减氮配施腐植酸对草甸黑土理化性质及玉米产量的影响

姜佰文，王宇龙，张 娟

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省寒地黑土保护与利用重点实验室，哈尔滨 150030）

玉米是营养价值较高的高产粮食作物，是畜牧养殖业重要饲料来源，也是众多行业不可或缺的原料之一。施用氮肥促进玉米生长发育，同时提高玉米产量。然而，我国玉米产量高、常伴随肥料投入量大，尤其是氮肥投入高，利用率低[1-2]。近年来，我国氮肥利用率较低，而北方玉米种植地区氮肥损失较大。特别是高施氮量地区，氮肥流失极为严重[3]。栾江等研究表明，采取相应减氮措施，可有效降低氮肥单位面积施用量和施用总量，反之，氮肥施用量持续增加，危害环境[4]。氮肥施用过多增加农业成本，降低农民收益，成为限制农业可持续发展重大问题[5-6]。因此，减少氮肥施用已迫在眉睫。

草甸黑土养分丰富，肥力高，是黑龙江省玉米种植重要土壤。但其黏性大，低洼处土壤养分释放速率慢，不利于肥料利用率提高，限制玉米产量增加。超出合理范围施肥不仅导致单位面积作物产量下降、品质低，同时还降低土壤肥力和肥料利用效率，增加种植成本，降低经济效益等[7]。因此，通过优化草甸黑土施肥方式，促进其养分释放，提高作物养分吸收和肥料利用率，减少化肥投入，可为玉米高产稳产，实现农业绿色可持续发展提供重要保障。

腐植酸（HA）主要通过微生物分解转化动植物残体以及一系列化学过程完成积累。腐植酸具有亲水性、弱酸性、表面活性、吸附性和离子交换性等性质，主要归因于在腐植酸中普遍存在苯酚和羧酸官能团[8]。杜振宇等研究发现，将腐植酸物质施入土壤后可增加土壤有机质含量，形成弱酸缓冲体系，维持土壤酸碱平衡，改善土壤理化性状[9]。腐植酸合理利用不仅减少化肥施用，亦稳定提高农作物质量，减少过度施用化肥而对生态环境产生不利影响，对构建环境友好型社会具有积极作用。

本试验以草甸黑土为研究对象，先玉335为供试材料，在氮肥减施条件下探讨土壤水分状况、土壤孔隙度、土壤养分及玉米产量对不同腐植酸施用量的响应。研究将为黑土地力稳定与提升，玉米优化施肥方案选择提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在黑龙江省哈尔滨市农业科学院试验基地完成，试验地位于黑龙江省哈尔滨市松北区万宝镇。该区域地处寒温带，属湿润、半湿润气候，年活动积温2 200～2 800℃，雨热同季，年平均降雨量500 mm，降水主要发生在5～9月，供试土壤为草甸黑土。供试土壤基本化学性质：有机质33.03 g·kg-1，全氮1.70 g·kg-1，碱解氮135.88 mg·kg-1，速效钾142.75 mg·kg-1，速效磷26.40 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 试验设计

本试验开始于2019年，共设置6个处理，包括：①不施肥（CK）；②常规施肥处理（N100H0）；③减施氮肥20%+5 t·hm-2腐植酸（N80H5）；④减施氮肥20%+10 t·hm-2腐植酸（N80H10）；⑤减施氮肥30%+5 t·hm-2腐植酸（N70H5）；⑥减施氮肥30%+10 t·hm-2腐植酸（N70H10），每个处理4次重复，随机区组排列。小区面积75 m2（长15 m×宽5 m），小区间1垄保护行，每个重复间留1 m保护行。玉米种植密度为6万株·hm-2。

供试玉米品种为先玉335，出苗至成熟约130 d，属中晚熟普通玉米品种，需≥10℃活动积温2750℃。供试肥料为尿素（N：46%）、重过磷酸钙（P2O5：46%）和硫酸钾（K2O：50%），具体施肥量见表1。腐植酸（褐煤级）为哈尔滨尚仕生物科技有限公司生产，粉状，条施全部用作种肥一次性施入。腐植酸养分含量为：全碳49.14%，全氮0.41%，全磷0.36%，全钾0.06%。

表1 不同施肥处理施肥量Table 1 Fertilization amount of different fertilization treatments

1.3 样品采集与测定

1.3.1 土壤水分测定

大喇叭口期、吐丝期、蜡熟期和成熟期，每个小区采用“S”点取样方法采集耕层土壤样品，采用铝盒烘干法测定土壤田间持水量和饱和含水量[10]，采用经典环刀法测定土壤容重[10]，以此计算土壤容重和土壤孔隙度。

1.3.2 土壤养分含量测定

成熟期，采用五点取样法取0～20 cm土层土壤，剔除石砾及植物根须，过筛测定土壤养分。采用碱解扩散法测定土壤碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定土壤速效磷，采用火焰光度计法测定土壤速效钾[11]。

1.3.3 地上部植株全氮含量测定

成熟期，每小区取具有代表性玉米9株，样品于烘箱105℃杀青30 min，65℃烘干至恒重，电子天平测定各器官干物重。将植株样品粉碎，并用H2SO4-H2O2联合消煮，AA3流动注射分析仪测定其全氮含量[11]。

1.3.4 产量及其构成因素

选长势均匀，10 m2玉米采样测定产量，玉米晒干脱粒称重，以含水量14 %重量折算小区产量；另取30穗玉米考种，调查穗长、穗行数、穗粒数、行粒数和秃尖长，测定百粒重。

采用参考文献[11]计算氮肥利用效率。

氮肥利用率（%）=（施氮肥区植株地上部氮素积累量-不施氮肥区植株地上部氮素积累量）/施氮肥量×100%；

氮肥农学效率（kg·kg-1）=（施氮肥区产量-不施氮肥区产量）/施氮肥量；

氮肥偏生产力（kg·kg-1）=施氮区产量/施氮量。

1.4 数据统计与分析

试验数据均采用Origin 8.5作图，并采用SPSS 20.0软件统计分析。

2 结果与分析

2.1 减氮配施腐植酸对土壤持水能力的影响

2.1.1 减氮配施腐植酸对土壤容重的影响

由图1可知，腐植酸施用显著降低土壤容重。与CK处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤容重分别降低8.70%、18.20%、9.00%和15.67%。随腐植酸施用量增加土壤容重表现减少趋势，但不同腐植酸施用量处理间差异不显著。

2.1.2 减氮配施腐植酸对土壤孔隙度的影响

由图2可知，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤孔隙度较CK处理分别提高9.96%、9.60%、8.67%和7.36%。方差分析结果表明，施用腐植酸处理土壤孔隙度显著高于未施用腐植酸处理（N100H0和CK），但施用腐植酸各处理间差异不显著。因此，施用腐植酸可显著增加土壤孔隙度。

2.1.3 减氮配施腐植酸对土壤饱和含水量的影响

由图3可知，减氮配施腐植酸显著增加玉米各生育时期土壤饱和含水量，与CK和N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤饱和含水量显著增加8.71%～63.38%。相同施氮量两组处理中，高量腐植酸配施处理土壤饱和含水量高于低量腐植酸配施处理，但各腐植酸配施处理间土壤饱和含水量差异不显著。各处理土壤饱和含水量在玉米不同生育时期表现存在差异，CK和N100H0处理在成熟期前，土壤饱和含水量间无显著差异；成熟期后，土壤饱和含水量降低，而减氮配施腐植酸处理在各生育时期土壤饱和含水量均保持相对较高水平。

图1 不同施肥处理土壤容重变化Fig.1 Change of soil bulk density under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理土壤孔隙度变化Fig.2 Change of soil porosity under different fertilization treatments

图3 不同施肥处理土壤饱和含水量变化Fig.3 Change of soil saturated-water capacity under different fertilization treatments

2.1.4减氮配施腐植酸对土壤田间持水量的影响

减氮配施腐植酸亦可显著影响土壤田间持水量（见图4）。不同取样时期N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤田间持水量均显著高于CK和N100H0处理（P＜0.05）；N80H10和N70H10处理田间持水量分别比N80H5和N70H5处理增加2.21%和3.80%。但方差分析结果表明，各腐植酸配施处理间田间持水量未达显著。

2.2 减氮配施腐植酸对土壤养分的影响

减氮配施腐植酸对土壤养分含量影响见图5。

与N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤碱解氮分别增加2.68%、5.69%、2.03%和3.46%，其中N100H0和N80H10处理间差异显著（见图5A）。施用腐植酸处理显著增加土壤速效钾含量（P＜0.05）。与N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理分别提高4.39%、7.58%、2.73%和5.12%。与土壤碱解氮相似，N100H0和N80H10处理间土壤速效钾差异显著（见图5B）。与N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理土壤速效磷分别增加6.33%、10.13%、4.75%和7.28%（见图5C）。

图4 不同施肥处理土壤田间持水量变化Fig.4 Change of soil field water-holding capacity under different fertilization treatments

图5 不同施肥处理土壤速效养分变化Fig.5 Change of soil available nutrients under different fertilization treatments

2.3 减氮配施腐植酸对玉米产量及其构成因素的影响

不同处理对玉米产量影响见表2。不同施肥处理显著增加玉米产量（P＜0.05）。与N100H0处理相比，N80H10和N70H10处理玉米产量分别增加21.17%和12.09%，其中N80H10与N100H0处理间差异显著（P＜0.05）；而N80H5和N70H5处理玉米产量呈降低趋势，但与N100H0处理差异不显著。因此，减氮20%和30%配施高量腐植酸处理均增加玉米产量。可见，减氮配施足量腐植酸保障玉米稳产与增产。

表2 不同施肥处理产量及其构成因素Table 2 Yield and components under different fertilization treatments

由表2可知，不同施肥处理下玉米穗粒数和百粒重均显著高于CK处理（P＜0.05），不同施肥处理间玉米百粒重均无显著差异（P＞0.05）。减氮配施腐植酸处理均显著增加玉米穗粒数。与N100H0处理相比，N80H5、N80H10和N70H10处理穗粒数分别增加9.31%、14.70%和12.84%。方差分析结果与玉米产量接近。因此，减氮配施高量腐植酸增加玉米产量主要通过增加玉米穗粒数，在玉米百粒重未降低同时，有效提高产量。

2.4 减氮配施腐植酸对氮肥利用效率的影响

与N100H0处理相比，施用腐植酸处理增加氮肥农学效率、氮肥偏生产力及氮肥利用率（见表3）。在氮肥农学效率方面，与N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理分别提高3.68%、86.84%、16.42%和83.21%，其中N80H5、N70H5与N100H0处理差异不显著，N80H10、N70H10与N100H0处理差异显著（P＜0.05）。在氮肥偏生产力方面，与N100H0处理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10处理分别提高8.05、26.13、16.00和30.52 kg·kg-1。N80H10、N70H5和N70H10处理与N100H0处理差异显著（P＜0.05）。与N100H0处理相比，N80H10、N70H5和N70H10处理分别提高51.47%、31.51%和60.11%。与N100H0处理相比，施用腐植酸处理均显著增加氮肥利用率（P＜0.05），分别增加36.16%、43.02%、56.33%和60.22%。

表3 不同施肥处理氮肥利用效率Table 3 Nitrogen use efficiency under different fertilization treatments

3 讨论与结论

土壤理化性状是评价土壤肥力重要指标[12]。土壤容重与土壤质地、结构关系密切。一定范围内，土壤容重越小，土壤越松散，透水性越好，耕作效果亦越好[13]。刘灿华等研究黄褐土表明，各施肥处理土壤容重均低于试验前土壤（1.43 g·cm-3），降低幅度为0.005～0.075 g·cm-3，其中施用3 t·hm-2腐植酸处理3个组分别较常规施肥处理降低3.51%、4.91%、4.21%[14]。林枫等研究潮土表明，配施3 t·hm-2腐植酸处理土壤容重分别较常规施肥处理降低2.78%、6.35%和1.98%，较试验前土壤降低0.025～0.14 g·cm-3[15]。本研究表明，施用腐植酸有效降低土壤容重，且土壤容重随腐植酸施用量增加而降低，降幅为0.041～0.061 g·cm-3。本试验中土壤容重降幅初始值高于以上结果，与试验中较高腐植酸施用量有关，但高量腐植酸施用情况下，土壤容重降幅低于刘灿华等研究结果[14]，可能与较高土壤容重初始值相关。土壤孔隙是水分运移和储存场所，也是影响土壤渗透性关键因素[16]。顾鑫等研究表明，施用腐植酸处理可使孔隙度增加7.0%～22.4%[17]，与本研究结果一致，即施用腐植酸处理土壤孔隙度比CK处理增加9.98%～12.60%。

田间持水量长期以来被认为是最高土壤含水量，也是土壤悬着水最大量[18]。刘森森等研究发现，施用腐植酸各处理田间持水量与无肥处理相比增加8.44%～45.53%，与常规施肥处理相比田间持水量增加最大可达12.52%[19]。土壤饱和含水量是指在自然条件下土壤孔隙被水填充时含水量，包括毛细孔隙和非毛细孔隙，表示土壤最大持水量[20]。张志华研究发现，腐植酸肥料施用改善土壤结构，增加土壤孔隙，增强土壤保水性，提高土壤饱和含水量和田间持水量[21]。本研究结果表明，施用腐植酸各处理田间持水量比对照组增加13.61%～22.44%，饱和含水量增加8.38%～63.38%，与上述研究结果一致，主要原因是施用腐植酸增加土壤总孔隙度和通气孔隙度，使孔隙内填充含水量增多，增加土壤保水性，大幅提高土壤饱和含水量和田间持水量。

在相同施氮量的两组处理中，施用高量腐植酸处理土壤田间持水量及饱和含水量均高于施用低量腐植酸处理。N80H10处理土壤饱和含水量和田间持水量最高，分别较常规施肥处理提高63.4%和17.2%。东北黑土区属于雨养农业，大气降水是土壤水分主要来源，提高土壤渗透性，减少地表径流损失，是提高降水利用率关键[22]。施用腐植酸有利于提高土壤持水性能，对土壤蓄水保墒及改善作物水分状况具有积极意义。

在玉米生长发育过程中，氮肥为需求量最大营养元素[23]，也是玉米实现高产关键因素之一。施氮量对土壤氮含量影响主要取决于土壤中净残留量[24]。本试验研究结果表明，配施腐植酸处理土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量均高于常规施肥处理，说明腐植酸有效提高土壤速效养分有效性，与腐植酸含有多种官能团可有效离子交换和吸附密切相关。一方面，腐植酸与游离NH4+结合形成腐植酸铵盐，其解离度较低，减少氮损失，提高氮肥有效性[25]；其次，腐植酸抑制土壤脲酶和硝化细菌活性，降低尿素分解速度，增加土壤氮有效性[26]；另外，腐植酸可与土壤中难溶于水的Ca3（PO4）2发生反应，形成易溶于水的磷酸氢盐和磷酸二氢盐，减少土壤对可溶性磷固定，提高作物吸收磷含量[27]。同时，腐植酸和化肥联合施用可提高土壤供肥能力，促进玉米对养分吸收，提高肥料利用效率，从而提高作物产量[23]。

施用化肥有效提高玉米产量，但施用量过高，则不利于产量和肥料利用率提高。氮肥合理施用是玉米高产高效的一项重要措施。张福锁等认为合理减少施氮量时，玉米氮肥利用效率可达40%，而施肥量达240 kg·hm-2时，利用率大幅下降到14%[28]。侯云鹏等研究结果也表明，在农民习惯施肥基础上减施25.8%～33.4%，氮肥利用效率可提高13.7%～19.6%[29]。氮肥吸收利用特征是表征氮肥运筹是否合理的重要指标，一般采用氮肥利用率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力等参数表示。N80H10、N70H10处理较常规施肥处理氮肥农学效率分别提高88.9%、84.5%，氮肥偏生产力分别提高51.5%、60.1%。其中，以N80H10处理效果最佳，氮肥农学效率以及氮肥偏生产力是证明氮肥施用是否合理的重要指标，说明减氮配施腐植酸不仅发挥增产稳产效果，又可提高肥效，在节约资源、保护生态环境方面具有重要作用。减氮配施腐植酸各处理与常规施肥处理相比，玉米百粒重差异不显著，但玉米穗粒数增加，说明减氮配施腐植酸主要通过增加穗粒数提高产量。本试验施肥方案与农民惯用施肥相比，N80H10、N70H10处理产量分别增加21.2%、12.1%，说明有机无机配合施肥有效促进作物生长发育，提高作物产量。

综上，N80H10处理各指标显著优于常规施肥处理，氮肥施用量控制在160 kg·hm-2时，配施适量腐植酸，有利于玉米生长，产量相对较高，同时，腐植酸有效改善土壤物理性状，增加土壤保水、保肥能力。本研究将为腐植酸在东北地区草甸黑土推广应用提供理论依据。