包膜磷酸二銨配施黃腐酸提高小麥產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分供應(yīng)強度*

陳 琪 劉之廣，2? 張 民 李澤麗 曲兆鳴 楊茂峰 孫玲麗

（1 土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，泉林黃腐酸肥料工程實驗室，山東泰安 271018）

（2 養(yǎng)分資源高效開發(fā)與綜合利用國家重點實驗室，金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東臨沭 276700）

（3 山東泉林嘉有肥料有限責(zé)任公司，山東聊城 252800）

（4 眾德肥料（平原）有限公司，山東德州 253100）

小麥是世界重要的糧食作物之一，磷對小麥生長發(fā)育的作用貫穿于整個生育時期［1］。因為磷肥在土壤中易被吸附、沉淀及微生物固定，世界40%的土地受缺磷限制［2］。磷肥的施用改變了農(nóng)田土壤含磷量和土壤供磷能力［3］，但磷肥的當(dāng)季利用率一般為10%～25%［4］。冬小麥生育期平均溫度較低，土壤累積磷庫活性較差［5］，提高其磷肥當(dāng)季利用率，對于提高冬小麥產(chǎn)量具有重要意義。

肥料顆粒表面包被的物理膜層可有效抑制肥料養(yǎng)分向土壤中的擴散速率，有效減少因肥料磷素與土壤礦物接觸造成的磷素?zé)o效化，從而提高磷素的有效性［6-7］。控釋氮肥已取得了較大的研究進展，為控釋磷肥的研究提供了借鑒。有關(guān)報道表明，土壤中添加黃腐酸亦能夠提高磷素有效性，而且有關(guān)腐殖酸類肥料提高肥料利用率已有大量研究［8-9］。唐曉樂［10］研究指出，黃腐酸施入土壤后在一定程度上可刺激土壤微生物活性，能夠在一定程度上對黑土磷素起到活化作用。李志堅等［11］的研究結(jié)果表明，添加腐殖酸制備的增效磷肥，有效提高了磷肥利用率以及小麥產(chǎn)量。

前人研究大多集中于控釋尿素及黃腐酸與尿素或其他氮肥配施的研究，然而包膜磷酸二銨及其與黃腐酸配施對小麥生長的協(xié)同增效作用鮮有報道。本研究通過小麥盆栽試驗，研究了包膜磷酸二銨及其配伍黃腐酸一次性基施對小麥產(chǎn)量及土壤養(yǎng)分供應(yīng)強度的影響，為提高磷肥利用率及小麥科學(xué)施用包膜磷酸二銨和黃腐酸提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2016年10月至2017年6月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)試驗站（117°9′48′E，36°9′40′N′）進行。供試土壤取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校區(qū)科技創(chuàng)新園試驗基地0～20 cm 耕層土壤，土壤類型為棕壤，在中國土壤系統(tǒng)分類中為普通簡育濕潤淋溶土（Typic Hapli-Udic Argosols）。土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)12.10 g·kg-1，全氮0.66 g·kg-1，硝態(tài)氮72.45 mg·kg-1，銨態(tài)氮9.45 mg·kg-1，全磷0.32 g·kg-1，有效磷13.50 mg·kg-1，速效鉀92.32 mg·kg-1，pH7.83（土水比1∶2.5）。

供試冬小麥品種為“濟麥22”，生育期239 d，千粒重40 g。

供試包膜磷酸二銨（N 17.2%，P2O544.0%）由土肥資源高效利用國家工程實驗室采用小型轉(zhuǎn)鼓包衣工藝制備，膜材為0.5%石蠟與5.5%聚氨酯。供試樹脂包膜控釋尿素（N 43.2%）為金正大生態(tài)工程集團股份有限公司生產(chǎn)；黃腐酸顆粒（N 2.0%，K2O 3.0%）由山東泉林嘉有肥料有限責(zé)任公司提供；其他肥料為市售普通尿素（N 46.0%）、磷酸二銨（N 18.0%，P2O546.0%）和氯化鉀（K2O 60.0%）。

供試容器為陶土盆，上部直徑30 cm，高36 cm，盆底鋪沙1 kg，每盆裝干土19 kg。小麥季每盆播種小麥45粒（發(fā)芽率98%），出苗后間苗使基本苗均為每盆36棵。2016年10月19日點種，2017年6月4日收獲。盆栽試驗置于戶外，通過自動灌溉裝置控制盆栽試驗土壤含水率［12-13］保持在田間持水量的60%以上［14］，除草、除蟲按照常規(guī)高產(chǎn)栽培模式進行［15］，整個生育期內(nèi)各處理管理措施相同。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)9個處理，分別為：（1）磷空白對照（CK）；（2）常規(guī)施磷處理（P）；（3）常規(guī)施肥減磷20%（P80%）；（4）包膜磷酸二銨（CP）；（5）包膜磷酸二銨減磷20%（CP80%）；（6）常規(guī)施肥配施黃腐酸（P+FA）；（7）常規(guī)施肥減磷20%配施黃腐酸（P80%+FA）；（8）包膜磷酸二銨配施黃腐酸（CP+FA）；（9）包膜磷酸二銨減磷20%配施黃腐酸（CP80%+FA）。各處理重復(fù)4次。全量處理N-P2O5-K2O用量按照225-150-75 kg·hm-2施入，減磷20%處理按照225-120-75 kg·hm-2，黃腐酸處理黃腐酸用量為45 kg·hm-2。盆栽試驗所施肥料用量均加倍。為排除包膜磷酸二銨中氮素控釋干擾，通過調(diào)整樹脂包膜控釋尿素的用量保持各處理控釋氮量占總氮投入的60%［16］。按照種肥同播的模式播種，所有肥料摻混后一次性基施。

1.3 樣品采集

土壤取樣時間分別為：苗期2016年11月16日，返青期2017年3月12日，拔節(jié)期2017年4月6日，開花期2017年5月5日，成熟期2017年6月4日。取樣方法為在小麥植株間均勻取2點，采樣深度0～20 cm，土壤充分混勻后帶回實驗室。土壤自然風(fēng)干，研磨，分別過2 mm和0.25 mm篩后保存待測。

小麥收獲時，植株秸稈及小麥籽粒置于烘箱中105℃殺青15 min，然后轉(zhuǎn)至65℃烘箱烘干至恒重，其后稱重磨細待測。

1.4 樣品測定方法

土壤有效磷含量用0.5 mol·L-1的碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀含量用1 mol·L-1醋酸銨浸提—火焰光度法測定；土壤pH使用去CO2水按照水土比2.5:1浸提—pH計測定；植株全磷含量采用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮—鉬銻抗比色法測定；土壤無機氮含量用0.01 mol·L-1CaCl2浸提（水土比10:1），連續(xù)流動注射分析儀（SEAL，AA3，德國）測定浸提液中NO3

--N和NH4+-N含量；植物葉片葉綠素相對含量采用葉綠素儀（SPAD-502，Minolta，日本）測定。土壤濕度記錄采用EC-5土壤水分傳感器（S-SMC-M005，Onset HOBO，美國）、溫度傳感器（S-THB-M008，Onset HOBO，美國）采集數(shù)據(jù)，HOBOH21-USB型數(shù)據(jù)采集器進行數(shù)據(jù)及圖表分析，數(shù)據(jù)記錄間隔為每次30 min。包膜磷肥養(yǎng)分釋放特征采用25℃靜水浸提法［17］進行測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016和SAS 8.2軟件進行處理和統(tǒng)計分析，不同處理間采用單因素方差分析（One-way ANOVA），采用鄧肯法（Duncan）進行多重比較檢驗各處理平均值在P＜0.05水平差異顯著性。

磷素收獲指數(shù)（%）=籽粒吸磷量/植株吸磷量×100

磷肥農(nóng)學(xué)利用率（kg·kg-1）=（施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施磷區(qū)籽粒產(chǎn)量）/施磷量

磷肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施磷區(qū)產(chǎn)量/施磷量

磷肥利用率（%）=（施磷處理磷累積量-不施磷處理磷累積量）/施磷量×100

2 結(jié) 果

2.1 包膜磷肥養(yǎng)分釋放特征

在25℃靜水浸提條件下，包膜磷酸二銨釋放曲線呈反“L”型（圖1），磷、氮養(yǎng)分初期釋放率（24 h）分別為0.28%和1.07%，滿足緩釋肥料國家標準［18］要求。前10 d為養(yǎng)分緩慢釋放的遲滯期，此階段共釋放磷素5.97%、氮素10.28%；隨后10～28 d為養(yǎng)分釋放的加速期，此階段共釋放磷素53.31%、氮素76.36%。供試肥料磷、氮養(yǎng)分42 d累積釋放率分別為62.21%和100.0%，其中，磷素釋放特性符合緩釋肥料國家標準［18］要求。

2.2 包膜磷肥配施黃腐酸對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

圖1 包膜磷酸二銨25℃恒溫靜水養(yǎng)分釋放特征Fig. 1 Nutrient release characteristics of coated diammonium phosphate in static solution at 25℃

包膜磷酸二銨與黃腐酸的優(yōu)化配伍對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素存在不同程度的影響（表1）。等磷量條件下，CP處理較P處理增產(chǎn)7.7%（P＜0.05）；CP80%處理較P處理增產(chǎn)7.2%（P＜0.05），然而P80%處理較P處理減產(chǎn)9.5%（P＜0.05）。此外，等磷量條件下與P處理相比，CP處理下小麥的千粒重、穗粒數(shù)和有效穗數(shù)分別提高了2.8%、6.6%和2.7%。等磷量條件下，較P處理，P+FA處理增產(chǎn)5.1%（P＜0.05），CP+FA處理增產(chǎn)24.0%。等磷量條件下，與P處理相比，CP+FA處理下小麥的千粒重和有效穗數(shù)分別提高了13.2%和5.6%（P＜0.05）。

2.3 包膜磷肥配施黃腐酸對小麥磷肥當(dāng)季利用率的影響

肥料利用率主要取決于作物的吸收能力和土壤、肥料供應(yīng)養(yǎng)分的能力［19］。等磷條件下，CP、P+FA處理較P處理磷肥當(dāng)季利用率分別提高了9.14個百分點、9.74個百分點，磷肥當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用率增加了38.2%、25.3%，磷肥當(dāng)季偏生產(chǎn)力分別增加了7.7%、5.1%。減磷20%時，CP80%、P80%+FA處理較P處理肥料當(dāng)季利用率分別提高19.88個百分點和18.53個百分點，磷肥當(dāng)季農(nóng)學(xué)利用效率分別增加69.8%、90.7%，磷肥當(dāng)季偏生產(chǎn)力分別增加34.0%、38.3%。等磷和減磷20%條件下，CP+FA和CP80%+FA處理較P處理當(dāng)季磷肥利用率分別提高17個百分點和11.54個百分點，較CP處理磷肥當(dāng)季利用率提高7.86個百分點和2.40個百分點。

表1 不同處理小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素Table 1 Yield and yield composition of wheat relative to treatment

表2 不同處理小麥肥料當(dāng)季利用率Table 2 Wheat fertilizer use efficiency of the season relative to treatment

2.4 包膜磷肥配施黃腐酸對小麥經(jīng)濟效益的影響

包膜磷肥配施黃腐酸處理對小麥經(jīng)濟效益存在不同程度的影響（表3）。CP、P+FA、CP+FA處理較等磷P處理凈收益分別增加6.3%、1.1%、22.5%；減磷20%時，CP80%、P80%+FA處理經(jīng)濟收益較P處理分別提高8.54%和10.42%（P＜0.05），但CP80%+FA處理收益與P處理持平。

表3 不同處理小麥經(jīng)濟效益Table 3 Economic benefit of wheat relative to treatment

2.5 包膜磷肥配施黃腐酸對土壤養(yǎng)分狀況及pH的影響

農(nóng)田土壤中磷的有效性對小麥的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)具有重要作用［5］。磷肥施用改變了農(nóng)田土壤含磷量和土壤供磷能力［3］。不同施磷處理對小麥季土壤有效磷含量的影響十分顯著，增施磷肥明顯提高了土壤有效磷含量（表4），且從苗期至成熟期可以看出，土壤有效磷含量呈現(xiàn)先增長后降低再穩(wěn)定的趨勢。在小麥需磷臨界期（苗期），P+FA、CP+FA處理較等磷P處理土壤有效磷分別增加16.2%和40.1%，CP處理較P處理土壤有效磷含量增加15.0%。減磷20%條件下，CP80%、P80%+FA、CP80%+FA處理較P處理有效磷含量分別增加8.7%、26.1%、23.7%。

氮肥在土壤中可被吸收的形態(tài)主要為無機態(tài)氮，即硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。小麥是偏好硝態(tài)氮作物，不同施磷處理對土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量無顯著影響，可滿足小麥整個生育期對氮素的需求。從小麥苗期至成熟期無機氮含量呈先升高后降低，至成熟期又微升高的趨勢。在小麥養(yǎng)分最大效率期（拔節(jié)期），包膜磷酸二銨處理和添加黃腐酸處理無機氮含量略高于普通磷酸二銨處理和空白對照處理。在本試驗條件下，各處理土壤速效鉀含量在整個生育期呈現(xiàn)降低的趨勢。在拔節(jié)期為小麥吸鉀量的最大效率期，各處理之間無顯著差異。

土壤pH是影響磷素有效性的一個重要因素，同時也是影響磷素在土壤中存在形態(tài)的關(guān)鍵因素［20］。在小麥整個生育期，pH呈現(xiàn)先降低后升高再降低的趨勢。苗期和返青期土壤pH在各處理之間差異不顯著；拔節(jié)期，等磷量條件下，CP、P+FA和CP+FA處理較P處理土壤pH分別降低了0.1、0.06和0.15個單位；開花期和成熟期，等磷量條件下，添加黃腐酸后土壤pH較不添加黃腐酸處理降低。

表4 不同處理土壤養(yǎng)分狀況Table 4 Soil available nutrient status relative to treatment

續(xù)表

2.6 包膜磷肥配施黃腐酸對小麥株高、葉綠素相對含量的影響

從苗期至開花期，各處理小麥植株逐漸增高，從開花期至成熟期小麥基本停止增高（圖2a）。等磷條件下，苗期CP、P+FA處理較P處理分別增高了5.4%和3.3%；返青期及拔節(jié)期各處理間差異不顯著；開花期，CP、P+FA、CP+FA處理較P處理分別增高4.7%、6.0%和4.7%。減磷20%條件下，各處理與全量磷處理無顯著差異。小麥葉片葉綠素相對含量呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢（圖2b）。返青期，CP處理較P處理葉綠素相對含量增加8.2%；苗期、拔節(jié)期和開花期，各處理間葉綠素相對含量差異不顯著。

圖2 不同處理小麥株高（a）、葉片葉綠素相對含量（b）變化Fig. 2 Plant height (a) and content of chlorophyll (b) of wheat relative to treatment

3 討 論

3.1 包膜磷酸二銨的養(yǎng)分釋放特性

包膜肥料通過在常規(guī)化學(xué)肥料顆粒外層包衣的方法控制其養(yǎng)分釋放，延長養(yǎng)分供應(yīng)時間，顯著提高肥料養(yǎng)分利用率［21］。包膜肥料施入土壤后，土壤水汽在滲透壓的作用下透過膜層，溶解肥料核芯，膜內(nèi)產(chǎn)生飽和溶液，致使膜內(nèi)外產(chǎn)生水汽壓力差，由此，養(yǎng)分通過膜微孔向外擴散，直至養(yǎng)分釋放結(jié)束［22］。本研究供試包膜磷酸二銨的聚氨酯膜材是一種軟硬段結(jié)構(gòu)交替構(gòu)成的嵌段共聚物［23］，具有一定的溶脹性，隨著養(yǎng)分釋放膜材溶脹度逐漸增大，膜材微孔變大，加快了養(yǎng)分釋放，因此，在室內(nèi)恒溫培養(yǎng)條件下表現(xiàn)出反“L”型的養(yǎng)分釋放特征（圖1）。然而，相同工藝的聚氨酯包膜尿素則表現(xiàn)出“S”型養(yǎng)分釋放特性［24］，這是由于傳統(tǒng)磷銨工藝制備的磷酸二銨存在光滑度和圓整度不佳，形狀不規(guī)整等特點［25］，影響了其流化性能，降低了包膜控釋效果。同時，包膜磷酸二銨存在氮、磷養(yǎng)分釋放特性差異大的問題（圖1）也限制了其應(yīng)用。未來就如何改善磷酸二銨顆粒幾何空間性質(zhì)和包膜材料的力學(xué)特征并研發(fā)適配包膜工藝以提高其養(yǎng)分釋放性能尚需進一步探討。

3.2 包膜磷酸二銨對冬小麥產(chǎn)量和磷肥當(dāng)季利用率的影響

小麥為磷素養(yǎng)分吸收雙峰型作物，磷素養(yǎng)分吸收峰分別為磷臨界期（即出苗至越冬前期）和磷素養(yǎng)分最大效率期（即拔節(jié)至孕穗期）［26］。因此，在小麥需磷關(guān)鍵時期供磷具有十分重要的意義。包膜磷酸二銨將核芯與土壤隔離，避免其溶解后磷酸根與土壤中的鐵鋁氧化物及其水化氧化物、層狀鋁硅酸鹽、碳酸鈣等礦物的吸附反應(yīng)，以及與鈣、鐵、鋁等發(fā)生沉淀反應(yīng)而降低其生物活性，從而提高磷肥利用率。25℃條件下，包膜磷酸二銨在第10～28 天期間為養(yǎng)分釋放的加速期（圖1），而此階段正好是小麥需磷的第一個高峰，滿足磷素臨界期養(yǎng)分需求，增加有效分蘗，提高作物產(chǎn)量（表1）。包膜肥料田間實際養(yǎng)分釋放特性與室內(nèi)25℃恒溫培養(yǎng)條件有一定的差異，本試驗條件下小麥生育期平均氣溫為10.0℃，變化曲線如圖3所示，遠低于室內(nèi)模擬溫度，其中，越冬至返青前期平均氣溫低于5℃，植株養(yǎng)分吸收與包膜肥料養(yǎng)分釋放均放緩甚至停滯，返青后隨著土溫回升逐漸加快［24］，這會延長供試包膜磷酸二銨養(yǎng)分釋放期以滿足小麥磷素最大效率期的養(yǎng)分需求。本試驗條件下，磷酸二銨減磷20%處理，小麥產(chǎn)量較全量磷處理減產(chǎn)9.48%，然而包膜控釋磷酸二銨減磷20%較全量磷處理增產(chǎn)7.22%，較不包膜的磷酸二銨減磷20%處理增產(chǎn)16.7%。因此，包膜控釋磷肥在減量施用的條件下，顯著提高作物產(chǎn)量和當(dāng)季磷素利用率，是實現(xiàn)磷肥減量增效的有效手段。

圖3 小麥季氣溫變化曲線Fig. 3 Air temperature variation curve in the wheat season

3.3 添加黃腐酸對冬小麥產(chǎn)量和磷肥當(dāng)季利用率的影響

黃腐酸是一類由脂肪族和芳香族結(jié)構(gòu)聚合而成的高分子混合物，具有一定的增產(chǎn)、提質(zhì)作用［27］。李捷等［28］研究認為，黃腐酸可促進小麥根系生長，增加穗重、單穗籽粒重和收獲指數(shù)；李緒行等［29］研究認為施用黃腐酸可顯著提高小麥幼苗的保水能力。本試驗條件下，磷酸二銨配施黃腐酸較單施磷肥處理提高了小麥產(chǎn)量5.1%（P＜0.05），提高磷肥利用率9.74個百分點，關(guān)鍵時期有效磷提升了16.2%，原因可能是黃腐酸含氧功能團較多，主要包括羧基、酚羥基等，可通過陽離子交換、螯合、絡(luò)合和吸附等方式活化土壤中的磷，形成可被植物吸收的FA-磷酸鹽絡(luò)合物［30-32］，同時有助于土壤腐殖物質(zhì)—黏土礦物復(fù)合體和土壤團聚體形成，減少磷的固定，從而增加土壤有效磷含量，提高了磷肥利用率。施用黃腐酸可補充土壤腐殖質(zhì)，增加土壤持水量，改善土壤團粒結(jié)構(gòu)，降低土壤容重，改善植株根際透氣性。供試黃腐酸采用磺化工藝從植物廢料中提取［33］，組成較復(fù)雜，除了芳香族羥基羧酸外，還有一定數(shù)量的水溶性碳水化合物、氨基酸、蛋白質(zhì)、糖酸類物質(zhì)，具有一定的促生作用，可提高作物根系密度，增加小分子有機酸分泌量，從而活化根際土壤磷庫。

3.4 包膜磷酸二銨配施黃腐酸的協(xié)同增效機制

包膜磷酸二銨配施黃腐酸處理較包膜磷酸二銨和磷酸二銨配施黃腐酸處理分別增產(chǎn)15.2%和18.0%。顯著性檢驗結(jié)果表明，磷酸二銨包膜或配施黃腐酸以及二者配伍施用對小麥產(chǎn)量的影響均達到極顯著水平（P＜0.01），且包膜的作用大于磷酸二銨添加黃腐酸的作用，也大于兩者的配施作用；減量20%條件下，包膜磷酸二銨配施黃腐酸對小麥產(chǎn)量的影響仍達到極顯著水平，作用由大到小分別為：兩者交互作用、配施黃腐酸作用、包膜作用（表5）。本研究中120、150 kg·hm-2（以P2O5計）施磷水平下，包膜磷酸二銨與黃腐酸配施均表現(xiàn)出極顯著的協(xié)同作用，可能是包膜肥料在土壤中的釋放主要受溫度和含水率的影響，黃腐酸具有較高的比表面積和親水基團，改善了土壤結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，提高了土壤蓄水保墑能力，降低了耕層土壤晝夜溫差，提高了包膜磷酸二銨的養(yǎng)分釋放性能［34］。低磷量處理配施黃腐酸增產(chǎn)效果更明顯，可能是由于低磷條件可誘導(dǎo)小麥根系形態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化［35］。由于盆栽試驗的局限性，包膜磷酸二銨與黃腐酸的農(nóng)學(xué)效應(yīng)和協(xié)同增效機制需在田間進一步探討和驗證。

表5 包膜磷酸二銨配施黃腐酸對產(chǎn)量的影響及顯著性檢驗Table 5 Effects of application of coated diammonium phosphate with fulvic on yield and significant test

4 結(jié) 論

供試包膜磷酸二銨養(yǎng)分釋放呈反“L”型，磷、氮養(yǎng)分釋放規(guī)律存在較大差異，磷、氮養(yǎng)分42 d累積釋放率分別為62.21%和100.0%。施用包膜磷酸二銨或添加黃腐酸均可達到增產(chǎn)增收提高磷肥利用率的目的，且減磷20%均可實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)或增產(chǎn)效果；此外，包膜磷酸二銨配施黃腐酸處理較包膜磷酸二銨和磷酸二銨配施黃腐酸處理顯著增產(chǎn)15.2%和18.0%，表現(xiàn)出協(xié)同增效作用，為實現(xiàn)減肥增效提供了理論依據(jù)。磷酸二銨包膜及配施黃腐酸可顯著提高小麥各生育期土壤有效磷含量，有效提高了小麥磷素臨界期和磷肥最大效率期的土壤磷素供應(yīng)強度，滿足小麥關(guān)鍵生育期的養(yǎng)分需求。然而盆栽試驗具有一定局限性，仍需田間長期試驗驗證。