生物有机肥替代部分化肥对旱地胡麻干物质积累及籽粒产量的影响

Effects of partial substitution of chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on dry matter accumulation and grain yield of oilseed flax in dryland

摘要

目的 探究两种不同生物有机肥（肉蛋白生物有机肥M₁和爸爱我生物有机肥M₂）替代部分化肥对旱地胡麻减肥增产的效果。 方法 以不施肥为对照（CK），研究了常规施肥（CF）、70%CF+30%生物有机肥（30%M₁、30%M₂）、40%CF+60%生物有机肥（60%M₁、60%M₂）和10%CF+90%生物有机肥（90%M₁、90%M₂）对旱地胡麻生长发育特性及籽粒产量的影响。 结果 生物有机肥替代化肥不仅显著提高了胡麻地上干物质最大积累速率和平均积累速率，而且增加了胡麻成熟期的干物质积累量和生殖器官干物质的分配，其中，30%M₁干物质积累量增幅最大，较其他处理显著高出6.42%~41.74%，生殖器官干物质的分配较其他处理高0.23%~7.15%。生物有机肥替代化肥主要通过增加胡麻单株有效蒴果数和果粒数进而提高籽粒产量，30%M₁和30%M₂处理下胡麻籽粒产量较CF分别显著增加25.09%和23.84%，较CK分别显著增加40.32%和38.92%。 结论 30%有机肥替代化肥能促进胡麻生育后期干物质累积、胡麻籽粒干物质分配、提高胡麻单株有效蒴果数和每果粒数，进而提高胡麻产量。30%肉蛋白或爸爱我生物有机肥替代化肥可作为陇中地区比较适宜的减肥增产的施肥方式。

Abstract

Objective This study aimed to explore the effective of partial substitution of chemical fertilizers with two different bio-organic fertilizers (Roudanbai bio-fertilizer M₁ and Baaiwo bio-fertilizer M₂) in reducing chemical fertilizer application and increasing yield of dryland flax. Method With no fertilization as control (CK)，the effects of conventional fertilization (CF)，70%CF+30% bio-organic fertilizer (30%M₁，30%M₂)，40%CF+60% bio-organic fertilizer (60%M₁，60%M₂) and 10%CF+90% bio-organic fertilizer (90%M₁，90%M₂) on the growth characteristics and grain yield of oilseed flax in dryland were studied. Result The treatments of replacement partial chemical fertilizer with different bio-organic fertilizers not only significantly increased the maximum and average dry matter accumulation rates of oilseed flax above ground，but also increased the dry matter accumulation amount and the dry matter allocation of reproductive organs at the mature stage of oilseed flax.Among them，the dry matter accumulation under the 30%M₁ treatment was higher by 6.42%~41.74% than those of other treatments.The dry matter distribution of reproductive organs was higher by 0.23%~7.15% than that of other treatments.Otherwise，the bioorganic fertilizer could increase the grain yield by increasing effective capsule number per plant and seed number per fruit.The yield under 30%M₁ and 30%M₂ treatments were significantly increased 25.09% and 23.84% when compared with CF and increased 40.32% and 38.92% when compared with CK，respectively.It indicated that 30% organic fertilizer substitute for chemical fertilizer can promote dry matter accumulation，dry matter distribution of oilseed flax at late growth stage，and increase effective capsule number per plant，seed number per fruit and so as to increase the grain yield of oilseed flax. Conclusion The results suggested that the substitution of chemical fertilizers with 30% bio-organic fertilizers could promote the accumulation of dry matter，the distribution of dry matter in flax seeds，the number of effective capsules per plant and the number of seeds per fruit，and thus increase flax yield.Therefore，the fertilizing mode could be a suitable fertilization method of reducing chemical fertilizer and increasing grain yield in oilseed flax cultivation in central area of Gansu.

Graphical abstract

关键词

胡麻 / 生物有机肥替代化肥 / 干物质积累及分配 / 产量

Key words

flax / bio-organic fertilizers / dry matter accumulation and distribution / yield

化肥对全球粮食生产具有举足轻重的作用，而我国粮食作物增产的40%依赖于化肥^［1］。然而过量施用化肥，不仅引起土壤理化性质恶化，肥力降低，还加剧了农业生产成本，造成环境污染和资源浪费，严重影响我国农业的可持续发展^［2-4］。生物有机肥富含有益微生物，可促进土壤中养分转化，物质传递等过程，有效提高肥料利用率，改善作物生长环境，进而提高作物产量^［5］。在小麦^［6］、玉米^［7］、水稻^［8］、马铃薯^［9］等作物中研究发现，生物有机肥能有效促进作物生长，改善植株农艺性状，增加生物产量和经济产量。为响应农业部2015年提出的《到2020年化肥使用零增长行动方案》方针，有机肥替代部分化肥的施肥制度已逐渐成为我国农业施肥的指导方针^［10］。徐令旗等^［11］研究指出，生物有机肥配施化肥可改善水稻群体质量，促进叶和茎鞘的干物质转化，利于植株干物质的积累。杨天庆等^［12］研究发现，生物有机肥替代化肥显著增加了胡麻各器官干物质积累量、促进不同生育时期植株各器官干物质量的合理分配，提高了胡麻籽粒产量。可见，生物有机肥替代化肥对作物的干物质积累与分配具有一定程度的影响。

胡麻又称油用亚麻，生育期短、适应性广，是我国北方地区主要的经济作物之一^［13］。因其用途广泛、品质特殊，在油料作物和纤维作物中占有重要地位^［14］。然而，我国胡麻单位面积产量远低于世界发达国家的水平，严重制约着胡麻油产业的健康发展和供给安全^［15］。究其原因，气候干旱和土壤贫瘠是限制其产量提高的首要因素，此外，大量施用化肥也是导致胡麻产量低而不稳的因素之一^［16］。利用生物有机肥改良土壤，增加作物产量，探索生物有机肥替代部分化肥的科学比例与用量，对于促进我国农业发展具有重要意义^［17］。不同作物对有机肥类型和数量的响应不同，且有机肥在胡麻上的研究，多侧重于有机肥对品质的改善^［18-20］，但不同生物有机肥配施化肥比例下胡麻干物质积累动态及分配如何变化仍不清楚。因此，本研究通过田间试验，探索两种生物有机肥替代部分化肥对胡麻干物质积累转运及产量的影响，以期筛选出适宜胡麻生产的保质增效的有机肥替代化肥比例，为旱地胡麻的高产栽培和高效施肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年3月~8月在甘肃省兰州市榆中县良种繁殖场进行，试验区地处N 32°11'~42°57'、E 92°13'~108°46'，年均气温为6.7 ℃，年平均降水量为351 mm，试验土壤为沙壤土。胡麻播前0~20 cm土壤的基础养分如下：土壤有机质含量为14.56 g/kg，全氮为1.10 g/kg、碱解氮为59.01 mg/kg、全磷为0.83 mg/kg、速效磷10.83 mg/kg、速效钾117.67 mg/kg。

1.2 试验材料与设计

试验采用单因素完全随机区组试验设计，常规施肥（其中N 90 kg/hm²、P₂O₅ 75 kg/hm²、K₂O 52.5 kg/hm²）表示为（CF），施用两种生物有机肥：肉蛋白生物有机肥（M₁）和爸爱我生物有机肥（M₂）；两种生物有机肥下设3种有机肥和化肥配施处理（以总氮含量相等为原则），分别为：70%CF+30%生物有机肥（30%M）、40%CF+60%生物有机肥（60%M）和10%CF+90%生物有机肥 （90%M），以不施肥（CK）为对照，共8个处理。具体施肥状况如表1所示。

肉蛋白生物有机肥（石家庄金太阳生物有机肥有限公司提供，总养分：N=3%，P₂O₅=2%，K₂O=1%，有机质≥30%，粗蛋白≥8%，氨基酸≥4%，中量元素钙≥6%），爸爱我生物有机肥（江苏新天地生物肥料工程中心有限公司生产，总养分：氮磷钾≥6%，有机质≤25%，水分≤30%）。有研究表明，与单施化肥相比，单施肉蛋白和爸爱我生物有机肥对胡麻具有一定的减产作用^［20］，但也有学者研究发现，较低比例的肉蛋白生物有机肥配施化肥能显著增加胡麻产量^［12］。因此，本研究选用不同肉蛋白和爸爱我两种生物有机肥与化肥配施比例，进一步研究其对胡麻干物质积累及其产量的影响。

所有肥料播前一次性开沟施入。小区面积20 m²（4 m×5 m） ，重复3次。供试品种为张亚2号，种植密度为750万株/hm²，于2016年3月25日开始播种，8月13日收获。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 株高与茎粗的测定

分别在胡麻苗期、现蕾期、盛花期和成熟期用直尺测定子叶节到生长点的株高，用游标卡尺测其子叶下1 cm处的茎粗。

1.3.2 植株干物质的测定

分别在胡麻苗期（5月13日）、现蕾期（6月2日）、盛花期（6月21日）、成熟期（8月13日）按5点采样法每小区取长势基本一致的植株30株，将植株茎秆、叶片、蒴果、籽粒各器官分开，在105 ℃杀青30 min，之后80 ℃下烘至恒质量，分别测定植株地上部分各器官的干物质质量^［21］。

各生育时期干物质积累量=阶段末干物质积累量-阶段初干物质积累量^［22］

各器官的干物质分配比例（%）=各器官的干物质积累量/植株地上部干物质积累量×100%^［23］

1.3.3 植株干物质增长模型和相关计算公式

以Logistic模型来模拟胡麻整个生育期干物质积累过程，以出苗后天数为自变量（t），地上部干物质积累量（g）为因变量（Y），方程表达为^［24］：

Y=K/（1+e∧（a-r*t））

式中：K为干物质最大积累量上限，a和r为常数。

1.3.4 考种与测产

胡麻成熟期各小区采样30株进行室内考种，分别测定单株有效蒴果数、每果粒数和单株产量。收获是按小区单打单收，晒干后称取胡麻籽粒质量，测得小区实际产量。

1.4 数据处理

数据采用Excel 2010整理，应用SPSS 21.0进行统计分析与显著性检验。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥替代部分化肥对胡麻株高和茎粗的影响

由图1可知，不同施肥处理下胡麻全生育期株高和茎粗均呈增加的趋势。其中株高在苗期和现蕾期均表现为CF处理最高，盛花期和成熟期则表现为30%M₁处理显著高于其他处理，较CK和CF处理分别显著高出12.04%、7.36%和5.44%、3.02%。茎粗除苗期外，不同施肥处理下胡麻全生育期茎粗总体表现为30%M₂处理最高，较CK和CF处理显著高出8.07%~20.15%和7.32%~10.55%。可见，化肥对胡麻现蕾期前株高和茎粗的促进作用高于有机肥，现蕾期之后有机肥的优势逐渐显现。

2.2 生物有机肥替代部分化肥对旱地胡麻干物质积累及分配规律的影响

2.2.1 生物有机肥替代部分化肥对胡麻干物质积累规律的影响

不同施肥处理下胡麻地上部分干物质积累随生育时期的总体变化趋势基本相同，同一生育时期不同处理随施肥不同而存在差异。苗期，CF处理干物质积累量最高，生物有机肥替代部分化肥各处理间未出现显著差异。从现蕾期开始，生物有机肥替代化肥较CK和CF处理干物质积累量表现出明显优势。现蕾期，生物有机肥替代部分化肥处理干物质积累量均高于CK和CF处理。盛花期，30%M₁处理最高，分别较其他处理显著高出8.05%~46.86%，成熟期，干物质积累量随生物有机肥替代比例降低而升高，其中30%M₁较CK和CF处理显著高出41.74%和21.15%，30%M₂较CK和CF处理显著高出29.82%和10.96%（表2）。以上结果说明，常规施肥可增加胡麻生育前期干物质积累量，而生育后期，30%生物有机肥替代化肥对促进胡麻干物质积累效果显著。

2.2.2 生物有机肥替代部分化肥胡麻干物质积累方程的拟合

以出苗后天数为自变量（t），地上部干物质积累量为因变量（Y），对其进行Logistic方程拟合。结果表明，不同施肥处理下胡麻干物质积累的模拟方程决定系数R²为0.995~0.999，拟合程度良好。由表3可见，生物有机肥替代化肥可提高胡麻干物质的最大积累量，而各处理间因替代比例不同而异，其中30%M₁和30%M₂处理最高，较CF分别提高17.87%和8.87%。30%M₁与30%M₂较CF处理干物质最大增长速率提高37.79%和18.07%。说明30%的生物有机肥替代化肥可明显促进胡麻干物质的积累。最大累积速率出现时期（t_m）各处理间有所不同，总体表现为CF处理维持时间最长，但积累速率较低。而生物有机肥配施化肥生物量快速积累期持续时间短，但最大积累速率高，且平均增长速率也最大，因此可以说明，生物有机肥替代化肥在胡麻全生育期维持了较高的干物质增长速率，增大了胡麻地上干物质积累量。

2.2.3 生物有机肥替代部分化肥对胡麻干物质分配规律的影响

由图2可知，胡麻全生育期植株干物质在各器官中的分配比例受施肥状况的影响。随着胡麻生育进程的推进，茎的干物质分配比例先升高后降低，叶逐渐降低，而花和蒴果逐渐增大，且30%生物有机肥替代部分化肥对胡麻成熟期蒴果干物质的分配具有促进作用。茎秆的干物质分配比例在盛花期达到最大，占干物质总量的55.28%~60.09%，叶片的干物质分配比例由苗期的66.13%~70.37%下降至盛花期的23.53%~29.63%，花和蒴果的干物质分配比例由花期的14.69%~18.53%逐渐升至成熟期的58.99%~64.06%。就成熟期花果而言，干物质分配比例由高到低顺序依次为30%M₂>30%M₁>60%M₁>90%M₂>60%M₂>CF>CK>90%M₁，其中30%M₂的分配比例较其他处理高出1.35%~8.60%。说明30%生物有机肥替代化肥对促进胡麻生育后期生殖器官干物质的分配作用突出，是胡麻获得高产的最佳施肥方式。

2.3 生物有机肥替代部分化肥对旱地胡麻产量及产量构成的影响

生物有机肥替代化肥显著影响胡麻籽粒产量及其单株有效蒴果数和果粒数，对分茎数和主茎分枝数无显著影响。两种肥料均表现为30%生物有机肥替代化肥增产效果最为显著，且随替代比例升高，胡麻籽粒产量降低，但均高于CK和CF处理（表4）。与CK和CF相比，生物有机肥替代部分化肥能够显著提高单株有效果数和每果粒数，其中30%M₁处理提高效果尤为明显，分别较CK、CF处理高13.69%、8.09%和21.56%、13.63%。就籽粒产量而言，30%M₁和30%M₂处理最高，其中 30%M₁较CK和CF分别显著增加40.32%和25.09%，30%M₂较其分别显著增加38.92%和23.84%。由此可知，30%生物有机肥替代化肥处理能够显著增加旱地胡麻籽粒产量，是试验区比较合理的胡麻高产施肥方式。

2.4 胡麻干物质积累与产量及其构成因素的相关性分析

由表5可知，各生育时期干物质积累量与产量之间存在明显的相关关系，除苗期呈显著负相关关系外，其他各生育时期均呈正相关关系，且相关性达到极显著水平。由此可见，不同施肥处理下胡麻籽粒产量对现蕾期-成熟期干物质积累具有一定程度的依赖性，要获得较高的籽粒产量，可以考虑增加现蕾期-成熟期干物质积累量。单株有效果数和果粒数与产量之间呈极显著正相关，而籽粒产量与分茎数和主茎分枝数无显著性相关关系。说明可通过优化施肥方式协调同步提高胡麻单株有效果数和果粒数的正效应来提高籽粒产量。

3 讨论

3.1 生物有机肥替代部分化肥对旱地胡麻干物质积累及分配规律的影响

干物质生产是作物产量形成的基础，产量形成很大程度上取决于不同器官光合同化物积累、分配与转运关系的协调^［25］，因此，促进作物地上部干物质积累量的增加，对作物产量的增加具有直接或间接的作用^［26］。有机无机配合施用可通过影响作物对养分的吸收而改变作物生长发育状况^［27］。研究表明，与单施化肥相比，有无机肥配施能显著提高作物的干物质积累量^［28］。陆强等^［29］研究指出，有机肥配施无机肥促进了干物质在作物后期的积累，并提高了干物质在籽粒的分配比例。崔红艳 ^［30］研究发现，有机肥配施化肥能显著增加胡麻花前干物质的积累和花后干物质向籽粒的分配，是胡麻获得高产的主要原因。本研究表明，生物有机肥替代化肥显著增加了现蕾期以后胡麻干物质积累量，促进胡麻成熟期的籽粒干物质分配比例，这主要是由于减量化肥配施有机肥能延缓作物营养器官的衰老，提高了生育后期光合产物的积累，进一步促进了营养器官中光合产物向生殖器官转移，增加了籽粒中干物质占比^［31］。而苗期常规施肥干物质积累量较高，这是因为化学肥料的肥效较快，而有机肥分解缓慢，虽然有机肥不能满足作物生长前期对养分的需要但是其具有长效性，使作物在各个生育阶段获得稳定均衡的养分，从而更好地促进作物生长^［32］。干物质积累量的多少取决于输入量、速率和时间3个因素，协调好三者之间的关系有利于干物质的积累，为作物的高产奠定基础^［33］。有研究表明^［34］，有机肥替代化肥处理能明显增加作物干物质的最大增长速率和干物质快速积累期的干物质平均增长速率，且随有机肥使用量的增加呈单峰趋势变化。本研究表明，30%生物有机肥替代化肥处理提高了胡麻地上干物质最大积累速率和平均积累速率，增大了地上干物质积累量，为胡麻后期的增产创造了基础。

3.2 生物有机肥替代部分化肥对旱地胡麻产量及产量构成的影响

有机无机肥配施能发挥肥料的交互作用，是培肥土壤地力、增加作物产量的最佳施肥措施^［35］。研究表明，有机肥与化肥配施能够有效提高粮食作物的产量^［36-37］。本研究表明，生物有机肥替代化肥显著影响胡麻籽粒产量，主要是因为生物有机肥替代化肥显著增加了胡麻单株有效蒴果数和果粒数，这与杨天庆等^［12］的研究结果一致。目前有关有机肥替代适宜比例的研究结果存在差异，如陶玥玥等^［38］研究指出，与常规施肥相比，20%和40%有机肥替代化肥能显著提高小麦产量，且产量随有机肥替代比率继续增加呈负相关关系。杨天庆等^［12］认为，30%有机肥替代化肥显著增加了胡麻籽粒产量。马伟明等^［39］研究表明，90%生物有机肥替代化肥可显著提高胡麻产量，较常规施肥增产2%~3.5%。不同试验结果存在差异的原因可能是有无机肥配施比例对作物的增产作用与土壤肥力状况、气候条件等因素有关。有研究发现，土壤肥力水平较低时，微生物的繁殖和生长会与作物竞争养分，影响作物对养分的吸收，有机肥代替比例过高反而会降低作物产量；土壤肥力水平较高时，提高有机肥替代比例会提高微生物活性，增加土壤肥力，进而促进作物增产^［40］。本研究结果表明，30%生物有机肥替代化肥增产效果尤为显著，且随生物有机肥的替代比例增高胡麻籽粒产量降低，30%M₁和30%M₂较CK和CF分别显著增加40.32%、25.09%和38.92%、23.84%。因此表明，胡麻播前土壤初始肥力水平较低，30%生物有机肥替代获得了最大的产量效益。但有机肥替代化肥促进作物增产是土壤、气候等多因素作用的综合效应，因此还需通过大量多年定位试验来准确判定其增产机理。

4 结论

生物有机肥替代化肥显著增加了现蕾期以后胡麻干物质积累量，其中30%的肉蛋白或爸爱我生物有机肥替代化肥显著提高了干物质最大积累速率和平均积累速率，增加了成熟期的籽粒干物质分配比例。生物有机肥替代化肥显著增加胡麻单株有效蒴果数和果粒数，30%肉蛋白或爸爱我生物有机肥替代化肥增产效果尤为显著。可见，30%生物有机肥替代化肥是试区及类似农田生态类型环境下比较合理的生物有机肥替代化肥施肥方式。

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基金资助

财政部和农业农村部：国家现代农业产业技术体系(CARS-14-1-16)

甘肃农业大学干旱生境作物学重点实验室主任基金课题项目(GSCS-2020-Z6)

甘肃省教育科技创新产业支撑计划项目(2021CYZC-38)

中央引导地方科技发展专项基金项目

甘肃农业大学伏羲杰出人才项目(Gaufx-02J05)

国家自然科学基金项目(31760363)