环境材料对不同水肥条件下玉米氮磷利用效率的影响

智　丹，黄占斌，田艳飞，刘陆涵，陈珊珊

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院， 北京 100083)



环境材料对不同水肥条件下玉米氮磷利用效率的影响

智丹，黄占斌，田艳飞，刘陆涵，陈珊珊

(中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院， 北京 100083)

摘要：为了探究不同水肥条件下环境材料对作物生长和氮磷利用效率的效应，通过盆栽玉米种植实验采用土壤持水量(A)、氮磷肥(B)、环境材料(C)三因素三水平正交实验设计，研究了高分子保水剂、沸石和腐植酸等环境材料组合对玉米生长和氮磷肥利用效率影响，筛选出作物增产和氮磷肥同步增效的三因素优化组合，并通过土壤肥力和酶活性分析揭示相关效应机理。结果表明，三因素对各项指标影响的主次顺序不同，A和B对玉米生长和氮磷肥利用效率的影响大于C，但C能够促进玉米生长和氮磷肥利用效率的提高，促进土壤碱解氮、有效磷含量的提高以及脲酶、磷酸酶活性的增加；土壤持水量65%～70%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5，环境材料4.5 g的组合和土壤持水量85%～90%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5，环境材料9 g的组合，作为提高玉米产量和氮磷肥利用效率的优化组合，在实践中可根据水分情况进行选择。

关键词：环境材料；氮磷肥；土壤持水量；作物产量；正交设计

农业是国民经济的命脉和经济发展的保障，干旱缺水和肥料利用率低是制约我国农业可持续发展的重要因素[1]。农业是我国总用水中第一大户，农田灌溉水量占农业总用水量的70%～80%，而我国人均水资源占有量不足世界的四分之一，被列为13个贫水国之一[2-3]。与此同时，肥料利用率低一直是我国农业生产中亟需解决的问题[4-5]。我国氮肥利用效率约为30%～35%左右[6-7]，磷肥的当季利用率只有10%～20%，化学肥料使用量大且利用率低，不仅使其生产效益大为降低，而且还造成了难以治理的环境污染问题。氮肥的污染主要是硝态氮的污染，硝态氮不为土壤胶体吸附，随灌溉水或者雨水流失污染地下水，这不仅会降低农作物的产量和质量，还会危及人体的健康[8]。磷随地表径流由陆地生态系统向水体生态系统迁移，加速了水体的富营养化，给自然界和人类的生命安全带来威胁[9-10]。因此，发展有效节水农业、提高作物氮磷利用效率，对实现农业可持续发展意义重大。

环境材料是一类具有良好的协调性能和使用性能的特殊的功能材料，采用环境材料提高土壤水肥利用效率是促进农业可持续发展的重要手段[5]。高分子保水材料是一种具有超高吸水保水能力的高分子聚合物[11]，其具有保水、保土和保肥的作用，与氮磷肥配施能有效提高作物产量并降低农业面源污染[4,12]。目前对高分子保水材料的应用的仍大多为单一型，将高分子保水材料与不同环境材料混合作为肥料增效剂的相关研究比较少。煤基营养材料可作为良好的土壤改良剂提供天然的保水剂和肥力仓库，矿物吸附材料混入土壤可以疏松土壤并中和土壤酸性[13]。研究表明，高分子保水材料保水剂、煤基营养材料腐植酸、矿物吸附材料沸石分别促进了作物生长和肥料利用效率的提高[14]，但将其优化组合，结合不同水肥条件探讨三种环境材料对氮磷肥同步增效的研究较少，无法充分发挥环境材料在氮磷肥同步增效方面的作用。藉此，本研究应用盆栽实验和三因素三水平正交实验设计方法，将土壤水分、氮磷肥、环境材料三因素，在高、中、低三水平下形成正交实验设计方案，研究不同水肥条件下环境材料对玉米氮磷肥利用效率的影响，这对推动环境材料在促进氮磷肥高效利用方面应用和产品开发、促进农业和环境的可持续发展具有重要现实意义。

1材料与方法

1.1供试材料

环境材料：高分子保水材料保水剂SAP，为金元易公司提供的型号MP3005KL，白色晶体颗粒；有机营养材料腐植酸HA，其中含黑腐酸45%，黄腐酸16.7%，棕腐酸29.5%，由内蒙古霍林河煤业集团有限责任公司提供；吸附性沸石FS(60目～80目)，乳白色无定型颗粒，化学纯试剂，由天津市津科精细化工研究所生产。

供试土壤：采自北京市大兴区林地间隙地表土，土壤类型为潮土，土壤质地为轻壤土，土壤pH 7.49，电导0.25 mS·cm-1，土壤容重1.23 g·cm-3，环刀法测得田间持水量为23.33%。

供试肥料：氮肥选用广东光华科技股份有限公司的尿素(分析纯)，化学式为H2NCONH2，含氮量46%；磷肥选用过磷酸钙[Ca(H2PO4)2·H2O]，灰白色或深灰色粉末，化学纯试剂，有效磷(P2O5)含量14%～15%。

供试玉米：北京市农林科学院玉米研究中心‘京单28号’玉米。该品种夏播出苗至成熟95 d，幼苗叶鞘紫色，叶片绿色，株型紧凑，籽粒黄色、半马齿型。

实验装置：棕色塑料花盆内径25 cm，高25 cm，重250 g左右。

1.2实验设计

本实验采用模拟盆栽实验，设置土壤持水量(A)、氮磷肥(B)、环境材料(C)三个因素。环境材料为前期实验得到的促进土壤氮磷肥保持量最大的组合SAP∶FS∶HA=0.05%∶0.7%∶0.15%，用量按照高C3、中C2、低C1三水平；土壤水分参照农田实际，设计为高A3、中A2、低A1三水平；氮磷肥按照已有资料，采用氮磷肥纯量1∶0.75，用量分别为高B3、中B2、低B1三水平。实验形成三因素三水平组合L9(33)，正交分组情况如表1。

表1　盆栽实验因素水平表

注：施氮磷量以每千克土施加的纯N、纯P2O5量表示。

Note: The factor B reflects the amount of pure N and P2O5in 1kg soil.

玉米于2014年5月1日在作者所在单位温室种植。实验设9组，另设不添加环境材料组CK，共30盆，预先拌肥和添加环境材料。每组3重复，每盆装土6 kg，种植玉米3穴，每穴2粒种子，定苗后留3株。每天称盆重，记录重量，当水分下降到水平下限时浇水至上限，准确记录每次浇水量，称重浇水时间为每天下午5∶00之后。分别在拔节期(6月5日)、孕穗期(7月1日)、开花期(7月11日)、成熟期(8月10日)测植物生长指标、土壤理化指标和酶活性指标。

1.3测定指标与方法

采用株高和叶面积来表征玉米的生长状况，用直尺法测定。株高为土壤至植株中央最高点的距离，叶面积采用长宽系数法(采用叶面积=长×宽×系数，系数为0.75)[15]。玉米籽粒产量采用称重法测定。将玉米籽粒自然风干至恒重，采用四分法选取百粒玉米籽粒及全部籽粒，用万分之一电子天平(美国OHAUS公司产)称量其重量[16]。

土壤碱解氮用碱解扩散法[17]，有效磷用碳酸氢钠浸提—钼锑抗分光光度法[18]，脲酶用苯酚—次氯酸钠比色法[19]，碱性磷酸酶用磷酸苯二钠比色法[20]。实验数据处理采用Excel和SPSS19.0进行统计分析，计算极差确定因素的主次顺序，综合分析确定优组合。

本研究应用农学研究中的氮磷肥利用效率(g·g-1)，NUE=经济产量/施氮量，PUE=经济产量/施磷量[21]。盆栽实验玉米经济产量以干物质量表示,施氮、磷量以施加的纯N、纯P2O5量表示。

2结果与分析

2.1环境材料对玉米生长的影响

玉米株高和叶面积是体现其生长发育状况的重要指标，在一定程度上反映着作物生长速度快慢和植物对光能截获的多少[16,22]。以株高为例，株高随着玉米生长呈增大趋势，从拔节期到开花期增长迅速。由表2看出，玉米生长前期土壤水分A为主要影响因素，后期主要为氮磷肥B，三因素在不同生长期对玉米株高的影响不同。氮磷肥B和土壤持水量A发挥主要作用，后期环境材料C发挥的作用逐渐增大。

表2　三因素对玉米株高的影响分析/cm

注：H1、H2、H3、H4分别表示玉米拔节期、孕穗期、开花期、成熟期的株高；Ki表示任一列上水平号为i时所对应的试验结果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值。

Note: H1, H2, H3and H4denote the height of maize in jointing, booting, flowering and mature stage, respectively.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

在拔节至孕穗期，玉米营养生长迅速，叶片增多，气温升高，玉米蒸腾量随之加大，需要较多水分；孕穗期之后，玉米生殖生长需要大量氮磷肥，仍需要足够的水分保证生长，成熟期对水分略有减少，但缺水会造成籽粒不饱满、百粒重下降等后果[23-25]。添加环境材料对玉米株高有较大影响，考虑玉米最后生长效果可选择组合A3B2C3，实验设计中组合5、8与其最为接近，分别较不添加环境材料组CK高15.82%、12.85%。

同理分析三因素对玉米叶面积的影响效应，氮磷肥B和土壤持水量A发挥主要作用，后期环境材料C发挥的作用逐渐增大。考虑玉米最后的生长效果，组合9(A3B3C2)对促进玉米叶面积效应最大，较CK高40.93%，可作为促进玉米叶面积效应的优化组合。

2.2环境材料对玉米产量的影响

玉米籽粒产量由单位面积株数、单株粒数和百粒重三因素决定。盆栽模拟实验最终每盆收获一株玉米，玉米籽粒产量取三组重复玉米籽粒重量的平均值。表3看出，对玉米籽粒产量的影响主次顺序为B(氮磷肥)>A(土壤持水量)>C(环境材料)，优化组合9(A3B3C2)，较CK提高46.58%。组合6(A2B3C1)籽粒产量较CK提高33.55%，且其土壤持水量和环境材料用量比组合9少，因此可选组合6、9作为玉米产量的优化组合，这与对植物株高和叶面积分析结果一致。黄绍文等[26]研究表明，施用氮、磷和钾营养对玉米籽粒产量和营养品质有明显的影响，成熟期对水分需求略有减少。

相关性分析表明，籽粒产量与三因素之间的回归方程为：y=46.5213+0.0296A+1.4665B+0.0716C。籽粒产量与三因素呈正相关，相关度分别为43.08%、46.37%、5.31%。

2.3环境材料对玉米氮磷肥利用效率的影响

由表4看出，玉米对氮肥利用效率的影响的主次顺序为B(氮磷肥)>A(土壤持水量)>C(环境材料)，优化组合为组合7(A3B1C3)，较CK提高26.13 g·g-1。相关性分析表明，玉米NUE与株高、叶面积、籽粒产量呈正相关，相关度分别为33.91%、51.27%、45.60%。

同理分析三因素对玉米磷肥利用效率的影响效应，发现主次顺序为A(土壤持水量)>B(氮磷肥)>C(环境材料)，优化组合为组合7(A3B1C3)，较CK提高30.34 g·g-1。玉米PUE与株高、叶面积、籽粒产量呈正相关，相关度分别为32.42%、34.85%、31.02%。相对而言，植物指标与NUE之间的相关度高于PUE。

表3　三因素对玉米籽粒产量的影响分析/g

注：G表示玉米成熟期的籽粒产量；Ki表示任一列上水平号为i时所对应的试验结果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素。取水平i时所得试验结果的算术平均值。

Note: G denotes the maize yield.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

比较发现，组合7(A3B1C3)的NUE和PUE相对较高，其产量较CK提高15.88%；组合6(A2B3C1)的NUE和PUE分别较CK高6.9%、15.65%；组合9(A3B3C2)为13.60%、21.44%，而组合6、9产量较CK分别提高33.55%、46.58%。比较发现，在土壤持水量较高情况下，可选择组合9(A3B3C2)作为提高作物产量和氮磷肥利用效率的优组合；在土壤持水量较少情况下，可选择组合6(A2B3C1)。在实践中可根据实际目标和环境情况进行选择。

表4　三因素对玉米氮磷肥利用效率的影响分析/(g·g-1)

注：NUE、PUE分别表示玉米氮肥利用效率、磷肥利用效率；Ki表示任一列上水平号为i时所对应的试验结果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素取水平i时所得试验结果的算术平均值。

Note: NUE and PUE denote the nitrogen and phosphorus use efficiency, respectively.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

2.4环境材料对玉米土壤酶活性效应的影响

如图1所示，不同时期各组别土壤碱解氮和脲酶的变化趋势不同。

图1不同时期各组别土壤碱解氮和脲酶的变化趋势

Fig.1Variations of alkaline hydrolysis nitrogen contents and urease activities during different periods

土壤碱解氮随着玉米的生长呈逐渐减小趋势，可见玉米生长吸收了土壤中的N使得碱解氮减少，也有少量的N损失。添加环境材料组较CK碱解氮含量提高4.02%～32.4%。极差分析得出，氮磷肥B对玉米土壤碱解氮影响较大，土壤持水量A和环境材料C影响相当，组合6(A2B3C1)碱解氮最大。土壤脲酶活性随着玉米的生长呈先增大后减小趋势，拔节孕穗期作物营养生长迅速促使脲酶水解量增加。添加环境材料组脲酶活性较CK提高12.22%～23.39%，环境材料一定程度上促进土壤脲酶活性。极差分析得出，土壤持水量对土壤脲酶活性影响较大，环境材料和氮磷肥影响相当，实验设计组合9(A3B3C2)土壤脲酶活性较大。

如图2所示，不同时期各组别土壤有效磷和磷酸酶活性的变化趋势不同。

图2不同时期各组别土壤有效磷和磷酸酶活性的变化趋势

Fig.2Variations of the available soil phosphorus and phosphatase activities during different periods

土壤有效磷随着玉米的生长呈先增大后减小趋势，分析原因可能是拔节孕穗期玉米生长所需的有效磷增加，促进环境材料活化土壤中难溶性磷使土壤中的有效磷含量增加。到植株生长后期，玉米大量吸收土壤中的有效磷使其下降。添加环境材料组较CK有效磷含量提高15.87%～75.70%。极差分析得出，氮磷肥B对土壤有效磷影响较大，土壤持水量A和环境材料C对其有一定影响，组合6(A2B3C1)和组合9(A3B3C2)土壤有效磷含量相对较大。土壤磷酸酶活性随玉米的生长呈先增大后减小趋势，与有效磷变化趋势一致，于群英[27]等研究表明土壤磷酸酶活性与有效磷含量存在正相关。添加环境材料的组别较CK磷酸酶活性提高了11.91%～18.55%，可见环境材料一定程度上促进了磷酸酶活性的提高。在不同生长期，三因素对磷酸酶活性影响的主次顺序不同，土壤持水量A和环境材料C影响相对较大。

综合分析发现，组合6(A2B3C1)和组合9(A3B3C2)促进土壤碱解氮和脲酶、磷酶活性效果明显，这与对植物生长效应和氮磷肥利用效率的分析结果相一致，也是该组合的效应机理所在。

3主要结论

1) 环境材料能有效促进玉米株高增加和叶面积增加，氮磷肥和土壤持水量对株高和叶面积影响大于环境材料。实验获得对促进玉米株高、叶面积的优化组合方式。

2) 环境材料应用促进玉米增产，土壤持水量分别为65%～70%、85%～90%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5和分别施用环境材料4.5 g、9 g的组合6(A2B3C1)和组合9(A3B3C2)，作为提高玉米产量优化组合，分别较对照增产33.55%、46.58%。玉米籽粒产量与三因素间的回归方程为：y=46.5213+0.0296A+1.4665B+0.0716C。

3) 环境材料能促进植物氮磷肥利用效率的提高，土壤持水量和氮磷肥对NUE和PUE的影响大于环境材料。综合分析，可选组合6(A2B3C1)和组合9(A3B3C2)为提高作物产量和氮磷肥利用效率的优化组合，在实践中可根据实际目标和环境情况进行选择。

4) 环境材料在一定程度上促进了土壤碱解氮、有效磷含量的提高以及脲酶、磷酸酶活性的增加，组合6(A2B3C1)和组合9(A3B3C2)土壤肥力和酶活性效果相对较高。

参 考 文 献：

[1]郭殿珍.半干旱区农业节水技术及效益研究[J]．甘肃科技，2006，22(3)：1-3.

[2]马晓河，方松海．中国水资源状况与农业生产[J]．中国农村经济，2006，(10)：4-11．

[3]陈威．环境材料对土壤氮素的淋溶及其玉米生长效应的研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2009．

[4]黄占斌，孙在金．环境材料在农业生产及其环境治理中的应用[J]．中国生态农业学报，2013，21(1)：88-95．

[5]刘燕妮，任保平，高鹏．中国农业发展方式的评价[J]．经济理论与经济管理，2012，(3)：100-106．

[6]谷洁，高华．提高化肥利用率技术创新展望[J]．农业工程学报，2004，16(2)：17-20．

[7]叶全宝，张洪程，魏海燕，等．不同土壤及氮肥条件下水稻氮利用效率和增产效应研究[J]．作物学报，2004，31(11)：1422-1428．

[8]朱兆良．农田中氮肥的损失与对策[J]．土壤与环境，2000，9(1)：1-6．

[9]Shenoy V V. Enhancing plant phosphorus use efficiency for sustainable cropping[J]. Biotechnology Advances，2005，(23)：501-513.

[10]Roberto A. Gaxiola, Mark Edwards, James J. Elser. A transgenic approach to enhance phosphorus use efficiency in crops as part of a comprehensive strategy for sustainable agriculture[J]. Chemosphere，2011，36(24)：840-845.

[11]翁瑞．环境材料学[M]．北京：清华大学出版社，2001：3-4．

[12]张志峰．保水剂研究进展[J]．磷肥与复肥，2010，25(5)：63-66．

[13]冯园园．环境材料对土壤保水及氮肥增效性的研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2010．

[14]李嘉竹，黄占斌，陈威，等．环境功能材料对半干旱地区土壤水肥利用效率的协同效应[J]．水土保持学报，2012，26(1)：232-236．

[15]黄震，黄占斌，孙朋成，等．环境材料对作物吸收重金属Pb、Cd及土壤特性研究[J]．环境科学学报，2012，32(10)：2490-2499．

[16]章智明，黄占斌，单瑞娟，等．环境材料对铅镉污染土壤玉米生长和重金属累积的影响[J]．河北农业大学学报，2013，36(3)：21-24．

[17]王晓岚，卡丽毕努尔，杨文念．土壤碱解氮测定方法比较[J]．北京师范大学学报(自然科学版)，2010，46(1)：76-78．

[18]李嘉竹．高吸水性树脂及增效剂对土壤水分和氮素的保持效能研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2012：32-35．

[19]王璐娜．环境材料组合对土壤水肥保持和植物生长的效应研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2014．

[20]陈宇．环境材料对磷肥增效和植物生长效应的研究[D]．北京：中国矿业大学(北京)，2014．

[21]易镇邪，王璞，刘明，等．不同类型氮肥与施氮量下夏玉米水，氮利用及土壤氮素表观盈亏[J]．水土保持学报，2006，20(1)：63-67.

[22]闫洪奎，李娜，郭志友，等．玉米株高及叶片的相关性[J]．延边大学农学学报，2002，24(4)：254-256．

[23]陆文娟．不同水肥条件下灌溉方式对玉米生理和水分养分利用的影响[D]．南宁：广西大学，2011．

[24]韦彩会，李伏生，徐春晖，等．调亏灌溉及施肥对玉米干物质积累和相关生理性状的影响[J]．干旱地区农业研究，2010，28(4)：76-84．

[25]阎勇，罗兴录，张兴思，等．不同供水条件下玉米耐旱生理特性比较[J]．中国农学通报，2007，23(9)：323-326．

[26]黄绍文，孙桂芳，金继运，等．氮、磷和钾营养对优质玉米籽粒产量和营养品质的影响[J]．植物营养与肥料学报，2004，10(3)：225-230．

[27]于群英．土壤磷酸酶活性及其影响因素研究[J]．安徽师范大学学报，2001，15(4)：5-8．

Effects of environmental materials on NUE and PUE of maize under different water and fertilizer conditions

ZHI Dan, HUANG Zhan-bin, TIAN Yan-fei, LIU Lu-han, CHEN Shan-shan

(SchoolofChemicalandEnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing, 100083,China)

Abstract：In order to investigate the synchronous effects of environmental materials on crop growth and fertilizer use efficiencies on nitrogen and phosphorous, a pot experiment using maize was set up through an orthogonal design employing soil moisture (A), nitrogen and phosphorus use level (B), environmental materials (C) and their crosstalk. Effects by the combinations of environmental materials including super absorbent polymer, zeolite and fumic acid on maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE), soil fertility and enzyme activity were analyzed, allowing the selection of an optimal treatment for improvements of crop yield and fertilizer use efficiency. The results showed that impacts from the three abovementioned factors varied. The impacts of soil moisture (A), and nitrogen and phosphorus use level (B) on maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE) were greater than those of environmental materials (C). Maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE) were promoted through the use of environmental materials. Soil fertility and the activities of urease and phosphatase were also improved. Treatment combinations with 65%～70% soil water content, 1.5 g N, 1.13 g P2O5, and 4.5 g environmental materials and also 85%-90% soil water content, 1.5 g N, 1.13 g P2O5, 9 g environmental materials were selected as the optimal treatments and could become practical depending on the soil moisture level.

Keywords:environmental material; nitrogen and phosphorus; soil moisture; crop yield; orthogonal design

中图分类号：S19

文献标志码：A

作者简介：智丹(1989—)，女，硕士生，主要从事功能材料及化学节水技术等方面的研究。 E-mail: zhidanvivien@163.com。通信作者：黄占斌(1961—)，男，教授，博士生导师，主要从事植物生理生态、化学节水技术、环境生物技术等方面研究。E-mail: zbhuang2003@163.com。

基金项目：国家自然科学基金(41571303)；中央高校基本科研业务费专项资金(研究生科研专项)(2010YH04)

收稿日期：2015-05-23

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.16

文章编号：1000-7601(2016)02-0102-06