肥料配施枯草芽孢杆菌对夏玉米产量及养分利用的影响

李荣发，刘 鹏，董树亭，张吉旺，赵 斌

（山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018）

玉米在我国粮食生产中占有重要地位。戴景瑞等[1]认为2008—2020年我国玉米单产年均递增188.7 kg/hm2才能保证未来玉米的消费需求。施用化肥，特别是施氮肥是玉米增产的有效措施之一[2]。我国农业生产中，存在氮肥施用量大[3]、利用效率低[4-5]、环境污染风险大[6]等突出问题。与此同时，随着集约化、规模化禽畜养殖业的快速发展，大量排放的禽畜粪便使农业环境污染日趋严重。禽畜粪便中含有大量的有机质和作物生长必需的营养元素，是优质的有机肥源[7]。目前对畜禽粪便的研究绝大多数都是利用堆肥、腐熟粪便或厩肥与无机氮肥配合施用[8]，施用方法繁琐。Richardson[9-10]发现接种芽孢杆菌能促进植物根系生长，增加总根长和单位根长密度，提高磷的生物有效性。Kloepper等[11]研究得出增施枯草芽孢杆菌能增加植物根系表面积，提高根系对水分和养分的吸收效率。胡小加等[12]发现施用枯草芽孢杆菌能在不同程度上增加小麦、辣椒、西瓜、大豆和玉米苗期干物重，还能增加植株的氮、磷和钾含量。但在等养分条件下，关于增施枯草芽孢杆菌对作物产量和肥料利用率影响的报道较少。本试验研究等养分条件下肥料配施枯草芽孢杆菌对夏玉米养分吸收和作物产量的影响，以期为夏玉米肥料的合理施用和肥料配施模式提供新的技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016和2017年在山东农业大学黄淮海玉米区域技术创新中心旱棚中进行，旱棚内栽培池规格为2.5 m × 2.5 m，土壤为棕壤，其有机质含量为9.60 g/kg、全氮0.54 g/kg、速效磷23.6 mg/kg、速效钾89.4 mg/kg。试验采用随机区组设计，设置不施氮肥(CK)、施尿素(N)、施牛粪(M)、牛粪 + 枯草芽孢杆菌(MB)、尿素 + 枯草芽孢杆菌(NB)5个处理，5次重复，共25个栽培池，增施枯草芽孢杆菌(F4009-1，CHEMINOVA A/S，RTI477，17%，w/w)处理按照1.5 kg/hm2用量施入。以登海605(DH605)为玉米品种，种植密度为82500株/hm2。氮肥选用腐熟牛粪和普通尿素，施肥前对有机肥含水量及养分含量进行测定，本试验2016年施用牛粪养分含量为：全氮(N)0.49%，全磷(P2O5)0.42%，全钾(K2O)0.32%，重量含水量为78.2%；2017年，全氮(N)0.94%，全磷(P2O5)0.12%，全钾(K2O)0.19%，重量含水量为79.7%。施氮处理的施氮量均为纯N262、P2O5131、K2O 262 kg/hm2，牛粪施入量根据牛粪的含氮量和含水量计算得出；然后根据牛粪中P2O5和K2O的含量，分别计算出P2O5和K2O的施用量，为保证与牛粪处理相同的P2O5和K2O投入量，其他处理均采用过磷酸钙和硫酸钾补齐P2O5和K2O的需求量。施肥方式为作基肥播前撒施在地表，翻地后播种并立即灌水。

1.2 测定项目和方法

1.2.1 样品采集 各处理分别于玉米吐丝期(R1)和籽粒完熟期(R6)取4株长势均匀一致的植株，其中R1期植株分为叶片、茎鞘两部分，R6期植株分为叶片、茎鞘、籽粒三部分，各部分样品105℃杀青30 min后80℃烘至恒重，测定干物质积累量，之后用粉碎机粉碎。

1.2.2 氮磷钾测定 采用H2SO4消煮，用连续流动分析仪(Auto Analyzer-III，德国 Bran Luebbe公司)测定植物样品全氮、全磷含量，火焰光度计测定全钾含量。

1.2.3 产量及产量构成因素 成熟期各处理池子中所有玉米全收，室内考种，调查穗行数、行粒数、千粒重，按14%含水量测产。

1.2.4 参数计算 氮(磷、钾)素干物质生产效率(kg/kg)= 干物质重(kg/hm2)/植株氮(磷、钾)素吸收量(kg/hm2)；氮(磷、钾)素利用效率(kg/kg)= 籽粒产量(kg/hm2)/植株氮(磷、钾)吸收量(kg/hm2)；氮(磷、钾)收获指数= 籽粒氮(磷、钾)吸收量(kg/hm2)/植株氮(磷、钾)吸收量(kg/hm2)；氮(磷、钾)肥偏生产力(kg/kg)= 施氮(磷、钾)区产量(kg/hm2)/施纯氮(P2O5、K2O)量(kg/hm2)。

1.3 数据处理

采用Excel 2010 软件进行数据处理，利用DPS16.05软件进行统计分析，其中处理间差异显著性采用LSD法进行检验(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同处理下玉米产量及构成因素

由表1可知，年份、处理和二者的交互作用对生物量、收获指数、产量及产量构成因素影响显著。各施氮处理玉米籽粒产量均高于对照；其中MB处理籽粒产量最高，显著高于其它处理(P＜0.05)。MB处理2年玉米产量分别比M处理增产20.3%、21.2%；NB和N处理两年平均产量无显著差异。处理间籽粒产量的差异主要是由穗粒数和千粒重的差异造成的。两年各处理完熟期生物量差异显著，表现为 MB＞NB＞N＞M＞CK。

表1 不同肥料处理对玉米籽粒产量及产量构成因素的影响Table1 Effect of different fertilization treatments on grain yields and yield components of maize

2.2 不同处理下玉米干物质积累特性

吐丝期施氮处理干物质积累量显著高于CK，MB处理显著高于其它处理(表2)。吐丝期MB处理干物质积累量比M处理两年平均增加24.7%。2016年和2017年，花后MB处理比M处理分别提高25.4%、52.0%，NB处理比N处理分别增加3.06%、17.2%。无机肥配施枯草芽孢杆菌对干物质积累效果不一致，而有机肥配施枯草芽孢杆菌有利于夏玉米花后干物质积累，为夏玉米籽粒产量提供物质基础。

2.3 不同处理下玉米生长期氮磷钾吸收量

由表2可知，吐丝期不同处理夏玉米地上部氮素吸收量存在显著差异(除N和NB间没有显著差异外)，且施氮处理显著高于CK。其中，2016年和2017年MB处理吐丝期氮素积累量较M处理分别提高39.6%、19.0%，花后氮素积累量分别增加24.9%、49.2%；与N处理相比，NB处理吐丝期氮积累量无显著差异，花后氮素积累量显著增加40.2%、29.8%。在促进植株对氮素的吸收上，有机肥配施枯草芽孢杆菌的效果要显著优于化肥配施枯草芽孢杆菌。

吐丝期不同处理夏玉米地上部磷素吸收量，施氮处理显著高于CK，且配施枯草芽孢杆菌显著增加了植株磷素吸收量(2017年NB除外)。2016年和2017年吐丝期磷素积累量，MB处理比M处理分别提高71.7%、12.4%，2016年NB处理比N处理提高7.71%(P＜0.05)；MB处理花后磷素积累量比M处理分别提高85.1%、63.9%(表2)。有机肥配施枯草芽孢杆菌能显著增加夏玉米磷素吸收量，普通化肥配施枯草芽孢杆菌对夏玉米磷素吸收量的影响两年结果不一致。

有机肥配施枯草芽孢杆菌对玉米吐丝期的钾素吸收影响两年结果不一致，无机肥配施枯草芽孢杆菌使吐丝期的钾素吸收量减少或影响不显著(表2)。有机肥配施枯草芽孢杆菌能显著增加夏玉米钾素吸收量，普通化肥配施枯草芽孢杆菌对夏玉米钾素吸收量影响两年结果不一致。

表2 不同处理夏玉米吐丝期、花后期生物量、氮磷钾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 不同处理下玉米氮磷钾利用效率

由表3可得，各处理的氮肥偏生产力表现为MB ＞NB＞N＞M；施肥处理的氮肥利用效率显著低于CK，肥料配施枯草芽孢杆菌处理显著低于单施肥料处理。配施枯草芽孢杆菌处理的氮肥偏生产力高于单施肥料处理，即MB＞M，NB＞N。氮肥干物质生产率各处理表现为 CK＞N＞MB＞M＞NB。MB处理与M处理相比，氮肥的干物质生产率和利用效率无显著差异(P＜0.05)，NB处理与N处理相比，不同处理对所有氮素吸收利用指标均有极显著影响。年份对氮肥干物质生产率、氮肥利用效率和氮肥偏生产力影响显著，对氮肥收获指数无显著影响；两者的交互作用对氮肥干物质生产率、氮肥偏生产力无显著影响，对氮肥利用效率和氮收获指数影响显著。

表3 不同处理对夏玉米氮肥利用率的影响(kg/kg)Table3 Effect of different fertilization treatments on nitrogen utilization efficiency of summer maize

由表4可知，各处理2016年磷肥偏生产力表现为 MB＞NB＞N＞M，2017 年则表现为 MB＞NB ＞M＞N，且有机肥配施枯草芽孢杆菌能显著提高磷肥偏生产力。磷肥干物质生产率和利用效率，施肥处理显著低于对照，肥料配施枯草芽孢杆菌处理显著低于单施肥料处理。2016年不同处理磷素收获指数以N处理最高，MB、NB、M处理无显著差异，2017 年各处理变化趋势为 MB＞NB＞M＞CK＞N。除年份对磷肥收获指数显著影响外，年份、处理、年份与处理的交互作用对磷肥的其它利用效率指标均有极显著影响。

由表5可知，不同肥料配施，MB处理钾收获指数最高；钾肥干物质生产率和利用效率处理间差异不明显。钾肥利用效率以CK最高。钾肥偏生产率2016 年各处理变化趋势为 MB＞NB＞N＞M＞CK，2017 年为 MB＞NB＞M＞N＞CK。除处理对钾肥干物质生产率无显著影响外，年份、处理、年份与处理的交互作用对钾肥的其它利用效率指标均有极显著影响。

2.5 配施枯草芽孢杆菌对玉米经济效益的影响

由表6可知，有机肥或无机肥配施枯草芽孢杆菌，投入成本均增加620元/hm2，有机肥配施枯草芽孢杆菌和无机肥配施枯草芽孢杆菌两年平均净收入分别增加16.9%、-0.07%，无机肥配施枯草芽孢杆菌的产量与单施无机肥的产量差异不显著，净收入基本持平。有机肥配施枯草芽孢杆菌能显著增加玉米产量，提高玉米的经济效益。

3 讨论

3.1 不同施肥方式对玉米产量的影响

不同施肥处理对玉米穗粒数、千粒重、产量及生物量均有极显著的影响(表1)。研究表明，枯草芽孢杆菌SQR9在黄瓜、玉米和香蕉根际有效定殖，促进地上部和根系生长和产量提高[12-13,17]。本试验中有机肥配施枯草芽孢杆菌花前、花后的干物质积累量与单施有机肥处理相比提高显著，无机肥配施枯草芽孢杆菌亦能显著增加花后的干物质积累量(表2)。干物质积累是玉米产量形成的物质基础，增加干物质积累量，尤其是花后干物质积累量对玉米增产具有重大意义[14]。肥料配施枯草芽孢杆菌能够显著增加玉米的产量，其中MB处理要优于NB处理(表1)。穗粒数和粒重是单株玉米籽粒产量构成的决定性因素[15]，穗粒数比粒重更容易受到氮素供应和水分等环境因素的影响。两年结果表明，有机肥配施枯草芽孢杆菌比单施有机肥处理的穗粒数显著增加，而对千粒重无显著影响(表1)。枯草芽孢杆菌与肥料配施能够显著增加干物质积累量与产量，且枯草芽孢杆菌与有机肥配施的效果优于无机肥配施枯草芽孢杆菌。

表4 不同处理对夏玉米磷肥利用率的影响(kg/kg)Table4 Phosphorus utilization efficiency of summer maize under different fertilization treatments

表5 不同处理对夏玉米钾肥利用率的影响(kg/kg)Table5 Potassium utilization efficiency of summer maize under different treatments

表6 不同处理的经济效益Table6 Economic benefit of different fertilizer treatments

3.2 不同施肥方式对氮磷钾吸收利用的影响

干物质的积累与养分积累有着密切的关系，养分积累是干物质积累的基础，也是作物产量形成的基础[16]。胡小加等[17]研究表明枯草芽孢杆菌Tu-100对油菜、小麦、辣椒、西瓜、大豆和玉米苗期有不同的促生效果。枯草芽孢杆菌可以将无机和有机底物中的正磷酸盐释放出来，增加土壤磷养分的有效性[18-19]。枯草芽孢杆菌一方面促进根系生长，增加根系表面积，另一方面增加有效磷含量，从而促进玉米对氮、磷、钾的吸收。本研究结果表明，在施肥的基础上配施一定量的枯草芽孢杆菌能显著提高夏玉米整个生育期氮、磷、钾的积累量，其中以有机肥配施枯草芽孢杆菌处理的效果最佳(表2)。

刘占军等[20]研究表明，不施氮会导致植株营养体运往籽粒的氮素过多，在氮素供应良好的条件下，营养体氮素再分配率和对籽粒氮的贡献率越高，越有利于经济产量的形成。肥料吸收利用特征是肥料运筹是否合理的重要指标，通常采用干物质生产效率、肥料利用率、肥料收获指数和肥料偏生产力等参数来表示[21]。有机肥配施枯草芽孢杆菌能有效提高玉米氮磷钾肥的偏生产力以及氮素和钾素的收获指数，降低磷肥的干物质生产率和利用效率；无机肥配施枯草芽孢杆菌能有效提高氮磷钾肥的偏生产力(表3～表5)。说明配施枯草芽孢杆菌能提高肥料利用率，是兼顾夏玉米高产与高效的重要措施。

4 结论

在夏玉米实际生产中，肥料配施枯草芽孢杆菌可促进夏玉米的生长发育，影响夏玉米的产量构成要素，提高夏玉米产量，而且能显著提高肥料吸收量和利用效率。以有机肥配施枯草芽孢杆菌处理的效果最佳，有机肥配施枯草芽孢杆菌不仅起到增产增效的效果，还能促进肥料增效、降低面源污染，是玉米增产增效、经济效益显著提高的有效途径。