生物活性肥配方筛选及其对土壤理化性质和玉米经济效益的影响

张春梅，赵 静，闫治斌，秦嘉海，肖占文，王爱勤

（1.河西学院 农业与生物技术学院，甘肃 张掖734000；2.甘肃敦煌种业股份有限公司，甘肃 酒泉735000；3.中国科学院 兰州化学物理研究所，甘肃 兰州731000）

甘肃省河西走廊地区拥有耕地面积6.74×105hm2，日照时间3 000～3 400h，年均温度7.0～7.5℃，≥10℃的积温为2 400～2 800℃，年降水量80～250mm，年蒸发量1 800～2 500mm［1］，海拔1 400～1 650m。近10a来吸引了国内外制种企业建立了杂交玉米制种基地1.00×105hm2，年生产玉米种子6.5×108kg，成为全国最大的玉米种子生产基地［2］。由于制种玉米种植面积大，不利于轮作倒茬，连作年限长，土壤养分比例失衡，根系生长过程中分泌的有毒有害物质的积累，玉米产量和品质下降［3］。长期大量施用化肥，导致土壤板结，容重增大，孔隙度降低［4］；长期施用磷酸氢二胺，磷酸氢二胺中的磷酸根离子与河西石灰性土壤中的Ca2＋结合，降低了磷的利用率［5］；化肥氮磷投入量与有机肥氮磷投入量之比为1∶0.28，导致施肥成本高，经调查每生产7.50t／hm2玉米种子，尿素投入量为0.90t／hm2，磷酸氢二胺投入量为0.45t／hm2，施肥成本为3 600元／hm2［6］；市场上流通的复混肥有效成分和比例不符合杂交玉米对养分的吸收比例，且不具备保水、改土、抗重茬功能，导致制种玉米品质和产量下降，给制种企业、农户带来了严重的经济损失。近年来，有关复合肥研究受到了广泛关注［7－11］，而制种玉米生物活性肥的研发未见文献报道。本研究采用作物营养平衡施肥理论和改土培肥理论，将自主研发的功能性改土剂、生物菌肥、多元复混肥融为一体，合成生物活性肥，解决传统复混肥只具备营养，不具备改土、保水、抗重茬的瓶颈问题，为河西走廊制种玉米合理施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2010—2013年在甘肃省张掖市甘州区甘俊镇晨光村连续种植制种玉米12a的基地上进行，试验地海拔高度为1 600m，年均温7.2℃，年均降水量106mm，年均蒸发量1 900mm，无霜期160d，土壤类型是淡灌漠土，0—20cm耕作层有机质含量为18.31g／kg，碱解氮为 67.24mg／kg，速效磷为9.68mg／kg，速效钾为148.40mg／kg，pH 值8.33，土壤质地为轻壤质土，前茬作物是制种玉米。

1.2 试验材料

尿素，粒径2～3mm，含氮46%，甘肃省刘家峡化工厂产品；磷酸氢二胺，粒径2～5mm，含氮18%，五氧化二磷46%，云南省云天化国际化工股份有限公司产品；ZnSO4·7H2O，粒径1～2mm，甘肃省刘家峡化工厂产品；钼酸铵含钼50%，粒径1～2mm，郑州市裕达化工原料有限公司产品；生物菌肥，有效活菌数≥20亿个／g，粒径1～2mm，华远丰农生物科技有限公司产品；多元复混肥（甘肃省河西学院农业与生物技术学院自主配制），将尿素、磷酸氢二胺、七水硫酸锌、钼酸铵重量比按569∶391∶30∶10混合，含氮33%，五氧化二磷18%，锌0.69%，钼0.50%；功能性改土剂（甘肃省河西学院农业与生物技术学院自主研发），将聚乙稀醇、柠檬酸、保水剂重量比按0.307 1∶0.230 9∶0.462 0混合；生物活性肥（甘肃省河西学院农业与生物技术学院自主研发），将功能性改土剂、生物菌肥、多元复混肥重量比按0.085 1∶0.063 8∶0.851 1混合，含氮9.14%，五氧化二磷15.84%，锌0.61%，钼0.44%；玉米品系为吉祥一号，由甘肃省敦煌种业股份有限公司提供。

1.3 试验方法

1.3.1 试验处理

（1）试验1。生物活性肥配方筛选。2010年选择功能性改土剂、生物菌肥、多元复混肥为3个因素，每个因素设计3个水平，按正交表L9（33）设计9种生物活性肥配方（表1），称取各种材料混合，在玉米播种前做底肥施入20cm土层，每个试验小区单独收获，折算小区产量（hm2），计算因素间的效应（R）和各因素不同水平的T值，组成生物活性肥配方。

表1 L9（33）正交试验设计

（2）试验2。生物活性肥经济效益最佳施用量的确定。2011—2013年按照试验1筛选的生物活性肥配方比例，将功能性改土剂、生物菌肥、多元复混肥重量比按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设计为对照（不施肥），0.45，0.90，1.35，1.80，2.25，2.70t／hm2共 7 个处理，以处理1为对照，每个试验处理重复3次，随机区组排列。

（3）试验3。生物活性肥与传统化肥的肥效比较。2011—2013年在纯氮、五氧化二磷投入量相等的条 件 下 〔纯 氮 （437.10kg／hm2）＋ 五 氧 化 二 磷（237.60kg／hm2）〕。试验共设计 3 个处理：处理1：对照（不施肥）；处理 2：传统化肥，尿素施用量748.05kg／hm2＋磷酸氢二铵施用量516.45kg／hm2；处理3：生物活性肥，施用量为1 500kg／hm2。

1.3.2 种植方法 小区面积为32m2（4m×8m），生物活性肥在播种前施入0—20cm耕作层做肥底，在玉米大喇叭口期和开花期结合灌水，每次追施尿素300kg／hm2，追肥方法为穴施，播种时间为2013年4月16日，播种深度为4～5cm，株距为22cm，行距为50cm，父母本行比为1∶6，再配置满天星父本，株距为50cm。分别在玉米拔节期、大喇叭口期、开花期、灌浆期、乳熟期各灌水1次，每个小区灌水量相等。

1.3.3 测定项目与方法 玉米出苗49d后测玉米植物学性状，茎粗采用游标卡尺法；地上部分干重、根系干重采用105℃烘箱杀青30min，80℃烘干至恒重。连续定点试验3a后，于2013年9月14日玉米收获时，在试验小区内随机采集30个果穗，风干30d后，测定玉米经济性状，玉米收获后，分别在试验小区内按S形路线布点，采集0—20cm耕作层土样4kg，用四分法带回1kg混合土样室内风干化验分析（土壤容重、团粒结构用环刀取原状土）。测定土壤pH值、容重、总孔隙度、团聚体、田间持水量、饱和持水量［12－13］。采用经济学原理计算边际产量、边际产值、边际成本和边际利润［14］。

经济性状和产量采用DPS软件分析，差异显著性采用多重比较，LSR检验。

2 结果分析

2.1 生物活性肥配方筛选

由2010年9月22日玉米收获后测定结果可知，因素间效应（R）大小排序为：C＞A＞B，说明影响玉米产量大小的因素依次为：多元复混肥＞功能性改土剂＞生物菌肥。比较各因素不同水平的T值，可以看出，TA1＞TA3和TA2，TB1＞TB3和TB2，说明功能性改土剂和生物菌肥适宜用量为0.12和0.09t／hm2。TC2＞TC3和TC1，说明玉米产量随多元复混肥施用量的增大而增加，但多元复混肥施用量超过1.20t／hm2后，玉米产量又随着多元复混肥施用量的增大而降低。从各因素的T值可以看出，最佳组合为：A1（功能性改土剂0.12t／hm2）：B1（生物菌肥0.09t／hm2）：C2（多元复混肥1.20t／hm2），（将功能性改土剂、生物菌肥、多元复混肥重量组合比按0.085 1∶0.063 8∶0.851 1混合得到生物活性肥）（表2）。

2.2 施用生物活性肥对土壤理化性质影响

2.2.1 对土壤容重的影响 2013年9月11日玉米收获后采集耕作层0—20cm土样测定结果可知，随着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，平均为1.20 g／cm3；对照容重最大，平均为1.51g／cm3，生物活性肥施用量2.70t／hm2，与对照比较，容重降低了0.31 g／cm3，差异极显著（p＜0.01）。经线性回归分析可知，生物活性肥施用量与土壤容重之间呈显著的负相关关系，相关系数为0.969 4（表3）。

表2 L9（33）正交试验分析

2.2.2 对土壤总孔隙度的影响 随着生物活性肥施用量梯度的增加，总孔隙度增大，总孔隙度最大的是生物活性肥施用量2.70t／hm2，平均为54.72%，对照总孔隙度最小，平均为43.02%，生物活性肥施用量2.70t／hm2，与 对 照 比 较，总 孔 隙 度 增 加 了11.70%，差异极显著（p＜0.01）。经相关分析可知，生物活性肥施用量与总孔隙度之间呈显著正相关关系，相关系数为0.969 5（表3）。

2.2.3 对＞0.25mm土壤团聚体的影响 随着生物活性肥施用量梯度的增加，团聚体增加，生物活性肥团聚体最大，施用量2.70t／hm2，平均为33.04%，对照最小，平均为22.34%，生物活性肥施用量2.70 t／hm2，与对照比较，团聚体增大了10.70%，差异极显著（p＜0.01）。经线性回归分析可知，生物活性肥施用量与团聚体之间呈显著正相关关系，相关系数为0.988 4（表3）。

2.2.4 对土壤田间持水量和饱和持水量的影响 随着生物活性肥施用量梯度的增加，土壤田间持水量增加，生物活性肥田间持水量最大，施用量2.70t／hm2，平均为22.91%，对照最小，平均为13.11%，生物活性肥 施 用 量 2.70t／hm2，与 对 照 比 较，增 大 了9.80%，差异极显著（p＜0.01），经相关分析可知，生物活性肥施用量与土壤田间持水量之间呈显著正相关关系，相关系数R＝0.988 3。随着生物活性肥施用量梯度的增加，土壤饱和持水量增加，生物活性肥最大，施用量2.70t／hm2，平均为1 094.40，对照最小，平均为860.40，生物活性肥施用量2.70t／hm2，与对照比较，增大了234t／hm2，差异极显著（p＜0.01）。经线性回归分析可知，生物活性肥施用量与土壤饱和持水量之间呈显著正相关关系，相关系数为0.957 3（表3）。

2.2.5 对土壤pH值的影响 随着生物活性肥施用量梯度的增加，pH值开始减小，施用生物活性肥的土壤pH 值最小，施肥2.70t／hm2，pH 值平均为8.07，对照pH值最大，平均值为8.33，生物活性肥施用量2.70t／hm2与对照比较，pH 值降低了0.26，差异显著（p＜0.05）。经相关分析可知，生物活性肥施用量与土壤pH值之间呈显著负相关关系，相关系数为－0.963 1（表3）。

表3 生物活性肥对土壤理化性质的影响

2.3 施用生物活性肥对玉米幼苗植物学性状和经济性状及产量的影响

2.3.1 对玉米幼苗植物学性状的影响 将2013年6月15日玉米出苗49d后的数据进行相关分析可知，生物活性肥施用量与玉米幼苗株高、茎粗、生长速率、地上部分干重、根系干重呈显著正相关关系，相关系数分别为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的处理与对照比较，幼苗株高增加了14.2cm，差异极显著（p＜0.01）；茎粗增加了4.6mm，差异显著（p＜0.05）；生长速度增加了4.2mm／d，差异极显著（p＜0.01）；地上部分干重增加了14.62g，差异极显著（p＜0.01）；根系干重增加了1.82g，差异极显著（p＜0.01）（表4）。

表4 生物活性肥对玉米幼苗植物学性状的影响

2.3.2 对玉米经济性状和产量的影响 将2013年9月11日玉米收获后的数据进行相关分析可知，生物活性肥施用量与玉米穗粒数、穗粒重、百粒重、产量呈显著正相关关系，相关系数分别为0.959 9，0.926 7，0.821 1，0.973 3。生物活性肥施用量2.70t／hm2与对照比较，穗粒数增加了77粒，差异极显著（p＜0.01）；穗粒重增加了 19.48g，差异极显著（p＜0.01）；百粒重增加了4.61g，差异极显著（p＜0.01）；产量增加了1 886.73kg／hm2，差异极显著（p＜0.01）（表5）。

表5 生物活性肥对玉米经济性状和产量的影响

2.4 施用生物活性肥对玉米施肥利润的影响

从表6可知，生物活性肥施用量由0.45t／hm2，增加到1.80t／hm2时，施肥利润随着生物活性肥施用量的增加而递增，当生物活性肥施用量大于1.80 t／hm2时，施肥利润随着生物活性肥施用量的增加而递减，出现了报酬递减律。由此可见，生物活性肥适宜用量为1.80t／hm2（表6）。

2.5 生物活性肥经济效益最佳施用量和理论产量的确定

生物活性肥不同施用量与玉米产量间的关系可用二次函数进行拟合，显著性测验结果表明，回归方程拟合良好。生物活性肥价格（Px）为4.53元／kg，玉米价格（Py）为5.00元／kg，将（Px）、（Py）、回归方程的参数b和c，代入经济效益最佳施用量计算公式为：

求得生物活性肥经济效益最佳施用量（x0）为1.80t／hm2，求得玉米的理论产量 y 为 6 597.24 kg／hm2，计算结果与田间小区试验处理5相吻合（表6）。

表6 生物活性肥对玉米施肥利润的影响

2.6 生物活性肥与传统化肥对土壤理化性质的影响

2013年9月14日玉米收获后测定数据可知，不同处理容重变化顺序为：对照＞传统化肥＞生物活性肥，生物活性肥与传统化肥比较，容重降低了0.05 g／cm3，差异极显著（p＜0.01）。总孔隙度变化顺序为：生物活性肥＞传统化肥＞对照，生物活性肥与传统化肥比较，总孔隙度增加了2.26%，差异极显著（p＜0.01）。团聚体变化顺序为：生物活性肥＞传统化肥＞对照，生物活性肥与传统化肥比较，团聚体增加了1.28%，差异极显著（p＜0.01）。pH值变化顺序为：生物活性肥＜传统化肥＜对照，生物活性肥与传统化肥比较，pH降低了0.06个单位，差异显著（p＜0.05）。饱和持水量变化顺序为：生物活性肥＞传统化肥＞对照，生物活性肥与传统化肥比较，饱和持水量增加了45.20m3／hm2，差异显著（p＜0.05）（表7）。

表7 生物活性肥与传统化肥对土壤物理性质的影响

2.7 不同类型肥料对玉米幼苗植物学性状的影响

2013年6月15日玉米出苗49d后测定结果可知，不同处理玉米幼苗植物学性状从好到差的变化顺序为：生物活性肥＞传统化肥＞对照。

生物活性肥与传统化肥比较，玉米生长速度增加了0.73mm／d，差异极显著（p＜0.01）。地上部分干重增加了0.78g／株，差异显著（p＜0.05）；根系干重增加了0.06g／株，差异显著（p＜0.05）（表8）。

表8 生物活性肥与传统化肥对玉米幼苗植物学性状的影响

2.8 生物活性肥与传统化肥对玉米经济性状和产量及施肥利润的影响

2013年9月14日，玉米收获后测定结果可知，不同处理玉米经济性状、产量、施肥利润变化顺序依次为：生物活性肥＞传统化肥，生物活性肥与传统化肥比较，玉米穗粒数增加了13.32粒／穗，差异显著（p＜0.05）；穗粒重增加了9.06g／穗，差异极显著（p＜0.01）；百粒重增加了1.20g，差异显著（p＜0.05）；产量增加了823.64kg／hm2，差异极显著（p＜0.01）；施肥利润增加了885.12元／hm2（表9）。

表9 生物活性肥与传统化肥对玉米经济性状和增产效果的影响

3 讨论与结论

土壤容重是土壤重要的物理性质，是计算土壤孔隙度的重要参数［15－19］。土壤总孔隙度是表征土壤松紧程度的一个重要指标。土壤团聚体是表征肥沃土壤的指标之一［20－22］，研究结果表明，随着生物活性肥施用量梯度的增加，土壤容重降低，总孔隙度增大，团聚体增加，究其原因，生物活性肥中的聚乙烯醇是一种胶结物质，可以把小土粒粘在一起，形成较稳定的团粒结构，增大了土壤孔隙度，降低了土壤容重［23－25］。pH值是土壤重要的化学性质，随着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柠檬酸是一种酸性化合物，明显降低土壤pH值。土壤持水量是评价土壤涵养水源及调节水分循环的重要指标［26－27］，随着生物活性肥施用量梯度的增加，土壤田间持水量、饱和持水量在增加，分析这一结果产生的原因是生物活性肥中的保水剂是一类高分子聚合物，这类物质分子结构交联成网络，本身不溶于水，却能在10min内吸附超过自身重量100～1 400倍的水分，体积大幅度膨胀后形成饱和吸附水球，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］。研究结果表明，生物活性肥配方最佳组合为功能性改土剂0.12t，生物菌肥0.09t，多元复混肥1.20t。生物活性肥施用量与土壤总孔隙度、团聚体、持水量、玉米经济性状和产量呈显著的正相关关系，与土壤容重、pH值呈显著的负相关关系。生物活性肥经济效益最佳施用量为1.80t／hm2，玉米的理论产量为6 597.24kg／hm2。

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