2. 甘肃省特种药源植物种质创新与安全利用重点实验室, 甘肃武威 733006;
3. 武威市农田土壤改良与耕地保育技术创新中心, 甘肃武威 733006
黄芪(Astragalus mongholicus (Fisch.) Bge)[1],为多年生草本豆科植物,以根入药,味甘性温,归肺、脾经,具有补气升阳、固表止汗、利水消肿、生津养血、行滞通痹等功效,产自中国东北、华北及西北,因市场需求现广为栽培。甘肃陇西、岷县、渭源等黄芪主产区,由于连续多年种植,农田土壤质量退化,黄芪产量降低。近年,与其生态气候和海拔等环境相似的甘肃河西古浪、民乐等地区黄芪种植面积也逐步扩大。经过前期调查分析发现,河西地区气候干燥,年降雨量少,土壤有机质含量偏低,加之农户盲目追求高产,化肥施用不合理,对土壤环境造成了破坏,严重影响了当地黄芪产业发展。
土壤作为作物生长发育的基础,改善土壤微环境是调控作物生长、提升产量的关键措施。土壤水分是土壤环境最为重要的组成部分,是植物最主要的水源。近年来,为缓解农田干旱缺水,合理高效利用自然水资源,保水剂被广泛应用于农业抗旱节水[2-3]。杨永辉等[4]的研究结果表明,保水剂能提高生育期内冬小麦0 ~ 100 cm土层土壤水分含量,在提高作物产量上有较好的效果。田露等[5]、宋双双等[6]研究发现,保水剂与微生物菌肥配施可较好改善旱作区土壤微生物活性,一定程度增加土壤养分含量。
土壤有机质是土壤肥力的关键指标,是植物营养的主要来源之一。施用有机肥料是培肥土壤的有效途径,有机肥可以提升土壤有机质,提高施肥效果,改善土壤微环境,改良农田生态环境[7-12]。研究表明,合理配施有机肥与化肥可在一定程度上提高紫花苜蓿[7]、菠萝[8]、水稻[10]、荔枝[12]等土壤有机质、速效氮磷钾、微生物生物量碳氮含量等养分指标。氮肥对农产品产量和品质的提升有重要作用。我国是世界上氮肥施用量最大的国家,化肥施用长期呈中高氮水平,过量和不合理施用对土壤环境造成一定的污染[13]。缓释尿素养分释放缓慢,可以很好地供应作物整个生育期养分需求,提高作物产量,提升氮素利用率,减弱氮素过量带来的土壤环境破坏[14]。胡迎春等[15]研究表明,氮肥减量20%下缓释肥和尿素配施可显著提高土壤硝态氮和铵态氮含量,实现减氮增效目标。
当前有关保水剂、有机肥、缓释尿素及其中两者配施对土壤肥力的影响有较多研究,而针对三者的配施互作对黄芪土壤微环境的改善研究却鲜有报道。本研究以甘肃黄芪为供试作物,在河西地区研究有机肥配施缓释尿素与保水剂互作条件下,土壤水分、养分指标、微生物活性等微环境的变化,并分析其与产量之间的相互关系,以期为河西地区黄芪种植提供科学高效的保水培肥措施,为黄芪产业的可持续发展提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试作物为甘肃黄芪幼苗(长约20 cm),由渭源县天成中药材种植专业合作社提供。
供试保水剂为海瑞达保水剂,由甘肃海瑞达生态环境科技有限公司生产,其由高吸水性树脂材料组成,含有大量吸水基团,可吸收并保持自身质量上百倍的水分,且可反复吸水并缓慢释放。
供试凹土棒有机肥(有机质 > 45%,N+P2O5+K2O > 5%),由临泽县鼎丰源凹土高新技术开发有限公司生产。凹土棒具有极强的吸附性、离子交换性和催化性,可保肥保水、改良土壤、补充微量有益元素。供试缓释尿素(N含量≥44%),是尿素经过物理和化学方法处理使其释放和分解氨的速度降低,同时氨被利用的速度增强,从而氮素利用效率提高;供试普通尿素(N含量≥46%)、过磷酸钙(P2O5含量 > 16%)、硫酸钾(K2O含量 > 40%)均为市售。
1.2 试验方法 1.2.1 试验地概况本试验于2020—2021年连续两年在甘肃省农业工程技术研究院试验基地(N37°67’,E102°85’)进行。该区域海拔1 723 m,年均日照时数2 726 h,年均降水量154.6 mm,年均温度8℃,农作物一年一熟。试验区供试土壤为灌淤土,2020年前茬作物为大麦,播种前取种植区域0 ~ 20 cm耕层土壤测得土壤全氮0.79 g/kg,全磷0.49 g/kg,全钾8.85 g/kg,碱解氮45 mg/kg,有效磷6 mg/kg,速效钾87 mg/kg,有机质11.06 g/kg,pH为8.30,容重1.70 g/cm3。
1.2.2 试验设计试验采用裂区试验设计,2020年和2021年施肥处理一致,主处理为保水剂,副处理为有机肥、缓释尿素、普通尿素,共6个处理,分别为保水剂+有机肥+普通尿素(B+OM+N)、保水剂+有机肥+缓释尿素(B+OM+HN)、保水剂+普通尿素处理(B+N)、生物有机肥+普通尿素(OM+N)、有机肥+缓释尿素(OM+HN)和普通尿素处理(CK),每个处理4个重复,每个重复一个小区,小区面积15 m2。其中,保水剂用量为75 kg/hm2,有机肥用量为3 000 kg/hm2,尿素用量为326.09 kg/hm2,缓释尿素用量为341 kg/hm2,缓释尿素施氮量按照普通尿素施氮量的2/3施用,减施1/3总氮量;过磷酸钙用量为1 406.3 kg/hm2,硫酸钾用量为500 kg/hm2。以上有机肥、40% 的氮肥和全部磷钾肥混合基施,剩余60% 的氮肥分别在黄芪苗期、现蕾期和结荚期追施。黄芪采用露天开沟斜栽方式种植,行距50 cm,株距15 cm,沟深25 cm,采用滴灌灌溉方式,栽苗后滴水50 m3/hm2,其余田间管理同常规种植。各处理养分投入量见表 1。
黄芪栽种前分别取0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm土层深度土样测定基础养分。栽播后,连续2年在黄芪生长苗期、现蕾开花期、结荚期、收获期,按照“S”形采样法,每个各小区内选取5个点,用土钻取0 ~ 20、20 ~ 40、40 ~ 60 cm土层土样,将各土层土样混匀后,分为3部分,一部分用于土壤水分测定;一部分自然阴干研磨过筛(200目)后,用于有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量测定;一部分鲜样保存于–20℃冰箱,用于硝态氮、铵态氮、微生物生物量碳氮的测定。
土壤水分、有机质、有效磷、速效钾含量按照《土壤农化分析》[16]方法进行测定,硝态氮、铵态氮采用氯化钾浸提,滤液上全自动化学工作站测定[17];微生物生物量碳氮(MBC、MBN)采用氯仿熏蒸–硫酸钾浸提,滤液上碳氮分析仪测定[18]。
1.3.2 产量指标在黄芪收获期,每个处理随机选取10株,挖出地下部,将根从茎基根部剪下,测定根长和芦头直径后,晾干后再测定其单株根重。根长用卷尺测定,芦头直径(黄芪芦头向下1 cm处的根直径)用游标卡尺测量,单株根重用天平测定。
1.4 数据处理本文数据为第2年试验数据,用WPS处理、作图,采用SPSS 21.0进行统计分析,用LSD法进行显著性检验,并进行双变量相关性分析。
2 结果与分析 2.1 不同施肥处理与保水剂互作对土壤水分含量的影响图 1A为不同土层深度土壤水分变化,可见,随着土层深度的增加,0 ~ 60 cm土层水分呈现先升后降的趋势,在20 ~ 40 cm土层达到最大值,施用保水剂处理土壤含水量均高于未施用保水剂处理,施用有机肥处理高于未施有机肥处理,其中B+OM+HN处理表现最高。在0 ~ 20 cm土层,B+OM+HN与B+OM+N处理间差异不显著,但与其他处理差异显著(P < 0.05);20 ~ 40 cm土层B+OM+N处理与OM+HN、CK处理差异显著(P < 0.05),与其他处理无显著差异;40 ~ 60 cm土层,各配施处理与CK处理差异显著(P < 0.05),但各配施处理间无显著差异。图 1B为土壤含水量生育期内动态变化,可见,随着生育期的推进,各处理土壤含水量逐渐下降,变化趋势平缓,整个生育期表现为B+OM+HN > B+OM+N > B+ N > OM+N > OM+HN > CK。总之,保水剂和有机肥互作可以减缓土壤水分蒸发,保持土壤水分均衡。
图 2A为不同处理0 ~ 60 cm土层有机质含量,可见,不同施肥处理黄芪土壤有机质含量为8.95 ~ 15.54 g/kg,随着土层深度的增加有机质含量整体呈下降趋势,0 ~ 40 cm土层B+OM+N、B+OM+HN、OM+N、OM+HN处理与B+N、CK处理差异显著(P < 0.05),40 ~ 60 cm土层B+OM+HN处理与其他处理差异显著(P < 0.05)。0 ~ 60 cm土层增施有机肥处理有机质含量均高于未施有机肥处理,施用保水剂处理略高于未施保水剂处理,其中0 ~ 20 cm土层以B+OM+N处理有机质含量最高,20 ~ 60 cm土层B+OM+HN处理表现最高。图 2B为黄芪生育期内有机质含量动态变化,随着黄芪生育期的延长各处理土壤有机质含量均呈先降低后上升趋势,现蕾开花期达到最低,其中生育后期B+OM+HN处理高于其他处理,整个生育期各配施处理均高于CK处理。
图 3A为不同土层深度土壤碱解氮含量,可见,在0 ~ 60 cm土层随着土层深度的增加碱解氮含量逐渐减少,0 ~ 20 cm土层B+OM+N和B+OM+HN处理和20 ~ 60 cm土层B+OM+HN处理碱解氮含量与其他处理间表现显著性差异(P < 0.05),其中以B+OM+HN处理碱解氮含量最高。0 ~ 40 cm土层各配施处理与CK处理差异显著(P < 0.05),40 ~ 60 cm土层施用有机肥处理高于未施用有机肥处理。图 3B为碱解氮含量在黄芪生育期内的动态变化,可见,随着生育期的推进,碱解氮含量呈先升后降趋势,各处理均在结荚期达到最高值,收获期出现最低值。总体看来,出苗期和现蕾开花期B+OM+N处理土壤碱解氮含量最高,结荚期和收获期B+OM+HN处理最高。
图 4A为不同土层有效磷含量,可见,在0 ~ 60 cm土层随着土层深度的增加有效磷含量逐渐降低。0 ~ 20 cm土层B+OM+N、B+OM+HN处理与其他处理差异显著(P < 0.05),OM+N、OM+HN处理与B+N、CK处理差异显著(P < 0.05);20 ~ 60 cm土层B+OM+N、B+OM+HN、OM+N、OM+HN处理与B+N、CK处理差异显著(P < 0.05),而前后两组组间无显著差异;0 ~ 60 cm土层均以B+OM+HN处理表现最高。图 4B为有效磷动态变化,可见,随着黄芪生育期的延长,有效磷含量呈波动式下降趋势,各处理在出苗期最高,收获期最低,整体趋势表现为B+OM+HN > B+OM+N > OM+HN > OM+N > B+N > CK。
图 5A为不同土层速效钾含量,可见,在0 ~ 60 cm土层随着土层深度的增加速效钾含量逐渐降低。0 ~ 40 cm土层B+OM+N、B+OM+HN处理与其他处理差异显著(P < 0.05),OM+N、OM+HN、B+N处理与CK处理差异显著(P < 0.05);40 ~ 60 cm土层各配施处理与CK处理差异显著(P < 0.05),各配施处理相互之间无显著差异,其中以B+OM+HN处理表现最高。图 5B为速效钾含量动态变化,可见,随着黄芪生育期的延长,速效钾含量先增加后减小,在结荚期达到最高值,现蕾开花期为最低值,生育期中段整体趋势表现为B+OM+HN > B+OM+N > OM+HN > OM+N > B+N > CK。
图 6A和图 6B分别为不同土层深度NH4+-N和NO3–-N含量,可见,在0 ~ 60 cm土层NH4+-N和NO3–-N含量随着土层深度的增加逐渐增加。0 ~ 20 cm土层NH4+-N和NO3–-N含量各处理间无显著差异;20 ~ 40 cm土层两者在B+OM+HN处理与其他处理间差异显著(P < 0.05);40 ~ 60 cm土层NH4+-N含量以B+OM+N、B+OM+HN、OM+HN、OM+HN处理表现显著差异(P < 0.05),NO3–-N含量以B+OM+N、B+OM+HN、B+N处理表现显著差异(P < 0.05)。图 6C和图 6D为NH4+-N和NO3–-N含量的动态变化,可见,随着黄芪生育期的延长,B+OM+HN和OM+HN处理下NH4+-N含量和B+OM+HN和B+N处理下NO3–-N含量先升后降,其余处理两者均呈下降趋势,纵观整个生育期,以B+OM+HN处理最高。
图 7A、7B、7C分别为不同土层深度MBC、MBN含量及其比值,可见,在0 ~ 60 cm土层随着土层深度的增加,MBC和MBN含量逐渐降低,MBC/MBN比值先增大后减小。MBC含量在0 ~ 40 cm土层B+OM+N、B+OM+HN、OM+HN处理显著高于其他处理(P < 0.05),40 ~ 60 cm土层B+OM+HN和OM+N处理显著高于其他处理(P < 0.05);MBN含量在0 ~ 20 cm土层B+OM+N、B+OM+HN处理显著高于其他处理(P < 0.05),20 ~ 60 cm土层B+OM+N处理显著高于其他处理(P < 0.05);MBC/MBN比值在0 ~ 20 cm土层B+OM+N、B+OM+HN处理显著高于CK处理(P < 0.05),20 ~ 40 cm土层B+OM+N和B+OM+HN处理显著高于B+N和CK处理(P < 0.05),40 ~ 60 cm土层B+OM+N处理与OM+N、OM+HN、CK处理差异显著(P < 0.05)。图 7D、7E、7F分别为MBC、MBN含量及其比值的动态变化,可见,随着黄芪生育期的延长,MBC、MBN含量及其比值逐渐增加,施用有机肥处理的MBC含量和MBC/MBN比值高于未施用有机肥处理;黄芪生育期后期,MBC、MBN含量以B+OM+HN处理表现较高,MBC/MBN比值以B+OM+N处理表现较高。不同土层深度和不同生育期MBC/MBN比值整体偏低,说明黄芪土壤中有机碳缺乏严重。
根据不同施肥处理对黄芪产量指标的影响分析(表 2),B+OM+N、B+OM+HN处理下根长和芦头直径及B+OM+HN处理下根鲜重显著高于其他处理(P < 0.05);B+N、OM+N、OM+HN处理与CK处理间差异显著(P < 0.05),而其相互间差异不显著。
根据土壤含水量、有机质与养分指标的相关性分析(表 3)可知,在不同施肥处理和保水剂互作条件下,黄芪土壤水分含量与碱解氮、有效磷、NO3–-N含量呈显著正相关,与MBN含量、MBC/MBN比值呈极显著正相关;土壤有机质与碱解氮、有效磷、MBC、MBN含量及MBC/MBN比值呈极显著正相关,与速效钾、NO3–-N、NH4+-N含量呈显著正相关。土壤养分和土壤水分正相关,说明黄芪整个生长过程有机肥配施减量缓释尿素,与保水剂互作,可以固持黄芪土壤水分,增加黄芪土壤中养分含量,提升微生物量,改善黄芪土壤微环境。
根据土壤养分指标与黄芪产量指标的相关性分析(表 4)可知,黄芪根长、芦头直径、单株根重与各养分指标基本呈显著正相关,其中根长与有机质、碱解氮、MBN含量及MBC/MBN比值极显著正相关,芦头直径与有机质、有效磷、速效钾、MBC含量及MBC/MBN比值呈极显著正相关,单株根重与土壤水分、有机质、速效氮磷钾、MBC、MBN含量及MBC/MBN比值呈极显著正相关。可见,黄芪产量主要受土壤水分、有机质、速效氮磷钾及微生物生物量碳氮及其比例的影响,且随之增加而提高。
水分是限制作物生长发育的关键因素,保水剂作为高分子新型吸水材料,能较好保水蓄水,与其他肥料配施在不同程度上可以有效提升土壤水分和养分水平[2, 4],促使微生物生物量增加[5],改良土壤微环境,促进作物生长及产量增加[19-20]。有研究表明,聚丙烯酸钾盐型保水剂与微生物菌剂混合可提高土壤中速效氮磷钾含量及土壤含水量[6],高量保水剂配施对速效氮含量促进效果显著,中低量配施对有效磷、速效钾含量促进最显著。也有研究发现,不同类型保水剂、不同施用量、不同施用方式可使土壤0 ~ 60 cm土层土壤水分、有效磷、NO3–-N、NH4+-N、MBC、MBN含量增加,不同程度促进作物产量及产值[16, 20-21]。本研究表明,施用保水剂处理土壤含水量、速效氮磷钾、MBC、MBN含量均不同程度高于未施保水剂处理,在0 ~ 60 cm土层随着土层深度的增加,土壤水分含量先增加后降低,碱解氮、有效磷、速效钾、MBC、MBN含量逐渐减少;相关性分析显示,土壤含水量对土壤养分均正向促进,与碱解氮、有效磷、NO3–-N、MBN含量及MBC/MBN比值显著正相关,这与前人研究结果类似。也有部分研究结果表明,保水剂施用对上层土壤影响较为显著[2],本研究中土壤含水量在0 ~ 20 cm土层B+OM+HN与B+OM+N处理间差异不显著,与其他处理差异显著,20 ~ 60 cm土层各配施处理与CK处理差异显著,各配施处理间差异不明显,这可能是当地受气候条件影响,未施保水剂土壤0 ~ 20 cm土层水分蒸发强烈,施用保水剂土壤水分被保水剂锁住蒸发较少;20 ~ 40 cm土层土壤蒸发减弱,根系减少,水分逐渐增加;40 ~ 60 cm土层土壤紧实,透水性减弱,水分逐渐降低。
评价土壤肥力的重要指标之一是土壤有机质含量[22]。生物有机肥可以一定程度提高土壤有机质含量,改善土壤理化性状[23],对作物生长具有重要的作用。本试验表明,土壤有机质含量从出苗期到现蕾开花期呈下降趋势,说明黄芪的生长对有机质的消耗从现蕾期开始增加,在开花时对有机质的吸收达到顶峰。而有机质含量从结荚期开始上升,可能是该时期黄芪对有机质的消耗减少,加之收获期花荚、叶片等衰老、掉落而被土壤微生物分解,从而提高土壤有机质。增加土壤有机质含量可显著促进土壤其他养分有效性,刘子刚等[24]研究表明,有机物料可以显著提高土壤20 ~ 60 cm土层MBC、MBN、MBP(物生物生物量磷)含量及MBC/MBN比值,且随着春玉米生育期的推进,MBC含量呈先升后降趋势,MBN含量呈波动式上升趋势,MBC/MBN比值呈波动式下降趋势。化肥减量配施有机肥可以提高作物品质和产量,显著提高土壤速效钾、有机质、有效磷、MBC、MBN和微生物熵[8, 11-12]。本研究结果显示,与CK处理相比较,施用有机肥处理均可显著提高黄芪土壤40 ~ 60 cm土层土壤水分含量、0 ~ 40 cm土层有机质含量及0 ~ 60 cm土层速效氮磷钾含量及MBC、MBN含量及其比值;随着土层深度的加深,MBC、MBN含量逐渐降低,MBC/MBN比值先增大后减小,且随着黄芪生育期的延长,MBC、MBN含量及其比值呈上升趋势。这一结论与李炳韵等[8]、张云伟等[9]、唐海明等[10]研究配施有机肥对双季水稻、菠萝、烤烟土壤的影响类似。
缓释氮肥与普通氮肥相比较,可延缓氮素释放,提升氮肥利用率,增加作物产量[25-26]。牛聪聪[27]研究发现,减量50% 氮肥基础上控释尿素配施生物肥对甜瓜品质、单株产量及土壤微生物量的提高表现较好。彭强等[17]在大棚甜椒上减氮30% 施用缓释氮肥,增加了0 ~ 60 cm土层NO3–-N含量,对NH4+-N含量影响不大。董亮等[28]研究发现,减氮30% ~ 40% 施用控释肥各土层土壤NO3–-N累积量最低。本研究在减氮1/3基础上配施缓释尿素与凹土棒有机肥发现,OM+HN与OM+N处理相比,增加了黄芪土壤40 ~ 60 cm土层NH4+-N含量,0 ~ 60 cm土层MBC含量,对NO3–-N含量无显著影响;但与保水剂互作的B+OM+N和B+OM+HN处理显著增加了0 ~ 20 cm土层含水量、40 ~ 60 cm土层有机质含量、20 ~ 40 cm土层NH4+-N含量、40 ~ 60 cm土层NO3–-N含量及40 ~ 60 cm土层MBC含量;随着土层深度增加,B+OM+N和B+OM+HN处理下NH4+-N和NO3–-N逐渐累积,同时随着黄芪生育期的延长呈先升后降的趋势;但是在生育期后期B+OM+HN处理土壤各养分含量均高于B+OM+N处理,且黄芪芦头直径和单株根重以B+OM+HN处理表现最高。此研究结果与前人研究不太一致[27-28],可能与缓释肥施用量、施用方式、配施方式等施肥因素及不同土壤环境有关。土壤养分与黄芪产量指标相关性分析显示,土壤养分正向促进黄芪根长、芦头直径、单株根重,增加黄芪产量。
4 结论本研究通过2年连续定位施肥试验发现,减氮1/3施用缓释尿素、凹土棒有机肥、保水剂可不同程度提升土壤养分水平,增加微生物生物量,三者配施可整体提升土壤水分、有机质、速效氮磷钾、NH4+-N、NO3–-N、MBC、MBN含量及MBC/MBN比值和黄芪产量。土壤含水量和有机质含量对土壤其他养分有正向促进作用,土壤养分指标对黄芪产量指标具有正向改良作用。从土壤养分肥力水平、土壤环境污染及经济效益角度出发,在减氮1/3基础上配施缓释尿素、凹土棒有机肥与保水剂(B+OM+HN)的施肥模式可以促进河西地区黄芪土壤养分肥力增加,改善黄芪土壤微环境,进而提升黄芪产量,促进黄芪可持续生产。
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2. Key Laboratory of Germplasm Innovation and Safe Utilization of Special Medicinal Plants of Gansu Province, Wuwei, Gansu 733006, China;
3. Wuwei City Farmland Soil Improvement and Farmland Conservation Technology Innovation Center, Wuwei, Gansu 733006, China