降低甘蔗对重金属吸收的施肥模式探究

2024-02-22谭俊杰杨尚东谭宏伟

中国糖料 2024年1期

朱瑜,谭俊杰,梁阗,杨尚东,谭宏伟

(1.广西大学农学院/广西农业环境与农产品安全重点实验室/植物科学国家级实验教学示范中心,南宁 530004;2.广西民族师范学院,广西崇左 532200;3.广西壮族自治区农业科学院,南宁 530007)

0 引言

甘蔗(SaccharumofficirumL)是世界上最主要的糖料作物之一,其蔗糖产量约占世界总糖产量的70%以上[1],而在我国蔗糖产量则占到90%以上[2]。此外,甘蔗还是全球重要的可再生能源作物[3]。我国南方甘蔗栽培主要分布于广西、广东和云南等地[4]。其中,广西是我国糖料甘蔗的重要产区,甘蔗栽培面积、蔗糖产量已连续9年占全国60%以上,甘蔗产业已成为广西农业经济的支柱产业[5]。研究发现,肥料是甘蔗以及其它作物生产过程中重要的农业生产资料,其对产量和品质的形成至关重要[6]。然而,由于长期不合理的施肥方式,广西甘蔗产区面临严峻的土壤污染和肥力退化的问题[7],包括:土壤重金属污染、有机物质含量减少、土壤酶活性降低、土壤有益微生数目和种类减少、多种病虫害发生严重等[8-9]。目前,我国大约有1/5的耕地土壤有不同程度的重金属污染,如何对耕地土壤中重金属进行合理修复,从而减少其对动植物体及人体健康的影响是现阶段迫切需要解决的重要问题之一[10]。广西拥有丰富矿产资源,已发现矿产145种,如:锰、锑、钛、铅、锌、镉、汞、铬等[11]。然而,矿产资源开采过程中,伴随着人为运输和自然力的带动(水流和气流)已对周边环境产生污染。据调查,广西部分农田已出现了多种重金属含量超标的情况[12]。尤其,矿产开发区域周围农田土壤受到不同程度污染(含量和深度),如:河池、桂林、南宁、百色、梧州、贺州等地,其中镉、汞、铬、铅等重金属含量与普通农田相比,相差十几倍至几十倍[13-15]。

随着人们对食品安全的重视,我国农业生产正朝着农药和化肥减量使用方向转变。其中,有机生产是一种较为安全规范的农业生产方式,作物种植过程中所使用的农业生产资料均取材自然界,从而有效避免施用无机化学产品产生的污染[16]。至今的研究发现,生物有机肥和微生物肥均是可有效代替无机化肥的农业生产资料[17]。其中,生物有机肥主要是将有益微生物与动植物残体(如畜禽粪便、农作物秸秆等)充分混合,然后再进行无害化和腐熟处理,从而形成一种复合且兼具藻类活性细胞生物肥料和有机肥效应的肥料[18];而微生物肥是有益微生物种类人工培养、发酵、量化生产后,制成的生物肥料,具有操作简单、有益菌活性高、定殖速度快、绿色无污染等优点[19-20],如:藻类活性细胞生物肥。无论生物有机肥或微生物肥均是一种重要的有机、绿色、无污染肥料,有助于发展可持续农业。

研究发现,自然界中有机质对土壤重金属修复上发挥重要作用,因有机质中含有羧基、醇羟基、烯醇羟基以及不同类型的羰基结构等官能团结构,它们都可以通过吸附、螯合、络合等多种作用方式,从而影响到重金属在土壤中的迁移和转化[21]。冯光辉等[22]研究表明:施用微生物肥可有效阻碍水稻植株对重金属的吸收,减少稻米中重金属含量。研究还发现,植物生长过程中添加生物有机肥,其可以改变土壤的物理、化学和生物性质,进而显著钝化土壤中的重金属[23]。另一方面,符策凡等[24]研究发现,甘蔗连作土地施用生物有机肥不仅有助于提高产量和品质,而且还有助于减轻甘蔗虫害的发生。伍荣冬等[25]亦研究发现施用不同种类微生物肥都可以影响甘蔗的生长发育,从而改变甘蔗的的产量和品质。此外,王艳平等[26]研究发现,施用生物有机肥和微生物肥可有效改善连作茶菊土壤肥力和微生物群落结构,增加土壤养分有效供给,显著促进连作茶菊的生长以及提高其产量和改善品质,对减轻连作障碍具有显著效果;李蒙等[27]亦发现,微生物肥可提高番茄叶片光合作用,显著促进番茄植株生长;刘京京等[28]研究还发现,微生物肥可显著调节玉米和大豆根系激素和次生代谢物质的变化以及土壤中酶的活性,增强作物对干旱的抵抗能力。

为此,本实验以甘蔗为研究对象,探究生物有机肥和微生物肥(藻类活性细胞生物肥)对降低甘蔗重金属含量以及提高甘蔗产量与品质的作用效果,旨为广西甘蔗的可持续发展提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于广西壮族自治区崇左市扶绥县山圩镇(107°57′9″E,22°25′51″N)进行;前茬作物为甘蔗;土壤理化性状如下:pH值5.5,有机质含量27.1 g/kg,全氮(N)1.3 g/kg,全磷(P)0.46 g/kg,全钾(K)9.1 g/kg,碱解氮32 mg/kg,速效磷13 mg/kg,速效钾78 mg/kg;土壤重金属含量:有效镉0.25 mg/kg,有效汞0.27 mg/kg,有效砷31 mg/kg,有效铬107 mg/kg。

1.2 试验设计与材料

试验于2022年1月17日—2023年1月9日进行,甘蔗品种为‘柳城05-136’;每个施肥处理设3个重复,共15个小区,甘蔗栽培行距1.2 m,小区面积667 m2,试验采用随机区组设计。所用施肥材料如下所示,施用方法与用量如表1所示:A化肥:采用单质氮、磷、钾化肥(N、P、K:20-6-15),购置于科绿农资有限公司;B藻类活性细胞生物肥:藻类活性细胞生物肥购置于北京地福来科技发展公司,单细胞藻体含量≥5.0×106个/mL;藻类活性细胞生物肥分两次均匀喷施于土壤表面,每次喷施前稀释100倍,第一次于2022年1月18日种植前喷施于蔗田;第二次于2022年6月18喷施;C生物有机肥:生物有机肥为益田生物有机肥,生物有机肥养分组成为:有机质41 g/kg,含氮4.11 g/kg,含磷1.1 g/kg,含钾2.25 g/kg,有效活菌数(cfu)≥0.20亿/g,甘蔗种植前耕地一次性均匀施入;D藻类活性细胞生物肥+生物有机肥:甘蔗种植前分别将两类肥料一次性均匀喷施和撒施于蔗田,具体方法同上。

表1 甘蔗不同施肥处理Table 1 Different fertilization treatments on sugarcanes

1.3 测定指标与方法

甘蔗有效茎数、产量的测定参照区惠平[29]的方法进行;蔗糖含量、田间蔗汁锤度的测定参照李文凤[30]的方法进行。甘蔗植株重金属镉、汞、砷、铬含量分别采用石墨炉原子吸收光谱法和原子荧光光谱法的方法进行测定[31-32]。

1.4 统计分析

使用Microsoft Excel 2019软件统计数据和制图;采用IBM SPSS 26.0统计软件进行单因素方差分析(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对甘蔗植株重金属含量的影响

2.1.1 不同施肥处理对甘蔗植株镉含量的影响

由图1可知,与施用化肥(A)处理相比,藻类活性细胞生物肥(B)、生物有机肥(C)和藻类活性细胞生物肥+生物有机肥(D)处理显著降低了甘蔗植株镉的含量;表明,与施用化肥相比,无论是藻类活性细胞生物肥亦或是生物有机肥,均有助于显著降低甘蔗植株对镉的吸收。

图1 不同施肥处理对甘蔗镉含量的影响Fig.1 Effect of different fertilizers on cadmium content in sugarcane

2.1.2 不同施肥处理对甘蔗植株汞含量的影响

由图2可知,与施用化肥(A)处理相比,生物有机肥(C)以及藻类活性细胞生物肥+生物有机肥(D)处理中甘蔗植株汞含量显著降低。上述结果表明,生物有机肥以及藻类活性细胞生物肥和生物有机肥组合处理均可显著降低甘蔗对汞的吸收。

图2 不同施肥处理对甘蔗汞含量的影响Fig.2 Effect of different fertilizers on mercury content in sugarcane

2.1.3 不同施肥处理对甘蔗植株砷含量的影响

由图3可知,与施用化肥(A)处理相比,无论是藻类活性细胞生物肥(B)、生物有机肥(C)抑或是藻类活性细胞生物肥+生物有机肥(D)处理均显著降低了甘蔗植株中砷的含量。表明:藻类活性细胞生物肥和生物有机肥均可显著降低甘蔗对砷的吸收。

图3 不同施肥处理对甘蔗砷含量的影响Fig.3 Effect of different fertilizers on arsenic content in sugarcane

2.1.4 不同施肥处理对甘蔗铬含量的影响

由图4可知,与施用化肥(A)处理相比,藻类活性细胞生物肥(B)、生物有机肥(C)以及藻类活性细胞生物肥+生物有机肥(D)处理均显著降低了甘蔗植株中铬的含量。表明:藻类活性细胞生物肥、生物有机肥以及藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合均可显著降低甘蔗对铬的吸收。

图4 不同施肥处理对甘蔗铬含量的影响Fig.4 Effect of different fertilizers on chromium content in sugarcane

2.2 不同施肥处理对甘蔗产量与有效茎数的影响

由表2可知,与施用化肥(A)处理相比,虽然单一的藻类活性细胞生物肥(B)和生物有机肥(C)处理甘蔗产量显著低于相应的化肥处理,但藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合(D)处理甘蔗产量与化肥之间不存在显著差异;另一方面,同样与施用化肥(A)处理相比,藻类活性细胞生物肥(B)、生物有机肥(C)以及藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合(D)处理甘蔗有效茎数与施用化肥处理之间均不存在显著差异,表明:与施用化肥处理相比,虽然施用单一的藻类活性细胞生物肥或生物有机肥均难以显著提高甘蔗产量和有效茎数;但是,藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合(D)处理则有助于显著提高甘蔗产量。

表2 不同施肥处理对甘蔗产量和有效茎数的影响Table 2 Effects of different fertilizers on cane yields and stem numbers

2.3 不同施肥处理对甘蔗品质的影响

由表3可知,与施用化肥(A)处理相比,除了藻类活性细胞生物肥(B)处理甘蔗的蔗糖含量外,生物有机肥以及藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合的蔗糖含量,以及蔗汁锤度均显著高于相应的化肥(A)处理,尤其藻类活性细胞生物肥+生物有机肥组合(D)处理提升甘蔗的蔗糖含量和蔗汁锤度的效果最为显著。换言之,藻类活性细胞生物肥和生物有机肥均有助于提升甘蔗的品质,尤其组合施用提升的效果更佳。

表3 不同施肥处理对甘蔗品质的影响Table 3 Effect of different fertilizers on sugarcane quality

3 讨论

甘蔗因其植株高大且生长周期长,需肥量大,为了追求高收益,施用化肥是大多数生产者的选择[33]。但是长期施用化肥会导致土壤肥力逐年降低、重金属积累和病害发生,进而降低甘蔗的产量和品质[34]。由于土壤重金属(镉、汞、砷、铬、铅等)积累会显著影响作物的正常生理活动,例如:降低植物酶活性[35]、阻碍细胞器的形成[36];以及养分吸收利用效率下降,不利于作物产量和品质的形成[37]等。研究发现,土壤中施用微生物菌肥不仅可以吸附以及固化土壤中大部分重金属,而且可以降低土壤重金属的有效性[38]。如:郑少玲等[39]以芥蓝为研究对象发现,生物有机肥可以有效减少芥蓝对重金属的吸收;LIU等[40]亦发现,生物有机肥中含有的有机质和有益微生物对重金属具有很强的吸附与螯合作用,进而显著影响植物体内重金属的含量;HE等[41]研究发现,土壤中微生物可以通过分泌有机酸和植物激素等物质改变植物对于土壤中重金属的吸收,进而可以显著影响植物体内重金属的含量。LUO等[42]研究还发现,藻类活性细胞生物肥可以通过其细胞内积累或结合、胞外固定、ROS清除等多种途径显著改变重金属的毒性和含量,降低重金属对植物的负面影响;马铁铮等[43]发现,生物有机肥可以显著减少土壤和水稻体内有效态镉和铅的含量。AMMAR等[44]发现,微生物肥可以有效地改善土壤环境条件,不仅可以产生有机物、植物激素和活性化合物,而且还可以固化土壤重金属,为植物的生长提供更为有利的条件。本文亦发现,施用生物有机肥和藻类活性细胞生物肥亦显著降低甘蔗植株重金属含量,与前人研究结果一致。

另一方面,生物有机肥和微生物肥可显著改善植物根际环境土壤微生物结构,提高土壤酶活性,增加土壤有效养分含量,从而解决甘蔗生长需肥问题与长期单一施用化肥形成的环境问题[45];卢国培[46]等发现,生物有机肥,不仅显著增加宿根甘蔗的产量和品质,而且还减少化肥使用量;LI等[47]还发现,施加生物有机肥或微生物肥可以显著影响土壤中细菌群落组成,增强土壤中代谢活性,进而促进植物的生长发育。生物有机肥或藻类活性细胞生物肥可重塑土壤中的微生物群落组成,增强土壤中代谢活性,进而促进植物的生长发育;黄香武等[48]发现生物有机肥可显著增加甘蔗有效茎数,提高甘蔗产量;周文灵等[49]亦发现,藻类活性细胞生物肥可显著提高甘蔗根系活力,促进甘蔗根系对养分的吸收利用。

另外黄恒掌等[50]发现,不同种类微生物肥可显著促进甘蔗糖分的积累;微生物肥与化肥搭配使用,不仅可以提高蔗糖含量和产量,而且还可以减少化肥的投入[51]。此外,生物有机肥与化肥相比,生物有机肥虽然在甘蔗出苗率、分蘖率、茎径方面的影响效果不及化肥,但有效茎、蔗糖含量、蔗汁锤度等方面显著增加[52-53]。本文亦发现,与施用化肥相比,生物有机肥和藻类活性细胞生物肥均显著提高甘蔗的蔗糖含量和蔗汁锤度,同时两者混合使用还可以增加甘蔗产量和有效茎数。