多功能生态肥对连作马铃薯土壤性质及其产量和效益的影响

闫治斌，王 学，马明帮，秦嘉海

(1.甘肃省敦煌种业集团股份有限公司研究院, 甘肃 酒泉 735000；2.河西学院农业与生态工程学院，甘肃 张掖 734000)

张掖市海拔1 800～2 800 m,区内日照时间长，昼夜温差大，种植的马铃薯平均产量为45 t·hm-2，产值5.40万元·hm-2，是马铃薯主产区，目前已形成以山丹和民乐县沿山冷凉灌区为主的马铃薯种植基地，马铃薯产业已发展成为农民增收、企业增效的支柱产业之一。在马铃薯栽培中日益凸显的问题是：马铃薯种植面积大，连作年限长，土壤养分比例失衡，缺素相关的生理性病害经常发生；化肥超量施用致使土壤团聚体遭到破坏、土壤板结，不利于马铃薯块茎的膨大，马铃薯产量低而不稳，影响了马铃薯产业的可持续发展[1-2]。

近年来，有关施肥对马铃薯产量和品质影响的研究报道较多。在氮、磷、钾肥应用的研究方面，王小英等[3]研究得出马铃薯在施用有机肥 30 t·hm-2的基础上，氮、磷和钾推荐用量分别是30、150、90、112.5 kg·hm-2；岳超等[4]研究得出马铃薯过量施用氮肥降低了农学效率和偏生产力；李燕山等[5]研究得出随着氮肥施用量梯度的增加马铃薯经济效益表现为先增后降的趋势； 张炜等[6]研究得出，大量施用氮肥会急剧增加块茎的硝酸盐含量；梁锦秀等[7]研究得出，马铃薯对氮肥反应最敏感，其次为磷肥，最后为钾肥；李勇等[8]研究得出，随着施氮量的增加，马铃薯产量先增加后降低；张绪成等[9]研究得出增施钾肥能提高马铃薯块茎产量；龚成文等[10]研究得出马铃薯生产过程中施用硫酸钾优于氯化钾；王国兴等[11]研究得出，氮、磷、钾和有机肥配合施用促进了马铃薯的干物质累积量； 高怡安等[12]研究得出，化肥与生物有机肥配合施用可提高马铃薯产量；段玉等[13]研究得出，生产1 t马铃薯吸收 N、P2O5、K2O 分别为 5.56、1.48、6.21 kg；何文寿等[14]研究得出，马铃薯对氮、 钾吸收较多的时期为块茎形成期，对磷吸收较多时期为淀粉形成期； 刘星等[15]研究得出，长期大量施用化肥降低了土壤生物活性和马铃薯产量。在功能性肥料研究方面，周俊等[16]研究得出，施用多功能复混肥有效地改善了土壤理化性质和生物学性质，提高了马铃薯的产量和经济效益；刘玉环等[17]研究得出，功能性生物活性肥经济效益最佳施肥量为 1.39 t·hm-2时，马铃薯理论产量为 32.42 t·hm-2；马宗海等[18]研究得出，施用有机改土生态肥，有效地改善了土壤理化性质和生物学性质，提高了马铃薯的经济效益。

综上所述，前人对马铃薯的肥料种类研究主要集中在氮、磷、钾肥和功能性肥料方面；施用方法研究主要集中在氮肥与磷钾肥、有机肥与化肥、生物肥与化肥配合施用等方面；对土壤性质影响方面，主要研究了理化性质和生物学性质。而多功能生态肥对连作马铃薯土壤性质及其产量和效益的影响尚少见文献报道。为了解决研究区马铃薯种植面积大、连作年限长导致土壤质量下降，马铃薯产量和品质低而不稳的问题，本文以马铃薯营养剂、抗重茬菌肥[19-20]和土壤结构改良剂为试材，在室内合成多功能生态肥，并进行田间验证试验，旨在为提高马铃薯连作土壤质量和马铃薯经济效益提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验地概况 试验于2017—2019年在甘肃省张掖市民乐县南固镇城南村连作种植马铃薯10 a的基地上进行(100°22′59″ E，37°56′19″ N)。试验地海拔2 200 m，年均温度6.5℃，年均降水量350 mm，年均蒸发量1 800 mm，无霜期140 d，土壤类型是耕种灰钙土[21]，0～20 cm土层含有机质16.14 g·kg-1，碱解氮41.12 mg·kg-1，速效磷7.37 mg·kg-1，速效钾131.23 mg·kg-1，有效锌0.46 mg·kg-1，有效锰5.34 mg·kg-1，有效钼0.10 mg·kg-1，pH值7.89。

1.1.2 试验材料 (NH4)2HPO4，含N 18%、P2O546%，北京利奇世纪化工商贸有限公司产品；CO(NH2)2，含N 46%；K2SO4，含K2O 50%；ZnSO4·7H2O，含Zn 23%；MnSO4·H2O，含Mn 26%，甘肃刘家峡化工厂产品；(NH4)6Mo7O24·4H2O，含Mo 54%,郑州裕达工原料有限公司产品；抗重茬菌肥，有效活菌数≥2×109个·g-1，北京生物技术有限公司产品；发酵羊粪，含有机质38.30%、N 0.01%、P2O50.22%、K2O 0.53%，粒径1～5 mm；发酵鸡粪，含有机质42.77%、N 1.031%、P2O50.41%、K2O 0.72%，粒径1～5 mm；改性糠醛渣，在糠醛渣中加入4.50%石灰粉，将pH值调整到6.50～7.50，含有机质76.21%、N 0.66%、P2O50.36%、K2O 1.18%，粒径1～2 mm；聚丙烯酰胺，吸水倍率200 g·g-1，pH值6.9，粒径1～2 mm，西安蓝翔化工有限公司产品；多聚糖，pH值6.50，粒径1～2 mm，北京正农农业科技有限公司产品；无机营养剂，自制， 其中CO(NH2)2、(NH4)2HPO4、ZnSO4·7H2O 、MnSO4·H2O和(NH4)6Mo7O24·4H2O风干质量比按0.5515∶0.3676∶0.0552∶0.0183∶0.0074混合，最终含N 31.99%、P2O516.91%、Zn 1.27%、Mn 0.48%、Mo 0.40%； 有机营养剂，自制，改性糠醛渣、发酵羊粪、发酵鸡粪风干质量比按0.5000∶0.3000∶0.2000混合，最终含有机质38.04%、N 0.54%、P2O50.33%、K2O 0.89%，粒径1～5 mm；马铃薯营养剂，自制，有机营养剂与无机营养剂风干质量比按0.9478∶0.0522混合，最终含有机质36.05%、N 2.18%、P2O51.20%、K2O 0.84%、Zn 0.07%、Mn 0.03%、Mo 0.02%，粒径1～5 mm；土壤结构改良剂，自制，聚丙烯酰胺、多聚糖风干质量比按0.600 0∶0.400 0混合； 多功能生态肥，按照试验1筛选的配方，将抗重茬菌肥、马铃薯营养剂、土壤结构改良剂风干质量比按0.0036∶0.9936∶0.0028混合，最终含有机质35.82%、N 2.16%、P2O51.19%、K2O 0.83%、Zn 0.07%、Mn 0.03%、Mo 0.02%。马铃薯品种为克新4号，由黑龙江省农业科学研究院选育。

1.2 试验方法

1.2.1 羊粪与鸡粪发酵方法 将羊粪、鸡粪晾干粉碎过2 cm筛，喷自来水调节水分含量达到60%～65%，在温室内(室温25℃～30℃)堆成2.00 m高的梯形，覆盖塑料薄膜并开直径3～5 cm小洞若干，发酵30 d后捣翻1次，再发酵45 d，发酵物料出现灰白色菌丝，颜色呈黑褐色，在阴凉干燥处自然风干，至含水量小于5%备用。

1.2.2 试验处理 试验1：多功能生态肥配方筛选。2017年4月30日选择抗重茬菌肥、马铃薯营养剂和土壤结构改良剂3种原料，每种原料设计3个水平施用量，按正交表L9(34)设计9个处理[22-23]，按表中用量称取各种原料组成9种多功能生态肥。

试验2：多功能生态肥经济效益最佳施用量研究。2018年4月30日，按照试验1筛选的配方(抗重茬菌肥、马铃薯营养剂、土壤结构改良剂风干质量比按0.0036∶0.9936∶0.0028混合)配制多功能生态肥，施用量梯度设计为0(CK)、6、12、18、24、30、36 t·hm-2共7个处理。每个处理重复3次，随机区组排列。

试验3：多功能生态肥对马铃薯连作土壤性质的影响。 2019年4月30日设计3个处理：处理1，对照(不施肥)；处理2，传统化肥(施用量为CO(NH2)21.22 t·hm-2+(NH4)2HPO40.85 t·hm-2+K2SO40.55 t·hm-2+ ZnSO4·7H2O 0.10 t·hm-2+MnSO4·H2O 0.04 t·hm-2+(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.01 t·hm-2)；处理3，多功能生态肥(施用量33.00 t·hm-2)。每个处理重复3次，随机区组排列。处理2和处理3纯养分投入量相等(N 712.80 kg·hm-2+P2O5392.70 kg·hm-2+K2O 273.90 kg·hm-2+ Zn 23.10 kg·hm-2+Mn 9.90 kg·hm-2+Mo 6.60 kg·hm-2)。

1.2.3 种植方法 试验1、2和3小区面积均为39.60 m2(8 m×4.95 m)，每个小区四周筑埂。按试验设计将肥料在马铃薯播种前做底肥施入0～20 cm土层起垄，垄高、垄宽、垄距为35 cm×55 cm×55 cm。2017—2019每年的4月30日播种，播种深度、株距为15 cm×25 cm，每小区播种5垄，每垄2行。每个试验小区为一个支管单元，在支管单元入口安装闸阀、压力表和水表，在栽培垄上安装1条薄壁滴灌带，滴头间距25 cm，在马铃薯开花期、块茎膨大期和收获前各灌水1次，每个小区灌水量为3.96 m3。其他田间管理措施与大田相同。

1.2.4 样品采集方法 马铃薯收获时每个小区选择 3垄 ,每垄采集5株，共采集15株测定经济性状，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。2019年9月20日试验3的马铃薯收获后，在试验小区内按对角线布置5个采样点，采集0～20 cm耕作层新鲜土样5 kg，用4分法保留2 kg，其中1 kg新鲜土样放入4 ℃冰箱避光保存测定微生物数量和酶活性，另外1 kg土样风干过1 mm筛供室内分析。土壤容重和团聚体测定用环刀采集原状土，未进行风干。

1.2.5 测定指标与方法 土壤容重、总孔隙度和0.25 mm团聚体测定分别采用环刀法、计算法和干筛法； pH值和CEC(阳离子交换量)测定分别采用酸度计法(水土比5∶1)和乙酸铵-氯化铵法；有机质、碱解氮、速效磷和速效钾测定分别采用重铬酸钾法、扩散法、0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提-钼锑抗比色法和中性醋酸铵溶液浸提-火焰光度计法；Cd、Hg、Pb和Cr测定分别采用石墨炉原子吸收分光光度法、冷原子-荧光光谱法、火焰原子吸收分光光度法和分光光度法；饱和持水量=面积×总孔隙度 × 土层深度[24]；微生物数量测定采用稀释平板法[25]；蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性测定分别采用3,5-二硝基水杨酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二钠比色法和碘量滴定法[26]；边际产量、边际产值和边际成本及边际利润分别为每增加单位肥料用量时所得到的产量、产值、所投入的成本以及所得到的利润；边际施肥量为后一个处理施肥量与前一个处理施肥量的差。计算公式分别为[27]：

边际产量(t·hm-2)=每增加一个单位肥料用量时所得到的产量-前一个处理的产量

边际产值(元·hm-2)=边际产量×产品价格

边际成本(元·hm-2)=边际施肥量×肥料价格

边际利润(元·hm-2)=边际产值-边际成本

1.2.6 数据处理 采用SPSS 19.0统计软件进行数据统计分析，采用Duncan新复极差法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 多功能生态肥配方筛选

2017年9月20日马铃薯收获后测定数据可知(表1)，多功能生态肥原料间的主次效应(R)是：B马铃薯营养剂(R=37.60)>A抗重茬菌肥(R=33.91)>C土壤结构改良剂(R=17.53)。从各水平总产量(T)可以看出，TA1>TA3>TA2，TB3>TB2>TB1，TC3>TC1>TC2。说明多功能生态肥的最佳原料组合为:A1抗重茬菌肥0.12 t·hm-2，B3马铃薯营养剂33.00 t·hm-2，C3土壤结构改良剂0.09 t·hm-2，即多功能生态肥配方组合比例为：抗重茬菌肥0.0036∶马铃薯营养剂0.9936∶土壤结构改良剂0.0028。

2.2 多功能生态肥经济效益最佳施用量确定

2018年9月20日马铃薯收获后测定数据并进行统计分析可知，多功能生态肥施用量在30.00 t·hm-2的基础上再增加6.00 t·hm-2，边际利润出现负值(表2)。将多功能生态肥不同施肥量与马铃薯产量间的关系采用肥料效应函数方程y=a+bx+cx2拟合，得到的回归方程为：

y=22.5000+0.8408x-0.0108x2

(1)

对回归方程进行显著性测验，F=25.08>F0.01(23.43)，r=0.9982**，说明回归方程拟合良好。多功能生态肥价格(Px)为255.52元·t-1，2018年马铃薯市场平均价格(Py)为2000元·t-1，将(Px)、(Py)、肥料效应函数的b和c，代入最佳施肥量计算公式x0=[(Px/Py)-b]/2c，求得多功能生态肥经济效益最佳施肥量(x0)为33.01 t·hm-2，将x0代入(1)式，求得马铃薯理论产量(y)为38.56 t·hm-2，回归统计分析结果与试验处理6基本吻合(表2)。

2.3 多功能生态肥对马铃薯连作土壤性质的影响

2.3.1 对物理性质和持水量的影响 由2019年9月20日马铃薯收获后的测定数据可知，不同处理土壤容重由大到小的变化顺序为：CK>传统化肥>多功能生态肥；总孔隙度、团聚体和饱和持水量由大到小的变化顺序为：多功能生态肥>传统化肥> CK (表3)。多功能生态肥与传统化肥比较，容重降低7.46%(P<0.05)，总孔隙度和饱和持水量增加了7.65%和7.66%(P<0.05)，团聚体增加18.67%(P<0.01)；与对照比较，容重降低8.82%，总孔隙度和饱和持水量增加9.31%和9.31%(P<0.05)，团聚体增加19.13%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，容重降低了1.47%，总孔隙度、团聚体和饱和持水量分别增加了1.54%、0.39%和1.54%(P>0.05)。可见，施用多功能生态肥显著降低了容重，增大了孔隙度和持水量，极显著提高了团聚体数量。而传统化肥对容重、总孔隙度、饱和持水量和团聚体无显著影响。

2.3.2 对化学性质、有机质和速效氮、磷、钾含量的影响 由表3可知，不同处理土壤pH值由大到小的变化顺序为：CK>传统化肥>多功能生态肥；有机质、碱解氮、速效磷、速效钾和CEC由大到小的变化顺序为：多功能生态肥>传统化肥>CK。多功能生态肥与传统化肥比较，pH值降低7.12%，有机质和CEC增加8.84%和5.56(P<0.05)，碱解氮、速效磷和速效钾分别增加0.26%、0.52%和1.62%(P>0.05)；与对照比较，pH值降低了7.35%，有机质增加了8.98(P<0.05)，碱解氮、速效磷、速效钾和CEC分别增加67.66%、30.53%、19.37%和34.11%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，pH值降低0.25%，有机质增加0.12%(P>0.05)，碱解氮、速效磷、速效钾和CEC分别增加67.22%、29.85%、17.48%和27.57%(P<0.01)。因此，施用多功能生态肥显著降低了土壤pH值，提高了有机质，极显著提高了氮、磷、钾和CEC；传统化肥对有机质和pH值影响不显著，而对氮、磷、钾和CEC影响极显著。

表3 施用多功能生态肥对土壤理化性质、有机质和速效氮、磷、钾含量的影响(试验3)Table 3 Effects of multi-functional ecological fertilizer application on soil physical and chemical properties,organic matter, and available N, P, and K content (Experiment 3)

2.3.3 对土壤微生物和酶活性的影响 由表4可知，不同处理土壤微生物和酶活性由大到小变化的顺序为：多功能生态肥>传统化肥>CK。施用多功能生态肥与传统化肥比较，真菌、细菌和放线菌数量分别增加了76.60%、25.78%和21.98%(P<0.01)，蔗糖酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性分别提高了53.66%、32.00%和23.61%(P<0.01)，脲酶活性提高7.86%(P<0.05)；与CK比较，真菌、细菌和放线菌数量分别增加了79.14%、30.89%和26.14%(P<0.01)，蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性分别提高56.38%、34.46%、57.14%和27.14%(P<0.01)。传统化肥与CK比较，真菌、细菌和放线菌数量分别增加1.44%、4.07%和3.41%(P>0.05)，蔗糖酶和多酚氧化酶活性分别提高1.77%和2.86%(P>0.05)，脲酶和磷酸酶活性分别提高22.81%和19.05%(P<0.01)。多功能生态肥极显著地提高了土壤微生物数量和酶活性，而传统化肥极显著提高了脲酶和磷酸酶活性，对微生物、蔗糖酶和多酚氧化酶无显著影响。

2.3.4 对土壤重金属离子的影响 由表4可知，不同处理土壤重金属离子Hg、Cd、Cr和Pb由大到小变化的顺序为：传统化肥>多功能生态肥>CK。施用多功能生态肥与传统化肥比较， Hg、Cd、Cr和Pb含量分别降低17.07%、28.07%、15.73%和17.80%(P<0.01)；与CK比较，Hg、Cd、Cr和Pb含量分别增加了3.03%、2.50%、0.28%和0.75%(P>0.05)。传统化肥与CK比较，Hg、Cd、Cr和Pb含量分别增加了24.24%、42.50%、19.01%和22.86%(P<0.01)。施用多功能生态肥对重金属离子无显著影响，而传统化肥极显著地提高了重金属离子含量。

2.4 多功能生态肥对马铃薯经济性状及产量和效益的影响

由表5可知，不同处理马铃薯经济性状、产量、增产值和施肥利润由大到小变化的顺序依次为：多功能生态肥>传统化肥。多功能生态肥与传统化肥比较，块茎质量、单株块茎质量和产量分别增加5.14%、7.89%和7.82%(P<0.05)；与CK比较，块茎质量、单株块茎质量和产量分别增加29.98%、33.38%和42.26%(P<0.01)。传统化肥与对照比较，块茎质量、单株块茎质量和产量分别增加23.63%、26.63%和31.95%(P<0.01)。多功能生态肥与传统化肥比较，增产值、施肥利润和肥料投资效率分别增加5 560.00、5 133.84元·hm-2和0.55元·元-1。多功能生态肥比传统化肥显著提高了马铃薯的经济性状、产量和效益。

3 讨论与结论

施用多功能生态肥后土壤孔隙度、团聚体、饱和持水量增大，容重降低，这种变化规律与肖占文和张春梅等研究结果相一致[28-29]。产生这种变化规律的原因，一是多功能生态肥中的有机营养剂使土壤疏松，因而降低了容重，增大了孔隙度；二是多功能生态肥中的有机质在土壤微生物的作用下合成土壤腐殖质，促进了团聚体的形成[30]；三是多功能生态肥中的聚丙烯酰胺和多聚糖土壤结构改良剂可以把小土粒黏在一起形成稳定的团聚体；四是多功能生态肥中的有机质，在土壤中合成腐殖质，腐殖质最大吸水量可以超过500%[31]，因而提高了饱和持水量。施用多功能生态肥后土壤有机质、CEC、碱解氮、速效磷和速效钾增大，pH值和重金属离子降低，李栋也得出了相似的结论[32]。究其原因一是多功能生态肥含有丰富的有机质和速效氮、磷、钾；二是多功能生态肥中的有机质被微生物分解后产生一定量的有机酸，因而降低了pH值；三是多功能生态肥重金属离子Hg、Cd、Cr和 Pb含量比传统化肥低。施用多功能生态肥后土壤微生物数量和酶活性表现为细菌、放线菌、蔗糖酶、磷酸酶、多酚氧化酶和脲酶增加，这种变化规律与朱晓涛研究结果相似[33]。这是因为多功能生态肥中的有机质和速效氮、磷、钾以及微量元素为微生物的生长发育提供了丰富的矿质营养，因而促进了微生物的繁殖和生长发育，同时也提高了土壤酶活性。在土壤上施用多功能生态肥后，马铃薯增产值和施肥利润有所提高，究其原因一是多功能生态肥配方是依据本区土壤养分现状筛选的；二是多功能生态肥含有丰富的有机质和速效氮、磷、钾以及微量元素，施用多功能生态肥协调了土壤养分平衡，促进了马铃薯的生长发育，因而提高了其产量。

经回归统计分析，多功能生态肥施用量与马铃薯产量间的回归方程为y=22.5000+0.8408x-0.0108x2，多功能生态肥经济效益最佳施肥量为33.01 t·hm-2，经济效益最佳施肥量时的马铃薯理论产量为38.56 t·hm-2。不同处理土壤容重和pH值由大到小变化的顺序依次为：不施肥(CK)>传统化肥>多功能生态肥；总孔隙度、团聚体、饱和持水量、有机质、碱解氮、速效磷、速效钾、CEC、微生物、酶活性、马铃薯经济性状、产量、增产值和施肥利润由大到小变化的顺序依次为：多功能生态肥>传统化肥>不施肥(CK)；重金属离子Hg、Cd、Cr和Pb由大到小的变化顺序为：传统化肥>多功能生态肥>不施肥(CK)。