Effects of Bio-organic Fertilizer on Photosynthetic Characteristics, Dry Matter Accumulation and Transportation and Yield Formation of Continuous Cropping Sugar Beet Under Reduced Chemical Fertilizer Application

GUO Xiaoxia, TIAN Lu, JIAN Caiyuan, HUANG Chunyan, LI Zhi, ZHANG Peng, HAN Kang, LIANG Yahui, KONG Dejuan, SU Wenbin

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Chinese Agricultural Science Bulletin ›› 2023, Vol. 39 ›› Issue (22) : 1-10. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0052

Effects of Bio-organic Fertilizer on Photosynthetic Characteristics, Dry Matter Accumulation and Transportation and Yield Formation of Continuous Cropping Sugar Beet Under Reduced Chemical Fertilizer Application

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Abstract

To study the regulatory effects of bio-organic fertilizer on continuous cropping sugar beet under reduced chemical fertilizer and to screen out the best amount of bio organic fertilizer, conventional fertilization (900 kg/hm2 chemical fertilizer) was used as the control (CK), five bio-organic fertilizer treatments were set up (BOF1: 1500 kg/hm2, BOF2: 3000 kg/hm2, BOF3: 4500 kg/hm2, BOF4: 6000 kg/hm2 and BOF5: 7500 kg/hm2), and on the basis of reducing 300 kg/hm2 chemical fertilizer, the effects of bio-organic fertilizer on the photosynthetic characteristics, dry matter accumulation and distribution, yield and quality formation of continuous cropping sugar beet were studied. The results showed that bio-organic fertilizer could promote the photosynthetic characteristics and dry matter accumulation of continuous cropping sugar beet. Compared with the CK, the BOF1 had no significant effects on photosynthetic characteristics and dry matter accumulation of sugar beet during the whole growth periods. Those of BOF2 showed differently among different index and growth periods. While the effects of BOF3, BOF4 and BOF5 all showed significantly except at seedling growth period. The net photosynthetic rate increased by 6.93%-15.23%, 11.50%-21.67% and 5.53%-16.23%, respectively; the intercellular CO2 concentration increased by 10.14%-16.60%, 14.90%-23.06% and 9.90%-16.23%, respectively; the stomatal conductance increased by 15.35%-22.34%, 23.20%-34.94% and 14.61%-22.80%, respectively; the SPAD value increased by 12.93%-24.03%, 24.30%-30.94% and 12.85%-23.14%, respectively; and the total dry matter accumulation amount increased by 14.29%-25.09%, 23.95%-40.09% and 16.24%-27.10%, respectively. Only BOF4 had positive effects on regulating dry matter distribution except at seedling stage. The distribution rate of leaf significantly decreased by 2.25%-10.19%, and the distribution rate of root significantly increased by 2.24%-7.58%. It could effectively promote the transfer of dry matter from ground to the root tubers of sugar beet. The yield of continuous cropping sugar beet increased first and then decreased with the increase of bio-organic fertilizer application amounts. Except treatment BOF1, other biological organic fertilizer treatments all significantly increased the yield compared with CK. The yield of sugar beet in BOF2, BOF3, BOF4 and BOF5 increased by 5.69%, 11.82%, 22.29% and 11.95%, respectively. Only in BOF3 and BOF4, the sugar yield significantly increased by 8.82% and 17.39% compared with the CK. At the same time, through linear fitting, the maximum beet yield and sugar yield appeared around the application amount of 6000 kg/hm2. Above all, on the basis of reducing chemical fertilizer for 300 kg/hm2, the combination with biological organic fertilizer of 6000 kg/hm2 can increase the yield and quality of continuous cropping sugar beet at the same time.

Key words

reduction of chemical fertilizer / bio-organic fertilizer / continuous cropping sugar beet / photosynthetic characteristics / dry matter / yield and quality

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GUO Xiaoxia , TIAN Lu , JIAN Caiyuan , HUANG Chunyan , LI Zhi , ZHANG Peng , HAN Kang , LIANG Yahui , KONG Dejuan , SU Wenbin. Effects of Bio-organic Fertilizer on Photosynthetic Characteristics, Dry Matter Accumulation and Transportation and Yield Formation of Continuous Cropping Sugar Beet Under Reduced Chemical Fertilizer Application. Chinese Agricultural Science Bulletin. 2023, 39(22): 1-10 https://doi.org/10.11924/j.issn.1000-6850.casb2023-0052

0 引言

内蒙古是中国甜菜第一大产区,是中国重要制糖基地。随着甜菜产业快速发展,内蒙古甜菜种植面积由2010年2.67×104 hm2增加至2020年14.29×104 hm2,占全国总种植面积60%以上[1]。内蒙古现有制糖企业14家,原料每年800×104~1000×104 t才能满足加工需求,按产量45 t/hm2计算,种植面积应不少于20×104 hm2。在种植面积不断扩大和原料需求的双重背景下,土地资源有限,导致甜菜大面积连作种植,连作种植面积占总种植面积的30%以上。甜菜属于忌连作直根系作物,连作种植限制其生长发育并降低产量和品质。研究发现甜菜连作后产量平均下降10%~20%,含糖率平均下降0.5~2.0度,且随连作年限增加,下降幅度增大,连作4年后产量下降50%,含糖率下降6.5度,严重制约甜菜优质高效生产[2]。化肥多年连续的大量施用,土壤中养分供应远超过甜菜实际需求,加重了连作障碍中养分富集失衡,造成作物产量和品质降低[3]。因此,寻求甜菜连作防控措施是当前内蒙古地区,乃至全国甜菜生产中亟待解决的问题。
随着种植业集约化、复种指数不断提高和种植品种单一趋势的发展,作物连作障碍也日渐严重,学者们对作物连作障碍领域的研究也逐步加强和深入[4]。合理轮作、土壤改良、生物制剂及合理施肥是减轻作物连作障碍的基本途径[5]。生物有机肥是在有机肥的基础上添加部分功能性有益微生物菌,通过微生物的代谢改良土壤,进而高效地为作物提供营养的一种新型、安全的肥料[6],具备养分均衡、肥效持久和富含功能微生物菌等特点[7]。研究表明,生物有机肥能够活化土壤养分、改善土壤结构、提高土壤微生物活性,促进根系生长,提高肥料利用率,进行实现作物产量和品质的增加[8]。前人研究结果表明,化肥减量基础下,生物有机肥的施用能够起到改善土壤养分、协调养分供应、增产和改良品质的效果[9-10]。近年来,随着生物有机肥的大量应用,其被越来越多的应用于作物连作障碍的防控中,研究表明其能够有效缓解黄瓜[11]、棉花[12]、平邑甜茶[13]等作物因连作出现的土传病害等问题,进而促进作物生长,提高连作下作物生产力[6]。光合作用是影响作物产量的最重要过程,也是产量形成的基础。干物质积累是反映光合能力的重要指标,也是作物高产的物质基础,干物质积累对产量有重要贡献[14],其在各器官中的分配比例是制约作物产量形成的关键因素之一。研究表明,光合作用是干物质积累的基础,光合能力的提高能够促进干物质的积累[15],进而促进作物产量和品质的提升,而肥料是影响作物光合和干物质的重要因素之一[16-17]。因此,通过对光合能力和干物质积累、转移和分配特性的评估,可以很好地评价栽培措施的优劣。目前关于生物有机肥对作物光合、干物质积累的研究表明其能促进叶片光合能力提高和干物质积累量增加[18],但探究生物有机肥施用下作物干物质分配、转运的研究报道较少,尤其在连作栽培中未见报道。因此,本研究选取甜菜适用的生物有机肥,探究化肥减施下,生物有机肥不同用量对连作甜菜光合特性、干物质积累和分配以及产质量形成的影响,以期从生物有机肥对光合和干物质影响的角度评价其在连作甜菜上的应用效果,筛选出适宜连作甜菜栽培的最佳用量,为内蒙古地区甜菜连作栽培提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甜菜品种为‘IM1162’。
甜菜专用化肥总养分≥40%,N:P:K=12:18:15。
生物有机肥采用微生物菌剂和腐熟羊粪复配的形式加工,复配比例1:250,微生物菌剂由中农绿康生物技术有限公司提供,所含菌种主要为枯草芽孢杆菌和哈茨木霉菌,运用现代微生物发酵技术加工制备而成,剂型为粉剂,有效活菌数≥5.0亿个/g。生物有机肥复配加工由内蒙古耕宇化肥有限公司进行。

1.2 试验地概况

试验地位于内蒙古乌兰察布市农林科学研究所试验地(40.9232°N,113.1196°E)。中温带大陆性季风气候,昼夜温差大,年均气温为4.5℃,最高气温为39.7℃,最低气温-34.4℃;降雨多集中在7—8月,年均降雨量300~400 mm;无霜期131 d。土壤类型为栗钙土,耕层土壤基础养分含量见表1
表1 试验地耕层土壤基础养分含量
项目 有机质/(g/kg) 全氮/(g/kg) 全磷/(g/kg) 全钾/(g/kg) 碱解氮/(mg/kg) 速效磷/(mg/kg) 速效钾/(mg/kg)
含量 18.21 0.71 0.46 16.31 111.07 9.23 153.01

1.3 试验设计

试验于2019年5—10月进行,选取甜菜连作2年地块作为试验地块。试验设以常规施肥(900 kg/hm2甜菜专用化肥)为对照(CK),在甜菜专用化肥施用量为600 kg/hm2的基础上,设置1500 kg/hm2(BOF1)、3000 kg/hm2(BOF2)、4500 kg/hm2(BOF3)、6000 kg/hm2(BOF4)、7500 kg/hm2(BOF5)5个生物有机肥施用量处理。随机区组设计,重复3次,小区面积60 m2(10 m×6 m)。甜菜种植方式为露地直播,行距50 cm,株距20 cm。甜菜专用化肥和生物有机肥均作为基肥,在播种前撒施于地表,通过耕翻施入土壤。其他田间管理方式与大田生产一致。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 甜菜光合特性指标的测定

选择晴朗无风天气,在苗期、叶丛快速生长期、块根及糖分增长期、糖分积累期、收获期进行指标测定。上午9:00—11:00或下午15:00—17:00采用Li-6400便携式光合系统测定甜菜倒五叶的净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)。采用红蓝光源叶室(LED),LED光量子设置为1500 µmol/(m2·s)。同时采用日本产SPAD-502叶绿素仪测定相同位置叶片SPAD值。

1.4.2 甜菜植株干物质测定

在苗期、叶丛快速生长期、块根及糖分增长期、糖分积累期、收获期进行指标测定。取样在每个小区随机取3点,其中每个点取甜菜3株。取样后将甜菜按照叶片、叶柄和块根进行分离,带回实验室105℃杀青30 min后,80℃烘干至质量恒定。

1.4.3 甜菜含糖率、产量和产糖量

甜菜收获时,每个小区选取10 m2,重复3次,将所有块根进行称重测产;在测产中的块根中随机取15株,用Atago Refractometer PAL-1数字手持折射仪测定锤度,折算含糖率[式(1)],产糖量依据产量和含糖率进行计算[式(2)]。
含糖率=锤度×80%
(1)
产糖量=产量×含糖率
(2)

1.5 数据分析

Excel 2019进行数据处理、计算和作图,SPSS 25.0软件进行显著性(LSD最小显著性差异法,P<0.05)和相关性分析。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥对连作甜菜光合特性的影响

表2可知,随着生物有机肥用量的增加,甜菜叶片各光合特性指标均呈现先增加后降低的趋势,随着生育期推进,不同处理各指标均呈现先升高后降低的趋势,且各指标最大值均出现在块根及糖分增长期。
表2 生物有机肥对连作甜菜光合特性的影响
光合指标 处理 苗期 叶丛快速生长期 块根及糖分增长期 糖分积累期 收获期
净光合速率/[µmol/(m2·s)] CK 12.44±0.5a 20.67±0.68d 21.43±0.47e 18.83±0.46d 12.79±0.32b
BOF1 12.36±0.58a 21.07±0.66cd 22.22±0.75de 19.42±0.68cd 13.07±0.44b
BOF2 12.7±0.45a 21.91±1.08bcd 22.59±0.64cd 20.55±0.9bc 13.29±0.51b
BOF3 12.98±0.42a 22.60±1.07abc 23.68±0.59bc 21.69±0.88b 13.67±0.5ab
BOF4 13.23±0.56a 24.29±1.28abc 25.63±0.63a 22.91±0.36a 14.26±0.71a
BOF5 13.13±0.42a 22.87±0.76ab 23.28±0.42bc 21.45±0.61b 13.49±0.35ab
胞间CO2浓度/[µmol/(m2·s)] CK 126.67±7.69a 221.37±9.75e 335.91±8.75d 273.01±5.7d 219.41±8.16d
BOF1 124.66±8.2a 231±5.63de 346.49±11.2cd 275.32±6.13d 224.42±4.96cd
BOF2 129.74±7.51a 241.43±7.74cd 356.13±7.87bc 287.59±7.01c 236.26±9.02bc
BOF3 134.3±9.7a 258.13±9.54ab 369.81±7.81b 300.7±6.56b 243.73±10.08ab
BOF4 136.47±4.78a 272.43±7.92a 385.97±7.65a 315.07±7.35a 257.38±8.94a
BOF5 135.53±9.56a 257.3±7.06b 366.27±6.6b 300.03±6.28bc 242.59±6.59b
蒸腾速率/[mmol/(m2·s)] CK 3.84±0.31a 4.94±0.28d 6.54±0.28d 5.71±0.21d 4.33±0.26d
BOF1 4.02±0.77a 5.1±0.13cd 6.98±0.36cd 6.22±0.34cd 4.93±0.45cd
BOF2 4.07±0.22a 5.29±0.31bc 7.34±0.13c 6.72±0.24c 5.22±0.34bc
BOF3 4.16±0.5a 5.55±0.2ab 8.11±0.33b 7.35±0.37b 5.77±0.29ab
BOF4 4.33±0.47a 5.82±0.15a 8.79±0.11a 7.89±0.32a 6.17±0.5a
BOF5 4.19±0.57a 5.45±0.25abc 8.15±0.29b 7.32±0.21b 5.89±0.5ab
气孔导度/[mmol/(m2·s)] CK 0.16±0.01b 0.47±0.01d 1.34±0.03e 0.99±0.02d 0.6±0.02c
BOF1 0.17±0.01ab 0.48±0.03cd 1.42±0.04de 1.04±0.04d 0.64±0.03c
BOF2 0.17±0.02ab 0.52±0.03c 1.47±0.04cd 1.13±0.03c 0.69±0.02b
BOF3 0.17±0.01ab 0.57±0.01b 1.55±0.01bc 1.19±0.04bc 0.73±0.04b
BOF4 0.18±0.01a 0.63±0.01a 1.66±0.1a 1.29±0.04a 0.81±0.04a
BOF5 0.17±0.01ab 0.58±0.02b 1.54±0bc 1.17±0.04bc 0.73±0.02b
SPAD CK 31.2±1.67a 35.57±1.35d 40.47±2.82c 34.43±1.67d 26.5±1.73d
BOF1 30.47±1.36a 37.23±1.82cd 41.77±1.97c 35.9±1.85cd 28.17±2.24c
BOF2 32.87±1.57a 40.3±2.5bc 43.17±0.85bc 38.17±2.5bc 30.6±1.18bc
BOF3 33.43±1.67a 42.63±1.56ab 45.7±0.82b 41.03±1.55bc 32.87±1.22ab
BOF4 34.07±1.69a 45.83±1.72a 50.3±1.9a 44.7±1.31a 34.7±1.85a
BOF5 33.6±1.85a 42.7±1.71ab 45.67±0.71b 40.3±1.91b 32.63±0.84ab
苗期,与CK相比,各生物有机肥处理对甜菜净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值均未产生显著影响。进入叶丛快速生长期后,与CK相比,处理BOF1在各时期各光合指标均表现无显著性差异;处理BOF2在叶丛快速生长期和收获期对净光合速率无显著影响,在块根及糖分增长期对SPAD无显著影响,其余时期显著提高净光合速率5.40%~9.15%、胞间CO2浓度5.34%~9.06%、蒸腾速率7.15%~17.68%、气孔导度9.49%~11.64%、SPAD值10.84%~15.47%;处理BOF3、BOF4、BOF5显著提高了各时期光合指标,且处理BOF4气孔导度各时期均显著高于BOF3和BOF5,其余各光合指标仅在块根及糖分增长期和糖分积累期表现显著,BOF3和BOF5之间各时期各光合指标均表现差异不显著,与CK相比,处理BOF3、BOF4和BOF5甜菜净光合速率分别提高6.93%~15.23%、11.50%~21.67%和5.53%~16.23%,胞间CO2浓度分别提高10.14%~16.60%、14.90%~23.06%和9.90%~16.23%,蒸腾速率分别提高12.29%~33.18%、17.81%~42.42%和10.26%~36.03%,气孔导度分别提高15.35%~22.34%、23.20%~34.94%和14.61%~22.80%,SPAD值分别提高12.93%~24.03%、24.30%~30.94%和12.85%~23.14%。

2.2 生物有机肥对连作甜菜干物质积累、转运和分配的影响

2.2.1 生物有机肥对连作甜菜单株干物质积累总量的影响

表3可知,甜菜全生育时期单株干物质积累总量总体表现为BOF4>BOF5>BOF3>BOF2>BOF1>CK。苗期各生物有机肥处理对甜菜单株干物质积累量均无显著影响。进入叶丛快速生长期后,与CK相比,处理BOF1在各时期对单株干物质积累量均无显著性影响;处理BOF2则在除叶丛快速生长期外其余时期均显著增加了甜菜单株干物质积累量,提高幅度10.02%~16.38%;处理BOF3、BOF4、BOF5则在各时期均显著提高了甜菜单株干物质积累量,且除叶丛快速生长期外,处理BOF4的甜菜单株干物质积累量均显著高于处理BOF3和BOF5,而处理BOF3和BOF5之间各时期甜菜单株干物质均表现差异不显著。与CK相比,处理BOF3、BOF4和BOF5甜菜单株干物质积累量分别显著提高14.29%~25.09%、23.95%~40.09%和16.24%~27.10%。
表3 生物有机肥对连作甜菜单株干物质积累总量的影响
处理 苗期 叶丛快速生长期 块根及糖分增长期 糖分积累期 收获期
CK 2.62±0.19a 37.44±2.68c 130.7±5.87d 133.49±4.5d 199.04±5.22d
BOF1 2.68±0.21a 37.84±2.11c 135.45±4.31d 141.49±6.41d 208.45±7.51cd
BOF2 2.77±0.18a 40.18±2.22bc 143.8±5.77c 155.36±8.94c 223.76±9.42bc
BOF3 2.85±0.18a 42.79±1.51ab 151.12±4bc 166.99±8.04bc 231.84±13.86b
BOF4 2.95±0.32a 46.41±1.48ab 163.42±4.13a 186.9±4.93a 257.36±9.07a
BOF5 2.87±0.18a 43.52±2.02ab 152.39±1.89b 169.67±6.71b 234.13±12.59b

2.2.2 生物有机肥对连作甜菜单株干物质分配的影响

图1可知,苗期,各生物有机肥处理对甜菜叶片、叶柄、块根的干物质积累量和分配比例均未造成显著影响。进入叶丛快速生长期,与CK相比,处理BOF1在各生育时期对甜菜叶片、叶柄、块根的干物质积累量和分配比例均无显著影响;处理BOF2在叶丛快速生长期仅显著提高了叶柄比例,进入块根及糖分增长期后,逐步表现出显著提高叶柄和块根干物质积累量的效果,其中叶柄干物质积累量提高8.69%~14.58%,块根干物质积累量提高10.04%~13.03%,但其对各器官干物质分配比例基本表现为无显著影响;处理BOF3显著提高了各时期甜菜叶片、叶柄和块根干物质积累量,分别提高5.74%~24.98%、13.81%~21.26%和16.81%~26.71%,叶丛快速生长期显著降低叶片比例7.65%,显著提高了叶柄分配比例4.42%和块根分配比例5.56%,块根及糖分增长期则显著降低叶片比例4.43%,显著提高该时期块根分配比例2.76%,进入糖分积累期后则对叶片、叶柄和块根的分配比例均无显著影响,可见该处理能促进各时期甜菜生长和物质积累,但仅在连作甜菜生长前期对干物质分配起到一定调节作用,生长后期其作用效果下降;处理BOF4显著提高了各时期甜菜叶片、叶柄和块根的干物质积累量,分别提高11.56%~36.35%、21.02%~32.04%和29.41%~44.45%,显著降低了各时期甜菜叶片分配比例2.25%~10.19%,显著提高了叶丛快速生长期叶柄分配比例5.74%,显著降低了块根及糖分增长期和收获期叶柄分配比例3.20%和9.60%,显著提高了各生育时期块根分配比例2.24%~7.58%,可见该处理不仅具有促进连作甜菜生长和物质积累的效果,还能够调节干物质在各器官的分配,降低叶片分配比例,促进块根分配比例的持续提升,具有较好的调控作用;处理BOF5显著提高了各时期甜菜叶片、叶柄和块根的干物质积累量,其分别提高10.38%~32.52%、17.05%~29.31%和16.37%~24.47%,其在叶丛快速生长期显著提高了叶柄分配比例6.11%,显著降低了叶片分配比例5.22%,块根及糖分增长期显著提高了块根分配比例1.58%,显著降低了叶片分配比例3.71%,但进入糖分积累期后该处理叶片和叶柄分配比例高于对照,其中叶柄分配比例在糖分积累期和收获期显著提高1.74%和5.87%,叶片比例则在收获期显著提高2.94%,2个时期块根比例显著降低2.10%和1.11%,可见该处理在全生育时期能够促进连作甜菜生长和干物质积累的作用,但其进入生长后期后不能较好调节干物质分配,地上部叶片和叶柄干物质比例显著提高,抑制了其向块根的转运。
图1 生物有机肥对连作甜菜单株干物质分配的影响

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2.3 生物有机肥对连作甜菜产质量的影响

图2可知,各处理连作甜菜产量表现为BOF4>BOF5>BOF3>BOF2>BOF1>CK,其中除处理BOF1外,其余各生物有机肥处理均显著高于对照,与CK相比,BOF2、BOF3、BOF4和BOF5甜菜产量分别提高5.69%、11.82%、22.29%和11.95%;连作甜菜含糖率表现为随着生物有机肥施用量的增加呈下降趋势,与CK相比,BOF1表现无显著差异,其余各生物有机肥处理显著降低,且处理BOF5显著低于BOF2、BOF3和BOF4;产糖量是由产量和含糖率共同决定的,连作甜菜产糖量表现为BOF4>BOF3>BOF2>BOF5>CK>BOF1,与CK相比,仅有处理BOF3和BOF4表现显著增加,分别增加8.82%和17.39%,且处理BOF4显著高于BOF3
图2 生物有机肥对连作甜菜产质量的影响

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2.4 生物有机肥施用下连作甜菜光合特性与产质量的相关性

图3可知,生物有机肥施用下,连作甜菜光合特性与其产质量均存在不同程度的正相关关系。其中净光合速率、胞间CO2浓度、气孔导度与产量呈极显著(P<0.01)正相关,与产糖量呈显著(P<0.05)正相关;蒸腾速率与产量呈显著(P<0.05)正相关,与产糖量的相关性表现不显著;SPAD值与产量呈极显著(P<0.01)正相关,与产糖量的相关性表现不显著。可见,生物有机肥的施用通过调控连作甜菜叶片光合作用,改善光合能力,能够实现产质量的提升。
图3 连作甜菜光合特性与产质量的相关性

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2.5 连作甜菜产质量对生物有机肥施用的响应

图4可知,连作甜菜产量和产糖量均与生物有机肥的施用量呈三次曲线关系,随着生物有机肥施用量的增加,产量和产糖量整体均表现为先增加后降低的趋势。生物有机肥施用量与产量的拟合值R2=0.9303,与产糖量的拟合值R2=0.8957,且产量和产糖量的峰值出现在生物有机肥施用量6000 kg/hm2
图4 连作甜菜产质量对生物有机肥施用的响应

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3 结论

化肥减施配施生物有机肥能够改善连作甜菜光合性能,提高其叶片SPAD、净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度,同时具有促进其干物质积累和产量增加的效果。随着生物有机肥施用量的增加,连作甜菜光合指标、干物质积累和产量均呈现先增加后降低的趋势,且在施用量为6000 kg/hm2时表现较优,其中净光合速率提高11.50%~21.67%、胞间CO2浓度提高14.90%~23.06%、蒸腾速率提高17.81%~42.42%、气孔导度提高23.20%~34.94%、SPAD值提高24.30%~30.94%、单株干物质积累量提高23.95%~40.09%,同时该施用量能够较好调节连作甜菜干物质的分配和转运,促进其由地上部向块根的转移,最终使产量提高22.29%、产糖量提高17.39%。综上,连作甜菜栽培中采用化肥施用量600 kg/hm2配施6000 kg/hm2生物有机肥的施肥方式能够实现其产质双增。

4 讨论

4.1 生物有机肥调控连作甜菜光合特性

光合作用是作物生产重要的生理代谢过程之一,其效率高低是决定作物生产力的根本因素之一。研究认为,连作可使作物根际微生态环境发生趋害变化,植物体水分、养分运输以及物质合成、代谢等生理过程受到明显抑制或损害[19],作物光合生理活动减弱、光合能力下降。本研究中,化肥减施下施用生物有机肥能不同程度提高连作甜菜叶片净光合速率、胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度和SPAD值,这与前人关于生物有机肥对枸杞[20]、西瓜[21]和娃娃菜[22]等作物光合特性的研究结果基本一致,这是由于生物有机肥施入土壤,能够平衡土壤养分比例,促进作物对土壤养分的吸收利用,且分解过程中产生的酚、酶、维生素、生长素等多种代谢物质可进一步促进根系生长和对养分的吸收,进而增加作物叶片中养分含量[23],研究表明叶片中氮素含量的增加能够有效改善作物光合效率,提高光合能力[24]。同时土壤中微生物能够促进作物叶绿素荧光参数的提高和其对有效光的利用[25],这也是生物有机肥提高连作甜菜叶片光合性能的原因之一。本研究发现随着生物有机肥施用量增加,连作甜菜叶片光合特性整体呈现先增加后降低趋势,化肥用量由900 kg/hm2降低到600 kg/hm2时,配施4500~7500 kg/hm2生物有机肥能够显著改善连作甜菜叶片光合特性,但施用量为7500 kg/hm2时其光合特性显著低于施用量6000 kg/hm2的处理,这可能是由于过量生物有机肥使连作土壤中有机物含量积累过量,土壤承载能力有限[26],植株不能充分利用,产生抑制作用,导致光合能力降低[27];同时作物养分吸收量存在阀值,光合特性并不能随着施肥量的增大而无限增大。本研究中生物有机肥施用量6000 kg/hm2时,其气孔导度在除苗期外其余各时期均显著高于施用量4500和7500 kg/hm2,其余各光合指标仅在进入块根及糖分增长期后表现显著,可见施用量6000 kg/hm2处理改善光合特性的关键在于其对气孔导度的影响。研究表明叶片气孔是空气和水蒸气的通道,在植物呼吸、光合、蒸腾作用等气体代谢过程中起到关键作用[28],调节光合作用的关键在于改善叶片气孔开闭,提高蒸腾,加快气体交换,使进入叶片气孔的CO2含量增加,光合原料增加,使光合作用增加。

4.2 生物有机肥影响连作甜菜干物质积累和分配

干物质积累与分配、转运是反映作物适应土壤、气候等环境因素能力的重要体现。研究表明化肥与有机肥配施能够为作物提供满足全生育期所需的养分,有利于增加其干物质的积累量[29],生物有机肥能促进连作棉花[30]、黄瓜[6]等的生长和物质积累。本研究中,化肥减施下生物有机肥能促进连作甜菜单株干物质积累量增加,但施用量1500、3000 kg/hm2时对连作甜菜促生作用基本不显著,这可能是由于施用量太少,不足以改善化肥长期大量施用和连作带来的危害[31]。施用量在4500~7500 kg/hm2时促进作用表现持续显著,同时显著提高了连作甜菜各器官干物质积累量,但在调节分配上表现不同效果,施用量4500 kg/hm2能够调节生长前期物质分配,由叶片向叶柄和块根转运,但其进入糖分积累期后调节作用不再显著;施用量6000 kg/hm2对连作甜菜表现持续的干物质调节作用,自叶丛快速生长期到收获期均促进干物质由地上部向块根转运;施用量7500 kg/hm2时,甜菜生长后期地上部叶片和叶柄干物质比例显著提高,地上部生长旺盛,难以较好向块根转运。可见,本研究中化肥减施配施生物有机肥对干物质积累的影响与前人基本一致,这是由于化肥配施生物有机肥后能够调节连作土壤中养分比例,平衡作物的C、N比,增强连作植株抗逆性,研究认为有机肥促进干物质积累和转移的主要原因是能够延缓功能叶片的衰老,改善光合作用[32],进而促进生长[33]。本研究发现连作甜菜干物质积累总量以及各器官干物质积累量均随着生物有机肥施用量的增加呈现先增加后降低的趋势,这与其对连作甜菜光合特性的影响一致,是由于过量的生物有机肥使得连作土壤中有机物含量积累过量,作物无法利用过量的有益微生物,且土壤承载能力有限[25],同时作物养分吸收量存在最佳阀值,使得其生长并不能随着施肥量的增大而无限增大,干物质积累不能无限增加。

4.3 生物有机肥影响连作甜菜产质量形成

作物产量和品质的形成是不同生育时期作物生长发育累积的结果,受生育期内多种作物内在和栽培外在因素的影响,其中施肥是影响作物产量和品质的关键因素之一。研究表明化肥减量10%配施生物有机肥能够使马铃薯产量和经济效益分别增加5.3%和3.6%[34];化肥减施50%配施生物有机肥能够实现甜菜产量增加16.01%[35]。本研究结果表明,化肥由900 kg/hm2降低到600 kg/hm2,配施生物有机肥能实现连作甜菜块根产量增加,表现为6000 kg/hm2>7500 kg/hm2>4500 kg/hm2>3000 kg/hm2>1500 kg/hm2,且除施用量1500 kg/hm2,其余各施用量甜菜块根产量均表现显著提高,这与前人结果基本一致,这是由于生物有机肥的增加能够补充土壤中因甜菜连作缺失的营养物质[36],同时生物有机肥中的有益微生物能够加快对作物连作产生自毒物质的分解[37],进而促进产量和品质形成。本研究中甜菜光合特性与产质量形成有着显著或极显著相关关系,生物有机肥改善连作甜菜光合能力也是其实现增产的原因之一。但本研究中甜菜含糖率随着生物有机肥施用量的增加呈现逐渐降低的趋势,这与前人关于肥料对甜菜含糖率的影响表现一致[38-39],这可能是由甜菜本身特性决定的,甜菜含糖率对水肥较为敏感。

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