葱麦轮作模式下菌渣有机肥与氮肥配施对作物产量、品质的影响

马 征,崔荣宗,宫志远,谭德水,张柏松,董晓霞,魏建林

(山东省农业科学院 农业资源与环境研究所/农业农村部 黄淮海平原农业环境重点实验室/农业农村部 废弃物基质化利用重点实验室/山东省植物营养与肥料重点实验室，山东 济南 250100)

我国是食用菌生产第一大国,据中国食用菌协会统计,2016年全国食用菌生产总量达到了3596.6万t,产值超过2700亿元,占世界总产量的70%～80%。随着食用菌产量增长，菌渣量也大幅升高,但目前我国食用菌菌渣仍普遍存在随意堆放或焚烧现象,这不仅造成废料中养分流失和浪费,还会增加空气中霉菌孢子和害虫的数量,进而污染环境[1-4]。因此,研究菌渣有效的利用不仅可以减少环境污染、改善农村生态环境,更对节约能源与农业废弃物高效生态资源化利用具有长远意义。

有研究表明,菌渣中含有丰富营养物质及生物活性成分[5],如蛋白质、氨基酸、菌类多糖及铁、钙、锌、镁等微量元素和维生素等,同时,菌渣里残留着大量的菌丝体,菌丝体在生长发育过程中会分泌出激素类物质和多种酶,这些生物活性物质不仅能够分解复杂的有机物,抑制部分土传性病菌,还能促进植物生长，改善作物品质[6-7]。菌渣经合理开发,不仅可以用于食用菌配料二次生产,亦可应用于动物饲料[8]、栽培基质[9-10]、有机肥料以及土壤改良剂等[11],具有较高的利用价值。冯慧翎等[12]研究发现,沙化土壤中添加菌渣能显著提高土壤有机碳含量和土壤酶活性,对提高植被盖度、高度、生物量、土壤含水量和降低土壤容重均有显著效果。毛碧增等[13]将蘑菇菌糠作为栽培基质,研究发现可以提高番茄株高、茎粗、根冠比及光合速率。王笃超等[14]研究了不同有机物料对连作大豆土壤养分及生物性状的影响,发现菌渣类有机物料抑制正茬大豆田土壤pH值下降的效果比秸秆、牧草等天然有机物料明显,菌渣等有机肥类物料可显著提高连作土壤微生物量碳、氮、磷含量,明显提高连作土壤的呼吸作用。菌渣作为肥料在粮食、蔬菜等作物上施用已有较多的研究,但在葱麦轮作模式下与氮肥配施的研究还未见报道。因此，笔者利用工厂化金针菇菌渣生产的有机肥在大葱-小麦上进行肥效试验,进一步研究了菌渣有机肥与氮肥不同比例配施对作物生长、产量及品质的影响,旨在为菌渣再利用和化肥减施提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试土壤

试验于2014年6月～2015年6月在山东省章丘市县庆元村进行,地理位置为N36°46′39.7″,E117°26′51.3″。试验地块为当地典型多年大葱小麦轮作种植地块,土壤类型为褐土,表层质地中壤。地势平坦,地力均匀,水浇条件良好。在大葱定植前采集耕层土壤样品,其基本理化性状:有机质16.7 g/kg,碱解氮78.65 mg/kg,有效磷30.56 mg/kg,速效钾148.0 mg/kg,pH值为7.85。该地区种植模式为大葱/冬小麦轮作,大葱自6月底开始定植,11月底收获;冬小麦自每年10月上旬种植,至次年6月中下旬收获;从10月初到11月底,冬小麦与大葱大约有50 d的共生期。

1.2 供试材料

供试菌渣有机肥由山东省农科院农业资源与环境研究所研制,有机肥全氮含量2.34%,全磷含量2.07%,全钾含量1.78%,有机质含量58.97%。菌渣有机肥的原料是出过一潮菇的工厂化金针菇菌渣(培养料配方:棉籽壳50%、玉米芯20%、麦麸28%、轻质碳酸钙2%),取自芳绿农业科技有限公司。供试氮肥包括金正大43%控释尿素(N含量43%)和普通尿素(N含量46%)、重过磷酸钙(P2O5含量44%)、硫酸钾(K2O含量50%)。供试大葱(AlliumfistulosumL.var.giganteamMakino)品种为‘大梧桐’,供试小麦品种为‘济麦22’。

1.3 试验设计

采用大田小区随机区组试验,试验设置7个处理,即:FP(农民习惯施肥)、OPT(优化施肥)、MN0(菌渣有机肥+OPT基础上不施氮肥)、MN140(菌渣有机肥+OPT基础上氮肥减施50%)、MN280(菌渣有机肥+OPT)、MN420(菌渣有机肥+OPT基础上氮肥增施50%)、MNc(菌渣有机肥+控释氮肥)。每个处理重复3次,小区面积为3.4 m× 8.8 m=30 m2,每小区设4沟葱种植行。在大葱种植季，各处理肥料均底施1次,追施3次，其中菌渣有机肥和磷肥做底肥一次性施入,氮肥分4次施用,比例为15∶15∶20∶50,钾肥4次施用比例为50∶0∶25∶25；2014年6月19日起垄施底肥,6月20日移栽葱苗,8月12日、8月26日、9月13日结合培土进行追肥,其中MNc处理氮肥分2次施入,基肥为控释氮肥,追施为普通尿素,比例为50∶50。11月13日大葱收获。在小麦种植季，各处理肥料均底施1次,追施1次,其中磷、钾肥一次性作底肥施入,氮肥分基肥、追肥两次施用,每次用量50%；MNc处理氮肥为控释尿素，一次性基施；2014年10月8日结合平整田畦施入底肥、播种,2015年3月22日结合浇水撒施追肥,6月8日小麦收获。各处理的具体施肥量见表1。

表1 试验方案及施肥量 kg/hm2

1.4 样品采集与测定方法

在大葱种植前和小麦收获后按五点法取0～30 cm土层土样进行混合,在自然条件下风干,研磨过2 mm尼龙筛备用,测定土壤基本理化性质。在大葱收获时取小区中间两垄代表性样段整株葱鲜样10株,进行生育性状调查及品质分析。

土壤有机质含量采用重铬酸钾-浓硫酸油浴法[15]测定。大葱生物性状调查指标包括株高、茎粗、葱白(假茎)长,品质指标中可溶性固形物含量采用奥利龙0%～20%手持糖度计测定，维生素C含量采用2,6-二氯靛酚滴定法[16]测定，硝酸盐含量采用紫外分光光度法[17]测定。大葱、小麦产量按小区实收计算。氮肥偏生产力(Partial factor productivity from applied N,PFPN)指单位投入的肥料氮所能生产的作物产量,其计算公式[18]为:PFPN=Y/F，其中Y为施氮后所获得的产量,F代表氮肥的投入量。

氮肥农学效率(Agronomy efficiency from applied N,AEN)(kg/kg)=(施肥区大葱产量-减素处理区大葱产量)/施肥量。

1.5 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据计算;采用DPS统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 菌渣有机肥与氮肥配施对大葱农艺性状的影响

从表2可知,随着施氮量的增加，大葱的株高和假茎长均呈逐渐增加趋势,各处理大葱的株高较不施氮处理(MN0)增加了2.14%～10.89%,其中MN280、MN420和MNc处理的株高显著高于MN0处理;各处理大葱的假茎长较MN0增加了5.56%～24.37%,其中MN280处理的假茎长显著高于MN0处理,而在其他各处理间无显著差异(P>0.05)。各处理大葱的假茎直径虽无显著差异,但随着施肥量的增加,假茎直径出现下降趋势,其中MN420处理的假茎直径较MN0降低了6%。

表2 不同施肥处理对大葱收获期农艺性状的影响

2.2 菌渣有机肥与氮肥配施对大葱产量及品质的影响

从表3可知,各处理大葱产量在56322.22 kg/hm2到64833.33 kg/hm2之间,大葱产量随着施氮量的增加出现逐渐增加的趋势,其中MN420处理的大葱产量最高,比MN0显著提高了15.11%。与其他施用氮肥的处理相比,不施氮肥处理减产了1544.45～8511.11 kg/hm2。相对于农民习惯施肥处理,处理MN280、MN420和MNc均有不同程度的增产,说明增施有机肥、合理施用化肥对大葱产量有着重要影响,合理的碳氮比有利于大葱的生长发育、产量形成。MN280与OPT相比,在化肥施用量一致的基础上,增施有机肥可平均提高大葱产量1455.55 kg/hm2,但两者没有显著性差异,这可能与有机肥肥效慢、一季试验时间短有关。MNc处理的大葱产量分别较OPT和MN280显著增长了8.28%和5.63%,说明控释肥可以缓慢分解释放养分,减少养分流失,提高肥料利用率,在等养分量投入的情况下可以实现大葱的增产。

从表3还可以看出,与FP相比,施用菌渣有机肥可显著提高大葱Vc含量13.43%～37.24%。大葱硝酸盐含量随施氮量增加呈先降低后增大的趋势,以MN280处理的硝酸盐含量最低；MN0、MN140和MNc处理的大葱硝酸盐含量虽然有所增大,但与MN280处理差异不显著；MN420处理的大葱硝酸盐含量较MN280显著增加了39.81%；在同等化肥氮水平下,配施菌渣有机肥处理的大葱硝酸盐含量显著降低了17.48%～22.85%。随着施氮量增加，大葱的可溶性固形物含量有增加的趋势,增施菌渣有机肥可显著提高大葱的可溶性固形物含量22.76%～29.25%。总体来看,施用菌渣有机肥对大葱品质有较大的改善作用。

表3 不同配施处理对大葱产量及品质的影响

2.3 菌渣有机肥与氮肥配施对小麦产量及肥料贡献率的影响

由图1可见,各处理的小麦产量在8342.0～9100.5 kg/hm2,以MN420的小麦产量最高,以MN0的产量最低。与不施化肥氮处理相比,各处理的小麦产量增幅在2.10%～9.09%,随着施氮量的增加，小麦产量有逐渐增加的趋势,其中,OPT、MN280和MN420处理的小麦产量增加显著。MN280与OPT相比,在化肥施用量一致的基础上,增施有机肥有提高小麦产量的趋势,说明上季增施有机肥对小麦产量有影响,合理的碳氮比有利于小麦的生长发育和产量形成。处理MNc与MN280相比,在总养分投入等量的情况下,将氮素肥料改成控释肥后小麦产量下降了4.46%,这可能是由于小麦生育期长,施用控释肥难以满足小麦生育后期对养分的需求。

图2表明,在不同施肥处理下,大葱和小麦的氮肥偏生产力(PFPN)均以MN140最大,PFPN随着施氮量的增大而降低。在化肥施用量一致的基础上,配施有机肥处理MN280、MNc的PFPN值分别较OPT和FP处理有所提升。从氮肥农学效率(AEN)来看,增施有机肥各处理大葱的AEN比单施化肥处理平均提高了91.19%,且其AEN值随施氮量的增大而增大；而各处理小麦的AEN值偏低且差异不显著。

图1 不同施肥处理对小麦产量的影响

图2 不同处理对大葱、小麦的肥料贡献率的影响

2.4 菌渣有机肥与氮肥配施对土壤有机质含量的影响

在小麦收获后,对各小区耕层土壤样品进行采集,分析其有机质含量情况。图3结果显示,施用菌渣有机肥对葱/麦周年土壤有机质含量影响显著,施用菌渣有机肥各处理土壤的有机质含量较OPT处理分别增加了13.57%、12.63%、6.61%、9.13%和7.04%,说明增施有机肥能显著提高土壤有机质含量,改善土壤地力。在施用菌渣有机肥的各处理中,以不施氮处理的土壤有机质含量最高,且随着施氮量的增加,土壤有机质含量呈先降低后升高的变化趋势,其中MN280和MNc处理较MN0显著降低,说明适量的氮肥施用可促进土壤有机质的矿化作用。

图3 不同处理对土壤有机质含量的影响

3 讨论

3.1 菌渣有机肥与化肥配施对作物产量的影响

肥料的种类和配比是直接影响土壤养分积累及作物产量的重要因素。合理的施肥可以改善土壤理化性质、增加作物产量[19-20]。研究表明,有机无机肥配施既能补充速效养分,又可以保证后期养分的持续供应,根据作物生育期对养分的需要特点合理配施可达到协调作物养分的平衡供应,实现作物增产的目的[21]。谭力彰等[22]利用猪粪、沼渣沼液与化肥配施发现,长期有机无机肥配施可在一定程度上提高水稻株高、穗长、每穗实粒数、每蔸有效穗数、千粒重和结实率,从而提高双季稻产量。许小伟等[23]通过有机粪肥与化肥配施发现,中量配施比例促进了花生新陈代谢和生殖生长,花生单株结荚数和百粒重明显提高,产量显著增加。张晶等[24]的研究结果表明,有机肥与适量化肥配施主要提高了小麦的单位面积穗数和千粒重,从而实现了高产。本研究发现,280 kg/hm2氮肥+有机肥处理的大葱株高、假茎长均显著高于单施等量化肥的OPT处理,说明在优化施肥的基础上,增施菌渣有机肥可协同提高大葱的产量构成要素；该处理小麦季的产量较OPT处理也有所增加,表明菌渣与无机化肥配施可以有效提高大葱的株高、假茎长,还可以在一定程度上提高小麦季产量；随着施用年限增加,有机肥的肥力将不断积累,最终实现葱/麦周年高产。

3.2 菌渣有机肥与化肥配施对大葱品质的影响

菌渣不仅含有植物生长所必需的大量元素,还含有植物可直接吸收利用的有机质,研究表明,施用菌渣有机肥具有改善作物品质的效果[25]。陈世昌等[26]研究认为,菌渣还田可显著提高梨园土壤有机质含量和生物活性,从而显著提高梨的可溶性固形物和可溶性糖含量,降低可滴定酸含量,改善果实品质。刘中良等[27]研究发现,麦秸、稻壳及菌渣还田处理可显著提高番茄中Vc、番茄红素和可溶性糖含量。本研究结果也表明,施用菌渣有机肥可提高大葱的Vc含量,与氮肥合理配施可提高大葱的可溶性固形物含量,还可显著降低同一施肥水平下作物的硝酸盐含量。

3.3 菌渣有机肥与化肥配施对土壤有机质含量的影响

大量研究表明,与不施肥或单施化肥相比,有机无机肥配施可显著提高土壤的有机质含量[28]。有机肥不仅可以增加土壤的外源碳,还可以提高土壤肥力,促进地上部分植物的生长,增加作物有机残体与根茬的归还量；适量的氮肥投入可以增加土壤微生物的活性和作物根系分泌,还可以促进土壤有机质的矿化作用[29]。本研究发现,施用有机肥处理的土壤有机质含量增加了6.61%～13.57%,随着施氮量的增加,土壤有机质含量先降后升,说明适宜的施氮量可促进土壤有机质的矿化。

4 结论

在本试验条件下,与单施化肥处理相比,菌渣有机肥与化肥配施可显著提高大葱的株高；在化肥施用量一致的基础上,增施菌渣有机肥可提高大葱平均产量1455.55 kg/hm2,菌渣有机肥与控释氮肥配施可提高大葱平均产量4811.11 kg/hm2,而在增施有机肥的基础上氮肥减施50%,大葱产量降低了244.44 kg/hm2;有机无机肥配施可有效降低大葱硝酸盐含量17.48%～22.85%,显著提高大葱的可溶性固形物含量22.76%～29.25%;有机无机肥配施处理的小麦产量较单施化肥处理增加了164 kg/hm2,但MNc处理的小麦产量降低了308 kg/hm2。