腐殖酸肥料對小麥氮素吸收利用的影響*

張 祥，梁 濟(jì)，李接勵，袁 宸，陳明良

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 上海 201418； 2.上?；ぱ芯吭河邢薰?上海 200062)

0 前言

肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提高與化肥工業(yè)的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)多年來的統(tǒng)計(jì)資料表明，在單產(chǎn)的提高中，化肥對農(nóng)業(yè)增產(chǎn)所起的作用占40%～60%，我國農(nóng)業(yè)部門也認(rèn)為在40%左右[1]。但是近年來，隨著化肥施用量的增加，糧食產(chǎn)量卻并沒有成比例增長，傳統(tǒng)化學(xué)肥料較低的利用率導(dǎo)致增產(chǎn)效應(yīng)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(nóng)田氮肥的當(dāng)季利用率僅為30%～35%[3- 4]，化肥流失不僅對環(huán)境造成污染，而且影響作物的品質(zhì)。因此，減少氮肥用量、提高氮肥利用效率和作物產(chǎn)量，對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的環(huán)境友好發(fā)展具有重要意義。

在此大背景下，新型肥料的研發(fā)、應(yīng)用和推廣是農(nóng)業(yè)發(fā)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(jī)養(yǎng)分，其在提高化肥利用效率、改良土壤、增強(qiáng)作物的抗逆性和改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)方面的作用已逐步受到重視[6]。

腐殖酸是動植物遺骸經(jīng)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(jī)高分子聚合物，是由芳香族及其多種官能團(tuán)構(gòu)成的高分子有機(jī)酸，因其分子鏈中含有多種活性基團(tuán)，故具有良好的化學(xué)活性和生物活性、較強(qiáng)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(zhì)量分?jǐn)?shù)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(nèi)含有羰基、羧基、醇羥基、酚羥基等多種活性官能團(tuán)，由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其具有極為特殊的理化性質(zhì)，能與許多有機(jī)物和無機(jī)物發(fā)生相互作用[7]。

腐殖酸與氮肥結(jié)合施用能促進(jìn)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(chǎn)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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)上的應(yīng)用潛力也較大[10]，開展腐殖酸類肥料在促進(jìn)農(nóng)作物生長、提高其產(chǎn)量和作用機(jī)理方面的研究工作對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要意義。為此，通過采用大田小區(qū)農(nóng)化試驗(yàn)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(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)地點(diǎn)安排在上海市崇明區(qū)建設(shè)鎮(zhèn)，采用S形布點(diǎn)方式進(jìn)行土壤采樣，即沿著一定的線路，按照隨機(jī)、等量和多點(diǎn)混合的原則進(jìn)行取樣。供試土壤農(nóng)化性狀如表1所示。

表1 供試土壤農(nóng)化性狀

有機(jī)質(zhì)/(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(jī)質(zhì)，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(kuò)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(yàn)條件一致性和養(yǎng)分配比調(diào)整容易的角度出發(fā)，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(xué)組成如表2所示。

表2 供試肥料的化學(xué)組成 %

(2)供試作物

供試作物為小麥，品種為揚(yáng)麥158。此品種在當(dāng)?shù)胤N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(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田設(shè)在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田上，單個小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m)。試驗(yàn)設(shè)8個條件，3次重復(fù)，隨機(jī)排列，共24個小區(qū)，按規(guī)定設(shè)置保護(hù)行。試驗(yàn)共設(shè)8個處理：T1，空白對照，不施氮肥，施磷鉀肥；T2，常規(guī)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(yàn)小區(qū)施肥方案如表3所示。

1.4 試驗(yàn)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?；适┯煤螅罾缤寥?，然后播種。追肥僅施氮肥(腐殖酸尿素或者尿素)，分別在拔節(jié)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(dāng)?shù)靥镩g管理一致，各項(xiàng)措施由專人負(fù)責(zé)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(yàn)小區(qū)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(jié)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(shí)物量分別為30、60、90 kg/hm2

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同處理對小麥部分農(nóng)學(xué)指標(biāo)和產(chǎn)量的影響

不同處理對小麥部分農(nóng)學(xué)指標(biāo)和產(chǎn)量的影響如表4所示。

表4 不同處理對小麥部分農(nóng)學(xué)指標(biāo)和產(chǎn)量的影響

處理株高/cm千粒重/g產(chǎn)量/(kg·hm-2)相對產(chǎn)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(nóng)學(xué)指標(biāo)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(yàn)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?cái)?shù)據(jù)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(chǎn)量的影響

如圖3示，施氮肥處理(T2、T4、T6、T8)的小麥產(chǎn)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(chǎn)量最高，T6的小麥產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)量與氮肥用量有較為顯著的正相關(guān)性，在同等試驗(yàn)條件下，腐殖酸對小麥產(chǎn)量的提高起到一定的促進(jìn)作用。

圖3 不同處理對小麥產(chǎn)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(jì)算參數(shù)的選擇

國內(nèi)外學(xué)者已提出較多描述肥料利用效率的參數(shù)[13- 14]，如作物的生產(chǎn)系數(shù)或邊際產(chǎn)量、作物的偏生產(chǎn)率和作物的生產(chǎn)效率等。各種參數(shù)所反映的側(cè)重點(diǎn)不盡相同，國內(nèi)應(yīng)用較多的是肥料利用率RE(有些學(xué)者稱之為肥料當(dāng)季利用率)，即肥料養(yǎng)分回收率，如氮素利用率按式(1)計(jì)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(nèi)外學(xué)者常用肥料偏生產(chǎn)力PFP、肥料農(nóng)學(xué)效率AE、肥料生理利用率PE來表征農(nóng)田肥料養(yǎng)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(chǎn)力；

AN——氮素農(nóng)學(xué)效率；

EN——氮素生理利用率；

Y——施肥條件下的作物產(chǎn)量；

Y0——不施肥條件下的作物產(chǎn)量。

以上4個參數(shù)是從農(nóng)作物生長不同的角度描述作物對肥料養(yǎng)分的利用效率，我國習(xí)慣使用RE，其能較好地反映作物對化肥養(yǎng)分的吸收狀況。國際農(nóng)學(xué)界常用PFP，原因是其不需要空白區(qū)產(chǎn)量和養(yǎng)分吸收量的測定，簡單明了、易于掌握，是評價肥料效應(yīng)較適宜的指標(biāo)。AE是評價肥料增產(chǎn)效應(yīng)較為準(zhǔn)確的指標(biāo)，PE反映了植物體內(nèi)養(yǎng)分的利用效率。近年來，有些學(xué)者對氮肥利用率的定義、測定和計(jì)算等方面提出了修正意見[15- 16]，另有些學(xué)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?fù)p失等指標(biāo)，值得同行關(guān)注[17]。本試驗(yàn)選用RE和PFP指標(biāo)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(chǎn)力的變化趨勢與氮素利用率相同。試驗(yàn)結(jié)果表明，在施肥量相同的條件下，與常規(guī)施肥相比，施用腐殖酸肥料能促進(jìn)農(nóng)作物對氮養(yǎng)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(jìn)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(chǎn)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(chǎn)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(jī)理

有些學(xué)者探討了腐殖酸對提高氮素利用率的作用[18- 20]，一般認(rèn)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(fā)，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(jìn)植物根系發(fā)育和體內(nèi)氮素代謝，促進(jìn)氮素的吸收，提高肥效，促進(jìn)作物生長；腐殖酸能增強(qiáng)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(jié)語

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，腐殖酸肥料可以促進(jìn)小麥的生長發(fā)育，有效改善小麥部分農(nóng)學(xué)指標(biāo)，提高小麥的產(chǎn)量，促進(jìn)作物對氮素的積累和提高氮素的利用率，起到了節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的目的。因此，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，腐殖酸肥料對構(gòu)建環(huán)境友好和資源節(jié)約型農(nóng)業(yè)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(chǎn)量，最高產(chǎn)量與常規(guī)施肥的產(chǎn)量相差316.5 kg/hm2，相對產(chǎn)量在101.10%～108.04%。

(3)涉及肥料效率的參數(shù)較多，本試驗(yàn)選擇肥料利用率RE和肥料偏生產(chǎn)力PFP表征試驗(yàn)結(jié)果。與常規(guī)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(chǎn)力提高0.27～1.94 kg/kg。