濾泥施用量對不同品種甜菜產(chǎn)量及土壤中氮磷鉀含量的影響

蘇欣欣，胡曉航,2，馬亞懷,2，李彥麗,2

（1黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150008；2國家糖料改良中心，哈爾濱 150008）

0 引言

甜菜是中國重要的經(jīng)濟作物，年均播種面積20萬hm2左右[1]，廣泛種植于新疆、內(nèi)蒙古以及黑龍江，是中國北方重要的制糖作物。糖廠在運用碳酸法技術(shù)制糖過程中，會產(chǎn)生大量的濾泥[2]，它是一種具有較高價值的糖廠副產(chǎn)品[3]。但是國內(nèi)外對濾泥的處理方式大多以丟棄為主[4]，利用率低，易造成資源的浪費。濾泥作為糖料生產(chǎn)中一種常見的固體廢棄物，每生產(chǎn)10 t糖便要排出約1 t的濾泥[5]，而濾泥的堆放極易發(fā)生腐敗變質(zhì)問題[2]，對農(nóng)田小氣候造成巨大的影響。濾泥施用不僅對環(huán)境沒有任何副作用[6]，而且可以實現(xiàn)廢棄資源的再利用。

甘蔗和甜菜是中國主要的制糖原料[7]，甘蔗制糖工業(yè)是中國最早開展逆向物流的產(chǎn)業(yè)形態(tài)之一[8]，甘蔗濾泥的利用為甜菜濾泥的利用提供了參考依據(jù)。早在1987年，阿根廷通過試驗發(fā)現(xiàn)，濾泥施用可提高甘蔗產(chǎn)量[9]。甘蔗濾泥中含有豐富的S、Zn等[10]，作為農(nóng)肥[11]的施用不斷增加，近年來甘蔗濾泥也用于大麥、茄子等作物[12-13]。王殿法[14]通過盆栽試驗將甜菜濾泥施入土壤中，發(fā)現(xiàn)甜菜濾泥同樣可以增加甜菜的產(chǎn)量，改變土壤有機質(zhì)的含量。

如何施用濾泥能增加甜菜的產(chǎn)量，以及選擇適宜的氮磷鉀含量和pH將是甜菜產(chǎn)業(yè)關(guān)注的重點。目前，關(guān)于濾泥的研究大多以甘蔗為主，甜菜濾泥的研究很少。目前有關(guān)甜菜濾泥的研究多集中在實驗室進行模擬試驗[15]，并且對濾泥研究的切入點常以工業(yè)利用[16-18]和飼養(yǎng)[19]為主，以及濾泥代替方解石制備鈣長石基陶瓷的可行性研究[20]等，但是在還田養(yǎng)田，對土壤有效養(yǎng)分及甜菜產(chǎn)質(zhì)量影響的相關(guān)研究較少。國外對濾泥施入的研究大多是對甜菜植株的氮磷鉀含量進行研究[21]，但是對土壤中氮磷鉀含量的研究鮮見。通過對濾泥的研究發(fā)現(xiàn)，處理后的濾泥可做土壤的改良劑[22]，并且濾泥可使試驗植物中K、Ca含量增加[23]，而對種植不同品種糖用甜菜所需要濾泥的研究鮮見。目前關(guān)于濾泥還田的最佳用量的信息還十分有限[24]，并且對于濾泥還田的研究多為單一的品種，本研究通過設(shè)置3種濾泥施入量，在播后施入種植4個不同品種甜菜土壤中，以多品種類型的甜菜作為試驗對象，探究不同濾泥施用量對不同品種甜菜根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量的影響，以及濾泥施用量對土壤中堿解氮、速效磷、速效鉀及pH之間的影響，以期為不同甜菜品種如何選擇最適宜的濾泥施用量提供科學的依據(jù)，增加經(jīng)濟收益，減少對環(huán)境的污染，實現(xiàn)甜菜糖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗地狀況

試驗于2020年5月4日—9月26日在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)黑龍江大學呼蘭校區(qū)試驗地進行。該地處于北溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年平均氣溫為4.6℃，年平均降水量507.0 mm，無霜期144天。供試農(nóng)田土壤為東北典型甜菜田黑土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。供試糖用甜菜品種為KWS 1197（高糖型）、KWS 7748（高產(chǎn)型）、KWS 1479（標準型）和 Beta 2730（標準型）。

表1 試驗小區(qū)土壤基本理化性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

試驗在黑龍江大學呼蘭校區(qū)試驗基地進行，采用雙因素隨機區(qū)組試驗設(shè)計，因素一：甜菜的4個品種，即：KWS 1197、KWS 7748、KWS 1479和Beta 2730；因素二：4個甜菜品種分別設(shè)3個處理，即不施加濾泥(CK)、濾泥施用量為3750 kg/hm2(A1)、濾泥施用量為7500 kg/hm2(A2)。一共設(shè)12個小區(qū)，每個小區(qū)26.4 m2，行距0.67 m，植距0.2 m，試驗臺周圍設(shè)置保護行。所有參試品種均適時播種，各小區(qū)在甜菜生育期田間管理方式一致，均按照試驗要求進行。為了觀察濾泥施用量對同一甜菜品種的影響程度以及防止濾泥對不同甜菜之間影響，所以小區(qū)布局如圖1。

圖1 小區(qū)布局

1.3 樣本采集與處理

本試驗樣品采集于大田試驗。試驗前采集這12個小區(qū)的土壤，測定土壤中氮磷鉀以及pH的含量。在甜菜收獲之后，取新鮮土樣，經(jīng)過風干、研磨和過篩之后，在實驗室通過堿解擴散法測定土壤中的堿解氮、使用浸提劑測土壤中有效磷、通過浸提法測土壤中速效鉀的含量以及土壤的pH，每個樣品3次重復。在甜菜收獲期，進行測量塊根產(chǎn)量和含糖率。

1.4 指標測定

1.4.1 堿解擴散法測量土壤堿解氮的含量 甜菜收獲后，將4個甜菜品種所在地的土壤同時進行采樣，每個甜菜品種的土樣做3次重復，同時做空白試驗進行對照。采用堿解擴散法[25]對土壤中的堿解氮進行測量。使用0.005 N或0.01 N H2SO4標準液進行滴定，根據(jù)通用公式(1)計算堿解性氮N的值[26]。

式中V表示樣品滴定時用去NH2SO4標準液的體積；V0表示空白滴定時用去NH2SO4標準液的體積。

1.4.2 土壤有效磷含量的測定 同樣將土樣做3次重復，做空白試驗進行對照。將土壤放入帶蓋玻璃瓶中，加無磷活性炭以及浸提劑50 mL，放置在復式振蕩機上，用160～200 r/min的頻率振蕩30 min[27]，然后靜置，將上清液進行過濾。吸取濾液放入比色皿中，加入顯示劑后進行定容，用1 cm光比色皿在波長700 nm比色[28]。

1.4.3 NH4Ac浸提法測定速效鉀含量 將土樣放置三角瓶中，加入1 N中性NH4Ac溶液50 mL，用160～200 r/min的頻率振蕩30 min[29]，后進行過濾，同鉀標準系列溶液一起在火焰光度計上測定。

1.4.4 測定土壤的pH本試驗使用H2O對pH進行測量。所有土樣均做3次重復。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

使用SPSS 25.0軟件做顯著性方差分析、相關(guān)性分析。運用Excel整理、處理數(shù)據(jù)以及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加濾泥對土壤堿解氮含量的影響

土壤中氮的含量是影響甜菜塊根產(chǎn)量和含糖率的重要因素之一[30]。從圖2中可知，對于不同的甜菜品種，濾泥施用量不同所導致的土壤中堿解氮的含量存在著很大的差異。KWS系列甜菜品種，土壤中氮含量具有相同的趨勢，氮含量隨著濾泥施用量的增加而呈降低趨勢，即土壤中氮含量表現(xiàn)為CK＞A1＞A2，處理A1、A2分別與CK間差異顯著(P＜0.05)。在種植KWS 1479品種的小區(qū)，隨著濾泥施用量(3750、7500 kg/hm2)的增加，土壤中氮含量與CK相比分別降低了9.259%、9.229%，各處理間差異性顯著(P＜0.05)。在種植KWS 1197品種及在種植KWS 7748品種的小區(qū)，分別降低了1.708%、3.65%和8.732%、11.849%。而Beta 2730系列甜菜品種，土壤中氮的含量隨著濾泥施用量的增加而增加，表現(xiàn)為CK＜A1＜A2，與CK相比分別增加了3.558%、3.856%，但處理間差異不顯著。

圖2 不同濾泥施用量土壤中堿解氮含量

2.2 施加濾泥對土壤有效磷含量的影響

土壤中缺少有效磷將嚴重制約作物的生長[31]，施加不同程度的濾泥對土壤中有效磷的含量有影響。由表2可知，施加不同量的濾泥對土壤中有效磷含量的差異和變異系數(shù)影響不同。在3種處理中，以Bate 2730品種的極差最大，其次是KWS 7748、KWS 1479、KWS 1197。Beta 2730品種施加濾泥后，最大值34.1 mg/kg在A1處理，最低值為8.9 mg/kg，極差值為25.2 mg/kg。從濾泥施入量對不同品種變異系數(shù)的影響可以看出，Beta 2730品種的變異系數(shù)(45.33%)最大，說明濾泥施用量對Beta 2730品種影響最大。

表2 不同濾泥施用量土壤中有效磷含量

2.3 施加濾泥對土壤速效鉀含量的影響

由表3可知，種植不同甜菜品種小區(qū)土壤中的速效鉀的含量存在著很大的區(qū)別。就KWS 1479和Beta2730而言，土壤中施加3750kg/hm2的濾泥與7500kg/hm2的濾泥土壤中速效鉀的含量均低于CK（不施加濾泥）的值，各處理間存在顯著性差異(P＜0.05)；而Beta 2730的各處理之間不存在顯著差異。KWS 1197甜菜品種在A1處理中速效鉀的含量最大，與CK相比增加了12.956%。而KWS 7748在A2時，速效鉀含量達到最大，與CK相比增加了2.38%，各處理間差異性顯著(P＜0.05)。在相同的濾泥施用量中，土壤中速效鉀的含量存在著很大的差異。

表3 不同濾泥施用量土壤中速效鉀的含量

2.4 施加濾泥對土壤pH的影響

根據(jù)圖3可知，種植KWS 1479品種的土壤，CK值高于A1、A2處理，與CK相比分別降低了0.23、0.06，A1處理與CK之間差異性顯著，但是A2與CK之間不存在差異性。種植KWS 1197品種的土壤，A1、A2處理與CK相比pH變化率分別降低了0.18、增加了0.04，三者之間的顯著性與KWS 1479品種一致。KWS 7748品種中CK處理與A2呈顯著相關(guān)，與A1不存在顯著相關(guān)，表現(xiàn)為A1＜CK＜A2；Beta 2730品種中，A2與A1、CK之間均不存在顯著相關(guān)。與KWS系列品種相比，該品種A1、A2處理與CK相比pH變化率最大，分別降低了0.50、0.32。

圖3 使用H2O測pH結(jié)果

2.5 各處理間土壤主要理化性質(zhì)間的相關(guān)性

通過分析種植不同品種糖用甜菜土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀、pH之間的相關(guān)關(guān)系（表4）可知，在土壤的pH 5.55～5.78時，pH與有效磷和速效鉀呈正相關(guān)；pH＞6時，pH與堿解氮呈負相關(guān)。由表4可知，除種植KWS1479品種的土壤，堿解氮與有效磷、速效鉀、pH呈正相關(guān)，種植其他品種土壤的堿解氮與有效磷、速效鉀、pH呈負相關(guān)。

表4 各處理間土壤主要理化性質(zhì)間的相關(guān)性

2.6 施加濾泥對甜菜產(chǎn)量和含糖率的影響

由圖4～6可知，濾泥施用量對不同甜菜品種的含糖率和根產(chǎn)量的影響都是差異不顯著，但是濾泥對不同類型的甜菜品種的產(chǎn)量影響的差異較大。對于KWS系列品種，濾泥對高糖型產(chǎn)品的影響集中于產(chǎn)糖量，對高產(chǎn)型品種影響集中于根產(chǎn)量。而Beta品種的含糖率、根產(chǎn)量受濾泥的影響較大，但產(chǎn)糖量的影響較小。

圖4 不同濾泥施用量甜菜的含糖率

KWS 1197為高糖型品種，含糖率(x1)受濾泥施用量(y1)的影響較大，呈正相關(guān)，擬合的回歸方程如式(2)所示。

濾泥施用量僅對含糖率有較大的影響，則在A2處理達到最高值，與CK相比增加了0.41。但是該品種的根產(chǎn)量并沒有隨濾泥施用量的增加而增加，而是在CK時最大。由此得出的產(chǎn)糖量在A2處理時最大，比CK增加了168.174 kg/hm2。

圖5 不同濾泥施用量甜菜的根產(chǎn)量

圖6 不同濾泥施用量甜菜的產(chǎn)糖量

KWS 7748為高產(chǎn)型品種，根產(chǎn)量隨著濾泥施入先增加后降低，根產(chǎn)量(x2)受濾泥施用量(y2)形成的擬合方程如式(3)所示。

在施加3945 kg/hm2濾泥時，根產(chǎn)量達最大值6988.288 kg/hm2。該品種的產(chǎn)糖量也是在A1處理中達最大值，為6985.295 kg/hm2。

甜菜品種Beta 2730施加濾泥后的含糖率均低于CK。但根產(chǎn)量卻隨著濾泥的施用量的增加而增加，根產(chǎn)量(x3)受濾泥(y3)的影響呈線性正相關(guān)，擬合的回歸方程如式(4)所示。

根產(chǎn)量在A2時達到最高，與CK相比增加了19.522%，由此得出產(chǎn)糖量在A2時達到最大。

2018年的甜菜種植地與2019年相同，做3次重復，但是不施加濾泥。但是從圖7可知，2019年4個甜菜品種的CK值與施加濾泥后產(chǎn)量的平均值相比，都高于2018年的產(chǎn)量。

圖7 近2年甜菜產(chǎn)糖量的變化

3 結(jié)論

用甜菜制糖濾泥作為土壤改良劑，可以通過降低糖的雜質(zhì)含量來改善甜菜汁品質(zhì)，從而提高甜菜品質(zhì)。所以在對不同甜菜品種施加濾泥時，要根據(jù)品種的特性，選擇適宜的濾泥施加量。濾泥通過改變小區(qū)土壤中氮磷鉀的含量，對高產(chǎn)型甜菜品種(KWS 7748)和高糖型甜菜品種(KWS 1197)的影響最為顯著。適宜的施加濾泥，對于不同甜菜品種的土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量都有所增加，進而影響甜菜的產(chǎn)量，但濾泥施用量的多少還取決于甜菜的品種。本研究通過分析施加濾泥后土壤中氮磷鉀的含量對產(chǎn)量的影響，表明標準型品種KWS 1497、高糖型品種KWS 1179和Beta2730品種適宜的濾泥施用量為7500kg/hm2，高產(chǎn)型品種KWS 7748最適宜的濾泥施用量是3750 kg/hm2。濾泥對甜菜的影響是一個持續(xù)過程，本實驗對甜菜產(chǎn)量的研究僅一年時間，短期時間內(nèi)，對甜菜產(chǎn)量的影響并非十分顯著，應當培肥地力，對甜菜品種進行長時間的合理施肥。

4 討論

濾泥之所以會影響土壤以及甜菜的產(chǎn)量，主要是因為甜菜中含有大量的有機質(zhì)。隨著濾泥施入量的增加，甜菜有機質(zhì)及營養(yǎng)成分的增加使得土壤的養(yǎng)分含量產(chǎn)生變化[14]，進而影響土壤中堿解氮、有效磷、速效鉀的含量，直接影響甜菜的產(chǎn)質(zhì)量。為了提高肥料利用率，減少不合理投入，響應農(nóng)業(yè)農(nóng)村部提出的《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，因此我們要減肥增效，降低生產(chǎn)成本同時最大限度利用糖廠廢棄物，促進甜菜產(chǎn)量的增加。

氮素是作物生長不可缺少的因素[32]，前人研究表明，適量施氮肥，可以增加甜菜的根產(chǎn)量[33]。但是由于品種各性狀之間存在差異，不同品種糖用甜菜對氮素的需求不同。如王娟等[33]在塔額盆地的試驗得出，Bate796最適宜的氮肥推薦是210 kg/hm2。李強等[34]通過試驗表明對于KWS2409高產(chǎn)型甜菜品種而言，合理的施氮，能夠促進高產(chǎn)型甜菜產(chǎn)量的增加。本試驗研究發(fā)現(xiàn)堿解擴散法測定的種植3種KWS系列甜菜品種土壤中堿解氮的含量在A1處理中顯著降低（N含量平均降低6.67%），但A2處理中氮含量降低的程度則低于A1處理。就KWS系列品種而言，堿解氮的降低對甜菜含糖率或根產(chǎn)量都有所增加。甜菜品種KWS 7748是高產(chǎn)型甜菜品種，在A1處理中氮含量降低的程度最大，同時產(chǎn)糖量增加的幅度最大，說明對于高產(chǎn)型甜菜品種而言，施加3750 kg/hm2的濾泥最能達到減氮增效的作用。但是Bate系列品種與KWS系列品種的特性不同，種植甜菜品種Beta 2730土壤中的堿解氮的含量與濾泥施入量呈正相關(guān)，與李任任等得出的結(jié)論相同[15,35]。Beta 2730品種在A1與A2處理之間堿解氮的含量差別很小，同時含糖率并沒有隨著氮的增加而增加，反而在CK時最大，與王玉波等[36]得出的隨著氮肥的增加含糖率遞減的結(jié)論相同[37]。David等[38]學者試驗發(fā)現(xiàn)，隨著氮含量的增加，根產(chǎn)量以及產(chǎn)糖量都有所增加[39]，與本試驗得出的結(jié)論相同。說明不同系列的甜菜品種對氮的需求量不同，對含糖率、根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量的影響也不一樣。

磷素是構(gòu)成作物體內(nèi)許多重要有機化合物的組成部分，同時又以多種形式參與作物體內(nèi)的生理過程，對于促進作物生育過程、生理代謝和高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)都起著重要作用。Girma等[6]試驗得出，施加濾泥可以改善土壤中磷含量；曲文章等[40]試驗得出磷肥與甜菜的根產(chǎn)量呈正比，與含糖率沒有顯著影響。本試驗得出種植KWS 1197和KWS 7748（高糖型和高產(chǎn)型）品種的土壤中有效磷的含量始終高于CK值，同樣高產(chǎn)型品種在A1處理中達到最大，對含糖率的影響較??；而高糖型品種的含糖率隨著濾泥的施用而不斷增加，但對根產(chǎn)量影響較小。說明同一系列不同性狀的甜菜品種中的磷含量受土壤中磷素含量的影響存在差異。種植Beta 2730品種的土壤中磷素含量隨濾泥施用量變化的幅度最大，在施用7500 kg/hm2時，磷素含量降低至8.9 mg/kg，但是磷素大幅度降低對甜菜根產(chǎn)量以及含糖率的影響較小，可能是因為該品種對磷素的需求較小。

鉀素可以增加植物抵抗力，使植株生長健壯。種植KWS 1197甜菜品種的土壤中速效鉀的含量整體要高于CK值，并且各處理之間差異性顯著，產(chǎn)糖率與鉀的含量基本呈正相關(guān)，與丁偉等研究結(jié)論基本一致[41]。而KWS 1479品種速效鉀的含量與濾泥施用量呈遞減趨勢，同樣Bate 2730品種速效鉀的含量在CK時最大，其產(chǎn)糖量均在A2處理中達到最大?？赡苁且驗椴煌鸩似贩N對速效鉀的吸收性能不同，表現(xiàn)為施加相同濾泥而土壤中速效鉀的含量存在很大差異。

甜菜濾泥中除了含有氮磷鉀等有機質(zhì)，還含有大量的石灰，石灰是改變土壤pH的主要因素。濾泥通過改變土壤的pH，進而影響土壤中的氮磷鉀含量。楊繼權(quán)等[42]通過對酸性土壤施加熟石灰，發(fā)現(xiàn)土壤越接近中性土壤越有利于甜菜生長。甜菜作為典型的耐鹽堿作物[43]，雖然本試驗的土壤為酸性土，但是在A2處理后，土壤的pH整體都有所提高，同時產(chǎn)量也有所增加。在A1處理中，pH則隨著濾泥施用量的增加而降低，可能是由于濾泥的使用影響了土壤中微生物的活性[44-45]。王殿法等認為提高pH對甜菜的生長具有促進作用，一般可提高產(chǎn)糖量[14]，與本試驗得出KWS 1197（高糖型）和KWS 7748（高產(chǎn)型）在A2處理中，pH分別增加了0.04和0.08個單位，與之相對應，產(chǎn)糖量分別增加了 168.17 kg/hm2和 5.71 kg/hm2。

施入濾泥對土壤的氮磷鉀產(chǎn)生了影響，因此直接或間接地影響了不同品種甜菜的根產(chǎn)量和含糖率，塊根含糖率是影響甜菜品質(zhì)的重要因子[46]，表現(xiàn)出產(chǎn)糖量的差異。比如不同濾泥施入量對高產(chǎn)型品種KWS 7748的產(chǎn)糖量影響較小，而對于其他3個甜菜品種的產(chǎn)糖量，均隨濾泥施入量的增加有明顯的促進作用，與Salama等[23]學者得出的結(jié)論相同[44]。沈玉和[47]通過分析北方石灰性土壤，得出土壤pH本身就很高，而濾泥呈堿性，施加少量濾泥對提高土壤中氮磷鉀的含量意義較小，并認為施加濾泥會降低甜菜的產(chǎn)糖量，但本試驗土壤呈酸性所以與沈玉和得出的結(jié)論不符合。并且就近2年產(chǎn)量的對比來看，2019年施用濾泥的產(chǎn)量要高于2018年未施加濾泥的產(chǎn)量，與Aljabri[48-49]得出的濾泥能改善土壤的理化性質(zhì)，使土壤更不僅適合栽培而且可以增產(chǎn)增效的結(jié)論相同。

試驗表明，4種不同甜菜品種在不同的濾泥施用量時，種植小區(qū)土壤中氮磷鉀的含量和甜菜的產(chǎn)量達到最大值。有研究表明[50]不同甜菜品種對鉀等元素的吸收能力也不同。本試驗得出種植不同甜菜品種的土壤中氮磷鉀的含量并不一樣，可能原因是因為不同品種的甜菜對土壤中氮磷鉀的吸收能力存在很大差異。前人研究發(fā)現(xiàn)甜菜分泌磷酸酶的活性不僅受根際pH的影響而且受不同品種的影響[51]。本試驗得出4種甜菜的產(chǎn)糖量變化趨勢與土壤pH的變化趨勢基本一致。當濾泥施用量最大時，除品種KWS 7748之外，其余品種的產(chǎn)糖量均達到最大值。因此，初步認為在黑龍江地區(qū)如果針對不同類型糖用甜菜品種施入適量的濾泥還田，對甜菜產(chǎn)量有一定的增產(chǎn)增質(zhì)作用，但濾泥對甜菜產(chǎn)量的影響是多方面的，為了更好地了解濾泥對不同甜菜品種影響的差異，下一步應當開展關(guān)于濾泥施用量對不同甜菜品種在不同生育期內(nèi)對氮磷鉀含量的吸收和轉(zhuǎn)運的研究，以便更好地研究濾泥對不同甜菜產(chǎn)量影響的內(nèi)在機理，對不同甜菜品種進行合理的施用濾泥并達到增收的目的，并為甜菜的合理施加濾泥提供科學依據(jù)。