化肥減量配施生物肥對花生衰老特性、干物質積累及肥料利用效率的影響

李 峰張 甜王銘倫司 彤王月福張曉軍于曉娜趙紅軍鄒曉霞*

(1.青島農業(yè)大學農學院/山東省旱作農業(yè)技術重點實驗室/山東省花生產業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,山東 青島 266109;2.山東省花生研究所,山東 青島 266100;3.山東省葡萄研究院,山東 濟南 250199)

花生是我國重要的經濟作物和油料作物,在保證食用油脂安全、調整種植業(yè)結構、促進農民增收中具有重要地位。但近年來由于生產過程不合理施肥導致土壤養(yǎng)分失衡,花生固氮能力減弱,土壤有益微生物占比逐年降低,成為限制花生產量和品質提高的重要因素并亟待解決的問題[1]。

活性氧代謝的失調是引起作物葉片早衰減產的重要原因之一[2]。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)是植物活性氧代謝過程中極為重要的保護酶類,在生物體內具有清除氧自由基的作用[3];丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的主要產物之一,其含量多少標志著脂質過氧化水平,是反映氧化傷害的常用指標[4]。因而,常用SOD、POD、CAT活性,MDA含量作為葉片衰老的生理生化指標[5]。眾多研究發(fā)現(xiàn)施肥管理可通過作用于花生衰老特性而影響其產量和品質,適量施肥可降低花生葉片MDA含量,提高SOD、POD、CAT等酶活性,延緩花生衰老、提高產量[6],但過量施肥則導致產量下降,根系干物質量降低,施肥的正效應減弱[7]。

隨著過量施肥導致的作物產量和品質下降問題日益突出[8-9],尋求可行減肥增效方案,對實現(xiàn)農業(yè)高產、優(yōu)質、高效、生態(tài)、安全生產,推動農業(yè)綠色發(fā)展有重要意義。近年來,微生物肥料以其改善土壤環(huán)境、提高土壤肥力、提升作物產量和品質等特點成為研究的熱點[10]。為明確化肥減量配施菌肥措施對實現(xiàn)花生綠色生產的有效性,本試驗選用以黑曲霉菌株MJ1為主效菌的微生物菌肥,設置不同化肥減量配施菌肥處理,系統(tǒng)研究花生各生育期衰老特性和干物質積累特征,明確肥料吸收利用效率,為制定花生減肥增效施肥方案,減少化肥用量、提高肥料利用率、實現(xiàn)花生提質增產提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年在青島農業(yè)大學萊陽校區(qū)試驗田進行,土壤質地為砂壤土,基礎養(yǎng)分含量見表1。供試花生品種為青花7號。供試黑曲霉菌生物肥由青島和協(xié)生物科技有限公司提供,其中含黑曲霉菌粉20%(黑曲霉菌>5億/g),有機肥母粒75%,N、P、K共5%,試驗設計中黑曲霉菌粉和有機母粒與成品生物肥中成分一致;普通復合肥為金正大復合肥(15-15-15)。

表1 供試土壤基礎養(yǎng)分含量與p H值Table 1 Nutrient content and p H of the tested soil

1.2 試驗設計

按施肥種類和施肥量共設6個處理,分別為:T1,不施肥;T2,復合肥50 kg/667 m2(生產常規(guī)用量);T3,復合肥45 kg/667 m2(化肥減量10%)+有機肥母粒10 kg/667 m2;T4,復合肥45 kg/667 m2(化肥減量10%)+黑曲霉菌粉10 kg/667 m2;T5,復合肥45 kg/667 m2(化肥減量10%)+黑曲霉菌生物肥10 kg/667 m2;T6,復合肥40 kg/667 m2(化肥減量20%)+黑曲霉菌生物肥10 kg/667 m2。每小區(qū)長10.0 m、寬3.6 m、面積36 m2。隨機區(qū)組設計,重復3次。采用覆膜起壟種植方式,每小區(qū)4壟,壟距90 cm,每壟2行,壟上小行距35 cm,穴距11 cm(每穴1粒),種植密度13 474穴(株)/667 m2。試驗于5月上旬播種,9月中旬收獲,田間管理同大田生產。

1.3 樣品采集及處理

自花生團棵期開始取樣,每15 d取樣一次直至收獲,每處理(中間4行)每次取10株,測定植株各部位干物質量(DM)和養(yǎng)分積累量,同時在上述采樣時期選取功能葉片(主莖倒3展開葉),放入液氮,運到實驗室后立即轉移至-80℃保存,測定SOD、POD、CAT活性和MDA含量;花生按小區(qū)收獲,莢果自然曬干后入庫,平衡30 d后計產。

采用定氮儀蒸餾滴定法測定全氮含量,采用鉬藍比色法測定全磷含量,采用火焰光度計法測定全鉀含量[11];采用王愛國等[12]的方法測定SOD活性;參照李忠光[13]的方法測定POD活性,按照Chance等[14]的方法測定CAT活性,參照林植芳等[15]的方法測定MDA含量;采用以下公式計算養(yǎng)分積累與肥料利用效率等指標[16-17]:

養(yǎng)分(氮、磷、鉀)積累量(NA)/(g·株-1)=植株養(yǎng)分含量×干物質積累量;

養(yǎng)分(氮、磷、鉀)回收利用效率(NR)/%=(施肥區(qū)植株養(yǎng)分吸收量-不施肥區(qū)植株養(yǎng)分吸收量)/養(yǎng)分施用量×100;

肥料農學利用率(AE)/(kg·kg-1)=(施肥區(qū)產量-不施肥區(qū)產量)/施肥量;

肥料偏生產力(PFP)/(kg·kg-1)=籽仁產量/施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)、圖表處理在Excel 2013下進行,統(tǒng)計及差異顯著性分析采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)LSD法,其中差異顯著(P<0.05),差異極顯著(P<0.01),主成分分析采用Origin 2017完成。

2 結果與分析

2.1 化肥減量配施菌肥對花生衰老特性的影響

花生功能葉片中SOD活性的變化呈單峰曲線,峰值出現(xiàn)在結莢期(7月30日),各處理變化趨勢一致。減肥10%條件下增施黑曲霉菌仍可不同程度提高花生功能葉片的SOD活性,各處理依次表現(xiàn)為:T4>T5>T2>T6>T3>T1。最大值時測定,T4處理功能葉片SOD活性雖與T2和T5處理無明顯差異,但較T3和T1分別提高18.4%和23.1%,差異達顯著或極顯著水平(圖1-A)。

花生生育期內功能葉片POD活性變化趨勢與SOD類似,不同施肥處理對POD活性的影響也與SOD相似。T4處理于7月30日功能葉片POD表現(xiàn)出較高的活性,較T2和T3分別提高13.1%和25.1%,差異均達顯著水平;T5和T6處理較T3和T1處理也分別提高了14.1%、4.8%和18.4%、8.9%,差異均達顯著水平(圖1-B)。

花生出苗后功能葉片CAT活性增加較快,至結莢后期(7月30日)達最大值,而后緩慢下降,各處理變化趨勢一致。黑曲霉菌生物肥的施加可延緩葉片衰老,提高功能葉片CAT活性,以T4處理效果最明顯,T5次之,雖然復合肥減量,但功能葉片一直保持較高的CAT活性,特別是近收獲時仍保持較高的CAT活性,而其他處理活性明顯降低。8月29日測定,T4和T5功能葉片的CAT活性較T2和T3分別提高了14.5%、33.9%和8.0%、26.2%,T6較T3和T1也提高了12.5%和36.3%,差異均達極顯著水平(圖1-C)。

在花生生育期間,功能葉片MDA含量逐漸增加,不同處理表現(xiàn)一致。減肥10%加生物肥的T4和T5處理,功能葉片MDA含量明顯低于其他處理?；ㄉM入生長后期(8月14日),功能葉片開始衰老,MDA含量明顯增加,此時測定T4和T5處理的功能葉片MDA含量較T3分別降低34.4%和19.2%,較T2分別降低27.8%和11.0%,較T1分別降低38.1%和23.7%,差異均達顯著水平;減肥20%的T6處理MDA含量較T3和T1處理分別降低5.2%和10.5%,只較T2處理提高4.4%,差異不明顯(圖1-D)。

圖1 化肥減量配施菌肥對花生功能葉片SOD、POD、CAT活性和MDA含量的影響Fig.1 Effects of fertilizer reduction with microbial fertilizer on SOD,POD,CAT activity and MDA content in peanut functional leaves

2.2 化肥減量配施菌肥對花生干物質量的影響

自6月30日起花生莖干物質量迅速增加,8月29日后增加趨緩,隨著植株的生長,處理間差異增大。9月13日(收獲期)測定,T4處理為27.2 g/株,較T2的25.3 g/株增加7.5%,較T1的18.0 g/株增加51.1%;同為減施復合肥10%,T4和T5處理較T3處理的莖干物質量分別增加32.1%和16.2%,T5處理的只比T2處理減少5.3%;減施復合肥20%的T6處理莖干物質量雖較T2、T4和T5處理有所減少,但仍較T3處理增加10.9%,差異達顯著水平(圖2-A)。

結莢期時花生生殖生長和營養(yǎng)生長并進,而后營養(yǎng)生長基本停止,轉為生殖生長為主,隨著生育進程的推進,花生葉干物質量呈先升高后下降的趨勢,于8月29日達到最大值(圖2-B),此時測定葉干物質量依次表現(xiàn)為:T4>T2>T5>T6>T3>T1,T4和T5較T3分別提高15.6%和11.5%,不同處理間差異達極顯著水平;復合肥減肥20%的T6處理葉干物質量雖不及T4和T5,但較T3提高了5.7%,不同處理間差異顯著(圖2-B)。

隨著花生生殖生長的開始,果針數(shù)量隨之增加,果針干物質量逐漸增長,直至結莢期趨緩,近收獲時測定(9月13日),T4處理果針干物質量最高,較T2和T3分別提高了3.2%和24.3%;T5較T3和T1也分別提高了7.4%和23.0%,差異均達顯著水平;T6較T3也提高了4.6%,但差異不顯著(圖2-C)。

隨著花生莢果發(fā)育膨大,莢果干物質量不斷增加,直至收獲達到最大值,最大值時各處理表現(xiàn)為:T4>T2>T5>T6>T3>T1,此時T4和T2處理莢果干物質量無顯著差異,但較T5和T6分別提高了7.2%和3.1%;T5和T6較T3和T1也分別提高了11.7%、16.7%和5.0%和9.9%,差異均達顯著水平(圖2-D)。

圖2 化肥減量配施菌肥對花生干物質積累的影響Fig.2 Effects of fertilizer reduction with microbial fertilizer on peanut dry matter accumulation

2.3 化肥減量配施菌肥對花生養(yǎng)分積累及肥料利用效率的影響

花生收獲期單株養(yǎng)分(氮、磷、鉀)積累量(NA)均以T4處理最高,其中T4氮積累量與T2和T5差異不顯著,但顯著高于T1、T3和T6,相對其分別提高77.97%、48.55%和28.80%。T4處理磷積累量與T5差異不顯著,但顯著高于T1、T2、T3和T6,相對其分別提高85.21%、16.82%、53.26%和30.84%。T4鉀積累量與T5差異不顯著,但顯著高于T1、T2、T3和T6(表2)。

花生養(yǎng)分(氮、磷、鉀)回收利用效率(NR)均以T4處理最高,且顯著高于其他處理。除T3處理外,各處理氮回收利用效率均超過100%,T4處理顯著激發(fā)了花生的固氮效應,相對于T2、T3、T5和T6處理分別提高44.91%、303.39%、40.57%和86.61%,T2和T5間差異不顯著,但均顯著高于T3和T6處理。T2、T5與T6處理間的磷回收利用效率差異不顯著,但均顯著高于T3處理,T4處理相對于T2、T3、T5和T6分別提高61.71%、318.94%、30.61%和87.34%。T5處理的鉀回收利用效率也顯著高于T2、T3和T6,T2和T6處理間差異不顯著,但均顯著高于T3處理(表2)。

T4和T5處理的肥料農學利用率(AE)均較高,兩者顯著高于T2、T3和T6處理,T2和T6處理間差異不顯著,但均顯著高于T3處理。其中T4處理的肥料農學利用率相對于T2、T3和T6處理分別提高26.55%、133.04%和31.04%,T5處理的肥料農學利用率相對于T2、T3和T6處理分別提高18.12%、117.52%和22.31%(表2)。

T4處理的肥料偏生產力最高(PFP),與T5差異不顯著,但兩者均顯著高于T2、T3和T6處理;T2和T6處理間的肥料偏生產力差異不顯著,但均顯著高于T3。其中T4的肥料偏生產力相對于T2、T3、T5和T6處理分別提高27.51%、155.26%、8.29%和36.08%,T5的肥料偏生產力相對于T2、T3和T6處理分別提高17.75%、135.72%和25.66%(表2)。

表2 化肥減量配施菌肥對花生養(yǎng)分積累及肥料利用效率的影響Table 2 Effects of chemical fertilizer reduction with microbial fertilizer on nutrient accumulation and fertilizer use efficiency of peanut

綜上,化肥減量10%并配施黑曲霉菌肥(T4和T5)相對于常規(guī)施肥(T2)可同等或顯著提高花生植株養(yǎng)分積累量和養(yǎng)分回收利用效率,并顯著提高肥料農學利用率和肥料偏生產力。

2.4 花生衰老特性與干物質積累及肥料利用效率的相關性分析

花生衰老指標與各部位干物質量均呈顯著或極顯著相關(表3)。其中莖、葉和莢果干物質量與SOD、POD和CAT呈極顯著正相關,與MDA含量呈極顯著負相關;果針干物質量與SOD和CAT呈顯著正相關,與POD呈極顯著正相關,與MDA含量呈顯著負相關。

表3 化肥減量配施菌肥條件下花生衰老特性與干物質積累的相關關系Table 3 Correlation between peanut senescence characteristics and dry matter accumulation under chemical fertilizer reduction with microbial fertilizer

各花生衰老指標與植株養(yǎng)分積累及肥料利用效率間呈現(xiàn)不同的相關關系(表4)。其中,SOD與各肥料利用效率指標之間無顯著相關性,但與植株養(yǎng)分(氮、磷、鉀)積累量間存在顯著相關;POD與各肥料利用效率指標之間無顯著相關性,但與植株氮素積累量間存在極顯著相關,與植株磷素和鉀素積累量間存在顯著相關;CAT與肥料農學利用率、肥料偏生產力和養(yǎng)分(氮、磷、鉀)回收利用效率之間呈顯著相關,與植株養(yǎng)分(氮、磷、鉀)積累量存在極顯著相關;MDA與肥料農學利用率、肥料偏生產力、養(yǎng)分(氮、磷、鉀)回收利用效率和植株養(yǎng)分(氮、磷、鉀)積累量之間均呈極顯著負相關。

表4 化肥減量配施菌肥條件下花生衰老特性與植株養(yǎng)分積累及肥料利用效率的相關關系Table 4 Correlation between peanut senescence characteristics and nutrient accumulation and fertilizer use efficiency under chemical fertilizer reduction with microbial fertilizer

2.5 化肥減量配施菌肥作用的主成分分析

添加黑曲霉菌微生物肥的處理比不添加的處理在花生抗衰老、植株干物質量及養(yǎng)分吸收利用等方面要更有優(yōu)勢,為了明確黑曲霉菌微生物肥對相關指標的影響程度,本文以施用微生物菌肥處理的數(shù)據(jù)為基礎,進行主成分分析(圖3)。可以看出,PCA的兩個組成部分共同解釋了97.0%的數(shù)據(jù)變異性。第一主成分區(qū)(PC1)占總變化的60.2%,其中SOD、POD、CAT酶活性、MDA含量和各部位干物質量表現(xiàn)出較高效應。

圖3 黑曲霉菌生物肥作用主成分分析Fig.3 Principal component analysis on Aspergillus niger microbial fertilizer

3 討 論

葉片是植物體與外界進行物質、能量交換的主要器官,因此其衰老程度與植物生理功能密切相關。延緩花生功能葉片衰老、延長其功能期是提高產量的重要生理基礎。劉方春等[18]發(fā)現(xiàn)施用生物肥可以提高冬棗葉片POD和CAT的活性,降低 MDA含量;肖馬云[19]則發(fā)現(xiàn)淡紫擬青霉菌及其生物肥藥能提高香蕉植株緩多酚氧化酶(PPO)和SOD的活性,但對POD活性變化沒有影響。而本研究表明,在花生結莢期和近收獲時,減肥10%后增施黑曲霉菌(T4和T5)較足量復合肥T2處理明顯提高了SOD、POD和CAT活性,降低了MDA含量,且衰老特性與干物質量呈顯著或極顯著相關關系。可見,微生物菌肥可以改善植物的抗衰老特性,延緩作物功能葉片衰老,提高干物質積累量,為產量提升奠定基礎。

花生植株合理的營養(yǎng)生長是取得較高產量的基礎[20]?；ㄉ⑶o、葉等營養(yǎng)體是生殖生長的基礎,也是形成產量的前提條件,在水稻[21]、小麥[22]、玉米[23]、大豆[24]等作物上的研究證實,地上部的生長狀況與經濟產量密切相關,因此保證花生植株的健康生長對穩(wěn)產、增產至關重要。而本研究結果表明,在復合肥減施10%的條件下添加黑曲霉菌(T4和T5)對保障花生莢果干物質積累有積極效果,且可同等或顯著提高花生植株養(yǎng)分積累量和養(yǎng)分回收利用效率,顯著提高肥料農學利用率和肥料偏生產力?；瘜W肥料施用較多是目前我國農業(yè)生產中存在的普遍問題,不僅引發(fā)了一系列負面環(huán)境問題[9,25],而且增加種植成本、降低了農產品品質[8],解決這一問題勢在必行,而配合施用生物肥可作為一條有效探索途徑。