有機碳生態肥對溫室土壤理化性質和番茄經濟效益的影響

劉 靜，馬世江，閆 剛，殷學云，秦嘉海

（1.酒泉市農輝農業科技開發有限公司，甘肅 酒泉 735000；2.肅州區蔬菜技術服務中心，甘肅 酒泉 735000；3.河西學院農業與生物技術學院，甘肅 張掖 734000）

近年來，甘肅河西市內陸灌區的武威、金昌、張掖、酒泉和嘉峪關市從國內外引進了黃瓜、番茄、茄子、辣椒和西葫蘆等蔬菜新品種100多個，建立了溫室蔬菜基地1.54×104hm2，溫室蔬菜產業已發展成為農民增收的重要支柱產業之一[1]。目前，溫室蔬菜化肥氮磷鉀投入量與有機肥氮磷鉀投入量比例為1∶0.15，由于有機肥料投入量不足，化學肥料超量施用，導致土壤有機質含量低，養分比例失衡，生產的蔬菜品質差，產量低而不穩。針對上述存在的問題，選擇雞糞、羊糞、牛糞、糠醛渣[2-4]、菜籽餅渣、沼渣、生物菌肥和聚丙烯酰胺為原料，采用正交試驗方法確定原料間最佳配合比例，合成有機碳生態肥，并進行田間驗證試驗，以便對有機碳生態肥對溫室土壤的改良效果做出確切的評價。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2016—2017年在甘肅省酒泉市肅州區東洞鄉舊溝村日光節能溫室內進行，溫室坐北向南，長度70 m，跨度8 m，脊高4 m，后屋面仰角大于45 ° ，墻體底寬2.2 m，上口寬1.8 m，前屋面采用無立柱大棚骨架。試驗地海拔1 505 m，99°38′63″E，38°29′33″N，年均溫7.0 ℃，年均降水量82 mm，年均蒸發量2 400 mm，無霜期150 d。土壤類型是耕種棕漠土[5]，0～20 cm耕作層含有機質18.99 g/kg、堿解氮33.59 mg/kg、速效磷6.01 mg/kg、速效鉀124.0 mg/kg，pH值8.26，土壤質地為輕質壤土，前茬作物是茄子。

1.2 試驗材料

腐熟雞糞（有機質42.77%、N 1.03%、P2O50.41%、K2O 0.72%，粒徑1～5 mm，肅州區下河清鎮農戶提供）；腐熟羊糞（有機質38.30 %、N 1.01%、P2O50.22%、K2O 0.53%，粒徑1～5 mm，肅州區總寨鎮農戶提供）；腐熟牛糞（有機質16%、N 0.32%、P2O50.25%、K2O 0.16%，粒徑1～5 mm，肅州區東洞鄉農戶提供）；改性糠醛渣（在糠醛渣中加入4%的NH4HCO3，將pH值調整到6.5～7.5，含有機質70.23%、N 0.61%、P2O50.36%、K2O 1.18%，粒徑1～5 mm，臨澤縣匯隆化工有限責任公司提供）；菜籽餅渣（有機質77.50%、N 4.50%、P2O51.50%、K2O 1.43%，粒徑1～5 mm，肅州區榨油廠提供）；沼渣（有機質26.42%、N 1.25%、P2O51.90%、K2O 1.33%，粒徑1～5 mm，肅州區東洞鄉農戶提供）；生物菌肥（有效活菌數≥10億個/g，粒徑1～2 mm，山東大地生物科技有限公司產品）；聚丙烯酰胺（吸水倍率200 g/g，pH值6.9，粒徑1～2 mm，北京漢力淼新技術有限公司產品）；畜禽糞便組合肥（自制，腐熟雞糞、腐熟羊糞、腐熟牛糞風干質量比按0.50∶0.30∶0.20混合，含有機質36.19%、有機碳20.99%、N 0.86%、P2O50.33%、K2O 0.55%，粒徑4～6 mm）；廢渣組合肥（自制，改性糠醛渣、菜籽餅渣、沼渣、生物菌肥風干質量比按0.40∶0.30∶0.28∶0.02混合，含有機質56.53%、有機碳32.79%、N 1.10%、P2O50.83%、K2O 1.16%，有效活菌數≥0.20億個/g，粒徑4～6 mm）。

1.3 試驗方法

1.3.1 有機碳生態肥配方篩選試驗

2016年9月1日選擇畜禽糞便組合肥、廢渣組合肥和聚丙烯酰胺3種原料，每種原料設計3個水平，按正交表L9（33）配制9種有機碳生態肥[6]（表1）。試驗小區面積為22.5 m2（7.5 m×3.0 m），每個小區四周筑埂，埂寬35 cm、高35 cm。

1.3.2 有機碳生態肥最佳施用量研究試驗

2017年9月1日，按照1.3.1試驗篩選出最佳配方比例，將畜禽糞便組合肥、廢渣組合肥和聚丙烯酰胺風干后按最佳質量比混合攪拌均勻，采用螺旋擠壓造粒機造粒（粒徑4～6 mm），得到有機碳生態肥產品。將有機碳生態肥施用量梯度設計為0（CK）、20、40、60、80、100 t/hm2共6個處理，每個處理重復3次，小區面積同1.3.1，隨機區組排列。

表1 L9（33）正交試驗設計

1.3.3 番茄栽培管理

兩個試驗的有機碳生態肥均在定植前施入0～20 cm耕作層作底肥。定植時間為每年的9月1日，定植深度10～12 cm，株距30 cm，壟距50 cm，壟高35 cm，每個小區種植3壟，每壟定植2行，每個小區定植150株。每個試驗小區為1個支管單元，在支管單元入口安裝閘閥、壓力表和水表，在壟上安裝1條薄壁滴灌帶進行膜下滴灌，滴頭間距0.30 m，流量2.60 L/（m·h），每個支管單元壓力控制在0.14 MPa。分別在番茄定植后、開花期、第1穗果膨大期、第2穗果膨大期、第3穗果膨大期和收獲前各灌水1次，每個小區灌水量為2.06 m3，其他田間管理措施與大田相同。

1.4 樣品采集方法

番茄收獲時，在試驗小區內按照傳統采樣方法，連續采集30株，測定單株結果數、單果質量和單株果實質量。每個試驗小區單獨收獲，將小區產量折合成公頃產量進行統計分析。番茄收獲后，分別在試驗小區內按對角線布置5個采樣點，采集0～20 cm耕作層土樣5 kg，用四分法帶回1 kg混合土樣，風干后過1 mm篩供室內化驗分析，其中土壤容重、土壤團聚體用環刀采集原狀土，未進行風干。

1.5 測定指標與方法

土壤容重測定采用環刀法；孔隙度測定采用計算法；0.25 mm團聚體測定采用干篩法；pH值測定采用酸度計法（水土比5∶1）；CEC（陽離子交換量）測定采用交換劑浸提—乙酸銨—氯化銨法；有機質測定采用重鉻酸鉀法；堿解氮測定采用擴散法；速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用中性醋酸銨溶液浸提—火焰光度計法；飽和蓄水量按公式（飽和蓄水量＝面積×總孔隙度×土層深度）求得；毛管蓄水量按公式（毛管蓄水量＝面積×毛管孔隙度×土層深度）求得；非毛管蓄水量按公式（非毛管蓄水量＝面積×非毛管孔隙度×土層深度）求得[7]；邊際產量按公式（每增加1個單位肥料用量時所得到的產量減前1個處理的產量）求得；邊際產值按公式（邊際產量×產品價格）求得；邊際成本按公式（邊際施肥量×肥料價格）求得；邊際利潤按公式（邊際產值－邊際成本）求得；邊際施肥量按公式（后1個處理施肥量減前1個處理施肥量）求得[8]。

1.6 數據處理方法

經濟性狀和產量采用DPS 13.0軟件分析，差異顯著性采用多重比較，LSR檢驗。有機碳生態肥施用量與土壤理化性狀、番茄經濟性狀和產量的關系，按回歸方程y＝a＋bx求得；依據最佳施用量計算公式x0＝[（Px/Py）－b]/2c求得有機碳生態肥最佳施用量（x0），Px為有機碳生態肥價格，Py為番茄平均售價；依據肥料效應回歸方程式y＝a＋bx±cx2，求得有機碳生態肥最佳施用量時的番茄理論產量（y）。

2 結果與分析

2.1 有機碳生態肥配方篩選結果

從2017年4月30日番茄收獲后測定數據（表2）可以看出，有機碳生態肥原料間的效應（R）是A＞B＞C，說明影響番茄產量的原料效應依次是：畜禽糞便組合肥（R＝55.12）＞廢渣組合肥（R＝51.44）＞聚丙烯酰胺（R＝38.19）。比較各原料不同水平的T值可以看出，TA1＞TA3＞TA2，說明畜禽糞便組合肥最佳施用量宜為30.00 t/hm2；TB3＞TB2＞TB1，說明隨著廢渣組合肥施用量梯度的增加，番茄產量在增加，廢渣組合肥適宜施用量一般為45.00 t/hm2；TC3＞TC1＞TC2，說明隨著聚丙烯酰胺施用量梯度的增加，番茄產量先降后升，聚丙烯酰胺適宜施用量為0.09 t/hm2。從各因素的T值可以看出，原料間最佳原料組合為A1（畜禽糞便組合肥）30.00 t/hm2、B3（廢渣組合肥）45.00 t/h m2、C3（聚丙烯酰胺）0.09 t/hm2，即畜禽糞便組合肥、廢渣組合肥和聚丙烯酰胺風干質量配方比按0.399 5∶0.599 3∶0.001 2混合得到有機碳生態肥，經室內化驗分析，含有機質48.40%、有機碳28.07%、N 0.99%、P2O50.63%、K2O 0.92%。

2.2 有機碳生態肥對溫室土壤物理性質和蓄水量的影響

2018年4月30日番茄收獲后，采集耕作層0～20 cm土樣測定數據（表3）可以看出，隨著有機碳生態肥施用量梯度的增加，土壤容重在遞減，孔隙度、團聚體和蓄水量遞增。有機碳生態肥施用量100 t/hm2與CK相比，容重降低11.86%，差異極顯著；總孔隙度和毛管孔隙度分別增加12.32%和20.59%，差異極顯著，但毛管孔隙度與80 t/hm2差異不顯著；非毛管孔隙度增加6.69%，差異顯著；團聚體增加42.95%，差異極顯著，但與80 t/hm2差異不顯著；飽和蓄水量和毛管蓄水量分別增加12.32%、26.30%，差異極顯著；非毛管蓄水量增加6.68%，差異顯著，但與60、80 t/hm2差異不顯著。經相關性分析，有機碳生態肥施用量與容重之間呈顯著的負相關關系，與總孔隙度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、團聚體、飽和蓄水量、毛管蓄水量和非毛管蓄水量之間呈顯著正相關，相關系數分別為－0.997 3、0.996 4、0.979 1、0.864 1、0.975 4、0.967 1、0.958 5和0.964 1。

表2 L9（33）正交試驗結果分析

2.3 有機碳生態肥對溫室土壤化學性質及有機質和速效氮磷鉀的影響

由表4可知，隨著有機碳生態肥施用量梯度的增加，土壤pH值在遞減，CEC、有機質和速效氮磷鉀在遞增。有機碳生態肥施用量100 t/hm2與CK相比，pH值降低5.32%，差異顯著；CEC、有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀分別增加33.05%、24.07%、23.97%、20.29%和10.98%，差異極顯著，但有機質、速效磷和速效鉀含量與80 t/hm2差異不顯著。經相關性分析，有機碳生態肥施用量與pH值之間呈顯著的負相關關系，與CEC、有機質和速效氮磷鉀之間呈顯著的正相關關系，相關系數分別為－0.994 1、0.991 8、0.960 6、0.984 0、0.995 1和0.957 6。

2.4 有機碳生態肥對番茄經濟性狀和產量的影響

由表5可知，隨著有機碳生態肥施用量梯度的增加，番茄經濟性狀和產量在遞增，有機碳生態肥施用量100 t/hm2與CK相比，單株結果數、單果質量、單株果質量和產量分別增加31.03%、38.88%、11.76%和12.22%，差異極顯著，但單株結果數與60、80 t/hm2差異不顯著。經相關性分析，有機碳生態肥施用量與單株結果數、單果質量、單株果質量和產量之間呈顯著的正相關關系，相關系數分別為0.953 8、0.995 1、0.982 7和0.994 1。

表3 不同用量有機碳生態肥對溫室土壤物理性質和蓄水量的影響

表4 不同用量有機碳生態肥對土壤化學性質及有機質和速效氮磷鉀的影響

2.5 有機碳生態肥最佳施用量確定

由表5可知，隨著有機碳生態肥施肥量的增加，番茄邊際產量由最初的1.72 t/hm2，遞減到1.30 t/hm2，邊際產值由最初的4 816元/hm2，遞減到3 612元/hm2，邊際利潤由最初的1 114元/hm2，遞減到－90元/hm2，有機碳生態肥施肥量在80 t/hm2的基礎上，再繼續增加施用量，邊際利潤出現負值。將有機碳生態肥不同梯度施用量與番茄產量間的關系采用肥料效應回歸方程y＝a＋bx±cx2擬合[9]，得到如下回歸方程：

對回歸方程進行顯著性測驗，F＝17.91**＞F0.01＝16.74，r＝0.968 7**，說明回歸方程擬合良好。有機碳生態肥價格（Px）為185.10元/t，番茄2017—2018年市場平均售價（Py）為2 800元/t，將Px、Py、回歸方程的參數b和c，代入經濟最佳施用量計算公式x0＝[（Px/Py）－b]/2c[10]，求得有機碳生態肥最佳施用量為79.65 t/hm2，將x0代入公式（1），求得番茄的理論產量（y）為62.01 t/hm2，計算結果與田間施肥80 t/hm2所得結果基本吻合（表5）。

3 結論與討論

畢軍等[11]研究認為施用有機生態肥能夠明顯提高土壤有機質、有效磷、有效鉀含量和小麥、玉米產量。馬世軍等[12]研究認為豆粕有機生態肥施用量與制種玉米田孔隙度、團聚體、持水量、有機質、速效養分、微生物、酶活性、玉米農藝性狀、經濟性狀和產量呈顯著的正相關關系，與制種玉米田土壤容重、pH值呈顯著的負相關；閆富海等[13]研究認為隨著有機生態肥施用量梯度的增加，土壤容重在降低，總孔隙度、團聚體、有機質、有機碳、速效養分、玉米穗粒數、穗粒質量、百粒質量和產量在增加，而邊際利潤在遞減。

本試驗研究表明，隨著有機生態肥施用量梯度的增加，土壤容重降低，總孔隙度增大，究其原因是有機生態肥含有豐富的有機質，施用有機生態肥后使板結的土壤變得疏松，因而增大了孔隙度，降低了容重。施用有機生態肥后土壤團聚體在增加，究其原因是有機生態肥中的聚丙烯酰胺具有良好的粘結作用，與土粒粘合后可以形成團聚體[14]。隨著有機生態肥施用量梯度的增加，土壤蓄水量在增加，分析這一結果產生的原因是有機生態肥的糠醛渣、發酵羊糞和發酵雞糞，在土壤微生物的作用下合成了腐殖質，腐殖質的最大吸水量可以超過500%，因而提高了土壤蓄水量[15]。隨著有機生態肥施用量梯度的增加，土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀在增加，這種變化規律與有機生態肥中的有機質和氮磷鉀含量有關。土壤pH值呈下降趨勢，其原因是有機生態肥中的畜禽糞便組合肥和廢渣組合肥在分解過程中產生了有機酸，因而降低了土壤酸堿度。將畜禽糞便組合肥、廢渣組合肥和聚丙烯酰胺風干質量比按0.399 5∶0.599 3∶0.001 2混合得到的有機碳生態肥，其經濟效益最佳施用量為79.65 t/hm2，經濟效益最佳施用量時的番茄理論產量為62.01 t/hm2。

表5 不同用量有機碳生態肥對番茄經濟性狀和經濟效益的影響

溫室土壤施用有機碳生態肥增大了土壤孔隙度，降低了土壤容重和pH值，促進了土壤團聚體的形成，提高了土壤蓄水量、有機質和速效氮磷鉀含量，緩解了甘肅河西內陸灌區溫室土壤長期超量施用化學肥料導致的土壤板結、養分比例失衡、有機質含量下降等問題。