腐植酸對玉米產量、氮肥利用率和土壤特性的影響

關園園,未志源,王一帆,梅沛沛,徐麗娜,張書紅

（1.河南科技學院生命科技學院,河南 新鄉 453000;2.河南心連心化肥有限公司,河南 新鄉 453003）

化肥已經成為現代農業生產中不可缺少的重要角色,施肥是促進作物增產最直接有效的方式,科學施用化肥可提升土壤肥力狀況,改善土壤的團粒結構,促進土壤微生物的活動,提高農產品的產量和品質,從而達到經濟效益與社會效益雙豐收的效果.崔振嶺等[1]研究表明,國內外作物產量增加的原因多來自于化肥的施用.但是近年來我國社會經濟發展迅速,耕地資源減少、耕地質量退化,而人口不斷增加,導致糧食安全問題日益突出,同時也引發了過量施肥等一系列連鎖問題.研究表明[2-4],過量施肥易造成化肥在土壤中的大量殘留,出現土壤固結的現象.過量的化肥會殘留在土壤中,通過不同途徑進入自然環境中,對環境造成嚴重危害降低肥料利用率從而導致損失增加,造成資源的大量浪費,不利于農業的綠色協調可持續發展.阻礙作物生長、產生毒性亞硝酸鹽.研發新型綠色高效肥料,既可以提高作物經濟效益又能收獲良好的生態效益.

腐植酸是一種廣泛存在于自然界的有機高分子化合物,富含羧基、酚羥基、醇羥基等活性官能基團[5].腐植酸類肥料是以腐植酸含量較多的泥炭、褐煤、風化煤等為主要原料,加入一定量的氮、磷、鉀和某些微量元素所制成的一類多功能的有機無機復合肥料[6].由于腐植酸本身就是土壤有機體的一部分,對環境無污染.在我國,隨著“鄉村振興戰略”的提出,國家越來越強調綠色農業的發展,腐植酸類肥料作為一種綠色肥料受到廣泛的關注.國外主要以提純高濃度的腐植酸為農用材料,而將腐植酸加入無機肥料中并不常見.

目前,關于腐植酸對單一肥料的影響研究較多[7-10],但不同的腐植酸添加劑量對復合肥肥效的研究較少[11].相關研究表明腐植酸類肥料可以促進玉米各個時期對養分的吸收[12].為進一步了解玉米的需肥特性,本試驗通過研究添加不同劑量腐植酸的復合肥對玉米生長及養分吸收利用特征的影響,從產量、生物量、肥料利用率等方面分析,以優化復合肥的腐植酸適宜添加量,為腐植酸復合肥的研發、推廣提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗于2017 年在河南省新鄉市紅旗區河南科技學院107 國道試驗田進行,地處東經113°56′10″、北緯35°16′45″.試驗點屬于暖溫帶大陸性季風氣候,歷年平均氣溫14 ℃.7 月最熱,平均氣溫27.3 ℃;1 月最冷,平均氣溫0.2 ℃;年平均降水量573.4 mm,多集中在7、8 月間,無霜期220 d,全年日照時間約2400 h,土地肥沃、光熱充沛,適合農作物生長.種植制度為冬小麥- 夏玉米一年兩熟輪作制度.試驗地為中壤質黃潮土,耕層土壤基礎肥力狀況見表1.

表1 玉米播前0-20 cm、20-40 cm 土壤基礎肥力特征Tab.1 Soil fertility characteristics of 0-20 cm and 20-40 cm before corn sowing

1.2 試驗設計

供試玉米品種為鄭單958,由河南省農科院研發.供試化肥為腐植酸+復合肥和普通復合肥,劑型為中顆粒,均由河南省心連心化肥有限公司提供.經計算,純氮施用量為15 kg/667 m2,純磷和純鉀的施用量均為6 kg/667 m2.

試驗設腐植酸+復合肥處理（CH 1‰、CH 2‰、CH 3‰、CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰、CH 7‰、CH 8‰）、無氮處理（N0）、普通復合肥（C）處理共10 個施肥處理,三次重復,采用隨機區組試驗設計.于2017 年6月8 日采用機器播種,同年10 月8 日收獲.試驗小區面積為33.6 m2（7.0 m×4.8 m）,設走道和保護行.本試驗在播種時施肥1 次,各生長期間只進行正常的田間管理,不再追施任何肥料.

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株性狀的測定 玉米生長期內共測量植株性狀6 次,分別為苗期（6 月30 日）、拔節期（7 月12日）、大喇叭口期（7 月24 日）、吐絲期（8 月12 日）、灌漿期（9 月8 日）和成熟期（10 月8 日）.每個小區在采樣區隨機選取3 株長勢均勻的玉米,按標準測量玉米的株高、莖粗、SPAD 值（衡量植物葉綠素的相對含量）并記錄.

1.3.2 植株樣品采集 在玉米成熟期采集樣本,每個小區選取具有代表性的兩株玉米.對每個樣本的植株、籽粒分別進行質量稱量.在105 ℃下殺青30 min 后,再用80 ℃烘干至恒質量.對烘干后的樣本植株、籽粒分別進行稱量,隨后用粉碎機進行粉碎,粉碎完成后裝進密封袋,測定植株或籽粒氮含量.

1.3.3 植株養分含量測定 稱取植株或籽粒粉碎樣品（0.4500～0.5000 g）,在自動消化裝置上經H2SO4-H2O2消煮,消煮液冷卻后定容至100 mL,之后再過濾到樣品瓶中,用AA3 連續流動分析儀（TRAAS-2000）測定全氮含量[11].

1.3.4 計產及產量性狀的測定 在玉米成熟期,每個小區實收4 行4 m 的玉米穗進行測產（面積為9.6 m2,長勢均勻不缺苗）,每個小區隨機選取5 個穗棒測定穗長、穗粗、穗行數、行粒數,脫粒后測定百粒質量及籽粒含水量.進行測產的玉米穗自然風干后脫粒,稱量籽粒干質量.

1.3.5 土壤樣品采集 播種前在試驗地中采取“S”形布點選取9 個取樣點采取土樣,每個取樣點取樣深40 cm,每20 cm 一層土樣混合均勻,樣品分袋裝入,自然風干后過篩,待測定土壤中的速效氮、磷、鉀等.在收獲期每個小區選取兩個取樣點進行土壤取樣,每個取樣點取樣深40 cm,分為0-20 cm 和20-40 cm 兩部分,同一個小區的同一層土樣混合均勻,作為一個樣本.取回土壤樣品分兩部分,一部分保存于-20 ℃的冰箱中,待測定土壤含水量;另一部分自然風干,過篩后裝入樣品袋中待處理.

1.3.6 土壤樣品處理 將自然風干的土壤樣品過篩,分別保留通過0.25 mm 和1.00 mm 篩孔的風干土樣,用于測定土壤肥力.

稱取樣品20 g 放入100 cm3的鋁盒中,在105 ℃的烘箱中烘干至恒質量,分析樣品中的含水量.將保存在冰箱中的樣品解凍,加入100 mL 0.01 mol/L 的氯化鈣溶液,在20 ℃、180 r/min 的轉速下振蕩浸提1 h,過濾后,裝入樣品瓶中,用AA3 連續流動析分儀測定土壤銨態氮和硝態氮的含量.

試驗數據采用Excel 2010 版進行數據處理,SAS 軟件進行數據統計分析（P＜0.05）.

2 結果與分析

2.1 產量性狀分析

玉米生育期需肥量多,肥料的施用對玉米的產量有顯著的提升效果.前人研究表明腐植酸類復合肥對玉米的增產效果同樣顯著[13],不同處理間玉米的產量及增產率如表2 所示.

表2 不同處理間玉米的產量及增產率Tab.2 Yield and yield increase of maize in different treatments

從表2可以看出,各施肥處理產量顯著高于無氮處理,其中CH5‰處理的產量最高,達到9403.51 kg/hm2,與N0 處理相比增產率達到41.72%,與C 處理相比,增產率達到23.99%;CH 6‰處理的產量次之,為8719.64 kg/hm2,與N0 處理相比增產率為31.41%,與C 處理相比增產率為14.98%.各處理產量數值表現為:CH 5‰＞CH 6‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞CH 7‰＞CH 8‰＞C＞N0.CH 1‰～6‰與C 處理相比均有顯著增產的作用,CH 7‰和CH 8‰與C 處理相比增產效果不明顯,CH 5‰時增產的效果最為顯著,它比CH 6‰的處理增產率高7.84%,比CH 4‰的處理增產率高7.88%,添加劑量4‰～6‰的復合肥在玉米上的增產效果有待進一步試驗驗證.

玉米的產量受到多方因素的影響,產量構成三個因素也會因為內部和外部環境的不同產生很大差異.而通過考種可以研究出在不同條件下的產量結構[14],不同處理間玉米考種結果如表3 所示.

表3 不同處理間玉米考種結果Tab.3 Results of corn test in different treatments

由表3可知,各處理的穗長值中,CH 4‰處理值最大,為18.03 cm;CH 7‰處理的穗長最短,為12.90 cm.單穗質量中,CH7‰處理和CH 1‰之間差異顯著,穗質量分別為224.75 g 和184.55 g,其他處理之間無顯著差異.各處理的穗粒數值,CH 5‰處理的值最高,為416.08 粒,N0 處理的值最低,為341.39 粒,增加了21.87%,CH 5‰處理與CH 4‰～8‰處理的穗粒數差異顯著.各處理的百粒質量中,CH 7‰處理的百粒質量最高,為47.77 g;CH 5‰處理的百粒質量次之,為46.68 g;N0 處理的百粒質量最低,為39.35 g,它與添加了腐植酸的復合肥處理之間差異顯著.從單位面積穗數分析,CH 5‰處理的效果最好,與N0 處理和C 處理相比差異顯著,分別增加了34.69%和22.36%.綜合來看,CH 5‰處理的考種效果最好.

玉米產量構成因素為單位面積穗數、單穗粒數和百粒質量.由表3可知各產量組成因素與產量均成正相關,產量的相關系數從大到小排列順序為穗粒數＞穗質量＞單位面積穗數＞百粒質量＞穗長.

2.2 植株性狀分析

玉米植株性狀是反映玉米生長狀況的重要指標,受遺傳因素影響較大.研究表明腐植酸復合肥能增加玉米的株高、莖粗、葉面積等性狀[15].不同處理間玉米不同生育時期的植株性狀如表4 所示.

表4 不同處理間玉米不同生育時期的植株性狀Tab.4 Plant traits of different growth stages of maize in different treatments

由表4可知,從株高性狀來看,拔節期CH 5‰處理株高最高,為80.42 cm,C 處理次之,與N0 處理差異顯著;吐絲期的C 處理株高最高,與CH 4‰處理差異顯著,其他處理間沒有明顯差異;灌漿期CH 4‰處理的株高最低,與其他處理之間沒有顯著差異.結果表明不同處理的玉米株高在三個生育期間關系不明確,這可能與測量誤差有關.從莖粗來看,拔節期各處理之間沒有差異,吐絲期C 處理值最高,N0 處理最低,灌漿期CH 4‰處理最大, 與N0 處理差異顯著. 玉米莖粗的結果表明,CH 4‰處理對玉米莖有增粗效果.SPAD 值用來衡量一株植物葉綠素的相對含量,研究表明它與施氮量的高低有關.拔節期間CH 6‰處理的SPAD 值最高,C 處理次之;吐絲期CH 8‰處理值最高,與N0 理差異顯著;灌漿期各處理無顯著差異.

2.3 生物量分析

玉米的生物量是衡量玉米生長狀況的指標之一.成熟期各處理單株玉米不同部位生物量如圖1所示.

圖1 成熟期各處理單株玉米不同部位生物量Fig.1 Biomass of different parts of maize per plant at maturity

由圖1可知,N0 處理的單株玉米籽粒生物量顯著低于其他各處理,不利于籽粒生物量的形成.與N0相比,CH 5‰處理的籽粒生物量增加了52.58%,CH 4‰處理籽粒生物量增加了48.28%;在植株生物量中,CH 5‰處理結果最高,為158.53 g,而CH 3‰處理最低.地上部生物量依次為CH 5‰＞CH 1‰＞CH 2‰＞CH 4‰＞CH 7‰＞CH 8‰＞CH 6‰＞C＞CH 3‰＞N0.除CH 3‰處理之外,其他添加腐植酸的施肥處理地上部生物量都比N0 和C 處理高.其中CH 5‰處理整體生物量分布均勻,CH 3‰處理雖然整體生物量值較低,但是其籽粒生物量占地上總生物量比值較高.

2.4 植株N 素累積量及氮肥利用率

玉米對氮的需求量比其他元素都高,吸收氮素的多少對其產量有一定影響.氮素收獲指數是指籽粒中氮累積量占作物地上部全氮吸收量的比值,它反映了作物同化產物在籽粒和營養器官上的分配比例,即作物光合同化物轉化為經濟產品的能力,是評價作物品種產量水平的重要指標,而收獲指數具有較高的遺傳力.前人研究表明,隨著腐植酸添加量的增加,籽粒氮累積量也逐漸增加[16-17].地上部植株N 素累積量及氮肥利用率分別如圖2 和圖3 所示.

圖2 不同處理間玉米各部分氮累積量Fig.2 Nitrogen accumulation in various parts of Maize in different treatments

圖3 不同處理間玉米各部分全氮收獲指南Fig.3 Total nitrogen havest index in various parts of maize in ditfereot treatments

由圖2可知,玉米吸收的肥料氮主要集中在籽粒中,占地上部總吸收量的69.07%到77.77%.其中CH 5‰處理的籽粒吸收氮素最好,為168.00 kg/hm2,N0 處理的籽粒氮累積量最低,為92.00 kg/hm2.從植株氮累積量來看,各處理氮素累積量均比N0 處理和C 處理高,其中CH 6‰處理最高為70.43 kg/hm2,C 處理最低為31.14 kg/hm2,其他處理之間無顯著差異.整株來看,CH 5‰處理的氮累積量最高,與N0 處理和C 處理差異顯著.由圖3可知,氮素收獲指數各處理間無顯著差異,受玉米遺傳力影響力大.因此,添加了腐植酸的復合肥有利于玉米整體對氮素的累積,CH 5‰處理的效果最為突出.

2.5 氮肥利用指標分析

氮肥表觀利用率即施氮處理地上部全氮吸收總量與不施氮處理地上部全氮吸收總量的差值與施氮量之比.氮肥農學利用效率直接反映了施肥的增產狀況,一般用來定量特定施肥條件下化肥增產作用.氮肥偏生產力是指施用某一特定肥料下的作物產量和施肥量的比值,是反映當地土壤基礎養分水平和化肥施用量綜合效應的綜合指標[18].不同處理間玉米的氮肥表觀利用率、農學利用效率、氮肥偏生產力如圖4、圖5 和圖6 所示.

圖4 不同處理間玉米的氮肥表觀利用率 Fig.4 Apparent nitrogen use effciencies for Maize in different treatmeucs

圖5 不同處理間玉米的氮肥農學效率Fig.5 Agronomic efficiencies of nitrogen fertilizer for Maizoin different treatments

圖6 不同處理間玉米的氮肥偏生產力Fig.6 Partial productivities for Maize in Different Treatments

由圖4、圖5 和圖6可知,腐植酸復合肥處理可顯著提高氮肥表觀利用率、農學利用效率、氮肥偏生產力.與C 處理相比分別增加了9.51%～34.15%、6.87%～120.14%、0.86%～29.25%且均呈現先增加后降低的趨勢.從氮肥表觀利用率上看,CH 5‰處理的值最高為47.41%,顯著高于普通復合肥處理;CH6‰處理次之,為37.96%,緊接依次為CH 7‰＞CH 8‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞C.農學效率上,CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰處理的氮肥農學效率顯著高于普通復合肥處理,增產作用明顯.從氮肥偏生產力上分析,CH 5‰處理氮肥偏生產力著高于其他處理,為43.57 kg/kg.綜合來看,CH 5‰處理的效果最好.

2.6 無機氮累積量分析

已有大量研究表明,腐植酸有調節土壤中氮轉化,緩釋氮素,增加土壤中氮含量的作用[19-20].銨態氮極易揮發流失,硝態氮因呈負電性,土粒難以吸收,在土壤中移動范圍大,在不同土層分布較為均勻,但也容易流失[21].銨態氮和硝態氮作為玉米吸收氮素的兩種主要形態其運移特征與多種因素有關,因此研究其在土壤中的分布具有重要意義.

玉米根系發達,主要分布在土壤0-40 cm 深度,銨態氮和硝態氮是玉米吸收氮素的主要形式.玉米在吐絲期對0-20 cm 深度的養分吸收比較活躍,乳熟期對20-40 cm 的養分吸收比較活躍.加之表層土壤易流失,所以表層土壤中無機氮的含量比較低.不同處理0-40 cm 土層銨態氮累積量和硝態氮累積量分別如圖7 和圖8 所示.

圖7 不同處理0-40 cm 土層銨態氮累積量Fig.7 Accumulation of ammonium nitrogen in 0-40 cm soil layer under different treatments

圖8 不同處理0-40 cm 土層硝態氮累積量Fig.8 The accumulation of nitrate nitrogen in 0-40 cm soil layer under different treatments

由圖7可知,0-40 cm 土層中各個施肥處理銨態氮的累積量表現為:CH 8‰＞CH 7‰＞CH 6‰＞CH5‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞C＞N0,與N0 處理和C 處理相比,腐植酸添加劑復合肥均有抑制銨態氮揮發的作用,且隨著腐植酸劑量的增加銨態氮含量也呈緩慢增長的趨勢.在0-20 cm 土層中,CH 2‰處理的土壤銨態氮累積量最高;在20-40 cm 土層中CH 4‰處理銨態氮含量最高.

由圖8可知,0-40 cm土層中各個施肥處理硝態氮累積量表現為:CH 6‰＞CH 2‰＞CH 8‰＞CH 5‰＞CH 3‰＞CH 7‰＞CH 4‰＞CH 1‰＞C＞N0,各處理的硝態氮累積量均高于無氮處理.在0-20 cm土層中,CH 2‰處理的土壤硝態氮累積量最高;在20-40 cm 土層中CH 3‰處理硝態氮含量最高.由此可以分析出腐植酸添加劑有調節土壤中氮轉化,緩釋氮素,增加土壤中氮含量的作用,這與前人的研究一致.

3 結論與討論

從不同施肥處理下玉米的基礎性狀表現來看,N0 處理的玉米在拔節期各個性狀與其他處理相比較低,這是由于玉米拔節期生長旺盛需氮較多,N0 處理供肥不足導致的.在生長后期,N0 處理的基礎性狀逐漸與其他處理減小差異,收獲期考種結果也表現良好,但是百粒質量較低,產量方面顯著低于其他處理,不利于玉米增產.此外N0 處理下收獲期土壤中無機氮的累積量低,不利于土壤供肥.

腐植酸添加劑對玉米有增產效果,其中CH 5‰增產效果最好,與C 處理相比增產率達23.99%,與N0 處理相比增產率達41.72%.其他腐植酸添加量處理與普通復合肥處理相比均有增產效果,但是隨著添加劑濃度升高并沒有呈現遞增趨勢.其中CH 4‰、CH 6‰處理與CH 5‰處理相比差異顯著,因此增產效果最佳的腐植酸添加量范圍有待進一步研究和驗證.

從考種結果來看,通過分析產量構成因素與產量的相關性,得出產量與穗粒數、穗質量正相關性很強.CH 5‰處理的穗粒數、單位面積穗數最多,其產量也是最高的,這與產量相關性分析的結果一致.而產量性狀,較高的CH 4‰、CH 6‰處理,其產量構成因素雖然表現良好,但是協調性較差.玉米成熟期的生物量中,CH 5‰處理的值最高,其次為C 處理,但C 處理植株所占整株生物量比值較高,這不利于養分在籽粒中的累積,降低了氮素收獲指數不利于提高經濟效益.

前人研究表明玉米的植株性狀受遺傳因素影響較大,同時與施氮水平高低有關.本試驗通過同等施氮水平下設置不同腐植酸添加量處理,對玉米三個關鍵時期的植株性狀進行分析,發現植株性狀與腐植酸添加劑量的關系并不明確.這與前人關于腐植酸能增強植株性狀的研究結果不一致,可能與玉米品種和環境因素有關,需要進一步驗證.

從玉米各部分的氮素累積量來看,籽粒氮素累積量占整株累積的大部分.其中CH 5‰處理的籽粒吸收氮素最好,整株氮素累積量也是最高的,但是CH 8‰的氮素收獲指數最高.表明CH 5‰處理在植株整體養分累積上效果良好,而CH 8‰處理可能促進養分向籽粒轉運.肥料利用率是衡量科學施肥的指標之一,本試驗通過對氮肥表觀利用率、氮肥農學效率、氮肥偏生產力三個指標的分析,表明CH 5‰處理的氮肥表觀利用率最高,此外CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰的氮肥農學效率也顯著高于無氮處理,從另一個角度間接反映出施肥的增產狀況良好.氮肥偏生產力的高低可以從側面反映出施肥的經濟效益,而CH 5‰處理的氮肥偏生產力最高,與其他各處理相比差異顯著,經濟效益最好.

從收獲期土壤中無機氮的累積量來看,CH 8‰處理0-40 cm 土層中銨態氮累積量最高,且銨態氮累積量隨著腐植酸添加劑量的增加而增加;從硝態氮的累積量來看,N0 處理和普通復合肥處理在0-40 cm土層中值均較低;從總體0-40 cm 無機氮累積量來看,無機氮的累積量是隨著腐植酸添加劑量的增加而增加.結果表明腐植酸添加劑有調節土壤中氮轉化,緩釋氮素,增加土壤中氮含量的作用,這與前人的研究一致.由于試驗條件有限,不排除會出現由于腐植酸添加劑量過大而抑制作物對氮素吸收的現象,該方面還需進一步研究.

就本次試驗來看,綜合產量、氮肥利用率等各種指標的分析結果,腐植酸CH 5‰為最佳添加劑量.