硅鈣鉀鎂肥配施黃腐酸鉀對土壤酶活性及桃幼樹生長的影響

孫希武 彭福田 肖元松 張亞飛 郜懷峰 王國棟 賀月

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院作物生物學(xué)國家重點實驗室,山東 泰安 271018)

硅鈣鉀鎂肥是一種多元素硅肥,富含硅、磷、鉀、鈣、鎂、硼、鉬等多種元素。作為弱堿性肥料,硅鈣鉀鎂可以調(diào)節(jié)土壤pH值,改善土壤質(zhì)地[1]。同時,硅鈣鉀鎂還可增強土壤透氣性,促進根系生長,防止根系早衰,并促進光合作用,增加葉綠素含量[2],進而提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

黃腐酸鉀是一種分子量相對較小、易被作物吸收利用的大分子有機化合物[3]。黃腐酸鉀富含微生物菌群和有機質(zhì),可以改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤環(huán)境,誘導(dǎo)土壤中多種有益菌群的形成,達到解磷、解鉀、固氮的功效[4]。黃腐酸鉀可以促進植株的生長[5],增強作物對肥料的吸收利用能力[6]。作為一種腐植酸肥料,黃腐酸鉀能夠通過調(diào)控土壤與肥料中養(yǎng)分的形態(tài),提高肥料施用后土壤與肥料中養(yǎng)分的有效性,降低養(yǎng)分損失,提高肥料利用率,從而減少肥料的使用量,降低肥料成本[7]。

近年來對硅鈣鉀鎂肥與黃腐酸鉀的研究應(yīng)用日益增多,但僅限于兩者單獨施用,而對硅鈣鉀鎂肥與黃腐酸鉀兩者配施效應(yīng)的研究鮮見報道。硅鈣鉀鎂肥富含大量硅元素,硅可與黃腐酸等組合顯著提高棉花根系活力和生物量,同時顯著提高棉花抗鹽性[8]。黃腐酸鉀能吸附交換活化土壤中多種礦質(zhì)元素,大大提升這些元素的有效性,從而提高肥料利用效率[9]。在我國,桃園土壤施肥依然以傳統(tǒng)施肥方式為主,偏施氮肥,輕施其他元素的補充,造成土壤環(huán)境惡化。硅鈣鉀鎂作為一種良好的土壤改良劑,在桃樹上的應(yīng)用鮮見報道。已有研究表明,黃腐酸鉀配施化肥有利于桃樹根系的加粗生長和細根的發(fā)生[10]。因此,本試驗以一年生瑞蟠21號桃幼樹為試驗材料,研究硅鈣鉀鎂肥配施黃腐酸鉀對盆栽桃幼樹土壤酶活性、土壤養(yǎng)分含量、根系構(gòu)型及植株生長的影響,以期為桃樹合理施肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地進行,供試桃樹為一年生瑞蟠21號毛桃(Amygdalus persicaLinn.),采用盆栽試驗,花盆直徑30 cm,高40 cm,盆栽用土采用桃園土壤,采集0～20 cm表層土,自然風(fēng)干后去除植物殘體和石塊,過篩后備用。供試土壤基本理化性狀為pH值6.67、堿解氮含量47.56 mg·kg-1、速效磷含量32.92 mg·kg-1、速效鉀含量85.72 mg·kg-1、有機質(zhì)含量13.25 g·kg-1,每盆土重14 kg。供施基肥為普通氮磷鉀復(fù)混肥。硅鈣鉀鎂肥購自山西富力邦肥業(yè)有限公司,其中含有效硅SiO2≥30.0%、有效鉀K2O 4.0%、有效鈣CaO 32.0%、有效鎂MgO 5.0%及少量微量元素。黃腐酸鉀購自山東濰坊東陽化工廠,其水溶性黃腐酸含量＞50%、全氮含量2.8%、全磷(P2O5)含量0.6%、全鉀(K2O)含量9.7%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2016年3-10月展開,依據(jù)前期預(yù)試驗確定肥料用量,共設(shè)置3個處理:CK(空白為對照);T1(硅鈣鉀鎂37.32 g);T2(硅鈣鉀鎂37.32 g+黃腐酸鉀16 g),單株小區(qū),每個處理9個重復(fù)。2016年3月在盆中定植桃樹幼苗,栽植后正常管理,待桃樹正常生長后于5月10日進行施肥處理,將復(fù)混肥(尿素10.87 g、聚磷酸銨9.09 g、硫酸鉀11.11 g)、硅鈣鉀鎂肥及黃腐酸鉀等所有肥料水溶后沖施在盆內(nèi)事先挖好的溝槽中。于6-10月中旬,取盆中新鮮土壤進行酶活性測定,風(fēng)干后測定土壤養(yǎng)分含量及有效硅含量,同時測定植株的凈光合速率及葉綠素SPAD值。8月15-20日每個處理取3株植株根系進行根系活力測定,并在桃新梢停止生長(10月17日)后進行破壞性取樣,采用水沖土洗根法取出整個根系,沖洗干凈后拍照,并測定根系長度及側(cè)根數(shù)量。測定完成后將植株分為地上部和地下部,烘干后分別測定各部分干重及全氮、全磷、全鉀、硅含量等,每個處理重復(fù)3次。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 土壤酶活性的測定 用土鉆在距離主干5～10 cm 處隨機取樣,取樣深度為0～20 cm,每處理取3 盆,每盆3個重復(fù),混勻。采用苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性;采用磷酸苯二鈉比色法測定土壤酸性磷酸酶活性,比色所用儀器為TU-1905 紫外線分光光度計(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司);采用高錳酸鉀滴定法測定土壤過氧化氫酶活性[11]。

1.3.2 土壤養(yǎng)分狀況的測定 取樣同1.3.1,自然風(fēng)干后過0.25 mm 篩備用。土壤基本理化性狀采用常規(guī)分析法測定,重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)含量,堿解擴散法測定堿解氮含量,0.5 mol·L-1NaHCO3-鉬銻抗比色法測定速效磷含量,NH4OAc 浸提-火焰光度法測定有效鉀含量,鉬藍比色法測定土壤有效硅含量[12]。

1.3.3 根系活力及長度、數(shù)量的測定 洗凈根系后,用相機拍照保存,并將根系分為細根(直徑≤2 mm)、粗根(直徑≥2 mm)兩部分,分別稱其鮮重,按照公式計算細根比:

根系活力采用氯化三苯基四氮唑(2,3,5-triphenyltetrazolium chloride,TTC)還原法測定[13],以單位鮮樣質(zhì)量根系還原的TTC 量表示。使用米尺測定一級側(cè)根的長度,以全部側(cè)根的平均值作為一級側(cè)根平均長度,并調(diào)查一級側(cè)根和二級側(cè)根的條數(shù)作為一級側(cè)根數(shù)量和二級側(cè)根數(shù)量[14]。

1.3.4 植株解析后項目的測定 使用游標(biāo)卡尺測量植株干莖。將植株分解后,于105℃殺青0.5 h,然后80℃烘干至恒重,測量植株總干重及各部分干重。按照公式計算根冠比:

干樣粉碎后過0.25 mm 篩,經(jīng)濃H2SO4+H2O2消煮后,采用K9850 凱氏定氮儀(濟南海能儀器股份有限公司)測定全氮含量,采用鉬銻抗比色法測定全磷含量,采用MODEL410 火焰光度計(Sherwoodscientific,英國)測定全鉀含量,采用硅鉬藍比色法測定植株硅含量[15]。

1.3.5 植株光合速率和葉綠素含量的測定 選擇晴天上午9:00-11:00,各處理每棵標(biāo)記5片枝條中位葉,采用CIRAS-3 便攜式光合儀(PP Systems,美國)測定凈光合速率,CO2濃度設(shè)定為390 μL·L-1,于數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)值,測定5次重復(fù),取平均值;葉綠素SPAD值的測定采用SPAD-502Plus 葉綠素測定儀(Konica Minolta,日本),選取各處理每棵標(biāo)記的5片枝條中位葉,快速測定葉片的葉綠素SPAD值,于數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)值,測定3次重復(fù),取平均值。1.3.6數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Office Excel 2007和DPS 7.05 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對土壤狀況的影響

2.1.1 不同處理對土壤酶活性的影響 由圖1可知,在桃幼樹新梢生長停止前,施硅鈣鉀鎂肥可顯著提高土壤酸性磷酸酶活性,且不同時期均表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。其中,在桃幼樹新梢快速生長的7月中旬,T1、T2分別較CK 提高了26.5%和37.8%。從桃幼樹新梢生長初期(6月中旬)至桃樹新梢生長停止期(10月中旬),各處理土壤脲酶變化均呈先上升后下降的趨勢,在7月中旬達到最大值,且不同時期均表現(xiàn)為T2 ＞T1 ＞CK。土壤過氧化氫酶活性在7月中旬達到最大值,隨后下降,在10月中旬略有上升,但仍低于7月中旬。在桃幼樹快速生長期(7月中旬),T1、T2 過氧化氫酶活性均高于CK,分別提高48.2%和57.5%。

2.1.2 不同處理對土壤養(yǎng)分狀況的影響 由圖2可知,6-10月各處理堿解氮含量均表現(xiàn)為T2＞T1＞CK,在8月中旬達到最大值,此時,T1、T2 與CK相比分別提高了15.3%、27.9%。7月中旬,土壤有效磷含量表現(xiàn)為T1＞T2＞CK,但生長后期T1 明顯小于T2。T1、T2土壤中速效鉀含量從6月中旬至9月中旬均呈持續(xù)上升趨勢,9月中旬后開始下降,而CK 土壤速效鉀含量在7月中旬后開始下降,且下降趨勢明顯,此外,T2 在整個生長季中的速效鉀含量均高于其他2個處理。由此可見,施硅鈣鉀鎂肥后,土壤中的堿解氮、有效磷及速效鉀含量均有所提高,配施黃腐酸鉀后各指標(biāo)含量提高更加明顯。

2.1.3 不同處理對土壤有效硅含量的影響 土壤有效硅是指能被當(dāng)季作物吸收利用的硅。由圖3可知,各處理在不同時期的有效硅含量均表現(xiàn)為T2＞T1＞CK,在桃幼樹快速生長的7月中旬,T1、T2分別較CK 提高了19.4%、48.0%?？梢?施硅鈣鉀鎂肥可顯著提高土壤有效硅含量,而配施黃腐酸鉀更能促進硅鈣鉀鎂肥中硅元素的釋放,增加土壤有效硅含量。

2.2 不同處理對桃幼株生長的影響

2.2.1 不同處理對桃幼樹根系生長的影響 根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官。由圖4可知,施硅鈣鉀鎂肥的各處理均明顯減輕了桃樹根系的褐變程度,褐變程度表現(xiàn)為CK＞T1＞T2,且CK 根系欠發(fā)達,細根主要分布于土層上部,下層細根數(shù)量較少,而施硅鈣鉀鎂各處理根系發(fā)達,細根分布比較均勻,尤其是配施黃腐酸鉀的T2 效果更為明顯。

圖1 不同處理對土壤酸性磷酸酶、脲酶及過氧化氫酶活性的影響Fig.1 Effects of different treatments on activity of soil acid phosphatase,urease and catalase

細根是行使根系功能的主要部位。由表1可知,施硅鈣鉀鎂肥顯著提高了桃幼樹的根系鮮重、細根比重及根系活力。與CK相比,T1、T2 細根比分別提高了11.2%、26.2%,根系活力分別提高了12.2%、18.1%。由表2可知,T1、T2的根系總長度分別較CK增加了28.1%和61.9%,而一級側(cè)根平均長度顯著縮短,分別為CK的90.2%、75.6%。一級側(cè)根與二級側(cè)根的數(shù)量在施硅鈣鉀鎂肥后均有增加,其中T2分別較CK 增加46.2%、43.7%。

圖2 不同處理對0～20 cm 土壤養(yǎng)分的影響Fig.2 Effect of different treatments on soil nutrient in 0-20 cm

2.2.2 不同處理對桃樹生物量的影響 生物量可以反映植物的長勢情況。由表3可知,各處理桃幼樹植株生物量差異顯著。與CK相比,T1、T2 總干重分別增加了1.2倍、2.0倍,干莖分別提高了23.2%、42.6%。根冠比是反映植株生長狀態(tài)的重要指標(biāo)之一。T1、T2 根冠比分別較CK 增加了9.4%、17.0%,且差異顯著。

2.2.3 不同處理對桃幼樹養(yǎng)分分配的影響 由表4可知,各處理不同器官全氮、全鉀含量均表現(xiàn)為葉＞根＞莖,全磷含量均表現(xiàn)為根＞莖＞葉,且所有器官各處理全氮、全磷、全鉀含量均表現(xiàn)為T2＞T1＞CK。與CK相比,T2 莖、葉、根全氮含量分別顯著提高了26.2%、18.0%、18.1%,全鉀含量分別顯著提高了15.7%、19.5%、26.9%;T1、T2 莖、葉、根全磷含量分別顯著提高了4.2%、3.6%、2.0%和7.6%、8.3%、3.6%;T1、T2桃幼樹地上部硅含量分別提高了61.3%、91.9%,地下部硅含量分別提高了62.3%、102.5%。由此可見,施硅鈣鉀鎂肥可顯著提高桃幼樹氮、磷、鉀及硅含量,配施黃腐酸鉀更有利上述元素的積累。

2.2.4 不同處理對桃幼樹凈光合速率及葉綠素含量的影響 由表5可知,6-10月,T1、T2的凈光合速率均高于CK。除6月中旬,T2 凈光合速率略低于T1,之后各時期T2 凈光合速率均高于T1;8月中旬,T1、T2 的凈光合速率分別較CK 顯著增加22.2%、37.7%。各處理葉片SPAD值均隨時間變化呈先上升后下降的趨勢,各處理之間差異與凈光合速率一致(表6)。

表1 不同處理對桃幼樹細根比重及根系活力的影響Table1 Effects of different treatments on fine root ratio and root activity of young peach tress

表2 不同處理對桃幼樹根系長度和側(cè)根數(shù)量的影響Table2 Effect of different treatments on root length and lateral root number of young peach tress

表3 不同處理對桃幼樹干莖、干物質(zhì)積累的影響Table3 Effects of different treatments on dry stem and dry matter accumulation of young peach trees

表4 不同處理對桃幼樹養(yǎng)分積累的影響Table4 Effects of different treatments on nutrient accumulation of young peach trees

表5 不同處理對桃幼樹凈光合速率的影響Table5 Effects of different treatments on net photosynthetic rate of young peach trees/(μmol·m-2·s-1)

表6 不同處理對桃幼樹葉綠素SPAD值的影響Table6 Effect of different treatments on chlorophyll SPAD value of young peach trees

3 討論

硅鈣鉀鎂肥水溶液呈堿性,在水稻種植中,隨著硅鈣鉀鎂肥用量的增加,土壤pH 不斷提高,而交換性氫、交換性鋁和交換性酸含量不斷下降,對改良酸性土壤有著重要作用[16]。超級稻大田試驗也證實,施用硅鈣鉀鎂肥可改善土壤理化性狀,提高土壤有效磷含量、速效鉀含量[17]。在蘋果上,施用硅鈣鉀鎂肥對酸性土壤也有很好的改良效果[18]。本研究發(fā)現(xiàn),施用硅鈣鉀鎂肥提高了桃幼樹盆栽土壤堿解氮、速效鉀、速效磷含量,說明硅鈣鉀鎂肥對土壤狀況有著明顯的改良作用。在生長前期,T2的土壤有效磷含量略低于T1,可能是由于黃腐酸鉀促進硅鈣鉀鎂肥釋放出更多的金屬元素,這些元素易與磷吸附,使土壤有效磷含量減少,但隨著黃腐酸鉀作用增強,又能夠?qū)⒔饘僭匚降牧谆罨?同時促進硅鈣鉀鎂肥釋放出更多的硅元素,可以活化土壤中的有機磷,進而在后期又提高了土壤有效磷含量,但具體機理還有待進一步探究。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),施用硅鈣鉀鎂肥后土壤有效硅含量顯著增加,硅含量增加可以提高土壤微生物的活性和調(diào)節(jié)微生物區(qū)系的組成[19-20],而土壤生物活性和微生物區(qū)系組成間接提高了土壤酶活性[21]。硅在土壤中大量積累,給植株提供了更有利的環(huán)境,這可能是硅鈣鉀鎂肥料改善土壤狀況并促進植株生長的一個重要原因。

在辣椒[22]、葡萄[23]上施用硅鈣鉀鎂肥,可以促進植株健壯;在黃瓜[24]、桑樹[25]上施用硅鈣鉀鎂肥,可以增加產(chǎn)量。在蘋果上施用硅鈣鉀鎂肥能加快蘋果樹枝條生長,使新梢生長旺盛[26]。硅鈣鉀鎂肥可以防止根系早衰,促進根系生長,增加葉綠素含量,增強光合作用,均衡作物對氮素的過量吸收,減弱、溶解土壤的固態(tài)磷,促進作物對各營養(yǎng)元素的均衡吸收,積累較多有機營養(yǎng),使作物生長健壯[2]。有研究表明,低磷會破壞葉綠體結(jié)構(gòu),降低葉綠素含量及葉片光合作用。本研究中,在6月中旬,與T1相比,T2 凈光合速率略低,這可能是因為在前期配施黃腐酸鉀后土壤有效磷含量降低,進而降低了桃幼樹葉綠素含量和凈光合速率,但具體機理還有待進一步探究。綜上,施硅鈣鉀鎂肥可以改善根系構(gòu)型,延緩根系衰老,提高桃幼樹光合及植株形態(tài)建成。

黃腐酸鉀作為一種腐植酸鹽,施入土壤后提高了土壤的保肥供肥能力[27]。研究表明,從蚯蚓中提取的腐植酸能顯著促進玉米幼苗根系生長和側(cè)根發(fā)生[28]。在蘋果園灌溉施肥并配施黃腐酸鉀,有利于提高土壤溶液中各組分養(yǎng)分含量,增加果樹對養(yǎng)分的吸收和利用,減少土壤溶液中各養(yǎng)分的淋失,提高果實品質(zhì)和產(chǎn)量[29]。研究表明,黃腐酸鉀與化肥控釋袋處理可改變養(yǎng)分的釋放特性,降低氨揮發(fā),增加土壤氮素殘留;與單施化肥相比,可以顯著提高根系密度,延緩根系衰老,提高植株氮肥利用率,有利于桃幼樹生長健壯[30]。本研究結(jié)果表明,與單施硅鈣鉀鎂肥相比,配施黃腐酸鉀對土壤酶活、土壤氮鉀含量、根系生長、植株光合、干物質(zhì)量以及植株養(yǎng)分積累的提高作用更加顯著。

黃腐酸是一種優(yōu)良的絡(luò)合劑,可以通過與陽離子交換、螯合、絡(luò)合和吸附等形式,釋放土壤中被固定的多種元素,將其從無機形態(tài)轉(zhuǎn)化成有機形態(tài),提高植物對微量元素的吸收與運轉(zhuǎn)能力,進而提高土壤中元素的利用率。研究表明,單獨施用硫酸鋅,土壤中有益元素的利用率只有19.21%,而硫酸鋅與黃腐酸混合施用后,有益元素利用率可達42.96%;鐵元素與黃腐酸混用,其利用率可達42.21%[31]。與單施硅鈣鉀鎂肥相比,配施黃腐酸鉀后,土壤有效硅含量與植株硅含量均顯著增加。推測硅鈣鉀鎂肥配施黃腐酸鉀對植株的生長影響更加顯著的原因:一方面,黃腐酸鉀可改善土壤結(jié)構(gòu),活化土壤中的氮、磷、鉀、硅等元素,作為肥料自身影響植株生長;另一方面,黃腐酸鉀能夠促進硅鈣鉀鎂肥在土壤中的釋放,提高其利用效率,增加土壤中有效硅含量,促進植株對硅等元素的吸收利用,進而促進植株生長。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,硅鈣鉀鎂肥可有效提高桃幼樹土壤酶活性,促進桃幼樹細根的生長,延緩根系衰老進程,提高氮、磷、鉀及硅等營養(yǎng)元素的積累,同時提高葉片光合速率,促進植株生長。本研究中,硅鈣鉀鎂肥配施黃腐酸鉀較單施硅鈣鉀鎂肥的促生長效果更加顯著。