褐煤腐殖酸用量對玉米生長及黃河故道潮土養分含量的影響

楊 蘇， 葉雪峰， 章 歡， 李輝信， 張永春， 艾玉春， 汪吉東

(1.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095； 2.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部江蘇耕地保育科學觀測實驗站，江蘇 南京 210014； 3.江蘇大學農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013)

綠色生態農業是可持續農業發展的重要途徑。腐殖酸是生態農業和無公害農業中常用的有機肥料之一。腐殖酸能夠提高肥料效應，趙鳳亮等[1]研究結果表明，施用腐殖酸類肥料，能降低氮素淋失量，提高氮素利用率。腐殖酸也有良好的促根效應，梁太波等[2]認為施用腐殖酸提高了根系活力和干物質積累量，使玉米增產61.29%。褐煤中腐殖酸含量高，具有較好的開發利用價值[3]，能改善土壤理化性質，增加土壤養分含量，提高肥料利用率，促進作物生長發育，提高出苗率和作物產量的作用。腐殖酸自身的活性官能團具有酸性、陽離子交換能力、絡合及吸附分散能力[4]，可減少化肥用量[5-6]。腐殖酸施用對作物生產發揮著重要的作用，但過量或不合理地施用則會引發土壤次生鹽漬化、酸化、土壤養分失調等障礙問題[7]，并產生一系列的環境污染問題[8]，腐殖酸用量因土壤類型不同而不同。陳伏生等在風沙土上的研究結果顯示，風化煤腐殖酸能顯著提升土壤的有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，降低土壤pH值[9]。MORA等[10]研究了低質量濃度(5 g/L)和高質量濃度(100 mg/L)的褐煤腐殖酸對黃瓜生長的影響，結果發現，100 mg/L腐殖酸具有較好的促根效果。薛超群等[11]認為腐殖酸用量為120 kg/hm2時對植煙土壤培肥效果最佳。王帥等[12]認為，施用 33～66 kg/hm2腐殖酸保水劑可有助于玉米生長生育及產量的提高。但對于有機質含量低、土壤結構差、保水保肥能力弱的潮土，施用褐煤腐殖酸對玉米生長及培肥的效果如何還有待進一步研究。

玉米是中國主要的糧食作物，也是黃河故道地區種植的主要作物[13]。根系是植物吸收養分和水分的重要器官，也是物質同化、轉化或合成的場所，苗期玉米的根系形態可間接影響植物的生長發育和產量[14-16]。土壤是作物生存的根本，可為植物提供生長所必須的營養物質，其肥力水平的高低可直接影響作物長勢和產量，安江勇等[17]對玉米品種黔單24的研究結果表明，玉米產量隨肥料施用量增加呈拋物線變化，當施肥量增加超過肥料最大效應值，其養分吸收量反而減小，因此將土壤和作物作為一個整體，探究外源褐煤腐殖酸施用對玉米生長及土壤養分的影響具有重要意義。

本試驗通過設置5個褐煤腐殖酸用量，探究其對玉米苗期根系性狀、干物質量、養分吸收量及土壤理化性狀的影響，以期找出玉米高產穩產和土壤培肥的最佳褐煤腐殖酸用量，為褐煤腐殖酸的高效化利用及玉米的養分調控提供理論參考。

1.1 試驗設計

本試驗為盆栽試驗，供試土壤為潮土，由江蘇省鹽城市濱海縣界牌鎮三壩村黃河灣綠色科技有限公司(北緯33°43′，東經119°37′)提供，基地地處北溫帶，氣候溫和，地勢較高，降雨充沛，雨熱同季，常年平均氣溫14.1 ℃，平均降雨量為942.6 mm。

盆栽土壤選取0～20 cm表層土壤，自然風干后去除大的石塊、土塊及植物殘體備用。試驗共設置5個處理，以只施氮、磷、鉀肥為對照(CK)，其他處理均在施用氮、磷、鉀肥的基礎上施用10 g/kg褐煤腐殖酸(F1)、20 g/kg褐煤腐殖酸(F2)、40 g/kg褐煤腐殖酸(F3)、80 g/kg褐煤腐殖酸(F4)，每個處理6個重復，共30個盆缽，其中3個重復用于測定玉米苗期根系形態，另外3個重復用于土壤養分含量及植株養分吸收量的測定。每個盆缽 (高35 cm，直徑40 cm) 裝風干土20 kg，基肥一次性施用復合肥24 g，追施氮肥2次，用量均為總氮用量的30%。所用腐殖酸為褐煤腐殖酸，有機質415 g/kg，全氮3.53 g/kg，全磷10.89 g/kg，全鉀1.36 g/kg，pH值 4.95，褐煤腐殖酸的施用方式為混施。種植玉米品種為燕禾金號，試驗開始前每盆選取大小一致、籽粒飽滿的4粒玉米種子，于2018年7月2日在江蘇省農業科學院溫室進行試驗，玉米出苗后(7月8日)進行間苗，保證每盆有一棵玉米植株，每盆插入一根注水管，防止加水時水力沖擊對土壤結構造成破壞，每7 d采用稱質量法補水1次，使土壤含水量保持在田間最大持水量的60%，于7月30日采用完全破壞性取樣測定玉米苗期根系形態，于10月16日采用完全破壞性取樣，測定玉米產量、植株生物量、地上部分養分吸收量、地下部分養分吸收量及土壤養分含量。供試土壤有機質4.42 g/kg，全氮0.18 g/kg，全磷0.42 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，全鉀21.20 g/kg，速效鉀63.30 mg/kg，pH值 8.58。

1.2 測定方法

用卷尺測定玉米株高，株高為玉米葉尖到根基部的垂直距離；玉米收獲時，將地上部、地下部分開，在105 ℃下殺青30 min，75 ℃烘干至恒質量，用稱質量法稱地上、地下部干質量。植株養分含量測定，取烘干后的樣品磨碎過100目篩， H2SO4-H2O2消煮，用半微量凱氏定氮法測定全氮，釩鉬黃比色法測定全磷，火焰光度計法測定全鉀，根系形態采用Epson Perfection V850 Pro根系掃描儀測定。

植株養分吸收量=植株養分含量×植株干物質量

1.3 數據處理與分析

試驗數據采用Excel 2003和Origin 9.0軟件對數據進行分析和作圖，采用SASS 9.1統計軟件Duncan’s法進行處理間差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 褐煤腐殖酸施用量對玉米株高的影響

褐煤腐殖酸能顯著增加玉米株高，隨培養時間的延長，玉米株高增長速率呈現先慢后快的趨勢(圖1)，在7月9日至8月10日處于慢速增長階段，之后增長速率呈上升的趨勢。在所有處理中，F2處理玉米生長最快，其次為F4、F3、F1處理，CK玉米生長最慢。經過99 d的培養，F2處理株高達到208.9 cm，比CK高18.1 cm。

CK(對照)：只施氮、磷、鉀肥；F1、F2、F3、F4分別為在施用氮、磷、鉀肥的基礎上施用10 g/kg褐煤腐殖酸、20 g/kg褐煤腐殖酸、40 g/kg褐煤腐殖酸、80 g/kg褐煤腐殖酸。a:07-09;b:07-12;c:07-17;d:07-22;e:07-27;f:08-03;g:08-10;h:09-10;i:10-16。圖1 不同培養期的玉米株高Fig.1 Plant height of maize in different culture periods

2.2 褐煤腐殖酸施用量對玉米苗期根系的影響

在植物生長過程中，褐煤腐殖酸對根系生長的刺激作用是其對植物產生刺激作用的最初動力[2]。施用褐煤腐殖酸會增加玉米的總根長、總投影面積(表1)，但增幅因褐煤腐殖酸施用量的不同而有所差異。總體而言， F4處理對玉米根系的促進效果最優，與CK相比，總根長、總投影面積和總表面積顯著增加，但與F2相比無顯著差異，從經濟效益角度考慮，認為潮土腐殖酸用量為20g/kg(F2處理)的整體效應最佳。

表1 不同處理對玉米苗期根系的影響

2.3 褐煤腐殖酸施用量對玉米產量和地上部、地下部生物量的影響

褐煤腐殖酸施用會使玉米產量增加27.2%～50.6%，地上部干質量增加5.12%～32.50%，地下部干質量增加6.10%～50.45%，且產量和植株干質量隨褐煤腐殖酸施用量的增加呈先上升后下降的趨勢，在褐煤腐殖酸施用量為40 g/kg時玉米產量達到最大值，但與F2處理無顯著差異(圖2)。在褐煤腐殖酸施用量為20 g/kg時地上部和地下部干質量達到最大值。

CK、F1、F2、F3、F4見圖1注。圖2 玉米產量和植株干質量Fig.2 Yield and dry matter weight of maize

2.4 褐煤腐殖酸施用量對玉米植株養分吸收的影響

褐煤腐殖酸可顯著增加植株的氮、磷、鉀吸收量，且隨褐煤腐殖酸施用量的增加，植株對養分的吸收量呈先上升后下降的趨勢。從圖3可以看出，玉米植株對鉀的吸收量最大，其次是氮，對磷的吸收量最小。通過對褐煤腐殖酸不同施用量的對比發現，玉米植株對于氮、磷、鉀的吸收量，在褐煤腐殖酸用量為20 g/kg時達到最大值，分別比CK 高37.5%、45.4%和54.8%。

2.5 褐煤腐殖酸施用量對土壤養分的影響

從表2可以看出，褐煤腐殖酸的施用會顯著增加土壤有機質、全氮和速效鉀含量。土壤基本理化性質對褐煤腐殖酸施用量有不同響應，其中土壤有機質含量隨褐煤腐殖酸施用量的增加呈增加的趨勢，但處理F2、F3、F4差異不顯著。土壤全氮、速效鉀的含量隨褐煤腐殖酸施用量的增加呈先增加后降低的趨勢，而土壤有效磷含量和土壤pH會隨褐煤腐殖酸施用量的增加呈下降的趨勢。土壤全氮、堿解氮含量在褐煤腐殖酸施用量為20 g/kg時達到最大值。土壤速效鉀含量在褐煤腐殖酸施用量為40 g/kg時達到最大值，比CK高13.49%。土壤有機質含量則在褐煤腐殖酸用量為80 g/kg時達到最大值(10.61 g/kg)，4種用量褐煤腐殖酸使土壤pH值降低的范圍為2.24%～6.62%，處理F3、F4的 pH值顯著低于CK。

CK、F1、F2、F3、F4見圖1注。圖3 玉米植株養分吸收量Fig.3 Nutrient uptake of corn plants

表2 褐煤腐殖酸施用量對土壤基本理化性質的影響

3 討 論

本試驗探究不同用量腐殖酸對玉米生長及土壤養分含量的影響，結論如下：針對黃河故道地區有機質含量較低的潮土，推薦褐煤腐殖酸施用量為20 g/kg，顯著增加土壤有機質、全氮和速效鉀含量，培肥效果最佳。玉米產量及養分吸收量隨腐殖酸施用量的增加呈先增大后減小的趨勢，玉米植株對氮、磷、鉀的養分吸收量在腐殖酸施用量為20 g/kg時達到最大值，而產量在施用量為40 g/kg時達到最大值，但與施用量為20 g/kg差異不顯著。因此，綜合考慮培肥增產效果及經濟效益，褐煤腐殖酸施用量為20 g/kg效益最佳。

褐煤腐殖酸含有多種官能團，對作物生長發育及體內代謝具有刺激作用，在農田生態系統上具有極大的應用潛力。于廣武等[18]通過4 個試驗點研究了施用腐殖酸生物有機和無機生態肥對玉米生長發育的影響，結果表明施用褐煤腐殖酸肥料處理均促進了玉米植株健壯生長，株高增高 4.4～7.0 cm。這與本研究結果中褐煤腐殖酸施用使玉米植株增加的研究結論相似。褐煤腐殖酸作為生態農業中常用的肥料，與化肥組合施用能夠活化土壤中多種礦質元素，改良土壤，提高肥效，促進作物對養分的吸收利用，提高肥料利用率。氮、磷、鉀為作物生長發育必需的大量元素，在作物體內的吸收、同化和運輸會影響作物的生長發育[19]。施用褐煤腐殖酸會增加作物對土壤養分的吸收，腐殖酸對植株生長的促進作用與腐殖酸用量密切相關，添加量過高會導致營養過剩，對養分的吸收利用率下降[20]。本研究結果顯示，褐煤腐殖酸用量為20 g/kg時玉米植株養分吸收量達到最大值，超過該用量，養分吸收率呈現下降的趨勢。這是由于褐煤腐殖酸與生長素作用類似，表現為低濃度促進高濃度抑制。也可能是由于褐煤腐殖酸具有良好的促根效果，褐煤腐殖酸會促進分生組織細胞分裂，增強其代謝活性[21]，

此外，褐煤腐殖酸超分子結構中含有類生長素的物質，這些物質可接近植物細胞和細胞外的受體，增加質子泵的活力，促進植株對養分的吸收[4-22]，但對根表面積和體積無顯著影響，這可能與培養試驗(盆缽及土壤體積)條件有限有關。

腐殖酸具有增氮、解磷、固鉀等土壤培肥作用。隨腐殖酸施用量的增加，土壤中的有機質含量呈逐漸增加的趨勢，而全氮、堿解氮和速效鉀含量呈先增加后降低的趨勢，速效磷和pH呈降低的趨勢。這與周鑫斌等[23]、張繼舟等[24]的研究結果相似，原因一方面由于腐殖酸在土壤酸堿度、陽離子交換量、養分含量等方面更符合土壤自身的需求[25]，另一方面腐殖酸含有有機大分子團，能活化多種被土壤固定的養分元素，促進微生物大量繁殖，加速腐殖酸中有機態養分的釋放，提高土壤有機質和速效養分含量[26]，同時也能為植物的生長發育提供可利用的微生物來增強土壤養分轉化[27]。但速效磷含量降低與劉紅恩等[28]的結果不同，劉紅恩認為在尿素中添加腐殖酸可顯著增加土壤中速效磷的含量，這可能與供試土壤類型有關，本試驗采用的土壤類型為潮土，土壤結構差，易漏水漏肥，澆水時可能會導致土壤磷的流失，降低土壤速效磷含量。靳志麗等[29]認為土壤養分的增加與腐殖酸用量有關，在一定范圍內，有機質隨腐殖酸用量的增加而增加，而土壤中有效磷含量下降可能是因為腐殖酸中的官能團與土壤中磷離子結合成絡合物，促進了作物對有效磷的吸收，固定態磷釋放速率變化不大所致。另外腐殖酸類型不同也會造成結果差異，劉紅恩等[28]所用腐殖酸為腐殖酸尿素，氮含量高，而本研究用的是褐煤腐殖酸，有機質含量高，而氮和鉀含量較低。對于腐殖酸降低土壤pH，裴瑞杰等[30]也對此做出了合理的解釋，他們認為腐殖酸與化肥結合，其官能團能促進酸性離子釋放，起到緩沖作用[32]，降低pH使其適宜玉米生長需求。