生物活性肥配方篩選及其對土壤理化性質和玉米經濟效益的影響

張春梅，趙 靜，閆治斌，秦嘉海，肖占文，王愛勤

（1.河西學院 農業(yè)與生物技術學院，甘肅 張掖734000；2.甘肅敦煌種業(yè)股份有限公司，甘肅 酒泉735000；3.中國科學院 蘭州化學物理研究所，甘肅 蘭州731000）

甘肅省河西走廊地區(qū)擁有耕地面積6.74×105hm2，日照時間3 000～3 400h，年均溫度7.0～7.5℃，≥10℃的積溫為2 400～2 800℃，年降水量80～250mm，年蒸發(fā)量1 800～2 500mm［1］，海拔1 400～1 650m。近10a來吸引了國內外制種企業(yè)建立了雜交玉米制種基地1.00×105hm2，年生產玉米種子6.5×108kg，成為全國最大的玉米種子生產基地［2］。由于制種玉米種植面積大，不利于輪作倒茬，連作年限長，土壤養(yǎng)分比例失衡，根系生長過程中分泌的有毒有害物質的積累，玉米產量和品質下降［3］。長期大量施用化肥，導致土壤板結，容重增大，孔隙度降低［4］；長期施用磷酸氫二胺，磷酸氫二胺中的磷酸根離子與河西石灰性土壤中的Ca2＋結合，降低了磷的利用率［5］；化肥氮磷投入量與有機肥氮磷投入量之比為1∶0.28，導致施肥成本高，經調查每生產7.50t／hm2玉米種子，尿素投入量為0.90t／hm2，磷酸氫二胺投入量為0.45t／hm2，施肥成本為3 600元／hm2［6］；市場上流通的復混肥有效成分和比例不符合雜交玉米對養(yǎng)分的吸收比例，且不具備保水、改土、抗重茬功能，導致制種玉米品質和產量下降，給制種企業(yè)、農戶帶來了嚴重的經濟損失。近年來，有關復合肥研究受到了廣泛關注［7－11］，而制種玉米生物活性肥的研發(fā)未見文獻報道。本研究采用作物營養(yǎng)平衡施肥理論和改土培肥理論，將自主研發(fā)的功能性改土劑、生物菌肥、多元復混肥融為一體，合成生物活性肥，解決傳統(tǒng)復混肥只具備營養(yǎng)，不具備改土、保水、抗重茬的瓶頸問題，為河西走廊制種玉米合理施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2010—2013年在甘肅省張掖市甘州區(qū)甘俊鎮(zhèn)晨光村連續(xù)種植制種玉米12a的基地上進行，試驗地海拔高度為1 600m，年均溫7.2℃，年均降水量106mm，年均蒸發(fā)量1 900mm，無霜期160d，土壤類型是淡灌漠土，0—20cm耕作層有機質含量為18.31g／kg，堿解氮為 67.24mg／kg，速效磷為9.68mg／kg，速效鉀為148.40mg／kg，pH 值8.33，土壤質地為輕壤質土，前茬作物是制種玉米。

1.2 試驗材料

尿素，粒徑2～3mm，含氮46%，甘肅省劉家峽化工廠產品；磷酸氫二胺，粒徑2～5mm，含氮18%，五氧化二磷46%，云南省云天化國際化工股份有限公司產品；ZnSO4·7H2O，粒徑1～2mm，甘肅省劉家峽化工廠產品；鉬酸銨含鉬50%，粒徑1～2mm，鄭州市裕達化工原料有限公司產品；生物菌肥，有效活菌數≥20億個／g，粒徑1～2mm，華遠豐農生物科技有限公司產品；多元復混肥（甘肅省河西學院農業(yè)與生物技術學院自主配制），將尿素、磷酸氫二胺、七水硫酸鋅、鉬酸銨重量比按569∶391∶30∶10混合，含氮33%，五氧化二磷18%，鋅0.69%，鉬0.50%；功能性改土劑（甘肅省河西學院農業(yè)與生物技術學院自主研發(fā)），將聚乙稀醇、檸檬酸、保水劑重量比按0.307 1∶0.230 9∶0.462 0混合；生物活性肥（甘肅省河西學院農業(yè)與生物技術學院自主研發(fā)），將功能性改土劑、生物菌肥、多元復混肥重量比按0.085 1∶0.063 8∶0.851 1混合，含氮9.14%，五氧化二磷15.84%，鋅0.61%，鉬0.44%；玉米品系為吉祥一號，由甘肅省敦煌種業(yè)股份有限公司提供。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗處理

（1）試驗1。生物活性肥配方篩選。2010年選擇功能性改土劑、生物菌肥、多元復混肥為3個因素，每個因素設計3個水平，按正交表L9（33）設計9種生物活性肥配方（表1），稱取各種材料混合，在玉米播種前做底肥施入20cm土層，每個試驗小區(qū)單獨收獲，折算小區(qū)產量（hm2），計算因素間的效應（R）和各因素不同水平的T值，組成生物活性肥配方。

表1 L9（33）正交試驗設計

（2）試驗2。生物活性肥經濟效益最佳施用量的確定。2011—2013年按照試驗1篩選的生物活性肥配方比例，將功能性改土劑、生物菌肥、多元復混肥重量比按0.085 1∶0.063 8∶0.851 1混合得到生物活性肥，生物活性肥施用量梯度設計為對照（不施肥），0.45，0.90，1.35，1.80，2.25，2.70t／hm2共 7 個處理，以處理1為對照，每個試驗處理重復3次，隨機區(qū)組排列。

（3）試驗3。生物活性肥與傳統(tǒng)化肥的肥效比較。2011—2013年在純氮、五氧化二磷投入量相等的條 件 下 〔純 氮 （437.10kg／hm2）＋ 五 氧 化 二 磷（237.60kg／hm2）〕。試驗共設計 3 個處理：處理1：對照（不施肥）；處理 2：傳統(tǒng)化肥，尿素施用量748.05kg／hm2＋磷酸氫二銨施用量516.45kg／hm2；處理3：生物活性肥，施用量為1 500kg／hm2。

1.3.2 種植方法 小區(qū)面積為32m2（4m×8m），生物活性肥在播種前施入0—20cm耕作層做肥底，在玉米大喇叭口期和開花期結合灌水，每次追施尿素300kg／hm2，追肥方法為穴施，播種時間為2013年4月16日，播種深度為4～5cm，株距為22cm，行距為50cm，父母本行比為1∶6，再配置滿天星父本，株距為50cm。分別在玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、開花期、灌漿期、乳熟期各灌水1次，每個小區(qū)灌水量相等。

1.3.3 測定項目與方法 玉米出苗49d后測玉米植物學性狀，莖粗采用游標卡尺法；地上部分干重、根系干重采用105℃烘箱殺青30min，80℃烘干至恒重。連續(xù)定點試驗3a后，于2013年9月14日玉米收獲時，在試驗小區(qū)內隨機采集30個果穗，風干30d后，測定玉米經濟性狀，玉米收獲后，分別在試驗小區(qū)內按S形路線布點，采集0—20cm耕作層土樣4kg，用四分法帶回1kg混合土樣室內風干化驗分析（土壤容重、團粒結構用環(huán)刀取原狀土）。測定土壤pH值、容重、總孔隙度、團聚體、田間持水量、飽和持水量［12－13］。采用經濟學原理計算邊際產量、邊際產值、邊際成本和邊際利潤［14］。

經濟性狀和產量采用DPS軟件分析，差異顯著性采用多重比較，LSR檢驗。

2 結果分析

2.1 生物活性肥配方篩選

由2010年9月22日玉米收獲后測定結果可知，因素間效應（R）大小排序為：C＞A＞B，說明影響玉米產量大小的因素依次為：多元復混肥＞功能性改土劑＞生物菌肥。比較各因素不同水平的T值，可以看出，TA1＞TA3和TA2，TB1＞TB3和TB2，說明功能性改土劑和生物菌肥適宜用量為0.12和0.09t／hm2。TC2＞TC3和TC1，說明玉米產量隨多元復混肥施用量的增大而增加，但多元復混肥施用量超過1.20t／hm2后，玉米產量又隨著多元復混肥施用量的增大而降低。從各因素的T值可以看出，最佳組合為：A1（功能性改土劑0.12t／hm2）：B1（生物菌肥0.09t／hm2）：C2（多元復混肥1.20t／hm2），（將功能性改土劑、生物菌肥、多元復混肥重量組合比按0.085 1∶0.063 8∶0.851 1混合得到生物活性肥）（表2）。

2.2 施用生物活性肥對土壤理化性質影響

2.2.1 對土壤容重的影響 2013年9月11日玉米收獲后采集耕作層0—20cm土樣測定結果可知，隨著生物活性肥施用量梯度的增加，土壤容重下降，生物活性肥容重最小，施用量2.70t／hm2，平均為1.20 g／cm3；對照容重最大，平均為1.51g／cm3，生物活性肥施用量2.70t／hm2，與對照比較，容重降低了0.31 g／cm3，差異極顯著（p＜0.01）。經線性回歸分析可知，生物活性肥施用量與土壤容重之間呈顯著的負相關關系，相關系數為0.969 4（表3）。

表2 L9（33）正交試驗分析

2.2.2 對土壤總孔隙度的影響 隨著生物活性肥施用量梯度的增加，總孔隙度增大，總孔隙度最大的是生物活性肥施用量2.70t／hm2，平均為54.72%，對照總孔隙度最小，平均為43.02%，生物活性肥施用量2.70t／hm2，與 對 照 比 較，總 孔 隙 度 增 加 了11.70%，差異極顯著（p＜0.01）。經相關分析可知，生物活性肥施用量與總孔隙度之間呈顯著正相關關系，相關系數為0.969 5（表3）。

2.2.3 對＞0.25mm土壤團聚體的影響 隨著生物活性肥施用量梯度的增加，團聚體增加，生物活性肥團聚體最大，施用量2.70t／hm2，平均為33.04%，對照最小，平均為22.34%，生物活性肥施用量2.70 t／hm2，與對照比較，團聚體增大了10.70%，差異極顯著（p＜0.01）。經線性回歸分析可知，生物活性肥施用量與團聚體之間呈顯著正相關關系，相關系數為0.988 4（表3）。

2.2.4 對土壤田間持水量和飽和持水量的影響 隨著生物活性肥施用量梯度的增加，土壤田間持水量增加，生物活性肥田間持水量最大，施用量2.70t／hm2，平均為22.91%，對照最小，平均為13.11%，生物活性肥 施 用 量 2.70t／hm2，與 對 照 比 較，增 大 了9.80%，差異極顯著（p＜0.01），經相關分析可知，生物活性肥施用量與土壤田間持水量之間呈顯著正相關關系，相關系數R＝0.988 3。隨著生物活性肥施用量梯度的增加，土壤飽和持水量增加，生物活性肥最大，施用量2.70t／hm2，平均為1 094.40，對照最小，平均為860.40，生物活性肥施用量2.70t／hm2，與對照比較，增大了234t／hm2，差異極顯著（p＜0.01）。經線性回歸分析可知，生物活性肥施用量與土壤飽和持水量之間呈顯著正相關關系，相關系數為0.957 3（表3）。

2.2.5 對土壤pH值的影響 隨著生物活性肥施用量梯度的增加，pH值開始減小，施用生物活性肥的土壤pH 值最小，施肥2.70t／hm2，pH 值平均為8.07，對照pH值最大，平均值為8.33，生物活性肥施用量2.70t／hm2與對照比較，pH 值降低了0.26，差異顯著（p＜0.05）。經相關分析可知，生物活性肥施用量與土壤pH值之間呈顯著負相關關系，相關系數為－0.963 1（表3）。

表3 生物活性肥對土壤理化性質的影響

2.3 施用生物活性肥對玉米幼苗植物學性狀和經濟性狀及產量的影響

2.3.1 對玉米幼苗植物學性狀的影響 將2013年6月15日玉米出苗49d后的數據進行相關分析可知，生物活性肥施用量與玉米幼苗株高、莖粗、生長速率、地上部分干重、根系干重呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.971 2，0.927 4，0.972 8，0.989 8，0.984 0。生物活性肥施用量2.70t／hm2的處理與對照比較，幼苗株高增加了14.2cm，差異極顯著（p＜0.01）；莖粗增加了4.6mm，差異顯著（p＜0.05）；生長速度增加了4.2mm／d，差異極顯著（p＜0.01）；地上部分干重增加了14.62g，差異極顯著（p＜0.01）；根系干重增加了1.82g，差異極顯著（p＜0.01）（表4）。

表4 生物活性肥對玉米幼苗植物學性狀的影響

2.3.2 對玉米經濟性狀和產量的影響 將2013年9月11日玉米收獲后的數據進行相關分析可知，生物活性肥施用量與玉米穗粒數、穗粒重、百粒重、產量呈顯著正相關關系，相關系數分別為0.959 9，0.926 7，0.821 1，0.973 3。生物活性肥施用量2.70t／hm2與對照比較，穗粒數增加了77粒，差異極顯著（p＜0.01）；穗粒重增加了 19.48g，差異極顯著（p＜0.01）；百粒重增加了4.61g，差異極顯著（p＜0.01）；產量增加了1 886.73kg／hm2，差異極顯著（p＜0.01）（表5）。

表5 生物活性肥對玉米經濟性狀和產量的影響

2.4 施用生物活性肥對玉米施肥利潤的影響

從表6可知，生物活性肥施用量由0.45t／hm2，增加到1.80t／hm2時，施肥利潤隨著生物活性肥施用量的增加而遞增，當生物活性肥施用量大于1.80 t／hm2時，施肥利潤隨著生物活性肥施用量的增加而遞減，出現(xiàn)了報酬遞減律。由此可見，生物活性肥適宜用量為1.80t／hm2（表6）。

2.5 生物活性肥經濟效益最佳施用量和理論產量的確定

生物活性肥不同施用量與玉米產量間的關系可用二次函數進行擬合，顯著性測驗結果表明，回歸方程擬合良好。生物活性肥價格（Px）為4.53元／kg，玉米價格（Py）為5.00元／kg，將（Px）、（Py）、回歸方程的參數b和c，代入經濟效益最佳施用量計算公式為：

求得生物活性肥經濟效益最佳施用量（x0）為1.80t／hm2，求得玉米的理論產量 y 為 6 597.24 kg／hm2，計算結果與田間小區(qū)試驗處理5相吻合（表6）。

表6 生物活性肥對玉米施肥利潤的影響

2.6 生物活性肥與傳統(tǒng)化肥對土壤理化性質的影響

2013年9月14日玉米收獲后測定數據可知，不同處理容重變化順序為：對照＞傳統(tǒng)化肥＞生物活性肥，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，容重降低了0.05 g／cm3，差異極顯著（p＜0.01）?？偪紫抖茸兓樞驗椋荷锘钚苑剩緜鹘y(tǒng)化肥＞對照，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，總孔隙度增加了2.26%，差異極顯著（p＜0.01）。團聚體變化順序為：生物活性肥＞傳統(tǒng)化肥＞對照，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，團聚體增加了1.28%，差異極顯著（p＜0.01）。pH值變化順序為：生物活性肥＜傳統(tǒng)化肥＜對照，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，pH降低了0.06個單位，差異顯著（p＜0.05）。飽和持水量變化順序為：生物活性肥＞傳統(tǒng)化肥＞對照，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，飽和持水量增加了45.20m3／hm2，差異顯著（p＜0.05）（表7）。

表7 生物活性肥與傳統(tǒng)化肥對土壤物理性質的影響

2.7 不同類型肥料對玉米幼苗植物學性狀的影響

2013年6月15日玉米出苗49d后測定結果可知，不同處理玉米幼苗植物學性狀從好到差的變化順序為：生物活性肥＞傳統(tǒng)化肥＞對照。

生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，玉米生長速度增加了0.73mm／d，差異極顯著（p＜0.01）。地上部分干重增加了0.78g／株，差異顯著（p＜0.05）；根系干重增加了0.06g／株，差異顯著（p＜0.05）（表8）。

表8 生物活性肥與傳統(tǒng)化肥對玉米幼苗植物學性狀的影響

2.8 生物活性肥與傳統(tǒng)化肥對玉米經濟性狀和產量及施肥利潤的影響

2013年9月14日，玉米收獲后測定結果可知，不同處理玉米經濟性狀、產量、施肥利潤變化順序依次為：生物活性肥＞傳統(tǒng)化肥，生物活性肥與傳統(tǒng)化肥比較，玉米穗粒數增加了13.32粒／穗，差異顯著（p＜0.05）；穗粒重增加了9.06g／穗，差異極顯著（p＜0.01）；百粒重增加了1.20g，差異顯著（p＜0.05）；產量增加了823.64kg／hm2，差異極顯著（p＜0.01）；施肥利潤增加了885.12元／hm2（表9）。

表9 生物活性肥與傳統(tǒng)化肥對玉米經濟性狀和增產效果的影響

3 討論與結論

土壤容重是土壤重要的物理性質，是計算土壤孔隙度的重要參數［15－19］。土壤總孔隙度是表征土壤松緊程度的一個重要指標。土壤團聚體是表征肥沃土壤的指標之一［20－22］，研究結果表明，隨著生物活性肥施用量梯度的增加，土壤容重降低，總孔隙度增大，團聚體增加，究其原因，生物活性肥中的聚乙烯醇是一種膠結物質，可以把小土粒粘在一起，形成較穩(wěn)定的團粒結構，增大了土壤孔隙度，降低了土壤容重［23－25］。pH值是土壤重要的化學性質，隨著生物活性肥施用量梯度的增加，pH值在降低，究其原因是生物活性肥中的檸檬酸是一種酸性化合物，明顯降低土壤pH值。土壤持水量是評價土壤涵養(yǎng)水源及調節(jié)水分循環(huán)的重要指標［26－27］，隨著生物活性肥施用量梯度的增加，土壤田間持水量、飽和持水量在增加，分析這一結果產生的原因是生物活性肥中的保水劑是一類高分子聚合物，這類物質分子結構交聯(lián)成網絡，本身不溶于水，卻能在10min內吸附超過自身重量100～1 400倍的水分，體積大幅度膨脹后形成飽和吸附水球，吸水倍率很大，在提高土壤持水性能方面具有重要的作用［28］。研究結果表明，生物活性肥配方最佳組合為功能性改土劑0.12t，生物菌肥0.09t，多元復混肥1.20t。生物活性肥施用量與土壤總孔隙度、團聚體、持水量、玉米經濟性狀和產量呈顯著的正相關關系，與土壤容重、pH值呈顯著的負相關關系。生物活性肥經濟效益最佳施用量為1.80t／hm2，玉米的理論產量為6 597.24kg／hm2。

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