2022, Vol. 49文章信息
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基金项目
- 国家现代农业产业技术体系专项（CARS—11）；广西农业科学院基本科研业务费专项（桂农科2020YM54，桂农科2021YT150）
作者简介
- 韦云东（1988—），男，壮族，硕士，助理研究员，研究方向为木薯栽培与施肥管理，E-mail：wydxiaota1613@163.com.
通讯作者
- 郑华（1983—），男，博士，正高级农艺师，研究方向为木薯高效栽培、根际微生态，E-mail：zhenghua8305@yeah.net.
文章历史
- 收稿日期：2022-08-10
【研究意义】随着我国经济的快速发展，农业生产中农药、化肥投入量日益增多，严重破坏了土壤、水体、大气与生态平衡，从而导致土壤退化、污染加剧，对作物产量、品质、食品安全和人体健康也造成了严重的威胁[1]。随着人们环境安全意识的不断提升，我国实施减少化肥、农药投入量的“双减政策”，大力推进新型肥料的推广使用。
【前人研究进展】生物有机肥是以有机废弃物经过无害化、腐熟处理而制成的一类兼具有机肥和微生物功效的肥料，富含作物生长所需的氮、磷、钾、微量元素等无机养分和利于提高土壤肥力、促进作物吸收及元素释放等特定功能的微生物[2]，并在农业生产中取得了良好效果[3-4]。枯草芽孢杆菌（Bacillus Subtilis）菌剂作为一种新型环保肥料，具有改善植物根际微生态环境、促长增产、提高土壤肥力和养分利用率的作用[5-9]。氨基酸属于小分子物质，能迅速进入作物体内，是作物合成蛋白质、酶的基本单位[10]。施用复合氨基酸增效剂可明显促进水稻幼苗生长，与普通尿素配合施用可显著提高尿素氮肥利用率，并利于土壤全氮的积累[11]。木薯（Manihot esculenta Crantz）为大戟科木薯属热带作物，是世界三大薯类作物之一，也是我国南方红壤区重要经济作物，其块根是是食品、饲料、医药、化工、生物燃料等行业的重要原料。近年我国木薯年种植面积约33.33万hm2，年产鲜薯约700万t，单产较低，造成种植效益低，成为阻碍木薯推广的重要因素。提高木薯产量并减少种植投入，从而提高种植效益显得尤为重要。
【本研究切入点】研究发现，增施生物有机肥可增加木薯产量、改善木薯品质，还能有效改善土壤理化性质，并提高土壤养分利用率[12-13]。涉及生物有机肥配合化肥减施及微生物菌剂对木薯生长和土壤养分影响的研究较少。【拟解决的关键问题】本研究以此为出发点，探讨生物有机肥配合化肥减量施用及枯草芽孢杆菌等施用对木薯生长、产量品质和土壤养分的影响，以期为木薯种植合理施肥、土壤养分管理及提高木薯种植效益提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验地位于广西壮族自治区亚热带作物研究所木薯试验基地（22° 54′ 01.23″ N，108° 20′ 08.37″ E）。试验地土壤为红壤，质地为粘土，土壤pH 5.28，有机质含量为14.00 g/kg，铵态氮、硝态氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为3.56、1.56、89.18、17.21、17.60 mg/kg，土壤微生物生物量碳、氮分别为85.36、8.37 mg/kg，土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶活性分别为6.06 mg/g·d、175.69 μg/g·d、6015.30 nmol/g·d。
供试木薯品种为桂热10号（GR10），由南宁木薯种质圃提供。供试肥料包括：宜坤奇生物有机肥（有机质≥ 40%，CFU ≥ 2×107/g，执行标准：NY884-2012）、枯草芽孢杆菌（液体，CFU约2×1010个/mL）、酶解多肽氨基酸（液体，成分为酶解小肽氨基酸，聚合氨基酸520 g/L，游离氨基酸60 g/L）、脲甲醛缓释氮肥（普罗施旺普滋蓝，氮≥ 46%，硼0.1%，螯合锌0.08%，钼600 mg/kg，钛120 mg/kg，镍100 mg/kg，硝化抑制剂700 mg/kg，尿酶抑制剂500 mg/kg），均由南宁汉和生物科技股份有限公司提供；复合肥（N ∶ P2O5 ∶ K2O为15 ∶ 15 ∶ 15，欧洲化学安特卫普公司），尿素（N ≥ 46%，重庆建峰化工股份有限公司）、氯化钾（K2O ≥ 60%，中化化肥有限公司）、钙镁磷肥（P2O5 ≥ 18.0%，云南昆阳磷肥厂有限公司）。
1.2 试验方法1.2.1 试验设计 试验设生物有机肥（5、10 t/hm2）、微生物菌剂（枯草芽孢杆菌，稀释100倍、200倍）、缓释氮肥（100、75 kg/hm2）等组合处理，以不施肥为对照(CK)，共13个处理（表 1），每个处理4次重复，随机区组排列。木薯于2019年3月28日种植，株行距为1.0 m×0.9 m，每小区6行共36株，面积32.4 m2。具体施肥方法与时间见表 1，植后30 d以穴施方式施入生物有机肥和缓释氮肥、磷肥（钙镁磷肥）；植后60 d垄面覆盖塑料布。枯草芽孢杆菌菌液、氨基酸稀释300倍与枯草芽孢杆菌混合液分别于植后60、90 d每株浇灌1.5 L，钾肥于植后30、90 d各施入50%。有机肥与化肥均采用穴施。试验期间大田常规管理，2019年12月26日收获。
1.2.2 土壤和植株样品采集制备与测定 种植前按“S”形布点采集耕层（0~20 cm）基础土样。收获时测定木薯株高茎粗、鲜薯产量和鲜薯淀粉含量，并采集木薯全株植物样及耕层土样。植株样品采集后105 ℃杀青、80℃烘干至恒重后称重获取木薯干物质质量即生物量，粉碎过筛后测定氮磷钾全量。土壤样品分别测定微生物生物量碳、微生物生物量氮、碱解氮、速效磷、速效钾、蔗糖酶活性、脲酶活性、酸性磷酸酶活性等指标。木薯淀粉含量采用雷蒙称法测定[14]。土壤铵态氮、硝态氮采用硫酸钾浸提- 流动注射仪法测定，碱解氮采用碱解扩散法测定，速效磷采用碳酸氢钠浸提- 钼锑抗比色法测定，速效钾采用乙酸铵浸提- 火焰光度计法测定[15]，微生物生物量碳(SMBC) 和微生物生物量氮(SMBN) 采用氯仿熏蒸浸提法测定[16]。土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶均采用活性试剂盒微量法进行测定，试剂盒生产厂商为索莱宝，商品编号分别为BC0245、BC0125、BC0145。植物氮、磷、钾分别采用H2SO4-H2O2消化- 凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度法测定[15]。
1.3 数据处理收获时每个小区随机选取12株计算鲜薯产量，另选4株采集全株样。
木薯干物质率（%）=干质量/ 鲜质量×100
作物体内元素吸收量（kg/hm2）=木薯干质量（t/hm2）×养分含量（g/kg）
肥料利用率（%）=（施肥区作物养分吸收量- 不施肥区作物养分吸收量）/ 肥料中养分总量×100
方差分析采用RStudio version 1.1.463（基于R Version 3.5.2）中的ANOVA进行，多重比较采用SSR法。
2 结果与分析 2.1 不同处理对木薯生长状况和产量的影响由表 2可知，木薯株高、茎粗均表现为BF2+SRN处理最高，CK最小，表明施肥可促进木薯植株生长。其中，BF2+SRN处理株高显著高于SRN处理，在施缓释氮肥的条件下，增施生物有机肥显著增加了木薯株高；木薯茎粗仅表现为CK最低，其他处理间无显著差异，表明施肥提高了木薯茎粗，但不同施肥处理的影响不显著。
鲜薯产量以BF2+SRN处理最高、为39.75 t/hm2，CK最低、仅20.34 t/hm2，显著低于其他处理，表明施肥可显著提高木薯产量；UN2、SRN处理鲜薯产量分别比UN1高20.5% 和21.7%，表明尿素分两次施用比一次施用显著提高木薯产量，施用缓释氮肥与尿素两次施用效果相当；BS200+UN1、BF2+UN2处理鲜薯产量显著高于UN1，表明在施尿素的情况下，200倍BS+ 生物有机肥（10 t/hm2）组合可显著提高木薯鲜薯产量。BS100+SRN、BS200+SRN、BF1+SRN、BF2+SRN、BF2+SRN处理鲜薯产量均高于SRN，表明在施缓释氮肥情况下，增加100倍、200倍BS或者生物有机肥均可显著提高木薯产量，其中BS100+SRN处理鲜薯产量显著高于BS200+UN1，表明100倍BS+ 缓释氮肥比200倍BS+ 尿素一次施用可显著提高木薯鲜薯产量；BS100+75%CF处理鲜薯产量显著高于UN1，BF2+75%CF处理显著高于UN2和SRN，表明增施BS或生物有机肥能在减施化肥的情况下显著提高木薯产量（表 2）。
木薯淀粉含量以CK最大，显著高于除UN1外的其他处理，表明不施肥会导致木薯产量下降但淀粉含量升高。其中，BS100+SRN、BF2+SRN处理木薯淀粉产量最高，分别达到1 033.4、1 029.1 kg/hm2，均显著高于UN1、UN2、SRN、CK，表明在施用尿素或者缓释氮肥的情况下，100倍BS+ 生物有机肥（10 t/hm2）能显著提高木薯淀粉产量；BS100+SRN处理木薯淀粉产量显著高于BS200+UN1，表明在100倍BS的情况下，施用缓释氮肥比尿素显著提高木薯淀粉产量；BS100+75%CF、BF2+75%CF处理木薯淀粉产量显著高于UN1，表明相比常规施肥，200倍BS和生物有机肥（10 t/hm2）均可显著提高木薯淀粉产量。
2.2 不同处理对木薯植株氮磷钾养分含量及肥料利用率的影响由表 3可知，各处理间木薯植株全氮含量无显著差异；全磷含量以CK显著高于BS100+SRN处理，其他处理间均无显著差异；全钾含量以BS100+75%CF处理高于SRN，其他处理间均无显著差异，施肥和不施肥对植株全钾含量无显著影响。木薯生物量以CK最低，显著低于其他处理，表明施肥可以显著提高木薯生物量，其中BS100+75%CF处理显著低于BS100+SRN，表明在BS浓度从100倍降至200倍且减施化肥的共同作用下，木薯生物量显著下降。
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由表 4可知，木薯植株氮、磷、钾养分吸收量均表现为CK最低，且显著低于其他处理，表明施肥可促进木薯对氮素养分的吸收。其中，CK磷吸收量显著低于SRN，表明缓释氮肥+ 磷钾肥促进磷的吸收；BS100+SRN处理磷吸收量显著大于BS200+SRN，表明不同BS浓度影响磷吸收，浓度越高磷吸收量越大；钾吸收量以CK最低，但与UN1、SRN处理无显著差异，说明试验条件下施用化肥未显著影响木薯对钾的吸收。BS100+SRN、BS100+75%CF、BF2+SRN、BF2+75%CF处理木薯植株的钾吸收量均显著高于SRN和CK，表明在施用缓释氮肥的情况下，施用100倍BS、200倍BS+ 减施化肥、生物有机肥、生物有机肥配合化肥减施均能显著提高木薯钾吸收量。氮、磷、钾肥料利用率范围分别为21.7%~43.2%、0.46%~7.72%、8.1%~47.7%，其中SRN处理氮肥利用率比UN1高8.1个百分点，表明施用缓释氮肥可提高氮肥利用率；BF2+75%CF、BS100+SRN处理氮肥利用率分别比常规施肥（UN1）高17.5和10.9个百分点，表明在施用生物有机肥（10 t/hm2）或BS的条件下，配合减施缓释氮肥可以显著提高氮肥利用率；BS100+ 75%CF、BF2+75%CF、BS100+SRN处理钾肥利用率比常规施肥UN1高26.7~28.9个百分点，BS200+SRN处理比UN1高11.4个百分点，表明生物有机肥和BS可提高钾肥利用率，在减施25% 化肥情况下同样有提高效果。
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2.3 不同处理对土壤速效养分含量的影响
由表 5可知，土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮含量均以BF2+SRN处理最高。其中，BF2+SRN处理铵态氮含量为6.18 mg/kg，显著高于SRN、BS200+UN1、BS100+75%CF、BS200+SRN+AA；BF2+SRN处理显著高于SRN，表明在施缓释氮肥的情况下，生物有机肥（10 t/hm2）显著提高土壤铵态氮含量；BS100+SRN处理显著高于BS200+ SRN+AA，表明枯草芽孢杆菌（BS）稀释100倍比稀释200倍+ 氨基酸施用显著提高土壤铵态氮含量。BF2+SRN处理硝态氮含量为3.60 mg/kg，显著高于BF1+SRN、SRN，表明施用缓释氮肥的情况下，增施生物有机肥（10 t/hm2）可显著提高土壤硝态氮含量，但生物有机肥施用量为5 t/hm2时未明显影响土壤硝态氮含量。BF2+SRN处理土壤碱解氮含量为76.15 mg/kg，显著高于BS200+SRN+AA、BS200+UN1、BF2+75%CF、CK，表明生物有机肥（10 t/hm2）+ 缓释氮肥比不施肥、生物有机肥（10 t/hm2）+ 减施化肥、200倍BS +尿素显著提高土壤碱解氮含量。土壤速效钾含量以BS100+SRN处理最高，达到198.96 mg/kg，显著高于BS100+75%CF、BS200+ SRN+AA，表明100倍BS比200倍BS + 75%CF和100倍BS+SRN更有利于土壤速效钾的释放；处理显著高于SRN，表明在施用缓释氮肥的条件下，施用100倍BS可显著提高土壤速效钾含量；BF2+UN2处理显著高于UN2，表明在施用尿素的情况下，增施用生物有机肥可提高土壤速效钾含量；BF2+75%CF处理显著高于UN2和CK，表明生物有机肥（10 t/hm2）+ 减施化肥能显著提高土壤速效钾含量，CK最低、仅为76.48 mg/kg。
2.4 不同处理对土壤微生物活性的影响
由表 6可知，土壤微生物生物量碳（SMBC）、微生物生物量氮（SMBN）、蔗糖酶、脲酶活性均表现为BF2+SRN处理最高。其中，BF2+SRN处理SMBC为204.30 mg/kg，SRN处理SMBC最小、仅为74.53 mg/kg，BS100+SRN、BS200+SRN显著高于SRN，表明在100% 缓释氮肥用量的情况下，施用100倍或200倍BS均可显著提高SMBC；BS100+SRN处理SMBC显著高于BS100+75%CF、BS200+SRN+AA，表明100倍BS比减施缓释氮肥+200倍BS显著提高SMBC；BF2+SRN处理显著高于BF2+UN2，表明在施生物有机肥的条件下，缓释氮肥比尿素显著提高SMBC；BF2+SRN、BF2+75%CF、BF2+UN2处理均显著高于UN1、UN2、SRN、CK，表明施用生物有机肥可显著提高SMBC，且在化肥减量25% 的条件下，同样有提高效果。BF2+SRN处理SMBN显著高于BS100+SRN、BS200+SRN，表明施生物有机肥比BS显著提高SMBN；BF2+SRN处理显著高于BF2+UN2，表明在施生物有机肥的条件下，施用缓释氮肥比施用尿素显著提高SMBN。
土壤蔗糖酶活性以BF2+SRN、BF2+75%CF处理显著高于除BS100+SRN外的其他处理，其中BF2+SRN处理显著高于BF2+UN2，表明同样配施生物有机肥10 t/hm2时，施用缓释氮肥比尿素显著提高土壤蔗糖酶活性；BF2+SRN处理显著高于SRN，表明在施用缓释氮肥的情况下，施用生物有机肥可显著提高土壤蔗糖酶活性。土壤脲酶活性仅以生物有机肥（10 t/hm2）+100%SRN时处理显著高于CK，其他处理间均无显著差异。土壤酸性磷酸酶活性表现为BS100+SRN、BF2+SRN处理显著高于SRN，表明在施用缓释氮肥情况下，配施100倍BS和生物有机肥（10 t/hm2）可显著提高土壤酸性磷酸酶活性。
3 讨论土壤速效养分是土壤中最活跃的部分，是衡量土壤肥力的重要指标，与作物生长密切相关。土壤微生物是土壤中各种生物化学过程主要调节者，微生物量碳、氮被认为是土壤活性养分的储存库，是植物生长可利用养分的重要来源[17-18]。土壤微生物量氮（SMBN）基础含量能反映土壤供氮能力[19]。土壤酶是土壤生物活性及土壤肥力的重要组成部分，其活性能反映土壤中各种生物化学反应的强度和方向[20]，被广泛应用于评价土壤营养物质的循环转化情况，以及评价各种农业措施和肥料施用的效果[21]。施肥可促进作物根系代谢，使根系分泌物增多，微生物繁殖加快，从而提高土壤酶活性[22]。同一施肥水平下，有机肥施入量越多，土壤酶活性越高[23]。施肥可促进木薯植株生长且显著提高木薯植株生物量和木薯产量[24]。相比于不施肥和只施用化肥，配施生物有机肥10 t/hm2能显著提高土壤酸性磷酸酶活性，并显著增加木薯株高和木薯产量。
本研究中，氮肥以尿素形式施用时，分两次施用比一次施用显著提高木薯鲜薯产量和淀粉产量。配施生物有机肥10 t/hm2和枯草芽孢杆菌均可显著提高木薯鲜薯产量和淀粉产量。氮肥以缓释氮肥形式施用时，配施生物有机肥10 t/hm2可显著提高土壤铵态氮、土壤硝态氮、土壤碱解氮和土壤速效磷含量等土壤速效养分，还可显著提高土壤生物活性指标SMBC和SMBN、土壤蔗糖酶活性和土壤酸性磷酸酶活性，从而显著促进木薯生长和增加木薯产量。贾伟等[25]研究表明施用有机肥有利于提高土壤微生物量碳、氮含量，与本研究结果相似。配施枯草芽孢杆菌可显著提高土壤速效钾含量，与前人研究结果类似[26-28]，但也有研究发现，施用枯草芽孢杆菌对土壤速效钾无明显的改善能力[29]。
与不施肥和只施用化肥相比，施用缓释氮肥配合添加枯草芽孢杆菌100倍稀释液能显著提高土壤酸性磷酸酶活性。刘丽英等[30]发现在甜茶连作土壤中添加枯草芽孢杆菌，可以提高土壤酶活性，其中蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶活性分别提高63.3%、101.5%、146.7%、35.8%。也有研究发现，施用枯草芽孢杆菌可提高土壤蔗糖酶活性[31]。本研究结果与前人研究存在一定的差异，可能是由作物根际微生态环境差异引起。不施肥和只施用化肥处理间土壤微生物碳氮和土壤酶活性并无显著差异，与张美存等[7]研究结果不同，这可能与土壤类型、气候条件、种植制度等因素差异有关。配施枯草芽孢杆菌可显著提高SMBC，且稀释100倍效果显著好于200倍。
本研究中，化肥减施25% 条件下，配施生物有机肥10 t/hm2相对于不施肥和常规施肥可显著提高土壤速效钾含量、土壤蔗糖酶活性和SMBC，与前人研究结果类似[26-28]。化肥减施25% 未对土壤铵态氮和土壤硝态氮含量产生显著影响，与前人研究结果相似[32-33]。在化肥减施25% 条件下，配合枯草芽孢杆菌或生物有机肥同样能显著提高木薯产量。由于生物有机肥本身含有丰富的微生物，且有机质可以为微生物生长提供丰富的营养物质，施肥水平下，有机肥施入量越多，土壤酶活性越高[23]。
本研究中，氮、磷、钾肥料利用率分别为21.7%~43.2%、0.46%~7.72%、8.1%~47.7%。缓释氮肥替代尿素可促进木薯对磷养分的吸收、提高氮肥利用率；缓释氮肥配合生物有机肥或者化肥减施25% 均能提高木薯钾吸收量。相比常规施肥，化肥减施25% 配合生物有机肥或枯草芽孢杆菌均可显著提高氮肥和钾肥利用率。相同化肥施用条件下，增施生物有机肥比添加枯草芽孢杆菌显著提高了氮肥利用率，表明生物有机肥对氮肥利用率的提高效果显著好于枯草芽孢杆菌。罗兴录等[13]研究发现，木薯施用生物有机肥能提高鲜薯产量和淀粉含量，有效改善土壤理化性质，并提高土壤养分利用率，与本研究结果类似。磷肥当季利用率一般只为10%~25%[34]，磷肥施入土壤后淋洗流失较小，且农户常规种植时每年会施用大量磷肥，造成土壤中磷的积累富集。磷肥的过量施用可能会导致作物减产，适量减少磷肥用量能够使作物稳产增产，增加经济效益，减少对环境的污染[35]。本研究条件下，各施肥处理土壤速效磷含量差异不显著，施肥对土壤速效磷含量无显著影响，且磷肥利用率偏低，可能是由于长期种植木薯，磷肥施用过量[36]，因此，试验地块木薯种植可适当减少磷肥施用量。
4 结论作物种植施肥的主要目的是促进作物生长提高产量和品质，同时保持土壤肥力从而维持土壤可持续性。本研究结果表明，施肥可以促进木薯生长，提高木薯鲜薯产量和淀粉产量；添加生物有机肥及枯草芽孢杆菌对提高肥料利用率及保持土壤肥力有一定的促进作用；缓释氮肥1次施用与尿素2次施用的增产效果相当；在施用SRN的情况下，BF提高了土壤蔗糖酶含量、BS提高了土壤速效钾含量，二者均提高了SMBC、酸性磷酸酶活性、木薯产量；在减施化肥的情况下，BF可提高土壤速效钾、SMBC、木薯鲜薯产量；BF和BS均可提高木薯氮、钾肥利用率。
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(责任编辑 邹移光)