有机活性改土剂对土壤理化性质的影响及最佳施用量研究

2016-12-20杨文霞潘艳花秦嘉海

中国水土保持 2016年11期

关键词：糠醛菌肥施用量

杨文霞，潘艳花，秦嘉海

(1.酒泉市农业科学研究院，甘肃酒泉 735000； 2.酒泉市种子管理站，甘肃酒泉 735000；3.河西学院农业与生物技术学院，甘肃张掖 734000)

有机活性改土剂对土壤理化性质的影响及最佳施用量研究

杨文霞1，潘艳花2，秦嘉海3

(1.酒泉市农业科学研究院，甘肃酒泉 735000； 2.酒泉市种子管理站，甘肃酒泉 735000；3.河西学院农业与生物技术学院，甘肃张掖 734000)

有机活性改土剂；理化性质；马铃薯；最佳施用量

采用盆栽试验方法，研究了有机活性改土剂对土壤理化性质及持水量的影响和种植马铃薯的最佳施用量，结果表明：有机活性改土剂各原料的影响效应大小为CO(NH2)2>改性糠醛渣>(NH4)2HPO4>5406菌肥，有机活性改土剂的最佳配方为5406菌肥、改性糠醛渣、CO(NH2)2、(NH4)2HPO4质量比为0.000 8∶0.905 8∶0.072 3∶0.021 1的组合；有机活性改土剂施用量与土壤孔隙度、持水量、团聚体含量、有机质含量、速效氮磷钾含量和马铃薯产量呈显著的正相关关系，与土壤容重、pH值呈显著的负相关关系；随着有机活性改土剂施用量的增加，马铃薯施肥效益在增加，但当有机活性改土剂施用量大于12 t/hm2时，施肥效益开始下降；经回归分析，马铃薯产量与有机活性改土剂施用量间的回归方程为y=27.270 0+1.681 0x-0.058 4x2，最佳施用量为11.96 t/hm2，此施用量下马铃薯理论产量为39.02 t/hm2。

甘肃省张掖市海拔1 650～2 800 m的民乐和山丹县冷凉灌区，是加工型马铃薯种植和贮藏的理想场所，近年来建成了加工型马铃薯生产基地3万hm2，年产加工型马铃薯112.5万t[1]，发展势头良好。但是张掖市马铃薯产业发展中存在如下突出问题：种植面积大，连作年限长，土壤养分比例失衡；有机肥料投入量严重不足，化肥超量施用，土壤板结，贮水功能削弱；土壤改良与培肥技术滞后，产量低而不稳，市场竞争力不强等[2]。为此，以国家粮食安全为目标，以技术创新为手段，以有机活性改土剂代替传统化肥为突破口，以甘肃共享化工有限公司资源丰富的废弃物糠醛渣为主料[3]，应用土壤培肥理论，有针对性地选择了5406菌肥、CO(NH2)2(尿素)和(NH4)2HPO4(磷酸二铵)[4-5]，采用正交试验方法，筛选出有机活性改土剂配方，进行了有机活性改土剂对土壤理化性质及持水量的影响和马铃薯最佳施用量的研究，旨在从根本上解决张掖市马铃薯产业发展中的问题，为张掖市马铃薯产业的持续稳定发展和国家粮食安全提供强有力的技术支撑。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 土壤类型

土壤类型是灌漠土[6]，采自海拔2 200 m的民乐县南古镇城南村二社，0～20 cm土壤含有机质12.35 g/kg、碱解氮66.43 mg/kg、速效磷8.65 mg/kg、速效钾145.54 mg/kg，土壤pH值为7.73。

1.1.2 参试肥料

CO(NH2)2，含N为46%，甘肃刘家峡化工厂产品；(NH4)2HPO4，含N为18%、含P2O5为46%，云南云天化国际化工股份有限公司产品；5406菌肥，有效活菌数量≥0.2亿个/g，金肥王股份有限公司产品。

1.1.3 糠醛渣及改性糠醛渣

糠醛渣含有机质76%、全氮0.61%、全磷0.36%、全钾1.18%，pH值为2.6，粒径0.5～1.0 mm，甘肃共享化工有限公司产品。

在糠醛渣中，加入0.54%的尿素，将糠醛渣C/N调整为25∶1，再加入4.00%的石灰粉，将糠醛渣pH值由2.60调整为6.50～7.30，然后加水使其含水量达到60%～65%，混合均匀，堆置并覆盖塑料棚膜，每平方米塑料棚膜开直径3～5 cm的小孔2～3个，堆置发酵60 d后，在阴凉干燥处风干15 d，含水量小于5%时，全部过1～5 mm筛，得到改性糠醛渣。

1.1.4 马铃薯及其栽培容器

马铃薯品种为大西洋，由甘肃万向德农马铃薯种业公司提供；栽培容器为胶木桶，口径30 cm，底径28 cm，高35 cm。

1.2 试验方法

1.2.1 试验时间与地点

试验于2013—2014年在河西学院生命科学实验楼实验室进行。

1.2.2 试验处理

试验一：有机活性改土剂配方确定。2013年4月26日，分别以5406菌肥、改性糠醛渣、CO(NH2)2、(NH4)2HPO4为A、B、C、D 4个因素，每个因素设计3个水平，按正交表L9(34)设计9个处理[7]，见表1。按表1因素与水平编码括号中的数量称取各种原料混合均匀后进行对比试验。采用正交试验分析方法计算出各因素不同水平的T值和因素间效应值(R)，确定因素间最佳组合，组成有机活性改土剂配方。

表1 L9(34)正交试验设计

注：表中每列中间的数据为正交试验水平编码值，其左边括号内数据为该水平下有机活性改土剂大田施用量(kg/hm2)，右边括号内数据为该水平下有机活性改土剂试验施用量(g/10kg土)。

试验二：有机活性改土剂适宜用量的研究。依据试验一筛选的配方，将5406菌肥、改性糠醛渣、CO(NH2)2、(NH4)2HPO4按质量比0.000 8∶0.905 8∶0.072 3∶0.021 1混合得到有机活性改土剂，经室内化验分析含有机质70.68%，含N为2.68%，含P2O5为1.44%，含K2O为1.09%。2014年4月24日，将有机活性改土剂施用量按0、3、6、9、12、15 t/hm2设计为6个处理，分别为处理1～6，以处理1为对照(CK)，每个试验重复3次，随机区组排列。

1.2.3 马铃薯种植方法

将胶木桶冲洗干净，用0.20%的高锰酸钾浸泡10 min，然后分别称取过10 mm筛的风干土10 kg与不同处理的有机活性改土剂混合均匀后装入胶木桶内。将胶木桶放置在室外，每个胶木桶浇水5 000 mL，使土壤自然含水量达到50%。浇水5 d后，将胶木桶内土壤浅耕后播种马铃薯，播种深度5 cm，每桶播种4株，并在桶上覆盖一层地膜。出苗后去掉地膜，出苗7 d后间苗，每桶留3株。每隔5天每桶定量浇水3 000 mL，使土壤自然含水量达到30%。

1.2.4 测定指标与方法

每个胶木桶中的马铃薯单独收获，将胶木桶产量折合成公顷产量进行统计分析。马铃薯收获后分别在胶木桶内采集耕层0～20 cm土样4 kg，用四分法带回1 kg混合土样在室内风干后进行化验分析(测土壤容重、团聚体含量用环刀取原状土)。土壤容重采用环刀法；土壤孔隙度采用计算法；土壤团聚体含量采用干筛法；碱解氮含量采用扩散法；速效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾含量采用火焰光度计法；pH值采用5∶1水土比浸提，德国WTW台式pH计测定；饱和持水量、毛管持水量、非毛管持水量按有关公式求得[8-9]。

1.2.5 数据处理方法

土壤理化性质、土壤持水量、马铃薯产量均采用DPS V13.0软件分析，差异显著性采用多重比较，LSR检验。有机活性改土剂最佳施用量按公式x0=[(Px/Py)-b]/2c求得[10]，马铃薯理论产量按肥料效应回归方程式y=a+bx+cx2求得[11]。

2 结果与分析

2.1 有机活性改土剂配方确定

2013年9月20日每个胶木桶单独收获，将马铃薯产量折合成公顷产量进行正交试验分析(表2)，结果表明，4个因素按因素间效应值(R)大小排序为C(35.58)>B(32.93)>D(19.39)>A(5.81)，说明各因素对制种马铃薯产量的影响效应大小为CO(NH2)2>改性糠醛渣>(NH4)2HPO4>5406菌肥。比较各因素不同水平的T值，可以看出：TA2>TA3>TA1, 说明马铃薯产量先随5406菌肥施用量的增大而增加，当5406菌肥施用量超过0.06 g/10kg土后，马铃薯产量又随5406菌肥施用量的增大而降低；TB3>TB2>TB1，说明随着改性糠醛渣施用量的增加，马铃薯产量在增加；TC2>TC3>TC1，说明马铃薯产量先随CO(NH2)2施用量的增大而增加，当CO(NH2)2施用量超过5.32 g/10kg土，马铃薯产量又随CO(NH2)2施用量的增大而降低；TD1>TD3>TD2，说明随着(NH4)2HPO4施用量的增加，马铃薯产量先减少后又增加，(NH4)2HPO4最适施用量为1.55 g/10kg土。从各因素的T值可以看出，有机活性改土剂因素间最佳组合为：A2(5406菌肥0.06 g/10kg土)、B3(改性糠醛渣66.66 g/10kg土)、C2〔CO(NH2)25.32 g/10kg土〕、D1〔(NH4)2HPO41.55 g/10kg土〕，即将5406菌肥、改性糠醛渣、CO(NH2)2、(NH4)2HPO4按质量比0.000 8∶0.905 8∶0.072 3∶0.021 1混合得到的有机活性改土剂最佳。

表2 L9(34)正交试验分析

2.2 不同剂量有机活性改土剂对土壤物理性质的影响

2014年9月20日马铃薯收获后，采集耕作层0～20 cm土样测定其物理性质可以看出，随着有机活性改土剂施用量的增加，土壤容重在降低，孔隙度和团聚体在增加。经相关分析，不同剂量有机活性改土剂施用量与土壤容重呈显著的负相关关系，相关系数为-0.997 6，与总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和团聚体呈显著的正相关关系，相关系数分别为0.997 1、0.997 3、0.996 9和0.992 6。有机活性改土剂施用量为15 t/hm2时，与对照比较，土壤容重降低10.29%，总孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度和团聚体分别增加10.85%、10.87%、10.82%和31.59%，差异均为极显著(P<0.01)(表3)。

表3 不同剂量有机活性改土剂对土壤物理性质的影响

注：同列数据之间大写字母不同表示在0.01水平上差异显著，小写字母不同表示在0.05水平上差异显著，下同。

2.3 不同剂量有机活性改土剂对土壤持水量的影响

由表4可知，随着有机活性改土剂施用量的增加，土壤持水量在增加。经相关分析，有机活性改土剂施用量与土壤饱和持水量、毛管持水量、非毛管持水量呈正相关关系，相关系数分别为0.997 1、0.997 6、0.996 9。有机活性改土剂施用量为15 t/hm2时，与对照比较，饱和持水量、毛管持水量和非毛管持水量分别增加10.85%、10.87%和10.82%，差异极显著(P<0.01)。

表4 施用有机活性改土剂对0～20 cm土壤持水量的影响 t/hm2

2.4 不同剂量有机活性改土剂对土壤pH值及有机质和速效养分的影响

由表5可知，随着有机活性改土剂施用量的增加，土壤pH值在降低，有机质、碱解氮、速效磷和速效钾在增加。经相关分析，有机活性改土剂施用量与土壤pH值呈显著的负相关关系，相关系数为-0.966 2，与有机质、碱解氮、速效磷和速效钾呈显著的正相关关系，相关系数分别为0.999 8、0.925 4、0.895 1和0.754 6。有机活性改土剂施用量为15 t/hm2时，与对照比较，pH值降低6.24%，差异显著(P<0.05)；有机质和速效磷含量分别增加14.97%和25.43%，差异极显著(P<0.01)；碱解氮含量增加6.85%，差异显著(P<0.05)；速效钾含量增加2.16%，差异不显著(P>0.05)。

表5 不同剂量有机活性改土剂对土壤pH值及有机质和速效养分的影响

2.5 不同剂量有机活性改土剂对马铃薯产量的影响

由表6可知，随着有机活性改土剂施用量梯度的增加，马铃薯产量在增加。经相关分析，有机活性改土剂施用量与马铃薯产量呈显著的正相关关系，相关系数为0.971 2。有机活性改土剂施用量为15 t/hm2时，与对照比较，马铃薯增产45.91%，差异极显著(P<0.01)。

表6 有机活性改土剂施用量对马铃薯增产效果和经济效益的影响

2.6 不同剂量有机活性改土剂对马铃薯施肥效益的影响

由表6可知，有机活性改土剂施用量由3 t/hm2增加到12 t/hm2时，马铃薯施肥效益随着有机活性改土剂施用量的增加而递增，当有机活性改土剂施用量大于12 t/hm2时，施肥效益开始下降。由此可见，马铃薯有机活性改土剂适宜用量为12 t/hm2。

2.7 有机活性改土剂最佳施用量的确定

将马铃薯产量与不同剂量有机活性改土剂间的关系应用肥料效应回归方程y=a+bx+cx2拟合，得到的回归方程为

y=27.270 0+1.681 0x-0.058 4x2

(1)

对回归方程进行显著性检验，结果表明回归方程拟合良好。有机活性改土剂价格(Px)为340.90元/t，2014年马铃薯市场收购价格(Py)为1 200元/t，将Px、Py、回归方程的参数b和c，代入最佳施用量计算公式x0=[(Px/Py)-b]/2c，求得有机活性改土剂最佳施用量(x0)为11.96 t/hm2，将x0代入(1)式，求得马铃薯理论产量(y)为39.02 t/hm2，回归分析结果与试验处理5(施用量12 t/hm2)基本吻合。

3 结论与讨论

马铃薯种植田施用有机活性改土剂后，土壤容重降低，孔隙度增大，究其原因是有机活性改土剂中的改性糠醛渣使土壤疏松，增大了总孔隙度，降低了土壤容重。施用有机活性改土剂后土壤团聚体增加，原因是有机活性改土剂中的改性糠醛渣在土壤微生物的作用下合成了土壤腐殖质，腐殖质中的酚羟基、羧基、甲氧基、羰基、羟基、醌基等功能团解离后带负电荷[12-14]，吸附了河西内陆盐土中的Ca2+，Ca2+是一种胶结物质，促进了土壤团聚体的形成。施用有机活性改土剂后土壤持水量增加，究其原因是有机活性改土剂中的改性糠醛渣在土壤微生物的作用下合成了土壤腐殖质，腐殖质的最大吸水量可以超过500%[15-16]，提高了土壤饱和持水量。施用有机活性改土剂后土壤速效氮磷钾增加，这与有机活性改土剂含氮磷钾有关。施用有机活性改土剂后土壤pH值有所降低，原因是有机活性改土剂中的改性糠醛渣，被土壤微生物分解后产生的有机酸降低了土壤的酸碱度。研究结果表明：不同有机活性改土剂施用量与土壤总孔隙度、团聚体、持水量、有机质、速效氮磷钾和马铃薯产量呈显著的正相关关系；与土壤容重、pH值呈显著的负相关关系。有机活性改土剂经济效益最佳施用量为11.96 t/hm2，此施用量下马铃薯理论产量为39.02 t/hm2。

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