腐植酸对玉米产量、氮肥利用率和土壤特性的影响

关园园,未志源,王一帆,梅沛沛,徐丽娜,张书红

（1.河南科技学院生命科技学院,河南 新乡 453000;2.河南心连心化肥有限公司,河南 新乡 453003）

化肥已经成为现代农业生产中不可缺少的重要角色,施肥是促进作物增产最直接有效的方式,科学施用化肥可提升土壤肥力状况,改善土壤的团粒结构,促进土壤微生物的活动,提高农产品的产量和品质,从而达到经济效益与社会效益双丰收的效果.崔振岭等[1]研究表明,国内外作物产量增加的原因多来自于化肥的施用.但是近年来我国社会经济发展迅速,耕地资源减少、耕地质量退化,而人口不断增加,导致粮食安全问题日益突出,同时也引发了过量施肥等一系列连锁问题.研究表明[2-4],过量施肥易造成化肥在土壤中的大量残留,出现土壤固结的现象.过量的化肥会残留在土壤中,通过不同途径进入自然环境中,对环境造成严重危害降低肥料利用率从而导致损失增加,造成资源的大量浪费,不利于农业的绿色协调可持续发展.阻碍作物生长、产生毒性亚硝酸盐.研发新型绿色高效肥料,既可以提高作物经济效益又能收获良好的生态效益.

腐植酸是一种广泛存在于自然界的有机高分子化合物,富含羧基、酚羟基、醇羟基等活性官能基团[5].腐植酸类肥料是以腐植酸含量较多的泥炭、褐煤、风化煤等为主要原料,加入一定量的氮、磷、钾和某些微量元素所制成的一类多功能的有机无机复合肥料[6].由于腐植酸本身就是土壤有机体的一部分,对环境无污染.在我国,随着“乡村振兴战略”的提出,国家越来越强调绿色农业的发展,腐植酸类肥料作为一种绿色肥料受到广泛的关注.国外主要以提纯高浓度的腐植酸为农用材料,而将腐植酸加入无机肥料中并不常见.

目前,关于腐植酸对单一肥料的影响研究较多[7-10],但不同的腐植酸添加剂量对复合肥肥效的研究较少[11].相关研究表明腐植酸类肥料可以促进玉米各个时期对养分的吸收[12].为进一步了解玉米的需肥特性,本试验通过研究添加不同剂量腐植酸的复合肥对玉米生长及养分吸收利用特征的影响,从产量、生物量、肥料利用率等方面分析,以优化复合肥的腐植酸适宜添加量,为腐植酸复合肥的研发、推广提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于2017 年在河南省新乡市红旗区河南科技学院107 国道试验田进行,地处东经113°56′10″、北纬35°16′45″.试验点属于暖温带大陆性季风气候,历年平均气温14 ℃.7 月最热,平均气温27.3 ℃;1 月最冷,平均气温0.2 ℃;年平均降水量573.4 mm,多集中在7、8 月间,无霜期220 d,全年日照时间约2400 h,土地肥沃、光热充沛,适合农作物生长.种植制度为冬小麦- 夏玉米一年两熟轮作制度.试验地为中壤质黄潮土,耕层土壤基础肥力状况见表1.

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

1.2 试验设计

供试玉米品种为郑单958,由河南省农科院研发.供试化肥为腐植酸+复合肥和普通复合肥,剂型为中颗粒,均由河南省心连心化肥有限公司提供.经计算,纯氮施用量为15 kg/667 m2,纯磷和纯钾的施用量均为6 kg/667 m2.

试验设腐植酸+复合肥处理（CH 1‰、CH 2‰、CH 3‰、CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰、CH 7‰、CH 8‰）、无氮处理（N0）、普通复合肥（C）处理共10 个施肥处理,三次重复,采用随机区组试验设计.于2017 年6月8 日采用机器播种,同年10 月8 日收获.试验小区面积为33.6 m2（7.0 m×4.8 m）,设走道和保护行.本试验在播种时施肥1 次,各生长期间只进行正常的田间管理,不再追施任何肥料.

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株性状的测定 玉米生长期内共测量植株性状6 次,分别为苗期（6 月30 日）、拔节期（7 月12日）、大喇叭口期（7 月24 日）、吐丝期（8 月12 日）、灌浆期（9 月8 日）和成熟期（10 月8 日）.每个小区在采样区随机选取3 株长势均匀的玉米,按标准测量玉米的株高、茎粗、SPAD 值（衡量植物叶绿素的相对含量）并记录.

1.3.2 植株样品采集 在玉米成熟期采集样本,每个小区选取具有代表性的两株玉米.对每个样本的植株、籽粒分别进行质量称量.在105 ℃下杀青30 min 后,再用80 ℃烘干至恒质量.对烘干后的样本植株、籽粒分别进行称量,随后用粉碎机进行粉碎,粉碎完成后装进密封袋,测定植株或籽粒氮含量.

1.3.3 植株养分含量测定 称取植株或籽粒粉碎样品（0.4500～0.5000 g）,在自动消化装置上经H2SO4-H2O2消煮,消煮液冷却后定容至100 mL,之后再过滤到样品瓶中,用AA3 连续流动分析仪（TRAAS-2000）测定全氮含量[11].

1.3.4 计产及产量性状的测定 在玉米成熟期,每个小区实收4 行4 m 的玉米穗进行测产（面积为9.6 m2,长势均匀不缺苗）,每个小区随机选取5 个穗棒测定穗长、穗粗、穗行数、行粒数,脱粒后测定百粒质量及籽粒含水量.进行测产的玉米穗自然风干后脱粒,称量籽粒干质量.

1.3.5 土壤样品采集 播种前在试验地中采取“S”形布点选取9 个取样点采取土样,每个取样点取样深40 cm,每20 cm 一层土样混合均匀,样品分袋装入,自然风干后过筛,待测定土壤中的速效氮、磷、钾等.在收获期每个小区选取两个取样点进行土壤取样,每个取样点取样深40 cm,分为0-20 cm 和20-40 cm 两部分,同一个小区的同一层土样混合均匀,作为一个样本.取回土壤样品分两部分,一部分保存于-20 ℃的冰箱中,待测定土壤含水量;另一部分自然风干,过筛后装入样品袋中待处理.

1.3.6 土壤样品处理 将自然风干的土壤样品过筛,分别保留通过0.25 mm 和1.00 mm 筛孔的风干土样,用于测定土壤肥力.

称取样品20 g 放入100 cm3的铝盒中,在105 ℃的烘箱中烘干至恒质量,分析样品中的含水量.将保存在冰箱中的样品解冻,加入100 mL 0.01 mol/L 的氯化钙溶液,在20 ℃、180 r/min 的转速下振荡浸提1 h,过滤后,装入样品瓶中,用AA3 连续流动析分仪测定土壤铵态氮和硝态氮的含量.

试验数据采用Excel 2010 版进行数据处理,SAS 软件进行数据统计分析（P＜0.05）.

2 结果与分析

2.1 产量性状分析

玉米生育期需肥量多,肥料的施用对玉米的产量有显著的提升效果.前人研究表明腐植酸类复合肥对玉米的增产效果同样显著[13],不同处理间玉米的产量及增产率如表2 所示.

表2 不同处理间玉米的产量及增产率Tab.2 Yield and yield increase of maize in different treatments

从表2可以看出,各施肥处理产量显著高于无氮处理,其中CH5‰处理的产量最高,达到9403.51 kg/hm2,与N0 处理相比增产率达到41.72%,与C 处理相比,增产率达到23.99%;CH 6‰处理的产量次之,为8719.64 kg/hm2,与N0 处理相比增产率为31.41%,与C 处理相比增产率为14.98%.各处理产量数值表现为:CH 5‰＞CH 6‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞CH 7‰＞CH 8‰＞C＞N0.CH 1‰～6‰与C 处理相比均有显著增产的作用,CH 7‰和CH 8‰与C 处理相比增产效果不明显,CH 5‰时增产的效果最为显著,它比CH 6‰的处理增产率高7.84%,比CH 4‰的处理增产率高7.88%,添加剂量4‰～6‰的复合肥在玉米上的增产效果有待进一步试验验证.

玉米的产量受到多方因素的影响,产量构成三个因素也会因为内部和外部环境的不同产生很大差异.而通过考种可以研究出在不同条件下的产量结构[14],不同处理间玉米考种结果如表3 所示.

表3 不同处理间玉米考种结果Tab.3 Results of corn test in different treatments

由表3可知,各处理的穗长值中,CH 4‰处理值最大,为18.03 cm;CH 7‰处理的穗长最短,为12.90 cm.单穗质量中,CH7‰处理和CH 1‰之间差异显著,穗质量分别为224.75 g 和184.55 g,其他处理之间无显著差异.各处理的穗粒数值,CH 5‰处理的值最高,为416.08 粒,N0 处理的值最低,为341.39 粒,增加了21.87%,CH 5‰处理与CH 4‰～8‰处理的穗粒数差异显著.各处理的百粒质量中,CH 7‰处理的百粒质量最高,为47.77 g;CH 5‰处理的百粒质量次之,为46.68 g;N0 处理的百粒质量最低,为39.35 g,它与添加了腐植酸的复合肥处理之间差异显著.从单位面积穗数分析,CH 5‰处理的效果最好,与N0 处理和C 处理相比差异显著,分别增加了34.69%和22.36%.综合来看,CH 5‰处理的考种效果最好.

玉米产量构成因素为单位面积穗数、单穗粒数和百粒质量.由表3可知各产量组成因素与产量均成正相关,产量的相关系数从大到小排列顺序为穗粒数＞穗质量＞单位面积穗数＞百粒质量＞穗长.

2.2 植株性状分析

玉米植株性状是反映玉米生长状况的重要指标,受遗传因素影响较大.研究表明腐植酸复合肥能增加玉米的株高、茎粗、叶面积等性状[15].不同处理间玉米不同生育时期的植株性状如表4 所示.

表4 不同处理间玉米不同生育时期的植株性状Tab.4 Plant traits of different growth stages of maize in different treatments

由表4可知,从株高性状来看,拔节期CH 5‰处理株高最高,为80.42 cm,C 处理次之,与N0 处理差异显著;吐丝期的C 处理株高最高,与CH 4‰处理差异显著,其他处理间没有明显差异;灌浆期CH 4‰处理的株高最低,与其他处理之间没有显著差异.结果表明不同处理的玉米株高在三个生育期间关系不明确,这可能与测量误差有关.从茎粗来看,拔节期各处理之间没有差异,吐丝期C 处理值最高,N0 处理最低,灌浆期CH 4‰处理最大, 与N0 处理差异显著. 玉米茎粗的结果表明,CH 4‰处理对玉米茎有增粗效果.SPAD 值用来衡量一株植物叶绿素的相对含量,研究表明它与施氮量的高低有关.拔节期间CH 6‰处理的SPAD 值最高,C 处理次之;吐丝期CH 8‰处理值最高,与N0 理差异显著;灌浆期各处理无显著差异.

2.3 生物量分析

玉米的生物量是衡量玉米生长状况的指标之一.成熟期各处理单株玉米不同部位生物量如图1所示.

图1 成熟期各处理单株玉米不同部位生物量Fig.1 Biomass of different parts of maize per plant at maturity

由图1可知,N0 处理的单株玉米籽粒生物量显著低于其他各处理,不利于籽粒生物量的形成.与N0相比,CH 5‰处理的籽粒生物量增加了52.58%,CH 4‰处理籽粒生物量增加了48.28%;在植株生物量中,CH 5‰处理结果最高,为158.53 g,而CH 3‰处理最低.地上部生物量依次为CH 5‰＞CH 1‰＞CH 2‰＞CH 4‰＞CH 7‰＞CH 8‰＞CH 6‰＞C＞CH 3‰＞N0.除CH 3‰处理之外,其他添加腐植酸的施肥处理地上部生物量都比N0 和C 处理高.其中CH 5‰处理整体生物量分布均匀,CH 3‰处理虽然整体生物量值较低,但是其籽粒生物量占地上总生物量比值较高.

2.4 植株N 素累积量及氮肥利用率

玉米对氮的需求量比其他元素都高,吸收氮素的多少对其产量有一定影响.氮素收获指数是指籽粒中氮累积量占作物地上部全氮吸收量的比值,它反映了作物同化产物在籽粒和营养器官上的分配比例,即作物光合同化物转化为经济产品的能力,是评价作物品种产量水平的重要指标,而收获指数具有较高的遗传力.前人研究表明,随着腐植酸添加量的增加,籽粒氮累积量也逐渐增加[16-17].地上部植株N 素累积量及氮肥利用率分别如图2 和图3 所示.

图2 不同处理间玉米各部分氮累积量Fig.2 Nitrogen accumulation in various parts of Maize in different treatments

图3 不同处理间玉米各部分全氮收获指南Fig.3 Total nitrogen havest index in various parts of maize in ditfereot treatments

由图2可知,玉米吸收的肥料氮主要集中在籽粒中,占地上部总吸收量的69.07%到77.77%.其中CH 5‰处理的籽粒吸收氮素最好,为168.00 kg/hm2,N0 处理的籽粒氮累积量最低,为92.00 kg/hm2.从植株氮累积量来看,各处理氮素累积量均比N0 处理和C 处理高,其中CH 6‰处理最高为70.43 kg/hm2,C 处理最低为31.14 kg/hm2,其他处理之间无显著差异.整株来看,CH 5‰处理的氮累积量最高,与N0 处理和C 处理差异显著.由图3可知,氮素收获指数各处理间无显著差异,受玉米遗传力影响力大.因此,添加了腐植酸的复合肥有利于玉米整体对氮素的累积,CH 5‰处理的效果最为突出.

2.5 氮肥利用指标分析

氮肥表观利用率即施氮处理地上部全氮吸收总量与不施氮处理地上部全氮吸收总量的差值与施氮量之比.氮肥农学利用效率直接反映了施肥的增产状况,一般用来定量特定施肥条件下化肥增产作用.氮肥偏生产力是指施用某一特定肥料下的作物产量和施肥量的比值,是反映当地土壤基础养分水平和化肥施用量综合效应的综合指标[18].不同处理间玉米的氮肥表观利用率、农学利用效率、氮肥偏生产力如图4、图5 和图6 所示.

图4 不同处理间玉米的氮肥表观利用率 Fig.4 Apparent nitrogen use effciencies for Maize in different treatmeucs

图5 不同处理间玉米的氮肥农学效率Fig.5 Agronomic efficiencies of nitrogen fertilizer for Maizoin different treatments

图6 不同处理间玉米的氮肥偏生产力Fig.6 Partial productivities for Maize in Different Treatments

由图4、图5 和图6可知,腐植酸复合肥处理可显著提高氮肥表观利用率、农学利用效率、氮肥偏生产力.与C 处理相比分别增加了9.51%～34.15%、6.87%～120.14%、0.86%～29.25%且均呈现先增加后降低的趋势.从氮肥表观利用率上看,CH 5‰处理的值最高为47.41%,显著高于普通复合肥处理;CH6‰处理次之,为37.96%,紧接依次为CH 7‰＞CH 8‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞C.农学效率上,CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰处理的氮肥农学效率显著高于普通复合肥处理,增产作用明显.从氮肥偏生产力上分析,CH 5‰处理氮肥偏生产力著高于其他处理,为43.57 kg/kg.综合来看,CH 5‰处理的效果最好.

2.6 无机氮累积量分析

已有大量研究表明,腐植酸有调节土壤中氮转化,缓释氮素,增加土壤中氮含量的作用[19-20].铵态氮极易挥发流失,硝态氮因呈负电性,土粒难以吸收,在土壤中移动范围大,在不同土层分布较为均匀,但也容易流失[21].铵态氮和硝态氮作为玉米吸收氮素的两种主要形态其运移特征与多种因素有关,因此研究其在土壤中的分布具有重要意义.

玉米根系发达,主要分布在土壤0-40 cm 深度,铵态氮和硝态氮是玉米吸收氮素的主要形式.玉米在吐丝期对0-20 cm 深度的养分吸收比较活跃,乳熟期对20-40 cm 的养分吸收比较活跃.加之表层土壤易流失,所以表层土壤中无机氮的含量比较低.不同处理0-40 cm 土层铵态氮累积量和硝态氮累积量分别如图7 和图8 所示.

图7 不同处理0-40 cm 土层铵态氮累积量Fig.7 Accumulation of ammonium nitrogen in 0-40 cm soil layer under different treatments

图8 不同处理0-40 cm 土层硝态氮累积量Fig.8 The accumulation of nitrate nitrogen in 0-40 cm soil layer under different treatments

由图7可知,0-40 cm 土层中各个施肥处理铵态氮的累积量表现为:CH 8‰＞CH 7‰＞CH 6‰＞CH5‰＞CH 4‰＞CH 3‰＞CH 2‰＞CH 1‰＞C＞N0,与N0 处理和C 处理相比,腐植酸添加剂复合肥均有抑制铵态氮挥发的作用,且随着腐植酸剂量的增加铵态氮含量也呈缓慢增长的趋势.在0-20 cm 土层中,CH 2‰处理的土壤铵态氮累积量最高;在20-40 cm 土层中CH 4‰处理铵态氮含量最高.

由图8可知,0-40 cm土层中各个施肥处理硝态氮累积量表现为:CH 6‰＞CH 2‰＞CH 8‰＞CH 5‰＞CH 3‰＞CH 7‰＞CH 4‰＞CH 1‰＞C＞N0,各处理的硝态氮累积量均高于无氮处理.在0-20 cm土层中,CH 2‰处理的土壤硝态氮累积量最高;在20-40 cm 土层中CH 3‰处理硝态氮含量最高.由此可以分析出腐植酸添加剂有调节土壤中氮转化,缓释氮素,增加土壤中氮含量的作用,这与前人的研究一致.

3 结论与讨论

从不同施肥处理下玉米的基础性状表现来看,N0 处理的玉米在拔节期各个性状与其他处理相比较低,这是由于玉米拔节期生长旺盛需氮较多,N0 处理供肥不足导致的.在生长后期,N0 处理的基础性状逐渐与其他处理减小差异,收获期考种结果也表现良好,但是百粒质量较低,产量方面显著低于其他处理,不利于玉米增产.此外N0 处理下收获期土壤中无机氮的累积量低,不利于土壤供肥.

腐植酸添加剂对玉米有增产效果,其中CH 5‰增产效果最好,与C 处理相比增产率达23.99%,与N0 处理相比增产率达41.72%.其他腐植酸添加量处理与普通复合肥处理相比均有增产效果,但是随着添加剂浓度升高并没有呈现递增趋势.其中CH 4‰、CH 6‰处理与CH 5‰处理相比差异显著,因此增产效果最佳的腐植酸添加量范围有待进一步研究和验证.

从考种结果来看,通过分析产量构成因素与产量的相关性,得出产量与穗粒数、穗质量正相关性很强.CH 5‰处理的穗粒数、单位面积穗数最多,其产量也是最高的,这与产量相关性分析的结果一致.而产量性状,较高的CH 4‰、CH 6‰处理,其产量构成因素虽然表现良好,但是协调性较差.玉米成熟期的生物量中,CH 5‰处理的值最高,其次为C 处理,但C 处理植株所占整株生物量比值较高,这不利于养分在籽粒中的累积,降低了氮素收获指数不利于提高经济效益.

前人研究表明玉米的植株性状受遗传因素影响较大,同时与施氮水平高低有关.本试验通过同等施氮水平下设置不同腐植酸添加量处理,对玉米三个关键时期的植株性状进行分析,发现植株性状与腐植酸添加剂量的关系并不明确.这与前人关于腐植酸能增强植株性状的研究结果不一致,可能与玉米品种和环境因素有关,需要进一步验证.

从玉米各部分的氮素累积量来看,籽粒氮素累积量占整株累积的大部分.其中CH 5‰处理的籽粒吸收氮素最好,整株氮素累积量也是最高的,但是CH 8‰的氮素收获指数最高.表明CH 5‰处理在植株整体养分累积上效果良好,而CH 8‰处理可能促进养分向籽粒转运.肥料利用率是衡量科学施肥的指标之一,本试验通过对氮肥表观利用率、氮肥农学效率、氮肥偏生产力三个指标的分析,表明CH 5‰处理的氮肥表观利用率最高,此外CH 4‰、CH 5‰、CH 6‰的氮肥农学效率也显著高于无氮处理,从另一个角度间接反映出施肥的增产状况良好.氮肥偏生产力的高低可以从侧面反映出施肥的经济效益,而CH 5‰处理的氮肥偏生产力最高,与其他各处理相比差异显著,经济效益最好.

从收获期土壤中无机氮的累积量来看,CH 8‰处理0-40 cm 土层中铵态氮累积量最高,且铵态氮累积量随着腐植酸添加剂量的增加而增加;从硝态氮的累积量来看,N0 处理和普通复合肥处理在0-40 cm土层中值均较低;从总体0-40 cm 无机氮累积量来看,无机氮的累积量是随着腐植酸添加剂量的增加而增加.结果表明腐植酸添加剂有调节土壤中氮转化,缓释氮素,增加土壤中氮含量的作用,这与前人的研究一致.由于试验条件有限,不排除会出现由于腐植酸添加剂量过大而抑制作物对氮素吸收的现象,该方面还需进一步研究.

就本次试验来看,综合产量、氮肥利用率等各种指标的分析结果,腐植酸CH 5‰为最佳添加剂量.