施肥對黃河三角洲鹽堿地作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

薄錄吉,李 彥*,羅加法,2,張英鵬,井永蘋,孫 明,仲子文,劉兆輝

(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部 黃淮海平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室/山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點實驗室/山東省新型肥料工程技術(shù)研究中心,山東 濟(jì)南 250100;2. 新西蘭農(nóng)業(yè)科學(xué)院 魯亞庫拉研究中心,新西蘭 哈密爾頓 3240;3.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

黃河三角洲作為我國乃至世界造陸速度最快的河口三角洲之一,具有豐富的土地資源。但是,在長期成陸過程中,由于不斷受到黃河改道、海水侵襲等多種因素的影響,黃河三角洲近50%的土地存在不同程度的鹽漬化現(xiàn)象[1]。而該地區(qū)地下水埋深較淺、礦化度較高、土壤質(zhì)地以粉砂和細(xì)砂為主、毛管水作用強(qiáng)烈、土地水分蒸發(fā)量大等特征進(jìn)一步加劇了地下水鹽分在土壤表面的聚集[2]。此外,該地區(qū)土壤耕層“有機(jī)質(zhì)含量低,缺氮、貧磷、富鉀”的特點又使得作物吸收養(yǎng)分不平衡,易缺苗斷壟、生長發(fā)育不良、產(chǎn)量低而不穩(wěn)[3]。因此,土壤鹽分含量高、肥力低下是制約黃河三角洲土地利用的障礙因子。

合理施肥及配合鹽堿地土壤改良可以在一定程度上減緩鹽分對作物的脅迫,同時也可減少肥料浪費及提高土壤肥力。單晶晶等通過“3414”試驗結(jié)合數(shù)學(xué)模型探究了氮磷肥對冬小麥產(chǎn)量的影響,模擬結(jié)果表明,在土壤輕度鹽漬化地區(qū),最佳經(jīng)濟(jì)施氮和施磷量分別為244.1和94.2 kg/hm2[4]。而在中重度鹽漬化土壤上,僅通過合理施肥難以取得較好的增產(chǎn)效果,需要配合土壤改良。杜海巖等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),通過合理的養(yǎng)分總量控制和運籌不僅可提高棉花產(chǎn)量,而且配合有機(jī)肥(含生物有機(jī)肥)施用效果更加明顯[5-6],這種效果主要體現(xiàn)在作物生物量和產(chǎn)量的提高和鹽漬化土壤理化性質(zhì)的改善上[7]。除了有機(jī)肥外,脫硫石膏、腐殖酸、生物菌劑、商品化土壤改良劑及水利工程措施等也可對鹽漬化土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量產(chǎn)生較好的改善效果[8-12]。

雖然前人在鹽堿地施肥及配合土壤改良施肥方面開展了較多的研究,然而,綜合分析不同功能性改良劑配合科學(xué)施肥對黃河三角洲地區(qū)主要作物產(chǎn)量的影響研究較少。隨著《黃河三角洲高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的出臺,黃河三角洲地區(qū)的發(fā)展上升為國家戰(zhàn)略,該區(qū)也已成為國家重要的糧食產(chǎn)區(qū),在為國家提供糧食、保證糧食安全方面責(zé)任重大。鑒于此,我們以黃河三角洲地區(qū)小麥、玉米、棉花和花生四種主要作物為材料,系統(tǒng)開展了抗鹽施肥對該地區(qū)鹽堿地作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響研究,以期為該地區(qū)鹽堿地綜合開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗位于黃河三角洲地區(qū)利津縣,該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候,四季分明,雨熱同季,光照充足，氣候溫和。年均氣溫13.3 ℃,1月份氣溫最低,平均-2.2 ℃,7月份氣溫最高,平均27.1 ℃。年均降雨量526.2 mm,降水年際變化大,雨量分布不均,7月份降雨量占全年降雨量的30%左右。年均蒸發(fā)量為1724.3 mm,4～6月蒸發(fā)量最大,相當(dāng)于同期降水量的7倍。年均日照時數(shù)為2834.7 h,5月份最高,平均290.2 h,12月份最低,平均183.6 h。年平均風(fēng)速2.9 m/s,3～6月份風(fēng)速較大,平均3 m/s以上,8～9月份風(fēng)速較大,平均2.5 m/s左右。

1.2 供試材料

供試肥料：復(fù)合肥(N、P2O5、K2O含量分別為15%、15%、15%)、尿素(N含量為46%)、腐殖酸尿素(N含量為23%)、過磷酸鈣(P2O5含量為12%)、硫酸鉀(K2O含量為50%)。

供試抗鹽劑:化學(xué)抗鹽劑(主要成分為焦磷酸鉀、檸檬酸、甲殼素、腐殖酸、抗壞血酸)、有機(jī)抗鹽劑(為腐殖酸尿素)、生物抗鹽劑(為復(fù)合微生物菌劑,有效活菌數(shù)≥1.0億/g,含生物螯合硅、鈣)。

供試作物:小麥(濟(jì)麥22)、玉米(東玉3號)、棉花(種源29號)和花生(花育25號)。

供試土壤:潮土。共設(shè)置4組試驗,具體土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理,分別為農(nóng)民習(xí)慣施肥(FP)、優(yōu)化施肥(OPT)、化學(xué)抗鹽施肥(CHP)、有機(jī)抗鹽施肥(ORP)和生物抗鹽施肥(BIP)。每個處理3次重復(fù)，小區(qū)面積50 m2。4種作物的具體肥料試驗設(shè)計如下:

(1)小麥試驗:FP處理,肥料品種為復(fù)合肥和尿素,復(fù)合肥用作基肥,尿素用作追肥,N、P2O5、K2O用量分別為217.5、112.5、112.5 kg/hm2;OPT處理,肥料品種為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀,磷鉀肥用作基肥,尿素用作基肥和追肥(追肥時間為拔節(jié)期)的比例為1∶1, N、P2O5、K2O用量分別為240、120、60 kg/hm2;CHP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施用化學(xué)抗鹽劑(2.25 kg/hm2),根據(jù)土壤墑情和小麥生長狀況分別在小麥返青期、抽穗期和灌漿期噴施;ORP處理,氮肥為腐殖酸尿素,肥料用量和用法同OPT處理;BIP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施加生物抗鹽劑(2250 kg/hm2)。小麥田間試驗時間為2015年10月-2016年6月。

(2)玉米試驗:FP處理,肥料品種為復(fù)合肥和尿素,復(fù)合肥用作基肥,尿素用作追肥,N、P2O5、K2O用量分別為201、51、51 kg/hm2;OPT處理,肥料品種為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀,磷鉀肥用作基肥,尿素做基肥和追肥(追肥時間為大喇叭口期)的比例為1∶1, N、P2O5、K2O用量分別為180、60、60 kg/hm2;CHP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施用化學(xué)抗鹽劑(2.25 kg/hm2),根據(jù)土壤墑情和玉米生長狀況分別在玉米出苗期、拔節(jié)期和孕穗期噴施;ORP處理,氮肥為腐殖酸尿素,肥料用量和用法同OPT處理;BIP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施加生物抗鹽劑(2250 kg/hm2)。玉米田間試驗時間為2015年6月～2015年10月。

(3)棉花試驗:FP處理,肥料品種為復(fù)合肥和尿素,復(fù)合肥用作基肥,尿素用作追肥,N、P2O5、K2O用量分別為157.5、63.0、63.0 kg/hm2;OPT處理,肥料品種為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀,磷鉀肥用作基肥,尿素用作基肥和追肥(追肥時間為花鈴期)的比例為1∶1, N、P2O5、K2O用量分別為120、60、60 kg/hm2;CHP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施用化學(xué)抗鹽劑(2.25 kg/hm2),根據(jù)土壤墑情和棉花生長狀況分別在棉花苗期、蕾期和花鈴期噴施;ORP處理,氮肥為腐殖酸尿素,肥料用量和用法同OPT處理;BIP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施加生物抗鹽劑(2250 kg/hm2)。棉花田間試驗時間為2015年4月～2015年11月。

(4)花生試驗:FP處理,肥料品種為復(fù)合肥,復(fù)合肥用作基肥,N、P2O5、K2O用量分別為180、180、180 kg/hm2;OPT處理,肥料品種為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀,氮磷鉀肥全部用作基肥,N、P2O5、K2O用量分別為150、120、150 kg/hm2;CHP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施用化學(xué)抗鹽劑(2.25 kg/hm2),根據(jù)土壤墑情和花生生長狀況分別在花生幼苗期、開花期和結(jié)莢期噴施;ORP處理,氮肥為腐殖酸尿素,肥料用量和用法同OPT處理;BIP處理,肥料用量和用法同OPT處理,同時施加生物抗鹽劑(2250 kg/hm2)。花生田間試驗時間為2016年5月～2016年10月。

1.4 樣品采集與測定

在小麥成熟期,每個小區(qū)取3個點測定產(chǎn)量,每個點5 m2;采用1.5 m單行連續(xù)取20株測定穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)。在玉米成熟期,每個小區(qū)隨機(jī)取50株玉米植株的玉米穗,待風(fēng)干后脫粒,稱重,最后根據(jù)種植密度計算產(chǎn)量,同時測定千粒重、行粒數(shù)、行數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子。在棉花吐絮期,每個小區(qū)中間挑選長勢一致的連續(xù)10株棉花,調(diào)查成鈴數(shù),計算單株平均鈴數(shù)；再將這10株所有吐絮棉鈴收獲,曬干稱重,并計算鈴重和衣分；同時分兩次實收每個小區(qū)的籽棉，將籽棉產(chǎn)量作為實際產(chǎn)量。在花生成熟期,每小區(qū)采集代表性植株6穴(12株),調(diào)查單株結(jié)果數(shù)、百果重、百仁重；每個小區(qū)取1 m雙行植株測定花生莢果產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析方法

用Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,用新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素有穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。由表2可以看出：ORP處理的小麥產(chǎn)量最高,其次是CHP和OPT處理,分別比FP處理增產(chǎn)28.0%、17.9%和16.0%,但ORP、CHP和OPT處理間小麥產(chǎn)量在統(tǒng)計上無顯著差異；ORP處理的小麥穗數(shù)顯著高于其它處理的,比FP、OPT和CHP處理分別高7.98%、8.65%和9.14%；ORP和OPT處理的小麥穗粒數(shù)顯著高于其它處理的,且分別比BIP處理高20%；在ORP、CHP、OPT和BIP處理間小麥千粒重?zé)o顯著差異,FP處理的小麥千粒重最低。

表2 不同施肥處理對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在5%水平上差異顯著。下同。

2.2 施肥對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

玉米產(chǎn)量由穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒重構(gòu)成。由表3可見：FP處理的玉米產(chǎn)量最低,分別比OPT、CHP、ORP和BIP處理低11.6%、8.8%、17.6%和18.3%；在各施肥處理間玉米穗行數(shù)無顯著差異；各處理玉米的行粒數(shù)和千粒重表現(xiàn)規(guī)律較為一致,即FP處理最低,CHP、ORP、BIP處理間無顯著差異，但CHP、ORP和BIP處理的玉米千粒重分別比FP處理高9.85%、22.2%和22.0%。

表3 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.3 施肥對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

棉花產(chǎn)量構(gòu)成因素有單株鈴數(shù)、單鈴重和衣分。從表4可以看出：BIP處理的籽棉產(chǎn)量最高,其次是ORP、CHP和OPT處理,上述處理的籽棉產(chǎn)量均顯著高于FP處理的,且分別比FP處理高14.0%、18.2%、21.0%和24.6%；BIP處理的單株鈴數(shù)最高,為19.0個/株,比FP、OPT和CHP處理分別高14.00%、9.62%和9.62%；在各施肥處理間棉花單鈴重?zé)o顯著差異；BIP處理的衣分最高，其次是ORP處理,分別比FP處理高3.3和2.9個百分點。

表4 不同施肥處理對棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.4 施肥對花生產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

花生莢果產(chǎn)量由單株結(jié)果數(shù)、百果重和百仁重構(gòu)成。由表5可知：ORP處理的花生莢果產(chǎn)量最高,其次是BIP處理,兩者間無顯著差異；OPT處理的花生莢果產(chǎn)量最低,但與FP處理無顯著差異；ORP處理的花生莢果產(chǎn)量分別比FP和OPT處理高15.6%和13.7%,BIP處理的花生莢果產(chǎn)量分別比FP和OPT處理高20.8%和18.8%；在ORP與BIP處理間花生結(jié)果數(shù)無顯著差異,但均顯著高于FP、OPT和CHP處理的,而在FP、OPT和CHP處理間花生結(jié)果數(shù)無顯著差異；BIP處理的花生百果重最高,其次是ORP處理,分別比FP處理高10.8%和11.5%；ORP處理的花生百仁重最高,顯著高于其它處理的,比FP處理高9.69%。

表5 不同施肥處理對花生產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

3 討論

土壤鹽漬化已成為全球性問題,鹽漬化土壤的可持續(xù)開發(fā)利用也已是公認(rèn)的世界性難題[12]。黃河三角洲地區(qū)鹽堿地利用的主要障礙因子是有機(jī)質(zhì)和氮磷養(yǎng)分缺乏、土壤鹽分含量高、土壤脫鹽困難[13]。研究表明,過多的鹽離子可導(dǎo)致作物營養(yǎng)障礙和離子失衡[14],而該地區(qū)偏堿性的土壤環(huán)境又易引起氨揮發(fā),造成氮素肥料損失,進(jìn)而影響作物養(yǎng)分吸收利用和生長發(fā)育,不利于作物產(chǎn)量和品質(zhì)的形成[15-17]。本研究發(fā)現(xiàn)化學(xué)抗鹽施肥、有機(jī)抗鹽施肥和生物抗鹽施肥可在一定程度上增加作物的產(chǎn)量；當(dāng)然不同抗鹽施肥措施對不同作物的適應(yīng)性有所不同,如化學(xué)抗鹽施肥和有機(jī)抗鹽施肥對冬小麥有較好的適應(yīng)性,比農(nóng)民習(xí)慣施肥增產(chǎn)17.9%～28.0%,而有機(jī)抗鹽施肥和生物抗鹽施肥對夏玉米(比農(nóng)民習(xí)慣施肥增產(chǎn)17.6%～18.3%,下同)、棉花(21.0%～26.4%)和花生(18.8%～20.8%)有較好的適應(yīng)性。總體來看,添加腐殖酸的肥料(有機(jī)抗鹽施肥)具有較好的效果,施用后4種作物平均增產(chǎn)約21.8%,效果顯著。這與閆夏等[18]和Bacilio等[19]的研究結(jié)果一致。這主要是因為腐殖酸具有豐富的羧基和酚羥基等官能團(tuán),有較強(qiáng)的離子交換和吸附能力,一方面可以提高K+/Na+和Ca2+/Na+比例,從而抑制鹽分上升,降低表層土壤鹽分含量[19]，另一方面能減少銨態(tài)氮損失,提高氮肥利用率[20]。另有研究表明,腐殖酸配合復(fù)合肥不僅能提高土壤速效養(yǎng)分含量,還能顯著提高作物產(chǎn)量[21]。墨西哥學(xué)者則發(fā)現(xiàn)腐殖酸與植物生長促進(jìn)細(xì)菌配合施用可以作為改良鹽漬土的一個重要手段[19],這也為以后鹽堿地治理提供了一個方向。可見利用有機(jī)物料配合其它手段抗鹽改土具有較好的應(yīng)用前景。然而有研究學(xué)者指出在利用以生物炭為代表的有機(jī)物料時應(yīng)盡量避免和磷肥同時施用,這是因為生物炭多偏于堿性,可與磷肥發(fā)生沉淀或吸附反應(yīng),從而降低磷肥的活性[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，相比于有機(jī)抗鹽施肥處理,化學(xué)抗鹽施肥處理對小麥和棉花有一定的增產(chǎn)作用,平均增產(chǎn)幅度約為18.0%。這主要是因為小麥和棉花的生長期較長,經(jīng)歷春季返鹽期,而化學(xué)抗鹽物質(zhì)中含有抗壞血酸等促進(jìn)作物抵抗鹽害的成分,在春季返鹽期噴施化學(xué)抗鹽物質(zhì)可增強(qiáng)作物的抗逆性,促進(jìn)其根系對養(yǎng)分的吸收利用。與本研究化學(xué)抗鹽劑不同的是,在鹽堿地種植的果樹和作物上噴施稀土制劑[23]和GPIT生物誘導(dǎo)劑[24]同樣能提高產(chǎn)量,這是因為稀土元素可以增強(qiáng)作物對上述不良環(huán)境條件的抵抗能力,而GPIT生物誘導(dǎo)劑能提高作物生理代謝的強(qiáng)度和速度,激發(fā)出作物潛在的各種優(yōu)良性狀,形成龐大根系,從土壤深層和表層吸收到更多的養(yǎng)分,提高作物抗性[24]。此外,在本試驗中，除對小麥無增產(chǎn)效果外,生物抗鹽施肥處理對玉米、棉花和花生表現(xiàn)出了較強(qiáng)的增產(chǎn)潛力,平均增產(chǎn)達(dá)18.9%。這與高亮等的研究結(jié)果[25]一致,這一方面是由于生物肥中含有大量的有機(jī)質(zhì),有利于改良土壤物理結(jié)構(gòu),促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[25],另一方面,生物有機(jī)肥含有一定數(shù)量的微生物,可以激活有益土著菌,調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu),形成良好的微生物環(huán)境,起到重建健康土壤生態(tài)系統(tǒng)的作用[26]。

綜上所述,本研究初步探索出了黃河三角洲地區(qū)鹽堿地土壤小麥、玉米、棉花和花生等4種作物的抗鹽施肥技術(shù)。但是由于鹽堿地自身環(huán)境的復(fù)雜性和季節(jié)性降雨的不均勻,導(dǎo)致土壤鹽分時空變化不均勻,還需要進(jìn)一步融合多種化學(xué)、生物和有機(jī)抗壓施肥技術(shù)開展多點多年的定位監(jiān)測試驗，以保證鹽堿地施肥技術(shù)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

相比于農(nóng)民習(xí)慣施肥,有機(jī)抗鹽施肥可使小麥、玉米、棉花和花生等4種作物平均增產(chǎn)21.8%,化學(xué)抗鹽施肥可使小麥和棉花平均增產(chǎn)18.0%,生物抗鹽施肥可使玉米、棉花和花生平均增產(chǎn)18.9%。合理施肥并配合生物、化學(xué)和有機(jī)抗鹽措施可顯著提高作物的產(chǎn)量。本研究結(jié)果可為黃河三角洲地區(qū)鹽堿地的可持續(xù)開發(fā)利用提供參考。

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