抑菌劑澆施與不均勻施肥對玉米馬鈴薯生長和產量的影響*

李永賢, 張曉云, 張磊磊, 李 旺, 吳開賢

(云南農業(yè)大學農學與生物技術學院 昆明 650201)

化肥農藥施用是農業(yè)生產中的主要物資投入,是現(xiàn)代農業(yè)發(fā)展的重要基礎。然而, 近年來化肥農藥的投入已嚴重過量。據(jù)統(tǒng)計, 目前中國每年化肥農藥用量分別達6 022萬t和178萬t, 居世界第一。其中, 氮肥用量是世界平均水平的3倍[1]。過量的化肥農藥投入對農田及水體生態(tài)環(huán)境構成重大威脅,降低耕地地力和農業(yè)生物多樣性, 引發(fā)食物安全危機。目前, 提高化肥農藥利用率已被作為降低化肥農藥高投入量的關鍵途徑, 其中通過肥藥一體化相關技術實現(xiàn)化肥農藥的減施增效正在引起關注。

農業(yè)生產中, 大多數(shù)農藥施用時除了直接作用于作物地上部冠層, 也能夠通過雨水淋溶等途徑進入根際土壤, 從而影響作物根系生長。例如, 抑菌劑的淋溶能夠影響土壤微生物的存活、繁殖和種類構成[2-3], 進而調節(jié)植物根系對養(yǎng)分的吸收[4-5]。這一作用可能通過兩種途徑實現(xiàn): 一方面, 植物對土壤養(yǎng)分的有效吸收和利用過程依賴于植株的健康程度, 當植物受到病原性微生物侵害時, 根系對養(yǎng)分的吸收能力下降, 肥料利用效率大幅度降低, 進而導致不必要的化肥投入; 另一方面,土壤微生物多樣性[6]以及一些與植物根系具有共生關系的土壤微生物(如菌根真菌)[7], 對作物吸收、轉化、運輸養(yǎng)分具有重要的促進作用。因此, 研究土壤微生物與植物營養(yǎng)的關系歷來受到重視, 且有大量研究報道[8-9]。

事實上, 在作物根際土壤環(huán)境中, 受穴/條施肥、耕作、灌溉等農藝措施的影響, 土壤養(yǎng)分表現(xiàn)為高度的空間異質性[10-11], 即養(yǎng)分斑塊。研究已證實, 不論是在自然生態(tài)系統(tǒng)還是農田中, 土壤養(yǎng)分斑塊可改變根系對養(yǎng)分的吸收利用和生長表現(xiàn)[12-13]。在這一現(xiàn)象中, 土壤微生物可能在兩方面參與調控: 一是為適應異質分布的環(huán)境資源, 根系生長常常選擇性地集中在高養(yǎng)分斑塊中, 即具有趨肥性。這一過程會伴隨在高養(yǎng)分斑塊內根系分泌物增加[14], 生物量、分支數(shù)和比根長[10]也增加。這些根系生理和形態(tài)變化能強化根際病原微生物活性和增殖[15], 可能導致高養(yǎng)分斑塊內根系對病原侵染更敏感。另一方面, 土壤養(yǎng)分異質性也會影響土壤微生物的活性, 驅動土壤微生物物種和功能多樣性的增加[16-17], 特別是菌根真菌及其多樣性[18], 進而改變作物生長[6]。因此理論上可以推測, 在作物生長過程中, 抑菌性農藥的淋溶及其伴隨的土壤微生物變化會促進作物對土壤養(yǎng)分的吸收和利用。

本研究選用旱地主要糧食作物玉米(Zea maysL.)和馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)為研究對象, 通過隔行施肥的方式構建土壤養(yǎng)分斑塊, 在此基礎上澆施廣譜性殺菌劑, 研究抑菌性農藥的使用及其可能伴隨的土壤微生物變化對作物根系的趨肥性及覓養(yǎng)能力的影響, 以期為農業(yè)生產中化肥農藥施用方式、時期、位置等技術環(huán)節(jié)提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2015年和2016年在云南省昆明市尋甸縣大河橋鄉(xiāng)云南農業(yè)大學試驗教學基地(25°31′07″N,103°16′41″E, 海拔 1 860 m)進行。該地區(qū)年平均氣溫14.7 ℃, 年均降水量 960.0 mm, 降水主要集中在 5—9月, 屬亞熱帶高原季風氣候。土壤為水改旱紅壤, 前茬作物為蠶豆(Vicia fabaL.)。試驗前取0～25 cm根層土樣,運用常規(guī)方法分析土壤養(yǎng)分含量。土壤基本肥力狀況為有機質含量 22.97 g·kg-1, 全氮 1.09 g·kg-1, 水解氮90.10 mg·kg-1, 全磷 0.82 g·kg-1, 有效磷 10.74 mg·kg-1,全鉀 19.07 g·kg-1, 有效鉀 143.66 mg·kg-1, pH 為 7.92。

1.2 試驗設計

試驗選擇主要旱地糧食作物玉米‘云瑞 88’和馬鈴薯‘會-2’為研究材料, 所選的兩個品種均為試驗所在地的主栽品種。針對兩個作物, 設施肥方式和抑制劑澆施方式兩因素。其中施肥方式含兩個水平,分別為均勻施肥(每行施肥)和不均勻施肥(隔行施肥); 微生物抑制劑澆施方式也含兩個水平, 分別為澆施廣譜性土壤微生物抑制劑和對照(澆施等量清水)。試驗中各作物有 4個處理組合, 重復 3次, 兩作物共24個小區(qū), 按隨機區(qū)組布置(圖1)。

圖1 施肥方式及土壤養(yǎng)分斑塊構建示意圖(以玉米為例, 兩種施肥方式肥料等量)Fig. 1 Schematic diagrams of fertilizer application and soil nutrient patch (using maize as an example, equal amount of fertilizer between two treatments)

不均勻施肥通過隔行溝施控釋性復合肥(沃夫特包膜控釋肥N∶P∶K=26∶11∶11)來實現(xiàn), 該溝施法能夠構建有效持久的養(yǎng)分斑塊, 也是當前生產中農戶普遍采用的常規(guī)模式。操作時選擇作物苗期, 在行間開出7～8 cm深的窄溝, 溝施后蓋4～5 cm表土覆蓋。均勻施肥和隔行施肥的肥料用量均為播種前一次性施入 600 kg·hm-2。土壤微生物抑制通過交替(每隔15 d)澆施廣譜性土壤微生物抑制劑多菌靈(國光, 50%可濕性粉劑)和代森錳鋅(國光, 70%可濕性粉劑)來實現(xiàn)(均為雙倍推薦劑量)。從作物苗期(玉米 5葉齡期, 馬鈴薯平均株高 8 cm)開始, 每隔15 d用噴水壺均勻澆施1次(兩種抑菌劑交替施用), 直至作物成熟(馬鈴薯成熟期地上部50%枯死; 玉米臘熟期)。澆施時間選擇晴天早上進行。

試驗小區(qū)面積4.0 m×5.0 m。馬鈴薯播種期分別為2015年3月18日和2016年3月25日, 行距和株距分別為40 cm和35 cm, 東西行向, 開溝播種, 播深10～12 cm; 玉米播種期分別為 2015年 4月 15日和2016年4月18日, 行距和株距分別為40 cm和35 cm,東西行向, 開溝播種, 播深4～5 cm。試驗期間, 每月進行一次除草, 同時適時澆水和病蟲害防治。

1.3 采樣與觀測

作物開花盛期, 將1/3小區(qū)用于進行生物量和根系生長特征的觀測。從每小區(qū) 1/3的區(qū)域內隨機選取 15株, 齊地面取走地上部分, 80 ℃下烘至恒重測定地上部分生物量。然后取根系(包括馬鈴薯塊莖)。根系取樣采用挖掘法進行, 操作時用鐵鍬以植株為中心, 以行距和株距中點線為邊界, 挖掘出根土混合體(馬鈴薯長×寬×高=20 cm×16.5 cm×25 cm, 玉米長×寬×高為20 cm×16.5 cm×30 cm)。并在田間條件下進行初步的根土分離, 然后用自來水管沖洗, 獲得根系樣品。為評估不均勻施肥處理下作物根系的覓養(yǎng)精確度(高養(yǎng)分區(qū)根系生物量與低養(yǎng)分區(qū)根系生物量的比值), 田間標記根系的生長方向及所在養(yǎng)分區(qū)域, 帶回室內時沿行向中間線切開, 獲得不同區(qū)域的根樣。最后將所有根樣(包括馬鈴薯塊莖)在70 ℃下烘至恒重測定干重。作物成熟時, 對剩余的 2/3小區(qū)進行測產, 其中馬鈴薯為鮮重, 玉米在小區(qū)鮮產量的基礎上, 各處理隨機選取 8株烘干, 計算鮮干比和出籽率, 最后用14%含水量進行校正, 獲得產量數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計

采用 SPSS 19.0對所有指標進行方差分析, 其中分析產量和生物量時, 以養(yǎng)分分布和土壤微生物處理為固定因素, 而分析覓養(yǎng)精確度時以微生物處理為固定因素。顯著水平均為α=0.05, 分析前對方差不齊的變量進行自然對數(shù)轉換。采用Duncan法進行處理間的多重比較。

2 結果與分析

2.1 抑菌劑澆施與施肥方式對作物產量的影響

抑菌劑澆施與施肥方式能夠顯著地影響作物產量,但其效應隨作物類型和種植年份不同而變化(圖2, 表1)。從馬鈴薯來看, 2016年, 田間抑菌劑澆施能夠顯著提高產量; 而施肥方式對產量影響不顯著, 且隔行施肥從趨勢上未提高馬鈴薯產量。2015年, 抑菌劑澆施與否對產量的影響沒有達到顯著水平; 不論是否澆施抑菌劑, 隔行施肥均顯著地提高馬鈴薯產量。從玉米來看, 2015年, 抑菌劑澆施能顯著提高產量, 而在2016年卻未達到顯著水平; 施肥方式對產量的影響在2015年和2016年均未達到顯著水平。

圖2 抑菌劑澆施與隔行施肥對玉米和馬鈴薯產量的影響Fig. 2 Effects of watering fungicide and heterogeneous fertilization on yields of maize and potato

表1 抑菌劑澆施與隔行施肥對玉米和馬鈴薯生長及產量影響的方差分析(P值)表Table 1 Variance analysis for the effects of watering fungicide and heterogeneous fertilization on the growth and yield of maize and potato (P value)

2.2 抑菌劑澆施與施肥方式對植株生物量的影響

一定程度上, 抑菌劑澆施與施肥方式對作物生物量均有顯著影響, 且兩者間存在一定的交互效應,但其效應隨作物類型和種植年份而變化(表1, 表2)。從馬鈴薯來看, 不論均勻施肥還是隔行施肥, 兩年試驗數(shù)據(jù)均顯示田間澆施土壤微生物抑制劑能夠顯著地提高生物量。相反, 不論是否澆施土壤微生物抑制劑, 隔行施肥形成的養(yǎng)分斑塊對植株生物量在兩年間均無顯著影響。從玉米來看, 不論均勻施肥還是隔行施肥, 2015年澆施抑菌劑均顯著地提高生物量; 但在 2016年, 其顯著促進效應主要存在于不均勻施肥條件下, 在均勻施肥條件下未達到顯著水平。2015年不均勻施肥對玉米生物量的影響不顯著, 而在 2016年, 在未澆施微生物抑制劑的情況下, 不均勻施肥對生物量的影響未達到顯著水平, 但在添加微生物抑制劑時, 不均勻施肥能夠顯著地提高玉米生物量。

表2 抑菌劑澆施與隔行施肥對玉米馬鈴薯生物量的影響Table 2 Effects of watering fungicide and heterogeneous fertilization on biomasses of maize and potato g

2.3 抑菌劑澆施與施肥方式對作物根系生長與覓養(yǎng)精確度的影響

在不均勻施肥形成的養(yǎng)分斑塊和土壤微生物的相互作用下, 根系生長量及分布是影響作物生產力的關鍵。2016年, 不論玉米還是馬鈴薯, 抑菌劑澆施與否和施肥方式均未顯著影響兩作物的根系生物量(圖3, 表1)。然而, 從不均勻施肥情況下的根系分布來看, 澆施土壤微生物抑制劑能夠提高作物的覓養(yǎng)精確度, 其中對于馬鈴薯的覓養(yǎng)精確度促進效應達到了顯著水平(圖4, 表1)。這一結果表明,土壤微生物可能抑制作物根系對養(yǎng)分斑塊的覓獲潛力。

3 討論

本研究以主要旱地糧食作物玉米和馬鈴薯為研究材料, 通過兩年的田間試驗, 發(fā)現(xiàn)抑菌劑澆施與施肥方式在影響作物生長過程中具有一定的交互效應, 表現(xiàn)為在促進玉米生物量的過程中, 抑菌劑澆施與隔行施肥間存在相互促進的作用。同時, 澆施抑菌劑對作物根系覓養(yǎng)能力有促進作用, 提高作物生物量。研究初步表明廣譜性殺菌劑農藥的施用能夠影響作物對斑塊狀分布養(yǎng)分的吸收和利用, 對于促進化肥農藥的施用效果有一定的參考價值。

圖3 抑菌劑澆施與隔行施肥對玉米和馬鈴薯根系生物量的影響(2016年)Fig. 3 Effects of watering fungicide and heterogeneous fertilization on root biomasses of maize and potato (2016)

圖4 抑菌劑澆施對玉米和馬鈴薯根系覓養(yǎng)精確度的影響(2016年)Fig. 4 Effects of watering fungicide on the root foraging precision of maize and potato (2016)

當然, 抑菌劑澆施與隔行施肥的交互效應隨作物類型和種植年份變化, 表明化肥與影響土壤微生物的農藥在施用效應上的內在聯(lián)系具有復雜性。若從氣候因素來看, 溫度、水分和空氣許多因素均可能帶來影響。例如, 降水差異導致土壤水分含量變化, 改變土壤養(yǎng)分和抑菌劑的可移動性, 可使微生物與養(yǎng)分斑塊效應的關系出現(xiàn)差異; 土壤溫度和含水量均可影響根系活力和土壤微生物繁殖[3,15], 使得養(yǎng)分斑塊對微生物的影響發(fā)生改變[19]; 抑菌劑在土壤中的降解、揮發(fā)和作用維持時間也與氣候有關[20]。由于試驗過程中未對氣候特征參數(shù)及其與作物根系覓養(yǎng)的關系進行觀測并研究, 上述推測有待于驗證。從作物類型來看, 可能與作物對異質性養(yǎng)分和土壤微生物的適應特征有關。

異質養(yǎng)分條件下根系覓養(yǎng)能力是決定作物生長和產量表現(xiàn)的重要參數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)抑菌劑澆施對玉米和馬鈴薯根系覓養(yǎng)能力具有抑制作用?？赡苤饕ㄟ^微生物抑制、土壤動物調節(jié), 或者作為植物生長調節(jié)劑發(fā)揮作用。然而, 目前有關土壤動物和植物生長調節(jié)劑調節(jié)植物根系趨肥性的研究報道不多, 其作用機制尚不明確。而對于土壤微生物, 由于本研究中并未直接觀察其變化特征, 因此對于抑菌劑澆施是否通過土壤微生物調節(jié)來影響植物根系趨肥, 以及深層次的作用過程只能進行理論推測。

如果抑菌劑澆施通過土壤微生物調節(jié)來影響植物根系趨肥, 其可能的原因是作物覓養(yǎng)過程中,根系分泌物質及根系周轉加快, 會激發(fā)特異性微生物的生長, 導致根系病害[14]。然而, 試驗中并未發(fā)現(xiàn)該條件下根系存在明顯的病害癥狀。因此, 我們可以從另外兩個角度來理解這一行為。一方面,養(yǎng)分斑塊的形成促進有益的微生物例如菌根真菌,這些微生物可以充當根毛, 起到類根系的作用[21],或降低覓養(yǎng)過程中根系病害[22], 從而降低了作物根系生長投入的必要性。另一方面, 養(yǎng)分斑塊提高了土壤根際生態(tài)環(huán)境的多樣性, 從而直接或間接地促進微生物多樣性的形成[16-17], 降低作物根系的病害發(fā)生, 提高其根系活力, 增強對養(yǎng)分的生理吸收能力。已有研究也表明, 覓養(yǎng)精確度的提高并不必然促進養(yǎng)分的利用[23], 而且根系的生理可塑也可以改變養(yǎng)分的吸收。這也部分地解釋為什么本研究中隔行施肥條件下, 作物的產量和生長量并沒有伴隨覓養(yǎng)精確度提高而顯著增加。因此, 進一步研究土壤微生物對作物利用異質性分布養(yǎng)分的生理特征具有必要性。

植物對異質性分布養(yǎng)分的覓獲能力具有較強的物種特異性[24]。對于玉米來說, 農業(yè)生產中采用撒施實現(xiàn)均勻施肥的較少, 更多的是在植株單側進行隔行條施、穴施、點施。這些施肥方法通常被認為能夠提高作物的養(yǎng)分吸收效率。但本研究初步表明, 玉米對養(yǎng)分斑塊的覓養(yǎng)精確度略高于馬鈴薯, 玉米對隔行施肥具有一定適宜性, 但對馬鈴薯則采用傳統(tǒng)的每行施肥可能更合適, 因為其根系有一定的避肥性,產量潛力難以釋放。根據(jù)本研究初步結果, 建議馬鈴薯施肥采用植株雙側施肥, 但玉米可進行隔行施肥。這不僅能夠提高養(yǎng)分利用, 還一定程度地能降低勞動力投入, 促進輕簡栽培發(fā)展, 這對于機械化程度低、勞動力日益短缺的山區(qū)農業(yè)生產具有一定實際價值。本研究結果還表明, 不論是玉米還是馬鈴薯, 在進行常規(guī)施肥(不均勻)的同時, 進行土壤消毒, 或者根據(jù)田間病害情況與抑菌性農藥施用相結合, 對于提高肥料的利用具有促進作用。

4 結論

本研究以玉米和馬鈴薯為研究材料, 通過兩年的大田試驗研究, 發(fā)現(xiàn)抑菌劑澆施與隔行施肥在影響玉米生長中存在一定的交互效應, 表現(xiàn)為兩者有相互促進的現(xiàn)象。同時, 初步明確了在隔行施肥條件下, 抑菌劑澆施對玉米和馬鈴薯根系覓養(yǎng)能力有促進作用, 可一定程度地提高植株生長表現(xiàn)。鑒于試驗處理效應的顯著性因作物類型和種植年份的不同而有差異, 抑菌劑澆施和隔行施肥在影響玉米和馬鈴薯生長和產量過程中具有復雜性。因此, 進一步針對不同作物、生態(tài)環(huán)境和栽培措施, 探討抑菌劑農藥在作物適應養(yǎng)分斑塊中的作用以及對作物根系趨肥的影響機制, 例如具體的土壤微生物調節(jié)過程, 是否存在作為植物生長調節(jié)劑發(fā)揮作用等,對于了解農藥施用對化肥利用的影響具有潛在的價值。

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