加22.4%～90.4%。

就胡麻叶片磷含量而言，现蕾期，肉蛋白生物有机肥替代化肥处理F8的叶片磷含量最高，F2次之，分别较F1处理增加13.7%和11.9%(P<0.05)；福瑞年土壤调理剂替代化肥处理F9的叶片磷含量最高，较F1增加16.1%。肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂替代化肥处理均显著提高了胡麻盛花期叶片磷素含量，较F1增加7.8%～32.2%；其中，F6和F9处理的叶片磷素含量最高，较其他肉蛋白生物有机肥替代化肥处理增加8.0%～14.2%，较其他福瑞年土壤调理剂替代化肥处理增加11.9%～16.9%。青果期，肉蛋白生物有机肥替代化肥处理下叶片磷素含量表现为F8>F4>F6>F2；福瑞年土壤调理剂替代化肥处理表现为F9>F5>F3>F7，F9较F1显著增加11.2%，而F3和F7较F1分别显著降低了17.6%和24.5%。成熟期，F8和F9处理叶片磷素含量最高，分别较F1增加24.7%和32.9%。

可见，90%肉蛋白生物有机肥替代化肥处理(F8)能够显著增加胡麻盛花期和青果期叶片氮、磷含量，而30%肉蛋白生物有机肥替代化肥处理替代(F4)显著提高了成熟期胡麻叶片氮、磷含量，但100%的替代比例(F2)与F1处理间无显著差异；同样，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥处理(F9)有利于提高盛花期至成熟期胡麻叶片氮、磷含量。就肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂而言，盛花期胡麻叶片氮素含量表现为F9较F8处理显著增加7.5%，磷素含量显著增加15.9%；成熟期氮素含量F9较F4处理显著增加21.5%，磷素含量增加18.0%。综合来看，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥处理有利于提高盛花期和成熟期胡麻叶片氮、磷含量。

2.1.2 有机肥替代化肥处理下胡麻茎杆氮、磷素积累规律。由图2可知，不同有机肥替代化肥处理对胡麻茎杆氮素和磷素含量的影响呈现出与叶片氮素和磷素含量相似的规律。苗期至盛花期，胡麻茎秆氮素和磷素均是持续增加，盛花期最大，至成熟期略有下降。从不同生物有机肥处理下胡麻茎秆氮素含量来看，苗期各处理间茎秆氮素含量无显著差异，现蕾期，30%替代比例下茎秆氮素含量最低，60%的替代比例次之，其中30%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F4)和30%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F5)处理分别较F1处理显著降低25.4%和24.1%，其他处理与F1无显著差异。盛花期，除F7处理外，其余有机肥处理茎秆氮素含量较F1处理增加6.6%～25.8%，肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂替代比例均在90%(F8、F9)时氮素含量最高，分别较F1处理增加18.7%和25.8%。青果期，仍表现为F8和F9处理下茎秆氮素含量最高，分别较F1处理显著增加26.6%和37.1%。成熟期，30%～90%肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂替代化肥处理下胡麻茎秆氮素含量分别随两种有机肥替代比例的升高而增加，在30%和60%的替代比例下，肉蛋白生物有机肥的替代效果优于福瑞年土壤调理剂4.2%和4.8%，当替代比例达90%时，福瑞年土壤调理剂(F9)比肉蛋白生物有机肥(F8)显著增加3.3%。

从胡麻茎秆磷素含量来看，现蕾期，生物有机肥处理下茎秆磷素含量表现为F8和F9处理较高，分别较F1显著增加24.6%和25.4%。与F1处理相比，生物有机肥处理显著提高了盛花期茎秆磷素含量，提高幅度达7.9%～23.2%。其中，肉蛋白生物有机肥F8处理最大，较其他肉蛋白生物有机肥F2、F4和F6处理分别增加6.6%、14.2%和8.9%；福瑞年土壤调理剂替代比例在90%(F9处理)时茎秆磷素含量达到最大，较F1显著增加17.6%。青果期，茎秆磷素含量均随两种生物有机肥随替代比例的提高呈先增加后降低的趋势，均在F8和F9处理达最大，分别较F1显著增加29.9%和23.2%，且F8处理较单施肉蛋白生物有机肥(F2)处理显著增加27.4%，F9处理较单施福瑞年土壤调理剂(F3)处理显著增加23.2%。成熟期，肉蛋白生物有机肥替代化肥F8处理下茎秆磷素含量最高，F6次之，分别比F1处理增加16.5%和11.8%；福瑞年土壤调理剂F9处理茎秆磷素含量较F1和F3处理分别增加9.5%和18.9%。

综上表明，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理能有效增加现蕾-成熟期胡麻茎秆氮素含量，而90%的肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)处理对盛花-成熟期茎秆磷素含量增加效果显著。

2.2 有机肥替代化肥处理对胡麻养分吸收与积累影响的分析

2.2.1 有机肥替代化肥处理对胡麻氮素吸收与积累的影响。由表2可以看出，胡麻植株氮素积累量总体呈先增后减的趋势。现蕾期至青果期，胡麻处于生长旺盛阶段，叶片光合能力强，阶段氮素积累量迅速增加。青果期至成熟期，植株光合能力变弱，氮素积累量明显降低。现蕾期至盛花期，胡麻植株阶段氮素积累量随肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂替代化肥比例的增加呈先增加后降低的趋势，在90%的替代比例下达最高，其中90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)较单施化肥(F1)处理显著增加38.6%。盛花期至青果期，肉蛋白生物有机肥替代化肥处理氮素积累量较F1处理显著增加11.2%～24.0%，以60%(F6)替代比例最高；福瑞年土壤调理剂替代化肥处理下氮素积累量以90%(F9)替代比例最高，较F1处理显著增加21.3%。青果期至成熟期，60%和90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F6和F8)处理下胡麻氮素积累量分别较单施化肥(F1)处理显著增加8.2%和8.5%；福瑞年土壤调理剂以30%(F5)的替代比例最高，较F1显著增加9.6%。

60%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F7)处理下氮素吸收效率较单施化肥(F1)处理显著增加20.1%。就胡麻氮素收获指数而言，90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)和90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理分别较单施化肥(F1)处理显著增加11.6%和15.3%。综合来看，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理和90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)处理有利于促进胡麻生殖生长阶段的氮素积累，提高氮素吸收效率和氮素收获指数。

表2 有机肥替代化肥处理对胡麻氮素吸收与积累的影响(M±SD)Table 2 Effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer on nitrogen uptake and accumulation in oil flax

2.2.2 有机肥替代化肥处理对胡麻磷素吸收与积累的影响。由表3可以看出，不同有机肥替代化肥处理下胡麻磷素积累量总体趋势与氮素积累量相似。最大磷素积累量出现在盛花到青果期阶段。现蕾期至盛花期，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理下磷素积累量最高，较单施化肥(F1)、单施肉蛋白生物有机肥(F2)和单施福瑞年土壤调理剂(F3)处理分别显著增加38.6%、46.5%和46.8%(P<0.05)。盛花期至青果期，胡麻磷素积累量在F9处理下最高，60%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F6)处理次之，分别较F1处理显著增加26.2%和23.3%(P<0.05)。与单施化肥(F1)处理相比，有机肥对青果期至成熟期磷素的积累影响不显著。此外，60%和90%肉蛋白生物有机肥和福瑞年土壤调理剂替代化肥处理显著提高了胡麻磷素吸收效率，且有机肥替代比例在90%磷素吸收效率最高，90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)和90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理分别较F1处理显著增加21.1%和31.6%(P<0.05)。F9处理下磷素收获指数较F1显著增加21.7%。表明有机肥替代化肥促进了胡麻植株对磷素的吸收与积累，且以90%福瑞年土壤调理剂替代化肥处理效果最佳。

2.3 有机肥替代化肥处理对胡麻产量效应分析

由表4可见，90%有机肥替代化肥处理显著增加胡麻单位面积产量，其中，90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)和90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理分别较单施化肥(F1)显著增加2.0%和3.5%(P<0.05)。30%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F5)处理千粒重最高，F8处理次之，与F1处理相比分别增加9.6%和8.5%(P<0.05)。60%和90%有机肥替代化肥显著增加了胡麻单株产量，以60%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F7)处理增加效果最为显著，较F1处理显著增加20.1%(P<0.05)。各有机肥处理对胡麻单株有效果数和果粒数无明显影响。

表3 有机肥替代化肥处理对胡麻磷素吸收与积累的影响(M±SD)Table 3 Effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer on phosphorus uptake and accumulation in oil flax

表4 有机肥替代化肥处理下胡麻单株产量及其构成因子(M±SD)Table 4 Effects of organic fertilizer replacing chemical fertilizer on yield per plant and its components in oil flax(M±SD)

3 讨论

有机肥能够提高农田土壤养分，对作物的生长发育具有明显的促进作用[24-25]。有机肥在改善植株营养水平并促进养分运移的同时，还能协调土壤供氮能力与植株需求之间的关系，平衡植株的激素代谢过程，最终促进植株生长发育，对作物植株氮、磷养分的积累和运移有重要意义[26-28]。李迎春[29]通过施用化肥与施用有机肥对比发现，小麦植株对氮、磷、钾养分的吸收、分配及运转规律未随施肥处理而发生变化，而在有机肥处理下小麦植株的氮、磷、钾养分含量均显著高于化肥处理。金宏鑫等[30]研究表明，在施入污泥生物有机肥后，大豆营养器官中氮、磷的含量和产量均高于对照。王建红等[31]研究发现，增施有机肥可以增加油菜中氮、磷、钾养分的含量，且随有机肥用量的增加，各养分含量也随之增加。本研究表明，有机肥处理仅增加了胡麻茎、叶中的氮、磷养分含量，不改变其积累规律。其中90%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)处理下，叶片氮、磷含量在盛花期和青果期表现出较强的优势，分别较单施化肥(F1)显著增加5.6%、14.1%(盛花期)和27.8%、6.6%(青果期)，成熟期叶片氮含量则以30%肉蛋白生物有机肥替代化肥(F4)处理最佳，较单施化肥(F1)显著增24.3%。而与肉蛋白生物有机肥相比，90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理对胡麻盛花期和成熟期叶片氮、磷含量的提高效果更显著，较F1分别显著增加13.6%、32.2%(盛花期)和50.9%、32.9%(成熟期)。盛花期至成熟期，茎秆氮素含量则以90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理表现最佳，磷素含量以90%的肉蛋白生物有机肥替代化肥(F8)处理效果显著。这与王建红等[31]在油菜中的研究结果基本一致。唐海明等[32]研究指出，长期施用60%有机肥处理有利于增加早稻成熟期植株茎、叶、穗和地上部的氮、磷和钾素积累量。本试验中，胡麻植株氮素积累量和磷素积累量均以90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理表现最佳，说明90%福瑞年土壤调理剂替代化肥促进了胡麻植株对氮、磷养分的吸收。杨天庆等[33]研究表明，生物有机肥与化肥配施可显著提高胡麻植株的分枝数、蒴果数、果粒数、千粒重及产量。而本研究表明，各生物有机肥替代化肥处理显著影响胡麻千粒重、单株产量和单位面积实际产量，以90%福瑞年土壤调理剂替代化肥(F9)处理单位面积产量增加效果最为显著，较单施化肥(F1)处理显著增加3.5%。