滴施酸性有机肥浸提液对棉田土壤养分活化和利用效率的影响

罗 彤，李俊华，华 瑞，罗自威，程李洋

（新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室/石河子大学农学院，新疆石河子 832000）

化肥占我国施肥总量的比例从20世纪70年代的50%已上升为当前的90%左右，2010年我国农田有机肥提供的养分仅占养分投入总量的10%左右。化学肥料长期施用已显现出肥效下降、土壤板结酸化及面源污染等生态环境问题[1]，国内长期定位施肥试验表明，有机无机肥配施不但可降低土壤容重，增加总孔隙度，而且可显著提升土壤物质生产性能与地力[2]。

新疆多为石灰性土壤，石灰性土壤由于碱性反应和富含钙、镁，对于磷素等具有强烈的固定作用，常常发生这些元素供应不足的现象。研究表明，将灌溉水进行酸化处理，能够明显提高土壤中原有的磷素的有效性[3]。此外，酸化土壤对作物根系分泌物形成有重要作用，土壤中以根系分泌物为基础发生的生物化学风化作用与H+有密切关系，根系分泌物通过质子促进效应 (proton promoted mechanism)与络合促进效应 (oxalate promoted mechanism) 溶解和转化一些难溶性矿物，达到释放养分、增加生物有效性的效果[4]。王妍[5]研究也表明，向落叶松苗木外源添有机酸溶液模拟酸性根系分泌物，可改变落叶松幼苗对暗棕壤中Fe的活性及吸收运输，最终影响植物的生长和产量，降低养分胁迫的危害。此外，土壤有机质和作物生产之间呈显著正相关[6]，土壤有机质可以增加土壤养分的供应, 而作物产量的提高反过来又可以增加土壤根系有机物质的分泌, 增加通过秸秆还田归还到土壤的有机物质数量。章永松等[7]通过施用有机肥增加了土壤中磷的有效性，鸡粪有机肥对棉花的干物质和养分吸收有更为明显的提高，盐碱地中对养分的吸收更佳[8]。将有机肥或秸秆等废弃物用溶液浸提即可得到堆肥茶[9–11]，其可提高土壤微生物活性[12]，增加微量元素含量[13]等。堆肥茶能显著促进黄瓜和番茄苗的生长，增加其对养分的吸收[14]。用酸浸提有机肥制作堆肥茶[15]，这种酸性有机肥浸提液不仅有较低的pH，而且富含有机质以及多种微生物，还有控制病害等作用[16]，用浸提液施肥，对土壤的养分活化以及养分的保持有积极影响。

新疆多石灰性土壤且滴灌系统应用比较成熟，有机肥浸提液滴灌施肥是施用有机肥的更佳选择。本研究利用两种酸对有机肥进行了浸提，结合滴灌施肥，探究其对土壤养分的活化和植株对养分的吸收效率，旨在为大田有机肥浸提液施肥筛选最佳施肥量和施肥组合。

1 材料与方法

1.1 试验材料

有机肥料：新疆石河子市宏新生物科技有限公司生产的鸡粪有机肥。其有机质含量为47.13%、全氮为3.02%、全磷为2.01%、全钾为0.30%。

有机肥浸提液：有机肥用pH为1的磷酸和硝酸浸提制得有机肥浸提液。浸提时间：设计浸提时间为2天。恒温箱内保持25℃恒温浸提，浸提剂与有机肥的质量比为5∶1，浸提容器用优质塑料桶，遮阴。每日每8小时搅拌一次。浸提结束后用0.038 mm尼龙网过滤后进行滴施。表1为有机肥浸提液的pH和养分含量。

1.2 试验方法

试验于2017年4月25日至2017年10月1日在新疆石河子大学农学院试验站进行。土壤基本理化性状为：有机质16.0 g/kg、碱解氮57.7 mg/kg、速效磷27.3 mg/kg、速效钾186.1 mg/kg。

大田棉花品种为‘金棉16’，采用宽窄行种植，每小区长7 m，宽3.6 m，种植两膜，一膜4行两管，播幅内宽、窄行距为 (30 + 60 + 30) cm，株距为10 cm，理论密度为23.76 万株/hm2,。4月25日播种，5月3日出苗，6月13日第一次施肥，10天浇水一次。生育期共施肥8次，前2次和最后3次每次施肥量均为总施肥量的1/11，3～5次每次施肥量为总施肥量的2/11，共灌水9次，灌水量为5500 m3/hm2。

施肥量设计：以常规施肥 (尿素，N 46%；磷肥为磷酸一铵，N–P–K比例为12–61–0；钾肥为硫酸钾，K2O含量为51%) 量计算全部替代化肥磷的有机肥的浸提液 (磷酸有机肥浸提液磷含量最高) 的施用量为4950 L/hm2，以该施用量的1/3、2/3、1设三个梯度，分别为 1650 L/hm2、3300 L/hm2、4950 L/hm2。此外，分别设计与有机肥浸提液施肥量等量的两种浸提剂的处理，根据有机肥浸提液 (浸提剂) 中的氮、磷、钾含量，调整化肥的施用量，保持每个处理有机肥替代化肥后，氮、磷、钾的总养分量一致。共8个处理，每处理重复3次，随机区组排列，共计24个小区 (表2)。

1.3 测试指标及方法

分别在第五次施肥后5天 (花铃期)，第八次施肥后10天 (吐絮期) 取土样。在滴灌带滴头下及距滴头15 cm、30 cm处，采集0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土壤，自然风干后，常规方法测定土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾含量。棉花成熟后，以实收产量计产。每小区取植株3株，分为根部、地上部各器官，烘干粉碎后，分别测定氮磷钾全量，计算吸收量。养分利用效率计算公式如下：

养分利用率 (recovery efficiency, RE) = (施肥区植株养分吸收量–不施肥区植株养分吸收量) /总养分投入量 × 100%

养分偏生产力 (partial factor productivity, PFP,kg/kg) = 处理小区皮棉产量/养分投入量

养分农学利用效率 (agronomic use efficiency,AUE, kg/kg) = (施肥处理小区皮棉产量－不施肥小区皮棉产量) /养分投入量

表1 磷酸和硝酸 (pH = 1) 有机肥浸提液 pH 值及养分含量Table 1 pH and NPK contents in the organic fertilizer extracts with nitric acid and phosphoric acid (pH = 1)

表2 试验处理代码及化肥、有机肥浸提液用量Table 2 Code and fertilizer rates of each treatment in the experiment

1.4 统计分析

试验结果用算术平均数和标准误表示 (X ±SD)。利用Microsoft Excel 2010软件、SPSS19.0 数据分析软件进行试验数据的统计计算、统计检验和方差分析等。

2 结果与分析

2.1 不同酸及酸性有机肥浸提液对土壤有机质的影响

图1可以看出，0—20 cm土壤，离滴头越远，土壤有机质含量越低，只有HN-CK除外。浸提液和化肥处理的滴头下，花铃期土壤有机质含量均显著低于CK；15 cm处，2/3PAE和HN-CK、NAE-CK分别较CK显著低了8.6%和9.7%、10.5%，其他处理与CK差异不显著。在吐絮期，滴头下PAE处理的有机质含量最高，2/3PAE最低，且两者差异显著。

20—40 cm土壤，花铃期化肥对照的有机质含量最高，滴头下施肥处理均显著低于CK。15 cm处，CK、2/3PAE和HN-CK处理分别较化肥对照显著低16.8%、9.6%和17.0%，HN-CK与对照差异不显著。30 cm处，HN-CK和NAE-CK土壤有机质含量较高，分别较CK与CK1显著高9.3%和11.6%，但后二者间差异不显著。吐絮期，滴头下1/3PAE和NAECK均显著低于CK，其他各处理与CK差异不显著。15 cm处，磷酸和硝酸对照土壤有机质含量均显著低于CK，其他处理与CK差异不显著。30 cm处，PAE和NAE-CK与CK、CK1差异均不显著，但与其他处理差异显著。

花铃期滴头下40—60 cm深土壤各处理有机质含量，1/3PAE最高，与CK和2/3PAE、PAE差异显著，但与其他各处理无显著差异；15 cm处，1/3PAE最高，且与CK、HP-CK差异显著，但其他各处理之间差异不显著；30 cm处，各施肥处理有机质含量均显著高于CK，但各施肥处理之间差异不显著。吐絮期滴头下有机质含量以2/3PAE最高，其次为PAE、1/3PAE、NAE-CK，2/3PAE与PAE差异不显著；PAE ＞ HP-CK，NAE-CK ＞ HN-CK，且差异显著。对比两个生育期，滴头处吐絮期1/3PAE、2/3PAE、PAE、NAE-CK的有机质含量较花铃期分别提高了12.9%，43.2%，40.6%和16.1%，但其他处理均无显著差异。

2.2 不同酸及酸性有机肥浸提液对土壤碱解氮的影响

土壤碱解氮含量随着与滴头距离的增加而降低(图2)。花铃期0—20 cm土壤中，滴头处PAE的碱解氮含量分别较2/3PAE、1/3PAE高13.9%和14.7%，且差异显著，但其与CK、CK1差异不显著。PAE和NAE-CK分别较HP-CK和HN-CK高6.1%和11.2%，HP-CK和HN-CK差异显著，但PAE与HP-CK差异不显著。15 cm和30 cm处与滴头处规律相似。而吐絮期滴头处NAE-CK处理的土壤碱解氮含量均显著高于CK，其他各处理间无显著差异。在15 cm处各处理间均无显著差异，而30 cm处PAE最高，其次为HN-CK，且与除HN-CK外其他处理均有显著差异。

20—40 cm土壤中，花铃期滴头处HP-CK碱解氮含量最高，分别较CK1和HN-CK提高了15.1%和12.9%，且差异显著，其他处理之间无显著差异。15 cm与30 cm处与滴头处规律相似。吐絮期滴头处2/3PAE、PAE、HP-CK、NAE-CK、HN-CK均显著高于CK、CK1和1/3PAE，且差异显著。而15 cm处施肥处理均显著高于CK、施肥处理间无显著差异。30 cm处，CK1、2/3PAE、PAE、HP-CK均与CK差异显著，其他处理与CK无显著差异。

40—60 cm土壤中，花铃期各处理之间均无显著差异。吐絮期滴头处PAE碱解氮含量最高，随着有机肥浸提液施用量的增加，1/3PAE，2/3PAE与PAE的碱解氮含量呈U型趋势，PAE最高，较CK和CK1分别提高了92.2%和46.1%，且差异显著。HP-CK和HN-CK分别较CK提高了39.4%和44.7%，且差异显著。15 cm和30 cm处与滴头处规律相似，PAE ＞ HP-CK，NAE-CK ＜ HN-CK。

2.3 不同酸及酸性有机肥浸提液对土壤速效磷的影响

图1 花铃期和吐絮期各处理 0—60 cm 土壤有机质含量Fig. 1 Organic matter contents in 0–60 cm deep of soil at flowering and boltingstages

由图3可知，花铃期0—20 cm土壤中速效磷含量随着与滴头距离的增加呈下降趋势。滴头处2/3PAE和PAE的速效磷含量显著高于其他处理。而HN-CK却较CK低11.8%，且差异显著，其他处理之间无显著差异。15 cm处2/3PAE，PAE和HP-CK显著高于其他处理，其他处理间规律与滴头处相似。30 cm处PAE最高，较CK1、HN-CK高29.0%、31.3%，且差异显著。吐絮期滴头处土壤速效磷含量随有机肥浸提液施肥量的增加而增加。各施肥处理均显著高于CK。而15 cm处，却是2/3PAE最高，其次为1/3PAE，分别比CK高54.2%和40.2%，且差异显著。CK、CK1、NAE-CK、HN-CK之间差异不显著。30 cm处HP-CK速效磷含量最高，且与除PAE外的其他处理差异显著，但其他处理之间无显著差异。

随着有机肥浸提液施肥量的增加，20—40 cm土壤中滴头处的速效磷含量随之增加。PAE最高，HN-CK最低，且低于CK。而CK，CK1，1/3PAE，NAE-CK间无显著差异。15 cm与30 cm点的规律与滴头处相似。吐絮期相较于花铃期，土壤速效磷含量较花铃期有所降低，滴头处1/3PAE速效磷含量最高，但与HP-CK差异不显著。除NAE-CK外，各施肥处理均与CK差异显著。15 cm、30 cm处，均以HP-CK为最高。

图2 不同生育期 0—60 cm 土壤中的碱解氮含量Fig. 2 Available N contents in 0–60 cm soil at different growth stages

花铃期40—60 cm土壤中各处理以及各水平位置点的速效磷含量均无显著差异。而在吐絮期，滴头处和15 cm处施用磷酸有机肥浸提液处理的速效磷含量随着施肥量的增加而增加，而30 cm处却是酸性更强的HP-CK最高，且与2/3PAE、1/3PAE差异不显著。滴头处2/3PAE、PAE、HP-CK三个处理显著高于CK与CK1，但三者之间无显著差异。水平15 cm处，HN-CK显著低于CK；30 cm处，HP-CK最高，HN-CK最低，除1/3PAE外，其他各处理间无显著差异。

2.4 不同酸及酸性有机肥浸提液对土壤速效钾的影响

土壤速效钾的分布规律与其他养分不同，滴头处养分含量最低，向外逐渐增高 (图4)。花铃期滴头处的速效钾含量以HP-CK最高，且显著高于CK；其次为CK1，但两者差异不显著。15 cm处，CK1、HP-CK、HN-CK三个处理速效钾含量较高，且与CK和2/3PAE、NAE-CK差异显著，但与其他处理差异不显著。30 cm处，NAE-CK最高，且与CK、1/3PAE、2/3PAE、HN-CK差异显著，与其余各处理无显著差异。吐絮期滴头处PAE ＞ HP-CK、NAECK ＞ HN-CK且差异显著。15 cm处，1/3PAE、2/3PAE、HN-CK分别较CK低12.2%、8.4%和27.5%，且差异显著。30 cm处，CK1最高，且与除NAE-CK外的其他处理均有显著差异。

图3 不同生育期 0—60 cm 土壤中的速效磷含量Fig. 3 Available phosphorus contents in 0–60 cm soil at different growth stages

20—40 cm土壤的速效钾的规律与0—20 cm相似，滴头处pH最低的HP-CK处理的速效钾含量最高，较2/3PAE高35.7%且差异显著，但2/3PAE与CK、HN-CK差异不显著。施肥处理15和30 cm处速效钾均高于滴头处。40—60 cm土壤中，花铃期施用3300 L/hm2、4950 L/hm2酸性有机肥浸提液的施肥处理速效钾含量较施用化肥低3.8%～25.6%。吐絮期滴头处的1/3PAE、2/3PAE、PAE分别较NAE-CK低12.2%、16.2%、20.5%，且差异显著，其余各处理之间无显著差异。水平15 cm处各处理之间差异不显著，30 cm处施用酸性有机肥浸提液的处理中除HN-CK外，均显著低于CK。

2.5 酸性有机肥浸提液对土壤养分的活化分析

图4 不同生育期 0—60 cm 土壤中的速效钾含量Fig. 4 Available K contents in 0–60 cm soil at different growth stages

对图1～图4分析可知，酸性有机肥浸提液除给土壤和植株提供一定的养分外，对土壤被固定的养分也起到了活化作用。吐絮期20 cm土壤中的有机质施用有机肥浸提液的处理较CK1提高1.5%～7.5%，而单施两种酸却较CK1降低0.4%～5.3%。说明施用有机肥浸提液增加了土壤有机质含量，而单施对应的浸提酸反而降低了土壤有机质。碱解氮包括矿物态的氮和有机质中易分解、比较简单的有机态氮，是作物氮素营养的主要来源，能被作物直接吸收。吐絮期20 cm土壤中，PAE和NAE-CK的碱解氮含量较CK1提高了3.9%和7.1%，且NAE-CK与CK1差异显著；20—40 cm土壤中，施用有机肥浸提液的处理的碱解氮含量均显著高于CK1。肖艳[17]等研究表明外源酸的施入对土壤磷有不同程度的活化作用。本研究中酸性较强的磷酸有机肥浸提液施肥处理中，土壤速效磷随施肥量的增加而增加，且显著高于CK1。此外，HN-CK ＞ NAE-CK，表明酸性有机肥浸提液对土壤中被固定的磷有活化作用。相同pH时，施肥量越高土壤速效磷含量越高，相同施肥量时，pH越低速效磷含量越高。而土壤速效钾规律却不同 (图4)，施用了酸性有机肥浸提液的处理速效钾含量均低于CK1。这是因为棉花对土壤中钾的吸收量高于施肥量，新疆该施肥量下系统钾素为负平衡，造成土壤钾素亏损[18]。将土壤中被固定的钾活化后吸收，导致土壤中速效钾含量下降，这也说明酸性有机肥浸提液对钾有一定活化作用。综上所述，在同等施肥量下，酸性有机肥浸提液将土壤中被固定的、不易被吸收的养分部分转化为有效养分，提高了土壤中速效养分的含量，较常规施肥对土壤养分有更好的活化效果。

2.6 有机肥浸提液性质与土壤养分相关分析

由表3可知，有机肥浸提液的pH与土壤速效磷呈显著负相关 (–0.491*)，与土壤速效钾有显著正相关 (0.497*)，土壤速效钾的规律与夏东旭等[19]研究结果不一致，这是因为钾肥的施肥量 (45 kg/hm2) 低[20]，棉花对土壤中的钾吸收量大于供给量，使土壤中的速效钾含量降低 (图4)。有机肥浸提液有机质含量与土壤速效钾呈显著正相关 (0.441*)，有机肥浸提液性质与土壤碱解氮和土壤有机质并无显著相关性。

2.7 养分吸收利用率

由表4可知，施用硝酸有机肥浸提液 (NAE-CK)对氮肥有较高的养分利用率，且显著高于CK1，硝态氮替代部分有机态氮可以提高氮肥利用率，但是以硝态氮为主的HN-CK的氮肥利用率却较低，这可能是因为硝态氮量过多以及它的不稳定导致氮的流失。而对于磷肥而言，以磷酸浸提剂为主的HP-CK处理对P2O5的养分利用率最高，其次为HN-CK和PAE，这几个处理的 pH 为 HP-CK ＜ HN-CK ＜ PAE，这说明养分的利用效率与土壤的pH有着密切联系，降低碱性土壤的pH对土壤养分的活化和提高养分的吸收利用率有重要影响[19]。而上述规律与K2O的利用率规律相似，这也与陈钦程[21]的研究结果相似。

表3 有机肥浸提液的 pH 和有机质与土壤各养分的相关关系 (r)Table 3 Correlation coefficients between pH, the organic matter of the extracts, organic fertilizer and soil nutrients

表4 同施肥处理对棉花养分利用效率的影响Table 4 Effects of different fertilization treatments on nutrient use efficiencies of cotton

偏生产力 (PFP) 是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的重要指标。由表4可知，2/3PAE的养分偏生产力最高，其次为1/3PAE，当施肥处理主要为有机肥时，PAE和NAE-CK的偏生产力低于2/3PAE。养分农学利用效2/3PAE的养分农学利用效率最高，较CK1提高了287.37%，且差异显著。其他处理中 2/3PAE ＞ 1/3PAE ＞ PAE ＞ NAE-CK，施用磷酸浸提液处理均高于硝酸浸提液处理。

3 讨论

有机肥浸提液作为一种酸性有机肥料，且富含有机质，且是一种适合滴灌施用的液体肥料。本研究中，施用酸性有机肥浸提液处理的垂直0—20 cm土壤在花铃期有机质较CK有所降低，且随着滴头距离增加呈降低趋势，这是因为有机质在滴头处积累，并向外逐渐降低，而酸导致土壤pH降低，从而使有机质的分解，土壤有机质含量降低[22]，邓玉龙等[23]的研究也表明土壤的pH与有机质含量呈负相关。本研究结果表明，在相同施肥量情况下，磷酸有机肥浸提液对土壤有机质的增加作用大于硝酸有机肥浸提液，每种等量有机肥浸提液施肥较单施其对应的浸提剂提高了7.4%～8.2%。综上，施用有机肥浸提液对土壤有机质有增加作用，但单施对应的酸却加快了土壤有机质的分解；有机肥浸提液施肥量相同时，磷酸有机肥浸提液效果优于硝酸有机肥浸提液，这与不同浸提液中的有机质含量高低有关(表 1)。

土壤碱解氮随着与滴头距离 (0—30 cm) 的增加而降低。0—20 cm土壤中，花铃期PAE最高，但吐絮期NAE-CK最高，这是因为随着施肥的持续，有机无机结合施肥的NAE-CK较氮肥以尿素为主的PAE对氮的淋溶更低。花铃期1/3PAE和2/3PAE低于处HN-CK外的其他施肥处理，且这两个处理的氮肥的养分偏生产力和养分农学利用效率较高 (表4)，这是因为棉花对这两个施肥组合的养分吸收较大，棉花产量较高。20—40 cm土壤中，花铃期PAE碱解氮含量较高，但在吐絮期除1/3PAE外，各施肥处理平均较CK和CK1提高22.1%和11.9%，但使用有机肥浸提液和单施有机肥浸提剂的处理却无显著差异，这说明增加土壤有机质和降低土壤pH均能增加土壤对碱解氮的贮存效果[24]，但是两者谁是的主导因素还有待研究。

施用磷酸有机肥浸提液对土壤速效磷含量有较大影响。随着有机肥浸提液替代量的增加，酸性更强的PAE和HP-CK较1/3PAE速效磷呈增加了48.8%～64.5%，这与肥料的pH有关。pH较低的磷酸有机肥浸提液和磷酸溶液增加了土壤的速效磷含量和磷的养分利用率，这也与杨绍琼等[25]研究结果相似。

土壤速效钾水平距离变化趋势与其他养分不同，随着与滴头距离增加呈上升趋势，说明有机质和酸对土壤速效钾含量均有影响。土壤速效钾与有机质呈正相关，与pH呈负相关[20]，所以在同时有这两个因素时，在磷酸有机肥浸提液中 (pH为2.73)，pH为主要因素；硝酸有机肥浸提液中 (pH为5.9)，对速效钾含量影响较大的为有机质。

4 结论

与施用化肥相比，施用硝酸和磷酸有机肥浸提液替代部分化肥分别提高了氮、磷的利用率，提高了棉花产量。在水平0—30 cm、垂直0—60 cm范围土壤中有机质，碱解氮，速效磷均有不同程度提高，有机肥浸提液中的有机质和酸对钾有不同程度的活化和保持作用，磷酸有机肥浸提液效果优于硝酸有机肥浸提液。其中，有机肥浸提液对化肥磷的替代量为2/3时，养分偏生产力与养分农学利用效率最高。