柳 萍,張 凱,馬 超,張 慧,楊 川
(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/新疆土壤與植物生態(tài)過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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)
【研究意義】2021年新疆棉花種植面積 2 506.1×103hm2,總產(chǎn) 512.9×104t,面積、總產(chǎn)在全國(guó)占比分別為 82.76% 和 89.50%。石灰性土壤磷素固持嚴(yán)重,導(dǎo)致磷肥當(dāng)季利用率低,也是限制許多地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。有機(jī)物料(有機(jī)酸、有機(jī)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(jī)碳,難以分解,有較強(qiáng)陽(yáng)離子交換量,其穩(wěn)定性強(qiáng)。研究評(píng)價(jià)有機(jī)物料對(duì)不同磷肥用量條件下棉田綜合效益,對(duì)棉花磷肥用量科學(xué)施用有重要意義。【前人研究進(jìn)展】具有較大的表面積可以增強(qiáng)吸附力,較強(qiáng)陽(yáng)離子交換量保持土壤養(yǎng)分,減少養(yǎng)分流失,增加可利用性磷的含量,提高利用率[2]。生物炭技術(shù)是將作物秸稈等生物質(zhì)材料或其衍生物進(jìn)行碳化,以適當(dāng)方式和標(biāo)準(zhǔn)施用于土壤以獲得相應(yīng)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和環(huán)境收益的科學(xué)和技術(shù)理念[3,4]。生物炭可以改善土壤質(zhì)量,保持土壤肥力,具有節(jié)水、節(jié)肥、固碳和提高作物產(chǎn)量等作用[3,5,6]。有機(jī)酸是普遍存在于自然界一類功能性有機(jī)物,由于其特殊的荷電特性與分子結(jié)構(gòu)[7],施入土壤可提高土壤磷素有效性[8,9],促進(jìn)作物磷素吸收[10]。有機(jī)酸提高土壤磷素有效性的機(jī)理包括:有機(jī)陰離子與磷酸根的配位交換[10];有機(jī)態(tài)的含磷化合物在pH值降低時(shí)部分水解[11-12];部分鐵鋁結(jié)合態(tài)磷鰲合溶解[13]。有機(jī)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(jī)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(jìn)土壤微生物生長(zhǎng)和磷素周轉(zhuǎn),提高土壤磷素有效性。有機(jī)肥分解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸,可通過酸溶、絡(luò)合溶解、陰離子代換和競(jìng)爭(zhēng)吸附等作用,改變土壤對(duì)磷素的吸附-解吸過程[15,16],提高土壤磷素有效性。有機(jī)肥添加對(duì)小麥[17]、水稻[18]、玉米[19]等作物的磷素吸收的增強(qiáng)和磷肥利用率提高有促進(jìn)作用。雷達(dá)圖分析法常用于對(duì)財(cái)務(wù)、教育、電力等領(lǐng)域中評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)[20-26]。【本研究切入點(diǎn)】石灰性土壤磷素固持嚴(yán)重,導(dǎo)致土壤磷素有效性低、化學(xué)磷肥投入量大、磷肥當(dāng)季利用率低,合適的磷肥施用方式和有機(jī)物料添加等技術(shù)可減少土壤磷肥固定、降低化學(xué)磷肥用量、提高磷肥當(dāng)季利用率,其綜合效益尚不清楚。關(guān)于有機(jī)物料添加的各個(gè)方面的效果研究較多,但綜合性評(píng)價(jià)較少,缺乏實(shí)際指導(dǎo)意義。需研究不同磷肥用量條件下有機(jī)物料添加的棉田綜合效益。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆膜下滴灌棉田為研究對(duì)象,運(yùn)用雷達(dá)圖分析的方法,在不同磷肥用量基礎(chǔ)上,設(shè)置有機(jī)物料添加和對(duì)照處理,測(cè)定棉田土壤速效磷、微生物生物量、堿性磷酸酶、植株累計(jì)吸磷量、植物生物量、磷肥利用率、產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益,基于雷達(dá)圖來評(píng)價(jià)棉田的綜合效益,分析研究土壤理化性質(zhì)、土壤生物活性指標(biāo)、磷素吸收指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo),評(píng)價(jià)有機(jī)物料對(duì)不同磷肥用量施用影響。
新疆阜康市光照充足,熱量豐富,年平均氣溫6.6℃。試驗(yàn)于2020年4~10月進(jìn)行,試驗(yàn)地位于阜康市彭家灣村冰湖三隊(duì)(88°01′N,44°17′E)?;就寥览砘誀顬橛袡C(jī)質(zhì)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(dǎo)率226.74 μS/cm。棉花品種為新陸早74號(hào)。
1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
以當(dāng)?shù)販y(cè)土配方施肥磷肥推薦用量(150 kgP2O5/hm2)為上限,設(shè)置0、50、100和150 kgP2O5/hm24個(gè)磷肥用量處理,每個(gè)磷肥用量處理下設(shè)置添加有機(jī)酸(OA,其主要材料為腐植酸類肥料),有機(jī)肥(OF,新疆慧爾農(nóng)業(yè)集團(tuán)股份有限公司 NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有機(jī)質(zhì)≥45%),生物炭(BC,秸稈生物炭)處理,每個(gè)處理4次重復(fù),共64個(gè)小區(qū),小區(qū)面積4 m×5 m,采取隨機(jī)區(qū)組分布,試驗(yàn)區(qū)總面積為1 280 m2。2020年4月播種,10月收獲。棉花采取當(dāng)?shù)啬は碌喂喾N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(qū)施入生物炭,有機(jī)肥(NPK(3-0.5-1.5)≥5%,有機(jī)質(zhì)≥45%)為底肥,后期追肥是施尿素(中國(guó)石油天然氣股份有限公司N≥46%),硫酸鉀(新疆農(nóng)家樂農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司 K2O≥50%,S≥16%),有機(jī)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(gè)生育期分6次滴水施肥,其他田間管理和農(nóng)藝措施均與新疆棉田普通采用的模式保持一致。
1.2.2 測(cè)定指標(biāo)
1.2.2.1 土壤生物活性
微生物生物量:運(yùn)用主成分分析法,根據(jù)土壤中某種特定的生物代謝成分的含量,測(cè)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(duì)硝基苯酚磷酸二鈉溶液后,搖勻,于37℃下培養(yǎng)1 h。培養(yǎng)結(jié)束后,添加CaCl2和NaOH溶液各4 mL終止反應(yīng);將濾液于400 nm處比色測(cè)定,計(jì)算堿性磷酸酶。
1.2.2.2 磷素吸收指標(biāo)
磷肥利用率:(施磷肥區(qū)磷素總累積量-不施磷肥區(qū)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(gè)小區(qū)每個(gè)部位樣品混在一起,稱取相對(duì)的植物重量,運(yùn)用H2SO4-H2O2消煮釩鉬黃比色法;
植物生物量:在吐絮期對(duì)植物進(jìn)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(zhǔn)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(diào)節(jié),25℃恒溫震蕩30 min,過濾,測(cè)定清液速效磷含量。浸提液中的速效磷運(yùn)用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法。
1.2.2.3 經(jīng)濟(jì)效益
棉花產(chǎn)量:棉花采收期時(shí)在各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)設(shè)置1個(gè)面積為1 m×1 m的樣方,記錄該樣方內(nèi)的棉花株數(shù),并統(tǒng)計(jì)每株棉花上的鈴數(shù)和單鈴重,總產(chǎn)量=單位面積株數(shù)×單株鈴數(shù)×單鈴重。
經(jīng)濟(jì)效益=(籽棉產(chǎn)量-棉花單價(jià))-成本-人工。
式中,成本包括肥料和有機(jī)酸成本、農(nóng)藥和脫葉劑成本、種子及小區(qū)所用滴灌帶成本、土地租賃費(fèi)用等;人工費(fèi)用(鋪地膜機(jī)械、滴灌帶鋪設(shè)、人工除蟲和無人機(jī)噴灑脫葉劑等費(fèi)用)。
1.2.2.4 計(jì) 算
無量鋼化指標(biāo)計(jì)算:按照式(1)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行無量綱化,將各指標(biāo)值約束在[0,1]范圍內(nèi)。
(1)
式中,Rij為評(píng)價(jià)指標(biāo)轉(zhuǎn)化值,rij為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值,maxrij為評(píng)價(jià)指標(biāo)最大值。
相鄰指標(biāo)夾角計(jì)算:相鄰指標(biāo)夾角用 α 表示。
(2)
式中,αij表示數(shù)軸i與數(shù)軸j之間的夾角,k為指標(biāo)個(gè)數(shù)。
綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算:將雷達(dá)圖的面積S和周長(zhǎng)L作為綜合評(píng)價(jià)的特征向量,構(gòu)建一個(gè)函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。應(yīng)用改進(jìn)版雷達(dá)圖計(jì)算方法[32],選用兩個(gè)參數(shù)作為評(píng)價(jià)函數(shù)的特征向量,進(jìn)行雷達(dá)圖分析改良劑對(duì)不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評(píng)價(jià)。
特征值的計(jì)算:雷達(dá)圖中有k個(gè)指標(biāo)組成,其面積也有k個(gè)扇形組成,扇形的2條邊由k個(gè)指標(biāo)中的任意兩個(gè)指標(biāo)組成,根據(jù)式(3)計(jì)算特征向量雷達(dá)圖面積和雷達(dá)圖周長(zhǎng)。式 (3) 中,Si為第i個(gè)對(duì)象的雷達(dá)圖面積,Li為第i個(gè)對(duì)象雷達(dá)圖周長(zhǎng),nij表示第i個(gè)對(duì)象第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。面積為各扇形面積之和,周長(zhǎng)為各段弧長(zhǎng)之和,不再隨指標(biāo)排列順序不同而變化[32]。
(3)
評(píng)價(jià)函數(shù)構(gòu)建及評(píng)價(jià):以Si和Li為基礎(chǔ)構(gòu)建評(píng)價(jià)函數(shù)V1和V2( 式 4),V2為周長(zhǎng)評(píng)價(jià)值,表示與相同面積的圓的周長(zhǎng)的比值,其數(shù)值越大表示該評(píng)價(jià)對(duì)象均衡性越好,反之越差;評(píng)價(jià)向量面積和周長(zhǎng)分別是綜合水平和指標(biāo)均衡性的增函數(shù)且vij∈[0,1]。根據(jù)評(píng)價(jià)向量綜合評(píng)價(jià)函數(shù),計(jì)算綜合的評(píng)價(jià)值Y(式 5)。
(4)
(5)
研究表明,2020年棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益隨著磷肥用量的增加而提高,呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢(shì),增加磷肥用量確實(shí)可以提高產(chǎn)量增加經(jīng)濟(jì)效益,在MAP50和MAP150磷肥用量時(shí),產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益得到了顯著提高。在不同磷肥用量處理下添加有機(jī)物料的處理中,棉花產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益隨著磷肥用量的增加而增加,呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢(shì),增加磷肥用量可以提高產(chǎn)量增加經(jīng)濟(jì)效益,其中添加有機(jī)肥在不同磷肥用量處理中MAP100+OF的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益得到的最高,在添加有機(jī)酸下不同磷肥用量處理中MAP100+OA的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)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(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益得到的最高。
速效磷隨磷肥用量的增加呈現(xiàn)先增后降低的趨勢(shì),在MAP50和MAP100磷肥用量時(shí)較好;在添加有機(jī)肥下不同磷肥用量處理,隨磷肥用量的增加速效磷呈現(xiàn)先增后趨于平穩(wěn)或略有降低的趨勢(shì),其中MAP100+OF和MAP150+OF高于其他處理,在添加有機(jī)酸下不同磷肥用量中,隨磷肥用量的增加速效磷呈現(xiàn)先增后降低再增長(zhǎng)的趨勢(shì),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(xiàn)先增后略有降低或趨于平穩(wěn)的趨勢(shì),其中MAP50+BC、MAP100+BC和MAP150+BC均不錯(cuò)。
酶活性隨磷肥用量的增加呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),在MAP150磷肥用量條件下,土壤堿性磷酸酶活性最好;添加有機(jī)肥下不同磷肥用量處理中,呈現(xiàn)先降后增再減少的情況,MAP100+OF處理的酶活性最好;添加有機(jī)酸下不同磷肥用量處理中,呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì),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(xiàn)先增在減少的趨勢(shì),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(xiàn)增加的趨勢(shì),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(jī)肥下不同磷肥用量處理中,呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì),MAP150+OF處理的土壤微生物生物量最高;添加有機(jī)酸和生物炭下不同磷肥用量處理中,均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),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(jì)吸磷量都隨磷肥用量的增加呈現(xiàn)增后減再增的趨勢(shì),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(jì)吸磷量最多;添加有機(jī)肥、有機(jī)酸和生物炭下不同磷肥用量處理中,均呈現(xiàn)先增后降低的趨勢(shì),其中MAP100+OF、MAP100+OA和MAP50+BC處理的植物累計(jì)吸磷量最多。
磷肥利用率隨磷肥用量的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),在MAP100磷肥用量條件下,磷肥利用率最優(yōu);其中添加有機(jī)肥和有機(jī)酸下不同磷肥用量處理中,均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),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(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì),其中MAP100+BC處理的磷肥利用率最高。表1
表1 棉田評(píng)價(jià)指標(biāo)
2.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化
研究表明,評(píng)價(jià)指標(biāo)的無量綱化進(jìn)行雷達(dá)圖分析之前要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,運(yùn)用公式(1)將評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化。表2
表2 棉田評(píng)價(jià)指標(biāo)無量綱化
2.2.2 CAD軟件繪制雷達(dá)圖
研究表明,隨著磷肥用量的增加各處理的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)均比MAP0+CK的各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)良好,其中MAP100+CK的處理表現(xiàn)最好;不同磷肥梯度下配施有機(jī)肥的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)顯示,MAP100+OF的處理表現(xiàn)最好;不同磷肥梯度下配施有機(jī)酸的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)顯示,其中MAP50+OA和MAP100+OA的處理表現(xiàn)較好;不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)顯示,在MAP100+BC的處理表現(xiàn)最好。圖1~4
注:CK×(0、50、100、150 kgP2O5/hm2),1~2:產(chǎn)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(jì)吸磷量;8~1:經(jīng)濟(jì)效益,下同
研究表明,100 kgP2O5/hm2配施有機(jī)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(jī)物料的處理比添加的綜合水平差;在相同有機(jī)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(jī)物料對(duì)不同磷肥用量條件下棉田的綜合評(píng)價(jià)
研究表明,根據(jù)向量綜合評(píng)價(jià)函數(shù),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(píng)價(jià)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(jī)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(shì),其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的處理最好;在配施有機(jī)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(shì),其中磷肥用量100 kgP2O5/hm2的處理最好;在配施有機(jī)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(shì),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(shì),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(jī)肥的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)
圖3 不同磷肥梯度下配施有機(jī)酸的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)
圖4 不同磷肥梯度下配施生物炭的棉田指標(biāo)評(píng)價(jià)
圖5 不同磷肥用量條件下有機(jī)物料添加處理的雷達(dá)法評(píng)價(jià)值
3.1近年來雷達(dá)圖分析法在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也得到了應(yīng)用,玉米區(qū)域品種評(píng)價(jià)[27]、大豆品種選育[28]、馬鈴薯品種[29]、稻米食味品質(zhì)研究等[30]。雷達(dá)圖從數(shù)據(jù)到圖形,結(jié)果呈現(xiàn)更加直觀;從單一到體系,對(duì)評(píng)估結(jié)果能實(shí)現(xiàn)多維度分析;操作簡(jiǎn)單、便捷[31]。傳統(tǒng)雷達(dá)圖根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算指標(biāo)與指標(biāo)間的角度,將無量綱化數(shù)據(jù)投影在對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)軸上連線形成雷達(dá)圖,即對(duì)不同處理進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)。但沒考慮“座次”的排序,評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相互影響,導(dǎo)致計(jì)算權(quán)重不一樣,面積大小和周長(zhǎng)的指標(biāo)結(jié)果不一樣的問題;或者在計(jì)算雷達(dá)圖面積和周長(zhǎng)時(shí)取各種情況的均值,從而計(jì)算特征向量和評(píng)價(jià)結(jié)果,但這種情況僅限于評(píng)價(jià)指標(biāo)較少的情況,如果指標(biāo)過多排列方式增加會(huì)導(dǎo)致計(jì)算難度加大。所以改用扇形雷達(dá)圖很好的解決了以上的問題,研究取的是各指標(biāo)的無量綱化值作為扇形的半徑,不論怎么改變指標(biāo)“座次”,特征向量雷達(dá)圖面積和周長(zhǎng)都不會(huì)變化,從而不會(huì)出現(xiàn)評(píng)價(jià)結(jié)果不唯一性。
3.2利用改進(jìn)版雷達(dá)圖分析有機(jī)物料對(duì)不同磷肥用量條件下棉田綜合效益評(píng)價(jià),得到棉田在磷肥用量及有機(jī)物料添加對(duì)棉田土壤指標(biāo)、植物磷素吸收及經(jīng)濟(jì)效益的影響,直觀的得出最優(yōu)的施肥方式。在今后還應(yīng)擴(kuò)大指標(biāo)覆蓋范圍,加強(qiáng)研究的系統(tǒng)性和深入性,使研究結(jié)果更具有實(shí)用價(jià)值。
100 kgP2O5/hm2配施有機(jī)肥調(diào)控是阜康市最優(yōu)的施肥結(jié)果,而其中在100 kgP2O5/hm2的磷肥用量為梯度最優(yōu),添加有機(jī)酸調(diào)控的為50 kgP2O5/hm2+有機(jī)酸處理最優(yōu),添加生物炭調(diào)控的為100 kgP2O5/hm2+生物炭處理最優(yōu),添加有機(jī)肥調(diào)控的為100 kgP2O5/hm2+有機(jī)肥處理最優(yōu)。在合理的磷肥用量條件下,增施有機(jī)物料可提高綜合效益。