不同有機培肥措施對寧南山區(qū)新修梯田馬鈴薯光合特性及產(chǎn)量的影響研究

岳自慧，劉 平

(寧夏回族自治區(qū)水利科學研究院，寧夏 銀川 750021)

寧夏南部山區(qū)(簡稱“寧南山區(qū)”)處于我國北方黃土高原半干旱區(qū)，是全國有名的低產(chǎn)缺糧區(qū)，也是全國生態(tài)最脆弱的地區(qū)之一，山大坡陡，侵蝕程度以中度以上為主，平均侵蝕模數(shù)為5 000～10 000 t/(km2·a)[1]。該區(qū)無灌溉條件，作物生長依靠自然降雨，屬于典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)[2-3]，極易受干旱威脅。水平梯田的建設(shè)對改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境、減少水土流失、穩(wěn)定糧食產(chǎn)量起到了非常重要的作用。寧南山區(qū)規(guī)模性的水平梯田建設(shè)自20世紀90年代開始，建設(shè)部門有水利、國土、財政、扶貧、農(nóng)業(yè)等相關(guān)部門，其中水利水保部門在寧南山區(qū)開展了國家坡耕地水土流失綜合治理工程、國家農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水土保持項目、國家水土保持重點建設(shè)工程等，建設(shè)了大量的水平梯田，水土保持效果非常明顯，促進了當?shù)亟?jīng)濟發(fā)展。截至2020年底，寧南山區(qū)已建設(shè)水平梯田31.56萬hm2，但由于水平梯田建設(shè)過程中土壤理化性狀發(fā)生了較大改變，因此建設(shè)初期耕地質(zhì)量、保水保土能力、糧食產(chǎn)量下降明顯，急需完善新修水平梯田耕地質(zhì)量提升技術(shù)，尤其是以作物秸稈翻壓配施生物有機肥為主的有機培肥技術(shù)，為寧南山區(qū)及周邊地區(qū)合理利用作物秸稈、提升新修水平梯田土壤質(zhì)量提供理論支撐。

寧夏回族自治區(qū)水利科學研究院對寧南山區(qū)水平梯田建設(shè)初期種植作物的合理性選擇開展了長期的研究，研究結(jié)果表明：馬鈴薯可以作為寧南山區(qū)水平梯田修建初期種植的先鋒作物，坡耕地改梯田后的前2年，種植馬鈴薯不僅不會出現(xiàn)減產(chǎn)現(xiàn)象，還可實現(xiàn)增產(chǎn)；水平梯田建設(shè)后3～5年，種植作物可以選擇馬鈴薯、玉米、豆類和牧草等；水平梯田建設(shè)5年后，種植作物不再受限。本研究針對寧南山區(qū)新修梯田土壤貧瘠、農(nóng)村農(nóng)家肥日益緊缺、化學培肥不利于土壤持續(xù)利用等問題，選擇新修梯田先鋒作物馬鈴薯為參試作物，開展作物秸稈配施生物菌肥、作物秸稈配施益生菌等新的耕地質(zhì)量提升技術(shù)研究，旨在揭示作物秸稈配施生物菌肥及益生菌后馬鈴薯光合特性和產(chǎn)量的變化規(guī)律，進一步豐富寧南山區(qū)新修梯田耕地質(zhì)量提升技術(shù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處寧夏彭陽縣白陽鄉(xiāng)玉洼村境內(nèi)，位于彭陽縣城西北30 km，屬黃土高原中部丘陵溝壑區(qū)，為黃土丘陵地貌，以梁、臺、壕、掌形式出現(xiàn)，海拔1 671～1 867 m，地形起伏較大，溝谷縱橫。該區(qū)地處溫帶半干旱區(qū)，為大陸性季風氣候，春季氣溫多變，夏季短暫涼爽，秋季降溫迅速，冬季寒冷漫長，多年平均氣溫7.4 ℃，無霜期120～160 d，多年平均降水量440 mm，且季節(jié)分布不均，7—9月降水量占全年的67%左右。研究區(qū)地帶性植被類型為半干旱草原，有鐵桿蒿、長芒草、茭蒿、百里香等草原草種和雜類草草甸草種，植被覆蓋率30%左右。人工栽培樹種主要有山桃、山杏、沙棘、檸條、油松等，種植作物以馬鈴薯、玉米、春小麥、冬小麥為主。

2 試驗設(shè)計與方法

2.1 試驗設(shè)計

試驗地為2019年秋季新修的水平梯田，底肥條件一致。參試作物為馬鈴薯(青薯6號)，4月中下旬播種，穴播，行距70 cm、株距40 cm。試驗采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為200 m2(25 m×8 m)，作物秸稈選擇小麥和玉米秸稈，還田量均按照每公頃生物量進行全量還田，再折算到每個試驗小區(qū)。試驗設(shè)計如下：

設(shè)計一：①處理1(XT0)，只翻壓小麥秸稈；②處理2(XT1)，小麥秸稈+復合肥600 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥施用量為12 kg；③處理3(XT2)，小麥秸稈+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小區(qū)生物菌肥施用量為45 kg；④處理4(XT3)，小麥秸稈+益生菌150 kg/hm2，折合到小區(qū)益生菌施用量為3 kg；⑤處理5(XT4)，小麥秸稈+復合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥和生物菌肥施用量分別為6和45 kg；⑥處理6(XT5)，小麥秸稈+復合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥和益生菌施用量分別為6 和3 kg。每個處理設(shè)3個重復。同時選擇試驗小區(qū)周邊種植區(qū)域作為空白對照(CK)。

設(shè)計二：①處理1(YT0)，只翻壓玉米秸稈；②處理2(YT1)，玉米秸稈+復合肥600 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥施用量為12 kg；③處理3(YT2)，玉米秸稈+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小區(qū)生物菌肥施用量為45 kg；④處理4(YT3)，玉米秸稈+益生菌150 kg/hm2，折合到小區(qū)益生菌施用量為3 kg；⑤處理5(YT4)，玉米秸稈+復合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥和生物菌肥施用量分別為6和45 kg；⑥處理6(YT5)，玉米秸稈+復合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2，折合到小區(qū)復合肥和益生菌施用量分別為6 和3 kg。每個處理設(shè)3個重復。同時選擇試驗小區(qū)周邊種植區(qū)域作為空白對照(CK)。

2.2 測定內(nèi)容與方法

2.2.1 葉綠素含量

在馬鈴薯膨大期用便攜式葉綠素測定儀在田間試驗小區(qū)直接測定馬鈴薯功能葉片的葉綠素含量，每個處理測5片葉。

2.2.2 光合特性

選擇晴天用CIRS-1型便攜式光合儀，采用標準葉室，開放式氣路，從9:00到17:00每隔2 h測定各處理馬鈴薯的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、細胞間隙CO2濃度、葉溫、大氣溫度、光合有效輻射、相對濕度、空氣CO2濃度等指標。每個小區(qū)選擇生長一致、葉位相同的樣株5株，每株隨機測定3片葉，手工記錄每片葉2組穩(wěn)定讀數(shù)。

2.2.3 馬鈴薯產(chǎn)量

馬鈴薯成熟后，各小區(qū)實打?qū)嵤眨y(tǒng)計馬鈴薯經(jīng)濟產(chǎn)量。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel軟件和SPSS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同有機培肥措施對新修梯田馬鈴薯葉綠素含量的影響

葉綠素是參與光合作用光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化的重要色素，其含量直接影響作物的光合作用和有機物的積累，是反應作物光合生理狀況的一個基本指標[4]。葉片葉綠素含量的高低與光合速率密切相關(guān)，特別是在同化物積累期間，葉片的葉綠素含量與其光合強度呈正相關(guān)，因而葉綠素含量的多少會影響光合作用的強弱，進而對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響[5]。

小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯植株葉綠素含量詳見表1。由表1可知，小麥秸稈翻壓各施肥處理馬鈴薯葉綠素含量較CK分別增加了6.95%、20.86%、40.51%、21.08%、37.98%、27.15%，較只翻壓小麥秸稈的XT0處理分別增加了13.00%、31.37%、13.21%、29.01%、18.89%。

表1 小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯植株葉綠素含量

玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯植株葉綠素含量詳見表2。由表2可知，玉米秸稈翻壓各施肥處理馬鈴薯葉綠素含量較CK分別增加13.08%、26.93%、39.85%、41.83%、43.82%、22.85%，較只翻壓玉米秸稈的YT0處理分別增加了12.25%、23.67%、25.43%、27.18%、8.64%。

表2 玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯植株葉綠素含量

總體來看，翻壓小麥秸稈各處理中XT2對增加馬鈴薯葉綠素含量效果較為顯著，其次是XT4；翻壓玉米秸稈各處理中YT4對增加馬鈴薯葉綠素含量效果較為顯著。

3.2 不同有機培肥措施對新修梯田馬鈴薯光合特性的影響

3.2.1 對新修梯田馬鈴薯凈光合速率的影響

光合速率，是一個描述光合機構(gòu)功能狀況的指標，代表作物在單位時間、單位葉面積吸收的二氧化碳或釋放的氧氣或增加的干物質(zhì)量[6]。

小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯凈光合速率日變化結(jié)果分別見圖1和圖2。由圖1和圖2可看出：小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯光合日變化有明顯的午休現(xiàn)象，午休出現(xiàn)在12:00—13:00；除XT0和YT0處理外，各翻壓秸稈處理的馬鈴薯凈光合速率均高于對照CK；各施肥處理的馬鈴薯凈光合速率高于只翻壓秸稈的處理，XT4和YT4處理高于其他處理?？傮w來看，各施肥處理均能提高馬鈴薯的凈光合速率，XT4和YT4處理對提高馬鈴薯凈光合速率效果較為顯著。

圖1 小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯凈光合速率

圖2 玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯凈光合速率

3.2.2 對新修梯田馬鈴薯蒸騰速率的影響

蒸騰不僅為作物內(nèi)部物質(zhì)、水分運輸提供動力，還有利于光合作用中二氧化碳的固定，其速率高低與作物光合作用密切相關(guān)。

小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯蒸騰速率日變化結(jié)果分別見圖3和圖4。由圖3和圖4可看出：小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯的蒸騰速率日變化均呈單峰曲線，各處理峰值出現(xiàn)在12:00—13:00；各翻壓秸稈處理的馬鈴薯蒸騰速率均低于對照CK，各施肥處理的馬鈴薯蒸騰速率低于只翻壓秸稈處理；XT4、XT5處理馬鈴薯總體蒸騰速率低于其他處理，XT5處理在出現(xiàn)峰值后蒸騰速率降低趨勢變緩，在11:00—13:00時段內(nèi)XT5處理的蒸騰速率低于XT4處理；YT4、YT3處理馬鈴薯總體蒸騰速率低于其他處理，YT4處理較YT3處理的蒸騰速率更低?？傮w來看，各施肥處理均能有效降低馬鈴薯蒸騰速率，XT4、XT5、YT4、YT3處理降低馬鈴薯蒸騰速率效果較為明顯。

圖3 小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯蒸騰速率

3.2.3 對新修梯田馬鈴薯氣孔導度的影響

氣孔是植物葉片與外界環(huán)境進行氣體交換的通道，氣孔開放程度對植物的碳同化、呼吸作用及蒸騰作用具有重要的影響[7]。

小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯氣孔導度日變化結(jié)果分別見圖5和圖6。由圖5和圖6可看出：小麥秸稈翻壓和玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯的氣孔導度日變化呈雙峰曲線，在11:00各處理氣孔導度出現(xiàn)首個峰值，在13:00各處理氣孔導度均出現(xiàn)明顯的低谷，隨后各處理氣孔導度呈上升趨勢，在15:00左右出現(xiàn)第二次峰值，之后各處理都開始下降；XT4和YT5處理比其他各處理的氣孔導度峰值都大。總體來看，XT4和YT5對提高馬鈴薯氣孔導度效果較為顯著。

圖5 小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯氣孔導度

圖6 玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯氣孔導度

3.3 對新修梯田馬鈴薯產(chǎn)量的影響

小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯產(chǎn)量統(tǒng)計結(jié)果見圖7。由圖7可看出，小麥秸稈翻壓各處理中產(chǎn)量最高的是XT4處理，其次是XT5處理。與CK相比，XT0、XT1、XT2、XT3、XT4、XT5處理分別增產(chǎn)11.28%、32.64%、26.02%、22.05%、53.06%、39.54%；與只翻壓小麥秸稈的XT0處理相比，XT1、XT2、XT3、XT4、XT5處理分別增產(chǎn)24.07%、16.62%、12.14%、47.09%、31.85%。

圖7 小麥秸稈翻壓各處理馬鈴薯產(chǎn)量

玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯產(chǎn)量統(tǒng)計結(jié)果見圖8。由圖8可看出，玉米秸稈翻壓各處理中產(chǎn)量最高的是YT4處理，其次是YT5處理。與CK相比，YT0、YT1、YT2、YT3、YT4、YT5處理分別增產(chǎn)33.12%、50.57%、44.78%、38.16%、65.79%、58.91%；與只翻壓玉米秸稈的YT0處理相比，YT1、YT2、YT3、YT4、YT5處理分別增產(chǎn)26.10%、17.43%、7.54%、48.84%、38.55%。

圖8 玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯產(chǎn)量

2013—2017年，寧夏回族自治區(qū)水利科學研究院對寧南山區(qū)不同種植年限梯田馬鈴薯產(chǎn)量進行了系統(tǒng)的監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示：1～2年新修梯田馬鈴薯平均產(chǎn)量為19 041.15 kg/hm2，3～5年梯田為20 228.55 kg/hm2，5年以上梯田為21 596.85 kg/hm2，坡耕地馬鈴薯產(chǎn)量為17 139.0 kg/hm2。2021年馬鈴薯產(chǎn)量低于多年平均產(chǎn)量，主要是2021年為多年來少有的枯水年，研究區(qū)作物生育期4—9月降水量為265.8 mm，其中6—8月均無有效降水，導致馬鈴薯2021年較正常年份減產(chǎn)嚴重。研究區(qū)2021年作物生育期降水量統(tǒng)計情況詳見表3。

表3 項目區(qū)2021年作物生育期降水量統(tǒng)計 mm

4 結(jié) 論

(1)小麥/玉米秸稈各施肥處理均能有效增加馬鈴薯葉片葉綠素含量，翻壓小麥秸稈效果最為顯著的是小麥秸稈+生物菌肥，其次是小麥秸稈+復合肥+生物菌肥，翻壓玉米秸稈效果最為顯著的是玉米秸稈+復合肥+生物菌肥。

(2)小麥/玉米秸稈翻壓各處理均能提高馬鈴薯的凈光合速率，效果較為顯著的是小麥/玉米秸稈+復合肥+生物菌肥。

(3)小麥/玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯的蒸騰速率日變化呈單峰曲線，各施肥處理均能有效降低馬鈴薯蒸騰速率，降低效果較為明顯的是小麥/玉米秸稈+復合肥+生物菌肥、小麥秸稈+復合肥+益生菌、玉米秸稈+益生菌。

(4)小麥/玉米秸稈翻壓各處理馬鈴薯的氣孔導度日變化呈雙峰曲線，提高馬鈴薯氣孔導度效果最為顯著的分別是小麥秸稈+復合肥+生物菌肥和玉米秸稈+復合肥+益生菌。

(5)對馬鈴薯增產(chǎn)效果最顯著的是小麥/玉米秸稈+復合肥+生物菌肥，其次是小麥/玉米秸稈+復合肥+益生菌。

綜合以上，推薦的相關(guān)技術(shù)參數(shù)為：①小麥/玉米秸稈(全量還田)+復合肥300 kg/hm2+生物菌肥2 250 kg/hm2；②小麥/玉米秸稈(全量還田)+復合肥300 kg/hm2+益生菌150 kg/hm2。