不同功能稀土微量元素螯合有机肥的研制及其对水稻发育、产量、品质的影响*

龙素霞, 湛毅强, 王连林, 张志成, 江 瑶, 陈铁成

(1.河北省玉田县农业农村局 河北玉田 064100;2.沣田宝农业科技有限公司 河北玉田 064109)

0 前言

随着大量元素化肥长期不合理的等比例施用,氮、磷等大量元素在土壤中积聚,致使土壤板结酸化,耕地质量下降,土壤团粒结构、质地变差,容重逐步增大,造成土壤耕性变差、农产品品质下降、产投效益降低;同时,工业企业不规范的污染物排放、养殖业废弃物未经无害化处理便施于农田等,导致农田土壤被重金属污染,引发农作物生长异常、农产品重金属含量超标等问题,不仅影响了当前的农业生产,而且对农业的可持续发展与消费者的身心健康造成了危害。

大量元素氮、磷、钾与各种微量元素的配合比例与肥料的利用率、土壤肥力、土壤结构、作物产量和品质、作物抗逆性等有着密切的关系。国外采用乙二胺四乙酸(EDTA)、柠檬酸等作为螯合剂,有效防止了微量元素间的拮抗,提高了元素的稳定性和利用率。但这些螯合剂成本高,在用户对全元素平衡施肥缺乏认识的情况下,接受并使用高价肥料的难度较大。

通过稀土多元素螯合复混肥在内蒙古、辽宁、吉林、山东、河北等地长达8 a的施肥对比试验,发现施用稀土多元素螯合复混肥后,不仅小麦、玉米、黄瓜、甘蓝、苹果和梨的产量可以提高10%以上,而且能提高中微量元素和可溶性固形物的含量,并改善农产品的品质[1]。在同等投入的情况下,桃子产量增加9.61%,可溶性固形物含量增加9.1%,硬度增加5.9%,单果质量提高4.46%,产品的商品性能明显提高[2]。施用双螯合多微复混肥可减小土壤容重,提高土壤田间持水量;可显著提高小麦、玉米、马铃薯、蔬菜、甜瓜、葡萄和桃的产量,并可提升甜瓜、葡萄和桃的品质[3]。黄瓜施用多元素螯合复混肥后,普遍表现出对人体有益的微量元素积累量增加,特别是铁增加幅度高达9倍,适口性明显增强,而铅的含量则减少94.23%[1]。稀土多元素螯合复混肥在河北省玉田县亮甲店镇、丰宁满族自治县鱼儿山镇、沽源县彦龙农场的示范性应用结果表明,综合增产率为9.79%,可增加经济效益5 607元/hm2,土壤容重减小8.21%,充分体现了创新型肥料在农业增产、增收和土壤改良上的显著效果[4]。基于上述研究成果,结合当前土壤有机肥施用面积小、施用难度大、多数农民担心施用有机肥减产等问题,进行了稀土微量元素螯合有机肥的开发。

1 稀土微量元素螯合有机肥生产工艺

根据多年、多种作物对比施肥的试验数据,结合农业生产实际,经专家论证,沣田宝农业科技有限公司明确了不同功能稀土微量元素螯合有机肥的开发目标及产品种类,确定了以提质增效型、土壤改良型和重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥为重点开发产品。

1.1 产品开发的技术路线

利用自主研发的“双螯合多微添加剂的研发与工艺创制”技术体系[5],首先制备稀土微量元素螯合剂,得到具有较强活性的辅助添加剂;其次依据作物对大量元素氮、磷、钾需求比例(1∶0.3～0.5∶1.2～1.5),确定各元素的配合式;最终针对不同的土壤类型,合理确定有机物、螯合剂的添加比例及pH调节剂用量。

1.1.1 螯合中微量元素生产工艺简述

从规避植物所需各营养元素的拮抗作用入手,利用每个单体反应釜在设定温度、溶解度的前提下,分别采用黄腐酸和氨基酸按质量比1∶2的比例进行同步螯合植物所需及土壤缺乏的镁、锌、铁、钼、铜、硼、锰等元素,形成不同形态的黄腐酸螯合、氨基酸螯合的双螯态微量元素个体,消除了各营养元素间的拮抗作用,然后按不同植物需求量分别添加到载体腐殖酸中进行稀释,最终实现各自功能的同化。生产工艺流程参见文献[5]。

1.1.2 中微量元素主要原料的选配与投放量标定

1.1.2.1 确定所需螯合中微量元素的原料用量

根据不同中微量元素在相应温度下的最佳溶解度范围,设定各元素在螯合时投放量的上限及下限,同时依据测定值,计算确定对应原料在螯合时的投放量,见表1。

表1 不同螯合中微量元素的原料投放量测算表

1.1.2.2 主要中微量元素对应原料的溶解情况

投料前,按设定温度下各中微量元素对应原料的最大溶解度分别向加热反应釜中注入可完全溶解的水并加热,溶解情况见表2。

表2 不同中微量元素对应原料在设定温度下的溶解情况

1.1.2.3 主要操作工艺

(1)测定所需螯合营养元素对应原料的养分含量,根据测定值,计算确定每种营养元素对应原料的投放量。

(2)依据原料的投放量确定每个反应釜中应注入设定温度下使原料完全溶解的加水量;当加水量达到设定值的50%～60%时,自动加热装置和搅拌装置启动;当温度达到设定温度的50%时,自动计量投料秤启动,开始投料,投料顺序为所需螯合元素对应的原料、黄腐酸、氨基酸;全部注水、投料完成且温度达到设定值后,停止注水和投料,保持设定温度继续搅拌30～45 min,螯合反应完成。

(3)将完成螯合反应的每种营养元素按设定比例,采用计量投料泵均匀地喷入腐殖酸中。皮带计量秤计量投入的腐殖酸(褐煤)采用对辊绞龙推进器推进搅拌,搅拌的同时将每种完成螯合的营养元素液体及含有镨、钕、镧、铈等元素的2种、3种或4种硝酸稀土(固态质量分数为40%,液态质量分数为20%)按设定的投放比例均匀地喷洒到腐殖酸上,最终形成含水质量分数15%～22%且含有镁、锌、铁、钼、铜、硼、锰及稀土等元素的双螯合多微添加剂。

经2016—2021年多点、多作物应用试验、示范证明,双螯合多微添加剂添加到不同肥料产品中,具有改善土壤养分供给结构、调节土壤微环境的功效[3-4],同时可调节pH(5.5～6.5),能发挥微量元素的最佳效应[6],实现了肥料效应的最佳化,避免了多余营养元素在土壤中的富集。

1.2 不同功能稀土微量元素螯合有机肥的主要原料配合比例

1.2.1 提质增效型稀土微量元素螯合有机肥

针对当前农产品质量与效益普遍降低的问题,结合农作物对不同营养元素的需求特点,通过适当调减大量元素应用比例,合理增加螯合态稀土及中微量元素,以无害化处理的畜禽粪便为载体和黏结剂,开发了N-P2O5-K2O为15-5-10、螯合态稀土及中微量元素质量分数≥2%、有机质质量分数≥15%的提质增效型稀土微量元素螯合有机肥,其主要原料配比见表3。其中：产品执行国家标准《有机无机复混肥料》(GB/T 18877—2020)中的Ⅰ型指标;无害化处理畜禽粪便大量元素养分含量未计入,下同。

表3 提质增效型稀土微量元素螯合有机肥主要原料配比

产品主要特点：以稳产、提质为目标,重点解决因土壤中有机质、中微量元素不足而导致的病害多发、产量不稳、品质下降、坐果率和成穗率低等问题。

1.2.2 土壤改良型稀土微量元素螯合有机肥

由于多数农田长期单一偏施化肥,农家肥施用量严重不足,重氮肥、轻磷钾肥或等比例施用化肥,致使土壤有机质含量下降,腐殖质无法得到及时补充,引起土壤板结。在确保稳定当前农作物产量的基础上,以化解土壤板结为重点,合理增加有机肥投入量,开发了N-P2O5-K2O为10-5-5、螯合态稀土及中微量元素质量分数≥2%、有机质质量分数≥25%的土壤改良型稀土微量元素螯合有机肥,其主要原料配比见表4。

表4 土壤改良型稀土微量元素螯合有机肥主要原料配比

产品主要特点：以高有机质含量的牛粪、羊粪为主要原料,辅以高蛋白含量的猪粪、鸡粪混合发酵物,以褐煤为辅助填充料,增加有机质含量;辅以适量的大、中微量元素,保证在改良土壤结构的同时,提高作物产量和品质。

1.2.3 重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥

土壤重金属来源广泛,主要为农药、化肥、未经腐熟的畜禽粪便的施用,以及采矿、冶金、化工等工业排放的三废和汽车排放的尾气等。土壤重金属污染具有隐蔽性、富集性和长期性的特点,直接或间接地污染地下水、空气,危害农作物及生物,甚至危及人类的健康和生命[7]。有资料表明,采用植物修复技术和微生物修复技术去除土壤中重金属及其胶体的效果较好[8]。已报道的能够修复重金属污染的细菌主要有芽孢杆菌、弗兰克氏菌、恶臭假单胞菌、链霉菌、球菌等[9],其中对芽孢杆菌的研究较多,蜡状芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌等对重金属均具有良好的耐受性和吸附性[10]。另据各地对重金属污染土壤修复研究的相关报道,在化学修复技术中以多硫化物、石硫合剂、腐殖酸类、氨基酸类、乙二胺四乙酸(EDTA)、金属离子捕捉剂(EDDHA-Na)等为主要土壤重金属修复剂。汇集各种资料,结合项目研究任务、目标,制定了重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥生产技术方案,以具有螯合能力的腐殖酸为主导原料,无害化处理的畜禽粪便为辅助材料,同时添加自主研发的具有降解、螯合重金属能力的复合微生物菌剂。该复合微生物菌剂主要以胶质芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌、胶冻样芽孢杆菌、金属还原地杆菌、酵母菌等为主要重金属降解菌,各菌种的质量比为胶质芽孢杆菌∶枯草芽孢杆菌∶巨大芽孢杆菌∶胶冻样芽孢杆菌∶金属还原地杆菌∶酵母菌=4.5∶2.5∶2.5∶1∶1∶1.5,同时适量添加螯合态中微量元素,解决土壤中微量营养元素不足的问题。其中：胶质芽孢杆菌具有溶磷、释钾和固氮功能;巨大芽孢杆菌具有解磷(磷细菌)功效;胶冻样芽孢杆菌可解钾并释放可溶磷钾元素及钙、硫、镁、铁、锌、钼、锰等中微量元素;金属还原地杆菌可同化还原Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ),异化还原铀(Ⅵ),厌氧氧化苯甲酸酯、甲苯、苯酚和对甲酚;酵母菌能促进微生物增殖。

重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥的主要原料配比见表5,产品执行行业标准《复合微生物肥料》(NY/T 798—2015)。

表5 重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥主要原料配比

产品的主要特点：以高含量腐殖酸及有机质的褐煤、多功能复合微生物菌剂为重金属降解材料,适当补充大量元素氮、磷、钾和螯合态中微量元素;产品中的腐殖酸、微生物菌剂能有效吸附、固化、降解土壤中有害重金属,减少作物对重金属的吸收,有利于改良土壤结构,提高农产品品质;添加的大中微量元素能稳定和提高作物产量。

1.3 不同功能稀土微量元素螯合有机肥生产工艺技术

利用项目研发的高强度颗粒有机肥成型设备[11]进行不同功能稀土微量元素螯合有机肥生产,主要工艺流程见图1。

图1 不同功能稀土微量元素螯合有机肥生产工艺流程

向计算机操作系统输入不同功能稀土微量元素螯合有机肥的原料投入量后,启动所有设备,并利用铲车或人工向对应的投料斗投料。在投料过程中,必须保证每个投料斗的存料量始终处于60%以上,避免出现空斗而影响投料精准度。整个生产系统全程采用计算机在线监视控制,中间环节无需人工操作,每个班次仅设1名巡视员、3～4名投料员、2～3名灌装员,班产能可达200～300 t。

2 不同类型稀土微量元素螯合有机肥的应用效果

为验证提质增效型、土壤改良型、重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥在节本增效、增产提质、改良土壤等方面的效果,2021—2022年进行了田间试验示范。

2.1 试验地概况

试验地设在河北省唐海县农业科技示范产业园区,该地块地势平整,灌水条件好。该区域属东部季风区温带半湿润地区,大陆性季风特征明显,年平均气温为11 ℃,年降水量为636 mm,四季分明。试验地土壤状况见表6、表7。

表6 试验地土壤理化性状

表7 试验地盐碱化与中微量元素、重金属含量状况

2.2 示范设计

示范作物选用水稻,品种为新丰2号。采用同田对比,试验共设4个处理,空白处理(CK)为习惯施肥,T1处理施用提质增效型稀土微量元素螯合有机肥,T2处理施用土壤改良型稀土微量元素螯合有机肥,T3处理施用重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥。每个处理设置3次重复,小区面积1亩(1亩=667 m2),各处理间田间管理措施均相同。不同处理的施肥品种及用量见表8,其中示范用肥的基肥由沣田宝农业科技有限公司提供,追肥尿素[w(N)=46%]由唐山邦力大银化工有限公司生产。

表8 不同处理的施肥品种及用量

2.3 调查结果与分析

2.3.1 水稻发育田间观测记录

为准确了解不同功能稀土微量元素螯合有机肥对水稻生育性状的影响,在水稻移栽返青后进行了生育性状的调查,结果见表9。

表9 生育期田间观测记录

水稻田间观测记录表明：在水稻幼苗期,CK处理与其余3个处理差异不大,主要原因为幼苗期作物需肥量少,养分由土壤基础地力提供;而在水稻生育后期,CK处理的株高、分蘖数以及叶色方面较其他处理均表现出营养元素缺失现象,主要表现为株高偏矮、分蘖数减少;施用不同功能稀土微量元素螯合有机肥处理的水稻,植株长势无明显差异。

2.3.2 不同施肥处理对水稻产量的影响

收获期进行小区实收测产,结果见表10,方差分析结果见表11。

表10 水稻产量

表11 方差分析结果

由表10和表11可知：在田间示范中,水稻平均产量表现为T3>T2>T1>CK;T3、T2、T1处理较CK处理分别增产74.6、42.2、26.4 kg/亩,增产率分别为11.6%、6.6%、4.1%。试验结果表明,与常规施肥相比,施用不同功能稀土微量元素螯合有机肥的增产效果显著。

2.3.3 经济效益分析

按水稻3.2元/kg,复合肥1.8元/kg,有机肥0.7元/kg,尿素2.2元/kg,提质增效型、土壤改良型、重金属污染土壤修复型稀土微量元素螯合有机肥分别为2.8、2.3、2.5元/kg,插秧、打药、灌溉、机耕耙田收割费用分别为100、125、200、230元/亩计,不同施肥处理的产投效益核算见表12。

表12 不同施肥处理的产投效益核算

由表12可知：各处理间亩纯收益表现为T3>T2>T1>CK,增幅为5.05%～18.97%;T3处理的产投比最高,其次为T2、T1、CK处理。

2.3.4 不同施肥处理对土壤理化性状的影响

2 a试验示范结束后,采用5点取样法,每点取大于1 kg的土样,混合均匀后化验,检测土壤养分及盐碱化性状与中微量元素变化情况,见表13～表15。

表13 试验前后土壤养分性状变化情况

表14 试验前后土壤盐碱化性状及中微量元素含量

表15 试验前后土壤重金属含量变化情况

从表13～表15可知：2 a连续施用各类稀土微量元素螯合有机肥,能够提高土壤养分含量,提升土壤肥力;T1、T2、T3处理的有机质含量较示范前提高11.73%～74.69%,CK处理的较示范前下降5.56%;T1、T2、T3处理的速效钾含量较示范前提高9.44%～70.74%,CK处理的较示范前提高147.48%;有效磷、缓效钾除T3处理较示范前分别下降26.47%、13.77%外,其余3个处理均较示范前有一定的提高。分析原因,可能与肥料中氮、磷的投入量调减有关。

各处理的交换性镁、交换性钙总趋势较示范前下降;有效硫较示范前普遍下降,降幅为14.34%～32.32%;有效态锌、有效态铁除CK处理外,其余处理均表现为增加,增幅为28.25%～147.04%;CK、T3处理的有效态锰表现为下降,T1、T2处理的表现为增加,增幅为22.83%～44.88%;CK、T1处理的有效硼、有效钼、有效硅表现为下降,降幅为4.26%～66.67%,T2、T3处理的表现为增加,增幅在40.62%以内。

示范后,T1、T2、T3处理的土壤重金属含量均有一定程度的下降,降幅最高达66.12%。CK处理除镉含量下降7.41%外,其余的重金属含量均略有增加,其原因可能与肥料中添加的螯合态中微量元素有关。

在土壤改良方面,示范后土壤pH下降0.2～0.4,降幅为2.41%～4.82%,表明施用稀土微量元素螯合有机肥后,土壤逐渐向中性转变。T1、T2、T3处理的水溶性盐总量减少2.50%～36.67%,表明施用稀土微量元素螯合有机肥对改善土壤理化性状、减轻土壤盐渍化程度具有积极作用。

2.3.5 不同施肥处理对水稻营养品质的影响

相关研究表明,到目前为止,已被确认与人体健康和生命有关的必需微量元素有18种,如铁、铜、锌、钴、锰、镉、硒、碘、钼、硼等。每种微量元素都有其特殊的生理功能,虽在人体内含量极少,但对维持人体的一些决定性的新陈代谢十分重要。李淑芹等[12]的研究表明,钙、铜、镁、锌、铁均属于人体必需的微量元素。参照微量元素对人体功能作用的相关研究,对水稻品质及重金属含量进行了检测。结果(见表16、表17)表明,产品中全氮增加4.91%～30.71%,全磷减少0.06%～7.41%,全钾减少7.68%～23.75%,全铜增加0.22%～1.36%,全锰增加2.81%～35.26%,全铁增加26.95%～87.44%,全锌增加1.49%～6.60%;产品中重金属含量普遍下降4.46%～61.76%。

表16 不同施肥处理对水稻营养品质的影响

表17 不同施肥处理对水稻中重金属含量的影响

3 结语

通过连续2 a的试验示范与田间观察、数据分析,施用不同功能稀土微量元素螯合有机肥的水稻在幼苗期、分蘖期、穗分化期、结实期等的农学性状基本一致,差异不大,结实期株高最大差异19.5 cm,平均单株分蘖数最大差异2.4个;在产量方面,较对照处理平均增产4.1%～11.6%,增加纯收益62.5～234.7元/亩,产投比提高0.04～0.28;对提高耕地质量、修复土壤障碍因素、减少重金属污染等具有一定的作用。

在提高产品质量方面,对人体有益的微量元素铜、铁、锰、锌增量较为显著,重金属含量普遍下降,表明不同功能稀土微量元素螯合有机肥在提质增效方面效果显著。

今后仍需进一步开展多年多点连续性试验示范,明确提质增产机理,增强数据支撑的科学性。