滤泥施用量对不同品种甜菜产量及土壤中氮磷钾含量的影响

苏欣欣，胡晓航,2，马亚怀,2，李彦丽,2

（1黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150008；2国家糖料改良中心，哈尔滨 150008）

0 引言

甜菜是中国重要的经济作物，年均播种面积20万hm2左右[1]，广泛种植于新疆、内蒙古以及黑龙江，是中国北方重要的制糖作物。糖厂在运用碳酸法技术制糖过程中，会产生大量的滤泥[2]，它是一种具有较高价值的糖厂副产品[3]。但是国内外对滤泥的处理方式大多以丢弃为主[4]，利用率低，易造成资源的浪费。滤泥作为糖料生产中一种常见的固体废弃物，每生产10 t糖便要排出约1 t的滤泥[5]，而滤泥的堆放极易发生腐败变质问题[2]，对农田小气候造成巨大的影响。滤泥施用不仅对环境没有任何副作用[6]，而且可以实现废弃资源的再利用。

甘蔗和甜菜是中国主要的制糖原料[7]，甘蔗制糖工业是中国最早开展逆向物流的产业形态之一[8]，甘蔗滤泥的利用为甜菜滤泥的利用提供了参考依据。早在1987年，阿根廷通过试验发现，滤泥施用可提高甘蔗产量[9]。甘蔗滤泥中含有丰富的S、Zn等[10]，作为农肥[11]的施用不断增加，近年来甘蔗滤泥也用于大麦、茄子等作物[12-13]。王殿法[14]通过盆栽试验将甜菜滤泥施入土壤中，发现甜菜滤泥同样可以增加甜菜的产量，改变土壤有机质的含量。

如何施用滤泥能增加甜菜的产量，以及选择适宜的氮磷钾含量和pH将是甜菜产业关注的重点。目前，关于滤泥的研究大多以甘蔗为主，甜菜滤泥的研究很少。目前有关甜菜滤泥的研究多集中在实验室进行模拟试验[15]，并且对滤泥研究的切入点常以工业利用[16-18]和饲养[19]为主，以及滤泥代替方解石制备钙长石基陶瓷的可行性研究[20]等，但是在还田养田，对土壤有效养分及甜菜产质量影响的相关研究较少。国外对滤泥施入的研究大多是对甜菜植株的氮磷钾含量进行研究[21]，但是对土壤中氮磷钾含量的研究鲜见。通过对滤泥的研究发现，处理后的滤泥可做土壤的改良剂[22]，并且滤泥可使试验植物中K、Ca含量增加[23]，而对种植不同品种糖用甜菜所需要滤泥的研究鲜见。目前关于滤泥还田的最佳用量的信息还十分有限[24]，并且对于滤泥还田的研究多为单一的品种，本研究通过设置3种滤泥施入量，在播后施入种植4个不同品种甜菜土壤中，以多品种类型的甜菜作为试验对象，探究不同滤泥施用量对不同品种甜菜根产量、产糖量的影响，以及滤泥施用量对土壤中碱解氮、速效磷、速效钾及pH之间的影响，以期为不同甜菜品种如何选择最适宜的滤泥施用量提供科学的依据，增加经济收益，减少对环境的污染，实现甜菜糖业的可持续发展。

1 材料与方法

1.1 试验地状况

试验于2020年5月4日—9月26日在黑龙江省哈尔滨市呼兰区黑龙江大学呼兰校区试验地进行。该地处于北温带大陆性季风气候区，年平均气温为4.6℃，年平均降水量507.0 mm，无霜期144天。供试农田土壤为东北典型甜菜田黑土，土壤基本理化性质见表1。供试糖用甜菜品种为KWS 1197（高糖型）、KWS 7748（高产型）、KWS 1479（标准型）和 Beta 2730（标准型）。

表1 试验小区土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验在黑龙江大学呼兰校区试验基地进行，采用双因素随机区组试验设计，因素一：甜菜的4个品种，即：KWS 1197、KWS 7748、KWS 1479和Beta 2730；因素二：4个甜菜品种分别设3个处理，即不施加滤泥(CK)、滤泥施用量为3750 kg/hm2(A1)、滤泥施用量为7500 kg/hm2(A2)。一共设12个小区，每个小区26.4 m2，行距0.67 m，植距0.2 m，试验台周围设置保护行。所有参试品种均适时播种，各小区在甜菜生育期田间管理方式一致，均按照试验要求进行。为了观察滤泥施用量对同一甜菜品种的影响程度以及防止滤泥对不同甜菜之间影响，所以小区布局如图1。

图1 小区布局

1.3 样本采集与处理

本试验样品采集于大田试验。试验前采集这12个小区的土壤，测定土壤中氮磷钾以及pH的含量。在甜菜收获之后，取新鲜土样，经过风干、研磨和过筛之后，在实验室通过碱解扩散法测定土壤中的碱解氮、使用浸提剂测土壤中有效磷、通过浸提法测土壤中速效钾的含量以及土壤的pH，每个样品3次重复。在甜菜收获期，进行测量块根产量和含糖率。

1.4 指标测定

1.4.1 碱解扩散法测量土壤碱解氮的含量 甜菜收获后，将4个甜菜品种所在地的土壤同时进行采样，每个甜菜品种的土样做3次重复，同时做空白试验进行对照。采用碱解扩散法[25]对土壤中的碱解氮进行测量。使用0.005 N或0.01 N H2SO4标准液进行滴定，根据通用公式(1)计算碱解性氮N的值[26]。

式中V表示样品滴定时用去NH2SO4标准液的体积；V0表示空白滴定时用去NH2SO4标准液的体积。

1.4.2 土壤有效磷含量的测定 同样将土样做3次重复，做空白试验进行对照。将土壤放入带盖玻璃瓶中，加无磷活性炭以及浸提剂50 mL，放置在复式振荡机上，用160～200 r/min的频率振荡30 min[27]，然后静置，将上清液进行过滤。吸取滤液放入比色皿中，加入显示剂后进行定容，用1 cm光比色皿在波长700 nm比色[28]。

1.4.3 NH4Ac浸提法测定速效钾含量 将土样放置三角瓶中，加入1 N中性NH4Ac溶液50 mL，用160～200 r/min的频率振荡30 min[29]，后进行过滤，同钾标准系列溶液一起在火焰光度计上测定。

1.4.4 测定土壤的pH本试验使用H2O对pH进行测量。所有土样均做3次重复。

1.5 数据统计分析

使用SPSS 25.0软件做显著性方差分析、相关性分析。运用Excel整理、处理数据以及作图。

2 结果与分析

2.1 施加滤泥对土壤碱解氮含量的影响

土壤中氮的含量是影响甜菜块根产量和含糖率的重要因素之一[30]。从图2中可知，对于不同的甜菜品种，滤泥施用量不同所导致的土壤中碱解氮的含量存在着很大的差异。KWS系列甜菜品种，土壤中氮含量具有相同的趋势，氮含量随着滤泥施用量的增加而呈降低趋势，即土壤中氮含量表现为CK＞A1＞A2，处理A1、A2分别与CK间差异显著(P＜0.05)。在种植KWS 1479品种的小区，随着滤泥施用量(3750、7500 kg/hm2)的增加，土壤中氮含量与CK相比分别降低了9.259%、9.229%，各处理间差异性显著(P＜0.05)。在种植KWS 1197品种及在种植KWS 7748品种的小区，分别降低了1.708%、3.65%和8.732%、11.849%。而Beta 2730系列甜菜品种，土壤中氮的含量随着滤泥施用量的增加而增加，表现为CK＜A1＜A2，与CK相比分别增加了3.558%、3.856%，但处理间差异不显著。

图2 不同滤泥施用量土壤中碱解氮含量

2.2 施加滤泥对土壤有效磷含量的影响

土壤中缺少有效磷将严重制约作物的生长[31]，施加不同程度的滤泥对土壤中有效磷的含量有影响。由表2可知，施加不同量的滤泥对土壤中有效磷含量的差异和变异系数影响不同。在3种处理中，以Bate 2730品种的极差最大，其次是KWS 7748、KWS 1479、KWS 1197。Beta 2730品种施加滤泥后，最大值34.1 mg/kg在A1处理，最低值为8.9 mg/kg，极差值为25.2 mg/kg。从滤泥施入量对不同品种变异系数的影响可以看出，Beta 2730品种的变异系数(45.33%)最大，说明滤泥施用量对Beta 2730品种影响最大。

表2 不同滤泥施用量土壤中有效磷含量

2.3 施加滤泥对土壤速效钾含量的影响

由表3可知，种植不同甜菜品种小区土壤中的速效钾的含量存在着很大的区别。就KWS 1479和Beta2730而言，土壤中施加3750kg/hm2的滤泥与7500kg/hm2的滤泥土壤中速效钾的含量均低于CK（不施加滤泥）的值，各处理间存在显著性差异(P＜0.05)；而Beta 2730的各处理之间不存在显著差异。KWS 1197甜菜品种在A1处理中速效钾的含量最大，与CK相比增加了12.956%。而KWS 7748在A2时，速效钾含量达到最大，与CK相比增加了2.38%，各处理间差异性显著(P＜0.05)。在相同的滤泥施用量中，土壤中速效钾的含量存在着很大的差异。

表3 不同滤泥施用量土壤中速效钾的含量

2.4 施加滤泥对土壤pH的影响

根据图3可知，种植KWS 1479品种的土壤，CK值高于A1、A2处理，与CK相比分别降低了0.23、0.06，A1处理与CK之间差异性显著，但是A2与CK之间不存在差异性。种植KWS 1197品种的土壤，A1、A2处理与CK相比pH变化率分别降低了0.18、增加了0.04，三者之间的显著性与KWS 1479品种一致。KWS 7748品种中CK处理与A2呈显著相关，与A1不存在显著相关，表现为A1＜CK＜A2；Beta 2730品种中，A2与A1、CK之间均不存在显著相关。与KWS系列品种相比，该品种A1、A2处理与CK相比pH变化率最大，分别降低了0.50、0.32。

图3 使用H2O测pH结果

2.5 各处理间土壤主要理化性质间的相关性

通过分析种植不同品种糖用甜菜土壤中碱解氮、有效磷、速效钾、pH之间的相关关系（表4）可知，在土壤的pH 5.55～5.78时，pH与有效磷和速效钾呈正相关；pH＞6时，pH与碱解氮呈负相关。由表4可知，除种植KWS1479品种的土壤，碱解氮与有效磷、速效钾、pH呈正相关，种植其他品种土壤的碱解氮与有效磷、速效钾、pH呈负相关。

表4 各处理间土壤主要理化性质间的相关性

2.6 施加滤泥对甜菜产量和含糖率的影响

由图4～6可知，滤泥施用量对不同甜菜品种的含糖率和根产量的影响都是差异不显著，但是滤泥对不同类型的甜菜品种的产量影响的差异较大。对于KWS系列品种，滤泥对高糖型产品的影响集中于产糖量，对高产型品种影响集中于根产量。而Beta品种的含糖率、根产量受滤泥的影响较大，但产糖量的影响较小。

图4 不同滤泥施用量甜菜的含糖率

KWS 1197为高糖型品种，含糖率(x1)受滤泥施用量(y1)的影响较大，呈正相关，拟合的回归方程如式(2)所示。

滤泥施用量仅对含糖率有较大的影响，则在A2处理达到最高值，与CK相比增加了0.41。但是该品种的根产量并没有随滤泥施用量的增加而增加，而是在CK时最大。由此得出的产糖量在A2处理时最大，比CK增加了168.174 kg/hm2。

图5 不同滤泥施用量甜菜的根产量

图6 不同滤泥施用量甜菜的产糖量

KWS 7748为高产型品种，根产量随着滤泥施入先增加后降低，根产量(x2)受滤泥施用量(y2)形成的拟合方程如式(3)所示。

在施加3945 kg/hm2滤泥时，根产量达最大值6988.288 kg/hm2。该品种的产糖量也是在A1处理中达最大值，为6985.295 kg/hm2。

甜菜品种Beta 2730施加滤泥后的含糖率均低于CK。但根产量却随着滤泥的施用量的增加而增加，根产量(x3)受滤泥(y3)的影响呈线性正相关，拟合的回归方程如式(4)所示。

根产量在A2时达到最高，与CK相比增加了19.522%，由此得出产糖量在A2时达到最大。

2018年的甜菜种植地与2019年相同，做3次重复，但是不施加滤泥。但是从图7可知，2019年4个甜菜品种的CK值与施加滤泥后产量的平均值相比，都高于2018年的产量。

图7 近2年甜菜产糖量的变化

3 结论

用甜菜制糖滤泥作为土壤改良剂，可以通过降低糖的杂质含量来改善甜菜汁品质，从而提高甜菜品质。所以在对不同甜菜品种施加滤泥时，要根据品种的特性，选择适宜的滤泥施加量。滤泥通过改变小区土壤中氮磷钾的含量，对高产型甜菜品种(KWS 7748)和高糖型甜菜品种(KWS 1197)的影响最为显著。适宜的施加滤泥，对于不同甜菜品种的土壤中碱解氮、有效磷、速效钾的含量都有所增加，进而影响甜菜的产量，但滤泥施用量的多少还取决于甜菜的品种。本研究通过分析施加滤泥后土壤中氮磷钾的含量对产量的影响，表明标准型品种KWS 1497、高糖型品种KWS 1179和Beta2730品种适宜的滤泥施用量为7500kg/hm2，高产型品种KWS 7748最适宜的滤泥施用量是3750 kg/hm2。滤泥对甜菜的影响是一个持续过程，本实验对甜菜产量的研究仅一年时间，短期时间内，对甜菜产量的影响并非十分显著，应当培肥地力，对甜菜品种进行长时间的合理施肥。

4 讨论

滤泥之所以会影响土壤以及甜菜的产量，主要是因为甜菜中含有大量的有机质。随着滤泥施入量的增加，甜菜有机质及营养成分的增加使得土壤的养分含量产生变化[14]，进而影响土壤中碱解氮、有效磷、速效钾的含量，直接影响甜菜的产质量。为了提高肥料利用率，减少不合理投入，响应农业农村部提出的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，因此我们要减肥增效，降低生产成本同时最大限度利用糖厂废弃物，促进甜菜产量的增加。

氮素是作物生长不可缺少的因素[32]，前人研究表明，适量施氮肥，可以增加甜菜的根产量[33]。但是由于品种各性状之间存在差异，不同品种糖用甜菜对氮素的需求不同。如王娟等[33]在塔额盆地的试验得出，Bate796最适宜的氮肥推荐是210 kg/hm2。李强等[34]通过试验表明对于KWS2409高产型甜菜品种而言，合理的施氮，能够促进高产型甜菜产量的增加。本试验研究发现碱解扩散法测定的种植3种KWS系列甜菜品种土壤中碱解氮的含量在A1处理中显著降低（N含量平均降低6.67%），但A2处理中氮含量降低的程度则低于A1处理。就KWS系列品种而言，碱解氮的降低对甜菜含糖率或根产量都有所增加。甜菜品种KWS 7748是高产型甜菜品种，在A1处理中氮含量降低的程度最大，同时产糖量增加的幅度最大，说明对于高产型甜菜品种而言，施加3750 kg/hm2的滤泥最能达到减氮增效的作用。但是Bate系列品种与KWS系列品种的特性不同，种植甜菜品种Beta 2730土壤中的碱解氮的含量与滤泥施入量呈正相关，与李任任等得出的结论相同[15,35]。Beta 2730品种在A1与A2处理之间碱解氮的含量差别很小，同时含糖率并没有随着氮的增加而增加，反而在CK时最大，与王玉波等[36]得出的随着氮肥的增加含糖率递减的结论相同[37]。David等[38]学者试验发现，随着氮含量的增加，根产量以及产糖量都有所增加[39]，与本试验得出的结论相同。说明不同系列的甜菜品种对氮的需求量不同，对含糖率、根产量、产糖量的影响也不一样。

磷素是构成作物体内许多重要有机化合物的组成部分，同时又以多种形式参与作物体内的生理过程，对于促进作物生育过程、生理代谢和高产优质都起着重要作用。Girma等[6]试验得出，施加滤泥可以改善土壤中磷含量；曲文章等[40]试验得出磷肥与甜菜的根产量呈正比，与含糖率没有显著影响。本试验得出种植KWS 1197和KWS 7748（高糖型和高产型）品种的土壤中有效磷的含量始终高于CK值，同样高产型品种在A1处理中达到最大，对含糖率的影响较小；而高糖型品种的含糖率随着滤泥的施用而不断增加，但对根产量影响较小。说明同一系列不同性状的甜菜品种中的磷含量受土壤中磷素含量的影响存在差异。种植Beta 2730品种的土壤中磷素含量随滤泥施用量变化的幅度最大，在施用7500 kg/hm2时，磷素含量降低至8.9 mg/kg，但是磷素大幅度降低对甜菜根产量以及含糖率的影响较小，可能是因为该品种对磷素的需求较小。

钾素可以增加植物抵抗力，使植株生长健壮。种植KWS 1197甜菜品种的土壤中速效钾的含量整体要高于CK值，并且各处理之间差异性显著，产糖率与钾的含量基本呈正相关，与丁伟等研究结论基本一致[41]。而KWS 1479品种速效钾的含量与滤泥施用量呈递减趋势，同样Bate 2730品种速效钾的含量在CK时最大，其产糖量均在A2处理中达到最大。可能是因为不同甜菜品种对速效钾的吸收性能不同，表现为施加相同滤泥而土壤中速效钾的含量存在很大差异。

甜菜滤泥中除了含有氮磷钾等有机质，还含有大量的石灰，石灰是改变土壤pH的主要因素。滤泥通过改变土壤的pH，进而影响土壤中的氮磷钾含量。杨继权等[42]通过对酸性土壤施加熟石灰，发现土壤越接近中性土壤越有利于甜菜生长。甜菜作为典型的耐盐碱作物[43]，虽然本试验的土壤为酸性土，但是在A2处理后，土壤的pH整体都有所提高，同时产量也有所增加。在A1处理中，pH则随着滤泥施用量的增加而降低，可能是由于滤泥的使用影响了土壤中微生物的活性[44-45]。王殿法等认为提高pH对甜菜的生长具有促进作用，一般可提高产糖量[14]，与本试验得出KWS 1197（高糖型）和KWS 7748（高产型）在A2处理中，pH分别增加了0.04和0.08个单位，与之相对应，产糖量分别增加了 168.17 kg/hm2和 5.71 kg/hm2。

施入滤泥对土壤的氮磷钾产生了影响，因此直接或间接地影响了不同品种甜菜的根产量和含糖率，块根含糖率是影响甜菜品质的重要因子[46]，表现出产糖量的差异。比如不同滤泥施入量对高产型品种KWS 7748的产糖量影响较小，而对于其他3个甜菜品种的产糖量，均随滤泥施入量的增加有明显的促进作用，与Salama等[23]学者得出的结论相同[44]。沈玉和[47]通过分析北方石灰性土壤，得出土壤pH本身就很高，而滤泥呈碱性，施加少量滤泥对提高土壤中氮磷钾的含量意义较小，并认为施加滤泥会降低甜菜的产糖量，但本试验土壤呈酸性所以与沈玉和得出的结论不符合。并且就近2年产量的对比来看，2019年施用滤泥的产量要高于2018年未施加滤泥的产量，与Aljabri[48-49]得出的滤泥能改善土壤的理化性质，使土壤更不仅适合栽培而且可以增产增效的结论相同。

试验表明，4种不同甜菜品种在不同的滤泥施用量时，种植小区土壤中氮磷钾的含量和甜菜的产量达到最大值。有研究表明[50]不同甜菜品种对钾等元素的吸收能力也不同。本试验得出种植不同甜菜品种的土壤中氮磷钾的含量并不一样，可能原因是因为不同品种的甜菜对土壤中氮磷钾的吸收能力存在很大差异。前人研究发现甜菜分泌磷酸酶的活性不仅受根际pH的影响而且受不同品种的影响[51]。本试验得出4种甜菜的产糖量变化趋势与土壤pH的变化趋势基本一致。当滤泥施用量最大时，除品种KWS 7748之外，其余品种的产糖量均达到最大值。因此，初步认为在黑龙江地区如果针对不同类型糖用甜菜品种施入适量的滤泥还田，对甜菜产量有一定的增产增质作用，但滤泥对甜菜产量的影响是多方面的，为了更好地了解滤泥对不同甜菜品种影响的差异，下一步应当开展关于滤泥施用量对不同甜菜品种在不同生育期内对氮磷钾含量的吸收和转运的研究，以便更好地研究滤泥对不同甜菜产量影响的内在机理，对不同甜菜品种进行合理的施用滤泥并达到增收的目的，并为甜菜的合理施加滤泥提供科学依据。