泥炭/褐煤配施對(duì)玉米根系生長(zhǎng)、產(chǎn)量及根際土壤氮硫的影響

顧 鑫 任翠梅 楊 麗 王麗娜 張宏宇 姜澤宇

黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院 大慶 163316

根系是作物重要的器官[1]，它的發(fā)育影響地上部分的生長(zhǎng)，健壯的根系是作物生長(zhǎng)和高產(chǎn)的基礎(chǔ)。促使根系發(fā)達(dá)是獲得高產(chǎn)的關(guān)鍵，有機(jī)物料的施用影響作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育。玉米是禾本科一年生須根系草本植物，是我國(guó)主要的糧食作物之一。良好的根系不僅讓玉米植株從土壤中吸取足夠的水分和各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送到其他器官參與生命代謝[2]，而且將玉米植株牢牢固定在土壤中以抵抗倒伏。研究表明，土壤中添加棉稈炭有效改善了玉米根系的生長(zhǎng)環(huán)境，促進(jìn)了其根系生長(zhǎng)[3]，秸稈還田改變了玉米根系的空間分布，顯著增加了土壤深層根長(zhǎng)密度和根表面積[4]，有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施顯著提高了玉米根系的干物質(zhì)量和碳氮磷鉀養(yǎng)分的累積[5]，添加菌糠明顯緩解了四環(huán)素類(lèi)抗生素污染對(duì)玉米根系生長(zhǎng)的抑制作用，促進(jìn)了根系的發(fā)育[6，7]。添加風(fēng)化煤腐植酸明顯增強(qiáng)了玉米根系的活力，提高了根冠比，改善了根系形態(tài)，有效增加了玉米根系主要化學(xué)組分的含量[8]。泥炭和褐煤是天然的富含腐植酸的有機(jī)物料，均是很好的土壤改良劑，可以改善耕層土壤結(jié)構(gòu)，在我國(guó)儲(chǔ)量極其豐富，是非常寶貴的資源[9]。泥炭是成煤的初始階段，質(zhì)地輕且纖維含量豐富，具有持水、透氣的獨(dú)特性質(zhì)[10]；褐煤是成煤的第二階段，木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)逐漸消失，顏色較深，有機(jī)碳含量增加[11]。基于此，本文以泥炭和褐煤組合配施作為有機(jī)物料，探索泥炭與褐煤組合配施對(duì)玉米根系生長(zhǎng)、籽粒產(chǎn)量及根際土壤氮硫的影響，以期為玉米的高產(chǎn)栽培提供技術(shù)支撐，也為有機(jī)物料資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上科學(xué)有效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院安達(dá)科研基地（北緯46°24′9.73″，東經(jīng)125°22′38.88″），海拔147～150 m，春季多大風(fēng)少雨干旱，年平均降水量440 mm，蒸發(fā)量1733.1 mm，有效積溫2800 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2863 h，是典型的西部干旱地區(qū)。

土壤類(lèi)型為黑土，其基礎(chǔ)理化性質(zhì)為pH 8.7、電導(dǎo)率47.9 μs/cm、容重1.07 g/cm3、粗砂粒25.54%、細(xì)砂粒39.20%、粉粒35.22%、粘粒0.04%。

施用的有機(jī)物料為泥炭和褐煤，泥炭pH 6.13、電導(dǎo)率212.20 μs/cm，褐煤pH 5.88、電導(dǎo)率85.00 μs/cm。

玉米品種為“先玉335”。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為田間小區(qū)設(shè)計(jì)，共設(shè)置2個(gè)處理，分別為對(duì)照組：不施泥炭也不施褐煤；試驗(yàn)組：泥炭與褐煤組合配施，組合有機(jī)物料總量按耕層（深度20 cm）土壤重量的0.8%設(shè)定，施量5700 kg/hm2+ 11400 kg/hm2（m泥炭∶m褐煤= 1∶2）。采用完全隨機(jī)排列方式，每個(gè)處理均重復(fù)3次。單粒單行播種，株距25 cm、行距65 cm。在行間靠近作物種子兩側(cè)開(kāi)溝，溝深10 cm，將泥炭與褐煤混合均勻后施入溝中，再覆蓋一層薄土。各處理采用一致底肥、灌溉和除草防蟲(chóng)等常規(guī)管理措施。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

在作物成熟期采集植株根系和玉米穗，用直尺測(cè)量植株根系長(zhǎng)度和玉米穗長(zhǎng)，用排水法測(cè)量根系體積，用烘干稱(chēng)重法測(cè)量根系干重，用游標(biāo)卡尺測(cè)量穗粗和禿尖長(zhǎng)，用百粒板和天平測(cè)量百粒重和籽粒產(chǎn)量。同時(shí)，采集根際土壤與非根際土壤。土壤樣品采集采用抖土法[12]：用鍬將作物的完整根部挖出，先輕輕抖落不含根系的大塊土壤為非根際土壤，然后用刷子輕輕刷下附著在根毛上的土壤為根際土壤，每個(gè)小區(qū)按五點(diǎn)取樣法采集土壤樣品，剔除作物凋落物等雜物，混勻后按四分法留取。土壤性質(zhì)的測(cè)定依據(jù)《土壤農(nóng)化分析（第三版）》[13]：土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法；土壤有效硫采用氯化鈣浸提-硫酸鋇比濁法。

1.4 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)

采用Microsoft Excel 2019軟件整理數(shù)據(jù)，利用IBM SPSS Statistics 25.0軟件進(jìn)行方差分析，運(yùn)用Duncan’s新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥炭與褐煤組合配施對(duì)玉米植株根系生長(zhǎng)的影響

表1為不同處理下玉米植株根系性狀。由表中可以看出，試驗(yàn)組的玉米植株根系長(zhǎng)度、根系體積和根系干重分別平均為33.18 cm、62.76 cm3和31.25 g，均與對(duì)照組差異顯著。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的根系長(zhǎng)度、根系體積和根系干重分別提高了15.25%、43.42%和75.56%。可見(jiàn)，有機(jī)物料泥炭與褐煤組合配施有效地促進(jìn)了玉米植株根系的生長(zhǎng)。

表1 不同處理下玉米植株根系性狀Tab.1 Root traits of maize plants under different treatments

2.2 泥炭與褐煤組合配施對(duì)玉米穗性狀與籽粒產(chǎn)量的影響

表2為不同處理下玉米穗性狀與籽粒產(chǎn)量。由表中可以看出，試驗(yàn)組的玉米穗粗、穗長(zhǎng)、禿尖長(zhǎng)和百粒重分別平均為5.22 cm、22.67 cm、0.81 cm和38.99 g，均與對(duì)照組差異顯著。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的玉米穗粗、穗長(zhǎng)和百粒重分別提高了2.55%、6.18%和10.45%，禿尖長(zhǎng)降低了44.14%。試驗(yàn)組的玉米籽粒的產(chǎn)量平均為12649.91 kg/hm2，顯著高于對(duì)照組，相比對(duì)照組增加了19.22%。可見(jiàn)，有機(jī)物料泥炭與褐煤組合配施明顯改善了玉米穗性狀，提高了籽粒產(chǎn)量。

表2 不同處理下玉米穗性狀與籽粒產(chǎn)量Tab.2 Ear traits and grain yield of maize under different treatments

2.3 泥炭與褐煤組合配施對(duì)根際土壤氮硫含量的影響

表3為不同處理下根際與非根際土壤堿解氮和有效硫含量。由表中可以看出，試驗(yàn)組的根際與非根際土壤堿解氮含量分別平均為182.96 mg/kg和118.92 mg/kg，均與對(duì)照組差異顯著。與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組的根際與非根際土壤堿解氮含量分別升高了51.22%和24.00%。在對(duì)照組和試驗(yàn)組中，根際土壤堿解氮含量均極顯著高于非根際土壤。試驗(yàn)組的根際土壤有效硫含量平均為10.02 mg/kg，顯著高于對(duì)照組，相比對(duì)照組升高了22.20%；試驗(yàn)組的非根際土壤有效硫含量平均為8.77 mg/kg，與對(duì)照組差異不顯著。在對(duì)照組中，根際土壤有效硫含量與非根際土壤差異不顯著；而在試驗(yàn)組中，根際土壤有效硫含量極顯著高于非根際土壤。可見(jiàn)，有機(jī)物料泥炭與褐煤組合配施顯著提高根際土壤堿解氮和有效硫的含量。

表3 不同處理下根際與非根際土壤堿解氮和有效硫含量Tab.3 Contents of alkali-hydrolyzed nitrogen and available sulfur in rhizosphere and non-rhizosphere soils under different treatments mg/kg

2.4 玉米根系性狀、籽粒產(chǎn)量、根際土壤氮硫之間的相關(guān)性

表4為玉米根系性狀、籽粒產(chǎn)量、根際土壤氮硫之間的關(guān)系。由表中可以看出，玉米根系長(zhǎng)度與玉米籽粒產(chǎn)量、根際土壤堿解氮和有效硫均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.818、0.857和0.901。玉米根系體積與玉米根系干重、玉米籽粒產(chǎn)量、根際土壤有效硫均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.647、0.864和0.866；與根際土壤堿解氮呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.938。玉米根系干重與玉米籽粒產(chǎn)量、根際土壤堿解氮和有效硫均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.840、0.857和0.887。玉米籽粒產(chǎn)量與根際土壤堿解氮和有效硫均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.981和0.920。可見(jiàn)，根際土壤堿解氮和有效硫的含量極顯著地影響玉米根系的生長(zhǎng)和玉米籽粒的產(chǎn)量。

表4 玉米根系性狀、籽粒產(chǎn)量、根際土壤氮硫之間的關(guān)系Tab.4 Relationship among maize root traits, grain yield, and nitrogen and sulfur in rhizosphere soil

3 結(jié)論與討論

肥沃的土壤是作物生長(zhǎng)發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)物料因自身獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)可部分代替無(wú)機(jī)化肥改善土壤性質(zhì)、培肥地力[14]。本研究通過(guò)田間小區(qū)對(duì)比試驗(yàn)表明，泥炭與褐煤組合配施的處理玉米根系長(zhǎng)度、根系體積、根系干重、穗粗、穗長(zhǎng)、籽粒產(chǎn)量、根際土壤堿解氮和有效硫含量均高于不施有機(jī)物料的處理，差異均達(dá)到顯著水平。玉米根系性狀各個(gè)指標(biāo)與根際土壤堿解氮和有效硫均呈顯著正相關(guān)。其中，根系體積與根際土壤堿解氮呈極顯著正相關(guān)。籽粒產(chǎn)量與根際土壤堿解氮和有效硫均呈極顯著正相關(guān)。

王春玲等[15]研究指出，泥炭中含有未被徹底分解的植物殘?bào)w，富含大量植物纖維，褐煤中帶有大量的能夠起到交換與吸附離子作用的活性羧基和酚羥基官能團(tuán)[16]，二者均含有部分腐殖質(zhì)和礦物質(zhì)，具有疏松多孔、通透性良好的特點(diǎn)。作物地上部的生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)根系源信號(hào)的調(diào)控[17]，泥炭與褐煤組合配施為根系發(fā)育構(gòu)建了良好的穩(wěn)定環(huán)境，使得土壤堿解氮和有效硫含量顯著增加，尤其是根際土壤，有利于玉米根系的形態(tài)構(gòu)建。泥炭與褐煤本身含有在其腐解過(guò)程中再次形成的腐殖質(zhì)等有機(jī)膠體，與土壤黏土礦物構(gòu)成復(fù)合體[18]，進(jìn)而改善土壤結(jié)構(gòu)，使水穩(wěn)性團(tuán)聚體和孔隙度增加，土壤容重降低，保水保肥能力提高，緩沖能力增強(qiáng)，鹽堿土壤脫鹽加快[19]。泥炭與褐煤組合配施到土壤中，不僅能夠疏松土壤、提供養(yǎng)分，而且還可能通過(guò)離子交換吸附作用延長(zhǎng)土壤養(yǎng)分的供應(yīng)時(shí)間，有利于作物根系對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育。綜上所述，泥炭與褐煤組合配施有利于促進(jìn)玉米根系的生長(zhǎng)，達(dá)到增產(chǎn)與提高根際土壤肥力的效果。

本研究初步探索了泥炭與褐煤組合配施對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，而對(duì)玉米營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)（如蛋白質(zhì)含量、淀粉、脂肪、維生素等）還需要進(jìn)一步研究。