腐植酸尿素对玉米生长及肥料氮利用的影响

李军，袁亮，赵秉强，李燕婷，张水勤，温延臣，李伟，林治安

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

腐植酸尿素对玉米生长及肥料氮利用的影响

李军，袁亮，赵秉强，李燕婷，张水勤，温延臣，李伟，林治安*

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081）

【目的】利用腐植酸对氮肥的增效作用，通过研究尿素中腐植酸添加量对玉米生长及肥料氮 (15N) 吸收、分配的影响，以期为腐植酸提高尿素肥效提供理论及实践依据。【方法】将腐植酸增效剂按 1%、5%、10%、20% 的比例分别添加到普通尿素中，利用熔融法制备四种腐植酸尿素试验产品 (HAU1、HAU2、HAU3 和HAU4) ，在土柱栽培试验中利用同位素15N 示踪法，研究在等氮量 (施氮量 0.1 g/kg 干土) 投入情况下，尿素中腐植酸添加量对玉米生长，玉米肥料氮吸收、分配及肥料氮在不同土层分布的影响。【结果】与普通尿素处理 (U) 相比，1) 四种腐植酸尿素处理均可显著提高玉米地上部生物量和籽粒产量，分别提高5.5%～13.8% 和 6.3%～17.3%，且随着腐植酸添加量的增加而提高。2) 腐植酸尿素提高了玉米籽粒、茎、穗轴中的肥料氮含量，但差异不显著，同时降低了苞叶中的肥料氮含量；腐植酸尿素可显著提高玉米地上部和籽粒肥料氮的吸收量，分别增加 11.6%～17.0% 和 16.8%～25.9%，但随着腐植酸添加量的增加，叶和苞叶中的肥料氮吸收量会有所降低；腐植酸尿素的肥料氮收获指数提高 2.5～4.2 个百分点。3) 腐植酸尿素可显著提高15N 肥料利用率和15N 肥料土壤残留率，并降低15N 肥料损失率，15N 肥料利用率提高 5.9～8.6 个百分点，15N 壤残留率提高 1.4～2.5 个百分点，损失率降低 7.3～11.2 个百分点。4) 玉米收获后，土壤中的肥料氮主要残留在 0—50 cm 土层，腐植酸尿素在 0—90 cm 土层中的肥料氮累积残留量比普通尿素高 5.2%～10.1%。【结论】与普通尿素相比，在腐植酸增效剂添加比例为 1%～20% 的范围内，腐植酸对尿素均具有较好的增效作用，随着腐植酸添加量的增加，玉米籽粒产量逐渐增加；腐植酸还可促进玉米叶片和苞叶中的肥料氮向籽粒的转运，提高玉米肥料氮收获指数及籽粒肥料氮吸收量；同时还可提高尿素在土壤中的残留量，减少氮素淋溶损失。

腐植酸尿素；玉米生长；肥料氮利用；土壤肥料氮分布

我国是全球最大的氮肥生产国与消费国[1]，氮肥的施用极大地促进了我国农业的发展。由于氮肥极易通过氨挥发、硝化—反硝化、淋洗和径流等途径损失，而且我国当前氮肥施用量普遍超过作物生长所需量，因此农田氮肥损失十分严重。据统计，我国作物当季氮肥表观利用率仅为 30%～35%[2-3]，损失率达 30%～50%[4-5]。氮肥的不合理施用带来了资源大量消耗及环境污染等问题，限制了农业的可持续发展[6]。针对当前氮肥利用现状，未来我国氮肥研究的重点之一应当是在不增加或减少氮肥用量条件下，通过提高氮肥肥效来降低氮肥施用水平。

腐植酸是一种富含羧基、酚羟基、羰基等活性官能基团，并具有一定物理、化学、生物活性的天然高分子物质[7]，广泛存在于风化煤、褐煤、泥炭等资源中[8]。研究证明，腐植酸通过叶面喷施、根施或种子浸泡等方式均能对作物生长产生良好的促进作用[9]，可提高作物产量，促进作物氮素吸收，并可提高土壤中全氮和矿质氮的含量[10-11]；同时腐植酸对氮肥具有增效作用，向尿素中添加腐植酸既可提高尿素中氮的稳定性，提高氮肥利用率，又可促进作物根系生长，提高作物对氮素的吸收能力[12-14]。因此，生产中将腐植酸作为环保型肥料增效剂与尿素结合生产出的腐植酸尿素，在氮肥增效方面受到广泛关注[15-16]，但当前研究大多集中在腐植酸与氮肥简单混合施用上，而将活化后的腐植酸与尿素熔融造粒制成一种新型肥料，研究腐植酸不同添加量对尿素增效效果的 报 道 还 较 少[9-10,13]。

本研究通过对天然腐植酸进行发酵、活化后，作为高效肥料增效剂按不同比例添加到尿素中，制成了四种腐植酸尿素试验产品。采用15N 同位素示踪技术，研究尿素中腐植酸添加量对玉米产量、植株肥料氮吸收利用及土壤肥料氮分布的影响，探究腐植酸对尿素的增效作用及机理，以期为腐植酸尿素的合理开发利用提供实践基础及理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及作物

试验于 2015 年 6 月至 10 月在中国农业科学院德州实验站禹城试验基地进行，供试土壤采自试验基地连续三年不施任何肥料的匀地试验田，土壤类型为潮土，质地为轻壤，采集试验田 0—20 cm 耕层土壤及 20—90 cm 底层土，分别将两种土壤混匀、过筛、备用，两种土壤基础化学性质见表 1。

供试作物为玉米，品种为郑单 958。

表1 供试土壤基础化学性质Table 1 Soil basic chemical properties

1.2 供试肥料

将风化煤发酵、活化，制成腐植酸增效剂 (HA)，其中含 C 54.52%、N 0.87%、总腐植酸 45.96%、游离腐植酸 45.18%、羧基含量 0.70 mmol/g、酚羟基含量 2.07 mmol/g、pH 7.27、E4/E63.32。将腐植酸增效剂按比例添加到15N 尿素 (购自上海化工研究院，15N丰度 10.17%) 中，充分混合均匀、熔融、造粒，制成腐植酸增效剂含量分别为 1%、5%、10%、20% 的四种腐植酸尿素产品 (HAU)，供试肥料性质见表 2。

表2 供试氮肥中腐植酸增效剂及全氮含量 (%)Table 2 HA and N content of the tested N fertilizers

1.3 试验设计

试验采用土柱栽培方式，将高 100 cm、内径 25 cm 的 PVC 管埋入土中，管口上部高出地面 3 cm，下不封口，与自然土壤直接接触。每个土柱装 50 kg干土，土层深 90 cm，其中土层下部 30—90 cm 装底层土，上部 0—30 cm 装耕层土 (干土 15 kg)，在装入土壤后保持各土柱间土壤容重一致。磷、钾肥用量按充足供应原则，磷肥和钾肥分别选用磷酸二氢钾 (P2O552.2%、K2O 34.4%) 和氯化钾 (K2O 63.0%)，施磷量为 P2O50.2 g/kg 干土，施钾量为 K2O 0.2 g/kg干土。以 0—30 cm 土层土壤干重计算施肥量，将供试肥料与土壤混匀后全部基施于 0—30 cm 土层。

试验共设 6 个处理:不施氮肥对照 (CK，只施磷、钾肥，用量与其它处理相同)；普通尿素 (U)；四种腐植酸尿素 HAU1、HAU2、HAU3、HAU4，施氮 (N) 量均为 0.1 g/kg 干土，重复 8 次，随机区组排列。

玉米于 2015 年 6 月 15 日播种，每个土柱播 4粒种子，在苗期间苗，最终留玉米苗一株，玉米生长期间管理按常规栽培技术要求进行。于 2015 年 10月 1 日收获并测产，分别将籽粒、茎、叶、穗轴、苞叶烘干粉碎，测定其全氮及15N 丰度；同时取0—15、15—30、30—50、50—70、70—90 cm 土层土样，测定土壤全氮及15N 丰度。植物、土壤全氮和15N 丰度均由 Elementar 公司稳定同位素比例质谱仪测定。

1.4 数据处理与分析

计算公式如下[17-19]:

15N 原子百分超=实测丰度值-自然丰度值

肥料氮含量 (%) = 样品全氮含量 × 样品15N 原子百分超/肥料15N 原子百分超

植株各部位肥料氮吸收量 (g/pot) = 植株各部位生物量 × 植株各部位肥料氮含量

肥料氮收获指数 (NHI) = 籽粒肥料氮吸收量/作物地上部肥料氮吸收量 × 100%

各土层土壤肥料氮残留量 (g/pot) = 各土层土壤干重 × 各土层土壤肥料氮含量

15N 肥料利用率 = 地上部肥料氮吸收总量/15N 肥料施氮量 × 100%

15N 肥料土壤残留率 = 土壤肥料氮总残留量/15N肥料施氮量 × 100%

15N 肥料损失率 = 100%-(地上部肥料氮吸收总量+土壤中肥料氮总残留量)/15N 肥料施氮量 × 100%

试验数据采用 Excel 2013 进行处理与作图，SAS 8.0 软件进行数据统计分析，Duncan 新复极差法对处理间进行多重比较 (P ＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 腐植酸尿素对玉米各部位生物量及产量构成因素的影响

2.1.1腐植酸尿素对玉米各部位生物量的影响 施用氮肥可提高玉米生物量 (表 3)，其中在各施氮处理中，腐植酸尿素处理 (HAU1、HAU2、HAU3、HAU4)对玉米生物量的增产效果要好于普通尿素 (U) 处理。在各施氮处理中，腐植酸尿素处理的玉米籽粒产量和地上部总生物量均显著高于普通尿素处理，分别增加 6.3%～17.3%、5.5%～13.8%，且在腐植酸添加量为 1%～20% 的范围内，腐植酸添加量越大，籽 粒 及 地 上 部 生 物 量 越 高 ， 且HAU4 显 著 高 于HAU1 和 HAU2，HAU3 显著高于 HAU1，HAU3 与HAU4 无显著差异 (表 3)。与 U 处理相比，腐植酸尿素处理还增加了玉米叶、茎、穗轴、苞叶的生物量，其中 HAU3、HAU4 处理中叶和穗轴的生物量显著 高 于 U处 理 ， 分 别 增 加 7.0%、7.7% 和8.7%、9.6%；各施氮处理间的茎和苞叶生物量无显著差异；四种腐植酸尿素处理的叶、茎、穗轴、苞叶生物量无显著差异 (表 3)。此外，由表 3 可以看出，玉米生物量主要集中在籽粒中，且腐植酸尿素处理对籽粒产量影响显著，说明腐植酸主要通过提高籽粒产量来提高玉米的生物量。

表3 腐植酸尿素对玉米各部位生物量的影响 (g/pot)Table 3 Effects of HAU on biomass amounts of different organs of maize

2.1.2腐植酸尿素对玉米产量构成因素的影响 施用氮肥可提高玉米百粒重和穗粒数，较 CK 分别增加5.8%～13.7% 和 11.6%～21.6% (表 4)。在各施氮处理中，与普通尿素 (U) 相比，腐植酸尿素可提高玉米百粒重，其中 HAU4 处理的百粒重增加 7.5%，差异达到显著水平；但在穗粒数上，各施氮处理之间无显著差异 (表 4)。可见在玉米生长过程中腐植酸尿素可能主要通过提高玉米的百粒重来提高籽粒产量。

表4 施用腐植酸尿素玉米产量构成因素Table 4 Yield components of maize applied with HAU

2.2 腐植酸尿素对玉米肥料氮吸收利用的影响

2.2.1腐植酸尿素对玉米各部位肥料氮含量的影响腐植酸尿素对玉米各部位肥料氮含量影响不同 (表5)。在各腐植酸尿素处理中，玉米籽粒、茎、穗轴中的肥料氮含量均高于普通尿素 (U) 处理，但各处理间差异不显著；而苞叶中肥料氮含量要低于U处理，其 中 HAU3 和 HAU4 显 著 低 于U 处 理 ， 分 别 低0.014 个百分点和 0.017 个百分点。在四种腐植酸尿素处理中，随着腐植酸添加量的增加，玉米籽粒、叶、苞叶的肥料氮含量逐渐降低 (表 5)，籽粒中肥料氮含量的降低可能是施用腐植酸后籽粒产量增加而引起的稀释效应造成的，而叶和苞叶肥料氮含量降低则可能是由于腐植酸促进了叶和苞叶中的肥料氮向籽粒的转移。

表5 施用腐植酸尿素玉米各部位肥料氮含量 (%)Table 5 Fertilizer N contents in different organs of maize applied with HAU

2.2.2腐植酸尿素对玉米各部位肥料氮吸收量的影响

从肥料氮收获指数可看出 (表 6)，腐植酸尿素促进了玉米植株体内肥料氮向籽粒的转运，显著提高了肥料氮收获指数，与 U 处理相比提高 2.5～4.2 个百分点，且随着腐植酸添加量的增加而增加，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 56.7%～60.9%，其次是叶、茎、穗轴和苞叶。与 U 处理相比，腐植酸尿素处理可显著提高玉米籽粒和地上部的肥料氮吸收量，分别增加 16.8%～25.9%和 11.6%～17.0%，其中，随着腐植酸添加量的增加，玉米籽粒肥料氮的吸收量逐渐增加，HAU3 和HAU4 处理显著高于 HAU1，而四种腐植酸尿素处理间的地上部肥料氮吸收量无显著差异 (表 6)。随着腐植酸添加量的增加，茎肥料氮吸收量逐渐增加，HAU4 处理茎的肥料氮吸收量显著高于 U 处理；在穗轴中，HAU1、HAU2、HAU4 处理肥料氮吸收量显著高于 U 处理，高出 12.5%～21.9%；叶的肥料氮吸收量随着腐植酸添加量的增加先增加后降低，苞叶肥料氮吸收量则逐渐降低，但各处理间均无显著差异 (表 6)。同肥料氮含量变化规律基本一致，叶和苞叶中的肥料氮吸收量降低可能是腐植酸促进了叶和苞叶中的肥料氮向籽粒的转运造成的，从而提高了籽粒的肥料氮吸收量。

2.2.3腐植酸尿素对肥料氮利用、残留及损失的影响

由表 7可看出，施入土壤中的氮素有 50.5%～59.1% 被作物吸收，这是肥料氮的主要去向，同时有24.3%～26.8% 残留在土壤中，剩余的 14.1%～25.3%通过不同途径损失掉。从15N 肥料利用率可以看出，腐植酸尿素可显著提高15N 肥料利用率，较 U 处理提高 5.9～8.6 个百分点，但是四种腐植酸尿素处理间无显著差异；腐植酸还可提高尿素在土壤中的残留率，较 U 处理提高 1.4～2.5 个百分点，均显著高于 U 处理，其中 HAU4 处理残留率最高，显著高于HAU1 和 HAU3；施用腐植酸尿素显著降低了肥料氮损失率，较 U 处理降低 7.3～11.2 个百分点，其中HAU4 处理最低，显著低于 HAU1 (表 7)。

表6 腐植酸尿素对玉米各部位肥料氮吸收量的影响 (g/pot)Table 6 Effects of HAU on fertilizer N uptakes of different organs of maize

表7 腐植酸尿素肥料氮利用、残留及损失率 (%)Table 7 Fertilizer N use, residual and loss rate of HAU

2.3 腐植酸对肥料氮在土层中分布及总残留量的影响

在玉米收获后，各处理的肥料氮在土层中的分布不同 (表 8)。在 0—90 cm 土层中，各腐植酸尿素处理肥料氮总残留量均显著高于 U 处理，高出5.2%～10.1%，其中 HAU4 处理要显著高于 HAU1和 HAU3 (表 8)。肥料氮主要残留在 0—50 cm 土层，HAU1、HAU2、HAU3、HAU4 处理在 0—50 cm 土层的肥料氮残留量占 0—90 cm 土层总残留量的 92.5%、91.9%、92.2%、93.0%，均高于 U 处理的88.5%；在 0—15 cm 土层各处理肥料氮残留量无显著差异；在 15—30 cm 土层和 30—50 cm 土层肥料氮残留量均为 HAU4 处理最高，显著高于 U 处理；而在 50—90 cm 土层，U 处理肥料氮残留量均高于腐植酸尿素处理，且在 70—90 cm 土层 U 处理肥料氮残留量显著高于腐植酸尿素处理，说明腐植酸减少了肥料氮向土壤下层的淋溶损失。

表8 腐植酸尿素肥料氮在土层中分布及总残留量 (g/pot)Table 8 Fertilizer N distribution and total residue in soil layers of HAU

3 讨论

在本试验中，向尿素中添加腐植酸熔融造粒制成腐植酸尿素，在玉米上施用后可提高玉米籽粒产量，促进肥料氮的吸收，说明腐植酸与尿素熔融后可产生良好的增效效果，这主要是由于腐植酸与尿素混合熔融后会发生离子交换、羰基加成、络合等反应提高尿素的缓释性能[20-21]。同时在试验中发现腐植酸在提高玉米肥料氮总吸收量的同时，随着腐植酸添加量的增加，叶和苞叶中的肥料氮吸收量有所降低，而籽粒中的肥料氮吸收量逐渐增加，这可能是由于腐植酸具有类似生物刺激素的作用，可刺激作物根系发育，提高根系对营养元素的吸收能力，进而提高氮素的吸收效率，同时腐植酸能够调节作物新陈代谢，促进氮素在植株体内的转移，进而提高籽粒氮 素 收 获 指 数[17,22-23]。

本研究中，在腐植酸添加比例为 1%～20% 的范围内，腐植酸添加量越大其增产效果越好，但研究表明，腐植酸添加量不同其效果也不尽相同。Akhtar等[10]研究证明，腐植酸可提高小麦籽粒产量及品质，且随着腐植酸添加量的增加而增加，当腐植酸施用量为 2.5 kg/hm2时效果最好；Tahir 等[24]通过盆栽试验发现，腐植酸添加量不是越多越好，土壤中腐植酸施用量为 60 mg/kg 土的中等用量时，对小麦生长和氮素吸收具有较好的促进作用，而在 90 mg/kg 土时反而会产生不利影响。对本试验玉米籽粒产量 (Y)和腐植酸添加比例 (X) 进行拟合，可得出一元二次抛物线方程 Y = -0.092X2+ 3.19X + 184.43 (R2= 0.9411)，从中得出腐植酸添加比例为 17.3% 时玉米产量达到最高，这与 Tahir 等的试验结果类似。但是本试验中腐植酸增效剂添加比例范围为 1%～20%，在此范围内玉米产量总体上是随腐植酸添加量的增加而增加的，如果继续增大腐植酸添加量，会产生何种变化，还有待进一步的试验验证。

自然条件下，风化煤等原料中的腐植酸主要以难溶性大分子团聚体形态存在，经活化后可提高水溶性腐植酸含量及羟基、羧基等官能团数量，进而提高其化学活性[25-26]。因此尿素中腐植酸添加量会影响到腐植酸尿素中的官能团数量及水溶性腐植酸含量，进而影响到尿素的缓释效果[21]，这也就能部分解释不同试验中腐植酸添加量不同其效果也不尽相同的原因。在不同腐植酸添加量条件下，当腐植酸添加量较少时，可能主要是以抑制脲酶活性为主，如果适当增大腐植酸添加量，可能对脲酶的抑制和铵态氮的吸附同时起作用[27-28]，不同阶段哪些作用为主导还有待研究。

本研究中，虽然腐植酸尿素的肥料氮吸收总量比普通尿素要高，但是在玉米收获后，土壤中的肥料氮残留量仍要高于普通尿素，这主要是由于腐植酸减少了肥料氮损失。研究证明，腐植酸可抑制脲酶活性，并对铵态氮有一定的吸附作用，可减少尿素氨挥发及氮素在土壤中的淋溶损失[29-31]。本文研究发现，腐植酸尿素在 50—90 cm 土层中的15N 残留量小于普通尿素，也说明腐植酸可减少肥料氮向下层的淋溶损失。

本研究为华北平原潮土小麦-玉米轮作栽培制度下一年的研究结果，在不同区域、不同土壤类型、不同作物上，腐植酸尿素的应用效果还需进一步研究与验证。

4 结论

在腐植酸增效剂添加比例为 1%～20% 的范围内，腐植酸尿素具有较高的肥效。与普通尿素相比，施用腐植酸尿素，玉米籽粒产量提高 6.3%～17.3%，且腐植酸添加量越大其增产效果越好；腐植酸可促进玉米对肥料氮的吸收，促进肥料氮向籽粒的转运，籽粒肥料氮吸收量增加 16.8%～25.9%，使肥料氮收获指数提高 2.5～4.2 个百分点；腐植酸还可提高氮肥利用率及土壤残留率，并减少氮素淋溶损失。

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Effect of urea containing humic acid on maize growth and15N utilization

LI Jun, YUAN Liang, ZHAO Bing-qiang, LI Yan-ting, ZHANG Shui-qin, WEN Yan-chen, LI Wei, LIN Zhi-an*
( National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China )

【Objectives】In this study, effects of urea containing humic acid (HAU) on maize growth and fertilizer N uptake were investigated for providing support for rational use of humic acid in the improvement of urea efficiency .【Methods】Humic acid was added into urea in proportion of 1%, 5%, 10% and 20% (w/w) by melting method, and the four products were recoded as HAU1, HAU2, HAU3 and HAU4, respectively. A pot experiment was conducted using maize as test material and15N tracer technique. The maize growth, fertilizer N uptake and the fertilizer N distribution in soil profiles were investigated.【Results】1) Compared with the urea (U) treatment, the aboveground biomass and grain yields of the HAU treatments were significantly increased by 5.5%-13.8% and 6.3%-17.3%, respectively, and the increases were enhanced with the increase of HA adding proportions. 2) The HAU treatments increased the fertilizer N contents in grains, stems and cobs, but decreased those in maize bracts. The total fertilizer N uptakes in aboveground parts were increased significantly by 11.6%to 17.0%, and those in grains were increased significantly by 16.8% to 25.9%, however, those in leaves and bracts were decreased. The nitrogen harvest indices of HAU were higher than that of the U treatment by percentage points of 2.5 to 4.2. 3) The HAU treatments significantly increased the N use efficiencies and N residual rates by percentage points of 5.9-8.6 and 1.4-2.5, respectively, while the N loss rates were decreased by percentage points of 7.3 to 11.2. 4) The total fertilizer N residues of the HAU treatments were 5.2%-10.1% higher than that of the U treatment in 0-90 cm soil layer, and the fertilizer N was mainly remaining in the 0-50 cm soil layer.【Conclusions】Compared with the conventional urea, the addition of humic acids increases the effect of urea in maize yield increase, and the effect will be enhanced with the increased proportion of humic acid (ranging from 1% to 20%). Humic acid containing urea can improve the nitrogen harvest index and promote the transport of fertilizer N from leaves and stems to grains, increase the fertilizer N residual rate in soil and decrease the leaching loss of fertilizer N.

urea containing humic acid; maize growth;15N utilization;15N distribution in soil

2016-04-15 接受日期：2016-07-10

国家自然科学基金资助项目（31601827）； “十三五”国家重点研发计划项目（2016 YFD 0200402）；国家科技支撑计划课题（2015BAD23B02）资助。

李军（1991—），男，山东昌乐人，硕士研究生，主要从事新型肥料与肥料增效剂研究。E-mail:sdlijun2014@163.com

* 通信作者 Tel:0534-2186505，E-mail:zhianlin@163.com