肥料配施枯草芽孢桿菌對夏玉米產量及養分利用的影響

李榮發，劉 鵬，董樹亭，張吉旺，趙 斌

（山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

玉米在我國糧食生產中占有重要地位。戴景瑞等[1]認為2008—2020年我國玉米單產年均遞增188.7 kg/hm2才能保證未來玉米的消費需求。施用化肥，特別是施氮肥是玉米增產的有效措施之一[2]。我國農業生產中，存在氮肥施用量大[3]、利用效率低[4-5]、環境污染風險大[6]等突出問題。與此同時，隨著集約化、規模化禽畜養殖業的快速發展，大量排放的禽畜糞便使農業環境污染日趨嚴重。禽畜糞便中含有大量的有機質和作物生長必需的營養元素，是優質的有機肥源[7]。目前對畜禽糞便的研究絕大多數都是利用堆肥、腐熟糞便或廄肥與無機氮肥配合施用[8]，施用方法繁瑣。Richardson[9-10]發現接種芽孢桿菌能促進植物根系生長，增加總根長和單位根長密度，提高磷的生物有效性。Kloepper等[11]研究得出增施枯草芽孢桿菌能增加植物根系表面積，提高根系對水分和養分的吸收效率。胡小加等[12]發現施用枯草芽孢桿菌能在不同程度上增加小麥、辣椒、西瓜、大豆和玉米苗期干物重，還能增加植株的氮、磷和鉀含量。但在等養分條件下，關于增施枯草芽孢桿菌對作物產量和肥料利用率影響的報道較少。本試驗研究等養分條件下肥料配施枯草芽孢桿菌對夏玉米養分吸收和作物產量的影響，以期為夏玉米肥料的合理施用和肥料配施模式提供新的技術途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016和2017年在山東農業大學黃淮海玉米區域技術創新中心旱棚中進行，旱棚內栽培池規格為2.5 m × 2.5 m，土壤為棕壤，其有機質含量為9.60 g/kg、全氮0.54 g/kg、速效磷23.6 mg/kg、速效鉀89.4 mg/kg。試驗采用隨機區組設計，設置不施氮肥(CK)、施尿素(N)、施牛糞(M)、牛糞 + 枯草芽孢桿菌(MB)、尿素 + 枯草芽孢桿菌(NB)5個處理，5次重復，共25個栽培池，增施枯草芽孢桿菌(F4009-1，CHEMINOVA A/S，RTI477，17%，w/w)處理按照1.5 kg/hm2用量施入。以登海605(DH605)為玉米品種，種植密度為82500株/hm2。氮肥選用腐熟牛糞和普通尿素，施肥前對有機肥含水量及養分含量進行測定，本試驗2016年施用牛糞養分含量為：全氮(N)0.49%，全磷(P2O5)0.42%，全鉀(K2O)0.32%，重量含水量為78.2%；2017年，全氮(N)0.94%，全磷(P2O5)0.12%，全鉀(K2O)0.19%，重量含水量為79.7%。施氮處理的施氮量均為純N262、P2O5131、K2O 262 kg/hm2，牛糞施入量根據牛糞的含氮量和含水量計算得出；然后根據牛糞中P2O5和K2O的含量，分別計算出P2O5和K2O的施用量，為保證與牛糞處理相同的P2O5和K2O投入量，其他處理均采用過磷酸鈣和硫酸鉀補齊P2O5和K2O的需求量。施肥方式為作基肥播前撒施在地表，翻地后播種并立即灌水。

1.2 測定項目和方法

1.2.1 樣品采集 各處理分別于玉米吐絲期(R1)和籽粒完熟期(R6)取4株長勢均勻一致的植株，其中R1期植株分為葉片、莖鞘兩部分，R6期植株分為葉片、莖鞘、籽粒三部分，各部分樣品105℃殺青30 min后80℃烘至恒重，測定干物質積累量，之后用粉碎機粉碎。

1.2.2 氮磷鉀測定 采用H2SO4消煮，用連續流動分析儀(Auto Analyzer-III，德國 Bran Luebbe公司)測定植物樣品全氮、全磷含量，火焰光度計測定全鉀含量。

1.2.3 產量及產量構成因素 成熟期各處理池子中所有玉米全收，室內考種，調查穗行數、行粒數、千粒重，按14%含水量測產。

1.2.4 參數計算 氮(磷、鉀)素干物質生產效率(kg/kg)= 干物質重(kg/hm2)/植株氮(磷、鉀)素吸收量(kg/hm2)；氮(磷、鉀)素利用效率(kg/kg)= 籽粒產量(kg/hm2)/植株氮(磷、鉀)吸收量(kg/hm2)；氮(磷、鉀)收獲指數= 籽粒氮(磷、鉀)吸收量(kg/hm2)/植株氮(磷、鉀)吸收量(kg/hm2)；氮(磷、鉀)肥偏生產力(kg/kg)= 施氮(磷、鉀)區產量(kg/hm2)/施純氮(P2O5、K2O)量(kg/hm2)。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 軟件進行數據處理，利用DPS16.05軟件進行統計分析，其中處理間差異顯著性采用LSD法進行檢驗(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同處理下玉米產量及構成因素

由表1可知，年份、處理和二者的交互作用對生物量、收獲指數、產量及產量構成因素影響顯著。各施氮處理玉米籽粒產量均高于對照；其中MB處理籽粒產量最高，顯著高于其它處理(P＜0.05)。MB處理2年玉米產量分別比M處理增產20.3%、21.2%；NB和N處理兩年平均產量無顯著差異。處理間籽粒產量的差異主要是由穗粒數和千粒重的差異造成的。兩年各處理完熟期生物量差異顯著，表現為 MB＞NB＞N＞M＞CK。

表1 不同肥料處理對玉米籽粒產量及產量構成因素的影響Table1 Effect of different fertilization treatments on grain yields and yield components of maize

2.2 不同處理下玉米干物質積累特性

吐絲期施氮處理干物質積累量顯著高于CK，MB處理顯著高于其它處理(表2)。吐絲期MB處理干物質積累量比M處理兩年平均增加24.7%。2016年和2017年，花后MB處理比M處理分別提高25.4%、52.0%，NB處理比N處理分別增加3.06%、17.2%。無機肥配施枯草芽孢桿菌對干物質積累效果不一致，而有機肥配施枯草芽孢桿菌有利于夏玉米花后干物質積累，為夏玉米籽粒產量提供物質基礎。

2.3 不同處理下玉米生長期氮磷鉀吸收量

由表2可知，吐絲期不同處理夏玉米地上部氮素吸收量存在顯著差異(除N和NB間沒有顯著差異外)，且施氮處理顯著高于CK。其中，2016年和2017年MB處理吐絲期氮素積累量較M處理分別提高39.6%、19.0%，花后氮素積累量分別增加24.9%、49.2%；與N處理相比，NB處理吐絲期氮積累量無顯著差異，花后氮素積累量顯著增加40.2%、29.8%。在促進植株對氮素的吸收上，有機肥配施枯草芽孢桿菌的效果要顯著優于化肥配施枯草芽孢桿菌。

吐絲期不同處理夏玉米地上部磷素吸收量，施氮處理顯著高于CK，且配施枯草芽孢桿菌顯著增加了植株磷素吸收量(2017年NB除外)。2016年和2017年吐絲期磷素積累量，MB處理比M處理分別提高71.7%、12.4%，2016年NB處理比N處理提高7.71%(P＜0.05)；MB處理花后磷素積累量比M處理分別提高85.1%、63.9%(表2)。有機肥配施枯草芽孢桿菌能顯著增加夏玉米磷素吸收量，普通化肥配施枯草芽孢桿菌對夏玉米磷素吸收量的影響兩年結果不一致。

有機肥配施枯草芽孢桿菌對玉米吐絲期的鉀素吸收影響兩年結果不一致，無機肥配施枯草芽孢桿菌使吐絲期的鉀素吸收量減少或影響不顯著(表2)。有機肥配施枯草芽孢桿菌能顯著增加夏玉米鉀素吸收量，普通化肥配施枯草芽孢桿菌對夏玉米鉀素吸收量影響兩年結果不一致。

表2 不同處理夏玉米吐絲期、花后期生物量、氮磷鉀吸收量及花后期在全株的比例Table2 Biomass and nutrient accumulation of summer maize at silking and post-silking stages and their percentage at post-silking under different treatments

2.4 不同處理下玉米氮磷鉀利用效率

由表3可得，各處理的氮肥偏生產力表現為MB ＞NB＞N＞M；施肥處理的氮肥利用效率顯著低于CK，肥料配施枯草芽孢桿菌處理顯著低于單施肥料處理。配施枯草芽孢桿菌處理的氮肥偏生產力高于單施肥料處理，即MB＞M，NB＞N。氮肥干物質生產率各處理表現為 CK＞N＞MB＞M＞NB。MB處理與M處理相比，氮肥的干物質生產率和利用效率無顯著差異(P＜0.05)，NB處理與N處理相比，不同處理對所有氮素吸收利用指標均有極顯著影響。年份對氮肥干物質生產率、氮肥利用效率和氮肥偏生產力影響顯著，對氮肥收獲指數無顯著影響；兩者的交互作用對氮肥干物質生產率、氮肥偏生產力無顯著影響，對氮肥利用效率和氮收獲指數影響顯著。

表3 不同處理對夏玉米氮肥利用率的影響(kg/kg)Table3 Effect of different fertilization treatments on nitrogen utilization efficiency of summer maize

由表4可知，各處理2016年磷肥偏生產力表現為 MB＞NB＞N＞M，2017 年則表現為 MB＞NB ＞M＞N，且有機肥配施枯草芽孢桿菌能顯著提高磷肥偏生產力。磷肥干物質生產率和利用效率，施肥處理顯著低于對照，肥料配施枯草芽孢桿菌處理顯著低于單施肥料處理。2016年不同處理磷素收獲指數以N處理最高，MB、NB、M處理無顯著差異，2017 年各處理變化趨勢為 MB＞NB＞M＞CK＞N。除年份對磷肥收獲指數顯著影響外，年份、處理、年份與處理的交互作用對磷肥的其它利用效率指標均有極顯著影響。

由表5可知，不同肥料配施，MB處理鉀收獲指數最高；鉀肥干物質生產率和利用效率處理間差異不明顯。鉀肥利用效率以CK最高。鉀肥偏生產率2016 年各處理變化趨勢為 MB＞NB＞N＞M＞CK，2017 年為 MB＞NB＞M＞N＞CK。除處理對鉀肥干物質生產率無顯著影響外，年份、處理、年份與處理的交互作用對鉀肥的其它利用效率指標均有極顯著影響。

2.5 配施枯草芽孢桿菌對玉米經濟效益的影響

由表6可知，有機肥或無機肥配施枯草芽孢桿菌，投入成本均增加620元/hm2，有機肥配施枯草芽孢桿菌和無機肥配施枯草芽孢桿菌兩年平均凈收入分別增加16.9%、-0.07%，無機肥配施枯草芽孢桿菌的產量與單施無機肥的產量差異不顯著，凈收入基本持平。有機肥配施枯草芽孢桿菌能顯著增加玉米產量，提高玉米的經濟效益。

3 討論

3.1 不同施肥方式對玉米產量的影響

不同施肥處理對玉米穗粒數、千粒重、產量及生物量均有極顯著的影響(表1)。研究表明，枯草芽孢桿菌SQR9在黃瓜、玉米和香蕉根際有效定殖，促進地上部和根系生長和產量提高[12-13,17]。本試驗中有機肥配施枯草芽孢桿菌花前、花后的干物質積累量與單施有機肥處理相比提高顯著，無機肥配施枯草芽孢桿菌亦能顯著增加花后的干物質積累量(表2)。干物質積累是玉米產量形成的物質基礎，增加干物質積累量，尤其是花后干物質積累量對玉米增產具有重大意義[14]。肥料配施枯草芽孢桿菌能夠顯著增加玉米的產量，其中MB處理要優于NB處理(表1)。穗粒數和粒重是單株玉米籽粒產量構成的決定性因素[15]，穗粒數比粒重更容易受到氮素供應和水分等環境因素的影響。兩年結果表明，有機肥配施枯草芽孢桿菌比單施有機肥處理的穗粒數顯著增加，而對千粒重無顯著影響(表1)。枯草芽孢桿菌與肥料配施能夠顯著增加干物質積累量與產量，且枯草芽孢桿菌與有機肥配施的效果優于無機肥配施枯草芽孢桿菌。

表4 不同處理對夏玉米磷肥利用率的影響(kg/kg)Table4 Phosphorus utilization efficiency of summer maize under different fertilization treatments

表5 不同處理對夏玉米鉀肥利用率的影響(kg/kg)Table5 Potassium utilization efficiency of summer maize under different treatments

表6 不同處理的經濟效益Table6 Economic benefit of different fertilizer treatments

3.2 不同施肥方式對氮磷鉀吸收利用的影響

干物質的積累與養分積累有著密切的關系，養分積累是干物質積累的基礎，也是作物產量形成的基礎[16]。胡小加等[17]研究表明枯草芽孢桿菌Tu-100對油菜、小麥、辣椒、西瓜、大豆和玉米苗期有不同的促生效果。枯草芽孢桿菌可以將無機和有機底物中的正磷酸鹽釋放出來，增加土壤磷養分的有效性[18-19]。枯草芽孢桿菌一方面促進根系生長，增加根系表面積，另一方面增加有效磷含量，從而促進玉米對氮、磷、鉀的吸收。本研究結果表明，在施肥的基礎上配施一定量的枯草芽孢桿菌能顯著提高夏玉米整個生育期氮、磷、鉀的積累量，其中以有機肥配施枯草芽孢桿菌處理的效果最佳(表2)。

劉占軍等[20]研究表明，不施氮會導致植株營養體運往籽粒的氮素過多，在氮素供應良好的條件下，營養體氮素再分配率和對籽粒氮的貢獻率越高，越有利于經濟產量的形成。肥料吸收利用特征是肥料運籌是否合理的重要指標，通常采用干物質生產效率、肥料利用率、肥料收獲指數和肥料偏生產力等參數來表示[21]。有機肥配施枯草芽孢桿菌能有效提高玉米氮磷鉀肥的偏生產力以及氮素和鉀素的收獲指數，降低磷肥的干物質生產率和利用效率；無機肥配施枯草芽孢桿菌能有效提高氮磷鉀肥的偏生產力(表3～表5)。說明配施枯草芽孢桿菌能提高肥料利用率，是兼顧夏玉米高產與高效的重要措施。

4 結論

在夏玉米實際生產中，肥料配施枯草芽孢桿菌可促進夏玉米的生長發育，影響夏玉米的產量構成要素，提高夏玉米產量，而且能顯著提高肥料吸收量和利用效率。以有機肥配施枯草芽孢桿菌處理的效果最佳，有機肥配施枯草芽孢桿菌不僅起到增產增效的效果，還能促進肥料增效、降低面源污染，是玉米增產增效、經濟效益顯著提高的有效途徑。