科学研究与应用
Journal of Scientific Research and Applications
- 主办单位:未來中國國際出版集團有限公司
- ISSN:3079-7071（P）
- ISSN:3080-0757（O）
- 期刊分类:科学技术
- 出版周期:月刊
- 投稿量:6
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土壤改良剂配施对碱性土壤改良和玉米产量的综合评价
Comprehensive Evaluation of Soil Conditioner Combination on Alkaline Soil Improvement and Corn Yield
引言
在我国北方地区，农田土多为碱性土壤。土壤碱化会降低土壤养分，影响作物产量。研究表明，土壤碱化会促进土壤中氮元素由离子态向分子态的转化，使氮元素以氮气形式挥发，减少土壤中氮元素含量。此外，土壤碱化会减少土壤有机质含量，影响土壤酶活性，从而影响土壤物质循环和养分供应。因此碱性土壤改良对保护土地资源、提高粮食综合生产能力具有重要的意义。施用土壤改良剂是现代工业技术改良后发展起来的新型土壤改良方式。土壤改良有助于调节土壤酸碱度，提高肥料利用率。微生物菌剂作为一种新型肥料，具有无毒害、无污染、成本低的特点。因其能改善土壤结构，增加土壤肥力，增强植株抗病能力，在农业生产中被广泛应用。秸秆还田能显著提高土壤有机质含量，增加土壤固碳速率，扩大土壤碳库，还能提高土壤有效磷和速效钾等养分含量，从而提高作物产量。含钙化学改良剂成本低见效快，是目前应用最广泛的土壤改良剂，施加后可以提高酸性土壤的养分有效性，改善植物根系的生长环境，促进植物生长。在前人的研究中，秸秆和菌剂配施可以增加秸秆的腐解率，有助于秸秆中养分的释放和微生物的繁殖。但目前化学改良剂、秸秆和菌剂联合施用对土壤改良效果未见报道，大多数的研究只限于两种土壤改良剂配施对设施土壤的作用，且配施后对土壤改良效果均有不同。土壤肥力质量评价是土壤质量评价的核心内容，而评价方法是评价的基础。土壤肥力评价的数学方法得到广泛发展并达到定量化水平。曹承绵等于1983年应用相关系数法进行土壤肥力数值化综合评价；刘锐于1987年应用回归分析法探讨土地质量评价因素的权重，随后这两种方法在土壤肥力评价中得到了广泛应用，特别是相关系数法应用较多。因子分析法和内梅罗指数法分别于1991 年和1994年就有应用研究，相关应用陆续也有报道。土壤肥力评价方法较多，但至今仍无标准的量化评价方法。酶活性受气候条件、植物生长状况和土壤养分有效性等多方面因素影响。研究表明不同处理的土壤养分和土壤酶活性变化趋势根据时期和酶的种类而迥异。通过对三种方法的比较，内梅罗指数法对土壤肥力质量指数的计算更加准确，但无法很好的确定酶活性的分级标准。故同时采用三种方法进行综合评价。探求长期施肥下土壤肥力综合评价方法的适宜性，以期正确认识和客观评价土壤肥力。因此本研究旨在通过开展田间试验，通过综合评价的方式探究改良剂配施对土壤养分、酶活性和玉米产量的影响，旨在为改善碱性土壤环境、提高土壤生产力提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验于2023年5月—10月进行。试验区位于辽宁省沈阳市康平县下甸子村（N 123°14'29"、E 42°40'19"），海拔99.4米，年平均气温6.9℃，年平均日照时数2867.8小时，年降水量540毫米左右。供试土壤0-20cm基本理化性状为：pH值7.9、铵态氮16.4mg/kg、速效钾86.1mg/kg、速效磷21.6mg/kg、总氮5.35g/kg。
1.1.1 供试作物
供试作物为玉米，子粒品种选用东单1991（辽宁东亚有限公司）。
1.1.2 供试改良剂
化学土壤改良剂（含有中量元素CaO+S,微量元素Fe+Zn以及有机质，pH为3-5）、微生物菌剂（有效菌株为解淀粉芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌）、秸秆颗粒。
1.1.3 区组设计
本试验采用完全随机区组设计，共设置8个处理（见表1），每个处理重复三次，共设有24个小区随机分布，每个小区占地面积为30 m2（10 m×3 m）。玉米植株行距，株距，按照常规农事标准灌溉、除草、预防病虫害。待玉米成熟后，使用五点取样法采集玉米的非根际土壤，采集深度为0-20 cm，并对试验区进行玉米测产。
| 处理编号 | 土壤改良剂/kg·ha-2 | 微生物菌剂/L·ha-2 | 秸秆颗粒/kg·ha-2 |
|---|---|---|---|
| 对照（CK） | 0 | 0 | 0 |
| 秸秆颗粒（J） | 0 | 0 | 1500 |
| 微生物菌剂（Z） | 0 | 30 | 0 |
| 土壤改良剂（G） | 1500 | 0 | 0 |
| 秸秆颗粒+微生物菌剂（JZ） | 0 | 30 | 1500 |
| 秸秆颗粒+土壤改良剂（JG） | 1500 | 0 | 1500 |
| 微生物菌剂+土壤改良剂（ZG） | 1500 | 30 | 0 |
| 秸秆颗粒+微生物菌剂+土壤改良剂（JZG） | 1500 | 30 | 1500 |
1.2 测定方法与计算
1.2.1 测定方法
在玉米收获期，在各个小区内随机选取5株玉米测量植株高度，并随机选取10株玉米果穗进行测产。测定穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重、单穗产量等性状，计算各小区产量。使用ELISA试剂盒检测土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性。采用重铬酸钾氧化外加热法测定土壤有机质含量；凯氏定氮仪测定土壤全氮含量；采用纳氏试剂光度法测定铵态氮；含量有效磷的测定采用碳酸氢钠-分光光度法，速效钾的测定采用采用乙酸铵浸提-火焰光度法。
1.2.2 土壤肥力综合性评价指数计算
养分肥力系数的计算：
式中：为养分肥力系数；x为各项参评指标测定值；与分别为参评指标分级标准下限、上限；为参评指标在分级标准中设定的拐点值；参评指标分级标准的设定主要以前人研究为参考，通过第二次全国土壤普查标准与实际测量值来确定（表2）。
土壤综合肥力指数计算：
式中：为土壤综合肥力指数；与分别为各参评指标分肥力系数平均值和最小值；n为参评指标个数。
| 分级 | 总氮（g/kg） | 铵态氮（mg/kg） | 速效磷（mg/kg） | 速效钾（mg/kg） | 有机质（g/kg） |
|---|---|---|---|---|---|
| 下限 | 0.75 | 10 | 10 | 50 | 10 |
| 拐点 | 1.5 | 20 | 20 | 100 | 20 |
| 上限 | 2 | 30 | 40 | 200 | 30 |
模糊评价养分指标采用S型抛物线隶属度计算公式：
式中：表示隶属度值；x为各项参评指标测定值；与分别为参评指标分级标准下限、上限；参评指标分级标准的设定主要以前人研究为参考，通过第二次全国土壤普查标准与实际测量值来确定（表2）。
酶活性指标采用线性隶属度计算公式，将各指标测定值最高的组分隶属度设置为1，其他的测定值与该指标最高值的比值为各自的隶属度值，计算公式为：
式中：为隶属度值；x为各项参评指标测定值；为指标最高测定值。
权重值的分配：采用因子分析和相关系数两种方法来确定权重值。因子分析法通过对参评指标进行主成分分析计算公因子方差，并通过公因子方差与所有公因子方差和的比值来确定权重值。相关系数法通过对参评指标进行相关性分析，能够得到参评指标间的相关系数绝对值之和的平均值，再通过与相关系数平均值总和的比值来得出该项肥力指标的权重系数。
土壤肥力质量综合指数计算公式：
式中：为第i项土壤肥力评价指标的隶属度值；为第i项土壤肥力评价指标的权重值。
1.3 数据分析
运用Excel2023对试验数据进行整理、分析及计算数值，应用Origin2022软件对实验数据制作相关图表，SPSS 27软件对实验数据进行单因素方差分析，并进行显著性分析（P<0.05），得出结论。
2结果与分析
2.1不同土壤改良剂对玉米性状及产量的影响
如表3所示，各处理玉米植株高度、穗长、百粒重、穗粒数及产量差异均不显著（P>0.05）。单施处理中，Z处理植株高度和穗粒数较高，G处理百粒重最高；联合处理中，ZG和JZG处理产量较高，较CK分别提高7.8%和10.0%，其中JZG处理产量最高。表明改良剂配施具有一定增产趋势，但未达到显著水平。
| 处理 | 玉米植株高度（m） | 玉米穗长度（cm） | 百粒重(g) | 穗粒数 | 玉米产量(t·hm-2) |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 2.39±0.14a | 17.06±0.36a | 38.25±1.84a | 557.07±29.84a | 9.00±0.47a |
| J | 2.35±0.11a | 16.40±1.18a | 39.39±1.35a | 547.38±39.08a | 9.14±1.60a |
| Z | 2.41±0.09a | 16.51±0.10a | 38.31±2.27a | 566.95±15.12a | 9.24±0.57a |
| G | 2.29±0.12a | 17.09±0.82a | 40.79±4.90a | 521.42±42.66a | 8.99±0.32a |
| JZ | 2.39±0.05a | 16.72±0.98a | 38.64±2.00a | 548.06±20.76a | 8.89±0.42a |
| JG | 2.37±0.05a | 16.16±1.29a | 40.26±3.15a | 514.68±8.87a | 8.83±0.67a |
| ZG | 2.39±0.18a | 17.63±1.17a | 38.85±4.64a | 584.28±23.35a | 9.70±0.85a |
| JZG | 2.32±0.16a | 17.65±1.54a | 39.98±4.67a | 575.33±33.79a | 9.80±1.57a |
注：同列中不同小写字母表示显著性差异（P<0.05）。下同。
2.2不同土壤改良剂对土壤养分的影响
由图1可知，单施改良剂土壤铵态氮、总氮、有机质含量关系为：Z>G>J，其中Z处理土壤铵态氮含量比CK处理显著提高了44.83%（P<0.05）。ZG、JZ、JZG处理土壤铵态氮含量与Z处理相比分别降低了17.73%、28%、33.47%（P<0.05），JG处理铵态氮含量也低于J、G处理，说明土壤改良剂联合施用产生了拮抗作用，降低了单施改良剂土壤中的铵态氮含量。菌剂与秸秆、化学改良剂配施后土壤中有机质，总氮含量也有所下降，其中JZG组分土壤有机质含量降低了7.00%。与CK相比，Z处理速效磷含量提高44.33%，G处理速效磷含量降低11.35%，联合施用后ZG处理降低了菌剂的处理效果，但改善了化学改良剂对速效磷的负面作用。与CK相比，JZG处理土壤速效磷含量显著提高了71.15%（P<0.05），G、ZG和JZG处理土壤速效钾含量分别提高了30.84%、27.06%、40.25%（P<0.05）。菌剂与化学改良剂配施可能抑制了化学改良剂的改良效果，三种改良剂配施对速效钾含量提升明显。
2.3 不同土壤改良剂对土壤生物指标的影响
由图2可知，与CK相比，各处理土壤脲酶、酸性磷酸酶、土壤蔗糖酶活性均有显著提升（P<0.05）。与Z相比，JZ处理土壤脲酶含量下降6.38%，ZG和JZG处理土壤脲酶含量分别上升47.27%、33.46%（P<0.05）。ZG组分土壤脲酶活性最高，比同施加两种改良剂的JG和JZ处理分别高出44.88%、56.64%（P<0.05）。与Z处理相比，ZG和JZG处理土壤蔗糖酶活性分别下降22.79%、49.64%。在Z处理中施加化学改良剂降低了土壤蔗糖酶活性，在ZG处理中加入秸秆后JZG土壤蔗糖酶活性进一步降低。JG和JZ处理土壤蔗糖酶活性分别比ZG高出33.67%、36.12%（P<0.05）。与J相比，JG和JZ处理土壤蔗糖酶活性分别提高了41.21%、10.87%（P<0.05）。分别在在Z和G处理中添加秸秆有助于提高土壤蔗糖酶活性。与J相比，JG和JZ处理土壤酸性磷酸酶活性分别提高38.19%、13.39%（P<0.05），其中JG处理土壤酸性磷酸酶活性最高，比同施加两种改良剂的ZG和JZ高出13.13%、21.87%（P<0.05）。G处理中过氧化氢酶活性最高，显著高于其他处理(P<0.05)。JG、ZG、JZ处理土壤过氧化氢酶活性显著低于J、G、Z处理。
2.4供试土壤肥力综合评价
土壤肥力质量综合指数运用内梅罗指数法、因子分析法、相关系数法计算。使用内梅罗指数法对施用土壤改良剂后总氮、铵态氮、速效磷、速效钾、有机质，5个养分指标进行计算。运用主成分分析法（表6）、相关系数法（表7），对代表土壤养分、酶活性的9个指标进行主成分分析和各指标间的相关系数计算权重系数。由表6可知，选取前四个特征值大于1的主成分对总方差的累计贡献率达到90%，能够很好地反应土壤各指标及整体信息。
由图4可知，通过内梅罗指数法计算得出，Z和ZG处理IFI显著高于CK（P<0.05）。通过因子分析法和相关系数法计算得出，与CK处理相比，各组分IFI值均有显著提升（P<0.05），单施菌剂对土壤肥力改善效果最好。通过三种评价方法可以得出单施菌剂综合肥力排序为：Z>G>J。联合施用时各处理差异较小，内梅罗指数法和相关系数法综合肥力排序为：ZG>JZ>JZG>JG，因子分析法与相关系数法评价后的IFI值趋近相同。各处理土壤综合肥力排序为：Z>G>ZG>JZ>JZG>JG>J>CK。从土壤改良剂的单施与配施后土壤综合质量的比较来看，三种评价方法均可得出：JG
| 项目 | 主成分 | 公因子方差 | 权重 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 2 | 3 | 4 | |||
| 特征值 | 3.136 | 2.082 | 1.872 | 1.012 | ||
| 贡献率（%） | 34.384 | 23.6 | 20.801 | 11.244 | ||
| 累计贡献率（%） | 34.849 | 57.984 | 78.785 | 90.029 | ||
| 因子载荷 | ||||||
| 铵态氮 | 0.841 | -0.249 | -0.379 | 0.267 | 0.984 | 0.121 |
| 速效磷 | 0.166 | 0.203 | 0.718 | 0.615 | 0.964 | 0.119 |
| 速效钾 | 0.563 | 0.792 | -0.075 | -0.141 | 0.970 | 0.120 |
| 有机质 | 0.652 | -0.719 | -0.026 | 0.062 | 0.947 | 0.117 |
| 总氮 | 0.746 | -0.183 | -0.481 | -0.160 | 0.847 | 0.105 |
| 脲酶 | 0.435 | 0.643 | 0.257 | -0.188 | 0.704 | 0.087 |
| 过氧化氢酶 | 0.508 | 0.499 | -0.362 | 0.423 | 0.817 | 0.101 |
| 酸性磷酸酶 | 0.596 | 0.011 | 0.471 | -0.544 | 0.874 | 0.108 |
| 蔗糖酶 | 0.547 | -0.372 | 0.746 | 0.042 | 0.996 | 0.123 |
| 肥力指标 | 相关系数平均值 | 权重 |
|---|---|---|
| 铵态氮 | 0.318 | 0.133 |
| 速效磷 | 0.167 | 0.070 |
| 速效钾 | 0.303 | 0.127 |
| 总氮 | 0.307 | 0.129 |
| 有机质 | 0.306 | 0.128 |
| 脲酶 | 0.238 | 0.099 |
| 过氧化氢酶 | 0.221 | 0.092 |
| 酸性磷酸酶 | 0.245 | 0.102 |
| 蔗糖酶 | 0.284 | 0.119 |
3讨论
作物产量受多种因素影响，如施肥方式、耕作方式和气候条件等。在所有影响玉米产量的农艺性状中，百粒重是对产量的直接影响较大的因素之一。在投加土壤改良剂后，处理百粒重大体成增加趋势，部分处理产量也有所提高，说明土壤环境质量得到改善。而玉米产量没有显著增加可能是由于速效钾含量偏低有关。经上述分析，速效钾为土壤改良后的肥力限制因素，土壤中的氮磷钾含量直接影响着作物产量。前人研究表明，单施氮磷钾肥料的产量远远小于联合施用。由于速效钾含量的限制，可能产生了“短板效应”，速效钾含量偏高的JZG和ZG处理产量较高。也可能是由于土壤改良剂改良时间短，在相似的研究中，土壤改良剂的施用在第一年无增产效果，需要多年的连续改良。短期的改良可能会使其错过对植物养分的最佳供给时间，从而影响作物产量，Z处理百粒重减少可能是由于菌剂在加入土壤后，对土壤环境本身的菌群产生影响，并且发挥作用较慢，在玉米粒的灌浆期没有更好的发挥改良作用从而影响产量。
土壤中的养分能够直接反应土壤肥力情况，是影响作物生长的关键因素。施用土壤改良剂会通过直接或间接的作用增加土壤中养分和有机质含量。在各处理中单施菌剂土壤中的铵态氮、总氮含量最高，其原理可能是菌剂中的解淀粉芽孢杆菌减少了土壤中的氨挥发、提高了氮的回收率。菌剂与其他改良剂配施后铵态氮、总氮含量比单施菌有所降低，可能是由于秸秆和化学改良剂的施加影响影响了土壤菌群的作用，使土壤中更多的氮元素转化为硝态氮。在前人的研究中，土壤改良剂联合施用后改良效果不佳，考虑到可能是改良剂施加量与施加方式对改良剂配施效果的影响。在单施土壤改良剂中，Z处理土壤中的速效磷含量最高。菌剂中的巨大芽孢杆菌能产生有机酸，可将土壤中的难溶的含磷物质分解或溶解，并转化成易被植物吸收的磷元素，提高磷元素的利用率。在前人的研究中发现，解磷菌能促进解钾菌和固氮菌的繁殖，提高土壤养分含量。在单施土壤改良剂中G处理速效钾含量最高，速效磷含量低于CK处理。G处理向土壤中添加了CaO和Fe等金属元素，磷素在土壤中与其离子形成化学沉淀，使得土壤中的速效磷转化为无效态磷，降低了土壤中速效磷含量。在Fang的研究中也发现施用土壤改良剂会使土壤钝化，使土壤中速效磷含量降低。在G处理中土壤改良剂联合施用后，JZG处理速效钾、速效磷含量都较单施改良剂要高，但有机质含量低于CK处理。可能是由于改良剂的联合施用加速了土壤中有机质的矿化，增加了速效磷，速效钾的含量。
在本次试验中土壤改良剂的施用显著增加了土壤蔗糖酶、土壤脲酶、土壤酸性磷酸酶活性。有研究表明，秸秆和化学改良剂中都含有丰富的有机营养物质，能够为土壤微生物提供更充足的营养元素供给，促进微生物生长代谢，提高酶活性。菌剂中的解淀粉芽孢杆菌也被证明可以改变微生物群落的组成，改变土壤结构，增加土壤孔隙度，从而改善土壤中水、气、热等条件，为微生物提供适宜生存环境，加速土壤有机物转化利用。在土壤修复性实验中，过氧化氢酶活性与微生物数量、活跃程度密切相关，常用来表征有害物质对生物的胁迫性和生化活性。在本次实验中JG、ZG、JZ处理过氧化氢酶活性比单施土壤改良剂降低，说明土壤改良剂联合施用可能过度地破坏了土壤菌落结构，降低了土壤微生物的生化活性。
由于不同种类的改良剂在土壤中的作用机理不同，配施后对土壤养分和酶活性的作用效果也有差异。为了更加科学的比较不同处理对碱性土壤的改良效果，采用内梅罗指数、相关系数、因子分析三种方法，计算土壤肥力质量指数（IFI）对本次改良效果做综合评价。通过前人对三种方法的比较[8]，内梅罗指数法对土壤肥力质量指数的计算更加准确，但无法很好的确定酶活性的分级标准。故同时采用三种方法进行综合评价。经计算，内梅罗指数法所得出的结果与因子分析法和相关系数法相同，且三种方法的出的IFI值具有显著的相关性（P<0.05），尤其是相关系数法与因子分析法有着极显著的相关性（P<0.01），证实了这两种方法在肥力评价上的一致性和通用性，同时也说明了评价结果的可靠性。
4结论
-
菌剂、秸秆、化学土壤改良剂配施后玉米产量最高，但改良剂的施加没有使玉米产量发生显著性变化。
-
在碱性土壤中加入菌剂能够显著提升土壤中的铵态氮和有机质含量。菌剂、秸秆和化学土壤改良剂联合施用对提高碱性土壤中的速效磷和速效钾含量表现出最佳效果。
-
土壤改良剂的施加均能改善碱性土壤中脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶、蔗糖酶活性。
-
各处理土壤综合肥力排序为：Z>G>ZG>JZ>JZG>JG>J>CK，单施菌剂时土壤综合肥力最高。
参考文献：
- [1] 孙波,张桃林,赵其国.我国东南丘陵山区土壤肥力的综合评价[J].土壤学报,1995(04):362-369.
- [2] 杨竣皓,骆永丽,陈金,等.秸秆还田对我国主要粮食作物产量效应的整合（Meta）分析[J].中国农业科学,2020,53(21):4415-4429.
- [3] 黄绍文,孙桂芳,金继运,等.氮、磷和钾营养对优质玉米子粒产量和营养品质的影响[J].植物营养与肥料学报,2004(03):225-230.
- [4] 赵晴月,许世杰,张务帅,等.中国玉米主产区土壤养分的空间变异及影响因素分析[J].中国农业科学,2020,53(15):3120-3133.
- [5] 杜康武,卢幸蓉,贺军强,等.不同改良措施对重茬和非重茬果园土壤酶活性的影响[J].北方园艺,2024(01):76-84.
- [6] 常慧萍,祝凌云,姚丽娟,等.小麦根际固氮菌、解磷菌及解钾菌的互作效应[J].中国土壤与肥料,2008(04):57-59.
- [7] 方红夏,王茜,卢树昌,等.土壤调理剂对高磷土壤玉米生长、磷素吸收与形态转化的影响[J].江苏农业科学,2019,47(14):70-73.
- [8] 包耀贤,徐明岗,吕粉桃,等.长期施肥下土壤肥力变化的评价方法[J].中国农业科学,2012,45(20):4197-4204.