海藻酸增效复混肥料在冬小麦上的施用效果

2020-04-08李金鑫李絮花刘文博王子凤

中国土壤与肥料 2020年1期

李金鑫，李絮花，刘敏，刘文博，杨柳，张静，王子凤

（土壤资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东泰安 271018）

我国肥料用量巨大，单位面积肥料施用量已超越欧美发达国家，过量的肥料投入导致肥料利用率低下，对生态环境也造成巨大威胁，严重影响到我国粮食安全［1］，这也与我国农业节本增效、优质安全、绿色发展理念相悖。为此，农业部提出“减肥增效”，实现化肥零增长的目标。传统肥料在作出巨大贡献的同时，也暴露出效益递减、面源污染严重等弊端，因此要以养分利用更高效、环境更友好的肥料产品替代传统化肥，添加肥料增效剂对传统化肥进行改性或大力发展新型肥推动肥料结构的优化升级，进而实现减肥增效，带动环境的改善与土壤肥力的恢复与提升［2］。

海藻酸是一种广泛存在于褐藻植物中，是β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古罗糖醛酸（G）通过1，4糖苷键聚合成嵌段共聚物，是具有广泛生物活性的天然生物大分子［3-4］。有关海藻酸作为肥料增效剂的应用效果已有一些报道，袁亮等研制的海藻酸增值尿素，与普通尿素相比可明显提高小麦氮肥利用率和农学效率，并使肥料氮损失率下降［5］。这可能是因为海藻酸降解小分子产物海藻寡糖中的羟基等负电荷基团与尿素中的氨和铵态氮发生络合反应形成络合物，抑制硝化反应和反硝化反应，从而减少氮素损失，达成提高了氮肥的利用率目的［6］。此外，还有殷军港制备海藻包膜尿素也可以抑制土壤脲酶活性［7］。李志坚等将发酵海藻酸添加到磷酸一铵中，制备成增效磷肥，相较于普通尿素，磷肥的表观利用率平均提高了10.19个百分点［8］。李志坚等将增效磷肥对磷素利用率的提高归功于海藻酸可以减少土壤磷的固定，活化原有固定态的磷，增加土壤有效磷含量［8］。刘红芳也证明了海藻提取物能提高土壤Ca2-P和Al-P含量，降低土壤磷的固定，从而提高土壤中磷的有效性［9］。海藻酸螯合金属离子的作用，使固态磷释放出来，提高无机磷在土壤中的占比［10］。海藻酸类肥料在粮食、蔬菜和果树上的增产效果明显［11-15］。在过去的研究大多集中海藻酸增效剂与单元素肥结合，制成增效尿素、增效氮肥、增效磷肥或者是作为叶面肥的螯合剂来研究其增产效果和机理。而海藻酸作为环保型肥料增效剂与复混肥结合，制成的海藻酸增效复混肥，使得海藻酸增效复混肥料可与植物和土壤生态系统和谐地起作用。本文采用田间试验方法，研究海藻酸增效复混肥料及其减量对小麦产量、养分吸收利用、肥料利用效率和土壤培肥的影响，评价其应用效果，揭示海藻酸增效复混肥对“肥料-作物-土壤”的综合调控作用，及其在保障作物不减产前提下，增效复混肥减施20%的可行性，同时也为加快新型肥料推广应用和实现化肥减施增效的目标提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2017年10月～2018年6月在泰安市肥城市曹杭村（N31°05′36.50″，E121°26′10.98″，属温带季风气候）进行，冬小麦-夏玉米一年两熟制为本区域粮食生产主要种植制度。供试小麦品种为济麦22，供试肥料为海藻酸增效复混肥料（20-20-8 海藻酸 0.05%），常规复混肥料（20-20-8），尿素（N 46%），过磷酸钙（P2O512%）和硫酸钾（K2O 51%）。土壤为褐土，基础性质见表1。

表1 土壤基础理化性质

1.2 试验设计

试验设置8个处理：1、CK0（不施肥）；2、CK1（施用磷钾肥不施用氮肥）；3、CK2（施用氮钾肥不施用磷肥）；4、CK3（施用氮磷肥不施用钾肥）；5、CF（常规复混肥料）；6、AF（海藻酸增效复混肥料）；7、CF减量20%（常规复混肥料减施20%）；8、AF减量20%（海藻酸增效复混肥减施20%）。播种量为375 kg·hm-2。常规施肥氮肥纯养分施入量为225 kg·hm-2，磷肥纯养分施入量为180 kg·hm-2，钾肥纯养分施入量为72 kg·hm-2，减施20%是氮磷钾纯养分施入量减施20%。在土壤翻耕前复混肥和磷钾肥一次性撒施施入，CK2和CK3处理施入1/3氮肥纯养分施入量，在小麦返青期间浇水前施氮处理追施2/3氮肥纯养分施入量，于2017年10月7日种植，2018年6月7日收获，期间管理措施与农民大田的常规管理措施相同。小区面积3 m×9.5 m=28.5 m2，3次重复，随机区组排列。具体试验处理及肥料配比列于表2。

表2 试验设计（kg/hm2）

1.3 样品采集及测定方法

小麦成熟后，对每个试验小区内进行实打实收，记录小麦产量。采用“1米双行法”调查小麦的产量构成因素，在样点中随机连续抓取10个有效穗，计数10穗的总粒数，计算单穗粒数，在每小区中随机选取有代表性的10株小麦植株，分为籽粒、颖壳和茎叶2部分，75 ℃烘干至恒质量，记录小麦籽粒和秸秆样品各部位重量。将籽粒和秸秆样品磨细，混合均匀，得到分析样品，测定植株氮磷钾养分含量。

植株样品指标测定方法：植株 N、P、K 用硫酸-双氧水联合消煮，同一待测液测定N、P、K含量，N用凯氏定氮法、P用钒钼黄比色法、K用火焰光度法测定。

土壤采集：在小麦株间土壤均匀取点，采样深度0～20、20～40和40～60 cm，土壤充分混匀后带回实验室。部分鲜土即刻测定土壤硝态氮、铵态氮含量，剩余土壤自然风干，研磨，分别过2 mm筛后保存待测。

土壤样品指标测定方法：土壤无机氮含量（土壤鲜样）用0.01 mol/L CaCl2浸提（土水比1∶10），浸提液中 NO3–-N 和 NH4+-N 含量采用连续流动注射分析仪测定；土壤有效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3（pH值8.5）浸提—钼锑抗比色法测定；土壤速效钾含量用火焰光度法测定。

1.4 相关计算公式［16］

肥料吸收利用率：作物吸收来自所施肥料中的养分占所施肥料养分总量的百分数，通常称之为肥料利用率或肥料回收率。计算式为：RE=（Nup-Nc）/Nf，其中Nup为施某一养分时作物地上部吸收的这种养分，Nc为不施某一养分条件下作物吸收的这种养分，Nf为所施肥料中的某一养分量。

（1）氮肥利用率=（施氮区吸氮量-不施氮区吸氮量）/施氮量×100%

（2）磷肥利用率=（施磷区吸磷量-不施磷区吸磷量）/施磷量×100%

（3）钾肥利用率=（施钾区吸钾量-不施钾区吸钾量）/施钾量×100%

农学效率：指每kg肥料养分（N、P2O5、K2O）生产的籽粒kg。计算式为：AE=（Y-Yc）/Nf，其中Y为施某一养分条件下的籽粒产量，Yc为不施某一养分条件下的籽粒产量，Nf为所施肥料中的某一养分量。

（4）氮肥农学效率=（施氮区作物产量-不施氮区作物产量）/施氮量

（5）磷肥农学效率=（施磷区作物产量-不施磷区作物产量）/施磷量

（6）钾肥农学效率=（施钾区作物产量-不施钾区作物产量）/施钾量

1.5 数据处理

试验数据处理采用Excel 2013和SPSS 19.0软件进行统计分析，采用Duncan法进行方差分析，用Dunnett's T3（3）法检验不同处理间差异的显著性（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对冬小麦产量及产量构成因素的影响

由表3可知，海藻酸增效复混肥能调控小麦产量构成因素。与常规复混肥料CF处理相比，海藻酸增效复混肥料AF处理的粒重和穗数分别提高了3.77%和11.99%，且穗数增加较多；海藻酸增效复混肥料减量20%的AF处理的穗数提高了8.14%；常规复混肥料减量20%的CF处理的粒重、穗粒数和穗数没有显著的变化。表明本试验条件下，海藻酸增效复混肥及其减量能提高小麦的穗数，促进小麦的籽粒形成，从而提高小麦的籽粒产量。

表3 不同处理的产量构成因素

施肥均能不同程度上提高小麦产量（表4）。与CK0（不施肥）处理相比，CK2（无磷）、CK3（无钾）处理的产量分别提高11.48%和15.76%，而CK1（无氮）处理小麦产量没有显著增加。说明本试验条件下，不施用氮肥单施磷钾肥会严重影响增产效果，施用氮肥则可以明显提高小麦产量，氮是限制小麦产量的最主要肥料因子。

与CF处理相比，AF及AF减量处理的产量分别增加了15.33%和9.68%，差异达显著水平。说明施用海藻酸增效复混肥增产效果更好。另外，在经济系数和生物量方面，AF及其减施处理也处于最高水平。两种复混肥的减施处理与全量施肥处理相比，产量上均没有显著差异，说明肥料减施20%条件下，既能减少肥料投入量，又能使小麦稳产。而且海藻酸增效复混肥减施后的产量仍明显高于CF处理的产量，进一步说明施用海藻酸增效复混肥可以实现减肥增效的目标。

表4 不同处理的冬小麦产量

2.2 不同处理对养分吸收量的影响

施用海藻酸增效复混肥可以明显促进小麦对养分吸收（表5）。与CF处理相比，AF处理的氮、磷、钾养分积累量显著增加，分别提高了15.63%、12.54%和8.13%；AF减量处理的氮素吸收量明显提高了8.76%。说明与常规复混服相比，施用海藻酸增效复混肥更能提升小麦对氮、磷、钾养分的吸收和利用，对小麦养分吸收具有更好的调控作用。减施处理和全量施肥处理在氮磷养分吸收量上均无显著差异，而且与全量施肥的常规复混肥相比，海藻酸增效复混肥减施20%对小麦养分吸收状况有一定改善效果，特别是减施20%仍显著促进小麦对氮素吸收。

表5 不同处理的植株养分吸收总量

2.3 不同处理对肥料利用率及农学效率的影响

施用海藻酸增效复混肥及其减施20%均能显著提升肥料利用程度（表6）。在施肥量相等的情况下，AF处理的氮、磷、钾肥料利用率比CF处理分别提高了 14.85、9.54和13.50个百分点。而且AF减量处理氮、磷、钾肥的肥料利用率也均高于CF处理，分别提高了 15.78、12.12和11.19个百分点。

AF处理的氮、磷和钾肥农学效率比CF处理分别增加了3.72、4.65和11.63 kg·kg-1；同时AF减量处理的单位氮、磷和钾肥增产量也均显著高于CF处理，分别提高了3.98、4.61和10.85 kg。可见，在小麦施用海藻酸增效复混肥比常规复混肥增产效果更好。另外，复混肥减施处理较全量施肥处理，肥料利用率和农学效率无显著差异，但海藻酸增效复混肥减施20%比全量施肥的常规复混肥明显提高了肥料利用率及农学效率。

表6 不同处理肥料利用率及农学效率

2.4 不同处理对土壤硝态氮、铵态氮含量的影响

由图1可以看出，小麦收获后不同施肥处理的0～60 cm土壤硝态氮含量存在显著差异。施用氮肥显著提高土壤硝态氮含量，而且在相同施肥量条件下，0～20 cm土壤硝态氮含量均表现为：AF＞CF，AF减量＞CF减量，施用海藻酸增效复混肥可以显著增加土壤表层硝态氮含量。不同土层间比较，施用常规复混肥（CF和CF减量）、氮钾肥（CK2）和氮磷（CK3）处理的土壤硝态氮含量随土壤深度增加而增加，说明氮肥施入土壤后转化为硝态氮极易向深层土壤迁移；施用海藻酸增效复混肥（AF和AF减量）处理的土壤硝态氮含量随土壤深度增加而递减。这可能是因为硝态氮作为土壤氮素最活跃的氮素形态极易淋溶，而海藻酸增效复混肥能减缓硝态氮向土壤深层迁移。

施用氮肥也能显著提高土壤铵态氮含量，虽然AF处理20～60 cm土壤铵态氮含量最高，但与其它施氮（CF、CF减量、AF、AF减量、CK2和CK3）处理差异不显著；但在0～20 cm土壤中AF处理土壤铵态氮含量显著高于其它施氮处理，表明冬小麦上施用海藻酸增效复混肥能显著提高表层土壤的铵态氮含量。这可能与施肥方式为撒施有关，因为撒施对表层土壤的铵态氮养分影响较大，而对较深层的土壤的铵态氮养分影响较小，这还需要多季的肥效试验进行探究。

图1 不同处理不同土层铵态氮、硝态氮含量

2.5 不同处理对土壤有效磷和速效钾含量的影响

施用磷肥能提高0～60 cm土壤有效磷和速效钾含量（表7），且各处理土壤有效磷和有效钾含量随土壤深度增加而减少。在相同施肥量条件下，与常规复混肥料比较，海藻酸增效复混肥处理0～20 cm土壤有效磷和速效钾含量明显提高，说明施用海藻酸增效复混肥可以增加表层土壤有效磷和速效钾含量；海藻酸增效复混肥减施磷肥20%，0～20 cm土壤有效磷含量与CF处理没有显著差异。

表7 不同处理不同土层的有效磷、速效钾含量（mg·kg-1）

3 讨论

肥料助剂是肥料产业的一个重要组成部分，在改善化肥产品品质、增加产品功能及提高肥料利用率等方面具有重要作用。海藻酸增效复混肥料作为采用海藻酸增效技术的新型肥料，对玉米增产效果显著［17］。

本试验研究海藻酸增效复混肥在冬小麦上的施用效果，结果表明：与常规复混肥处理相比，海藻酸增效复混肥处理的冬小麦氮、磷、钾养分吸收总量分别提高了15.63%、12.54%和8.13%；海藻酸增效复混肥减施20%处理的冬小麦氮素积累量提高了8.76%，虽然磷钾积累量差异未达显著水平，但也分别提高了6.05%和1.93%。充分证明海藻酸增效复混肥可以促进小麦对养分的吸收利用，特别是在氮素吸收利用上效果更加显著。适宜的土壤结构能促进土壤养分的转化，并促进作物生长。王泽文研究认为，海藻肥具有改善土壤结构、提高土壤保水能力等功效。海藻酸作为海藻肥的标志成分，因而海藻酸增效复混肥可能同样具有改善土壤结构作用［18］。虽然本文没有海藻酸增效复混肥对土壤容重和土壤空隙的具体数据，但是海藻酸增效复混肥改善土壤肥力上的效果明显：改善硝态氮分布格局，滞缓硝态氮土壤深层迁移，增加土壤表层硝态氮、铵态氮、有效磷和速效钾含量。施用海藻酸增效复混肥对表层土壤肥力影响更大，深层土壤影响相对较弱，但小麦根系最大直径主要分布在 0～10 cm土层中［19］，从而海藻酸增效复混肥更能满足小麦需肥特性。

在产量方面，施用海藻酸增效复混肥增产效果明显，与常规复混肥处理相比，施用海藻酸增效复混肥增产15.33%。小麦籽粒产量构成因素是粒重、穗粒数和穗数，施用海藻酸增效复混肥使穗数和粒重维持在较高水平，从而提高小麦产量。在本试验条件下，虽然是肥料纯养分投入量减少20%，但AF和AF减量，CF和CF减量相比，产量无显著差异，而且AF减施处理小麦产量比CF处理增产9.68%。说明海藻酸增效复混肥肥料减施20%条件下，既能减少肥料投入，又能使玉米稳产。在本试验条件下，单季小麦施用海藻酸增效复混肥是优化的施肥方式，可以实现小麦肥料减施增效和提高产量的目标。由于本试验仅进行了一季、一种土壤类型上的田间试验，在该新型肥料肥效评价方面存在一定的局限性，在以后的试验中将充分考虑试验年限和多点肥效验证，为该肥的推广提供更为充足的理论和技术支持。

全面评价肥料施用效果，离不开肥料利用相关数据。在尿素中增加海藻酸增效助剂有助于提高玉米氮肥利用率［5］。在与常规复混肥对比中，海藻酸增效复混肥及其减量对肥料利用率、肥料农学效率的提升效果是显著的。在本试验条件下，海藻酸增效复混肥的肥料利用率分别为：氮肥36.38%、磷肥26.99%、钾肥43.37%，均高于常规复混肥，分别提高了 14.85%、9.54%和13.50%，而且海藻酸增效复混肥减施20%处理的氮、磷、钾肥料利用率比常规复混肥分别显著提高了15.78%、12.12%和11.19%。由此看来，肥料减施20%不仅可以节省肥料投入，还可以提高氮、磷、钾肥料利用率。从肥料农学效率方面来看，施用海藻酸复混肥处理的单位氮、磷和钾肥增产量比CF处理分别增加了3.72、4.65和11.63 kg；同时海藻酸增效复混肥减施处理的单位氮、磷和钾肥增产量也均高于CF处理，分别提高了3.98、4.61和10.85 kg。进一步证明了海藻酸增效复混肥的增产效果。