甘蔗关键生育期不同施肥处理对土壤养分及酶活性的影响

2020-12-10林德喜袁照年郑梦雅白小芳

西南农业学报 2020年8期

魏鑫，林德喜，袁照年，郑梦雅，白小芳

(1.福建农林大学资源与环境学院,福建福州 350002;2.福建农林大学甘蔗研究所,福建福州 350002；3.广西大学广西蔗糖产业协同创新中心,广西南宁 530004)

【研究意义】甘蔗是中国主要的糖料作物，全国90 %的食糖产自甘蔗[1]。C4作物生长发育四个阶段分别是苗期、分蘖期、伸长期和成熟期，其生长周期长，消耗养分多，甘蔗生长不同时期对土壤养分含量和酶活性有不同需求。通过不同施肥处理，对甘蔗在不同时期内土壤养分及酶活变化分析，提出合理的施肥方式，保证甘蔗正常所需养分[2]，提高甘蔗的产量和品质，进而提高蔗田生产能力和甘蔗经济价值，对促进甘蔗生产种植可持续发展有重要意义[3]。【前人研究进展】有机肥和无机肥的混施有利于提高作物产量，改善土壤肥力，在玉米[4-5]，小麦[6]，水稻[7-8]等作物上均已得到验证。廖青等[9]研究发现有机肥和无机肥混施可以改善土壤养分含量，进而提高甘蔗产量和品质。张业海等[10]和樊保宁等[11]研究发现有机肥和无机肥混施可以提高甘蔗产量增加经济效益。近几年，我国关于缓释控释肥等新型肥料在甘蔗上的应用有较多报道，汪帆等[12]研究缓释袋控复混肥满足甘蔗养分的生长需要，可以减少施肥次数，降低生产成本。李翠英等[13]研究表明缓释肥可以增加甘蔗分蘖，提高有效茎数量，同时增加蔗茎的宽度，提高甘蔗的产量。【本研究切入点】福农41号甘蔗根系生长与甘蔗关键生育期土壤养分含量及土壤酶活性之间影响的相关报道较少[14]，且有机肥和复合肥混施处理与缓释施肥处理均有助于改善土壤养分含量和提高甘蔗产量和品质，本试验可同时比较这两种施肥方案。【拟解决的关键问题】以不施肥，单施复合肥，单施有机肥处理作对照，比较有机肥和复合肥混施及缓释袋控施肥在甘蔗不同的生长时期土壤养分含量和酶活性的变化，进而优化施肥方案。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田位于福建省闽侯县白沙镇新坡村，东经119°06′ 02″,北纬26°23′ 31″，该地区属于亚热带与热带交界区域。年降水量1350 mm，全年平均温度20°，年日照时间为1815 h，土壤类型为黄泥田。施肥前土壤基本化学性质pH 6.10, 有机质19.13 g/kg, 全氮0.80 g/kg, 全磷0.60 g/kg, 全钾24.37 g/kg, 碱解氮71.43 mg/kg, 速效磷23.11 mg/kg, 速效钾120.00 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验布置于2017年，种植的甘蔗品种是福农41号。共设计5个施肥处理，分别为对照处理(CK)：不施肥；可降解缓释袋控施肥处理(NPKD)：复合肥900 kg/hm2装降解袋，每小区30袋,每袋0.045 kg，袋一侧均匀扎4个孔, 将孔口朝上, 放置土深至20 cm处, 埋土；有机肥和复合肥混施(ONPK)：有机肥3600 kg/hm2+复合肥900 kg/hm2混合施用；单施复合肥(NPK)：复合肥900 kg/hm2；单施有机肥(O)：有机肥3600 kg/hm2，肥料分别为复合肥(氮16∶磷16∶钾∶16), 有机肥主要成分为鸡粪, 有机质的含量≥45 %，其中ONPK，NPK，O处理为一次常规施肥。每个处理3个重复, 共15个小区，采用随机区组分布排列, 小区面积为3 m×5 m，各小区之间设有一畦保护行，每个小区种植3行甘蔗，甘蔗均匀种植，每行3 m×1 m=3 m2，行距间隔1 m。

1.3 样品采集与分析

试验样品为第二年宿根土壤，采集时间2018年5、7、9和11月, 通过五点取样方式取其20 cm处的表层土壤，一部分保存于4 ℃冰箱，用于土壤酶活性测定, 一部分于室内风干过筛采用农化常规分析方法[15]进行土壤养分含量测定, 土壤脲酶活性采用苯酚-次氯酸钠比色测定法, 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色测定法, 土壤酸性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色测定法。甘蔗根系测定采用根系分析仪进行分析。

1.4 数据分析

数据分析采用Excel 2019和SPSS 22.0 绘图软件SigmaPot 12.5 和Adobe Illustrator CS6。

2 结果与分析

2.1 在不同时期下各个施肥处理的土壤养分含量

如表1可知，在甘蔗苗期各个施肥处理土壤有机质含量 ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK, NPKD和NPK处理之间没有显著差异，与CK相比分别增加24.67 %、20.62 %和22.16 %；不同施肥处理碱解氮的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK的碱解氮含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比，分别增加5.02 %、10.62 %、17.31 %和18.10 %；有效磷含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK与NPK处理之间无显著差异，与NPKD、O和CK相比分别增加17.09 %、25.26 %和27.51 %；速效钾的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK处理的速效钾含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比分别增加12.39 %、15.39 %、17.85 %和34.10 %，其中NPK和NPKD之间无显著差异，O和CK之间无显著差异。

在甘蔗分蘖期，各个施肥处理的土壤有机质含量 ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK、NPK和NPKD处理之间没有显著差异，与CK相比分别显著增加22.51 %、20.18 %和16.83 %；碱解氮的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK的碱解氮含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比分别增加6.53 %、13.04 %、15.66 %和15.93 %；有效磷含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK有效磷含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比分别增加3.26 %、14.35 %、22.95 %和24.13 %，其中NPK和NPKD有显著差异；速效钾的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK处理的速效钾含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比增加11.80 %、14.12 %、19.51 %和32.93 %。

在甘蔗伸长期，有机质含量 ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK、NPK和NPKD处理之间没有显著差异，与CK相比分别增加29.84 %，28.21 %和23.13 %；碱解氮的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK的碱解氮含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比增加3.71 %、9.99 %、14.83 %和16.18 %，且NPKD，O和CK之间无显著差异；有效磷含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK与NPK、NPKD、O和CK处理相比分别提高3.68 %、16.34 %、22.95 %和24.13 %，其中ONPK与NPK之间无显著差异；土壤速效钾含量 ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK、NPK、NPKD和O处理与CK相比分别显著增加37.00 %、22.90 %、19.27 %和11.83 %，且NPKD与NPK之间无差异。

在甘蔗成熟期，土壤有机质含量 ONPK> NPK> NPKD> O>CK，其中ONPK、NPK和NPKD处理之间没有显著差异，ONPK、NPK、NPKD和O与CK相比分别增加28.33 %、20.43 %、23.69 %和6.14 %；碱解氮的含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK处理碱解氮含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比增加7.00 %、10.00 %、16.86 %和17.45 %；不同施肥处理中有效磷含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，ONPK的有效磷含量显著高于其他处理，与NPK、NPKD、O和CK相比增加5.81 %、14.15 %、22.92 %和25.71 %，且NPK和NPKD之间有显著差异；速效钾含量ONPK> NPK> NPKD> O>CK，且各处理间差异显著，与CK相比分别增加35.35 %，22.81 %，18.96 %和11.53 %。

在不同时期下，同一施肥处理土壤养分含量如表1，随着生长周期的不同，同一处理的土壤pH没有显著差异；不同处理间有机质含量均在成熟期最高，其中NPKD处理在成熟期显著高于其它3个时期，分蘖期有机质含量最低，与之相比提高5.36 %；同一施肥处理土壤碱解氮含量在伸长期均低于其他时期，其中ONPK处理在苗期的碱解氮含量比伸长期增加3.14 %；同一施肥处理的土壤有效磷含量在分蘖期最高，时期之间各个处理均没有显著差异；同一施肥处理的土壤速效钾含量在分蘖期最高，总体差异变化不大，其中ONPK处理的速效钾含量在分蘖期比成熟期增加3.89 %。

综上所述，同一施肥处理土壤养分含量在不同时期变化差异不大，其中土壤有效磷和速效钾含量在分蘖期整体高于其他时期；有机肥与复合肥混施处理的土壤养分含量在整个生育期显著高于其他处理，袋控缓释施肥处理的土壤养分含量在各个生育期都介于单施复合肥和单施有机肥之间，土壤pH在不同时期各处理之间均无显著差异。

2.2 不同时期下各个施肥处理的土壤酶活性质

如表2可知，在甘蔗苗期，各个施肥处理中土壤脲酶的含量ONPK> NPKD> NPK> O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK处理均有差异，分别增加18.91 %、22.22 %、37.5 %和41.92 %；土壤蔗糖酶含量ONPK> NPKD> NPK> O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加11.78 %、19.65 %、19.65 %和22.89 %，ONPK与NPKD处理之间无显著差异；酸性磷酸酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加2.56 %、25 %、33.33 %和37.93 %，其中ONPK与NPKD处理之间无显著差异。

在甘蔗分蘖期，各个施肥处理中土壤脲酶的含量ONPK> NPKD> NPK> O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK均有差异，分别增加18.91 %、25.71 %、33.33 %和41.94 %；土壤蔗糖酶含量ONPK> NPKD> NPK> O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加10.81 %、18.16 %、18.50 %和19.88 %，ONPK与NPKD处理之间无显著差异；酸性磷酸酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加5.00 %、27.27 %、35.48 %和40.00 %，其中ONPK与NPKD处理之间无显著差异。

表1 在不同时期下各个施肥处理的土壤养分含量

在甘蔗伸长期，各个施肥处理中土壤脲酶的含量ONPK> NPKD> NPK> O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK均有差异，分别增加18.42 %、21.62 %、32.35 %和40.63 %；土壤蔗糖酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK均有差异，分别增加14.25 %、19.83 %、20.17 %和21.57 %；酸性磷酸酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加10.00 %、33.33 %、41.94 %和41.94 %, 其中ONPK与NPKD处理之间无显著差异。

在甘蔗成熟期，各个施肥处理中土壤脲酶的含量 ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK均有差异，分别增加15.38 %、21.62 %、28.57 %和45.16 %；土壤蔗糖酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK均有差异，分别增加15.76 %、21.71 %、21.71 %和23.84 %；酸性磷酸酶含量ONPK> NPKD> NPK>O>CK, ONPK处理与NPKD、NPK、O和CK相比分别增加10 %、29.41 %、37.50 %和41.94 %, 其中ONPK与NPKD处理之间无显著差异。

如表2所示，同一施肥处理脲酶和蔗糖酶变化差异不显著，随着甘蔗生长，酶活性逐渐增大，在成熟期到达到最大；NPKD处理在甘蔗苗期和分蘖期显著低于其它2个时期。

综上所述，同一处理土壤酶活含量均在甘蔗成熟期最高，各个时期土壤酶活性变化差异不大，有机肥与复合肥混施处理较其他施肥处理酶活性显著增加，袋控缓释处理在各个时期土壤酶活含量仅低于有机肥和复合肥混施处理，且与其他处理差异较大。

表2 在不同时期下各个施肥处理的土壤酶活性

表3 甘蔗产量与品质

2.3 不同施肥处理下甘蔗的产量与品质的变化

表3结果表明, 不同施肥处理NPKD、ONPK、NPK、O与CK处理相比，蔗茎产量增加13.79 %, 76.73 %、27.95 %和10.64 %, 增长幅度ONPK > NPK >NPKD > O > CK。各个施肥处理NPKD、ONPK、NPK和O与CK处理相比增加21.91 %、80.42 %、34.67 %和17.09 %, 增长幅度ONPK > NPK >NPKD > O > CK，各个施肥处理的蔗茎产量与产糖量差异变化趋势一致，其中ONPK较其他处理在产量和品质上差异显著。

3 讨论

3.1 不同施肥处理下甘蔗土壤的养分含量

土壤养分含量是衡量土壤肥力的重要指标[16]。甘蔗分蘖期土壤养分含量比其他关键生育期土壤养分含量高，可能土壤养分在分蘖期未被甘蔗充分吸收利用。有机肥和复合肥混施处理在整个生育期土壤养分含量高于其他处理，因为单施复合肥在甘蔗生长前期可一次性为土壤提供大量养分，但在甘蔗生长后期大量营养消耗和流失, 土壤中的养分含量供应不足[17]。单施有机肥处理，不能为土壤提供大量营养且肥力缓慢释放，但可以改善土壤团粒结构, 促进土壤腐殖质的形成, 提高土壤的物理性状[18]。复合肥与有机肥两种肥料配合使用达到一加一大于二的效果，有利于提高土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾等养分含量，进而提高甘蔗土壤肥力，这与前人研究成果保持一致[19]。缓释袋控施肥的土壤养分含量介于单施复合肥和单施有机肥之间，由于缓释袋中的养分没有完全释放到土壤中，且已经释放的养分及时被甘蔗吸收利用，所以土壤中养分含量不高。本试验土壤pH均无显著差异，可能是由于连续两年施肥时间短，不能对土壤pH产生明显影响，前人研究表明长期大量施肥可改变土壤酸碱度[20]。

3.2 不同施肥处理下甘蔗土壤的酶活性质

土壤酶是土壤微生物和植物根系分泌产物, 是土壤重要组成部分[21], 土壤脲酶将尿素水解成氨[22]，其活性高低取决于土壤微生物及土壤有机质含量, 与土壤肥力密切相关。土壤蔗糖酶作为土壤表征生物水解酶, 是根系微生物分解产物。土壤酸性磷酸酶加速土壤有机磷的分解, 释放出可被植物直接吸收的营养[23]。有机肥与复合肥配施在整个生育期较其他施肥处理都有较强的酶活性[24]，其中有机肥提高土壤酶活性，促进土壤酶与土壤微生物之间相互作用，特别是蔗糖酶和磷酸酶[25]，复合肥改善土壤理化性质，促进微生物的生长。缓释袋控在作物产量及土壤养分含量方面不及单一施用复合肥的效果，但是在提高土壤酶活性方面优于单一施肥，可能单一施肥易造成土地板结，抑制土壤微生物的生长，缓释袋控施肥缓慢释放养分含量，有效缓解了无机肥对土壤酶活性抑制，进而促进土壤酶活性。随着甘蔗生长后期土壤肥料流失，土壤中被抑制的酶活性被激活，在甘蔗成熟期土壤酶活性最强。

3.3 不同施肥处理下对甘蔗的生理指标影响

有机肥和复合肥的混施较其他施肥处理在提高甘蔗产量和品质方面有显著差异, 这与前人研究有机肥和无机肥的配施有利于提高作物的产量和品质结果一致[26-27]。复合肥肥效快，易被植物吸收利用，有机肥肥效缓慢，不能及时满足作物生长所需的养分[28],复合肥和有机肥混施相互促进互补，无机营养和有机营养大量释放，被甘蔗直接吸收利用，有利于增强甘蔗出苗，分蘖，促进株高生长，促进甘蔗新陈代谢和生长发育进而提高甘蔗蔗茎产量和产糖量[29]。缓释袋控施肥处理在甘蔗产量和品质方面均低于单一施用复合肥, 与其他研究缓释控施肥较单一施用化肥有助于提高作物产量结果不一致[33-34]其主要原因甘蔗发育成长迅速, 而缓释袋控肥料释放缓慢, 不能及时满足甘蔗的快速生长养分需要, 且缓释袋控释放机理，肥料释放周期，受温度，湿度等环境不可控因素的问题需要研究解决[35-36]。