活化腐植酸–尿素施用對小麥–玉米輪作土壤氮肥利用率及其控制因素的影響*

劉艷麗丁方軍張 娟戚興超谷端銀吳欽泉李成亮

(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 泰安 271018;2.山東省腐植酸高效利用工程技術(shù)研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000;3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 濟南 250100)

活化腐植酸–尿素施用對小麥–玉米輪作土壤氮肥利用率及其控制因素的影響*

劉艷麗1丁方軍2張 娟3戚興超1谷端銀2吳欽泉2李成亮1

(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 泰安 271018;2.山東省腐植酸高效利用工程技術(shù)研究中心/山東農(nóng)業(yè)大學(xué)肥業(yè)科技有限公司 泰安 271000;3.山東省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗研究院 濟南 250100)

腐植酸-尿素是近年來的一種新型有機無機復(fù)合肥料,其增產(chǎn)效應(yīng)顯著,但是在小麥-玉米輪作中該肥料的利用率和環(huán)境調(diào)控因素尚不清楚。本研究通過田間定位與室內(nèi)培養(yǎng)試驗,以不施肥處理(Control)和單施尿素處理(Urea)為對照,研究腐植酸-尿素直接摻混處理(U+HA1)、腐植酸-尿素活化處理(U+HA2)和腐植酸-尿素活化催化處理(U+HA3)對小麥和玉米生長、土壤理化性質(zhì)、氮肥利用率和土壤氮轉(zhuǎn)化及土壤脲酶含量的影響。研究結(jié)果表明：活化腐植酸-尿素處理的小麥、玉米籽粒產(chǎn)量分別較Urea處理增產(chǎn)15%～28%和8%～10%?；罨菜?尿素施用顯著地降低土壤容重、pH和土壤顆粒粒徑的中位粒徑,提高了土壤的比表面積、電導(dǎo)率、有機碳含量和礦質(zhì)態(tài)氮含量。小麥季活化腐植酸-尿素處理下氮肥回收利用率較Urea處理顯著增加,增加幅度為37%～91%,玉米季的增加幅度為78%～93%?；罨菜?尿素處理下小麥和玉米的氮肥農(nóng)藝利用率和偏生產(chǎn)力均較Urea處理高。此外,回歸分析表明活化腐植酸-尿素的氮肥當(dāng)季回收利用率隨土壤硝化比率、有機氮的礦化量及脲酶含量的增加而降低,而隨土壤顆粒比表面積的增大而提高。本研究結(jié)果明確了腐植酸-尿素活化處理對小麥、玉米的增產(chǎn)效果較好,可改善土壤理化性質(zhì),其中腐植酸-尿素活化催化處理(U+HA3)的效果最好。研究結(jié)果為活化腐植酸-尿素肥料的深入研發(fā)與推廣提供基礎(chǔ)資料。

活化腐植酸-尿素 小麥 玉米 產(chǎn)量 土壤理化性質(zhì) 氮肥利用率

氮肥施用是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中保持土壤肥力與作物產(chǎn)量的主要措施[1-3],但是不合理施用等原因造成氮肥揮發(fā)、淋溶與徑流損失,進而使氮肥利用率降低,因此提高氮肥利用率是當(dāng)前農(nóng)業(yè)與肥料工作者研究的重要課題[4-5]。目前通過新型肥料提升氮肥利用率引起了人們的廣泛關(guān)注和認可[6-8],氮肥與有機肥配合施用顯著地提高了氮肥利用率[9-10],以此為基礎(chǔ)的新型肥料——腐植酸-尿素的研發(fā)與推廣對提高氮肥利用率具有重要意義。

腐植酸-尿素作為一種新型有機無機復(fù)合肥料,是腐植酸分子與尿素氮絡(luò)合作用形成,可減緩尿素氮的釋放速率進而提高其利用率[11-12]。有關(guān)腐植酸-尿素的施肥效應(yīng)已開展了一定的研究。腐植酸-尿素肥料對玉米(Zea mayz)生長的試驗表明,與普通尿素相比,腐植酸-尿素肥料抑制了土壤脲酶活性,延長了在玉米生長期內(nèi)肥料的供氮時間,從而提高氮素的利用效率[13]。不同腐植酸施用量改善不同土壤小麥(Tritium aestivum)生長和土壤養(yǎng)分含量的試驗表明,中等用量對小麥生長和土壤養(yǎng)分含量具有較好的促進作用[14]。此外,腐植酸-尿素施用促進了土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成,有利于土壤保持氮素養(yǎng)分及作物對氮素的吸收,從而提高尿素氮的利用率[15]。截至目前,活化腐植酸-尿素施用土壤氮素轉(zhuǎn)化及其對氮肥利用率的影響還鮮見報道。

在腐植酸-尿素肥料的研發(fā)與推廣過程中發(fā)現(xiàn)腐植酸-尿素肥料肥效的發(fā)揮與腐植酸的活化程度有關(guān)[16]。腐植酸活化過程使其游離的腐植酸含量增加,提高其施用效果與農(nóng)用價值,不同活化方式下制備的腐植酸-尿素肥料的施肥效應(yīng)還需要進一步研究。因此,本研究采用直接摻混、活化、活化催化處理的腐植酸-尿素肥料,以不施肥處理和單施尿素處理為對照,通過田間定位與室內(nèi)培養(yǎng)試驗,研究不同活化處理腐植酸-尿素施用后作物生長、土壤基本理化性質(zhì)、氮素轉(zhuǎn)化過程與氮肥利用率,探討尿素氮肥利用率的變異特征及其控制因素。該結(jié)果將明確不同活化處理腐植酸-尿素肥料施用對提高氮肥利用率的貢獻,并為該肥料的研發(fā)與推廣提供支持資料。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地設(shè)在山東省肥城農(nóng)業(yè)示范園區(qū)(山東省泰安市肥城潮泉),屬暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候,年均降雨量為903.2 mm。供試土壤類型為砂壤質(zhì)褐土。試驗始于2012年小麥,耕作制度為小麥-玉米輪作制,小麥品種為‘山農(nóng)0536’、玉米品種為‘山農(nóng)2000’。試驗中施用尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)和氯化鉀(K2O 60%)。腐植酸經(jīng)過尿素活化處理和活化催化處理后的游離腐植酸含量分別為18.2%和18.8%,較未經(jīng)處理的原始腐植酸(游離腐植酸含量為14.4%)提高了26.4%和30.6%。以上肥料及材料均由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)肥業(yè)科技有限公司提供。試驗前土壤基本理化性質(zhì)見表1。

該試驗在每季施氮量均為225 kg(N)·hm-2的條件下設(shè)4個處理,以單施尿素處理(Urea)為對照,以腐植酸與尿素直接摻混處理為腐植酸-尿素處理(U+HA1)(總氮含量為27.9%),另設(shè)腐植酸-尿素活化處理(U+HA2)和腐植酸-尿素活化催化處理(U+HA3);同時設(shè)置不施氮肥處理為空白對照(Control),共計5個處理。U+HA2活化處理是先將尿素與硫酸銨按10∶1比例加熱至熔融液化后,再按尿素量的65%加入腐植酸,攪拌均勻,降溫固化即為腐植酸-尿素活化處理,總氮含量為27.8%。U+HA3活化催化處理先將尿素與硫酸銨按總量10∶1比例混勻,加熱至熔融液化后,再按尿素量的65%加入腐植酸,攪拌均勻,置于超聲波儀中攪拌超聲處理使其均勻,降溫固化即為活化催化處理,總氮含量為27.9%。在小麥季,所有處理中氮肥總用量的2/3做基肥,于2012年9月底撒施于地表然后翻耕;1/3在小麥灌漿期(2013年5月中旬)采用沖施方式進行追肥;在玉米季,所有處理中氮肥總用量的2/3做基肥,于2013年6月上旬撒施于地表然后翻耕,1/3在玉米喇叭口期采用撒施方式進行追肥。各處理的磷肥用量為135 kg(P2O5)·hm-2,鉀肥用量為105 kg(K2O)·hm-2, 于2012年9月底撒施于地表,然后翻耕。小麥于2012年10月21日播種,播種量202.5 kg·hm-2;玉米于2013年6月15日播種,密度為60 000株·hm-2。

表1 試驗前土壤基本理化指標Table 1 Physicochemical characteristics of the tested soil

試驗小區(qū)面積為30 m2,隨機區(qū)組排列,重復(fù)3次。小麥與玉米在整個生育期嚴格按照高產(chǎn)農(nóng)田的田間管理措施執(zhí)行,具體參照小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效栽培技術(shù)規(guī)程(DB37/T190—93)和夏玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程(DB37/T538—2005)。本研究的時間是2012年9月到2013年9月。

1.2 樣品采集與分析

2013年小麥、玉米收獲后曬干每個小區(qū)單獨記籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量。小麥、玉米收獲后,在每個小區(qū)內(nèi)隨機采集5個點的混合土壤樣品,同時采集原狀土壤樣品,帶回實驗室并使其自然風(fēng)干。土樣風(fēng)干后混合樣品用于測定土壤養(yǎng)分指標,原狀土樣用于土壤物理性質(zhì)的測定。

土壤容重的測定采用環(huán)刀法;土壤pH采用蒸餾水溶解土樣酸度計法測定;土壤電導(dǎo)率的測定利用電導(dǎo)率儀;土壤CEC的測定采用中性醋酸銨浸提法;土壤有機碳含量采用濃硫酸-重鉻酸鉀氧化外加熱法測定;土壤全氮含量的測定用半微量凱氏法;土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量用0.02 mol·L-1CaCl2溶液浸提,流動分析方法測定;土壤脲酶含量測定采用比色法。植株樣品粉碎后采用 H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮,利用凱氏法測定植株全氮含量,具體操作步驟參考魯如坤主編的《土壤農(nóng)化分析方法》[17]。土壤顆粒粒度分布利用激光粒度分布儀(BT-9300H型,丹東市百特儀器有限公司)測定,主要參數(shù)中位粒徑也就是平均粒徑D50,表示粒徑分布中占50%所對應(yīng)的粒徑,其大小反映土壤顆粒的主要組成;粒度分布的離散度反映土壤顆粒粒徑分布的范圍,利用(D90-D10)/D50來表征,其中D10表示粒徑分布中占10%所對應(yīng)的粒徑,D90表示粒徑分布中占90%所對應(yīng)的粒徑。

氮肥利用率根據(jù)作物產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量、籽粒和秸稈氮含量計算,具體計算公式如下[5]：

氮肥回收利用率(RE,%)=(收獲期施氮區(qū)地上部吸氮量-收獲期不施氮區(qū)地上部吸氮量)/氮肥施用量× 100% (1)

氮肥偏生產(chǎn)率(PP,kg·kg-1)=施氮區(qū)產(chǎn)量/氮肥施用量 (2)

氮肥農(nóng)藝利用率(AE,kg·kg-1)=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/氮肥施用量 (3)

1.3 土壤有機氮(SON)礦化培養(yǎng)試驗

以不施肥處理的新鮮土樣過2 mm篩為供試土樣,調(diào)整土壤含水量為田間持水量的65%,按田間試驗設(shè)置的肥料類型及用量的兩倍均勻混入肥料,分別稱取每種處理土樣10 g于100 mL離心管中,管口蓋上塑料薄膜以保持土壤水分,置于28℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng),每個處理15份。培養(yǎng)后第1 d、3 d、7 d、14 d和21 d取樣測定,每次取出每個處理的3個離心管,加入50 mL 0.02 mol·L-1CaCl2溶液,振蕩1 h后過濾,取濾液適量利用流動注射分析儀測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

土壤有機氮礦化量以土樣培養(yǎng)前后的礦質(zhì)氮量(銨態(tài)氮與硝態(tài)氮之和)之差來計算。土壤有機氮礦化率(%)=土壤氮素礦化量/土壤全氮量×100%[18]。

硝化作用通過礦化過程中,銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化計算得到。土壤硝化比率的計算公式如下：

土壤硝化比率(%)=硝態(tài)氮量/礦質(zhì)氮總量×100%(4)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003進行;不同處理之間數(shù)據(jù)差異的統(tǒng)計分析利用SPSS 17.0軟件ANOVA方差分析和LSD差異顯著性檢驗(P＜0.05);作圖采用Origin 8.5軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理小麥玉米籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量與籽粒、秸稈氮含量

作物籽粒產(chǎn)量是衡量施肥效應(yīng)常用的指標,反映施肥的經(jīng)濟效益。不同施肥處理下小麥玉米籽粒產(chǎn)量均存在顯著差異(P＜0.05)(圖1a)。小麥籽粒產(chǎn)量的變化范圍是4 048～7 319 kg·hm-2,玉米籽粒產(chǎn)量為6 045～9 518 kg·hm-2。腐植酸-尿素處理的小麥、玉米籽粒產(chǎn)量分別較Urea處理增產(chǎn)15.06%～27.69%、7.84%～9.55%,較Control處理增產(chǎn)62.92%～80.81%、54.97%～57.44%(圖1A)。Urea處理的小麥、玉米籽粒產(chǎn)量與Control處理存在顯著增產(chǎn)效果。對于不同腐植酸-尿素肥料而言,U+HA3處理小麥籽粒產(chǎn)量較其他兩種活化處理的存在顯著提高,增產(chǎn)幅度為U+HA2處理的6.32%、U+HA1處理的10.98%。

玉米秸稈產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量在不同施肥處理間的變異規(guī)律相同,玉米秸稈產(chǎn)量范圍是6 133～9 222 kg·hm-2,與其產(chǎn)量相近。腐植酸-尿素處理的玉米秸稈產(chǎn)量最高,顯著高于Urea處理和Control處理,但是不同腐植酸-尿素活化處理之間差異不顯著(圖1B)。小麥秸稈產(chǎn)量在不同處理間的差異顯著,大小依次為U+HA3＞U+HA2＞U+HA1、Urea＞Control。小麥秸稈產(chǎn)量范圍是2 283～5 400 kg·hm-2,較玉米秸稈產(chǎn)量有顯著減少(圖1B)。

不同處理小麥籽粒中氮含量范圍是14.4～23.9g·kg-1,秸稈中氮含量范圍是2.7～5.6 g·kg-1。不施肥處理顯著低于施肥處理。U+HA2和U+HA3處理的小麥籽粒全氮含量顯著高于U+HA1和Urea處理(圖2A)。與小麥相比,玉米籽粒中氮含量顯著地降低,范圍為10.6～13.3 g·kg-1。玉米秸稈中氮含量范圍是4.6～7.0 g·kg-1,較小麥秸稈高,尤其是腐植酸-尿素活化處理的(圖2B)。玉米籽粒與秸稈中氮含量在不同施肥處理間的差異不顯著,但均顯著高于Control處理(圖2B)。

圖1 不同施肥處理對小麥、玉米籽粒產(chǎn)量(A)和秸稈產(chǎn)量(B)的影響Fig.1 Grain yield(A)and straw yield(B)of wheat and maize under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理小麥(A)、玉米(B)籽粒與秸稈中全氮含量Fig.2 Total nitrogen contents in grain and straw of wheat(A)and maize(B)under different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理土壤基本理化性質(zhì)

小麥、玉米兩季作物種植后,3種腐植酸-尿素處理土壤容重較Control處理均顯著降低,但處理間差異不顯著。土壤pH值在腐植酸-尿素處理間的差異不顯著,均較Control處理和Urea處理顯著降低(表2)。腐植酸-尿素處理土壤電導(dǎo)率顯著高于Control處理,腐植酸-尿素處理間差異不顯著,其中U+HA3處理土壤電導(dǎo)率比Urea處理顯著提高。不同施肥處理的土壤有機碳含量范圍是8.18～10.52 g·kg-1,不同處理間的變異規(guī)律與土壤電導(dǎo)率相同。土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量在不同處理間的差異顯著,處理間的大小規(guī)律為U+HA3＞U+HA2、U+HA1＞Urea＞Control。Control處理的土壤有效磷含量較施氮肥處理顯著降低,然而施氮肥處理間的差異不顯著。腐植酸-尿素處理土壤速效鉀含量較空白處理顯著增加,但Urea處理與Control處理和活化腐植酸-尿素處理間的差異均不顯著。

表2 玉米收獲后不同施肥處理土壤基本理化指標Table 2 Physicochemical characteristics of soil with different fertilization treatments

土壤顆粒粒徑分布結(jié)果顯示,不同施肥處理顯著地影響土壤顆粒粒徑的中位粒徑D50大小(圖3),中位粒徑顆粒大小反映土壤顆粒的主要組成,其大小變異規(guī)律為U+HA3(23.5μm)＜U+HA2(30.5μm)＜U+HA1(35.6μm)＜Control(47.4μm)＜Urea(59.3μm)。采用(D90-D10)/D50表征土壤顆粒粒徑分布的范圍,不同施肥處理土壤顆粒粒徑分布范圍的順序分別為U+HA3(7.11)、U+HA2(6.62)、U+HA1(5.07)、Urea(3.29)、Control(1.66),說明施肥擴大了土壤顆粒的粒徑分布范圍,且不同腐植酸-尿素活化處理比Urea處理的影響更大。施肥處理顯著提高了土壤顆粒的比表面積(圖3),不同腐植酸-尿素活化處理比Urea處理有顯著的增加,U+HA3處理比其他活化處理的效果更強。

圖3 不同施肥處理土壤顆粒粒徑分布(A)和比表面積(B)Fig.3 Size distribution(A)and specific surface(B)of soil particles under different fertilization treatments

2.3 不同施肥處理小麥、玉米收獲后土壤不同形態(tài)氮含量

小麥收獲后U+HA1處理土壤硝態(tài)氮含量顯著高于Urea處理,但是U+HA2、U+HA3與Urea處理間差異不顯著,且以Control處理最低,與施肥處理間的差異顯著(表3)。小麥收獲后所有處理土壤銨態(tài)氮與土壤全氮含量間的差異不顯著。與小麥收獲后土壤氮含量相比,玉米收獲后不同形態(tài)土壤氮含量在不同處理間的差異較顯著。土壤硝態(tài)氮含量以Control處理最低,其次為Urea處理,腐植酸-尿素處理較高。不同活化處理中,玉米收獲后U+HA2處理土壤硝態(tài)氮含量較其他兩種活化處理有顯著的降低,但其土壤銨態(tài)氮含量較高,與U+HA3處理之間沒有顯著差異,較U+HA1處理存在顯著的升高(表3)。土壤礦質(zhì)氮含量在不同處理間的差異顯著,大小規(guī)律為U+HA3＞U+HA2、U+HA1＞Urea＞Control(表3)。

表3 小麥、玉米收獲后不同施肥處理土壤氮形態(tài)及含量Table 3 Contents of soil nitrogen fractions under different fertilization treatments after wheat and maize harvest

2.4 不同施肥處理土壤氮素礦化與硝化比率

不同施肥處理土壤脲酶活性存在顯著差異(圖4)。以Urea處理的土壤脲酶活性最高,與Control處理、U+HA2、U+HA3處理差異顯著。U+HA3處理土壤脲酶活性比其他兩種活化處理低,但3種活化處理間的差異不顯著(圖4)。Control處理土壤脲酶活性與U+HA3處理的差異不顯著。

空白處理土壤有機氮的礦化比率隨培養(yǎng)時間的增加而減小。培養(yǎng)初期不同施肥處理間土壤有機氮的礦化比率差異不顯著,隨著培養(yǎng)時間的延長,Urea處理土壤有機氮的礦化比率較其他處理顯著增加,到培養(yǎng)結(jié)束以Urea處理土壤有機氮礦化比率最高, 達3.79%,其次是U+HA1處理為2.98%,其他處理土壤有機氮的礦化比率較低且處理間的差異不顯著(圖5A)。土壤有機氮的累積礦化量與礦化比率有相同的變化規(guī)律(圖5B),Urea＞U+HA1＞U+HA3、U+ HA2、Control。土壤有機氮的累積礦化量范圍為23.03～37.36 mg·kg-1。此結(jié)果表明,活化處理和催化活化處理腐植酸-尿素肥料的施用顯著抑制了土壤有機氮

礦化過程,U+HA1處理對有機氮礦化作用抑制較弱,但其礦化量低于Urea處理。對土壤有機氮礦化比率相關(guān)的影響因子進行相關(guān)分析,結(jié)果表明土壤有效磷含量與土壤有機氮礦化比率具有正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.455 9。這一結(jié)果與李輝信等[18]的研究相一致,土壤有效磷是土壤微生物活動的主要營養(yǎng)元素,對土壤有機氮的礦化作用具有促進作用。

圖4 不同施肥處理的土壤脲酶活性Fig.4 Soil urease activities under different fertilization treatments

圖5 不同施肥處理土壤有機氮的礦化比率(A)和累積礦化量(AQ)(B)Fig.5 Soil organic nitrogen mineralization rate(A)and accumulative quantity(AQ)(B)under different fertilization treatments

不同施肥處理土壤硝化比率隨培養(yǎng)時間的延長而升高,于培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定(圖6)。所不同的是Urea處理土壤硝化比率在培養(yǎng)初期比其他處理的升高幅度明顯提高,隨培養(yǎng)時間的延長其土壤硝化比率比其他處理均高,最終達84%。Control處理土壤硝化比率處于最低水平,為53%。與Urea處理相比,活化腐植酸-尿素處理降低了土壤的硝化比率,幅度達Urea處理的24%～29%。

圖6 不同施肥處理土壤硝化比率Fig.6 Soil nitrification rates under different fertilization treatments

2.5 小麥玉米不同施肥處理氮肥利用率

氮肥回收利用率反映了作物對施入土壤中肥料氮的回收效率。本研究中小麥Urea處理氮肥回收利用率為32.91%,腐植酸-尿素處理的氮肥回收利用率顯著高于Urea處理,U+HA2和U+HA3處理的氮肥回收利用率分別比U+HA1處理提高20%和39%(圖7A)。玉米Urea處理氮肥回收利用率為22.91%,顯著低于腐植酸-尿素處理。不同活化處理腐植酸-尿素間的差異不顯著,大小范圍是40.82%～44.22%(圖7B),分別比Urea處理提高78%～93%。

氮肥偏生產(chǎn)力是指單位投入的肥料氮所能生產(chǎn)的作物籽粒產(chǎn)量,小麥Urea處理偏生產(chǎn)力為25.48 kg·kg-1,腐植酸-尿素處理U+HA1、U+HA2和U+HA3分別比單施尿素處理提高15%、20%和28%(圖7A)。玉米Urea處理為38.61 kg·kg-1,腐植酸-尿素處理比Urea處理提高8%～10%,但腐植酸-尿素處理間差異不顯著。玉米氮肥偏生產(chǎn)力比小麥高,是因為玉米產(chǎn)量顯著高于小麥產(chǎn)量(圖1)。

氮肥農(nóng)藝利用率是指單位施氮量所增加的作物籽粒產(chǎn)量,本研究中不同處理間小麥氮肥農(nóng)藝利用率差異顯著,Urea處理氮肥農(nóng)藝利用率最低,為7.48 kg·kg-1,U+HA3處理最高,為 14.54 kg·kg-1(圖7A)。U+HA3處理與U+HA2處理間的差異不顯著,比U+HA1處理有顯著增加。玉米所有處理的氮肥農(nóng)藝利用率均比小麥季高,但活化處理間的差異不顯著,均比Urea處理顯著提高(圖7B)。

圖7 小麥(A)、玉米(B)不同施肥處理氮肥利用率Fig.7 Nitrogen use efficiency in different fertilization treatments for wheat(A)and maize(B)

2.6 不同施肥處理氮肥利用率與其他相關(guān)指標間的聯(lián)系

經(jīng)回歸分析表明,土壤氮肥回收利用率分別與土壤硝化比率、土壤有機氮的礦化量和土壤脲酶含量呈顯著的負線性相關(guān)關(guān)系(表4)。土壤顆粒比表面積與土壤氮肥回收利用率呈正線性相關(guān)關(guān)系。由此說明氮肥回收利用率隨土壤硝化比率、土壤有機氮礦化量和土壤脲酶含量的增加有降低的趨勢,隨土壤顆粒比表面積增加有增加的趨勢(表4)。

表4 不同施肥處理氮肥回收利用率與其他相關(guān)指標間的回歸關(guān)系Table 4 Regression analysis of N recovery efficiency and other soil indexes in different fertilization treatments

3 討論

本研究中3種活化腐植酸-尿素處理的小麥籽粒產(chǎn)量較Urea處理增產(chǎn)15.06%～27.69%,玉米籽粒產(chǎn)量則提高了7.84%～9.55%。Urea處理的小麥、玉米籽粒產(chǎn)量較空白處理存在顯著增產(chǎn)效果。李兆君等[13]也取得了類似研究結(jié)果,即施用腐殖酸長效尿素顯著提高了玉米籽粒產(chǎn)量。其原因歸結(jié)于腐殖酸長效尿素在玉米生長前期抑制了土壤中脲酶活性,向土壤環(huán)境供氮的速度基本與玉米生長發(fā)育需氮的速度相一致,另外可提高玉米不同生育期葉片葉綠素含量和光合作用強度。Tahir等[14]發(fā)現(xiàn),腐殖酸施用量為60 mg·kg-1(土壤)時,顯著地促進了小麥的株高、鮮根重和干物質(zhì)的量,同時也提高了植株對氮的吸收量,在非石灰性土壤上這一現(xiàn)象尤為顯著,主要是因為腐殖酸可以絡(luò)合土壤中非有效態(tài)的養(yǎng)分,并調(diào)節(jié)土壤的pH。

本研究發(fā)現(xiàn),腐植酸-尿素施用后可顯著降低土壤容重和pH,提高了土壤電導(dǎo)率、土壤有機碳含量和礦質(zhì)態(tài)氮含量(表2),另外,還降低了土壤顆粒粒徑的中位粒徑D50,提高了土壤顆粒粒徑分布的范圍和土壤的比表面積(圖3)。此外,較Urea處理,腐植酸尿素施用顯著地降低了土壤脲酶活性,說明腐植酸的存在延緩了尿素的水解與轉(zhuǎn)化,間接地延長尿素的有效性從而促進作物的生長。U+HA2和U+HA3處理顯著抑制了土壤有機氮礦化過程,U+ HA1處理對有機氮礦化作用抑制較弱(圖5)。許多學(xué)者[11-12,19]也得到了類似的研究結(jié)果,即腐植酸施用降低了土壤的供氮速率,其原因是腐植酸與尿素的絡(luò)合作用降低了氮素養(yǎng)分的釋放速率和土壤脲酶活性。上述因素均表明,腐植酸尿素的施用改善了土壤物理化學(xué)性質(zhì),減緩了尿素等氮肥形態(tài)的轉(zhuǎn)化,提高了土壤對不同氮素形態(tài)的吸儲和釋放能力(表3),使得肥效期延長，肥料利用率提高，最終提高作物產(chǎn)量。

本研究中應(yīng)用3種肥料利用率指標研究氮肥利用率,因為不同利用率指標反映不同的施肥效應(yīng)[16,20],肥料回收利用率是一個反映作物對肥料利用狀況的綜合指標,它集中表現(xiàn)了影響肥料利用率的多種因素,如土壤性質(zhì)、作物特征、耕作模式、管理方式以及肥料的用量、種類和施肥時間[4-5,20-22]。由于施肥技術(shù)和土壤肥力狀況等其他因素相同,因此,施肥處理對氮肥利用率存在顯著的影響(圖7)。腐植酸-尿素處理氮肥回收利用率較Urea處理顯著增加,增加幅度為36.73%～91.43%。腐植酸-尿素活化處理對氮肥利用率也存在不同的影響,與尿素與腐植酸直接摻混處理相比,腐植酸-尿素活化催化處理對氮肥回收利用率提高具有更好的促進作用。該研究結(jié)果主要的影響因素在于活化處理腐植酸-尿素是有機無機混合肥料,已有的研究表明有機無機肥料配合施用可以提高無機肥料的利用率[8-9]。另外,不同活化處理對氮肥回收利用率的提高效應(yīng)可能在于不同活化處理游離腐植酸含量的差異造成的,腐植酸經(jīng)過尿素活化處理和活化催化處理后的游離腐植酸含量分別為18.2%和18.8%,較未經(jīng)處理的原始腐植酸(游離腐植酸含量 14.4%)提高了26.4%和30.6%。

本研究中U+HA1、U+HA2和U+HA3處理的氮肥回收利用率在當(dāng)季小麥上表現(xiàn)比較明顯,分別為45%、54%和63%,高于張福鎖等[5]報道的山東、山西地區(qū)(2001—2005年)小麥氮肥回收利用率平均值40.5%。本研究中單施尿素處理氮肥回收利用率為32.91%,低于上述報道的氮肥回收利用率平均值。造成結(jié)果差異的原因在于該報道中氮肥與磷肥、鉀肥配合施用,且多次追施氮肥。此結(jié)果位于國際報道糧食作物適宜的氮肥回收利用率范圍30%～50%[21]。本研究中所有處理玉米氮肥回收利用率均低于小麥,單施尿素處理僅為22.91%,腐植酸-尿素處理為41%～44%,活化處理間的差異不顯著,可能是由于上季小麥秸稈還田使土壤有效氮含量升高,導(dǎo)致氮肥的施肥效應(yīng)不顯著[23]。不同處理氮肥回收利用率差異顯著的原因主要在于不同施肥處理影響土壤氮素的轉(zhuǎn)化過程與不同形態(tài)氮含量及其他土壤性質(zhì),氮肥回收利用率與相關(guān)影響因素的回歸分析表明,土壤的硝化比率、有機氮的礦化量與土壤脲酶含量均對氮肥回收利用率具有負面影響?；罨幚砀菜?尿素氮肥回收利用率較高,可能的原因為：1)腐植酸尿素施用改善了土壤的理化性質(zhì),例如土壤容重、土壤比表面積和土壤有機碳含量等,提高了土壤對不同形態(tài)氮的保持能力;2)由于腐植酸尿素處理抑制了土壤脲酶活性,尿素的分解速率降低(圖4),使尿素的轉(zhuǎn)化與作物生長需氮規(guī)律趨于一致;3)腐植酸尿素活化處理均顯著抑制土壤有機氮礦化速率和硝化比率(圖5和圖6),這與Sharif等[24]的研究結(jié)果類似。綜上所述,腐植酸尿素延長了尿素的有效性,從而提高其利用率。氮肥回收利用率隨土壤顆粒比表面積的增加而增大,可能是由于土壤顆粒比表面積的增加,促進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增加,從而提高氮素的回收利用率。

土壤氮肥利用率的提高促進作物產(chǎn)量的形成。本研究中盡管土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量在活化腐植酸-尿素處理間的差異不顯著,但土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量在玉米收獲后不同處理間的差異顯著(表3),并與作物產(chǎn)量之間存在一致的變異特征。本研究不同活化處理腐植酸-尿素中游離腐植酸含量存在差異,外源有機碳進入土壤促進土壤有機碳的礦化過程使土壤有效養(yǎng)分含量提高[25]。但是氮肥的回收利用率與土壤有機氮的礦化量呈負線性相關(guān)關(guān)系,可能是由于活化腐植酸尿素的添加抑制脲酶活性和土壤硝化比率,最終使尿素的分解速率降低造成的。本研究未在作物生育期對肥料的釋放特征進行監(jiān)測研究,需要在以后的工作中繼續(xù)開展該方面的研究。

4 結(jié)論

腐植酸-尿素處理的小麥、玉米籽粒產(chǎn)量分別較Urea處理增產(chǎn)15%～28%和8%～10%,較Control處理增產(chǎn)63%～81%和55%～57%。其中腐植酸-尿素活化催化處理(U+HA3)小麥籽粒產(chǎn)量比其他兩種活化處理有顯著提升,增產(chǎn)幅度為U+HA2處理的6%、腐植酸與U+HA1處理的11%。不同施肥處理間小麥、玉米秸稈產(chǎn)量的變異趨勢與籽粒產(chǎn)量的相似?；罨乘?尿素在小麥上的施用效果顯著高于玉米。

3種腐植酸-尿素處理均顯著降低土壤硝化比率、有機氮礦化量及脲酶含量,提高了土壤顆粒的比表面積。腐植酸-尿素處理顯著提高了氮肥回收利用率、氮肥農(nóng)藝利用率和偏生產(chǎn)力,其中以腐植酸-尿素活化催化處理(U+HA3)效果最好。

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Effect of activated humic acid-urea on nitrogen use efficiency and its driving factors under wheat-maize rotation system*

LIU Yanli1,DING Fangjun2,ZHANG Juan3,QI Xingchao1,GU Duanyin2,WU Qinquan2,LI Chengliang1
(1.National Engineering Laboratory for Efficient Soil and Fertilizer Utilization/College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai’an 271018,China;2.Engineering Technology Research Center for Efficient Humic Acid Utilization in Shandong Province/Fertilizer Science Tech.Co.,Ltd.,Shandong Agricultural University,Tai’an 271000,China;3.Shandong Institute of Product Quality Inspection,Jinan 250100,China)

Humic acid-urea is an innovated fertilizer used widely in agricultural production in recent years.However, understanding on nutrient use efficiency of humic acid-urea under wheat-maize rotation system and its driving factors has so far been limited.In this study,the effects of activated humic acid-urea on wheat and maize growth,soil physicochemical properties,nitrogen use efficiency,soil nitrogen forms and contents were investigated in both field and incubation experiments. Three activated humic acid-urea treatments used in the experiments included mixed humic acid and urea(U+HA1),activatedhumic acid-urea(U+HA2)and activated and catalyzed humic acid-urea(U+HA3).For comparison with those urea treatments, no fertilizer application treatment(Control)and single urea application(Urea)were set up.Wheat and maize grain yields in U+HA2 and U+HA3 treatments were enhanced respectively by 15%-28%and 8%-10%,compared with Urea treatment.The application of activated humic acid-urea not only significantly reduced soil bulk density,pH and center diameter of soil granule,but also significantly increased soil specific surface area,electrical conductivity,organic carbon concentration and mineral nitrogen content.In wheat season,nitrogen recovery efficiencies with activated humic acid-urea treatments were markedly higher than that of Urea treatment.The rate of increase for wheat was 37%-91%and that for maize was 78%-93%. The trends in nitrogen agronomic efficiency and nitrogen partial productivity were then same for activated humic acid-urea treatments under wheat-maize rotation system.In addition,regression analysis showed that nitrogen recovery efficiency decreased with increasing soil nitrification,soil organic nitrogen mineralization and soil urease activity.However,it increased with increasing soil specific surface area.In the study,U+HA3 was the best treatment for crop yield,soil physicochemical properties,etc.,which was therefore recommended for application in agricultural production.The results of the study provided the basis for the development and promotion of activated humic acid-urea used in agriculture.

Activated humic acid-urea;Wheat;Maize;Grain yield;Physical and chemical properties of soil;Nitrogen fertilizer use efficiency

,LIU Yanli,E-mail：yanliliu2013@163.com

S512.1;S<158.3 文獻標識碼:A class="emphasis_bold">158.3 文獻標識碼:A 文章編號:1671-3990(2016)10-1310-10158.3 文獻標識碼:A

1671-3990(2016)10-1310-10

A 文章編號:1671-3990(2016)10-1310-10

10.13930/j.cnki.cjea.160258

* 教育部博士點基金項目(2012370212003)、土肥資源高效利用國家工程實驗室聯(lián)合研發(fā)基金(SF2015-5)和山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項(2012ZHZX1A0408)資助劉艷麗,主要從事土壤肥力保持方面的研究。E-mail：yanliliu2013@163.com

2016-03-21 接受日期：2016-04-28

* Supported by the Doctoral Fund of Ministry of Education of China(2012370212003),the United Fund of National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer(SF2015-5)and the Special Fund for Independent Innovation Achievements Transformation in Shandong Province(2012ZHZX1A0408)

Received Mar.21,2016;accepted Apr.28,2016