腐殖酸肥料對小麥氮素吸收利用的影響*

張 祥，梁 濟，李接勵，袁 宸，陳明良

(1.上海應用技術大學 上海 201418； 2.上海化工研究院有限公司 上海 200062)

0 前言

肥料在農業生產中占有重要的地位，現代化農業生產效率的提高與化肥工業的發展有著密切的聯系。根據聯合國糧農組織(FAO)多年來的統計資料表明，在單產的提高中，化肥對農業增產所起的作用占40%～60%，我國農業部門也認為在40%左右[1]。但是近年來，隨著化肥施用量的增加，糧食產量卻并沒有成比例增長，傳統化學肥料較低的利用率導致增產效應明顯下降。目前，我國每年氮肥施用量占世界氮肥總用量的30%以上[2]，農田氮肥的當季利用率僅為30%～35%[3- 4]，化肥流失不僅對環境造成污染，而且影響作物的品質。因此，減少氮肥用量、提高氮肥利用效率和作物產量，對實現農業的環境友好發展具有重要意義。

在此大背景下，新型肥料的研發、應用和推廣是農業發展的迫切需要。新型肥料是指選用新材料、采用新方法或新工藝制備的新型功能肥料[5]，腐殖酸類肥料是其中重要的品種之一。腐殖酸類肥料富含腐殖酸和一定量的無機養分，其在提高化肥利用效率、改良土壤、增強作物的抗逆性和改善農產品品質方面的作用已逐步受到重視[6]。

腐殖酸是動植物遺骸經過生物和非生物的降解、縮合等作用而形成的一種天然有機高分子聚合物，是由芳香族及其多種官能團構成的高分子有機酸，因其分子鏈中含有多種活性基團，故具有良好的化學活性和生物活性、較強的離子交換能力和吸附能力。腐殖酸主要由C、H、O、N、S等元素組成，各元素的質量分數含量大致范圍為C 42%～67%、O 25%～45%、H 2%～6%%、N 1%～3%、S 0%～2%。目前，許多研究已表明腐殖酸分子內含有羰基、羧基、醇羥基、酚羥基等多種活性官能團，由于其結構的復雜性，使其具有極為特殊的理化性質，能與許多有機物和無機物發生相互作用[7]。

腐殖酸與氮肥結合施用能促進小麥和玉米的生長及對氮的吸收[8]，腐殖酸與磷肥配施能提高大豆產量[9]。腐殖酸不僅有提高肥效、刺激作物生長和改良土壤的作用，在農田生態系統上的應用潛力也較大[10]，開展腐殖酸類肥料在促進農作物生長、提高其產量和作用機理方面的研究工作對我國農業發展具有重要意義。為此，通過采用大田小區農化試驗方法，探索了腐殖酸肥料對小麥生長和氮素利用率的影響，旨在為腐殖酸肥料的推廣應用提供可靠的基礎數據。

1 試驗材料和方法

1.1 供試土壤

試驗地點安排在上海市崇明區建設鎮，采用S形布點方式進行土壤采樣，即沿著一定的線路，按照隨機、等量和多點混合的原則進行取樣。供試土壤農化性狀如表1所示。

表1 供試土壤農化性狀

有機質/(g·kg-1)全氮/(g·kg-1)pH堿解氮/(mg·kg-1)有效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(mg·kg-1)13.001.458.3793.493.0174.34

土壤中各性狀分析方法[11]：有機質，重鉻酸鉀-硫酸氧化法；pH，電位法(水土體積比=2.5∶1.0)；全氮，凱氏定氮法；堿解氮，堿解擴散法；速效磷，0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法；速效鉀，1.0 mol/L CH3COONH4浸提，火焰光度法。

1.2 供試肥料和作物

(1)供試肥料

從試驗條件一致性和養分配比調整容易的角度出發，供試肥料為尿素、普鈣、氯化鉀、腐殖酸尿素和腐殖酸鉀，其化學組成如表2所示。

表2 供試肥料的化學組成 %

(2)供試作物

供試作物為小麥，品種為揚麥158。此品種在當地種植已有近20年歷史，近年來的種植面積仍保持在6 667～10 000 hm2[12]。

1.3 試驗設計

試驗田設在高標準農田上，單個小區面積為20 m2(5 m×4 m)。試驗設8個條件，3次重復，隨機排列，共24個小區，按規定設置保護行。試驗共設8個處理：T1，空白對照，不施氮肥，施磷鉀肥；T2，常規施肥；T3、T5和T7，不施氮肥，施腐殖酸鉀和磷鉀肥；T4、T6和T8，施氮肥、腐殖酸鉀和磷鉀肥。試驗小區施肥方案如表3所示。

1.4 試驗管理

基肥按施肥方案由尿素(若有)、普鈣、氯化鉀和腐殖酸鉀(若有)配制而成，采用撒施方式一次性施入。基肥施用后，深犁土壤，然后播種。追肥僅施氮肥(腐殖酸尿素或者尿素)，分別在拔節期和抽穗期施入。所有處理的種植密度及其他水肥管理措施與當地田間管理一致，各項措施由專人負責完成。小麥播種期為2017年11月25日，第1次追肥在2018年2月9日，第2次追肥在2018年3月26日，收獲期為2018年6月2日。

表3 試驗小區施肥方案

處理基肥/(kg·hm-2,折純)N尿素P2O5普鈣 K2O氯化鉀腐殖酸鉀追肥/(kg·hm-2,折純)拔節期N腐殖酸尿素尿素抽穗期N腐殖酸尿素尿素T10.000112.500112.5000.0000.0000.0000.0000.000T2112.500112.500112.5000.0000.00025.3050.00025.305T30.000112.500107.9254.5750.0000.0000.0000.000T4112.500112.500107.9254.57525.3050.00025.3050.000T50.000112.500103.3509.1500.0000.0000.0000.000T6112.500112.500103.3509.15025.3050.00025.3050.000T70.000112.50098.76013.7400.0000.0000.0000.000T8112.500112.50098.76013.74025.3050.00025.3050.000注:T3和T4、T5和T6、T7和T8施用腐殖酸鉀實物量分別為30、60、90 kg/hm2

2 試驗結果

2.1 不同處理對小麥部分農學指標和產量的影響

不同處理對小麥部分農學指標和產量的影響如表4所示。

表4 不同處理對小麥部分農學指標和產量的影響

處理株高/cm千粒重/g產量/(kg·hm-2)相對產量/%T170.542.002 686.568.25T278.943.243 936.0100.00T371.942.702 737.569.55T477.544.063 979.5101.10T572.342.382 755.570.01T680.244.284 231.5107.51T775.842.982 830.571.91T878.644.024 252.5108.04

2.1.1 對農學指標的影響

如圖1所示：施氮肥處理(T2、T4、T6、T8)的株高顯著高于不施氮肥處理(T1、T3、T5、T7)；在同等氮磷鉀用量而腐殖酸鉀用量不同時，T6的株高最高，其余依次為T8、T2和T4，由此推測腐殖酸鉀用量在60 kg/hm2附近存在較好的試驗條件；在同等磷鉀用量、不施氮肥而腐殖酸鉀用量不同時，T7的株高最高，其余依次為T5、T3和T1，說明腐殖酸鉀用量增加有利于小麥株高的提高。

如圖2所示，小麥千粒重數據略有不同，但總體趨勢與小麥株高較為接近。在不施氮肥的各處理(T1、T3、T5和T7)中，T7的千粒重最大；在施氮肥的各處理(T2、T4、T6和T8)中，T6的千粒重最大。

圖1 不同處理對小麥株高的影響

圖2 不同處理對小麥千粒重的影響

2.1.2 對小麥產量的影響

如圖3示，施氮肥處理(T2、T4、T6、T8)的小麥產量顯著高于不施氮肥處理(T1、T3、T5、T7)；在同等氮磷鉀用量而腐殖酸鉀用量不同時，T8的小麥產量最高，T6的小麥產量與其接近，其余依次為T4和T2，最高與最低相差316.5 kg/hm2；在同等磷鉀用量、不施氮肥而腐殖酸鉀用量不同時，T7的小麥產量最高，其余依次為T5、T3和T1，最高與最低相差144.0 kg/hm2。小麥的產量與氮肥用量有較為顯著的正相關性，在同等試驗條件下，腐殖酸對小麥產量的提高起到一定的促進作用。

圖3 不同處理對小麥產量的影響

2.2 不同處理對小麥氮肥利用效率的影響

2.2.1 計算參數的選擇

國內外學者已提出較多描述肥料利用效率的參數[13- 14]，如作物的生產系數或邊際產量、作物的偏生產率和作物的生產效率等。各種參數所反映的側重點不盡相同，國內應用較多的是肥料利用率RE(有些學者稱之為肥料當季利用率)，即肥料養分回收率，如氮素利用率按式(1)計算：

RN=(U-U0)/F

(1)

式中：RN——氮素利用率；

U——施肥條件下作物收獲時地上部分的吸氮總量；

U0——不施肥條件下作物收獲時地上部分的吸氮總量；

F——所施肥料中氮素的總量。

除肥料利用率之外，目前國內外學者常用肥料偏生產力PFP、肥料農學效率AE、肥料生理利用率PE來表征農田肥料養分的利用情況：

PN=Y/F

(2)

AN=(Y-Y0)/F

(3)

EN=(Y-Y0)/(U-U0)

(4)

式中：PN——氮素偏生產力；

AN——氮素農學效率；

EN——氮素生理利用率；

Y——施肥條件下的作物產量；

Y0——不施肥條件下的作物產量。

以上4個參數是從農作物生長不同的角度描述作物對肥料養分的利用效率，我國習慣使用RE，其能較好地反映作物對化肥養分的吸收狀況。國際農學界常用PFP，原因是其不需要空白區產量和養分吸收量的測定，簡單明了、易于掌握，是評價肥料效應較適宜的指標。AE是評價肥料增產效應較為準確的指標，PE反映了植物體內養分的利用效率。近年來，有些學者對氮肥利用率的定義、測定和計算等方面提出了修正意見[15- 16]，另有些學者提出了氮素管理的概念，建立了氮素平衡、氮素盈余、氮素利用率和氮素損失等指標，值得同行關注[17]。本試驗選用RE和PFP指標來分析腐殖酸肥料對小麥氮素利用率的影響。

2.2.2 氮素吸收情況

不同處理對氮素利用率的影響如表5所示。

如圖4和圖5所示：T4、T6和T8處理的氮素利用率明顯高于T2處理；與T2處理相比，T8處理的氮素利用率最大，提高12.10%，T6處理提高10.92%，T4處理提高10.48%；氮肥偏生產力的變化趨勢與氮素利用率相同。試驗結果表明，在施肥量相同的條件下，與常規施肥相比，施用腐殖酸肥料能促進農作物對氮養分的吸收，從而提高氮素利用率。

如圖6所示：對于不施氮肥處理(T1、T3、T5、T7)，在同等磷鉀肥用量的條件下，隨著腐殖酸用量的增加，全株總氮素量呈逐漸增加趨勢，這說明腐殖酸對作物從土壤中吸收氮素有較大的促進作用。

表5 不同處理對氮素利用率的影響

處理籽粒w(N)/%氮素吸收量/(kg·hm-2)秸稈w(N)/%氮素吸收量/(kg·hm-2)全株總氮素量/(kg·hm-2)氮素利用率/%氮素偏生產力/(kg·kg-1)T11.7045.6750.3617.61063.285T22.1885.8000.4625.170110.97029.2424.13T31.6845.9900.3519.45565.445T42.4095.5050.5832.550128.05539.7224.40T51.7447.9400.3917.73065.670T62.40101.5500.4527.225128.77540.1625.94T72.0156.8950.4423.41580.310T82.42102.9150.4627.780130.69541.3426.07

圖4 施氮肥處理對氮素利用率的影響

圖5 施氮肥處理對氮素偏生產力的影響

圖6 不施氮肥處理對全株總氮素量的影響

2.2.3 腐殖酸的作用機理

有些學者探討了腐殖酸對提高氮素利用率的作用[18- 20]，一般認為腐殖酸具有較好的離子交換能力和吸附能力，與尿素共同使用時，可以抑制脲酶活性，減緩尿素分解，減少揮發，逐步釋放氮素，使肥效期延長；同時，腐殖酸的生物活性能促進植物根系發育和體內氮素代謝，促進氮素的吸收，提高肥效，促進作物生長；腐殖酸能增強作物對土壤氮素的吸附與保持，減少土壤氮素的流失，使作物對氮素的吸收利用率增加。

3 結語

(1)試驗結果表明，腐殖酸肥料可以促進小麥的生長發育，有效改善小麥部分農學指標，提高小麥的產量，促進作物對氮素的積累和提高氮素的利用率，起到了節約資源、保護環境的目的。因此，在現代化農業生產中，腐殖酸肥料對構建環境友好和資源節約型農業有著較為重要的意義。

(2)在施肥量相同的條件下，使用腐殖酸肥料能提高小麥產量，最高產量與常規施肥的產量相差316.5 kg/hm2，相對產量在101.10%～108.04%。

(3)涉及肥料效率的參數較多，本試驗選擇肥料利用率RE和肥料偏生產力PFP表征試驗結果。與常規的尿素相比，腐殖酸肥料氮素利用率提高10.48%～12.10%，氮素偏生產力提高0.27～1.94 kg/kg。