趙鵬,劉明,靳容,陳曉光,張愛君,唐忠厚,魏猛
徐州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/江蘇徐州甘薯研究中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部甘薯生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221131
【研究意義】甘薯作為全球重要的糧食作物,產(chǎn)量位居世界糧食作物產(chǎn)量的第七位[1]。甘薯不僅能作為糧食保障民生,還是飼料與工業(yè)原料的重要來源,特別對于欠發(fā)達(dá)地區(qū),甘薯具有重要的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義[2-3]。中國作為世界上最大的甘薯生產(chǎn)國,種植面積超過660萬hm2,約占世界總面積的70%[4],特別近年來,由于對于甘薯營養(yǎng)價(jià)值的深入研究[5],人們對甘薯的需求正在上升?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】塊根類作物的產(chǎn)量,主要取決于庫源關(guān)系的調(diào)控,促進(jìn)碳氮同化物在塊根部分的分配與積累是提高甘薯產(chǎn)量與品質(zhì)的關(guān)鍵[6]。因此,通過改變農(nóng)業(yè)措施合理調(diào)配甘薯碳氮同化物的分配積累是保證甘薯高產(chǎn)的重要手段。施肥制度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的環(huán)節(jié),直接影響作物生長與發(fā)育,是保證產(chǎn)量的最基本措施之一。同樣在我國甘薯種植中,為獲得高產(chǎn),過高依賴化肥的現(xiàn)象普遍存在[7],不僅造成了肥料利用效率低下,同時(shí)氮、磷等養(yǎng)分的流失也對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。因此科學(xué)合理的施肥制度,既能合理調(diào)控塊根類作物碳氮同化物的運(yùn)轉(zhuǎn)與分配進(jìn)而獲得高產(chǎn),同時(shí)也能提高肥料的利用效率、減少環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏[8]。外源有機(jī)肥料的添加,使水稻土壤微生物獲得充足的碳源,改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu),因此改變土壤養(yǎng)分供給特征,提高養(yǎng)分的可利用性[9];并通過改善土壤養(yǎng)分的可利用性改變光合產(chǎn)物的運(yùn)轉(zhuǎn)過程,進(jìn)而影響碳氮同化物的分配過程[10]。同時(shí)有機(jī)肥料對養(yǎng)分的物理固持作用使養(yǎng)分具有緩釋性,持續(xù)保證養(yǎng)分的供給,有利于小麥等作物生育后期干物質(zhì)的積累與運(yùn)轉(zhuǎn)[11]。同時(shí)有機(jī)肥料代替部分化肥,也在甘薯、馬鈴薯等塊根類作物栽培中具有顯著的增產(chǎn)作用[12-13]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】然而,基于長期定位肥料試驗(yàn)對甘薯碳氮積累與分配的研究甚少,因此研究長期施用有機(jī)肥對甘薯碳氮積累與分配的影響、碳氮積累分配與土壤特征間的相互關(guān)系具有重要意義?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以潮土區(qū)長期定位試驗(yàn)為基礎(chǔ),通過分析不同施肥措施下甘薯收獲期的地上、地下部生物量以及各主要功能器官的碳氮含量以及耕作層土壤性質(zhì),闡明不同施肥處理對甘薯碳氮含量及其在各功能器官中分配比例的影響,以及不同施肥措施下甘薯地上、地下部碳氮比的變化,并運(yùn)用主成分分析法解析甘薯碳氮分配與土壤性質(zhì)的關(guān)系,為潮土區(qū)實(shí)現(xiàn)甘薯高產(chǎn)高效栽培提供科學(xué)依據(jù)。
本研究在江蘇徐州甘薯研究中心 ( 34°16' N,117°17' E)內(nèi)進(jìn)行。研究中心位于江蘇省徐州市徐州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū),屬暖溫帶半濕潤氣候區(qū),年均氣溫14℃,≥10℃的活動(dòng)積溫5 240℃,年均降雨量為860 mm,且主要集中在7—8 月,年均蒸發(fā)量1 870 mm,全年無霜期約 210 d,日照時(shí)數(shù) 2 317 h。土壤類型為砂壤質(zhì)潮土,長期試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤主要性狀為有機(jī)質(zhì)(SOM)10.80 g·kg-1,全氮(TN)0.66 g·kg-1,全磷(TP)0.74g·kg-1,有效磷 12.0 mg·kg-1,速效鉀 63.0 mg·kg-1,緩效鉀 738.5 mg·kg-1,pH 8.01。種植制度在1981—2001年為一年兩熟小麥-玉米輪作,2002年后調(diào)整為一年兩熟小麥-甘薯輪作。
長期定位試驗(yàn)開始于1980年,共設(shè)8個(gè)處理,結(jié)合本研究目標(biāo),選擇 4 個(gè)處理作為研究對象,分別為:(1)CK(不施肥);(2)NPK(施氮磷鉀);(3)M(施有機(jī)肥料);(4)MNPK(有機(jī)肥料+氮磷鉀肥處理)。重復(fù)4 次,隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積為33.3 m2,小區(qū)間筑水泥墻體,深度為0.6 m,寬度為0.8 m,作永久性田埂分離,中間有管灌溉渠道通各小區(qū)。
1981—2001年小麥-玉米輪作,種植作物品種為當(dāng)年的主栽品種,每5—7年進(jìn)行更換;2002 年后改為小麥-甘薯輪作制。目前,小麥播種行距為15 cm,基本苗 3.0×106株/hm2,播種方式為人工條播;甘薯品種為徐薯32,密度為 49 500株/hm2,采用人工栽插種植。長期試驗(yàn)每季作物施N 165 kg·hm-2,1992 年后改為每季作物施N 150 kg·hm-2,詳細(xì)施肥用量見表1。小麥、玉米季氮肥分基肥與追肥兩次施用,追基比為1∶1,磷鉀肥與有機(jī)肥作為基肥施用;甘薯季氮、磷、鉀肥及有機(jī)肥均作為基肥一次性施用。
表1 長期定位試驗(yàn)不同處理年施肥量(1985—2019年)Table 1 Fertilizer application rates in different treatments(1985-2019)
氮肥為尿素與磷酸二銨,磷肥為磷酸二銨,鉀肥為硫酸鉀;有機(jī)肥在1981—1984年,采用馬糞,年施用量(鮮)75 t·hm-2,有機(jī)碳含量為 14.8%—15.9%,水分含量為 42%—55%,年均氮投入量為 221—308 kg N·hm-2。1985年以后改為施豬糞,年施用量(鮮)37.5 t·hm-2,有機(jī)碳含量為 13.8%—30.1%,水分含量為 45%—58%,年均氮投入量為98—141 kg N·hm-2。
于2019年10月甘薯收獲期,在各小區(qū)隨機(jī)采集6株甘薯植株樣品,并按照植株器官將甘薯植株分為葉、葉柄、藤蔓與地下部塊根4部分,所有分離樣品分別進(jìn)行鮮重、殺青、烘干、稱重、粉碎,并過0.25 mm篩備用;之后采用CN元素分析儀測定甘薯不同器官碳、氮含量及其碳、氮固持量(甘薯植株中碳氮總儲量,即各器官碳/氮含量×干重的總和)。
并于甘薯收獲后,采用多點(diǎn)混合法按照“S”形采集0—20 cm土層土樣,自然風(fēng)干后去除土壤表層枯葉、石礫及根系等,過1 mm 和0.25 mm 篩備用。土壤酸堿度(pH)和電導(dǎo)率(EC)采用pH 計(jì)(梅特勒FE20,上海)和電導(dǎo)率儀(梅特勒 FE30,上海)測定;土壤有機(jī)碳(SOC)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定;土壤全氮(TN)采用凱氏定氮法測定;土壤有效磷(AP)采用碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定;速效鉀(AK)采用醋酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測定。
所有數(shù)據(jù)處理和分析均在Excel 2016、SPSS 23.0以及Canoco 4.5軟件中進(jìn)行。采用單因素方差分析進(jìn)行方差分析;采用LSD法檢驗(yàn)處理間P<0.05水平的差異顯著性;采用 Pearson相關(guān)系數(shù)分析甘薯碳氮固持與土壤特性的相關(guān)關(guān)系;采用主成分分析(PCA)檢驗(yàn)不同處理間甘薯碳氮分配與土壤特征的差異性。作圖采用Excel 2016、OriginLab 8以及CanoDraw軟件完成。
如表2所示,與CK相比,NPK、M對土壤pH的影響并不顯著,MNPK處理使土壤pH顯著降低(P<0.05);且長期施肥均能顯著降低土壤電導(dǎo)率(EC)(P<0.05),其中M處理降幅最高為78.3%;同時(shí),長期施肥顯著提高了土壤有機(jī)碳、全氮、有效磷以及速效鉀的含量(P<0.05)。此外,相比NPK處理,施用有機(jī)肥處理(M與MNPK)土壤有機(jī)碳分別提高了35.0%與39.2%;土壤全氮分別提高21.3%與36.7%;特別對于土壤速效磷含量,M與 MNPK分別是NPK處理的13.5倍與10.2倍。而NPK相比M處理,顯著提高了土壤速效鉀含量(P<0.05),但仍低于MNPK處理26.1%(P<0.05)。
表2 不同處理土壤性質(zhì)Table 2 Soil properties relative to treatment
長期不同施肥處理對甘薯不同器官生物量及干物質(zhì)量的影響如表3所示。各長期施肥處理相比CK,均能顯著提高甘薯不同器官的生物量與干物質(zhì)量(P<0.05),其中塊根生物量增產(chǎn)率達(dá)到169.2%— 330.3%。在各施肥處理中,MNPK處理不同器官生物量與干物質(zhì)量均最高,其中塊根生物量與干物質(zhì)量顯著高于M與NPK處理(P<0.05),分別達(dá)到了49.2與15.5 t·hm-2;但對于葉片生物量與干物質(zhì)量,3個(gè)處理之間并無顯著差異。對于NPK處理葉柄與藤蔓生物量低于MNPK處理36.8%與28.0%(P<0.05),但與M處理無顯著差異。
表3 不同處理甘薯各器官生物量及干物質(zhì)量Table 3 Biomass and dry matter quality of organs in different treatments of sweetpotato
長期施肥對甘薯不同器官碳、氮含量影響顯著(圖1、圖2),且各器官碳氮含量對施肥處理響應(yīng)不同。對于不同器官碳含量,MNPK相比其他處理顯著(P<0.05)提高了葉片的碳含量,而NPK葉片碳含量低于CK對照21.4%(P<0.05);而NPK相較CK顯著(P<0.05)提高了葉柄的碳含量。對于甘薯塊根部分,CK處理的塊根碳含量最高(79.5%),且顯著高于施肥處理M(P<0.05);在不同施肥處理之間,NPK與MNPK處理塊根碳含量分別高于M處理18.6%與16.1%,其中NPK處理顯著高于M處理(P<0.05)。長期施肥處理相比CK顯著(P<0.05)提高了葉片的氮含量,且顯著降低了藤蔓部分的氮含量;但葉柄氮含量并未表現(xiàn)出顯著差異。在不同施肥處理之間,M與MNPK處理相比NPK,葉片氮含量提高了13.3%、16.2%。在甘薯的塊根部分,M在各處理中有最高值(0.84%,P<0.05),而 NPK塊根氮含量低于CK處理26.5%(P<0.05)。
長期施肥均顯著提升了甘薯地上部、地下部碳氮固持量(圖3)(P<0.05)。對于碳固持量,MNPK地上與地下部碳固持量均最高,分別為1.76 t·hm-2與11.14 t·hm-2;且地下部碳固持量顯著高于NPK與M處理(P<0.05)。對于地上部氮固持量,3個(gè)長期施肥處理之間并無顯著差異,而MNPK與M處理地下部氮固持量分別高于NPK處理118.9%與86.8%(P<0.05)。
碳氮在甘薯不同器官的分配比例對長期施肥的響應(yīng)差異顯著(圖4、圖5)。各處理中,碳主要分配于地下塊根中,在83.5%—86.6%范圍內(nèi);而地上部碳主要分配于葉片中(7.9%—10.0%);此外,碳在藤蔓中分配比例(3.6%—4.3%)僅高于在葉柄中的分配比例(1.7%—2.8%),且在M與NPK處理下顯著高于 MNPK處理(P<0.05)。對于氮在各器官中的分配比例,在CK、M與MNPK處理中主要集中于地下部塊根部分(55.9%—62.2%),且顯著高于 NPK處理下氮在塊根中的分配比例(P<0.05)。而對于NPK處理,氮分配在葉片與塊根基本持平,分別在44.0%與43.8%;同時(shí),氮在葉片中的分配比例顯著高于其他處理(P<0.05)。此外,氮素在藤蔓的分配為6.1%—8.4%,且NPK處理顯著高于M、MNPK處理的氮在藤蔓的分配比例(P<0.05)。
甘薯各器官C/N對長期施肥的響應(yīng)如圖6所示。各器官中,甘薯葉片C/N最低,其中CK葉片C/N最高(22.7),且顯著高于M與NPK處理(P<0.05)。甘薯葉柄與藤蔓的C/N在31.4—44.0之間,各處理大小排序均為 NPK > M > MNPK > CK,且 CK 均顯著低于NPK與M處理(P<0.05)。甘薯塊根C/N以NPK處理最高(142.2),且顯著高于其他處理(P<0.05);同時(shí),M處理下C/N最低,僅為74.3,顯著低于其他處理(P<0.05)。
由表4所示,甘薯塊根碳固持量、葉柄氮固持量與土壤pH呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),其余不同器官的碳氮固持量并未與土壤pH表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系;而甘薯各器官的碳氮固持量,除葉片碳固持量與土壤 EC表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)外(P<0.05),其余器官碳氮固持量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。同時(shí),甘薯各器官碳氮固持量與土壤有機(jī)碳(SOC)、全氮(TN)速效鉀含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。而土壤有效磷(AP)含量并未與甘薯葉片碳氮含量表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系,但與塊根氮固持量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.839。甘薯地上部各器官中葉片C/N與土壤 EC呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),葉柄與藤蔓C/N與土壤EC呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),甘薯地下塊根C/N與土壤有效磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。
表4 土壤性質(zhì)與甘薯碳氮固持及碳氮比之間的相關(guān)性Table 4 Correlation between soil properties and C/N fixation and C/N ratio of sweetpotato
通過對碳氮固持量在地上部、地下部的分配比例以及地上部、地下部的C/N進(jìn)行主成分分析(PCA),結(jié)果表明(圖7)前兩個(gè)軸共同解釋了66.6%的變異,第一主成分軸貢獻(xiàn)率為42.8%。CK與NPK處理在軸1上的排序較高,說明兩者處理下土壤pH與EC值較高,且對于碳氮在甘薯地上部的分配以及地下部C/N的解釋度較高。此外,施用有機(jī)肥處理(M 與MNPK)下土壤SOC、TN、AP以及AK含量較高,且對于碳氮在甘薯地下塊根部分的分配基于地上部C/N的解釋度較高。
本研究表明,長期NPK化肥配施有機(jī)肥料,相較化肥或有機(jī)肥料單一施用,能顯著提高甘薯及其各器官生物量與干物質(zhì)量(表 3);且長期單施化肥與長期單施有機(jī)肥料對甘薯生物量的增產(chǎn)效果相一致。這一結(jié)果表明,以化肥為基礎(chǔ)的旱作農(nóng)田種植系統(tǒng)通過有機(jī)肥料的添加能夠?qū)崿F(xiàn)作物的更高生產(chǎn)力,這與許多其他長期添加有機(jī)肥的定位試驗(yàn)結(jié)果[14-16]相一致。這很大程度上歸因于外源有機(jī)肥料的添加,土壤有機(jī)碳、全氮含量的提高以及土壤養(yǎng)分有效性的提升[17-18]。以上結(jié)論同樣在本研究得到驗(yàn)證(表 2)。這源于有機(jī)肥料對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的重塑,通過介導(dǎo)根際微生物的代謝能力(包括水分的運(yùn)輸、養(yǎng)分的傳遞以及能量的交換等)實(shí)現(xiàn)對作物產(chǎn)量的影響[19-20]。其次,甘薯等塊根類作物,土壤鉀素的含量及其有效性是其生物量形成的關(guān)鍵[21-22],前人研究[23]證實(shí)添加有機(jī)肥料能夠提高潮土的土壤速效鉀含量,也能顯著改變土壤堿性陽離子的交換量[24],而且在本研究的結(jié)果中,有機(jī)肥料同樣顯著提高了土壤速效鉀含量(表2);但有機(jī)肥料對土壤鉀素有效性的影響,不同長期試驗(yàn)的結(jié)果差異很大[25],這可能與不同有機(jī)物料的特征以及土壤類型有關(guān)。第三,已有研究[26]表明作物生育期進(jìn)行肥料的分次施用能夠提高甘薯對養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而提高生物量,有機(jī)肥料的添加對土壤具有一定的養(yǎng)分緩釋作用[27-28],本研究中施用有機(jī)肥料有利于甘薯生物量的增加。因此,長期化肥施用配合有機(jī)肥料添加對甘薯的增產(chǎn)效果最為顯著。
甘薯生物量的形成是光合產(chǎn)物積累與分配的過程,而產(chǎn)量的形成取決于庫源關(guān)系的調(diào)控,促進(jìn)C、N同化物向甘薯塊根的運(yùn)轉(zhuǎn),是提高甘薯產(chǎn)量及養(yǎng)分利用效率的關(guān)鍵[29]。在本研究中,有機(jī)肥料的添加,同樣影響了作物碳同化過程與碳同化物在作物體內(nèi)的分配,有機(jī)肥料配合化肥提高了甘薯葉片C、N含量(圖1、圖2),進(jìn)而提高了甘薯對C、N的固持量(圖3)。前人研究表明,土壤中養(yǎng)分的可利用性會(huì)改變碳在作物地上部分與地下部分的分配[30]。有機(jī)肥料的添加通過激發(fā)效應(yīng)能夠提高土壤氮素的可利用性[31],進(jìn)而使氮素更容易被作物吸收,提高作物對氮素的吸收效率,因此通過地上部光合作用形成的碳同化物向地下根系部分運(yùn)輸量減少[10,32];此外,植株的碳同化過程與氮積累過程存在正相關(guān)關(guān)系,植株氮吸收效率的提高同樣促進(jìn)了葉片的光合作用[33],因此有機(jī)肥料的添加通過提高土壤氮素的可利用性,進(jìn)而改變了碳同化物在植株體內(nèi)的分配,提高了地上部的碳氮含量。此外,相對NPK化肥施用,增施有機(jī)肥料降低了氮素在葉片的分配比例(圖5),提高了葉片的C/N比(圖6),同時(shí)提高了氮素在塊根的分配比例(圖5)?;誓軌蝻@著降低葉片C/N,說明甘薯葉片生長旺盛,在葉片部分同化了大量光合產(chǎn)物,不利于光合產(chǎn)物向地下根系的轉(zhuǎn)運(yùn)[34-35],因此會(huì)降低碳氮在地下部分的分配比例,進(jìn)而限制塊根類作物產(chǎn)量的增加。另一方面,由長期施用化肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、可利用性養(yǎng)分含量降低,作物生長會(huì)受到磷限制,葉片擴(kuò)展受到影響,進(jìn)而限制葉片通過光合作用實(shí)現(xiàn)碳固定功能[36-37],進(jìn)而導(dǎo)致了葉片內(nèi)碳同化物降低,提高了葉片C/N,而本研究中長期施用化肥(NPK)相較有機(jī)肥料添加處理,土壤速效磷含量顯著下降(表 2),也反映了長期施用化肥引起磷虧缺限制。
由于有機(jī)肥料本身具有大量含碳有機(jī)化合物,能夠直接增加土壤有機(jī)碳含量[38],此外大量外源碳的輸入,為土壤微生物提供了大量養(yǎng)分,促進(jìn)了微生物的豐度與活性,促進(jìn)了土壤養(yǎng)分的循環(huán)過程[39]。因此,長期添加有機(jī)肥料,能夠顯著增加土壤有機(jī)碳、全氮含量,并改善土壤養(yǎng)分的可利用性,本研究的結(jié)果也同樣證明了這一結(jié)論。同時(shí),本研究發(fā)現(xiàn)長期施肥條件下土壤養(yǎng)分狀況的改善,能夠提高碳氮在甘薯地下塊根中的分配比例;而土壤pH與EC的升高會(huì)促使碳氮更多向甘薯地上部積累(圖7)。土壤性質(zhì)一方面在養(yǎng)分可利用性方面影響作物營養(yǎng)進(jìn)而改變碳氮在植物體內(nèi)的分配[40];另一方面,可能由土壤理化性質(zhì)改變引起了生理脅迫也可能是影響植物碳氮分配的關(guān)鍵因素[41]。該研究發(fā)現(xiàn),長期施有機(jī)肥通過改善土壤養(yǎng)分狀況(表2),促進(jìn)了甘薯對養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而促進(jìn)了碳氮在塊根部分的積累與分配、提高了甘薯產(chǎn)量的形成[18];同時(shí),由于養(yǎng)分更易獲得,使葉片通過光合作用產(chǎn)生的碳同化物更多被保留在地上部分,減少了向地下部轉(zhuǎn)運(yùn)的部分[10],因此地上部的 C/N升高。反之,長期不施肥或者長期施用化肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化、土壤養(yǎng)分的可利用性下降,光合產(chǎn)物更多地被運(yùn)轉(zhuǎn)至地下部用于土壤養(yǎng)分的獲取[42-43],地下部 C/N提高、碳氮的積累受限,故不利于甘薯產(chǎn)量的形成。
長期NPK化肥配施有機(jī)肥,相較有機(jī)肥或化肥單一施用,甘薯生物量與干物質(zhì)量顯著提高;同時(shí)甘薯地上部與地下部碳氮的固持量以及土壤全氮、速效鉀含量均顯著提高。對于碳氮在甘薯不同器官內(nèi)更多被分配于塊根部分,且增施有機(jī)肥料后,與NPK化肥施用相比,降低了氮素在葉片的分配比例,提高了葉片的C/N,同時(shí)提高了氮素在塊根的分配比例。通過相關(guān)性分析與主成分分析結(jié)果表明,土壤養(yǎng)分狀況的改善,能夠合理調(diào)配各器官C/N,提高碳氮在甘薯地下塊根部分的分配比例,促進(jìn)甘薯產(chǎn)量的形成。