腐殖酸肥料对小麦氮素吸收利用的影响

Effect of Humic Acid Fertilizer on Nitrogen Absorption and Utilization of Wheat

张祥 Xiang ZHANG , 梁济 Ji LIANG , 李接励 Jieli LI , 袁宸 Chen YUAN , 陈明良 Mingliang CHEN

1 上海应用技术大学上海 201418 Shanghai Institute of Technology, Shanghai 201418, China 2 上海化工研究院有限公司上海 200062 Shanghai Research Institute of Chemical Industry Co., Ltd., Shanghai 200062, China

Author notes:

Correspondence to: 梁济(1962—)，男，高级工程师，主要从事磷复肥工艺研究和工程开发工作；gaotazaoli@163.com

摘要：

为探索腐殖酸类肥料在促进农作物生长、提高其产量方面的作用机理，以小麦为研究对象，开展了大田小区试验。试验结果表明，与常规施肥相比，施用腐殖酸肥料最高增产316.5 kg/hm²，氮素利用率提高10.48%~12.10%。腐殖酸肥料可以促进小麦的生长发育，有效改善小麦部分农学指标，增强作物对氮素的积累，从而提高了小麦的产量和氮素利用率。

关键词：

腐殖酸肥料; 小麦; 产量; 氮素利用率;

Abstract：

In order to explore the mechanism of humic acid fertilizer in promoting crop growth and improving its yield, the field plot experiment was carried out on wheat. The results showed that wheat yield increased by up to 316.5 kg/hm² and the nitrogen use efficiency increased by 10.48%~12.10% after application of humic acid fertilizer. Compared with the conventional fertilization, humic acid fertilizer could promote the growth and development of wheat, effectively improve some agronomic indexes of wheat, and enhance the accumulation of nitrogen in crops, thus improve the yield and nitrogen use efficiency of wheat.

Keyword：

humic acid fertilizer; wheat; yield; nitrogen use efficiency;

0 前言

肥料在农业生产中占有重要的地位，现代化农业生产效率的提高与化肥工业的发展有着密切的联系。根据联合国粮农组织(FAO)多年来的统计资料表明，在单产的提高中，化肥对农业增产所起的作用占40%~60%，我国农业部门也认为在40%左右^[1]。但是近年来，随着化肥施用量的增加，粮食产量却并没有成比例增长，传统化学肥料较低的利用率导致增产效应明显下降。目前，我国每年氮肥施用量占世界氮肥总用量的30%以上^[2]，农田氮肥的当季利用率仅为30%~35%^[3-4]，化肥流失不仅对环境造成污染，而且影响作物的品质。因此，减少氮肥用量、提高氮肥利用效率和作物产量，对实现农业的环境友好发展具有重要意义。

在此大背景下，新型肥料的研发、应用和推广是农业发展的迫切需要。新型肥料是指选用新材料、采用新方法或新工艺制备的新型功能肥料^[5]，腐殖酸类肥料是其中重要的品种之一。腐殖酸类肥料富含腐殖酸和一定量的无机养分，其在提高化肥利用效率、改良土壤、增强作物的抗逆性和改善农产品品质方面的作用已逐步受到重视^[6]。

腐殖酸是动植物遗骸经过生物和非生物的降解、缩合等作用而形成的一种天然有机高分子聚合物，是由芳香族及其多种官能团构成的高分子有机酸，因其分子链中含有多种活性基团，故具有良好的化学活性和生物活性、较强的离子交换能力和吸附能力。腐殖酸主要由C、H、O、N、S等元素组成，各元素的质量分数含量大致范围为C 42%~67%、O 25%~45%、H 2%~6%%、N 1%~3%、S 0%~2%。目前，许多研究已表明腐殖酸分子内含有羰基、羧基、醇羟基、酚羟基等多种活性官能团，由于其结构的复杂性，使其具有极为特殊的理化性质，能与许多有机物和无机物发生相互作用^[7]。

腐殖酸与氮肥结合施用能促进小麦和玉米的生长及对氮的吸收^[8]，腐殖酸与磷肥配施能提高大豆产量^[9]。腐殖酸不仅有提高肥效、刺激作物生长和改良土壤的作用，在农田生态系统上的应用潜力也较大^[10]，开展腐殖酸类肥料在促进农作物生长、提高其产量和作用机理方面的研究工作对我国农业发展具有重要意义。为此，通过采用大田小区农化试验方法，探索了腐殖酸肥料对小麦生长和氮素利用率的影响，旨在为腐殖酸肥料的推广应用提供可靠的基础数据。

1 试验材料和方法

1.1 供试土壤

试验地点安排在上海市崇明区建设镇，采用S形布点方式进行土壤采样，即沿着一定的线路，按照随机、等量和多点混合的原则进行取样。供试土壤农化性状如表 1所示。

表 1

供试土壤农化性状

有机质/(g·kg^-1)	全氮/(g·kg^-1)	pH	碱解氮/(mg·kg^-1)	有效磷/(mg·kg^-1)	速效钾/(mg·kg^-1)
13.00	1.45	8.37	93.49	3.01	74.34

土壤中各性状分析方法^[11]：有机质，重铬酸钾-硫酸氧化法；pH，电位法(水土体积比=2.5 :1.0)；全氮，凯氏定氮法；碱解氮，碱解扩散法；速效磷，0.5 mol/L NaHCO₃浸提，钼锑抗比色法；速效钾，1.0 mol/L CH₃COONH₄浸提，火焰光度法。

1.2 供试肥料和作物

(1) 供试肥料

从试验条件一致性和养分配比调整容易的角度出发，供试肥料为尿素、普钙、氯化钾、腐殖酸尿素和腐殖酸钾，其化学组成如表 2所示。

表 2

供试肥料的化学组成

肥料¹⁾	w(N)	w(P₂O₅)	w(K₂O)	w(腐殖酸)²⁾
注：1)尿素、普钙和氯化钾均为市售，腐殖酸尿素参照化工行业标准《含腐植酸尿素》(HG/T 5045—2016)自制，腐殖酸钾参照国家标准《农业用腐殖酸钾》(GB/T 33804—2017)自制； 2)不同的标准对腐殖酸的解释和分析方法略有不同
尿素	46.00
普钙		10.61
氯化钾			60.21
腐殖酸尿素	45.05			0.14
腐殖酸钾			15.26	75.32

(2) 供试作物

供试作物为小麦，品种为扬麦158。此品种在当地种植已有近20年历史，近年来的种植面积仍保持在6 667~10 000 hm²^[12]。

1.3 试验设计

试验田设在高标准农田上，单个小区面积为20 m²(5 m×4 m)。试验设8个条件，3次重复，随机排列，共24个小区，按规定设置保护行。试验共设8个处理：T1，空白对照，不施氮肥，施磷钾肥；T2，常规施肥；T3、T5和T7，不施氮肥，施腐殖酸钾和磷钾肥；T4、T6和T8，施氮肥、腐殖酸钾和磷钾肥。试验小区施肥方案如表 3所示。

表 3

试验小区施肥方案

处理	基肥/(kg·hm^-2，折纯)				追肥/(kg·hm^-2，折纯)
	N尿素	P₂O₅普钙	K₂O		拔节期N		抽穗期N
	N尿素	P₂O₅普钙	氯化钾	腐殖酸钾	腐殖酸尿素	尿素	腐殖酸尿素	尿素
注：T3和T4、T5和T6、T7和T8施用腐殖酸钾实物量分别为30、60、90 kg/hm²
T1	0.000	112.500	112.500	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000
T2	112.500	112.500	112.500	0.000	0.000	25.305	0.000	25.305
T3	0.000	112.500	107.925	4.575	0.000	0.000	0.000	0.000
T4	112.500	112.500	107.925	4.575	25.305	0.000	25.305	0.000
T5	0.000	112.500	103.350	9.150	0.000	0.000	0.000	0.000
T6	112.500	112.500	103.350	9.150	25.305	0.000	25.305	0.000
T7	0.000	112.500	98.760	13.740	0.000	0.000	0.000	0.000
T8	112.500	112.500	98.760	13.740	25.305	0.000	25.305	0.000

1.4 试验管理

基肥按施肥方案由尿素(若有)、普钙、氯化钾和腐殖酸钾(若有)配制而成，采用撒施方式一次性施入。基肥施用后，深犁土壤，然后播种。追肥仅施氮肥(腐殖酸尿素或者尿素)，分别在拔节期和抽穗期施入。所有处理的种植密度及其他水肥管理措施与当地田间管理一致，各项措施由专人负责完成。小麦播种期为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，收获期为2018年6月2日。

2 试验结果

2.1 不同处理对小麦部分农学指标和产量的影响

不同处理对小麦部分农学指标和产量的影响如表 4所示。

表 4

不同处理对小麦部分农学指标和产量的影响

处理	株高/cm	千粒重/g	产量/(kg·hm^-2)	相对产量/%
T1	70.5	42.00	2 686.5	68.25
T2	78.9	43.24	3 936.0	100.00
T3	71.9	42.70	2 737.5	69.55
T4	77.5	44.06	3 979.5	101.10
T5	72.3	42.38	2 755.5	70.01
T6	80.2	44.28	4 231.5	107.51
T7	75.8	42.98	2 830.5	71.91
T8	78.6	44.02	4 252.5	108.04

2.1.1 对农学指标的影响

如图 1所示：施氮肥处理(T2、T4、T6、T8)的株高显著高于不施氮肥处理(T1、T3、T5、T7)；在同等氮磷钾用量而腐殖酸钾用量不同时，T6的株高最高，其余依次为T8、T2和T4，由此推测腐殖酸钾用量在60 kg/hm²附近存在较好的试验条件；在同等磷钾用量、不施氮肥而腐殖酸钾用量不同时，T7的株高最高，其余依次为T5、T3和T1，说明腐殖酸钾用量增加有利于小麦株高的提高。

图 1

不同处理对小麦株高的影响

如图 2所示，小麦千粒重数据略有不同，但总体趋势与小麦株高较为接近。在不施氮肥的各处理(T1、T3、T5和T7)中，T7的千粒重最大；在施氮肥的各处理(T2、T4、T6和T8)中，T6的千粒重最大。

图 2

不同处理对小麦千粒重的影响

2.1.2 对小麦产量的影响

如图 3示，施氮肥处理(T2、T4、T6、T8)的小麦产量显著高于不施氮肥处理(T1、T3、T5、T7)；在同等氮磷钾用量而腐殖酸钾用量不同时，T8的小麦产量最高，T6的小麦产量与其接近，其余依次为T4和T2，最高与最低相差316.5 kg/hm²；在同等磷钾用量、不施氮肥而腐殖酸钾用量不同时，T7的小麦产量最高，其余依次为T5、T3和T1，最高与最低相差144.0 kg/hm²。小麦的产量与氮肥用量有较为显著的正相关性，在同等试验条件下，腐殖酸对小麦产量的提高起到一定的促进作用。

图 3

不同处理对小麦产量的影响

2.2 不同处理对小麦氮肥利用效率的影响

2.2.1 计算参数的选择

国内外学者已提出较多描述肥料利用效率的参数^[13-14]，如作物的生产系数或边际产量、作物的偏生产率和作物的生产效率等。各种参数所反映的侧重点不尽相同，国内应用较多的是肥料利用率RE(有些学者称之为肥料当季利用率)，即肥料养分回收率，如氮素利用率按式(1)计算：

图 1

$ {R_{\rm{N}}}{\rm{ = }}(U - {U_0})/F $

式中：R_N——氮素利用率；

U——施肥条件下作物收获时地上部分的吸氮总量；

U₀——不施肥条件下作物收获时地上部分的吸氮总量；

F——所施肥料中氮素的总量。

除肥料利用率之外，目前国内外学者常用肥料偏生产力PFP、肥料农学效率AE、肥料生理利用率PE来表征农田肥料养分的利用情况：

图 2

$ {R_{\rm{N}}}{\rm{ = }}(U - {U_0})/F $

图 3

$ {R_{\rm{N}}}{\rm{ = }}(U - {U_0})/F $

图 4

$ {R_{\rm{N}}}{\rm{ = }}(U - {U_0})/F $

式中：P_N——氮素偏生产力；

A_N——氮素农学效率；

E_N——氮素生理利用率；

Y——施肥条件下的作物产量；

Y₀——不施肥条件下的作物产量。

以上4个参数是从农作物生长不同的角度描述作物对肥料养分的利用效率，我国习惯使用RE，其能较好地反映作物对化肥养分的吸收状况。国际农学界常用PFP，原因是其不需要空白区产量和养分吸收量的测定，简单明了、易于掌握，是评价肥料效应较适宜的指标。AE是评价肥料增产效应较为准确的指标，PE反映了植物体内养分的利用效率。近年来，有些学者对氮肥利用率的定义、测定和计算等方面提出了修正意见^[15-16]，另有些学者提出了氮素管理的概念，建立了氮素平衡、氮素盈余、氮素利用率和氮素损失等指标，值得同行关注^[17]。本试验选用RE和PFP指标来分析腐殖酸肥料对小麦氮素利用率的影响。

2.2.2 氮素吸收情况

不同处理对氮素利用率的影响如表 5所示。

表 5

不同处理对氮素利用率的影响

处理	籽粒		秸秆		全株总氮素量/(kg·hm^-2)	氮素利用率/%	氮素偏生产力/(kg·kg^-1)
处理	w(N)/%	氮素吸收量/(kg·hm^-2)	w(N)/%	氮素吸收量/(kg·hm^-2)	全株总氮素量/(kg·hm^-2)	氮素利用率/%	氮素偏生产力/(kg·kg^-1)
T1	1.70	45.675	0.36	17.610	63.285
T2	2.18	85.800	0.46	25.170	110.970	29.24	24.13
T3	1.68	45.990	0.35	19.455	65.445
T4	2.40	95.505	0.58	32.550	128.055	39.72	24.40
T5	1.74	47.940	0.39	17.730	65.670
T6	2.40	101.550	0.45	27.225	128.775	40.16	25.94
T7	2.01	56.895	0.44	23.415	80.310
T8	2.42	102.915	0.46	27.780	130.695	41.34	26.07

如图 4和图 5所示：T4、T6和T8处理的氮素利用率明显高于T2处理；与T2处理相比，T8处理的氮素利用率最大，提高12.10%，T6处理提高10.92%，T4处理提高10.48%；氮肥偏生产力的变化趋势与氮素利用率相同。试验结果表明，在施肥量相同的条件下，与常规施肥相比，施用腐殖酸肥料能促进农作物对氮养分的吸收，从而提高氮素利用率。

图 4

施氮肥处理对氮素利用率的影响

图 5

施氮肥处理对氮素偏生产力的影响

如图 6所示：对于不施氮肥处理(T1、T3、T5、T7)，在同等磷钾肥用量的条件下，随着腐殖酸用量的增加，全株总氮素量呈逐渐增加趋势，这说明腐殖酸对作物从土壤中吸收氮素有较大的促进作用。

图 6

不施氮肥处理对全株总氮素量的影响

2.2.3 腐殖酸的作用机理

有些学者探讨了腐殖酸对提高氮素利用率的作用^[18-20]，一般认为腐殖酸具有较好的离子交换能力和吸附能力，与尿素共同使用时，可以抑制脲酶活性，减缓尿素分解，减少挥发，逐步释放氮素，使肥效期延长；同时，腐殖酸的生物活性能促进植物根系发育和体内氮素代谢，促进氮素的吸收，提高肥效，促进作物生长；腐殖酸能增强作物对土壤氮素的吸附与保持，减少土壤氮素的流失，使作物对氮素的吸收利用率增加。

3 结语

(1) 试验结果表明，腐殖酸肥料可以促进小麦的生长发育，有效改善小麦部分农学指标，提高小麦的产量，促进作物对氮素的积累和提高氮素的利用率，起到了节约资源、保护环境的目的。因此，在现代化农业生产中，腐殖酸肥料对构建环境友好和资源节约型农业有着较为重要的意义。

(2) 在施肥量相同的条件下，使用腐殖酸肥料能提高小麦产量，最高产量与常规施肥的产量相差316.5 kg/hm²，相对产量在101.10%~108.04%。

(3) 涉及肥料效率的参数较多，本试验选择肥料利用率RE和肥料偏生产力PFP表征试验结果。与常规的尿素相比，腐殖酸肥料氮素利用率提高10.48%~12.10%，氮素偏生产力提高0.27~1.94 kg/kg。

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