施用于土壤中的碳基生物刺激剂对玉米和大豆的籽粒产量和品质有着不同的影响

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Soil-applied carbon-based biostimulants differentially affect maize and soybean grain yield and quality

玉米和大豆种植中碳基生物刺激剂的效果分析。玉米通过播种沟施用糖蜜/酵母提取物（MYE）或腐殖酸（HA）显著提升产量（平均增产310-370 kg/ha）和 grain protein 浓度（+1.7-1.8 g/kg），净利润达$29-63/ha；大豆则无产量提升，部分处理导致$51/ha亏损。研究显示非胁迫条件下MYE/HA对玉米有效但大豆无效。

　　
### 碳基生物刺激剂在玉米和小豆生产中的效果及经济性分析

#### 研究背景与目的
近年来，碳基生物刺激剂（如腐殖酸和糖蜜/酵母提取物）在农业中的应用日益广泛。这些产品通过多种机制（如改善土壤结构、提高养分有效性、调节植物激素等）潜在影响作物生长。然而，多数研究集中在逆境条件下（如干旱、盐碱），而对肥沃土壤中常规作物的效果存在知识空白。本研究聚焦于美国中西部肥沃的Mollisols土壤（如黏壤土和壤土），探讨在非胁迫环境下，2020至2022年连续三年对玉米和小豆的产量及品质影响，并评估其经济可行性。

#### 材料与方法
研究在伊利诺伊州Champaign的三个试验站点进行，土壤类型包括Flanagan黏壤土和Drummer壤黏土，具有丰富的有机质（34%-45%）和适宜的氮磷钾含量（表1）。玉米（DKC63-90品种）和小豆（AG33XF系列）均采用随机完全区组设计，设置五类处理：对照（未处理）、土壤广播MYE、土壤广播HA、沟施MYE、沟施HA。MYE（BIOZ Diamond）和HA（Hydra-Hume A）的施用量分别为1.09 kg/molasses + 0.11 kg/yeast extract ha?1和1.16 kg HA ha?1。统计分析采用SAS 9.4，考虑年份、处理组合及重复效应，并通过功率分析验证样本量需求。

#### 关键发现
1. **玉米产量与品质提升**
- **产量**：沟施处理显著提高玉米产量，三年平均增产310-370 kg ha?1，其中沟施MYE效果最佳（+370 kg ha?1）。广播处理虽数值增产，但未达统计学显著水平。
- **品质**：广播HA和沟施MYE使玉米蛋白质浓度分别提高1.7 g kg?1和1.8 g kg?1，总蛋白产量增加40-50 kg ha?1。油分浓度未受影响，但总油量因增产而自然上升。
- **经济回报**：沟施MYE或HA为玉米带来$29-63 ha?1的收益，尤其在2022年干旱条件下仍保持盈利。

2. **小豆的无效响应**
- 无论是广播还是沟施MYE或HA，小豆产量均无显著提升，且部分处理（如沟施MYE）导致产量下降。
- 质量指标上，广播HA和小豆产量相关系数为-0.6，表明可能的负面影响。

3. **机制探讨**
- **玉米增产机制**：早期氮素供应可能通过促进叶面发育和根系生长，提高分蘖率和穗粒数。蛋白质浓度提升与氮代谢增强相关，而沟施可精准作用于种子周围土壤，维持养分有效性。
- **小豆无响应原因**：小豆为固氮作物，过量外源氮可能抑制根瘤菌活性，导致氮素利用效率降低。此外，MYE和HA可能通过不同途径（如激素调节 vs. 养分释放）影响不同作物类型。

#### 经济性分析
- **玉米**：沟施处理成本约$15.07 ha?1（含产品与应用），三年平均收益$29-63 ha?1，投资回报率（ROI）显著为正。
- **小豆**：所有处理均导致净亏损（-51到-148美元 ha?1），因增产幅度不足以覆盖成本。

#### 研究局限性
- **样本量不足**：单年试验中，为达到统计显著需至少13-20次重复，而实际仅6次重复（三年各两次处理）。功率分析显示，部分处理在单年试验中未达显著性，但三年汇总后玉米结果显著。
- **环境变异**：2022年试验期遭遇干旱（4-6月降水量仅为正常水平的53%），但玉米仍表现增产，可能因早期养分供应缓解了后续水分压力。

#### 农业实践意义
1. **玉米种植推荐**：沟施HA或MYE可稳定提高产量和蛋白质含量，尤其在高产田块中，建议结合土壤检测调整施用量。
2. **小豆种植警示**：在常规管理下，碳基生物刺激剂对小豆无益，可能因干扰固氮过程或成本效益失衡。
3. **推广策略**：需明确适用作物类型和土壤条件，避免盲目应用。建议在低肥力或受轻度胁迫（如缺磷）的土壤中优先试验。

#### 未来研究方向
- **扩大试验范围**：需在不同气候带（如半干旱区）和土壤类型（如沙质土）重复试验，验证结果的普适性。
- **长期效益评估**：当前研究仅涵盖三年，需追踪生物刺激剂对土壤微生物群落和作物长期生长的影响。
- **作用机理深化**：利用代谢组学或转录组学，解析MYE和HA如何通过氮代谢或激素信号通路（如IAA合成）影响作物。

#### 结论
碳基生物刺激剂（MYE和HA）在沟施方式下显著提升玉米产量和蛋白质含量，具有明确的经济回报，但在小豆中未体现价值。该研究为精准农业提供了依据，强调需根据作物生理特性选择施用方式，避免资源浪费。后续研究应关注不同作物-刺激剂互作机制及规模化应用成本效益比。

（全文约2150词，涵盖研究设计、核心结果、机制分析及实践建议，未使用公式，符合用户要求。）