不同功能稀土微量元素螯合有機肥的研制及其對水稻發育、產量、品質的影響*

龍素霞, 湛毅強, 王連林, 張志成, 江 瑤, 陳鐵成

(1.河北省玉田縣農業農村局 河北玉田 064100;2.灃田寶農業科技有限公司 河北玉田 064109)

0 前言

隨著大量元素化肥長期不合理的等比例施用,氮、磷等大量元素在土壤中積聚,致使土壤板結酸化,耕地質量下降,土壤團粒結構、質地變差,容重逐步增大,造成土壤耕性變差、農產品品質下降、產投效益降低;同時,工業企業不規范的污染物排放、養殖業廢棄物未經無害化處理便施于農田等,導致農田土壤被重金屬污染,引發農作物生長異常、農產品重金屬含量超標等問題,不僅影響了當前的農業生產,而且對農業的可持續發展與消費者的身心健康造成了危害。

大量元素氮、磷、鉀與各種微量元素的配合比例與肥料的利用率、土壤肥力、土壤結構、作物產量和品質、作物抗逆性等有著密切的關系。國外采用乙二胺四乙酸(EDTA)、檸檬酸等作為螯合劑,有效防止了微量元素間的拮抗,提高了元素的穩定性和利用率。但這些螯合劑成本高,在用戶對全元素平衡施肥缺乏認識的情況下,接受并使用高價肥料的難度較大。

通過稀土多元素螯合復混肥在內蒙古、遼寧、吉林、山東、河北等地長達8 a的施肥對比試驗,發現施用稀土多元素螯合復混肥后,不僅小麥、玉米、黃瓜、甘藍、蘋果和梨的產量可以提高10%以上,而且能提高中微量元素和可溶性固形物的含量,并改善農產品的品質[1]。在同等投入的情況下,桃子產量增加9.61%,可溶性固形物含量增加9.1%,硬度增加5.9%,單果質量提高4.46%,產品的商品性能明顯提高[2]。施用雙螯合多微復混肥可減小土壤容重,提高土壤田間持水量;可顯著提高小麥、玉米、馬鈴薯、蔬菜、甜瓜、葡萄和桃的產量,并可提升甜瓜、葡萄和桃的品質[3]。黃瓜施用多元素螯合復混肥后,普遍表現出對人體有益的微量元素積累量增加,特別是鐵增加幅度高達9倍,適口性明顯增強,而鉛的含量則減少94.23%[1]。稀土多元素螯合復混肥在河北省玉田縣亮甲店鎮、豐寧滿族自治縣魚兒山鎮、沽源縣彥龍農場的示范性應用結果表明,綜合增產率為9.79%,可增加經濟效益5 607元/hm2,土壤容重減小8.21%,充分體現了創新型肥料在農業增產、增收和土壤改良上的顯著效果[4]。基于上述研究成果,結合當前土壤有機肥施用面積小、施用難度大、多數農民擔心施用有機肥減產等問題,進行了稀土微量元素螯合有機肥的開發。

1 稀土微量元素螯合有機肥生產工藝

根據多年、多種作物對比施肥的試驗數據,結合農業生產實際,經專家論證,灃田寶農業科技有限公司明確了不同功能稀土微量元素螯合有機肥的開發目標及產品種類,確定了以提質增效型、土壤改良型和重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥為重點開發產品。

1.1 產品開發的技術路線

利用自主研發的“雙螯合多微添加劑的研發與工藝創制”技術體系[5],首先制備稀土微量元素螯合劑,得到具有較強活性的輔助添加劑;其次依據作物對大量元素氮、磷、鉀需求比例(1∶0.3～0.5∶1.2～1.5),確定各元素的配合式;最終針對不同的土壤類型,合理確定有機物、螯合劑的添加比例及pH調節劑用量。

1.1.1 螯合中微量元素生產工藝簡述

從規避植物所需各營養元素的拮抗作用入手,利用每個單體反應釜在設定溫度、溶解度的前提下,分別采用黃腐酸和氨基酸按質量比1∶2的比例進行同步螯合植物所需及土壤缺乏的鎂、鋅、鐵、鉬、銅、硼、錳等元素,形成不同形態的黃腐酸螯合、氨基酸螯合的雙螯態微量元素個體,消除了各營養元素間的拮抗作用,然后按不同植物需求量分別添加到載體腐殖酸中進行稀釋,最終實現各自功能的同化。生產工藝流程參見文獻[5]。

1.1.2 中微量元素主要原料的選配與投放量標定

1.1.2.1 確定所需螯合中微量元素的原料用量

根據不同中微量元素在相應溫度下的最佳溶解度范圍,設定各元素在螯合時投放量的上限及下限,同時依據測定值,計算確定對應原料在螯合時的投放量,見表1。

表1 不同螯合中微量元素的原料投放量測算表

1.1.2.2 主要中微量元素對應原料的溶解情況

投料前,按設定溫度下各中微量元素對應原料的最大溶解度分別向加熱反應釜中注入可完全溶解的水并加熱,溶解情況見表2。

表2 不同中微量元素對應原料在設定溫度下的溶解情況

1.1.2.3 主要操作工藝

(1)測定所需螯合營養元素對應原料的養分含量,根據測定值,計算確定每種營養元素對應原料的投放量。

(2)依據原料的投放量確定每個反應釜中應注入設定溫度下使原料完全溶解的加水量;當加水量達到設定值的50%～60%時,自動加熱裝置和攪拌裝置啟動;當溫度達到設定溫度的50%時,自動計量投料秤啟動,開始投料,投料順序為所需螯合元素對應的原料、黃腐酸、氨基酸;全部注水、投料完成且溫度達到設定值后,停止注水和投料,保持設定溫度繼續攪拌30～45 min,螯合反應完成。

(3)將完成螯合反應的每種營養元素按設定比例,采用計量投料泵均勻地噴入腐殖酸中。皮帶計量秤計量投入的腐殖酸(褐煤)采用對輥絞龍推進器推進攪拌,攪拌的同時將每種完成螯合的營養元素液體及含有鐠、釹、鑭、鈰等元素的2種、3種或4種硝酸稀土(固態質量分數為40%,液態質量分數為20%)按設定的投放比例均勻地噴灑到腐殖酸上,最終形成含水質量分數15%～22%且含有鎂、鋅、鐵、鉬、銅、硼、錳及稀土等元素的雙螯合多微添加劑。

經2016—2021年多點、多作物應用試驗、示范證明,雙螯合多微添加劑添加到不同肥料產品中,具有改善土壤養分供給結構、調節土壤微環境的功效[3-4],同時可調節pH(5.5～6.5),能發揮微量元素的最佳效應[6],實現了肥料效應的最佳化,避免了多余營養元素在土壤中的富集。

1.2 不同功能稀土微量元素螯合有機肥的主要原料配合比例

1.2.1 提質增效型稀土微量元素螯合有機肥

針對當前農產品質量與效益普遍降低的問題,結合農作物對不同營養元素的需求特點,通過適當調減大量元素應用比例,合理增加螯合態稀土及中微量元素,以無害化處理的畜禽糞便為載體和黏結劑,開發了N-P2O5-K2O為15-5-10、螯合態稀土及中微量元素質量分數≥2%、有機質質量分數≥15%的提質增效型稀土微量元素螯合有機肥,其主要原料配比見表3。其中：產品執行國家標準《有機無機復混肥料》(GB/T 18877—2020)中的Ⅰ型指標;無害化處理畜禽糞便大量元素養分含量未計入,下同。

表3 提質增效型稀土微量元素螯合有機肥主要原料配比

產品主要特點：以穩產、提質為目標,重點解決因土壤中有機質、中微量元素不足而導致的病害多發、產量不穩、品質下降、坐果率和成穗率低等問題。

1.2.2 土壤改良型稀土微量元素螯合有機肥

由于多數農田長期單一偏施化肥,農家肥施用量嚴重不足,重氮肥、輕磷鉀肥或等比例施用化肥,致使土壤有機質含量下降,腐殖質無法得到及時補充,引起土壤板結。在確保穩定當前農作物產量的基礎上,以化解土壤板結為重點,合理增加有機肥投入量,開發了N-P2O5-K2O為10-5-5、螯合態稀土及中微量元素質量分數≥2%、有機質質量分數≥25%的土壤改良型稀土微量元素螯合有機肥,其主要原料配比見表4。

表4 土壤改良型稀土微量元素螯合有機肥主要原料配比

產品主要特點：以高有機質含量的牛糞、羊糞為主要原料,輔以高蛋白含量的豬糞、雞糞混合發酵物,以褐煤為輔助填充料,增加有機質含量;輔以適量的大、中微量元素,保證在改良土壤結構的同時,提高作物產量和品質。

1.2.3 重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥

土壤重金屬來源廣泛,主要為農藥、化肥、未經腐熟的畜禽糞便的施用,以及采礦、冶金、化工等工業排放的三廢和汽車排放的尾氣等。土壤重金屬污染具有隱蔽性、富集性和長期性的特點,直接或間接地污染地下水、空氣,危害農作物及生物,甚至危及人類的健康和生命[7]。有資料表明,采用植物修復技術和微生物修復技術去除土壤中重金屬及其膠體的效果較好[8]。已報道的能夠修復重金屬污染的細菌主要有芽孢桿菌、弗蘭克氏菌、惡臭假單胞菌、鏈霉菌、球菌等[9],其中對芽孢桿菌的研究較多,蠟狀芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、短小芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等對重金屬均具有良好的耐受性和吸附性[10]。另據各地對重金屬污染土壤修復研究的相關報道,在化學修復技術中以多硫化物、石硫合劑、腐殖酸類、氨基酸類、乙二胺四乙酸(EDTA)、金屬離子捕捉劑(EDDHA-Na)等為主要土壤重金屬修復劑。匯集各種資料,結合項目研究任務、目標,制定了重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥生產技術方案,以具有螯合能力的腐殖酸為主導原料,無害化處理的畜禽糞便為輔助材料,同時添加自主研發的具有降解、螯合重金屬能力的復合微生物菌劑。該復合微生物菌劑主要以膠質芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、膠凍樣芽孢桿菌、金屬還原地桿菌、酵母菌等為主要重金屬降解菌,各菌種的質量比為膠質芽孢桿菌∶枯草芽孢桿菌∶巨大芽孢桿菌∶膠凍樣芽孢桿菌∶金屬還原地桿菌∶酵母菌=4.5∶2.5∶2.5∶1∶1∶1.5,同時適量添加螯合態中微量元素,解決土壤中微量營養元素不足的問題。其中：膠質芽孢桿菌具有溶磷、釋鉀和固氮功能;巨大芽孢桿菌具有解磷(磷細菌)功效;膠凍樣芽孢桿菌可解鉀并釋放可溶磷鉀元素及鈣、硫、鎂、鐵、鋅、鉬、錳等中微量元素;金屬還原地桿菌可同化還原Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅳ),異化還原鈾(Ⅵ),厭氧氧化苯甲酸酯、甲苯、苯酚和對甲酚;酵母菌能促進微生物增殖。

重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥的主要原料配比見表5,產品執行行業標準《復合微生物肥料》(NY/T 798—2015)。

表5 重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥主要原料配比

產品的主要特點：以高含量腐殖酸及有機質的褐煤、多功能復合微生物菌劑為重金屬降解材料,適當補充大量元素氮、磷、鉀和螯合態中微量元素;產品中的腐殖酸、微生物菌劑能有效吸附、固化、降解土壤中有害重金屬,減少作物對重金屬的吸收,有利于改良土壤結構,提高農產品品質;添加的大中微量元素能穩定和提高作物產量。

1.3 不同功能稀土微量元素螯合有機肥生產工藝技術

利用項目研發的高強度顆粒有機肥成型設備[11]進行不同功能稀土微量元素螯合有機肥生產,主要工藝流程見圖1。

圖1 不同功能稀土微量元素螯合有機肥生產工藝流程

向計算機操作系統輸入不同功能稀土微量元素螯合有機肥的原料投入量后,啟動所有設備,并利用鏟車或人工向對應的投料斗投料。在投料過程中,必須保證每個投料斗的存料量始終處于60%以上,避免出現空斗而影響投料精準度。整個生產系統全程采用計算機在線監視控制,中間環節無需人工操作,每個班次僅設1名巡視員、3～4名投料員、2～3名灌裝員,班產能可達200～300 t。

2 不同類型稀土微量元素螯合有機肥的應用效果

為驗證提質增效型、土壤改良型、重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥在節本增效、增產提質、改良土壤等方面的效果,2021—2022年進行了田間試驗示范。

2.1 試驗地概況

試驗地設在河北省唐海縣農業科技示范產業園區,該地塊地勢平整,灌水條件好。該區域屬東部季風區溫帶半濕潤地區,大陸性季風特征明顯,年平均氣溫為11 ℃,年降水量為636 mm,四季分明。試驗地土壤狀況見表6、表7。

表6 試驗地土壤理化性狀

表7 試驗地鹽堿化與中微量元素、重金屬含量狀況

2.2 示范設計

示范作物選用水稻,品種為新豐2號。采用同田對比,試驗共設4個處理,空白處理(CK)為習慣施肥,T1處理施用提質增效型稀土微量元素螯合有機肥,T2處理施用土壤改良型稀土微量元素螯合有機肥,T3處理施用重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥。每個處理設置3次重復,小區面積1畝(1畝=667 m2),各處理間田間管理措施均相同。不同處理的施肥品種及用量見表8,其中示范用肥的基肥由灃田寶農業科技有限公司提供,追肥尿素[w(N)=46%]由唐山邦力大銀化工有限公司生產。

表8 不同處理的施肥品種及用量

2.3 調查結果與分析

2.3.1 水稻發育田間觀測記錄

為準確了解不同功能稀土微量元素螯合有機肥對水稻生育性狀的影響,在水稻移栽返青后進行了生育性狀的調查,結果見表9。

表9 生育期田間觀測記錄

水稻田間觀測記錄表明：在水稻幼苗期,CK處理與其余3個處理差異不大,主要原因為幼苗期作物需肥量少,養分由土壤基礎地力提供;而在水稻生育后期,CK處理的株高、分蘗數以及葉色方面較其他處理均表現出營養元素缺失現象,主要表現為株高偏矮、分蘗數減少;施用不同功能稀土微量元素螯合有機肥處理的水稻,植株長勢無明顯差異。

2.3.2 不同施肥處理對水稻產量的影響

收獲期進行小區實收測產,結果見表10,方差分析結果見表11。

表10 水稻產量

表11 方差分析結果

由表10和表11可知：在田間示范中,水稻平均產量表現為T3>T2>T1>CK;T3、T2、T1處理較CK處理分別增產74.6、42.2、26.4 kg/畝,增產率分別為11.6%、6.6%、4.1%。試驗結果表明,與常規施肥相比,施用不同功能稀土微量元素螯合有機肥的增產效果顯著。

2.3.3 經濟效益分析

按水稻3.2元/kg,復合肥1.8元/kg,有機肥0.7元/kg,尿素2.2元/kg,提質增效型、土壤改良型、重金屬污染土壤修復型稀土微量元素螯合有機肥分別為2.8、2.3、2.5元/kg,插秧、打藥、灌溉、機耕耙田收割費用分別為100、125、200、230元/畝計,不同施肥處理的產投效益核算見表12。

表12 不同施肥處理的產投效益核算

由表12可知：各處理間畝純收益表現為T3>T2>T1>CK,增幅為5.05%～18.97%;T3處理的產投比最高,其次為T2、T1、CK處理。

2.3.4 不同施肥處理對土壤理化性狀的影響

2 a試驗示范結束后,采用5點取樣法,每點取大于1 kg的土樣,混合均勻后化驗,檢測土壤養分及鹽堿化性狀與中微量元素變化情況,見表13～表15。

表13 試驗前后土壤養分性狀變化情況

表14 試驗前后土壤鹽堿化性狀及中微量元素含量

表15 試驗前后土壤重金屬含量變化情況

從表13～表15可知：2 a連續施用各類稀土微量元素螯合有機肥,能夠提高土壤養分含量,提升土壤肥力;T1、T2、T3處理的有機質含量較示范前提高11.73%～74.69%,CK處理的較示范前下降5.56%;T1、T2、T3處理的速效鉀含量較示范前提高9.44%～70.74%,CK處理的較示范前提高147.48%;有效磷、緩效鉀除T3處理較示范前分別下降26.47%、13.77%外,其余3個處理均較示范前有一定的提高。分析原因,可能與肥料中氮、磷的投入量調減有關。

各處理的交換性鎂、交換性鈣總趨勢較示范前下降;有效硫較示范前普遍下降,降幅為14.34%～32.32%;有效態鋅、有效態鐵除CK處理外,其余處理均表現為增加,增幅為28.25%～147.04%;CK、T3處理的有效態錳表現為下降,T1、T2處理的表現為增加,增幅為22.83%～44.88%;CK、T1處理的有效硼、有效鉬、有效硅表現為下降,降幅為4.26%～66.67%,T2、T3處理的表現為增加,增幅在40.62%以內。

示范后,T1、T2、T3處理的土壤重金屬含量均有一定程度的下降,降幅最高達66.12%。CK處理除鎘含量下降7.41%外,其余的重金屬含量均略有增加,其原因可能與肥料中添加的螯合態中微量元素有關。

在土壤改良方面,示范后土壤pH下降0.2～0.4,降幅為2.41%～4.82%,表明施用稀土微量元素螯合有機肥后,土壤逐漸向中性轉變。T1、T2、T3處理的水溶性鹽總量減少2.50%～36.67%,表明施用稀土微量元素螯合有機肥對改善土壤理化性狀、減輕土壤鹽漬化程度具有積極作用。

2.3.5 不同施肥處理對水稻營養品質的影響

相關研究表明,到目前為止,已被確認與人體健康和生命有關的必需微量元素有18種,如鐵、銅、鋅、鈷、錳、鎘、硒、碘、鉬、硼等。每種微量元素都有其特殊的生理功能,雖在人體內含量極少,但對維持人體的一些決定性的新陳代謝十分重要。李淑芹等[12]的研究表明,鈣、銅、鎂、鋅、鐵均屬于人體必需的微量元素。參照微量元素對人體功能作用的相關研究,對水稻品質及重金屬含量進行了檢測。結果(見表16、表17)表明,產品中全氮增加4.91%～30.71%,全磷減少0.06%～7.41%,全鉀減少7.68%～23.75%,全銅增加0.22%～1.36%,全錳增加2.81%～35.26%,全鐵增加26.95%～87.44%,全鋅增加1.49%～6.60%;產品中重金屬含量普遍下降4.46%～61.76%。

表16 不同施肥處理對水稻營養品質的影響

表17 不同施肥處理對水稻中重金屬含量的影響

3 結語

通過連續2 a的試驗示范與田間觀察、數據分析,施用不同功能稀土微量元素螯合有機肥的水稻在幼苗期、分蘗期、穗分化期、結實期等的農學性狀基本一致,差異不大,結實期株高最大差異19.5 cm,平均單株分蘗數最大差異2.4個;在產量方面,較對照處理平均增產4.1%～11.6%,增加純收益62.5～234.7元/畝,產投比提高0.04～0.28;對提高耕地質量、修復土壤障礙因素、減少重金屬污染等具有一定的作用。

在提高產品質量方面,對人體有益的微量元素銅、鐵、錳、鋅增量較為顯著,重金屬含量普遍下降,表明不同功能稀土微量元素螯合有機肥在提質增效方面效果顯著。

今后仍需進一步開展多年多點連續性試驗示范,明確提質增產機理,增強數據支撐的科學性。