有机物料对不同磷肥用量条件下棉田综合效益评价

柳 萍,张 凯,马 超,张 慧,杨 川

(1.新疆农业大学资源与环境学院/新疆土壤与植物生态过程重点实验室,乌鲁木齐 830052;2.新疆心连心能源化工有限公司,新疆玛纳斯 832200)

0 引 言

【研究意义】2021年新疆棉花种植面积 2 506.1×103hm2,总产 512.9×104t,面积、总产在全国占比分别为 82.76% 和 89.50%。石灰性土壤磷素固持严重,导致磷肥当季利用率低,也是限制许多地区农业生产的主要因素[1]。随施磷量的增加,磷肥投入的越多,磷肥利用率呈现先增加后降低的趋势。有机物料(有机酸、有机肥、生物炭等)添加可提高磷素有效性,但综合效益尚不明确。生物碳作为一种惰性有机碳,难以分解,有较强阳离子交换量,其稳定性强。研究评价有机物料对不同磷肥用量条件下棉田综合效益,对棉花磷肥用量科学施用有重要意义。【前人研究进展】具有较大的表面积可以增强吸附力,较强阳离子交换量保持土壤养分,减少养分流失,增加可利用性磷的含量,提高利用率[2]。生物炭技术是将作物秸秆等生物质材料或其衍生物进行碳化,以适当方式和标准施用于土壤以获得相应经济、生态和环境收益的科学和技术理念[3,4]。生物炭可以改善土壤质量,保持土壤肥力,具有节水、节肥、固碳和提高作物产量等作用[3,5,6]。有机酸是普遍存在于自然界一类功能性有机物,由于其特殊的荷电特性与分子结构[7],施入土壤可提高土壤磷素有效性[8,9],促进作物磷素吸收[10]。有机酸提高土壤磷素有效性的机理包括:有机阴离子与磷酸根的配位交换[10];有机态的含磷化合物在pH值降低时部分水解[11-12];部分铁铝结合态磷鳌合溶解[13]。有机肥施用可改善土壤磷素状况[11],提高磷肥利用率和土壤磷素有效性。有机肥不仅本身含有可溶性磷素(如正磷酸盐)[14],还可以通过促进土壤微生物生长和磷素周转,提高土壤磷素有效性。有机肥分解过程中产生的有机酸,可通过酸溶、络合溶解、阴离子代换和竞争吸附等作用,改变土壤对磷素的吸附-解吸过程[15,16],提高土壤磷素有效性。有机肥添加对小麦[17]、水稻[18]、玉米[19]等作物的磷素吸收的增强和磷肥利用率提高有促进作用。雷达图分析法常用于对财务、教育、电力等领域中评价对象的综合评价[20-26]。【本研究切入点】石灰性土壤磷素固持严重,导致土壤磷素有效性低、化学磷肥投入量大、磷肥当季利用率低,合适的磷肥施用方式和有机物料添加等技术可减少土壤磷肥固定、降低化学磷肥用量、提高磷肥当季利用率,其综合效益尚不清楚。关于有机物料添加的各个方面的效果研究较多,但综合性评价较少,缺乏实际指导意义。需研究不同磷肥用量条件下有机物料添加的棉田综合效益。【拟解决的关键问题】以新疆膜下滴灌棉田为研究对象,运用雷达图分析的方法,在不同磷肥用量基础上,设置有机物料添加和对照处理,测定棉田土壤速效磷、微生物生物量、碱性磷酸酶、植株累计吸磷量、植物生物量、磷肥利用率、产量、经济效益,基于雷达图来评价棉田的综合效益,分析研究土壤理化性质、土壤生物活性指标、磷素吸收指标和经济效益指标,评价有机物料对不同磷肥用量施用影响。

1 材料与方法

1.1 材 料

新疆阜康市光照充足,热量丰富,年平均气温6.6℃。试验于2020年4～10月进行,试验地位于阜康市彭家湾村冰湖三队(88°01′N,44°17′E)。基本土壤理化性状为有机质18.10 g/kg,碱解氮46.23 mg/kg,速效磷13.55 mg/kg,pH(水∶土=5∶1)8.14,电导率226.74 μS/cm。棉花品种为新陆早74号。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

以当地测土配方施肥磷肥推荐用量(150 kgP2O5/hm2)为上限,设置0、50、100和150 kgP2O5/hm24个磷肥用量处理,每个磷肥用量处理下设置添加有机酸(OA,其主要材料为腐植酸类肥料),有机肥(OF,新疆慧尔农业集团股份有限公司 NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有机质≥45%),生物炭(BC,秸秆生物炭)处理,每个处理4次重复,共64个小区,小区面积4 m×5 m,采取随机区组分布,试验区总面积为1 280 m2。2020年4月播种,10月收获。棉花采取当地膜下滴灌种植模式,采用1膜1带2行种植,棉花株距20 cm,种植密度为130 100株/hm2。棉花肥料用量为播种前部分小区施入生物炭,有机肥(NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有机质≥45%)为底肥,后期追肥是施尿素(中国石油天然气股份有限公司N≥46%),硫酸钾(新疆农家乐农业科技发展有限公司 K2O≥50%,S≥16%),有机酸(45 kg/hm2),磷酸一铵(云南常青树化工有限公司(N12%+P2O561%)≥73%)。在棉花各个生育期分6次滴水施肥,其他田间管理和农艺措施均与新疆棉田普通采用的模式保持一致。

1.2.2 测定指标

1.2.2.1 土壤生物活性

微生物生物量:运用主成分分析法,根据土壤中某种特定的生物代谢成分的含量,测定土壤微生物量;

碱性磷酸酶活性:称取1.00 g鲜土与50 mL三角瓶,加0.25 mL甲苯抑制剂、4 mL pH11的MUB缓冲剂和1 mL对硝基苯酚磷酸二钠溶液后,摇匀,于37℃下培养1 h。培养结束后,添加CaCl2和NaOH溶液各4 mL终止反应;将滤液于400 nm处比色测定,计算碱性磷酸酶。

1.2.2.2 磷素吸收指标

磷肥利用率:(施磷肥区磷素总累积量-不施磷肥区磷素总累积量)/施磷量×100%;

植物含磷量:将植物样品粉碎,然后将每个小区每个部位样品混在一起,称取相对的植物重量,运用H2SO4-H2O2消煮钒钼黄比色法;

植物生物量:在吐絮期对植物进行采集,按器官分为根、茎、叶、壳、絮、籽。在75℃条件下烘干36 h至恒重,记录生物量。

土壤速效磷:准确称取过20目的土壤2.5 g,加入小半勺无磷活性炭,按1∶20的固液比,加入50 mL pH值为8.5的NaHCO3溶液pH值由NaOH调节,25℃恒温震荡30 min,过滤,测定清液速效磷含量。浸提液中的速效磷运用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法。

1.2.2.3 经济效益

棉花产量:棉花采收期时在各试验小区随机设置1个面积为1 m×1 m的样方,记录该样方内的棉花株数,并统计每株棉花上的铃数和单铃重,总产量=单位面积株数×单株铃数×单铃重。

经济效益=(籽棉产量-棉花单价)-成本-人工。

式中,成本包括肥料和有机酸成本、农药和脱叶剂成本、种子及小区所用滴灌带成本、土地租赁费用等;人工费用(铺地膜机械、滴灌带铺设、人工除虫和无人机喷洒脱叶剂等费用)。

1.2.2.4 计 算

无量钢化指标计算:按照式(1)对指标进行无量纲化,将各指标值约束在[0,1]范围内。

(1)

式中,Rij为评价指标转化值,rij为评价指标数值,maxrij为评价指标最大值。

相邻指标夹角计算:相邻指标夹角用 α 表示。

(2)

式中,αij表示数轴i与数轴j之间的夹角,k为指标个数。

综合评价指标计算:将雷达图的面积S和周长L作为综合评价的特征向量,构建一个函数进行评价。应用改进版雷达图计算方法[32],选用两个参数作为评价函数的特征向量,进行雷达图分析改良剂对不同磷肥用量条件下棉田综合效益评价。

特征值的计算:雷达图中有k个指标组成,其面积也有k个扇形组成,扇形的2条边由k个指标中的任意两个指标组成,根据式(3)计算特征向量雷达图面积和雷达图周长。式 (3) 中,Si为第i个对象的雷达图面积,Li为第i个对象雷达图周长,nij表示第i个对象第j项评价指标。面积为各扇形面积之和,周长为各段弧长之和,不再随指标排列顺序不同而变化[32]。

(3)

评价函数构建及评价:以Si和Li为基础构建评价函数V1和V2( 式 4),V2为周长评价值,表示与相同面积的圆的周长的比值,其数值越大表示该评价对象均衡性越好,反之越差;评价向量面积和周长分别是综合水平和指标均衡性的增函数且vij∈[0,1]。根据评价向量综合评价函数,计算综合的评价值Y(式 5)。

(4)

(5)

2 结果与分析

2.1 指标选取及评价指标

研究表明,2020年棉花产量和经济效益随着磷肥用量的增加而提高,呈现先增后减再增的趋势,增加磷肥用量确实可以提高产量增加经济效益,在MAP50和MAP150磷肥用量时,产量和经济效益得到了显著提高。在不同磷肥用量处理下添加有机物料的处理中,棉花产量和经济效益随着磷肥用量的增加而增加,呈现先增后减再增的趋势,增加磷肥用量可以提高产量增加经济效益,其中添加有机肥在不同磷肥用量处理中MAP100+OF的产量和经济效益得到的最高,在添加有机酸下不同磷肥用量处理中MAP100+OA的产量和经济效益得到的最高,在添加生物炭下不同磷肥用量处理中MAP50+BC的产量和经济效益得到的最高。

速效磷随磷肥用量的增加呈现先增后降低的趋势,在MAP50和MAP100磷肥用量时较好;在添加有机肥下不同磷肥用量处理,随磷肥用量的增加速效磷呈现先增后趋于平稳或略有降低的趋势,其中MAP100+OF和MAP150+OF高于其他处理,在添加有机酸下不同磷肥用量中,随磷肥用量的增加速效磷呈现先增后降低再增长的趋势,其中MAP50+OA和MAP150+OA高于其他处理,在添加生物炭下不同磷肥用量中,随磷肥用量的增加速效磷呈现先增后略有降低或趋于平稳的趋势,其中MAP50+BC、MAP100+BC和MAP150+BC均不错。

酶活性随磷肥用量的增加呈现先减后增的趋势,在MAP150磷肥用量条件下,土壤碱性磷酸酶活性最好;添加有机肥下不同磷肥用量处理中,呈现先降后增再减少的情况,MAP100+OF处理的酶活性最好;添加有机酸下不同磷肥用量处理中,呈现先降低后增加的趋势,其中MAP150+OA处理的酶活性最好;添加生物炭下不同磷肥用量处理中,呈现先增在减少的趋势,MAP50+BC处理的酶活性最好。

土壤微生物生物量随磷肥用量的增加呈现增加的趋势,在MAP100和MAP150磷肥用量条件下,土壤微生物生物量较好;添加有机肥下不同磷肥用量处理中,呈现增长趋势,MAP150+OF处理的土壤微生物生物量最高;添加有机酸和生物炭下不同磷肥用量处理中,均呈现先增加后降低的趋势,其中MAP50+OA处理的土壤微生物生物量和MAP100+BC土壤微生物生物量最好。

植物生物量和植物累计吸磷量都随磷肥用量的增加呈现增后减再增的趋势,在MAP50和MAP150磷肥用量条件下,植物生物量最高,在MAP50磷肥用量条件下,植物累计吸磷量最多;添加有机肥、有机酸和生物炭下不同磷肥用量处理中,均呈现先增后降低的趋势,其中MAP100+OF、MAP100+OA和MAP50+BC处理的植物累计吸磷量最多。

磷肥利用率随磷肥用量的增加呈现先增后减的趋势,在MAP100磷肥用量条件下,磷肥利用率最优;其中添加有机肥和有机酸下不同磷肥用量处理中,均呈现降低的趋势,MAP50+OF和MAP50+OA处理的磷肥利用率最高;添加生物炭下不同磷肥用量处理中,呈现先增加后降低的趋势,其中MAP100+BC处理的磷肥利用率最高。表1

表1 棉田评价指标

2.2 基于雷达图综合评价

2.2.1 评价指标无量纲化

研究表明,评价指标的无量纲化进行雷达图分析之前要对指标进行标准化处理,运用公式(1)将评价指标无量纲化。表2

表2 棉田评价指标无量纲化

2.2.2 CAD软件绘制雷达图

研究表明,随着磷肥用量的增加各处理的各个评价指标均比MAP0+CK的各项指标表现良好,其中MAP100+CK的处理表现最好;不同磷肥梯度下配施有机肥的棉田指标评价显示,MAP100+OF的处理表现最好;不同磷肥梯度下配施有机酸的棉田指标评价显示,其中MAP50+OA和MAP100+OA的处理表现较好;不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指标评价显示,在MAP100+BC的处理表现最好。图1～4

注:CK×(0、50、100、150 kgP2O5/hm2),1～2:产量;2～3:速效磷;3～4:碱性磷酸酶活性;4～5:微生物生物量;5～6:磷肥利用率;6～7:植物生物量;7～8:植物累计吸磷量;8～1:经济效益,下同

2.3 有机物料对不同磷肥用量条件下棉田综合效益评价

研究表明,100 kgP2O5/hm2配施有机肥的综合水平、均衡程度以及综合能力都最好;在相同磷肥用量处理下,不添加有机物料的处理比添加的综合水平差;在相同有机物料处理下,配施100 kgP2O5/hm2的磷肥综合效果较好。表3

表3 添加有机物料对不同磷肥用量条件下棉田的综合评价

2.4 不同磷肥用量条件下有机物料添加处理的雷达法评价

研究表明,根据向量综合评价函数,MAP0+CK、MAP50+CK、MAP100+CK、MAP150+CK、MAP0+OF、MAP50+OF、MAP100+OF、MAP150+OF、MAP0+OA、MAP50+OA、MAP100+OA、MAP150+OA、MAP0+BC、MAP50+BC、MAP100+BC、MAP150+BC的综合评价值为0.609 9、0.896 7、0.921 5、0.913 3、0.610 3、0.832 7、0.998 8、0.903 5、0.636 6、0.937 8、0.916 3、0.783 9、0.765 4、0.941 1、0.945 2、0.875 3。在不添加有机物料下,随着磷肥用量的增加,综合效益呈先增加后减小的趋势,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的处理最好;在配施有机肥的情况下,随着磷肥用量的增加,综合效益呈先增加后降低的趋势,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的处理最好;在配施有机酸的情况下,随着磷肥用量的增加,综合效益呈先增加后降低的趋势,其中磷肥用量50 kgP2O5/hm2的处理最好;在配施生物炭的情况下,随着磷肥用量的增加,综合效益呈先增后减的趋势,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的处理最好。图2～图5

图2 不同磷肥梯度下配施有机肥的棉田指标评价

图3 不同磷肥梯度下配施有机酸的棉田指标评价

图4 不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指标评价

图5 不同磷肥用量条件下有机物料添加处理的雷达法评价值

3 讨 论

3.1近年来雷达图分析法在农业领域也得到了应用,玉米区域品种评价[27]、大豆品种选育[28]、马铃薯品种[29]、稻米食味品质研究等[30]。雷达图从数据到图形,结果呈现更加直观;从单一到体系,对评估结果能实现多维度分析;操作简单、便捷[31]。传统雷达图根据评价指标权重计算指标与指标间的角度,将无量纲化数据投影在对应的评价指标数轴上连线形成雷达图,即对不同处理进行直观评价。但没考虑“座次”的排序,评价指标之间的相互影响,导致计算权重不一样,面积大小和周长的指标结果不一样的问题;或者在计算雷达图面积和周长时取各种情况的均值,从而计算特征向量和评价结果,但这种情况仅限于评价指标较少的情况,如果指标过多排列方式增加会导致计算难度加大。所以改用扇形雷达图很好的解决了以上的问题,研究取的是各指标的无量纲化值作为扇形的半径,不论怎么改变指标“座次”,特征向量雷达图面积和周长都不会变化,从而不会出现评价结果不唯一性。

3.2利用改进版雷达图分析有机物料对不同磷肥用量条件下棉田综合效益评价,得到棉田在磷肥用量及有机物料添加对棉田土壤指标、植物磷素吸收及经济效益的影响,直观的得出最优的施肥方式。在今后还应扩大指标覆盖范围,加强研究的系统性和深入性,使研究结果更具有实用价值。

4 结 论

100 kgP2O5/hm2配施有机肥调控是阜康市最优的施肥结果,而其中在100 kgP2O5/hm2的磷肥用量为梯度最优,添加有机酸调控的为50 kgP2O5/hm2+有机酸处理最优,添加生物炭调控的为100 kgP2O5/hm2+生物炭处理最优,添加有机肥调控的为100 kgP2O5/hm2+有机肥处理最优。在合理的磷肥用量条件下,增施有机物料可提高综合效益。