不同控釋氮比例對生姜產量、品質及氮素利用的影響

范仲卿, 宋摯, 楊武杰, 郭新送, 高涵, 薛兆希, 韓莉莉, 何利寧, 劉曉辰,楊永成, 丁方軍*, 馬學文

(1.山東農大肥業科技股份有限公司, 山東 泰安 271000; 2.山東省農業技術推廣中心, 山東 濟南 250000;3.莘縣經濟林管理站, 山東 聊城 252400; 4.濱州市農業農村局, 山東 濱州 256600; 5.泰安市農業技術推廣中心, 山東 泰安 271000)

生姜, 為姜科多年生草本植物, 用途廣泛, 除作為日常調料外, 還有較高的醫學應用價值, 被譽為人類進步的 “天然黃金”[1]。近年來, 我國不斷擴大生姜種植面積, 產業規模化程度越來越高, 在山東、四川、福建、河南、廣東、陜西等省份均有規模化種植區域[2], 已逐步發展為重要經濟作物。

生姜生育周期長, 對礦物質營養需求量大。其中氮肥的使用對生姜的產量、品質、經濟效益以及環境均有影響[3]。緩控釋肥作為一種新型肥料,能夠緩慢釋放營養, 可有效提高肥料的經濟、環境等方面的效益, 被廣泛認為是高效且環境友好型肥料[4], 以緩控釋氮肥的應用最為廣泛。使用緩控釋氮肥, 對玉米、水稻、小麥、油菜、辣椒等作物的生長發育具有顯著影響[5-9], 前人研究表明, 使用緩控釋尿素能明顯改變作物的氮素吸收、氮肥利用率及氮素平衡[10-11]。緩控釋肥料對生姜的研究,多集中對于產量、品質及生長發育方面, 而關于緩控釋肥對生姜氮素利用的影響卻鮮有報道。基于上述研究, 本文以生姜為供試作物, 研究不同氮素控釋比例對生姜產量、品質及氮素利用的影響, 以期為控釋氮肥在生姜上的使用和生姜專用控釋肥產品的研發提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2021 年4 月—2021 年10 月在山東省萊州市土山鎮西薛村進行。供試生姜品種為山農1號。供試肥料包含控釋期為90 d 的控釋尿素 (N 44.5%, 釋放率曲線見圖1)、尿素 (N 46%)、過磷酸鈣 (P2O512%)、硫酸鉀 (K2O 50%), 均由山東農大肥業科技有限公司提供。供試土壤基礎理化性質為全氮含量10.13 g·kg-1, 堿解氮含量97.63 mg·kg-1, 有效磷含量40.30 mg·kg-1, 速效鉀含量332.00 mg·kg-1, 有機質含量23.14 g·kg-1, pH 值6.51。

圖1 包膜尿素氮素累積釋放率

1.2 試驗設計

試驗設置6 個處理, 所有處理每公頃用P2O5270 kg, K2O 600 kg, 除CK (無氮對照) 不施氮肥以外, 其余處理每公頃用N 480 kg, 采用不同控釋氮比例的氮素投入形式, 其中T1 (不含控釋氮)、T2 (控釋氮含量占總氮投入的25%)、T3(控釋氮含量占總氮投入的50%)、T4 (控釋氮含量占總氮投入的75%)、T5 (控釋氮含量占總氮投入的100%)。所有肥料按農戶使用習慣投入, 包含底肥 (總用肥量的 25%)、小培土追肥 (總用肥量的50%)、大培土追肥 (總用肥量的25%), 具體施肥量詳見表1。底肥使用時間為4 月10 日,小培土追肥的使用時間為7 月23 日, 大培土追肥的使用時間為8 月20 日。小區面積50 m2, 隨機區組排列, 重復3 次, 播種株距20 cm, 行距68 cm,4 月11 日播種, 10 月15 日收獲。除施肥種類不同外, 各處理其余栽培管理模式保持一致。

表1 不同處理施肥量 單位: kg·hm-2

1.3 樣品采集

生姜播種前和收獲后, 取0 ～100 cm 土層新鮮土樣, 測定土壤無機氮含量; 分別于苗期 (7 月1日)、發棵期 (8 月10 日)、膨大期 (9 月15 日)、收獲期 (10 月15 日) 進行取樣, 每次每處理隨機取樣5 株長勢一致的生姜葉片, 測定硝酸還原酶活性; 收獲期隨機取樣5 株, 根、莖、葉、根莖分別置于烘箱中105 ℃殺青25 min, 75 ℃烘干至恒重后測定氮素含量; 小區全部根莖收獲測產, 并隨機取樣測定品質指標。

1.4 測定項目與方法

土壤無機氮含量測定方法: 新鮮土樣, 用0.01 mol·L-1的CaCl2溶液浸提后, 用AA3 型流動注射分析儀測定無機氮含量(硝態氮和銨態氮)。

植株氮含量采用半微量凱氏定氮法測定[12]。

硝酸還原酶活性采用活體法測定, 可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定, 游離氨基酸含量采用茚三酮顯色法測定, 維生素C 含量采用2, 6-二氯酚靛酚比色法測定[13]。

1.5 數據分析方法

粗蛋白含量為根莖氮含量乘以6.25。

氮肥偏生產力為施氮處理產量除以施氮量。

氮肥利用率為施氮處理吸氮量與對照吸氮量之差除以施氮量再乘以100。

氮肥農學效率為施氮處理產量與對照產量之差除以施氮量。

土壤氮素依存率為無氮區植株氮積累量除以施氮區植株氮積累量乘以100。

氮素表觀礦化量[14]為無氮區植株氮積累量加收獲后土壤無機氮量減去播種前土壤無機氮量。

氮素表觀損失[14]為表觀氮輸入減去表觀氮輸出, 即起始土壤無機氮量加氮素表觀礦化量加施氮量減去作物氮積累量再減去剩余土壤無機氮量。

運用Microsoft Excel 2021 進行數據處理及作圖, 采用SPSS 24.0 軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮素控釋比例對生姜產量及經濟效益的影響

由表2 可以看出, 使用氮肥能顯著增加生姜產量, 各處理與CK 相比增產39.33%～55.80%。使用控釋氮肥與普通施肥對比, 除T5 處理較T1 處理差異不顯著外, 其余處理均能顯著提高生姜產量, 提高幅度為7.85%～11.83%, 各使用控釋氮肥處理中以T3 處理增產效果最佳, 顯著高于T2、T4 處理。

表2 不同控氮比例對生姜產量及經濟效益的影響

由表2 可以看出, 使用氮肥能顯著增加生姜收益, 各處理與CK 相比, 增收67 370.73 ～96 163.48元·hm-2。使用控釋氮肥生姜收益高于普通施肥,每公頃可增收7 232.91 ～28 792.75 元, 其中收益增加幅度為T3＞T2＞T4＞T5。

2.2 不同氮素控釋比例對生姜品質的影響

由表3 可以看出, 施用氮肥對生姜可溶性糖、游離氨基酸、粗蛋白及維生素C 含量均有顯著提升作用; 與普通氮肥投入相比, 施用控釋氮肥對生姜可溶性糖含量、游離氨基酸含量有顯著提升作用,當控釋氮比例占總氮投入的50%～75%時粗蛋白含量、維生素C 含量較普通施肥有顯著提升作用。綜合比較品質數據, 控釋氮含量占總氮投入75%時品質提升效果最佳, 較普通施肥可溶性糖含量、游離氨基酸含量、粗蛋白含量、維生素C 含量分別提高0.24 百分點、10.81%、1.85 百分點和3.00%。

表3 不同控氮比例對生姜品質的影響

2.3 不同氮素控釋比例對生姜硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶是植物氮素同化過程中的關鍵酶之一[15-16]。由圖2 可以看出, 隨著生育時間的變化,各處理生姜硝酸還原酶均有先升高后降低的趨勢,在9 月15 日生姜膨大期達到峰值。所有時期, 使用氮肥的硝酸還原酶活性均顯著高于對照, 表明使用氮肥能顯著提升生姜葉片硝酸還原酶活性。苗期生姜葉片硝酸還原酶活性隨控釋氮肥比例增加而呈增高趨勢, T4、T5 處理顯著高于其余處理; 發棵期生姜葉片硝酸還原酶以普通施肥最高, 呈隨控釋氮肥比例增加而降低趨勢, T1、T2 處理顯著高于其余處理; 根莖膨大期生姜葉片硝酸還原酶活性隨控釋氮肥比例的增加而先升高后降低, 以T3 處理最高, 顯著高于CK、T1、T2 和T5, 高于T4 但差異不顯著; 收獲期生姜葉片硝酸還原酶活性隨控釋氮肥比例的增加而升高。

圖2 不同氮素控釋比例對生姜硝酸還原酶活性的影響

2.4 不同氮素控釋比例對生姜氮素利用率的影響

由表4 可以看出, 氮肥偏生產力、氮肥農學效率以T3 處理最高, 顯著高于其余處理, T2、T4 顯著高于T1 處理, T5 處理與T1 處理間差異不顯著;各使用控釋肥處理的氮肥利用率顯著高于T1 處理,提高8.61 ～15.66 百分點, 以T3 處理最高, 顯著高于T2、T5 處理, 高于T4 處理但差異不顯著;土壤氮素依存率以T1 處理最高, 顯著高于其余處理, T3 處理最低, 顯著低于T2、T5 處理, 低于T4 處理但差異不顯著。表明使用控釋氮肥, 可明顯提高生姜對氮素的利用, 降低生姜土壤氮素依存率, 各處理中以T3 處理最優。

表4 不同氮素控釋比例對生姜氮肥利用率的影響

2.5 不同氮素控釋比例對生姜土壤氮素平衡的影響

由表5 可以看出, 試驗地塊起始無機氮量及整個生育期的氮素表觀礦化量為364.36 kg·hm-2。在施氮量480 kg·hm-2的投入水平下, 土壤剩余無機氮量隨控釋氮肥比例的增加呈增加趨勢。作物積累的氮量隨控釋氮肥比例增加呈先增加后降低的趨勢, T3 處理達到峰值; 普通施肥處理氮素表觀損失量最高, 達到221.33 kg·hm-2, 顯著高于使用控釋氮肥處理, 各處理隨著控釋氮肥比例的增加表觀損失量降低, 使用控釋氮肥處理氮素表觀損失量較普通施肥降低20.42%～47.62%, 這可能與包膜氮素養分未釋放完全有關。

表5 不同氮素控釋比例對生姜土壤氮素平衡的影響 單位: kg·hm-2

3 結論與討論

研究表明, 使用控釋氮肥可提高作物產量、品質及效益[17-21]。在本研究中, 使用控釋氮肥可明顯增加生姜產量和經濟效益, 與前人研究結果相似[22-23]。其中以控釋氮占總氮投入的50%時效果最佳, 較普通施肥處理產量增加11.83%, 每公頃增收28 792.75 元。品質以控釋氮占總氮投入的75%時效果最佳, 與普通施肥相比, 可溶性糖含量、游離氨基酸含量、粗蛋白含量、維生素C 含量分別提高0.24 百分點、10.81%、1.85 百分點和3.00%。上述結果表明, 若以提高產量和經濟效益為目標的前提下, 可選擇控釋氮占總氮投入50%的生姜專用肥產品; 以提高生姜品質為目標的前提下, 可選擇控釋氮占總氮投入75%的生姜專用肥產品。

硝酸還原酶是植物氮素同化過程中的關鍵酶之一[15-16], 其強弱代表了作物對氮素的同化能力,本研究中不同生育期生姜硝酸還原酶活性隨處理的變化規律不同, 苗期呈現隨控釋氮比例增加而增加的趨勢, 發棵期出現隨控釋氮比例增加而降低的趨勢, 根莖膨大期呈現隨控氮比例的增加先升高后降低的趨勢, 以控釋氮占總氮50%處理 (T3) 最高;收獲期生姜葉片硝酸還原酶活性隨控釋氮比例的增加而升高。康玲玲等[23]研究結果表明, 水分條件相同時施氮量與硝酸還原酶活性呈正相關, 而在本研究中保持相同施肥量前提下, 各處理不同生育期硝酸還原酶活性的差異明顯, 這可能與因控釋氮肥釋放和追肥導致的氮素結構性供應不同有關。

本研究生姜使用控釋氮肥配合速效氮肥 (T2、T3、T4 處理) 亦可顯著提升生姜對氮肥的使用效率, 氮肥偏生產力、氮肥利用率、氮肥農學效率均顯著高于普通施肥, 分別提高7.85% ～11.82%、8.61 ～15.66 百分點、27.82%～41.92%; 顯著降低土壤氮素依存率, 降低5.76 ～9.69 百分點, 這與于淑芳等[21]的研究結果相似。與普通施肥相比,氮素全部以控釋氮素投入 (T5) 的處理, 雖可顯著提高氮素利用率, 降低土壤氮素依存率, 但氮肥偏生產力及氮肥農學效率較普通施肥差異不顯著。土壤—植物系統中, 氮素損失會降低氮肥的使用效果, 損失的氮素進入環境還會影響環境質量, 氮素表觀損失量可衡量因施肥不當導致的氮素損失情況。在本研究中, 氮素表觀損失量隨控釋氮比例的增加而呈降低趨勢, 綜合分析生姜氮素積累情況和土壤無機氮情況, 可能與控釋氮未能完全釋放有關, 與宋摯等[7]的研究結果相似。

綜合產量、品質及氮肥利用數據, 對于生姜施肥而言, 氮肥控釋比例并不是越高越好, 需要控釋氮肥與速效氮肥配合使用, 才可有效提高作物產量和氮肥效率, 這與梁靖越等[24]、李偉等[25]的研究結果相似。在本試驗條件下綜合產量、品質、經濟效益、氮肥利用, 以控釋氮肥占總氮投入的50%為最佳處理。本研究基于種植戶使用習慣開展, 可為生姜專用肥產品的研發提供理論依據和技術支撐。