張立丹,高誠祥,徐 檸,王學(xué)江,解永軍,孫少龍,樊小林
(1 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院/廣東高校環(huán)境友好型肥料工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510642; 2 五洲豐農(nóng)業(yè)科技有限公司, 山東 煙臺 264002; 3 施可豐化工股份有限公司,山東 臨沂 276000)
腐植酸(Humic acid,HA)是動植物殘體通過復(fù)雜的生物及物理化學(xué)作用形成的天然有機高分子混合物。按腐植酸相對分子質(zhì)量的大小和溶解性能可將其分為棕腐酸(又稱胡敏酸)、黑腐酸(又稱真腐酸)和黃腐酸(又稱富里酸)3大類。由于腐植酸的特殊結(jié)構(gòu)和官能團(tuán)賦予它對植物生長的刺激和促進(jìn)作用[1-2],所以幾十年來腐植酸的研究與應(yīng)用一直受到各界的關(guān)注。近40年來,由于化肥大量和不合理施用等原因[3-5],已導(dǎo)致我國70%的土壤存在耕作障礙,0.23×109hm2耕地被污染,土壤板結(jié)、養(yǎng)分失衡、有機質(zhì)貧乏等問題普遍存在[6-8]。特別是土壤酸化除了引起土壤物理化學(xué)障礙以外,更重要的是破壞了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[9-11],致使土傳病害嚴(yán)重,例如香蕉枯萎病的肆虐已經(jīng)威脅到我國香蕉產(chǎn)業(yè)[12-14]。
為了農(nóng)業(yè)的持續(xù)和健康發(fā)展,亟需開展耕地保育,為此腐植酸肥料引起各方面的長期關(guān)注。據(jù)國家化肥登記中心網(wǎng)站資料統(tǒng)計,近些年腐植酸肥料產(chǎn)品登記數(shù)量劇增,占前20多年同類產(chǎn)品登記總數(shù)的60%以上[15]。然而當(dāng)前腐植酸類型的肥料仍然是常規(guī)酸性或生理酸性化肥與腐植酸的復(fù)混肥。雖然肥料中的腐植酸有改土培肥的效果,但是由于化肥與腐植酸的雙重酸性導(dǎo)致腐植酸肥料的酸性更強,酸性對土壤的危害可能大于腐植酸本身的有益功能。例如肥料的酸性會加劇土壤的酸化,而土壤酸化又會進(jìn)一步帶來諸如土壤重金屬活化、病蟲害加劇等一系列土壤耕作障礙問題。故此,研發(fā)高pH化肥及其與腐植酸的復(fù)合(混)肥是解決問題的根本出路。本文作者團(tuán)隊提出了堿性肥料的概念[16],并研發(fā)了堿性肥料、堿性腐植酸肥料的制造與應(yīng)用技術(shù)。然而相對而言,我國的堿性腐植酸肥料研究還相當(dāng)薄弱。同時,我國腐植酸肥料主要應(yīng)用于三大糧食作物及部分蔬菜、棉花等經(jīng)濟(jì)作物上[17]。在小麥、玉米、水稻作物上施用酸性腐植酸肥料[18-20],不但其酸害不明顯,特別是施用于北方種植小麥、玉米的石灰性土壤上,還能降低土壤pH,有利于作物生長。但是,在南方的酸性土壤上施用酸性腐植酸肥料,不僅難于發(fā)揮腐植質(zhì)的改土作用,而且由于肥料的酸性還會造成土壤Cd等重金屬活化[21-22]、加劇香蕉枯萎病發(fā)生[9,12,14,23]。如果將腐植酸肥料的化學(xué)性質(zhì)由酸性改變成堿性,那么上述問題就會迎刃而解,同時還能充分發(fā)揮腐植酸的各種有益功能。腐植酸型堿性液體復(fù)合肥料就是本文作者所在廣東高校環(huán)境友好型肥料工程技術(shù)研究中心針對目前酸性腐植酸肥料的短板而研發(fā)的新型腐植酸肥料。本文以熱帶亞熱帶酸性土壤及該地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物香蕉為對象,系統(tǒng)地研究腐植酸堿性液體肥料對香蕉的生長效應(yīng),并通過土壤微生物群落數(shù)量、土壤養(yǎng)分、土壤酶活性等方面的研究,揭示腐植酸堿性液體肥料的作用機理,為腐植酸型堿性液體復(fù)合肥在香蕉產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。
供試肥料是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廣東高校環(huán)境友好型肥料工程技術(shù)研究中心研發(fā)的腐植酸型堿性液體復(fù)合肥料(簡稱腐植酸堿性液體肥)。腐植酸堿性液體肥是參考含腐植酸水溶肥料標(biāo)準(zhǔn)[24],采用羥甲基脲醛工藝制造的,與對照肥料氮磷鉀相等、腐植酸質(zhì)量濃度分別為0、10、30和50 g/L,分別標(biāo)記為AF0、AF1、AF2和AF3。肥料的氮磷鉀總量均為500 g/L,N、P2O5、K2O 質(zhì)量比為 1.0∶0.5∶2.0,pH 為9.0。另外,以尿素、過磷酸鈣及硫酸鉀、氯化鉀為原料配制氮磷鉀總質(zhì)量比為45%,其氮、磷、鉀比例與液體復(fù)合肥相等的摻混肥為常規(guī)復(fù)合肥,標(biāo)記為Comp。共計5種供試肥料,即5個試驗因素。
供試土壤采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)樹木園,風(fēng)干后過10 mm篩,按照土壤∶椰糠為2.5∶1.0的體積比混合。供試土壤的理化性狀如下:全氮0.73 g/kg,速效氮 46.62 mg/kg,速效磷 0.45 mg/kg,速效鉀 55.35 mg/kg,有機質(zhì) 11.70 g/kg,土壤 pH 6.1。
供試盆缽是盆口直徑17 cm,高度15 cm的紅色塑料盆,每盆裝土2.2 kg。供試地點在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)廣東高校環(huán)境友好型肥料工程技術(shù)研究中心網(wǎng)室。供試作物是具有4片綠葉的健康巴西蕉假植苗。選用香蕉為供試作物的優(yōu)點一方面在于它是典型的熱帶亞熱帶作物,有利于研究結(jié)果在當(dāng)?shù)氐膽?yīng)用,另一方面香蕉生長期長,即使研究其苗期的肥料效應(yīng),時間長達(dá)3個月,已達(dá)到熱帶亞熱帶葉菜和大部分果菜的生長期,結(jié)果對這類大田作物有一定的指導(dǎo)意義。
試驗采用5因素(上述5種肥料)對比設(shè)計,即腐植酸AF0、AF1、AF2和AF3和常規(guī)復(fù)合肥Comp共5個處理,其中Comp和AF0為對照,每個處理重復(fù)6次,每盆1株,單株為1個重復(fù)。Comp和AF0的比較用于研究常規(guī)固態(tài)肥料與等養(yǎng)分液體肥料的差異,AF0和FA1、FA2、FA3的比較用于研究等養(yǎng)分液體肥料中有無腐植酸的差異。每個處理的養(yǎng)分用量相等,即香蕉移栽后第1個月,每周施肥1次,肥料溶液的質(zhì)量濃度為2 g/L,每次澆灌200 mL/盆。第2個月開始至試驗結(jié)束每周施肥1次,肥料溶液的質(zhì)量濃度為3 g/L,每次澆灌200 mL/盆。香蕉移栽 90 d 后收獲采樣。香蕉生長期進(jìn)行正常的澆水、病蟲害防治等日常管理。
肥料N、P、K的含量參考農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1977—2010方法測定[25]。腐植酸的含量根據(jù)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1971—2010方法測定[26]。土壤pH用電位計法測定;土壤銨、硝態(tài)氮用0.01 mol/L 的CaCl2浸提,然后用AA3自動分析儀測定;土壤有效磷用NH4F-HCL法測定[27]。香蕉株高用直尺統(tǒng)一測量基部到最新完全展開葉與莖的交叉點的距離(精度0.1 cm);莖粗用游標(biāo)卡尺統(tǒng)一測量距地表2 cm處香蕉假莖的直徑 (精度 0.1 mm);葉面積 = 葉長×葉寬×0.762 9+0.026 6,其中 0.763 9 和 0.026 6為香蕉葉面積系數(shù);葉片葉綠素相對含量用便攜式502 SPAD儀測定完全展開的倒數(shù)第2片葉的SPAD值,每片葉子測6個點,包括葉緣基部、中部和尾部,最后取平均值。根系活力用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定[28]。土壤微生物群落用平板培養(yǎng)法測定[29]。土壤脲酶活性用靛酚藍(lán)比色法測定,土壤磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定[29]。
數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析采用SPSS 17.0軟件,圖表采用 Microsoft office excel繪制。
表1結(jié)果表明,常規(guī)復(fù)合肥(Comp)和無腐植酸堿性液體肥(AF0)間的株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD值無顯著差異,表明肥料的形態(tài)以及液體肥的堿性不影響其肥效。但是腐植酸堿性液體肥處理(AF1、AF2和AF3)的株高均顯著大于Comp和AF0處理的株高,其中,比Comp的增加了2~4 cm,比 AF0的增加了 3~5 cm。AF1、AF2和AF3處理的葉面積明顯大于Comp和AF0處理的,其中,比 Comp 的增加了 50~65 cm2,比 AF0 的增加了 85~100 cm2。結(jié)果顯示,Comp、AF0、AF1 和AF2處理間的莖粗無統(tǒng)計學(xué)上的差異,只有AF3的莖粗較Comp的增加了11%,且差異顯著。AF1、AF2和AF3處理的SPAD值明顯大于AF0的。由此可見,當(dāng)養(yǎng)分含量相等時,Comp和AF0的肥效相等,但是兩者的肥效不如堿性液體腐植酸肥料的肥效,腐植酸堿性液體肥能更好地發(fā)揮其堿性與腐植酸的協(xié)同效果,從而增加葉面積和葉綠素的含量,促進(jìn)香蕉生長。
表1 腐植酸堿性液體肥(AF)對香蕉株高、莖粗、葉面積和葉片SPAD值的影響1)Table 1 Effect of humic acid alkline liquid fertilizer (AF) on plant height, stem diameter, leaf area and SPAD value of banana
腐植酸型堿性液體肥有利于香蕉生長和光合作用的效果還體現(xiàn)為能明顯地提高香蕉的生物量(表2)。與Comp和AF0相比,腐植酸堿性液體肥料處理(AF1、AF2和AF3)的根鮮生物量分別提高了10.2%~15.1%和5.9%~10.7%。但AF1、AF2和AF3處理間的根鮮生物量差異不顯著。AF1、AF2和AF3處理的莖鮮生物量比Comp和AF0處理分別提高了16.1%~26.0%和8.1%~17.4%,三者間以AF3處理顯著高于其他2個處理,提高了6.8%~8.6%。AF1、AF2和AF3處理的葉鮮生物量比Comp和AF0處理的分別提高了27.5%~41.8%和13.3%~26.1%,三者之間結(jié)果與莖鮮生物量一致,以AF3最高,較AF1和AF2提高了6.3%~11.2%。AF0處理的莖、葉鮮生物量明顯大于Comp的,分別增加了約7.3%和12.5%。就地上部鮮生物量而言,施用腐植酸堿性液體肥和無腐植酸堿性液體肥均能明顯增加香蕉的地上部生物量。AF0、AF1、AF2和AF3的地上部鮮生物量分別比Comp的增加了9.4%、24.3%、20.7%和32.5%,其中腐植酸堿性液體肥的生物量比無腐植酸堿性液體肥的增加了10.3%~21.0%。說明腐植酸具有明顯的促生效果,而且腐植酸與堿性液體肥的復(fù)合更能顯著提高香蕉的生物量。
表2 腐植酸堿性液體肥(AF)對香蕉單株鮮生物量的影響1)Table 2 Effect of humic acid alkaline liquid fertilizer (AF) on fresh biomass per plant of banana g
肥料處理對香蕉根系活力影響的結(jié)果見圖1。3個腐植酸堿性液體肥處理的根系活力均顯著大于常規(guī)復(fù)合肥(Comp)和無腐植酸堿性液體肥(AF0)的,其中AF1、AF2和AF3的根系活力比Comp的分別增加了89%、148%和66%,比AF0的分別增加了119%、188%和93%。AF2處理的根系活力增量最大,分別比AF1和AF3增加了32%和49%。根系活力強則有利于香蕉根系吸收利用養(yǎng)分和水分而促進(jìn)其生長。由此可見,腐植酸堿性液體肥較常規(guī)復(fù)合肥和無腐植酸堿性液體肥可以顯著地提高香蕉根系活力,且在腐植酸用量為30 g/L時對于增加香蕉根系活力的效果最佳。無腐植酸堿性液體肥和常規(guī)復(fù)合肥處理間的根系活力無顯著差異,因此,堿性肥料與腐植酸配合是增加香蕉根系活力的有效措施。
圖1 腐植酸堿性液體肥(AF)對香蕉根系活力的影響Fig.1 Effect of humic acid alkaline liquid fertilizer (AF)on root vigor of banana
肥料處理對土壤脲酶和酸性磷酸酶活性影響的結(jié)果見圖2。5個處理的脲酶活性大小為AF2 >AF3 > AF1 > AF0 > Comp,其中 AF1、AF2 和AF3處理的脲酶活性比Comp處理的分別增加了25%、91%和61%,比AF0處理的分別增加了7.0%、64.4%和38.3%。AF0和Comp處理的脲酶活性也有明顯的差異,前者比后者的增加了16%(圖2A)??梢?,堿性液體肥較常規(guī)肥復(fù)合肥可明顯增加土壤脲酶活性,其中腐植酸用量為30 g/L 時的效果最佳,促進(jìn)脲酶活性最明顯,這一結(jié)果和腐植酸堿性液體肥對根系活力影響的結(jié)果一致。腐植酸堿性液體肥對土壤酸性磷酸酶活性影響的結(jié)果表現(xiàn)為,AF1、AF2、AF3的酶活性均顯著高于Comp和AF0處理的,分別是Comp的3.5、3.3和3.4倍,分別是AF0的2.6、2.5和2.4倍,3個腐植酸堿性液體肥料之間的酸性磷酸酶活性無顯著差異,Comp和AF0之間無顯著差異(圖2B)。脲酶是土壤氮素循環(huán)中的關(guān)鍵酶,其活性與土壤氮素的轉(zhuǎn)化關(guān)系密切,酸性磷酸酶參與土壤有機磷分解。故此,腐植酸堿性液體肥較常規(guī)肥料在提高土壤脲酶和酸性磷酸酶活性方面功能更強,從而改善香蕉的氮、磷營養(yǎng)。綜合土壤脲酶活性和土壤酸性磷酸酶活性,肥料中腐植酸用量為30 g/L 時為宜。
圖2 腐植酸堿性液體肥(AF)對土壤脲酶和酸性磷酸酶活性的影響Fig.2 Effects of humic acid alkaline liquid fertilizer (AF) on soil urease and acid phosphatase
土壤礦質(zhì)態(tài)氮是土壤中銨態(tài)氮(NH4+)與硝態(tài)氮(NO3-)之和。本文研究礦質(zhì)態(tài)氮的目的一方面在于檢驗肥料的堿性是否會造成氨的損失;另一方面是為了檢驗肥料的腐植酸是否可以通過改良土壤微生物群落而改善土壤的氮素營養(yǎng)狀況。結(jié)果表明,在施氮量相等的條件下,AF1、AF2、AF3處理土壤的銨態(tài)氮含量均顯著高于對照處理(Comp和AF0),其中腐植酸堿性肥料處理之間、常規(guī)肥料和無腐植酸堿性液體肥處理之間的銨態(tài)氮含量無統(tǒng)計學(xué)差異(圖3A)。說明施用堿性肥料并未導(dǎo)致氨揮發(fā)而損失氮素,而腐植酸的加入明顯增加了香蕉可利用的氮。其可能原因是肥料中的腐植質(zhì)促進(jìn)了土壤脲酶的活性(圖2)。圖3B結(jié)果還表明,腐植酸堿性液體肥處理(AF1、AF2和AF3)和常規(guī)肥料處理(Comp)、無腐植酸堿性肥(AF0)間硝態(tài)氮含量均無顯著差異。說明無論是堿性肥料還是常規(guī)肥料并未影響土壤的硝化作用,其可能原因和酸性土壤硝化作用弱有關(guān)。就土壤礦質(zhì)態(tài)氮而言,AF1、AF2、AF3的礦質(zhì)態(tài)氮含量無統(tǒng)計學(xué)差異,但是均大于Comp和AF0的含量。由此可見,施用腐植酸堿性液體肥不但不會造成土壤氮素?fù)p失,反而能夠明顯地增加土壤的礦質(zhì)態(tài)氮含量,從而提高土壤供氮量,改善香蕉的氮素營養(yǎng)。
圖3 腐植酸堿性液體肥(AF)對土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量的影響Fig.3 Effect of humic cacid alkaline liquid fertilizer (AF) on mineral nitrogen content in soil
施用腐植酸堿性液體肥明顯增加了土壤有效磷含量(圖4)。無腐植酸堿性液體肥處理(AF0)和常規(guī)復(fù)合肥處理(Comp)間的有效磷含量無顯著差異,但均顯著低于腐植酸堿性液體肥處理AF1、AF2、AF3。腐植酸堿性液體肥處理間以AF3的有效磷含量顯著大于AF1和AF2處理的。就平均土壤有效磷含量而言,腐植酸堿性液體肥處理比未添加腐植酸的Comp和AF0增加了127%,其中AF3處理比Comp和AF0平均增加了183%,AF1和AF2處理比Comp和AF0平均增加了99%。其主要原因是肥料中添加腐植酸后明顯增加了土壤的酸性磷酸酶活性(圖2),從而有利于土壤有機磷的水解[30]??梢?,肥料中施用腐植酸堿性液體肥能夠顯著提高土壤中有效磷含量,減少磷元素的固定和損失,其中以腐植酸用量為50 g/L 時效果最佳。
圖4 腐植酸堿性液體肥(AF)對土壤有效磷含量的影響Fig.4 Effect of humic acid alkaline liquid fertilizer (AF)on available phosphorus content in soil
由表3可知,細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均是堿性腐植酸肥料處理明顯多于Comp和AF0,Comp和AF0之間無顯著差異。在腐植酸堿性肥料中,表現(xiàn)為隨著肥料中腐植酸用量的增大,土壤的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量隨之增加,當(dāng)腐植酸的用量為50 g/L(AF3)時微生物數(shù)量最多。其中AF3、AF2、FA1的細(xì)菌數(shù)量分別是Comp的14.4 、4.1和1.6倍,AF3和AF2的細(xì)菌數(shù)量分別是AF0的10.6和3.0倍;AF3、AF2、FA1的真菌數(shù)量分別是Comp的26.7、2.6和1.7倍,分別是AF0的56.0、5.8和3.9倍;AF3、AF2、FA1的放線菌數(shù)量分別是Comp的3.8、2.3和2.6倍,分別是AF0的 2.0、1.2和1.4倍。可見,土壤施用堿性肥料與腐植酸協(xié)同(腐植酸堿性液體肥)是增加土壤微生物數(shù)量、改善土壤微生物結(jié)構(gòu)、促進(jìn)植物生長的有效措施,肥料中腐植酸用量為50 g/L時,土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量均最多。
表3 腐植酸堿性液體肥(AF)對土壤微生物數(shù)量的影響1)Table 3 Effect of humic acid alkaline liquid fertilizer (AF) on microbial population quantity in soil
當(dāng)前我國耕地面臨的問題是土壤酸化和土壤有機質(zhì)缺乏引起的耕地質(zhì)量退化。提升耕地質(zhì)量和保障作物健康生長和優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的關(guān)鍵就在于改良過低的土壤pH,并防止土壤進(jìn)一步酸化,同時增加土壤有機質(zhì),為此就要從根治耕地退化的源頭著手。我國耕地酸化的直接原因是長期大量、過量和不合理施用化學(xué)酸性化肥(如復(fù)合肥)和生理酸性化肥(如尿素、銨態(tài)氮肥)。近40年來,紅壤pH從第2次土壤普查的6.0~6.5,下降到了目前的5.5左右,平均下降了0.2~0.5個單位,有些土壤降低了1.5~2個單位[3-5]。土壤酸化又導(dǎo)致了土壤Cd等重金屬活化及其污染,并通過食物鏈威脅人類健康[31-32]。土壤有機質(zhì)缺乏的原因是施入土壤的有機肥質(zhì)量良莠不齊,很多有機肥缺乏腐植質(zhì),對土壤的培肥改良效果不佳。盡管治理土壤酸化及其引起的土壤重金屬污染、增加土壤有機質(zhì)和提升地力是國家耕地保育的重中之重,然而長期以來,治理土壤酸化的方法是施用石灰和石灰性工業(yè)廢棄物,而長期施用石灰不僅導(dǎo)致土壤板結(jié),且改良效果不持久,容易返酸[33];施用石灰性工業(yè)廢棄物又可能造成新的土壤污染問題。因此,要實現(xiàn)治理土壤酸化、土壤重金屬污染和提升地力,就必須從綠色投入品著手,即研發(fā)和施用新型的堿性肥料替代常規(guī)的酸性或生理酸性肥料,實現(xiàn)在施肥和給作物提供營養(yǎng)物質(zhì)的同時改良土壤酸性。也就是說解決由于大量和不合理施肥引起的土壤酸化、土壤酸化又導(dǎo)致Cd污染問題之根本出路在于改變肥料的酸堿性,同時將腐植酸和肥料結(jié)合,研制腐植酸型堿性肥料,這也就是本文研究的目的所在。以往的研究證明堿性肥料的堿性可以中和土壤的活性酸和潛性酸而改良土壤酸性[34],與普通肥料比較,堿性肥料還具有抗病促生的功能[9,16,23]。若肥料中再附以腐植酸,直接增加土壤的腐植質(zhì),既可培肥和改良土壤,又可為作物提供生長調(diào)節(jié)物。因此,腐植酸堿性液體復(fù)合肥是可以替代常規(guī)復(fù)合肥的功能肥料。
本文研究結(jié)果證明,應(yīng)用腐植酸堿性液體肥有利于促進(jìn)香蕉苗的生長,包括促進(jìn)株高、莖粗和葉綠素含量,增加香蕉苗的生物量,為香蕉高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)打好基礎(chǔ)。本研究結(jié)果還表明:施用腐植酸堿性肥料后,肥料的堿性改良了土壤酸性環(huán)境,使其有利于土壤微生物多樣性;肥料的腐植酸增加了土壤的脲酶和酸性磷酸酶活性,從而增加了土壤的礦質(zhì)態(tài)氮和有效磷等養(yǎng)分;堿性環(huán)境和腐植酸協(xié)同作用有利于改善土壤環(huán)境和土壤營養(yǎng)狀況,使香蕉的根系活力增加,從而促進(jìn)香蕉的生長。
由此我們認(rèn)為研制和推廣應(yīng)用腐植酸堿性液體肥料是以肥治肥、以肥治酸改土、培肥土壤和營養(yǎng)作物的有效措施。
與常規(guī)肥料相比,施用腐植酸堿性液體肥能明顯促進(jìn)香蕉生長,其機制在于一方面肥料的堿性改良了土壤酸性環(huán)境,增加了土壤細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量,促進(jìn)了土壤微生物多樣性;另一方面是肥料中的腐植酸增強了土壤的脲酶和酸性磷酸酶活性,改善了土壤的氮、磷營養(yǎng)狀況,從而有利于香蕉生長。今后相關(guān)領(lǐng)域可以進(jìn)一步開展固體腐植酸堿性肥料制造技術(shù)、應(yīng)用效果和機理的深入研究。