有機物料對不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評價

柳 萍,張 凱,馬 超,張 慧,楊 川

(1.新疆農業大學資源與環境學院/新疆土壤與植物生態過程重點實驗室,烏魯木齊 830052;2.新疆心連心能源化工有限公司,新疆瑪納斯 832200)

0 引 言

【研究意義】2021年新疆棉花種植面積 2 506.1×103hm2,總產 512.9×104t,面積、總產在全國占比分別為 82.76% 和 89.50%。石灰性土壤磷素固持嚴重,導致磷肥當季利用率低,也是限制許多地區農業生產的主要因素[1]。隨施磷量的增加,磷肥投入的越多,磷肥利用率呈現先增加后降低的趨勢。有機物料(有機酸、有機肥、生物炭等)添加可提高磷素有效性,但綜合效益尚不明確。生物碳作為一種惰性有機碳,難以分解,有較強陽離子交換量,其穩定性強。研究評價有機物料對不同磷肥用量條件下棉田綜合效益,對棉花磷肥用量科學施用有重要意義。【前人研究進展】具有較大的表面積可以增強吸附力,較強陽離子交換量保持土壤養分,減少養分流失,增加可利用性磷的含量,提高利用率[2]。生物炭技術是將作物秸稈等生物質材料或其衍生物進行碳化,以適當方式和標準施用于土壤以獲得相應經濟、生態和環境收益的科學和技術理念[3,4]。生物炭可以改善土壤質量,保持土壤肥力,具有節水、節肥、固碳和提高作物產量等作用[3,5,6]。有機酸是普遍存在于自然界一類功能性有機物,由于其特殊的荷電特性與分子結構[7],施入土壤可提高土壤磷素有效性[8,9],促進作物磷素吸收[10]。有機酸提高土壤磷素有效性的機理包括:有機陰離子與磷酸根的配位交換[10];有機態的含磷化合物在pH值降低時部分水解[11-12];部分鐵鋁結合態磷鰲合溶解[13]。有機肥施用可改善土壤磷素狀況[11],提高磷肥利用率和土壤磷素有效性。有機肥不僅本身含有可溶性磷素(如正磷酸鹽)[14],還可以通過促進土壤微生物生長和磷素周轉,提高土壤磷素有效性。有機肥分解過程中產生的有機酸,可通過酸溶、絡合溶解、陰離子代換和競爭吸附等作用,改變土壤對磷素的吸附-解吸過程[15,16],提高土壤磷素有效性。有機肥添加對小麥[17]、水稻[18]、玉米[19]等作物的磷素吸收的增強和磷肥利用率提高有促進作用。雷達圖分析法常用于對財務、教育、電力等領域中評價對象的綜合評價[20-26]。【本研究切入點】石灰性土壤磷素固持嚴重,導致土壤磷素有效性低、化學磷肥投入量大、磷肥當季利用率低,合適的磷肥施用方式和有機物料添加等技術可減少土壤磷肥固定、降低化學磷肥用量、提高磷肥當季利用率,其綜合效益尚不清楚。關于有機物料添加的各個方面的效果研究較多,但綜合性評價較少,缺乏實際指導意義。需研究不同磷肥用量條件下有機物料添加的棉田綜合效益。【擬解決的關鍵問題】以新疆膜下滴灌棉田為研究對象,運用雷達圖分析的方法,在不同磷肥用量基礎上,設置有機物料添加和對照處理,測定棉田土壤速效磷、微生物生物量、堿性磷酸酶、植株累計吸磷量、植物生物量、磷肥利用率、產量、經濟效益,基于雷達圖來評價棉田的綜合效益,分析研究土壤理化性質、土壤生物活性指標、磷素吸收指標和經濟效益指標,評價有機物料對不同磷肥用量施用影響。

1 材料與方法

1.1 材 料

新疆阜康市光照充足,熱量豐富,年平均氣溫6.6℃。試驗于2020年4～10月進行,試驗地位于阜康市彭家灣村冰湖三隊(88°01′N,44°17′E)。基本土壤理化性狀為有機質18.10 g/kg,堿解氮46.23 mg/kg,速效磷13.55 mg/kg,pH(水∶土=5∶1)8.14,電導率226.74 μS/cm。棉花品種為新陸早74號。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

以當地測土配方施肥磷肥推薦用量(150 kgP2O5/hm2)為上限,設置0、50、100和150 kgP2O5/hm24個磷肥用量處理,每個磷肥用量處理下設置添加有機酸(OA,其主要材料為腐植酸類肥料),有機肥(OF,新疆慧爾農業集團股份有限公司 NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有機質≥45%),生物炭(BC,秸稈生物炭)處理,每個處理4次重復,共64個小區,小區面積4 m×5 m,采取隨機區組分布,試驗區總面積為1 280 m2。2020年4月播種,10月收獲。棉花采取當地膜下滴灌種植模式,采用1膜1帶2行種植,棉花株距20 cm,種植密度為130 100株/hm2。棉花肥料用量為播種前部分小區施入生物炭,有機肥(NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有機質≥45%)為底肥,后期追肥是施尿素(中國石油天然氣股份有限公司N≥46%),硫酸鉀(新疆農家樂農業科技發展有限公司 K2O≥50%,S≥16%),有機酸(45 kg/hm2),磷酸一銨(云南常青樹化工有限公司(N12%+P2O561%)≥73%)。在棉花各個生育期分6次滴水施肥,其他田間管理和農藝措施均與新疆棉田普通采用的模式保持一致。

1.2.2 測定指標

1.2.2.1 土壤生物活性

微生物生物量:運用主成分分析法,根據土壤中某種特定的生物代謝成分的含量,測定土壤微生物量;

堿性磷酸酶活性:稱取1.00 g鮮土與50 mL三角瓶,加0.25 mL甲苯抑制劑、4 mL pH11的MUB緩沖劑和1 mL對硝基苯酚磷酸二鈉溶液后,搖勻,于37℃下培養1 h。培養結束后,添加CaCl2和NaOH溶液各4 mL終止反應;將濾液于400 nm處比色測定,計算堿性磷酸酶。

1.2.2.2 磷素吸收指標

磷肥利用率:(施磷肥區磷素總累積量-不施磷肥區磷素總累積量)/施磷量×100%;

植物含磷量:將植物樣品粉碎,然后將每個小區每個部位樣品混在一起,稱取相對的植物重量,運用H2SO4-H2O2消煮釩鉬黃比色法;

植物生物量:在吐絮期對植物進行采集,按器官分為根、莖、葉、殼、絮、籽。在75℃條件下烘干36 h至恒重,記錄生物量。

土壤速效磷:準確稱取過20目的土壤2.5 g,加入小半勺無磷活性炭,按1∶20的固液比,加入50 mL pH值為8.5的NaHCO3溶液pH值由NaOH調節,25℃恒溫震蕩30 min,過濾,測定清液速效磷含量。浸提液中的速效磷運用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法。

1.2.2.3 經濟效益

棉花產量:棉花采收期時在各試驗小區隨機設置1個面積為1 m×1 m的樣方,記錄該樣方內的棉花株數,并統計每株棉花上的鈴數和單鈴重,總產量=單位面積株數×單株鈴數×單鈴重。

經濟效益=(籽棉產量-棉花單價)-成本-人工。

式中,成本包括肥料和有機酸成本、農藥和脫葉劑成本、種子及小區所用滴灌帶成本、土地租賃費用等;人工費用(鋪地膜機械、滴灌帶鋪設、人工除蟲和無人機噴灑脫葉劑等費用)。

1.2.2.4 計 算

無量鋼化指標計算:按照式(1)對指標進行無量綱化,將各指標值約束在[0,1]范圍內。

(1)

式中,Rij為評價指標轉化值,rij為評價指標數值,maxrij為評價指標最大值。

相鄰指標夾角計算:相鄰指標夾角用 α 表示。

(2)

式中,αij表示數軸i與數軸j之間的夾角,k為指標個數。

綜合評價指標計算:將雷達圖的面積S和周長L作為綜合評價的特征向量,構建一個函數進行評價。應用改進版雷達圖計算方法[32],選用兩個參數作為評價函數的特征向量,進行雷達圖分析改良劑對不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評價。

特征值的計算:雷達圖中有k個指標組成,其面積也有k個扇形組成,扇形的2條邊由k個指標中的任意兩個指標組成,根據式(3)計算特征向量雷達圖面積和雷達圖周長。式 (3) 中,Si為第i個對象的雷達圖面積,Li為第i個對象雷達圖周長,nij表示第i個對象第j項評價指標。面積為各扇形面積之和,周長為各段弧長之和,不再隨指標排列順序不同而變化[32]。

(3)

評價函數構建及評價:以Si和Li為基礎構建評價函數V1和V2( 式 4),V2為周長評價值,表示與相同面積的圓的周長的比值,其數值越大表示該評價對象均衡性越好,反之越差;評價向量面積和周長分別是綜合水平和指標均衡性的增函數且vij∈[0,1]。根據評價向量綜合評價函數,計算綜合的評價值Y(式 5)。

(4)

(5)

2 結果與分析

2.1 指標選取及評價指標

研究表明,2020年棉花產量和經濟效益隨著磷肥用量的增加而提高,呈現先增后減再增的趨勢,增加磷肥用量確實可以提高產量增加經濟效益,在MAP50和MAP150磷肥用量時,產量和經濟效益得到了顯著提高。在不同磷肥用量處理下添加有機物料的處理中,棉花產量和經濟效益隨著磷肥用量的增加而增加,呈現先增后減再增的趨勢,增加磷肥用量可以提高產量增加經濟效益,其中添加有機肥在不同磷肥用量處理中MAP100+OF的產量和經濟效益得到的最高,在添加有機酸下不同磷肥用量處理中MAP100+OA的產量和經濟效益得到的最高,在添加生物炭下不同磷肥用量處理中MAP50+BC的產量和經濟效益得到的最高。

速效磷隨磷肥用量的增加呈現先增后降低的趨勢,在MAP50和MAP100磷肥用量時較好;在添加有機肥下不同磷肥用量處理,隨磷肥用量的增加速效磷呈現先增后趨于平穩或略有降低的趨勢,其中MAP100+OF和MAP150+OF高于其他處理,在添加有機酸下不同磷肥用量中,隨磷肥用量的增加速效磷呈現先增后降低再增長的趨勢,其中MAP50+OA和MAP150+OA高于其他處理,在添加生物炭下不同磷肥用量中,隨磷肥用量的增加速效磷呈現先增后略有降低或趨于平穩的趨勢,其中MAP50+BC、MAP100+BC和MAP150+BC均不錯。

酶活性隨磷肥用量的增加呈現先減后增的趨勢,在MAP150磷肥用量條件下,土壤堿性磷酸酶活性最好;添加有機肥下不同磷肥用量處理中,呈現先降后增再減少的情況,MAP100+OF處理的酶活性最好;添加有機酸下不同磷肥用量處理中,呈現先降低后增加的趨勢,其中MAP150+OA處理的酶活性最好;添加生物炭下不同磷肥用量處理中,呈現先增在減少的趨勢,MAP50+BC處理的酶活性最好。

土壤微生物生物量隨磷肥用量的增加呈現增加的趨勢,在MAP100和MAP150磷肥用量條件下,土壤微生物生物量較好;添加有機肥下不同磷肥用量處理中,呈現增長趨勢,MAP150+OF處理的土壤微生物生物量最高;添加有機酸和生物炭下不同磷肥用量處理中,均呈現先增加后降低的趨勢,其中MAP50+OA處理的土壤微生物生物量和MAP100+BC土壤微生物生物量最好。

植物生物量和植物累計吸磷量都隨磷肥用量的增加呈現增后減再增的趨勢,在MAP50和MAP150磷肥用量條件下,植物生物量最高,在MAP50磷肥用量條件下,植物累計吸磷量最多;添加有機肥、有機酸和生物炭下不同磷肥用量處理中,均呈現先增后降低的趨勢,其中MAP100+OF、MAP100+OA和MAP50+BC處理的植物累計吸磷量最多。

磷肥利用率隨磷肥用量的增加呈現先增后減的趨勢,在MAP100磷肥用量條件下,磷肥利用率最優;其中添加有機肥和有機酸下不同磷肥用量處理中,均呈現降低的趨勢,MAP50+OF和MAP50+OA處理的磷肥利用率最高;添加生物炭下不同磷肥用量處理中,呈現先增加后降低的趨勢,其中MAP100+BC處理的磷肥利用率最高。表1

表1 棉田評價指標

2.2 基于雷達圖綜合評價

2.2.1 評價指標無量綱化

研究表明,評價指標的無量綱化進行雷達圖分析之前要對指標進行標準化處理,運用公式(1)將評價指標無量綱化。表2

表2 棉田評價指標無量綱化

2.2.2 CAD軟件繪制雷達圖

研究表明,隨著磷肥用量的增加各處理的各個評價指標均比MAP0+CK的各項指標表現良好,其中MAP100+CK的處理表現最好;不同磷肥梯度下配施有機肥的棉田指標評價顯示,MAP100+OF的處理表現最好;不同磷肥梯度下配施有機酸的棉田指標評價顯示,其中MAP50+OA和MAP100+OA的處理表現較好;不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指標評價顯示,在MAP100+BC的處理表現最好。圖1～4

注:CK×(0、50、100、150 kgP2O5/hm2),1～2:產量;2～3:速效磷;3～4:堿性磷酸酶活性;4～5:微生物生物量;5～6:磷肥利用率;6～7:植物生物量;7～8:植物累計吸磷量;8～1:經濟效益,下同

2.3 有機物料對不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評價

研究表明,100 kgP2O5/hm2配施有機肥的綜合水平、均衡程度以及綜合能力都最好;在相同磷肥用量處理下,不添加有機物料的處理比添加的綜合水平差;在相同有機物料處理下,配施100 kgP2O5/hm2的磷肥綜合效果較好。表3

表3 添加有機物料對不同磷肥用量條件下棉田的綜合評價

2.4 不同磷肥用量條件下有機物料添加處理的雷達法評價

研究表明,根據向量綜合評價函數,MAP0+CK、MAP50+CK、MAP100+CK、MAP150+CK、MAP0+OF、MAP50+OF、MAP100+OF、MAP150+OF、MAP0+OA、MAP50+OA、MAP100+OA、MAP150+OA、MAP0+BC、MAP50+BC、MAP100+BC、MAP150+BC的綜合評價值為0.609 9、0.896 7、0.921 5、0.913 3、0.610 3、0.832 7、0.998 8、0.903 5、0.636 6、0.937 8、0.916 3、0.783 9、0.765 4、0.941 1、0.945 2、0.875 3。在不添加有機物料下,隨著磷肥用量的增加,綜合效益呈先增加后減小的趨勢,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的處理最好;在配施有機肥的情況下,隨著磷肥用量的增加,綜合效益呈先增加后降低的趨勢,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的處理最好;在配施有機酸的情況下,隨著磷肥用量的增加,綜合效益呈先增加后降低的趨勢,其中磷肥用量50 kgP2O5/hm2的處理最好;在配施生物炭的情況下,隨著磷肥用量的增加,綜合效益呈先增后減的趨勢,其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的處理最好。圖2～圖5

圖2 不同磷肥梯度下配施有機肥的棉田指標評價

圖3 不同磷肥梯度下配施有機酸的棉田指標評價

圖4 不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指標評價

圖5 不同磷肥用量條件下有機物料添加處理的雷達法評價值

3 討 論

3.1近年來雷達圖分析法在農業領域也得到了應用,玉米區域品種評價[27]、大豆品種選育[28]、馬鈴薯品種[29]、稻米食味品質研究等[30]。雷達圖從數據到圖形,結果呈現更加直觀;從單一到體系,對評估結果能實現多維度分析;操作簡單、便捷[31]。傳統雷達圖根據評價指標權重計算指標與指標間的角度,將無量綱化數據投影在對應的評價指標數軸上連線形成雷達圖,即對不同處理進行直觀評價。但沒考慮“座次”的排序,評價指標之間的相互影響,導致計算權重不一樣,面積大小和周長的指標結果不一樣的問題;或者在計算雷達圖面積和周長時取各種情況的均值,從而計算特征向量和評價結果,但這種情況僅限于評價指標較少的情況,如果指標過多排列方式增加會導致計算難度加大。所以改用扇形雷達圖很好的解決了以上的問題,研究取的是各指標的無量綱化值作為扇形的半徑,不論怎么改變指標“座次”,特征向量雷達圖面積和周長都不會變化,從而不會出現評價結果不唯一性。

3.2利用改進版雷達圖分析有機物料對不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評價,得到棉田在磷肥用量及有機物料添加對棉田土壤指標、植物磷素吸收及經濟效益的影響,直觀的得出最優的施肥方式。在今后還應擴大指標覆蓋范圍,加強研究的系統性和深入性,使研究結果更具有實用價值。

4 結 論

100 kgP2O5/hm2配施有機肥調控是阜康市最優的施肥結果,而其中在100 kgP2O5/hm2的磷肥用量為梯度最優,添加有機酸調控的為50 kgP2O5/hm2+有機酸處理最優,添加生物炭調控的為100 kgP2O5/hm2+生物炭處理最優,添加有機肥調控的為100 kgP2O5/hm2+有機肥處理最優。在合理的磷肥用量條件下,增施有機物料可提高綜合效益。