Підвищення голого вівса (Авена нуда L.) продуктивність з мінімальними непрямими втратами азоту та максимальною ефективністю використання азоту завдяки інтегрованому використанню різних джерел азоту

Ролі Концептуалізація, курація даних, дослідження, написання - оригінальний проект

Афілійований агрономічний коледж Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Ролі Формальний аналіз, написання - огляд та редагування

Афілійований коледж ресурсів та природокористування Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Афілійований агрономічний коледж Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Ролі Ресурси, нагляд, перевірка

Афілійований агрономічний коледж Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Ролі Концептуалізація, візуалізація

Афілійований агрономічний коледж Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Придбання фінансування ролей, адміністрування проектів, ресурси, нагляд, візуалізація, написання - огляд та редагування

Афілійований агрономічний коледж Китайського аграрного університету, Пекін, Китай

Таріальний Алам-хан,
Фейсал Надім,
Лілі Чен,
Сяофен Ван,
Чжаохай Цзень,
Юегао Ху

Цифри

Анотація

Цитування: Khan TA, Nadeem F, Chen L, Wang X, Zeng Z, Hu Y (2019) Підвищення продуктивності голого вівса (Avena nuda L.) з мінімальними непрямими втратами азоту та максимальною ефективністю використання азоту завдяки інтегрованому використанню різних джерел азоту. PLOS ONE 14 (3): e0213808. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0213808

Редактор: П. Парда-Сараді, Університет Делі, ІНДІЯ

Отримано: 18 листопада 2018 р .; Прийнято: 28 лютого 2019 р .; Опубліковано: 18 квітня 2019 р

Наявність даних: Усі відповідні дані знаходяться в рукописі та в допоміжних файлах.

Фінансування: Це дослідження було підтримане Китайською системою досліджень сільського господарства (CARS-08-B-1). YH отримав цю нагороду за фінансування. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.

Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.

Вступ

Серед органічних добрив гній з птиці (ПМ) є легкодоступним, екологічно чистим, багатим поживними речовинами з швидким вивільненням, здатним збільшувати органічний вуглець у ґрунті та забезпечувати всіма основними макроелементами (N, P, K, Ca та Mg) для росту та розвитку рослин. [18,19]. Незважаючи на те, що органічний гній має обмеження повільного вивільнення поживних речовин з меншим використанням поживних речовин, він також має переваги посилення фізіохімічних процесів ґрунту за рахунок збільшення мікробної активності.

Мікробні добрива (MBF) складаються з живих клітин різних мікроорганізмів, які зазвичай застосовуються як інокулянти насіння або рідинний спрей для кореневої ризосфери. Ці мікроорганізми колонізуються в кореневій зоні та живлять ріст рослин, перетворюючи недоступні основні поживні речовини ґрунту (N, P) у доступні форми за допомогою біологічних процесів [20]. Вони збільшують мікробну біомасу ґрунту (N і C) в теплицях [21], а також польові умови [22]. Мікроби, особливо бактерії, присутні в мікробних добривах, не тільки приносять користь зернобобовим культурам завдяки бульбоутворенням та закріпленню атмосфери в атмосфері, але також повідомляється про їх корисну асоціацію з небобовими, особливо зерновими культурами [23]. Однак покластись на МБФ неможливо лише шляхом повної заміни використання хімічних добрив через їх нерівномірний розподіл у ґрунті [24,25]. Перемішання мікробних добрив та хімічних добрив в різних агрокліматичних умовах різних країн виявило більш високі показники мікробних добрив за наявності менших доз хімічних добрив [26].

Попередні дослідження повідомляли про ефективність використання азоту в зернових культурах, таких як кукурудза, рис, пшениця та просо лисячого хвоста [27,28,29,30]. Голий овес (Avena nuda L.) та лущений (A. sativa L.) - два види вівса, що належать до роду Avena та сімейства Gramineae, що культивуються в Китаї. Швидко зростаючий характер вівса (Avena nuda L.) дає їм можливість виробляти достатню кількість свіжого корму протягом короткого періоду з високою харчовою цінністю. Високий вміст білка та β-глюкону поряд із наявністю вмісту гіпоглікемічних волокон у зерні вівса збільшують його цінність як їжі для людей. З іншого боку, рис, пшениця, кукурудза та інші високопродуктивні зернові культури зазвичай займають більшу частину сільськогосподарських угідь, але овес можна вирощувати на маргінальних землях з меншими потребами в добривах та воді.

Це дослідження має на меті зменшити використання хімічних азотних добрив, отримати високу ефективність використання азоту та обмежити вплив на навколишнє середовище від забруднення. Основними цілями цього експерименту було оцінити врожай оголеного вівса за умови надання хімічного азоту та органічного азоту, доповненого мікробним добривом, вивчити NUE у системі виробництва вівса та дослідити зміни N, C та ферментативної активності ґрунту.

Матеріали і методи

Експериментальний опис сайту

Експеримент проводився протягом 2016 та 2017 років в Академії сільськогосподарських наук Байчен у місті Байчен (45 ° 37’п.ш., 122 ° 48’Е, 155 м над рівнем моря), провінція Цзілінь, Китай. Під час експерименту жоден вид людини, тварини чи рослини не постраждав. Регіон - це типовий напівзасушливий район, розташований на північному сході Китаю, середньорічна кількість опадів становить 407 мм (переважно з квітня по вересень). Область має помірний, напівзасушливий та континентальний клімат із середньою температурою 18,02 ° C протягом сезону врожаю та безморозним періодом 125–135 днів. Середньорічна ефективна накопичена температура становить 2915 ° C. Грунт легкий чорноземний. Колишній урожай - соняшник. Основні фізико-хімічні властивості ґрунту та середньодобова температура повітря та добові опади протягом вегетаційного періоду вівса на досліджуваній ділянці (з квітня по жовтень) наведені у S1 Рис.

Експериментальна обробка, проектування та управління на місцях

Експеримент включав сім обробок добривами: T1 = контроль - без хімічного азоту (CN), органічний азот (ON) та мікробне добриво (MBF), T2 = 100% CN, T3 = 100% CN + MBF, T4 = 75% CN + 25% ON + MBF, T5 = 50% CN + 50% ON + MBF, T6 = 100% ON + MBF, T7 = 100% ON. Експериментальна схема була рандомізованою повною конструкцією блоку (RCBD) з чотирма повтореннями. Всього було 28 ділянок. Кожна ділянка мала розмір 20 м 2 (5 м × 4 м) і 12 рядів з відстанню між рядами 30 см. Кожна ділянка отримувала 300 г насіння вівса (25 г або близько 750 насінин/ряд). Рекомендована доза N (тобто 90 кг N га -1, як практикують фермери в цій області) вважалася 100% дозою. Високоякісне насіння вівсяного сорту «Бай Янь 2» отримано в Академії сільського господарства Байчен у провінції Цзілінь у Китаї.

Управління добривами

Застосування хімічної речовини N та інших поживних речовин.

Сечовину (46,3% N) використовували як джерело хімічної речовини N, а 90, 67,5 та 45 кг N га -1 застосовували у дозах 100, 75 та 50% N. Крім того, Р застосовували з розрахунку 55 кг га -1 Р2О5, тоді як К застосовували із розрахунку 45 кг га -1 К2О. Джерелом P був Ca (H2PO4) 2 · H2O, а K - K2SO4, які також застосовувались для всіх експериментальних обробок, включаючи контроль (Таблиця S3). N, P і K застосовували як базальну дозу, розповсюджували та вносили у верхній 20-сантиметровий шар грунту перед посівом насіння.

Внесення органічних добрив.

Компостований, подрібнений, просіяний (-1, 8,17 г кг -1 та 5,41 г кг -1, відповідно.

Мікробне добриво.

Відбір проб, вимірювання та хімічний аналіз

Вибірка та аналіз рослин.

Відбір проб ґрунту та аналіз.

Де EC та EN відносяться до різного органічного вуглецю та загальної кількості N між фумігованою та не фумігованою обробкою, відповідно.

Дихання ґрунту (SR) оцінювали методом герметичної інкубації банок, де грунт попередньо інкубували при температурі 20 ° C протягом 7 днів у темному стані, регулюючи вміст утримування води на 55% та вимірюючи норму СО2, отриманого з вологого ґрунту . Уловлювач NaOH використовували для вимірювання CO2 протягом наступних 7 днів, а потім титрували HCl [38].

Ферментативна діяльність ґрунту.

Активність ферменту дегідрогенази (DHA, Комісія ферменту № 1.1.1) вимірювали, використовуючи в якості субстрату 2, 3, 5-трифенілтетразолію хлорид [39]. α-бензоїл-N-аргінінамід використовували як субстрат для виявлення гідролізу бензоїларгінінаміду (BAA-протеаза EC 3.4.4) [40]. p-нітрофенілфосфат використовували для визначення кислої фосфатази (EC3.1.3.2) [41], тоді як p-нітрофеніл-β-d-глюкопіранозид та p-нітрофенілсульфат використовували як субстрат для вимірювання β-глюкозидази [42] та арилсульфатаза [43] відповідно.

Розрахунок.

Поглинання азоту в соломі та зерні розраховували множенням концентрації азоту з його сухою масою. Компоненти NUE розраховували за такими формулами:

Частковий коефіцієнт продуктивності (граничний) (PFP; кг кг -1 Н) =

Ефективність використання агрономічного азоту (гранична) (ANUE; кг кг -1 Н) =

Очевидна ефективність відновлення азоту (гранична) (ANRE;%) =

Фізіологічна ефективність (гранична) (PNUE; кг кг -1 Н) =

Y = урожай зібраної порції (зерно + біомаса) врожаю із застосуванням N; Y0 = вихід без застосування N; NA = кількість загального N, що застосовується (CN + ON); U = загальне поглинання N врожаєм із застосуванням N; U0 = загальне поглинання N врожаєм без застосування N

Статистичний аналіз

Статистичний аналіз проводили за допомогою програмного пакету Windows (IBM SPSS Statistics 22). Засоби різних методів лікування порівнювали з використанням найменш значущої різниці при рівні ймовірності 0,05 або 0,01. Кореляційний аналіз проводили за допомогою кореляційної функції Пірсона SPSS. Графічний рендеринг проводився за допомогою програмного забезпечення Sigma plot 13.0 windows. Усі дані представлені як середнє значення ± стандартні помилки (SE) чотирьох повторень.

Результати

Двосторонній аналіз ANOVA

Дисперсійний аналіз показав значимість обробок за всіма параметрами, крім концентрації N у зерні та ефективності використання азоту (PNUE). Роки мали змішану тенденцію із врожайністю біомаси над землею, масою зерна, вагою соломи, концентрацією N у соломі, накопиченням N у надземних частинах рослин та накопиченням N у соломі, що показало значущість, тоді як решта були незначними. Інтерактивний ефект року та обробки був значущим для часткової факторної продуктивності (PFP), агрономічної ефективності використання азоту (ANUE), очевидної ефективності відновлення N (ANRE) та надземного виходу біомаси, в той час як для інших він був незначним (Таблиця 1). Сильно позитивна кореляція між накопиченням азоту та врожайністю біомаси над землею була виявлена у 2016, 2017 роках та обох (Фіг.1A, 1B і 1C).

Співвідношення між надземною врожайністю біомаси та накопиченням азоту у 2016 році (A) 2016, (B) 2017 та (C) обох даних за рік.

Урожайність та компоненти врожаю

(A, B) Зміни розподілу врожаю біомаси в зерні та соломі протягом 2016 & 2017, (C, D) зміни концентрації азоту у розподілі в зерні та соломі протягом 2016 & 2017, (E, F) зміни розподілу накопичення азоту у зерні та соломі протягом 2016 та 2017 рр. Стовпчики вказують стандартні помилки (n = 4). Обробки з різними літерами для однієї і тієї ж аналізованої змінної (солома чи зерно) суттєво відрізняються відповідно до тесту LSD (P Таблиця 2. Врожайність та компоненти врожаю вівса при різних обробках добривами.

Концентрація та накопичення азоту в вівсяних тканинах

Наші результати показали, що зменшення CN і додавання ON з додаванням MBF підвищує концентрацію азоту в надземних частинах рослин. Найвищі концентрації N у зерні та соломі були зафіксовані при обробці Т5, які становили 17,29 г кг -1 та 7,12 г кг -1 у 2016 році, тоді як 18,86 г кг -1 та 8,28 г кг -1 у 2017 році, відповідно. Концентрація азоту в зерні була значно вищою, ніж концентрація азоту у соломі протягом обох років, при цьому контроль мав найменшу з них (Фіг.2С і 2D). Послідовно накопичення азоту в зерні залишалося значним для накопичення азоту в соломі як у 2016 році, так і в 2017 році (Фіг.2E і 2F). Загальне накопичення азоту становило від 55,62 до 110,59 кг га -1 у 2016 році та 50,44-130,27 кг га -1 у 2017 році відповідно. Поглинання азоту при лікуванні Т5 було вищим, ніж Т2 (34,39% у 2016 році та 26,08% у 2017 році) та T6 (54,92% у 2016 році та 50,27% у 2017 році). Накопичення азоту над землею в Т5 було майже вдвічі більшим, ніж контроль у 2016 році і навіть більше у 2017 році.

У разі розподілу азоту накопичення N у зерні було вищим, ніж солома, яке становило від 31,86 до 58,91 кг га -1 в 2016 році та 28,03 до 67,35 кг га -1 в 2017 році. У 2016 році поглинання N у зерні при обробці Т5 було 28,82%, 60,95% та 84,90% вище, ніж Т2, Т7 та контроль (Т1), відповідно. З іншого боку, накопичення N зерна при обробці Т5 було на 21,68% і 68,41% вище, ніж при обробці Т2 і Т7, і було більш ніж подвоєне, ніж контроль у 2017 р. Накопичення N в соломі показало значні відмінності серед обробок в обох років, коливався від 23,76 до 51,68 кг га -1 та 22,41 до 62,92 кг га -1 у 2016 та 2017 роках відповідно. У 2017 році накопичення соломи N виявило найвище значення в обробці Т5, яке було на 21,74% вище, ніж в аналогічній обробці в попередньому році. Накопичення соломи N у контролі зменшилось на 6,02% у 2017 році порівняно з 2016 роком (Фіг.2E і 2F).

Ефективність використання азоту

Компоненти ефективності використання азоту (NUE), такі як PFP, ANUE та ANRE вівса, показані в Таблиця 3. PFP у комбінації лікування T4 та T5 був вищим, ніж решта процедур у нашому експерименті. Хоча обидва способи лікування були незначними у 2016 р., Але ПФП лікування Т5 був значно вищим, ніж Т4 у 2017 р. Що стосується “ANUE”, “ANRE” та “PNUE”, вони залишались незначущими між лікуванням T4 та T5, але значно вищий порівняно з усіма іншими комбінаціями лікування у відповідні роки. Лікування T5 показало найвищі співвідношення PFP, ANUE та ANRE, порівняно з лікуванням T4, T3 та T2, що свідчить про помірне зниження NUE при зростаючому застосуванні CN. ANRE ілюструє найвищі значення (0,55–0,80) у Т5, тоді як поступове падіння Т2 і Т3, які були порівнянними за величиною з обробкою Т4 і Т5. Лікування T6 та T7 показало нижчий рівень PFP, ANUE та ANRE, але більш високий PNUE, ніж інші способи лікування. Зменшення CN, збільшення PNUE при лікуванні T6.

Динаміка азоту в грунті

(A, B) Амонійний азот (NH4 + -N) на глибині ґрунту 20 см, (C, D) Нітратний азот (NO3 - -N) на ґрунті 20 см, (E, F) Нітратний азот (NO3- -N) вміст на глибині ґрунту 40 см та вміст (G, H) мінерального азоту (NH4 + -N + NO3 - -N) на ґрунті 20 см. Стовпчики позначають стандартне відхилення чотирьох повторень. T1 = контроль, T2 = 100% CN, T3 = 100% CN + MBF, T4 = 75% CN + 25% ON + MBF, T5 = 50% CN + 50% ON + MBF, T6 = 100% ON + MBF і T7 = 100% УВІМК.

РН ґрунту, загальний N, органічний C, розчинений органічний азот (DON) та розчинений органічний вуглець (DOC)

Насипний рН, загальний азот і органічний вуглець у грунті, розчинений органічний азот (DON) та розчинений органічний вуглець (DOC) під різними обробками добрив.

Мікробна біомаса ґрунту та дихання ґрунту

Середні значення (2016–17) (A) ґрунтової мікробної біомаси N (MBN), (B) ґрунтової мікробної біомаси C (MBC) та (C) частоти дихання ґрунту при різній обробці на стадії завантаження вівса. Стовпчики вказують на стандартні помилки (n = 4). Обробки різними літерами суттєво відрізняються відповідно до тесту LSD (P Таблиця 5. Ферментативна активність у ґрунті при різних обробках на етапі з’єднання-завантаження в 2017 році.

Обговорення

Атрибути врожайності під впливом різних поправок

Вміст рослинних мінералів та ефективність використання азоту (NUE)

Доля азоту, внесеного в грунт

Мікробна біомаса C і N

Активність дегідрогенази та інших ґрунтових гідролітичних ферментів

Мікробні ферменти в ґрунті насправді індукуються методом обміну речовин, що, як правило, відображає рівень мікробної активності ґрунту та інтенсивність біохімічної реакції [22]. Поточне дослідження показало, що різні способи обробки добрив, безсумнівно, впливали на активність ферментів у ґрунті (Таблиця 5). Дегідрогеназа (ДГК) є важливим показником мікробної активності серед ферменту оксиредуктази і розглядалася як біомаркер для оцінки якості ґрунту, що обробляється [80]. У цьому експерименті порівняно з лікуванням Т2 спостерігалося більш ніж на 60% та на 70% вищу активність DHA при лікуванні Т5 та Т6 відповідно, що є дуже значним. Подібна тенденція спостерігалася і для інших ферментів з підвищеною активністю при лікуванні Т5 та Т6 (Таблиця 5), головним чином завдяки посиленій мікробній активності, коли практикувалось комбіноване запліднення [81]. Більша активність DHA є показником достатньої кількості органічно розкладаються субстратів у ґрунті, що призводить до вищої мікробної активності. Фермент дегідрогенази мав позитивну кореляцію з SOC (P + -N та NO3 - -N на різних глибинах грунту при різних обробках добривами.

Таблиця S3. Баланс добрив при різних обробках.

Таблиця S4. Вміст мінералів у пагоні та корінні після 2-го року збирання вівса під різною обробкою.

Подяка

Ми дякуємо Чен Ван, Цишен Ян, Цзюнвей Ху, Ядун Ян, Цзян Ін та членам Академії сільськогосподарських наук Байчен за допомогу під час польових експериментів.

Список літератури

Предметні напрямки

Для отримання додаткової інформації про тематичні області PLOS натисніть тут.

Ми хочемо отримати ваш відгук. Чи мають ці предметні галузі сенс для цієї статті? Клацніть ціль поруч із неправильною темою та повідомте нас. Спасибі за вашу допомогу!

Це предметна область "Овес" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Зернові культури" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Добрива" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Сільськогосподарське грунтознавство" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Культури" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Солома" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Ризосфера" застосовується до цієї статті? так ні

Дякуємо за ваш відгук.

Це предметна область "Хімія грунту" застосовується до цієї статті? так ні