多功能土壤调控剂对河西走廊灰棕漠土的改良效果

马正龙，李世风，闫治斌，梁玉清

(1.酒泉市农业科学研究院，甘肃 酒泉 735000； 2.甘肃省敦煌种业股份有限公司 研究院，甘肃 酒泉 735000)

多功能土壤调控剂对河西走廊灰棕漠土的改良效果

马正龙1，李世风2，闫治斌2，梁玉清1

(1.酒泉市农业科学研究院，甘肃 酒泉 735000； 2.甘肃省敦煌种业股份有限公司 研究院，甘肃 酒泉 735000)

多功能土壤调控剂；灰棕漠土；改良效果；河西走廊

为了解决灰棕漠土贮水、保肥能力弱，有机质含量低，制种玉米产量低而不稳的问题，选择甘肃省酒泉市肃州区的灰棕漠土，采用田间试验方法，研究了多功能土壤调控剂对灰棕漠土的改良效果。结果表明：多功能土壤调控剂最佳配比为：土壤调控剂0.928 8∶土壤保水剂0.001 2∶土壤营养剂0.068 1∶土壤结构改良剂0.001 9。经回归统计分析，多功能土壤调控剂经济效益最佳的施肥量为24.22 t/hm2，制种玉米理论产量为6.76 t/hm2。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，灰棕漠土容重、pH值和汞、镉、铬、铅含量分别降低7.20%、5.51%和16.21%、28.85%、15.74%、18.02%，总孔隙度、>0.25 mm团聚体含量、总持水量、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别增加6.44%、27.35%、6.43%、20.12%、0.80%、0.96%和0.16%，真菌、细菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶分别增加117.31%、34.83%、22.06%、61.48%、45.92%、34.78%和60.32%；制种玉米产量和施肥利润分别增加7.15%和29.70%。施用多功能土壤调控剂，改善了甘肃河西走廊灰棕漠土理化性质，提高了制种玉米的经济效益。

河西走廊位于甘肃省内的黄河以西，土地总面积28.0万km2，其中灰棕漠土23.6万km2[1]。近年来，河西走廊制种玉米面积常年稳定在10万hm2[2]，分布在河西走廊的灰棕漠土被农户开垦后种植制种玉米，目前存在土壤贮水、保肥能力弱，有机质含量低等问题，导致制种玉米生理性病害经常发生，产量低而不稳，影响了制种农户和种子公司的经济效益。目前有关土壤改良剂的研究文献较多：杨凤军等[3]施用磷石膏及禾康土壤改良剂后，土壤有效微生物菌群数量显著增加，有机质和营养物质含量也显著增加；刘维涛等[4]施用土壤改良剂提高了土壤pH值，降低了大白菜中镉和铅的含量；蒋坤云等[5]施用Arkadolith土壤改良剂，使风沙土容重降低、孔隙度增大，有效地降低了土壤pH值和电导率；刘慧军等[6]施用聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺、腐植酸钾等不同的土壤改良剂均提高了土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量；张微等[7]施用生物质土壤改良剂后土壤容重降低，孔隙度和饱和含水量增加；李玉利等[8]施用土壤改良剂增加了土壤有机质含量，改善了土壤理化性质；刘慧军等[9]施用土壤改良剂提高了土壤含水率；孙宁川等[10]施用生物炭，降低了土壤容重，提高了土壤的疏松性和保水保肥性；杨文等[11]发现有机肥、无机肥配施能使风沙土有机质、全量养分和速效养分含量比单施有机肥或无机肥明显升高；摄晓燕等[12]发现施用砒砂岩可显著减少风沙土对磷的吸附固定，从而可提高磷的有效性。综上所述，土壤改良剂研究较多的主要是生物炭、泥炭、腐泥、黏土、有机物料、砒砂岩、沸石、粉煤灰、污泥、绿肥、聚丙烯酰胺等单一改良剂，而多功能土壤调控剂对河西走廊灰棕漠土改良效果的研究尚未见报道。我们采用作物营养平衡施肥理论和改土培肥理论，选择土壤调控剂、土壤营养剂、土壤保水剂和土壤结构改良剂为原料，采用正交试验方法确定原料间最佳配合比例，合成多功能土壤调控剂，并进行田间验证试验，旨在对多功能土壤调控剂的改土效果做出确切的评价。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012—2016年在甘肃省酒泉市肃州区东洞乡进行，试验地坐标为98°41′68″E、39°35′90″N，海拔1 465 m，年均气温7.5 ℃，年均降水量86 mm，年均蒸发量2 400 mm，无霜期150 d。土壤类型是灰棕漠土，0～20 cm土层含有机质12.91 g/kg、碱解氮43.83 mg/kg、速效磷4.43 mg/kg、速效钾108.71 mg/kg、有效锌0.43 mg/kg、有效钼0.11 mg/kg，pH值8.01，全盐含量1.72 g/kg，土壤质地为轻壤质土，前茬作物是玉米。

1.2 试验材料

尿素，含氮46%；磷酸二铵，含氮18%、五氧化二磷46%；硫酸钾，含氧化钾50%；硫酸锌，含锌23%；钼酸铵，含钼54.3%；生物菌肥，有效活菌数量≥10亿个/g；腐熟牛粪，含有机质16%、全氮0.32%、全磷0.25%、全钾0.16%，粒径1～2 mm；改性糠醛渣(在糠醛渣中加入4%的碳酸氢铵，将pH值调整到6.00～6.50)，含有机质70.23%、腐植酸11.63%、全氮0.61%、全磷0.36%、全钾1.18%，pH值为6.04～6.50，粒径1～2 mm；土壤结构改良剂(聚乙烯醇)，粒径0.05～2 mm；土壤保水剂，吸水倍率645 g/g，粒径1～2 mm；土壤营养剂(尿素、磷酸二铵、硫酸钾、硫酸锌、钼酸铵按风干质量比0.543 0∶0.271 5∶0.135 7∶0.036 2∶0.013 6混合)，含氮29.87%、五氧化二磷12.49%、氧化钾6.79%、锌0.83%、钼0.74%；土壤调控剂(改性糠醛渣、腐熟牛粪、生物菌肥按风干质量比0.750 0∶0.248 0∶0.002 0混合)，含有机质56.47%、氮0.54%、五氧化二磷0.33%、氧化钾0.93%。玉米品种为敦玉328，由甘肃省敦煌种业股份有限公司研究院选育。

1.3 试验方法

1.3.1 试验处理

试验一，多功能土壤调控剂配方筛选。2012年4月24日选择土壤调控剂、土壤保水剂、土壤营养剂和土壤结构改良剂4个因素，每个因素设计3个水平，按正交表L9(34)设计9个处理[13]，见表1。按表1因素与水平编码括号中的数量称取各种材料混匀后，分别施入田间进行对比试验。采用正交试验分析方法计算出各因素不同水平的T值和因素间效应值(R)，确定因素间最佳组合，组成多功能土壤调控剂配方。

表1 L9(34)正交试验设计

注：表中括号前数据为正交试验水平编码值，括号内数据为试验材料用量(t/hm2)。

试验二，多功能土壤调控剂改良效果研究。

(1)多功能土壤调控剂最佳施用量研究。2013、2014年的4月24日，依据试验一筛选的配方，将土壤调控剂、土壤保水剂、土壤营养剂、土壤结构改良剂按风干质量比0.928 8∶0.001 2∶0.068 1∶0.001 9混合，得到多功能土壤调控剂产品，经室内化验分析，含有机质52.38%、氮2.54%、五氧化二磷1.19%、氧化钾1.32%、锌0.06%、钼0.05%。将合成的多功能土壤调控剂施用量梯度设计为0(CK)、6.00、12.00、18.00、24.00、30.00、36.00 t/hm2共7个处理，每个处理重复3次，随机区组排列。

(2)多功能土壤调控剂与传统化肥对比试验。2015、2016年的4月24日，在施肥处理纯养分投入量相等的条件下(纯氮0.61 t/hm2、五氧化二磷0.29 t/hm2、氧化钾0.31 t/hm2、锌0.014 t/hm2、钼0.012 t/hm2)，试验共设3个处理：处理1，对照(不施肥)；处理2，施用传统化肥(尿素1.08 t/hm2、磷酸二铵0.63 t/hm2、硫酸钾0.62 t/hm2、硫酸锌0.06 t/hm2、钼酸铵0.02 t/hm2)；处理3，施用多功能土壤调控剂(24.00 t/hm2)。每个处理重复3次，随机区组排列。

1.3.2 种植方法

试验小区面积为40 m2(8 m×5 m)，每个小区四周筑埂，埂宽40 cm，埂高30 cm，试验地四周种植保护行。多功能土壤调控剂、磷酸二铵、硫酸钾、硫酸锌和钼酸铵在播种前施入0～20 cm耕作层作底肥；尿素分别在玉米拔节期、大喇叭口期和开花期结合灌水追施，追肥方法为穴施。播种时间为2012—2016年每年的4月24日，株距22 cm，行距50 cm，按照1行父本、6行母本的比例播种，其他田间管理措施与大田相同。

1.3.3 测定指标与方法

玉米收获时，在试验小区内按照对角线采样方法，每个点连续采集10株，测定玉米农艺性状和经济性状，取平均数进行统计分析，每个试验小区单独收获，将小区产量折合成公顷产量进行统计分析。在试验小区内按对角线布置5个土壤样品采集点，采集0～20 cm耕作层土样5 kg，用四分法带回1 kg混合土样，风干15 d，过1 mm筛供室内化验分析(土壤容重、土壤团聚体用环刀采集原状土，未进行风干)。玉米秸秆直径和地上部分干质量分别采用游标卡尺法和烘干法测定；土壤容重、孔隙度、>0.25 mm团聚体含量、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和pH值分别采用环刀法、计算法、干筛法、重铬酸钾容量法、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法、乙酸铵浸提-火焰光度计法和电位法测定；土壤总持水量=面积×总孔隙度×土层深度；毛管持水量=面积×毛管孔隙度×土层深度；非毛管持水量=面积×非毛管孔隙度×土层深度；重金属离子铬、镉、汞和铅分别采用火焰原子吸收分光光度法、石墨炉原子吸收分光光度法、冷原子荧光光谱法和火焰原子吸收分光光度法测定[14-15]；微生物数量采用稀释平板法测定；蔗糖酶、脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶分别采用3,5-二硝基水杨酸比色法、靛酚蓝比色法、磷酸苯二钠比色法、高锰酸钾滴定法和碘量滴定法测定[16]；经济效益最佳施肥量按公式x0=[(Px/Py)-b]/2c求得[17]；制种玉米理论产量按y=a+bx-cx2回归方程式求得[17]。

1.3.4 数据处理方法

数据分析采用SPSS 10.0统计软件，差异显著性分析采用LSR法。

2 结果与分析

2.1 多功能土壤调控剂配方筛选

2012年9月30日，将按正交表L9(34)设计的9个试验处理所收获的制种玉米进行测产分析(表2)，可知4个因素按因素间的效应值(R)大小排序为：土壤营养剂(2.89)>土壤调控剂(2.46)>土壤保水剂(2.03)=土壤结构改良剂(2.03)。因素间最佳组合为：A2(土壤调控剂22.50 t/hm2)、B1(土壤保水剂0.03 t/hm2)、C3(土壤营养剂1.65 t/hm2)、D3(土壤结构改良剂0.045 t/hm2)，即土壤调控剂、土壤保水剂、土壤营养剂、土壤结构改良剂按0.928 8∶0.001 2∶0.068 1∶0.001 9的质量比进行组合得到的多功能土壤调控剂最佳。

表2 L9(34)正交试验分析

注：表中不同小写和大写字母分别表示在0.05和0.01水平下差异显著(LSR法)，下同。

2.2 多功能土壤调控剂经济效益最佳施用量的确定

将合成的多功能土壤调控剂按7个施用量梯度连续定点试验2年，于2014年9月30日制种玉米收获后测产(表3)可知，随着多功能土壤调控剂施用量的增加，施肥利润递增，施用量为24.00 t/hm2时施肥利润达到最大值，施用量继续增加时施肥利润开始递减。将表3制种玉米产量与多功能土壤调控剂施用量间的关系采用回归方程y=a+bx+cx2拟合，得到的回归方程为

y=5.110 0+0.111 7x-0.001 8x2

(1)

多功能土壤调控剂价格(Px)为294.05元/t，2013、2014年制种玉米种子平均售价(Py)为12 000元/t，将Px、Py、回归方程的系数b和c，代入经济效益最佳施肥量计算公式x0=[(Px/Py)-b]/2c，求得多功能土壤调控剂经济效益最佳施肥量(x0)为24.22 t/hm2，将x0代入(1)式，求得制种玉米理论产量(y)为6.76 t/hm2，回归分析结果与施用量为24.00 t/hm2的田间试验处理基本吻合。

表3 多功能土壤调控剂对制种玉米产量和施肥利润的影响

2.3 多功能土壤调控剂的改土效果和对制种玉米效益的影响

2.3.1 对土壤理化性质及有机质和速效养分的影响

连续定点试验2年后，于2016年9月30日制种玉米收获后测产可知，不同处理土壤容重和pH值的大小为：多功能土壤调控剂<传统化肥<对照(表4)。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，土壤容重和pH值分别降低7.20%和5.51%，差异显著(P<0.05)。不同处理土壤孔隙度、团聚体含量、持水量、有机质含量和速效氮磷钾含量的大小为：多功能土壤调控剂>传统化肥>对照(表4)。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，总孔隙度和总持水量分别增加6.44%和6.43%，差异显著(P<0.05)；>0.25 mm团聚体含量和有机质含量分别增加27.35%和20.12%，差异极显著(P<0.01)；碱解氮、速效磷和速效钾含量分别增加0.80%、0.96%和0.16%，差异不显著(P>0.05)。

表4 各处理对灰棕漠土理化性质及有机质和速效养分的影响

2.3.2 对微生物及酶活性和重金属离子的影响

不同处理灰棕漠土微生物和酶活性的大小为：多功能土壤调控剂>传统化肥>对照(表5)。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，真菌、细菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶分别增加117.31%、34.83%、22.06%、61.48%、45.92%、34.78%和60.32%，差异极显著(P<0.01)。不同处理灰棕漠土重金属离子含量大小为：传统化肥>多功能土壤调控剂>不施肥(表5)。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，重金属离子汞、镉、铬和铅分别降低16.21%、28.85%、15.74%和18.02%，差异极显著(P<0.01)；与不施肥比较，分别增加3.33%、2.77%、0.27%和0.68%，差异不显著(P>0.05)。

表5 多功能土壤调控剂与传统化肥对灰棕漠土微生物及酶活性和重金属离子的影响对比

2.3.3 对制种玉米农艺性状、经济性状和经济效益的影响

连续定点试验2年，于2016年9月30日制种玉米收获后测定可知，不同处理按制种玉米农艺性状、经济性状和经济效益排序为：多功能土壤调控剂>传统化肥>对照(表6)。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，株高、秸秆直径、地上部分干质量和根系干质量分别增加3.59%、2.92%、1.25%和2.58%，差异不显著(P>0.05)；穗粒重和产量分别增加8.20%和7.15%，差异显著(P<0.05)，穗粒数和百粒重分别增加2.28%和4.83%，差异不显著(P>0.05)；施肥利润和投资效率分别增加78.46%和85.23%。

表6 多功能土壤调控剂与传统化肥对制种玉米农艺性状、经济性状和经济效益的影响

注：传统化肥价格7 440元/hm2；多功能土壤调控剂价格7 057.20元/hm2(24.00 t/hm2)。

3 问题讨论与结论

灰棕漠土施用多功能土壤调控剂后，容重降低，总孔隙度增大，究其原因是多功能土壤调控剂含有丰富的有机质，施用后使板结的土壤疏松了，因而增大了孔隙度，降低了容重。施用多功能土壤调控剂后，灰棕漠土团聚体有所增加，究其原因，一是多功能土壤调控剂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[18]，二是多功能土壤调控剂中的有机质在土壤微生物的作用下合成了土壤腐殖质，腐殖质中的酚羟基、羧基、甲氧基、羰基、羟基、醌基等功能团解离后带负电荷[19]，吸附了灰棕漠土中的胶结物质钙离子，有利于土壤团聚体的形成。施用多功能土壤调控剂后，灰棕漠土持水量增加，原因是多功能土壤调控剂中的土壤保水剂吸水倍率很大，在提高土壤持水性能方面具有重要的作用[20]。施用多功能土壤调控剂后灰棕漠土有机质和碱解氮、速效磷、速效钾含量增加，其原因是多功能土壤调控剂含有丰富的有机质和氮、磷、钾。施用多功能土壤调控剂后，灰棕漠土pH值下降，其原因是多功能土壤调控剂中的糠醛渣是一种酸性废弃物，降低了土壤酸碱度。施用多功能土壤调控剂后，灰棕漠土微生物和酶活性有所增加，究其原因是多功能土壤调控剂含有丰富的有机质和氮、磷、钾、锌、钼元素，为微生物的生长发育提供了养分，促进了微生物的繁殖和生长发育，提高了土壤酶的活性。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，重金属离子有所降低；施用传统化肥与不施肥比较，重金属离子有所增加[21]。林葆[22]也认为，土壤中重金属离子富集与施用化学肥料有关，长期施用磷肥土壤镉含量偏高，可能影响土壤的环境质量。

多功能土壤调控剂的最佳配比为：土壤调控剂0.928 8∶土壤保水剂0.001 2∶土壤营养剂0.068 1∶土壤结构改良剂0.001 9；制种玉米产量与多功能土壤调控剂施用量间的回归方程为y=5.110 0+0.111 7x-0.001 8x2；多功能土壤调控剂经济效益最佳施肥量为24.22 t/hm2，制种玉米理论产量为6.76 t/hm2。施用多功能土壤调控剂与传统化肥比较，灰棕漠土容重、pH值和汞、镉、铬、铅含量分别降低7.20%、5.51%和16.21%、28.85%、15.74%、18.02%，总孔隙度、团聚体含量、总持水量、有机质含量、碱解氮含量、速效磷含量和速效钾含量分别增加6.44%、27.35%、6.44%、20.12%、0.80%、0.96%和0.16%，真菌、细菌、放线菌、蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶分别增加117.31%、34.83%和22.06%、61.48%、45.92%、34.78%和60.32%；玉米产量和施肥利润分别增加7.15%和78.46%。施用多功能土壤调控剂，有效地改善了甘肃河西走廊灰棕漠土的理化性质和生物学性质，提高了酶活性和制种玉米经济效益。

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(责任编辑 徐素霞)

国家星火计划项目 (2015GA860001)；甘肃省重大科技专项计划项目(1602ZKDF021)；甘肃省工程技术中心建设计划项目(1306NTGF020)

S156.2

A

1000-0941(2017)06-0046-05

马正龙(1976—)，男，甘肃民勤县人，助理研究员，学士，主要研究方向为土壤改良与培肥；执笔人梁玉清(1964—)，女，甘肃会宁县人，副研究员，学士，主要研究方向为作物栽培；通信作者李世风(1982—)，女，甘肃白银市人，助理研究员，硕士，主要研究方向为作物栽培。

2017-01-30