摘要:為減少高原湖泊流域農(nóng)田化肥施用量并為化肥減施和高效利用提供技術(shù)支撐,以洱海流域油菜為研究對象,設(shè)置單施化肥(CK)、有機替代25%(T1)、有機替代50%(T2)、有機替代75%(T3)、有機替代100%(T4) 5個等氮量有機替代處理;待油菜成熟后進行采樣,測定油菜根系形態(tài)、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量。結(jié)果表明:油菜的根系總長度、根總體積、根系平均直徑、根分化程度總體隨著有機替代量的增加而增加;有機替代量的增加會抑制油菜根系面積的擴增。與CK相比,T1(197.40 cm)、T2(269.04 cm)、T3(366.99 cm)、T4(386.46 cm)處理的油菜根系總長度均大于CK處理(189.98 cm);油菜根尖數(shù)量和根系交叉數(shù)從高到低分別依次為T4(11 315個)、T2(9 719個)、T3(9 229個)、T1(6 567個)和T4(2 301.88個)、T2(2 190.40個)、T3(2 126.50個)、T1(1 526.88個);CK處理下的油菜根系總表面積(100.61 cm2)和總投影面積(32.02 cm2)均大于其他處理。有機替代量的增加還有利于促進油菜秸稈及籽粒的生長發(fā)育和產(chǎn)量的增加,T4處理油菜平均株高(143.9 cm)顯著性高于其他處理,分別是CK、T1、T2、T3處理的1.55倍、1.85倍、1.42倍、1.32倍;T4處理的平均角果長度(6.1 cm)顯著高于其他處理,分別是CK、T1、T2、T3處理的1.05倍、1.17倍、1.15倍、1.10倍;T3處理油菜產(chǎn)量最高(2 068.73 kg/hm2),比純施化肥處理(CK)產(chǎn)量提高29.23%,比純施有機肥處理提高14.19%;T2處理油菜產(chǎn)量為2 051.79 kg/hm2,比純施化肥處理(CK)提高28.17%,比純施有機肥(T4)提高13.25%。綜合考慮下有機替代量為50%時綜合效益最高,是洱海流域最適宜的有機替代量。
關(guān)鍵詞:洱海流域;等氮量;有機替代;根系形態(tài);油菜;產(chǎn)量
中圖分類號:S634.306" 文獻標志碼:A
文章編號:1002-1302(2024)23-0072-05
于冠楠,胡萬里,趙" 崢,等. 等氮量有機替代對油菜根系和產(chǎn)量的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學,2024,52(23):72-77.
doi:10.15889/j.issn.1002-1302.2024.23.010
收稿日期:2023-11-08
基金項目:云南省重大科技專項計劃(編號:202102AE090032);云南省高層次科技人才及創(chuàng)新團隊選拔專項(編號:202305AS350013);云南省野外科學研究站建設(shè)專項(編號:202205AM070002);云南省“萬人計劃”青年拔尖人才專項(編號:YNWR-QNBJ-2018-371)。
作者簡介:于冠楠(1999—),男,黑龍江綏棱人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail:807890071@qq.com。
通信作者:胡萬里,研究員,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染治理研究,E-mail:13888167144@163.com;趙" 崢,博士,副教授,主要從事植物生態(tài)學研究,E-mail:zhaozheng2118@163.com。
提高油菜產(chǎn)量對我國食用油安全保障具有重要作用[1-2]。油菜施肥過程中“重化肥、輕有機肥”,局部地方不施有機肥。由于化肥的占比越來越重,造成了土壤板結(jié)、酸化、反鹽等問題,農(nóng)田土壤出現(xiàn)“肥而不沃”的現(xiàn)象,同時地下水區(qū)域硝酸鹽含量增加,造成地下水污染的環(huán)境問題[3]。有機肥具有土壤改良、培肥地力的作用,同時對土壤微生物具有活化作用,對土壤氮素具有遲留和緩釋作用,可以有效提高化肥利用效率和降低環(huán)境風險[4]。有機肥和化肥配施已經(jīng)成為作物化肥減施的主要措施之一,可以實現(xiàn)糧食穩(wěn)產(chǎn)和保護環(huán)境的雙重目的。根系是作物吸收養(yǎng)分和水分的重要器官,兼顧養(yǎng)分和水分的“吸收和運輸”的雙重作用。作物根系的數(shù)量、長度、表面積及在土壤中的空間分布對養(yǎng)分和水分的吸收、利用發(fā)揮著重要作用,直接影響作物的產(chǎn)質(zhì)量[5]。作物根總表面積決定根系和養(yǎng)分的接觸機會,根系形態(tài)和土壤中空間決定著養(yǎng)分的吸收范圍,最大接觸機會和有效吸收范圍是影響?zhàn)B分吸收和產(chǎn)量形成的重要因素[6]。作物的生長及資源分配也與根系分布有著緊密的關(guān)系,肥料種類及合理施肥方式也能增加根系對土壤水分和養(yǎng)分的吸收[7],有機肥、無機肥不同比例的配施對于增加作物產(chǎn)量具有重要作用[7-8]。易琴等的研究表明,在30%有機氮肥替代量處理下,油菜產(chǎn)量和經(jīng)濟效益達到最佳,但較高的氮肥替代量會使油菜產(chǎn)生減產(chǎn)的趨勢[9]。胡現(xiàn)榮等研究發(fā)現(xiàn),施用一定比例的有機肥替代化肥能夠顯著提高油菜的單株角果數(shù)、角粒數(shù)和千粒重等農(nóng)藝性狀,促進油菜生長,有利于提升油菜的產(chǎn)量[10-11]。有機肥替代化肥為較好的施肥方式,在提高油菜產(chǎn)量的同時還能夠改善土壤的理化性質(zhì)[12]。有機肥替代化肥與單施化肥相比可以合理地促進根系生長,形成良好的根系構(gòu)型,有利于產(chǎn)量的提高[13]。何萬春等的研究表明,有機肥替代化肥處理也會顯著增加作物根長、根尖數(shù)、根體積等根系形態(tài)參數(shù)[14]。在相同氮素的水平下,增加有機肥的比例可以促進根的持續(xù)伸長[15]。過去的研究主要側(cè)重于有機無機配施及其配比對作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的研究,等氮量條件下有機肥替代化肥對油菜根系的影響少見報道,不同替代比例下油菜的根系形態(tài)變化的關(guān)系也尚不清楚。以云油雜15號為試驗品種,在洱海流域開展等氮量條件下有機肥替代化肥對油菜根系形態(tài)、農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的影響試驗研究,篩選出既能促進油菜根系生長又能增產(chǎn)的最佳替代比例,為洱海流域油菜有機替代技術(shù)應用提供科學參數(shù),為化肥減施和高效利用提供技術(shù)支撐。
1" 材料與方法
1.1" 試驗區(qū)概況及供試材料
試驗田塊位于大理白族自治州大理市喜洲鎮(zhèn)六綠專業(yè)合作社(100°8′3.75″E,25°50′13.32″N),地處洱海西岸,介于大麗公路與洱海之間。氣候為亞熱帶高原季風氣候,年平均降水量1 010 mm左右,年平均溫度13.9 ℃左右,年日照時間約 3 000 h,年無霜期230 d左右。試驗田塊傳統(tǒng)種植模式為水旱輪作,土壤類型為潴育型水稻土,土質(zhì)為沙壤,土壤養(yǎng)分狀況為有機質(zhì)含量51.05 g/kg、全氮含量 2.06 g/kg、全磷含量 0.86 g/kg、全鉀含量 15.78 g/kg、銨態(tài)氮含量 0.67 mg/kg、硝態(tài)氮含量 37.37 mg/kg、速效磷含量50.25 mg/kg、速效鉀含量88.25 mg/kg,pH值 5.70。試驗采用的供試肥料包含尿素(含N 46%)、普通過磷酸鈣(含P2O5 16%)、硫酸鉀(含K2O 50%)、商品有機肥(N、P2O5、K2O質(zhì)量分數(shù)分別為1.5%、2.5%、1.2%)。油菜品種為云油雜15號,2022年11月5日播種,2023年5月28日收獲。
1.2" 試驗設(shè)計
試驗共設(shè)置5個處理:CK為單施化肥,僅施化學肥料不施有機肥;T1為有機替代25%(以N計,磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補齊);T2為有機替代50%(以N計,磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補齊);T3為化肥替代75%(以N計,磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補齊);T4為有機替代100%(以N計,磷鉀不足部分用硫酸鉀和普通過磷酸鈣補齊)。試驗小區(qū)隨機排列,3次重復。每個小區(qū)面積65 m2(6.5 m×10 m),各試驗小區(qū)之間均以田埂分隔(土埂+塑料膜包埂),試驗小區(qū)四周設(shè)保護行。以油菜常規(guī)施肥量(氮 270 kg/hm2、磷75 kg/hm2、鉀120 kg/hm2)為對照,有機替代以氮素為標準計算,磷鉀肥不足部分由普通過磷酸鈣和硫酸鉀補充。各處理油菜施肥:磷鉀作為基肥一次性施完,氮肥為基肥60%、苗肥35%、薹肥5%。各處理施肥量見表1。
1.3" 樣品采集與測定
植株根系樣品采集與測定:在油菜成熟時期,每小區(qū)選取10株長勢具有代表性的植株,完整采集植株根系帶回實驗室,沖洗干凈后采用分辨率為 800 dpi 的臺式掃描儀對根系進行掃描并將圖像存入電腦。采用Win-RHIZO根系分析系統(tǒng)軟件對根系圖像進行分析,獲得油菜總根長、總投影面積、根總表面積、根系平均直徑、根系體積等根系形態(tài)特征參數(shù)。
油菜產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀:油菜成熟采收時,每個小區(qū)選擇長勢和產(chǎn)量具有代表性的區(qū)域,采集1 m2的植株(包括秸稈和籽粒)帶回實驗室,詳細測定產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀。
1.4" 數(shù)據(jù)分析方法
將Win-RHIZO根系分析系統(tǒng)軟件掃描獲取的根系數(shù)據(jù)通過Excel 2013軟件進行整理匯總,并通過統(tǒng)計分析軟件SPSS 18.0進行顯著性分析,進一步得到的數(shù)據(jù)采用Excel 2013軟件繪圖。
2" 結(jié)果與分析
2.1" 不同有機替代量對油菜根系總長度的影響
如圖1所示,試驗區(qū)油菜根系總長度平均為289.66 cm(變異系數(shù)為57.38%),范圍在54.03~858.48 cm,最大長度是最小長度的15.89倍。比較而言,油菜根系總長度隨有機替代比例的增大而增加,當有機替代量達到75%及以上時,T3、T4處理的根系總長度與CK處理差異達顯著水平,分別是CK處理的1.98倍和2.08倍。其中,CK處理的油菜根系總長度為189.98 cm,與其他處理的差異較大,可能是因為CK處理為100%化肥,化肥中無機氮(NH+4-N和NO-3-N)隨水分運動在土壤中移動性較大,灌溉、降雨徑流加劇了氮素的流失,抑制了根系的增長;T1、T2、T3、T4都是有機替代處理,隨著外源有機碳的投入,增加了無機氮(NH+4-N和NO-3-N)向有機氮的轉(zhuǎn)化量,促進了油菜根系的增長。T1與T3、T4處理根系總長度具有顯著性差異,與T2處理差異不顯著,分別為197.40、366.99、386.46、269.04 cm。說明在洱海流域施肥可促進油菜根系總長度增加,大量投入有機肥能顯著提高油菜根系總長度。
2.2" 不同有機替代量對油菜根系總表面積和總投影面積的影響
如圖2所示,與純化肥相比,不同比例的有機替代量處理明顯降低了油菜根系總表面積,油菜施肥后,耕作層土壤氮磷等營養(yǎng)鹽濃度較高,油菜根系處于養(yǎng)分脅迫吸收環(huán)境,抑制了主根生長,促進了局部須根增長。在等量養(yǎng)分投入條件下,油菜根系總表面積與有機肥替代比例呈正相關(guān),T1處理與T2、T4處理根系總表面積的差異性達到顯著水平,T2、T3、T4處理的根系總表面積無顯著性差異,其大小順序依次為T4(75.60 cm2)、T2(75.26 cm2)和T3(70.47 cm2)。根系總投影面積的大小表示作物根系地下分布范圍,其面積越大根系吸收養(yǎng)分范圍越大,反之則越小。試驗結(jié)果表明,不同有機替代量對油菜根系總投影面積的影響大小不同,其變化趨勢與根系總表面積的變化區(qū)域總體一致,CK處理的總根投影面積最大,為32.02 cm2,其他4個處理從大到小依次為T4(24.07 cm2)、T2(23.96 cm2)、T3(22.43 cm2)和T1(14.72 cm2)。可見等氮量條件下,不同比例的有機替代對提高油菜根總投影面積和根系總表面積無明顯作用,反而隨著比例的提高還會抑制油菜根系面積的擴增。
2.3" 不同有機替代量對油菜根總體積和平均直徑的影響
如圖3所示,CK處理油菜根系總體積和平均根系直徑最大,分別為4.70 cm3和2.22 cm。在養(yǎng)分等量投入的情況下,不同有機替代量對油菜根系總體積和根平均直徑都有不同程度的影響,隨著有機替代量的增加,油菜根系總體積和根平均直徑都呈先升后降的趨勢。不同有機替代量處理的根總體積從高到低依次為T2(1.88 cm3)、T1(1.81 cm3)、T4(1.25 cm3)和T3(1.10 cm3),平均直徑從高到低依次為T2(0.95 cm)、T1(0.93 cm)、T4(0.66 cm)和T3(0.63 cm)??梢姡傮w積和平均直徑大小均表現(xiàn)為CKgt;T2gt;T1gt;T4gt;T3,說明有機替代在一定程度上抑制油菜根系的體積和直徑生長,在等量養(yǎng)分投入情況下,適量有機替代能促進油菜根系的體積和直徑生長。
2.4" 不同有機替代對油菜根分化的影響
根系根尖指植物的根系生長最前端的生長點,功能是吸收水分和養(yǎng)分。根系總根尖數(shù)量可反映根系發(fā)達程度、吸收水分和養(yǎng)分的能力。如圖4所示,與純施化肥相比,有機替代對根系總根尖數(shù)、根系交叉數(shù)有明顯影響;在等量養(yǎng)分投入下,油菜總根尖數(shù)總體隨有機替代量的增加而增加,不同處理間的油菜總根尖數(shù)有明顯差異,其中T4處理總根尖數(shù)最多(11 315個),是T1處理的1.72倍。根尖數(shù)量從高到低依次為T4(11 315個)、T2(9 719個)、T3(9 229個)和T1(6 567個)。根系交叉數(shù)可以用來評估根系的復雜程度和分支結(jié)構(gòu)的密度。如圖4所示,油菜根系交叉數(shù)隨著有機替代量增加整體呈升高趨勢,油菜根系交叉數(shù)從高到低依次為T4(2 301.88個)、T2(2 190.40個)、T3(2 126.50個)、T1(1 526.88個)。由此可見,在等量養(yǎng)分投入條件下,
適量的有機替代具有促進油菜根分化作用。
2.5" 不同有機替代量對油菜農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的影響
由表2可知,有機替代量對油菜有效分枝數(shù)、角果粒數(shù)和千粒重無明顯影響,但對油菜株高、全株有效角果數(shù)和角果長度具有顯著影響。油菜株高隨有機替代量增加呈現(xiàn)上升趨勢,T4處理油菜平均株高(143.9 cm)顯著性高于其他處理,分別是CK、T1、T2、T3處理的1.55倍、1.85倍、1.42倍、1.32倍。T3處理油菜全株平均有效角果數(shù)量(110.3個)顯著高于CK、T1、T4處理,分別是CK、T1、T2、T4處理的1.76倍、1.43倍、1.31倍和1.38倍。T4處理的平均角果長度(6.1 cm)顯著高于其他處理,分別是CK、T1、T2、T3處理的1.05倍、1.17倍、1.15倍、1.10倍。說明有機替代可以促進油菜秸稈及籽粒的生長發(fā)育。
由表3可知,油菜產(chǎn)量隨有機替代量的增加呈先增加后降低的趨勢,T3處理油菜產(chǎn)量最高(2 068.73 kg/hm2),比純施化肥處理(CK)產(chǎn)量提高29.23%,比純施有機肥處理提高了14.19%。CK、T1和T4處理的產(chǎn)量水平相當,T2處理油菜產(chǎn)量為2 051.79 kg/hm2,比純施化肥處理(CK)提高了28.17%,比純施有機肥(T4)提高13.25%,這可能與試驗地塊土壤地力較高有關(guān)。各處理產(chǎn)量大小順序依次為T3、T2、T4、T1。胡萬里等研究表明,隨著土壤基礎(chǔ)地力增加,化肥對產(chǎn)量的貢獻率較低[16]。本試驗地塊土壤基礎(chǔ)地力較高,土壤硝態(tài)氮、速效磷等養(yǎng)分含量達到了37.37、50.25 mg/kg,因此會導致化肥對油菜產(chǎn)量的貢獻率變低。
3" 討論與結(jié)論
根系是植物吸收養(yǎng)分和水分的主要器官,也是最先感知根際環(huán)境條件變化的器官,承擔著水分和營養(yǎng)吸收與運輸?shù)碾p重作用,而根長、根表面積、根體積等是反映根系構(gòu)型形態(tài)的主要參數(shù)[17-18]。本研究表明,與單施化肥相比,不同比例有機替代下的油菜總根長、根投影面積、根總表面積、根系交叉數(shù)和總根尖數(shù)均有一定程度的增加,其中有機替代量為75%時,根系的總根長、總表面積、根系總交叉數(shù)及根尖數(shù)均較好。這與馬肖等在不同種有機肥、不同比例有機肥替代化肥的研究結(jié)果一致,不同比例的有機替代可以同時兼具化肥的速效性、有機肥的緩釋性兩大特點,可以更好地滿足作物對養(yǎng)分的需求,促進作物的生長發(fā)育[19-20]。李永杰等在對柑橘有機替代種植研究中發(fā)現(xiàn),有機替代量都具有改善作物根系形態(tài)的作用,其中隨著有機替代量的增加,作物的根系總體積和平均直徑呈下降趨勢,根系交叉數(shù)和總根尖數(shù)呈增加趨勢,本試驗的研究結(jié)果與之類似,這可能與有機肥中富含的活性物有關(guān),其代謝產(chǎn)物促進了根系的生長[21-22]。試驗結(jié)果顯示,根系總長、根表面積均隨有機替代量增加而增加,說明根系總長度、總表面積的增加可以使油菜對深層土壤的氮的吸收能力加大,提高氮素利用效率[6,23]。
本研究結(jié)果表明,一定比例有機替代可不同程度提高油菜產(chǎn)量,改善油菜的農(nóng)藝性狀指標。這與李瑞琳等的研究結(jié)果一致,油菜施用有機肥替代部分化肥施肥模式能達到增產(chǎn)的效果,對農(nóng)藝性狀也產(chǎn)生顯著影響影響[24]。張建學等認為,在一定比例下有機肥替代化肥可以促進油菜的生長[25]。楊銳等研究發(fā)現(xiàn),在不同氮肥用量下有機肥配施化肥在減氮的同時還會增加油菜的產(chǎn)量以及經(jīng)濟效益[26],本研究結(jié)果與之基本一致,有機替代量為75%時油菜的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量最佳。王慧等的研究表明,在不同比例的有機氮肥配施無機氮肥下,油菜的增產(chǎn)效果主要通過增加有效角果數(shù)和角果粒數(shù)來實現(xiàn)[27],而本研究中有機替代對有效角果數(shù)有顯著影響,對角果粒數(shù)無顯著影響。
有機肥替代化肥對油菜生長具有提升作用,可促進根系分化,增加根系總根長、根系表面積,提高養(yǎng)分利用效率,顯著增加油菜的株高和角果長度,提高油菜產(chǎn)量。有機替代75%油菜產(chǎn)量最高,為 2 068.73 kg/hm2。綜合考慮,有機替代量為50%時綜合效益最高,是洱海流域最適宜的有機替代量。
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