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      有機(jī)肥和化肥不同比例配施對(duì)冬小麥—夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

      2013-04-29 23:31:11李占等
      山東農(nóng)業(yè)科學(xué) 2013年7期
      關(guān)鍵詞:品質(zhì)化肥有機(jī)肥

      李占等

      摘要:為尋求合理的有機(jī)肥替代化肥比例,探索有機(jī)肥和化肥配施對(duì)冬小麥-夏玉米生長(zhǎng)、產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,在山東典型農(nóng)區(qū),采取大田小區(qū)試驗(yàn),設(shè)5個(gè)施肥處理:(1)100%有機(jī)肥(M),(2)75%有機(jī)肥+25%化肥配施(MNPK1),(3)50%有機(jī)肥+50%化肥配施(MNPK2),(4)25%有機(jī)肥+75%化肥配施(MNPK3),(5)100%化肥(NPK),以不施任何肥料的地塊為對(duì)照(CK)。結(jié)果顯示:以MNPK3處理冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量最高,達(dá)12 565.95 kg/hm2(其中,冬小麥6 188.15 kg/hm2、夏玉米6 377.79 kg/hm2),較對(duì)照提高1.20倍(其中,冬小麥90.5%、夏玉米1.59倍),與NPK處理產(chǎn)量差異不顯著。有機(jī)肥與化肥不同配比處理,冬小麥-夏玉米籽粒粗蛋白含量均有所提高,以成熟期籽粒粗蛋白含量為例, 75%有機(jī)肥與25%的化肥配比處理效果顯著,冬小麥粗蛋白含量較對(duì)照提高1.29倍,較化肥提高3%,夏玉米粗蛋白較對(duì)照提高53%,較化肥提高7%。100%有機(jī)肥處理冬小麥籽粒面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和沉淀值均明顯改善,較全化肥處理分別提高3.95%、4.32%、降低2.55%。在兼顧產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)等因素下,利用常規(guī)化肥用量的75%其余虧缺的養(yǎng)分用有機(jī)肥補(bǔ)充,能獲得比單施化肥處理更高的產(chǎn)量,并在一定程度上改善作物品質(zhì),減少過(guò)度使用化肥造成的環(huán)境污染。

      關(guān)鍵詞:有機(jī)肥 ;化肥 ;產(chǎn)量; 品質(zhì)

      中圖分類(lèi)號(hào):S147.21+1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào):A文章編號(hào):1001-4942(2013)07-0071-08

      近年來(lái),大量使用化肥并沒(méi)有明顯提高作物產(chǎn)量[1,2],而不合理施用化肥引發(fā)的土壤肥力下降、土壤板結(jié)、環(huán)境污染等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題日益凸顯出來(lái)[3~5]。以氮肥為例,中國(guó)是世界上最大的氮肥生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)[6],早在1998年中國(guó)農(nóng)業(yè)化學(xué)氮肥施用量就已突破2 470×104 t,占世界同期氮肥用量的29.7%[7]。因此,在保證糧食產(chǎn)量不下降乃至增長(zhǎng)的基礎(chǔ)上,尋找合理的化肥施用措施是當(dāng)今生態(tài)農(nóng)業(yè)急需突破的重要課題。

      降低化肥用量,減少化肥對(duì)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境的破壞,秸稈過(guò)腹還田是一種好思路。一方面,中國(guó)農(nóng)村秸稈豐富,但大部分直接焚燒,到處堆放[8],影響了村容,急需為秸稈尋找出路;另一方面,秸稈焚燒造成了大量生物質(zhì)資源浪費(fèi),農(nóng)作物秸稈含有大量的氮、磷、鉀和微量元素,具有很大的綜合利用價(jià)值[9]。目前,全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的秸稈每年為(1 000 ~ 2 000)×108 t ,中國(guó)約6.4×108 t[10]。通過(guò)適當(dāng)?shù)那噘A加工,把秸稈作為飼料喂牛等大型反芻動(dòng)物并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥,再配施一定的化肥,可改善土壤養(yǎng)分狀況,有力保障作物增產(chǎn)[11,12]。畜禽糞便中包含農(nóng)作物所必需的氮、磷、鉀等多種營(yíng)養(yǎng)成分[13],施入土壤后可改良土壤結(jié)構(gòu),提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,增加土壤微生物、有益動(dòng)物(如蚯蚓)數(shù)量,促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn),并可提高作物品質(zhì)[14~16]。盡管?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的報(bào)道很多,但基于秸稈—飼料加工—肉牛養(yǎng)殖—牛糞還田的完整試驗(yàn)卻不多。采取多大比例的有機(jī)肥,既能保障產(chǎn)量還能改善作物品質(zhì),類(lèi)似試驗(yàn)在大田上的應(yīng)用研究尚不多。

      為探索適合中國(guó)特點(diǎn)的生態(tài)農(nóng)業(yè)之路,本研究團(tuán)隊(duì)在山東沂蒙山區(qū)山前平原開(kāi)展長(zhǎng)期定位研究,本試驗(yàn)就是通過(guò)秸稈過(guò)牛腹得到的有機(jī)肥替代部分化肥的方法長(zhǎng)期定位來(lái)探討這種施肥模式對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,從而確定合理的施肥量,為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的糧食生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

      1材料與方法

      1.1試驗(yàn)地點(diǎn)

      試驗(yàn)在位于山東省平邑縣蔣家莊的山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)定位站(35°26′34′′N(xiāo), 117°49′13′′E)進(jìn)行。該定位站利用秸稈養(yǎng)殖肉牛達(dá)120頭,年產(chǎn)牛糞約500 t,全部歸還農(nóng)田,充足的有機(jī)肥來(lái)源保證了有機(jī)肥料的供應(yīng)。定位站所在農(nóng)田為山東沂蒙山區(qū)山前小平原,耕地類(lèi)型為中低產(chǎn)田,土壤為棕壤,0~20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量10.6 g/kg、全氮含量0.76 g/kg 、速效磷含量10 mg/kg、速效鉀含量60 mg/kg、緩效鉀含量628.5 mg/kg。根據(jù)定位站自動(dòng)氣象站記錄數(shù)據(jù),多年平均氣溫13.5℃,平均無(wú)霜期211 d,年平均降水量771.8 mm。

      1.2供試材料

      供試作物為冬小麥(品種為良星99)、夏玉米(品種為鄭單958)。供試肥料為尿素(N 46%)、過(guò)磷酸鈣(P2O5 12%)、硫酸鉀(K2O 51%)、腐熟牛糞(烘干牛糞全N 0.21%,P2O5 0.09%,K2O 0.11%)。

      1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      本試驗(yàn)為大田小區(qū)試驗(yàn),肥料處理為有機(jī)肥替代部分化肥,各處理按照氮磷鉀含量相同原則,設(shè)6個(gè)處理:(1)100%有機(jī)肥(M);(2)75%有機(jī)肥+25%化肥配施(MNPK1);(3)50%有機(jī)肥+50%化肥配施(MNPK2);(4)25%有機(jī)肥+75%化肥配施(MNPK3);(5)100%化肥(NPK);(6)以不施任何肥料的地塊為對(duì)照(CK)。有機(jī)肥和磷、鉀肥作為基肥一次性施入,冬小麥季將尿素分基肥、追肥(拔節(jié)期)各一半施加;夏玉米季1/3尿素基施,2/3尿素在玉米喇叭口期追施。試驗(yàn)小區(qū)面積為51.2 m2(3.2 m×16 m),完全隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)6次。采用多點(diǎn)取樣和測(cè)產(chǎn)的方法,常規(guī)大田管理。

      施肥標(biāo)準(zhǔn)為玉米季根據(jù)氮素用量150 kg/hm2的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算所需牛糞的總量為71 428.57 kg/hm2,再根據(jù)牛糞中磷和鉀的含量,計(jì)算出完全有機(jī)肥處理中磷用量64.28 kg/hm2,鉀用量78.57 kg/hm2,其余處理根據(jù)有機(jī)肥中氮磷鉀的含量,不足部分由尿素、過(guò)磷酸鈣、硫酸鉀補(bǔ)充,保證氮磷鉀含量與有機(jī)肥處理相同。小麥季為全氮225 kg/hm2,按照同樣的方法可以計(jì)算小麥季各處理的施肥量。

      1.4 測(cè)定指標(biāo)

      1.4.1農(nóng)藝性狀于作物(冬小麥-夏玉米)開(kāi)花后0、10、20、30 d分別取樣,每小區(qū)隨機(jī)取30株作物,測(cè)量株高、葉面積。將植株的莖、葉及籽粒分開(kāi),在105℃殺青,75℃烘至恒重,稱重。冬小麥-夏玉米成熟后,于每小區(qū)進(jìn)行測(cè)產(chǎn),待籽粒自然風(fēng)干后,測(cè)定百粒重。

      1.4.2品質(zhì)指標(biāo)于作物(冬小麥-夏玉米)開(kāi)花后7、14、21、28、35 d分別取籽粒,自然風(fēng)干,用于品質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。籽粒粗蛋白含量采用半微量凱氏定氮法;粗脂肪含量采用索氏提取器法;濕面筋含量采用瑞典Falling Number公司的Glutomatic System 2200型洗面筋機(jī),依AACC38-12號(hào)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定[17]。粉質(zhì)儀指標(biāo)用Brabender粉質(zhì)測(cè)定儀,依AACC方法54-21測(cè)定[18~20]

      1.5數(shù)據(jù)處理

      采用Microsoft Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù),文中數(shù)據(jù)均為各處理的平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)誤差。采用DPSv 7.05軟件進(jìn)行顯著性分析,用SigmaPlot 10.0軟件作圖。

      2結(jié)果與分析

      2.1有機(jī)肥和化肥不同比例配施對(duì)冬小麥-夏玉米葉面積和株高的影響

      2.1.1對(duì)冬小麥葉面積和株高的影響作物葉面積影響干物質(zhì)積累和產(chǎn)量的形成,是重要的植物生理生態(tài)指標(biāo)。葉面積增加,有利于提高作物光合產(chǎn)量,增加作物產(chǎn)量和生物量。由圖1-A可以看出,開(kāi)花后10 d,25%有機(jī)肥+75%化肥配施(MNPK3)處理和100%化肥處理(NPK)能顯著提高冬小麥葉面積。

      2.1.2對(duì)夏玉米葉面積和株高的影響不同施肥處理的夏玉米葉面積變化動(dòng)態(tài)基本一致,即隨著夏玉米的生長(zhǎng)葉面積逐漸增大,達(dá)到峰值后開(kāi)始下降(圖1-C)。在整個(gè)生育期中各施肥處理的葉面積均比CK顯著提高(P<0.05)。在成熟期單株葉面積大小依次為MNPK3>MNPK1>M>NPK>MNPK2>CK,說(shuō)明有機(jī)肥替代部分化肥在一定程度上提高了夏玉米單株葉面積。

      由圖1-D看出,夏玉米株高在開(kāi)花后30 d內(nèi)均表現(xiàn)為增長(zhǎng)的趨勢(shì)。成熟期除對(duì)照外各處理株高差異不顯著。

      2.2有機(jī)肥和化肥不同比例配施對(duì)冬小麥-夏玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

      2.2.1對(duì)冬小麥地上部干物質(zhì)積累和分配的影響由圖2-A可以看出,隨著生育進(jìn)程,CK和各施肥處理單株干物質(zhì)都在增加。收獲期各處理地上部單株干物質(zhì)積累表現(xiàn)為M>MNPK3>NPK>MNPK1>MNPK2>CK。由圖2-B可以看出,在開(kāi)花后30 d即成熟期時(shí),各處理之間籽粒重表現(xiàn)為MNPK3>M >NPK>MNPK1 >MNPK2>CK。由圖2-C可以看出,單株冬小麥葉重在開(kāi)花后10 d左右達(dá)到峰值,隨著后期衰老進(jìn)程,單株葉重均有不同程度的下降,成熟期單株葉重NPK>MNPK3>M>MNPK1>MNPK2>CK。由圖2-D可以看出,M處理單株莖重最大,和其他處理之間差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。從整個(gè)生育期看,有機(jī)肥和化肥配施的MNPK3處理,在單株莖重和單株重上低于M處理,但單株籽粒重卻最大,二者差異不顯著。

      2.2.2對(duì)夏玉米地上部干物質(zhì)積累和分配的影響在開(kāi)花后30 d即達(dá)到成熟期時(shí),不同施肥處理之間籽粒重差異不顯著均與對(duì)照差異顯著(圖3-C);隨著生育進(jìn)程,各處理單株干物質(zhì)都在增加,在開(kāi)花后10 d增長(zhǎng)較快,收獲期各處理地上部單株干物質(zhì)積累MNPK2>MNPK3>NPK>MNPK1>M>CK(圖3-D),說(shuō)明有機(jī)肥與化肥合理配施有利于提高夏玉米地上部干物質(zhì)積累。

      2.3有機(jī)肥和化肥不同比例配施對(duì)冬小麥-夏玉米產(chǎn)量的影響

      從2009年10月至2012年10月3年的產(chǎn)量數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)可以看出, 2010年冬小麥-夏玉米產(chǎn)量較高,可能是因?yàn)榧尤胗袡C(jī)肥土壤養(yǎng)分齊全,在一定程度上促進(jìn)了作物生長(zhǎng)。從周年產(chǎn)量看以MNPK2處理產(chǎn)量最高,與MNPK1、NPK處理差異不顯著(P>0.05),和M處理差異顯著(P<0.05)。2011年冬小麥-夏玉米周年產(chǎn)量以MNPK2和NPK處理較高,二者之間差異不顯著(P>

      從2011、2012年的產(chǎn)量可以看出,M處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量有增加的趨勢(shì),增施有機(jī)肥改善了土壤的理化性質(zhì),可以提高產(chǎn)量,但有機(jī)肥是長(zhǎng)效肥料,短時(shí)間內(nèi)優(yōu)勢(shì)不顯著。隨著有機(jī)肥增施年限的增加,土壤環(huán)境的改善,M處理的優(yōu)勢(shì)會(huì)逐漸突出。

      2.4有機(jī)肥和化肥不同比例配施對(duì)冬小麥-夏玉米品質(zhì)的影響

      2.4.1對(duì)冬小麥籽粒品質(zhì)的影響各施肥處理冬小麥籽粒中粗蛋白含量與對(duì)照相比均有提高(圖4-A),在小麥的整個(gè)生育過(guò)程中,籽粒粗蛋白含量呈上升趨勢(shì)。MNPK2、MNPK1和M處理籽粒粗蛋白增幅最大值出現(xiàn)在開(kāi)花后21 d左右;MNPK3、NPK處理增幅最大值出現(xiàn)在開(kāi)花后28 d左右;MNPK2處理籽粒粗蛋白含量最高,其次是MNPK3,且二者之間差異不顯著,說(shuō)明有機(jī)肥和化肥配施,能明顯提高籽粒粗蛋白含量。

      各施肥處理籽粒的粗脂肪含量均比不施肥的對(duì)照有所提高(如圖4-B所示),其中M處理最高,和MNPK1處理差異不顯著(P>0.05),和其他施肥處理差異顯著 (P<0.05)。有機(jī)肥和化肥配施且比例較合適(MNPK1)可以顯著增加粗脂肪含量,改善品質(zhì)。

      增施有機(jī)肥對(duì)濕面筋含量的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律,但表征蛋白質(zhì)含量的沉淀值、面團(tuán)形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間各處理之間差異顯著(表2)。M處理的冬小麥

      面團(tuán)形成時(shí)間最長(zhǎng),與NPK處理之間差異不顯著(P>0.05),和其他配比施肥處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05),且各配比處理差異不顯著。面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間反映面團(tuán)的耐揉性和強(qiáng)度,穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng),面團(tuán)韌性越好,面筋強(qiáng)度越大[23,24],M處理的冬小麥面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間最長(zhǎng),依次為M>NPK>MNPK3>MNPK2>MNPK1>CK,且M處理與各處理間差異顯著(P<0.05)。MNPK3處理沉淀值最高,但與NPK和MNPK2處理差異不顯著(P>0.05),和其他處理差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)。

      2.4.2對(duì)夏玉米籽粒品質(zhì)的影響由圖5-A所示,隨著夏玉米的生長(zhǎng)發(fā)育,不同施肥處理夏玉米籽粒粗蛋白含量增加,在整個(gè)生育過(guò)程中,表現(xiàn)為:M>MNPK1>MNPK2 >MNPK3>NPK >CK,M處理與MNPK1處理差異不顯著(P>0.05),說(shuō)明施用有機(jī)肥可增加籽粒中粗蛋白含量。

      粗脂肪對(duì)玉米品質(zhì)有重要的影響,在一定程度上提高玉米籽粒粗脂肪含量能極顯著改善玉米的品質(zhì)[25]。研究表明:高氮并不利于粗脂肪含量的增加,只有合適的氮水平才有利于粗脂肪含量的增加[26]。由圖5-B看出,夏玉米籽粒粗脂肪含量以NPK處理最高,MNPK3及M處理較低,說(shuō)明單施有機(jī)肥并未增加夏玉米籽粒粗脂肪的含量。

      3結(jié)論與討論

      以往研究表明,有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施處理對(duì)土壤養(yǎng)分提高幅度大于單施化肥處理,各土壤養(yǎng)分指標(biāo)均有所提高[28]。有機(jī)肥和化肥配施比例合適能快速提高土壤肥力、作物產(chǎn)量和影響產(chǎn)量的因子,并提高水分利用率和氮素利用率[29,30]。本試驗(yàn)表明,利用常規(guī)化肥量的75%、其余虧損的氮以有機(jī)肥補(bǔ)充(MNPK3),這樣的施肥方式不僅不會(huì)使冬小麥-夏玉米產(chǎn)量下降明顯(表1),在一定程度上緩解了因過(guò)量施用化肥對(duì)環(huán)境、土壤、大氣帶來(lái)的破壞,同時(shí)也解決了秸稈堆積和焚燒的問(wèn)題。MNPK3處理在一定程度上增加土壤的微生物數(shù)量,提高其活性,改善了土壤結(jié)構(gòu)以及土壤系統(tǒng)的微環(huán)境,活化了土壤,另外有機(jī)肥和化肥配施為作物后期生長(zhǎng)提高充足的營(yíng)養(yǎng)成分,為最終獲得高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

      蛋白質(zhì)和脂肪是作物品質(zhì)常有的兩個(gè)指標(biāo)。研究表明[31,32],增加有機(jī)肥可以提高粗蛋白含量。本研究結(jié)果表明,有機(jī)肥和化肥配施且比例合適(MNPK3)粗蛋白含量較NPK處理、不施肥處理,冬小麥分別提高3%、129%;夏玉米分別提高7%、53%。表征冬小麥籽粒蛋白特性的面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和沉淀值均有所改善,100%有機(jī)肥處理冬小麥籽粒面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間和沉淀值均明顯改善,較全化肥處理分別提高3.95%、4.32%、降低2.55%(表2)。

      中國(guó)的長(zhǎng)期試驗(yàn)起步較晚,世界上有機(jī)無(wú)機(jī)配施的試驗(yàn)很多,盡管各試驗(yàn)施肥處理設(shè)置不盡相同,但從結(jié)果中仍可以看出,各施肥制度中,化肥與有機(jī)肥的配施具有最高的產(chǎn)量,化肥單施產(chǎn)量高于有機(jī)肥的單獨(dú)施用[27,33,34]。本研究長(zhǎng)期試驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行3年,在冬小麥-夏玉米輪作的大田施肥,對(duì)其產(chǎn)量的影響基本與其他試驗(yàn)結(jié)果一致。然而,這些試驗(yàn)均只進(jìn)行了3年左右,相對(duì)于其他長(zhǎng)期定位試驗(yàn)來(lái)講只是開(kāi)始階段,隨著施肥處理時(shí)間的延長(zhǎng),有機(jī)肥、化肥、有機(jī)肥和化肥配施處理之間的產(chǎn)量差異是否能繼續(xù)保持這種趨勢(shì)仍需驗(yàn)證。

      綜上所述,有機(jī)肥和化肥配施在一定程度上可以提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量,只是有機(jī)肥和化肥配施的合適比例和有機(jī)肥優(yōu)勢(shì)是長(zhǎng)效肥料,需要長(zhǎng)期觀測(cè),所以在短時(shí)間內(nèi)難以看出明顯規(guī)律。本試驗(yàn)表明,在兼顧產(chǎn)量和籽粒品質(zhì)等因素下,利用常規(guī)化肥用量的75%其余虧缺的養(yǎng)分用有機(jī)肥補(bǔ)充,能獲得比單施化肥處理更高的產(chǎn)量,并在一定程度上大大改善作物品質(zhì),減少過(guò)度施用化肥造成的環(huán)境污染,為作物大田生產(chǎn),確定合理的施肥量,為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的糧食生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

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