化肥减量配施微生物菌肥及土壤调理剂对重茬马铃薯生长发育和土壤质量的影响

张建鹏

(濮阳职业技术学院,河南濮阳 457000)

化肥作为速效养分能够迅速补充土壤肥力,满足植物生长对养分的需求,近几十年来,化肥在我国粮食产量快速增长的过程中起到至关重要的作用[1-2]。然而近年来,化肥的不合理施用不仅造成肥料利用率降低,化肥增产报酬率下降,还导致土壤酸碱化加重,土壤结构改变,土壤质量退化,微生物群落失衡,农业污染源严重等[3-7]问题,严重制约了我国农业健康可持续发展,且根据农业农村部提出的主要农作物化肥零增长目标,提升肥料利用率迫在眉睫[8-9]。因此,如何合理施肥,减少化肥使用量,提高作物产量、品质及土壤肥力,是当前农业可持续发展的重要研究课题。目前,有关其他类型肥料替代部分或全部化肥用以提升肥料利用率、改善土壤质量以及提高作物生长发育的研究有很多。陶伟等的研究表明,85%化肥配施复合微生物菌肥能够有效提高土壤蔗糖酶、脲酶和酸性蛋白酶活性[10];张树衡等的研究表明,微生物菌肥与生物有机肥配施能够显著提高花椒功能叶片叶绿素含量、实际光化学效率,且能够有效促进花椒幼苗生长及增强其生长潜力[11];许小伟等的研究表明,有机肥与无机肥配施能够明显提升花生品质,且在一定比例范围内,随着有机肥投入的增加,能够明显提高叶片叶绿素含量、光合速率、气孔导度以及超氧化物歧化酶、过氧化氢酶和过氧化物酶的活性[12];谷端银等的研究表明,合理的施肥措施能够有效改善土壤养分质量,提高作物产量及品质,改善植株叶片生理特性,提高功能叶片光合作用能力[13-16]。

微生物菌肥是通过微生物生命活动促使农作物得到特定肥效的一类微生物制剂,施入土壤中能够通过自身代谢和分泌的产物改善土壤及作物根系周围的生态环境,增加土壤透气性,促进有益微生物生长繁殖,提高土壤养分转化与供应能力,培肥地力,增强根系活力,促进作物生长,提高作物抗逆性[17-18]。杨志刚等的研究表明,增施微生物菌肥能够显著提高辣椒产量,改善辣椒品质,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进燕麦生长,提高燕麦产量及营养品质,减少化肥施用量,提高化肥利用率[20]。土壤调理剂能够通过活性物质与土壤和水之间的媒介作用促进土壤团聚体形成,提高土壤透气性,增强土壤蓄水保肥能力。目前,化肥、微生物菌肥与土壤调理剂配施的应用主要集中在设施蔬菜方面[21-23],且大多数的研究局限于单一化肥或微生物菌肥与土壤调理剂对土壤与作物的研究,而化肥减施与微生物菌肥及土壤调理剂配施在重茬马铃薯上的应用却鲜有报道,且不同区域土壤类型、气候条件下,肥效差异较大。因此,本研究通过多年田间定位试验,研究不同化肥用量与微生物菌肥及土壤调理剂配施对豫东地区重茬马铃薯生长发育和土壤质量的影响,找到适宜的施肥模式,以期为豫东地区重茬马铃薯的高效施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年3月至2021年6月在河南省濮阳市清丰县大屯乡(地理位置:114°53′E,35°85′N)进行,该区域属暖温带半湿润季风气候区,年平均气温13.4 ℃,年降水量540 mm,年平均日照时长 2 454 h,无霜期为215 d。供试土壤为黄潮土黏土质,基础土壤速效养分含量如下:碱解氮含量 56.32 mg/kg,速效磷含量74.65 mg/kg,有机质含量9.34 g/kg,速效钾含量124.32 mg/kg,pH值8.12。

1.2 试验设计

试验设置6个处理,分别为对照不施肥(CK)、单施化肥(T1)、化肥减量50%+微生物菌肥(T2)、化肥减量30%+微生物菌肥(T3)、化肥减量50%+微生物菌肥+土壤调理剂(T4)、化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂(T5),3次重复,共计18个小区。小区面积40 m2,过道0.6 m,保护行3 m,马铃薯株行距40 cm×50 cm。供试品种为中薯5号,豫东地区一年两熟,春季生育期为3月20日至6月10日,秋季生育期为8月20日至11月10日。单施化肥用量:纯氮(N) 100 kg/hm2、P2O5225 kg/hm2、K2O 425 kg/hm2;微生物菌肥(有效活菌数≥1.0×108CFU/g,含N 12.26%、P2O54.39%、K2O 8.26%、有机质25.32%)用量为1 200 kg/hm2;土壤调理剂(含氨基酸粉、硫酸亚铁、十二烷基聚氧乙烯醚硫酸钠等) 75 kg/hm2。所有肥料均作为基肥一次性施入,其他田间管理按照当地常规生产模式进行。

1.3 样品采集与测定方法

于2021年马铃薯块茎膨大期(5月27日)测定旗叶SPAD值、光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)。每个小区定位选取10株马铃薯,采用SPAD-502叶绿素仪测定顶端第3叶SPAD值,采用LI-6400便携式光合仪测定旗叶Pn、Tr、Gs、Ci。

于2021年马铃薯块茎形成期(5月1日)采集植株叶片,带回实验室液氮处理10 min后,-80 ℃保存,用于测定超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性以及丙二醛(MDA)含量。其中SOD、POD、CAT活性以及MDA含量分采用氮蓝四唑光化还原法、愈创木酚氧化法、紫外吸收法和硫代巴比妥酸法测定[24]。

于2021年马铃薯收获期(6月10日)进行产量测定,重复间取平均值,折算成公顷产量。收获时,测定马铃薯商品薯率、干物质率。每个小区选取大小均匀的薯块3个,用于马铃薯品质的测定。其中薯块淀粉、维生素C、还原糖、粗蛋白含量分别采用水浸提-碘色法、荧光法、蒽酮比色法、半微量凯氏定氮法测定[26]。商品薯率的测定:质量在100 g以上,无虫眼,无病害的马铃薯为商品薯。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据计算与处理,采用SPSS 17.0进行处理间差异显著性比较与相关性分析。文中表格数据均为3次重复的均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 对土壤速效养分及有机质含量的影响

由图1可知,不同施肥年限下各处理土壤速效养分及有机质含量差异较大。连续不同施肥2年后(2020年),除T2处理土壤速效磷、速效钾含量与CK处理差异不显著外,其他施肥处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量均显著高于CK处理(P<0.05),其中T5处理土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量均最高,较CK处理分别显著提高21.41%、10.40%、15.20%、14.91%。在所有施肥处理中,T2处理土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量最低,其中土壤碱解氮、速效钾含量显著低于T1处理,而速效磷含量与T1处理无显著差异。T1处理土壤有机质含量最低,显著低于T4、T5处理,但与T2、T3处理差异不显著。

随着不同施肥时间的延长(2021年),各处理土壤速效养分及有机质含量与2020年发生较大变化。与CK处理相比,不同施肥处理土壤速效养分及有机质含量均显著提高,而与T1处理相比,化肥减量配施微生物菌肥或土壤调理剂处理土壤速效养分及有机质含量均不同程度提高,其中T5处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量仍均最高,较其他施肥处理分别提高2.68%～14.44%、5.15%～13.08%、3.11%～13.40%、0.31%～15.68%。配施土壤调理剂的T4、T5处理中的土壤碱解氮、速效磷、速效钾及有机质含量均不同程度地高于相对应不配施土壤调理剂的T2、T3处理,其中除土壤有机质含量无显著差异外,土壤碱解氮、速效磷、速效钾含量均显著提高。

2.2 对土壤酶活性的影响

由图2可知,与CK处理相比,不同施肥年限下各施肥处理土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均显著提高(P<0.05)。而在所有施肥处理对比中,配施微生物菌肥或土壤调理剂的T2、T3、T4、T5处理中的土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均显著高于T1处理,其中T5处理的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性在不同施肥年限下均最高,连续施肥2年后(2020年),T5处理的脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性较其他施肥处理分别提高16.55%～36.29%、10.13%～35.94%、8.22%～36.21%、5.81%～19.74%,连续施肥3年后(2021年),分别提高10.26%～48.28%、10.81%～43.86%、4.84%～38.30%、10.29%～44.23%,其中除2021年与T4处理的过氧化氢酶无显著差异外,其他均显著提高。而配施土壤调理剂的T4、T5处理中的各种酶的活性均不同程度地高于相对应不配施土壤调理剂的T2、T3处理。

2.3 对马铃薯叶片SPAD值及光合参数变化的影响

由表1可知,经过3年不同施肥措施处理后,各处理叶片SPAD值及光合参数差异较大。与CK处理相比,不同施肥处理SPAD值、光合速率、蒸腾速效、气孔导度、胞间CO2浓度均有不同程度地升高,其中T5处理的SPAD值、光合速率、蒸腾速率最大,较其他处理分别提高4.79%～15.44%、11.29%～52.01%、11.99%～61.36%,SPAD值显著高于除T4处理外的其他处理,光合速率、蒸腾速率显著最高。T4处理的气孔导度、胞间CO2浓度最大,较其他处理分别提高3.17%～23.98%、4.95%～22.94%,均显著高于CK、T1、T2处理,但与T5处理均无显著性差异。CK处理光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间CO2浓度均为最小值,除胞间CO2浓度与T1处理无显著差异外,其余指标与施肥处理相比均显著降低。

表1 不同施肥处理对马铃薯叶片SPAD值及光合参数变化的影响

2.4 对马铃薯叶片丙二醛含量及抗氧化系统酶活性的影响

由表2可知,经过3年不同施肥措施处理后,各处理叶片丙二醛含量及抗氧化系统酶活性差异较大。与CK处理相比,不同施肥处理的丙二醛含量均有不同程度地下降,过氧化氢酶、超氧化物歧化酶活性均有不同程度地升高,过氧化物酶表现出不同的变化趋势。其中T5处理的丙二醛含量最低,较CK处理显著降低11.60%,且显著低于T1、T2、T3处理;T5处理的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性均最高,较其他处理分别提高4.66%～21.71%、3.49%～14.60%、5.63%～17.60%,其中过氧化氢酶的活性显著最高,超氧化物歧化酶、过氧化物酶的活性显著高于CK、T1、T2、T3处理,而与T4处理均无显著性差异。T1处理的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶活性在所有施肥处理中均最低,而丙二醛含量最高。

表2 不同施肥处理对叶片丙二醛含量及抗氧化系统酶活性变化的影响

2.5 对马铃薯产量及商品薯率的影响

由图3可知,不同施肥年限下各处理马铃薯产量及商品薯率有较大的差异。连续2年不同施肥处理后(2020年),与CK处理相比,不同施肥处理的鲜薯产量显著提高7.13%～21.08%(P<0.05),其中T5处理的产量显著高于其他施肥处理,T1处理产量在所有施肥处理中最低,但与T2处理无显著差异。连续施肥3年后(2021年),T5处理的产量仍最高,较其他处理分别显著提高5.91%～39.38%,T1处理的产量在所有施肥处理中显著最低,连续施肥3年后马铃薯的产量总体表现为T5>T3>T4>T2>T1>CK。

连续施肥2年后,不同施肥处理的商品薯率均显著高于CK处理,其中T5处理的商品薯率最高,较其他处理分别提高3.16%～22.89%,而配施微生物菌肥或土壤调理剂的T3、T4、T5处理均显著高于T1处理。连续施肥3年后,T1处理的商品薯率较2020年有所下降,与CK处理相比无显著差异,而配施微生物菌肥或土壤调理剂的T2、T3、T4、T5处理均显著高于T1、CK处理,其中T5处理的商品薯率最高,较T2、T3处理分别显著提高9.86%、5.34%,但与T4处理无显著差异,连续施肥3年后马铃薯的商品薯率总体表现为T5>T4>T3>T2>T1>CK。

2.6 对薯块品质的影响

由表3可知,经过3年不同施肥措施处理后,各处理薯块品质差异较大。与CK处理相比,不同施肥处理的粗蛋白、维生素C、淀粉及还原糖含量均有不同程度地升高。其中T5处理的粗蛋白、淀粉含量最高,较其他处理分别提高2.19%～7.79%、3.26%～24.18%,粗蛋白含量显著高于CK、T1处理,淀粉含量显著高于除T4处理外的其他处理。

表3 不同施肥处理对薯块品质指标含量变化的影响

T4处理的维生素C、还原糖含量最高,较其他处理分别提高2.54%～13.31%、0.19%～6.46%,维生素C含量显著高于CK、T1处理,还原糖含量显著高于CK处理,其他指标之间均无显著性差异。

2.7 土壤指标与马铃薯产量及生理指标的相关性分析

相关性分析结果(表4)表明,鲜薯产量与土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量呈极显著正相关关系,与土壤脲酶、蔗糖酶活性呈显著正相关关系;叶片SPAD值与土壤有机质含量呈极显著正相关关系,与土壤速效钾含量及蔗糖酶活性呈显著正相关关系;叶片光合速率与土壤碱解氮、有机质含量呈极显著正相关关系,与土壤速效磷、速效钾含量及脲酶、蔗糖酶活性呈显著正相关关系;叶片超氧化物歧化酶活性与土壤碱解氮含量及脲酶活性呈显著正相关关系;叶片过氧化物酶活性与土壤脲酶、蔗糖酶活性呈显著正相关关系;叶片过氧化氢酶活性与土壤碱解氮含量及脲酶、碱性磷酸酶、蔗糖酶活性呈显著正相关关系;叶片丙二醛含量与土壤过氧化氢酶活性呈显著负相关关系;其他指标之间均无显著性相关关系。由此可知,不同施肥措施条件下土壤养分含量及酶活性的变化对马铃薯生理代谢及产量的提高具有重要的影响。

表4 土壤养分、酶活性与马铃薯产量及生理指标的相关性分析结果

3 讨论与结论

本研究表明,与不施肥处理相比,不同施肥年限下各施肥处理均能够提高土壤速效养分、有机质含量及土壤酶活性,且随着施肥时间的延长,各处理表现出不同的变化趋势,其中连续施肥3年时,化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂处理的土壤碱解氮、速效磷、速效钾、有机质含量及土壤脲酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性均最高,较其他施肥处理分别提高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%,而与单施化肥相比,化肥减量配施微生物菌肥或土壤调理剂处理的土壤速效养分、有机质含量及土壤酶活性整体均有不同程度提高,且配施土壤调理剂处理明显高于不配施土壤调理剂处理。研究表明,与不施肥或单施化肥相比,复合微生物菌肥对土壤磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶均有明显的促进作用[27]。分析认为,与单施化肥或不施肥相比,微生物菌肥能够为土壤微生物代谢活动提供丰富的碳源,使其代谢能力强于其他处理,进而增强土壤养分的转化与利用,提高土壤酶活性;而土壤调理剂由于其特殊的结构,能够改良土壤结构,提高土壤通透性,进而促进土壤微生物活动。化肥减量50%+微生物菌肥+土壤调理剂处理的土壤速效养分、有机质含量及土壤酶活性明显低于化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂处理,可能是化肥减量过多,各养分不能及时供给土壤和根系的吸收与利用,进而影响土壤微生物的代谢活动及土壤酶活性,表现弱于减量30%处理。

叶绿素是植株叶片进行光合作用的主要色素,其中叶绿素含量与叶片光合能力及植株生长发育具有相关性,可以监测指示植物的生长发育及营养状况[28]。有研究表明,微生物菌肥对马铃薯叶片SPAD值及光合速率均有显著促进作用[29]。但也有研究表明,微生物菌剂对马铃薯幼苗期、块茎膨大期、成熟期的叶片SPAD值均没有显著影响[30]。本研究表明,连续施肥3年时,化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂处理能够明显提高马铃薯叶片SPAD值、光合速率及蒸腾速率,其中叶片SPAD值显著高于CK、T1、T2、T3处理,光合速率、蒸腾速率显著高于其他处理。这与李卫东等的研究结果[30]不一致,可能是因为试验用的微生物菌肥不同,也可能是土壤类型、降水量等自然条件的不同产生的结果差异。而配施土壤调理剂的T5处理明显高于T4处理,分析认为,土壤调理剂具有很大的比表面积,较易吸附土壤、水分形成团聚体,改善土壤透气性,增加土壤蓄水保肥能力,促进植株根系对养分、水分的吸收利用,使SPAD值、光合速率、蒸腾速率表现出优于其他处理,进而能够促进植株生长发育,提高马铃薯产量及商品薯率,改善薯块品质。

活性氧伤害是引起植株叶片老化的重要原因之一,植物逆境时活性氧过多能够导致细胞膜的损伤及氧化,从而引起膜脂过氧化[31-32]。超氧化物歧化酶(SOD)是逆境时植物体内自身生物系统防御活性氧伤害的重要屏障[33]。过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)可以清除过量的H2O2,减轻叶片由膜脂过氧化产生的伤害[34]。丙二醛(MDA)是细胞膜脂过氧化的主要产物,含量的高低可以表示叶片细胞膜受害的程度[35]。丙二醛含量与细胞内抵御活性氧毒害保护系统的POD、CAT和SOD活性呈负相关性[36]。本研究结果表明,与其他处理相比,化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂处理能够提高POD、CAT和SOD活性,降低MDA含量,其中CAT活性与T4处理相比差异显著,POD、SOD活性和MDA含量均与T4处理无显著性差异,但均与CK、T1、T2、T3处理差异显著。分析认为,马铃薯植株在干旱、高温胁迫逆境时,土壤调理剂能够改善土壤透气性,增强蓄水保肥能力,而微生物菌肥能够改善根系的微生态环境,增强根系的氧化作用,提高POD、CAT和SOD活性,清除过量的H2O2,减轻膜脂过氧化作用。而T2处理与单施化肥处理的CAT活性和MDA含量均无显著差异,可能是监测指标时植株受到逆境胁迫较轻,没有表现出显著差异,具体原因有待进一步探讨。

结合土壤养分、酶活性与马铃薯产量及生理指标的相关性分析结果可知,不同施肥措施条件下土壤养分含量及酶活性的变化对马铃薯生理代谢及产量的提高具有重要的影响,光合速率及抗氧化系统的提高能够明显促进植株生长发育,进而提高马铃薯产量及品质。综上所述,化肥减量30%+微生物菌肥+土壤调理剂处理在土壤养分含量、酶活性变化和马铃薯产量、品质及生理特性各方面表现均最优。