腐植酸增效复混肥对不同盐渍化程度土壤小麦产量和氮素利用的影响

2021-05-28李絮花

中国土壤与肥料 2021年2期

杨柳，李絮花，胡斌

（1.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；2.江苏省苏州吴江区土壤肥料技术指导站，江苏苏州 215000；3.山东省土壤肥料工作站，山东济南 250000）

全球盐渍化耕地约3.8亿hm2，约占可耕地面积的10%，我国盐渍化耕地约1亿hm2，制约我国粮食稳产高产和养分利用率的提高［1-2］。提高氮肥利用率可通过科学施肥、应用高效肥料、氮肥高效作物品种筛选等多种途径来实现［3-6］，其中，高效肥料的研发和应用至关重要。腐植酸是一种有机高分子混合物，其主要来源是风化煤、褐煤和草炭，由土壤中各种微生物进行分解和转化以及地球形成过程中演变和积累起来的一类有机物质［7］。近年来，以腐植酸为增效材料生产腐植酸增效肥料备受关注。研究表明，腐植酸增效肥料具有促进作物生长、提高产量、提高肥效、改良土壤、提高土壤养分有效性等作用［8-12］，但腐植酸复混肥料对不同盐渍化程度土壤上小麦产量及肥料利用效率的研究报道较少。本文通过连续2年的田间试验，研究腐植酸增效复混肥料在不同盐渍化程度土壤的小麦增产效应及氮肥利用效率，旨在为腐植酸增效复混肥料在盐碱地上的科学应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

试验于2017年10月～2019年6月于山东省东营市利津县渤海粮仓实验示范区进行，种植制度为小麦/玉米轮作，小麦试验在同一地块进行了两季。供试土壤为砂壤土，土壤基本理化性质［13］见表1。供试小麦品种为济麦22号，由山东省东营渤海农场提供。

供试肥料为山东农大肥业科技有限公司提供的常规复混肥料（18-18-6）和腐植酸增效复混肥料（18-18-6，腐植酸含量8%），尿素（N 46%）、重过磷酸钙（P2O546%）、硫酸钾（K2O 51%）

表1 供试土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验包括不同盐渍化程度土壤和不同施肥2个试验因素。（1）不同盐渍化程度土壤：轻度盐渍土（S1）、中度盐渍土（S2）、重度盐渍土（S3）。（2）施肥处理：空白（CK0，不施肥）、磷钾对照（CK1，只施磷钾肥）、常规复混肥料（CF）、腐植酸增效复混肥料（HF）。于2017年10月8日和2018年10月11日播种，磷钾肥作基肥一次性施入，氮肥分基肥和追肥两次施入（1/3基施，2/3追肥，追肥时间为3月12日），2018年6月12日和2019年6月10日收获小麦，2018年7月至10月22日种植玉米，期间管理措施与大田的常规管理措施相同。小区面积4 m×5 m=20 m2，3次重复，随机区组排列，S1、S2和S3盐渍度土壤上具体试验设计及施肥量一致（表2）。

表2 盐碱地小麦肥效试验设计

1.3 样品采集与处理

1.3.1 样品采集和测产

土壤样品采集：小麦播种前采集试验区的基础土样。在小麦分蘖期（2017年12月2日）、拔节期（2018年4月12日），灌浆期（2018年5月20日）和成熟期（2018年6月12日和2019年6月10日）采集0～20 cm土壤样品（“S”形多点取样），取部分鲜土做土壤无机氮测定。

植株样品采集和处理：随机采集3个1 m2小麦样品，调查小麦的产量构成要素，测产；秸秆采集后于烘箱80℃杀青30 min，于65℃烘箱中烘干至恒重；籽粒在收获后，于65℃烘箱中烘干至恒重，粉碎后过0.25 mm筛，备用。

1.3.2 测定项目与方法

植株全N采用H2SO4-H2O2消煮、半微量凯氏定氮法测定；土壤无机氮含量（土壤鲜样）用2 mol/L KCl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（AA3）测定。

1.4 计算公式

氮素肥料利用率=（施氮区吸氮量-CK1处理小区吸氮量）/施氮量×100%

氮素农学效率=（施氮区作物籽粒产量-CK1处理小区作物籽粒产量）/施氮量

氮素偏生产力=施氮区作物籽粒产量/施氮量

生物量=籽粒产量+秸秆产量

经济系数=籽粒产量/生物量×100%

2 结果与分析

2.1 腐植酸增效复混肥料对小麦产量及其构成因素的影响

由表3可以看出，随着土壤盐渍程度的加深，在任一处理下，其生物量、籽粒产量均呈下降趋势。CF处理下，与S1相比，S2、S3盐渍度土壤小麦的生物量和籽粒产量逐渐降低，降幅分别为10.68%和20.39%、59.81%和48.90%（2018年）、18.22%和22.59%、47.66%和53.00%（2019年）；HF处理下，与S1相比，S2、S3盐渍度土壤小麦的生物量和籽粒产量降幅分别为18.24%和33.60%、52.97%和62.19%（2018年）、27.02%和40.07%、58.60%和65.10%（2019年）。从不同盐渍化程度的土壤来看，在S1水平下，与CF相比，处理HF的生物量和籽粒产量增幅分别为31.68%和47.38%（2018年）、33.28%和47.6%（2019年）；在S2水平下，其生物量和籽粒产量分别提高20.53%和22.92%（2018年）、18.86%和13.64%（2019年）；在S3水平下，比CF分别增加了23.56%和13.12%（2018年）、5.36%和9.00%（2019年）。同时可以看出，在S1、S2盐渍水平上，与CK1相比，其他处理间经济系数呈增加趋势，但在S3水平下，经济系数呈下降趋势，表明在不同盐渍水平下，施用复混肥料作用于小麦器官的响应不同。与不施氮肥处理（CK1）相比，其他各处理均可显著提高冬小麦产量，表明施用氮肥能显著提高小麦的产量，且腐植酸增效复混肥料的施肥效果更好。

由表4可以看出，随着土壤盐渍程度的加深，小麦的穗数和穗粒数均呈下降趋势。在S1、S2水平下，与CK0、CK1相比，CF和HF处理下小麦的穗数、穗粒数和千粒重均呈增加趋势，且HF增加量更大；在S3水平下，小麦的穗数、穗粒数呈增加趋势，而千粒重增减不一。但总体可以看出，HF处理的穗数、穗粒数和千粒重在3个盐渍水平基本是最佳的，其生物量和经济产量也是最好的。

由表3、4总体可以看出，随着土壤盐渍度的加深，各处理的小麦产量及各构成因素均降低，但施用腐植酸增效复混肥料可在S2土壤上获得与S1土壤上普通复合肥相当的产量，因此盐碱地上施用腐植酸增效复混肥料对增加小麦产量及产量构成因素的影响效果更好。

表3 不同处理对冬小麦产量的影响

表4 不同处理产量构成因素

2.2 腐植酸增效复混肥对小麦氮素吸收利用的影响

2.2.1 小麦氮素含量和累积吸收量

由表5可以看出，随着土壤盐渍化程度的加深，各处理间籽粒和秸秆N含量均呈增加趋势，而小麦的N素总累积量整体呈下降的趋势，可能是因为植株体内累积更多的N来抵御盐害的影响，但土壤盐分浓度增加，植株的干物质量减少，因此总体N素累积量降低。CF处理下，S2盐渍度土壤小麦的N含量和N素总累积量比S1增加了11.51%和5.20%（2018年）、10.74%和-7.36%（2019年）；与S1相比，S3盐渍度土壤小麦的N含量和N素总累积量增幅分别为28.21%和-39.88%（2018年）、6.98%和-47.44%（2019年）。在HF处理下，S2盐渍度土壤小麦的N含量和N素总累积量比S1增加了7.58%和-21.99%（2018年）、5.84%和-34.47%（2019年）；与S1相比，S3盐渍度土壤小麦的N含量和N素总累积量增幅分别为39.71%和-52.11%（2018年）、10.56%和-60.66%（2019年）。

由表5还可以看出，HF处理的小麦籽粒、秸秆N含量和N素总累积量明显高于等氮量的CF处理，表明施用腐植酸增效复混肥料比施用普通复混肥料对于促进小麦N素吸收、增加植株体内N素累积方面的效果更好。在S1水平下，与CK1相比，CF、HF处理的小麦N素总累积量分别增加了3.30和40.05 kg/hm2（2018年）、28.50和78.30 kg/hm2（2019年）。以HF增幅最大，与CF相比，其籽粒N含量、秸秆N含量和N素总累积量分别增加3.50%、21.74%和70.81%（2018年）以及13.59%、11.88%和67.89%（2019年）；在S2水平下，与CK1相比，CF、HF 处理的小麦氮素总累积量增加了14.10和28.65 kg/hm2（2018年）、23.10和35.85 kg/hm2（2019年），以HF的秸秆N含量和N素总累积量增幅最大，与CF相比，分别增加16.75%和26.65%（2018年）、1.95%和18.76%（2019年）；在S3水平下，N素总累积量最低，但小麦籽粒N含量、秸秆N含量处于较高水平，且施肥处理间以HF的增幅最大，与CF相比，其籽粒N含量、秸秆N含量和N素总累积量增幅分别为15.66%、14.68%和36.06%（2018年）以及14.92%、28.80%和25.68%（2019年）。在任一盐渍水平下，施用腐植酸增效复混肥料能增加小麦籽粒、秸秆N含量和N素总累积量，且肥料效果比施用等氮量的普通复混肥料施肥处理更佳。

综上可知，与CF相比，HF处理的小麦籽粒、秸秆N含量和N素总累积量均增加，表明在盐碱地上施用腐植酸增效复混肥料能更有效地发挥肥料作用和更好地促进植株氮素吸收，进而促进植株生长。

表5 不同处理对小麦N素吸收的影响

2.2.2 氮肥利用效率

由表6可以看出，随着土壤盐渍程度的加深，CF和HF处理的N肥利用率、N肥农学效率和N肥偏生产力均呈下降趋势，但HF处理均比CF处理效率高。表明随着土壤盐渍程度的加深，施肥对氮肥利用率的影响是逐渐降低的，其中施用腐植酸复混肥料比常规复混肥料更能有效减缓氮肥利用的降低速率。

由表6还可以看出，在盐碱地上施用腐植酸增效复混肥料后小麦的N肥农学效率、N肥利用率和N肥偏生产力都有明显增加。在3种盐渍水平下，与CF相比，处理后小麦的N肥农学效率增加0.73～6.51个百分点（2018年）和0.75～8.30个百分点（2019年），HF处理增加N肥利用效率，较CF提高6.29～16.73个百分点（2018年）和5.47～ 27.69个百分点（2019年），N肥偏生产力也比CF明显增加，增幅为0.73～6.51个百分点（2018年）和0.70～8.30个百分点（2019年），其中S1水平下HF处理的N肥利用效率最高，显著高于其他盐渍水平下各施肥处理。

表6 不同处理对氮肥利用效率的影响

2.3 腐植酸增效复混肥对土壤无机氮含量的影响

2.3.1 土壤硝态氮动态变化

由图1可以看出，在S1水平下，CK0、CK1处理在整个生育期内硝态氮均保持在较低水平。在分蘖期，处理CF和HF相较于其它处理含量较高，分别为34.47和36.68 mg/kg，与CK0、CH1处理相比差异显著，但两者间差异不显著；在小麦拔节期，HF处理土壤的硝态氮含量最高，为35.26 mg/kg，CF处理下土壤硝态氮含量次之，为33.23 mg/kg，两处理间差异不显著，但与其它处理差异显著；在小麦灌浆期和成熟期，均以HF土壤硝态氮含量最高，分别为25.64和15.70 mg/kg。在整个生育期中HF相较于其它处理始终保持最高水平；与CF相比，HF处理在小麦各个时期增加了土壤的硝态氮含量，增幅为0.49%～23.94%。在S2水平下整个生育期均以HF土壤硝态氮含量最高，CF处理下土壤硝态氮含量次之，与其它处理相比差异显著（除成熟期外）。整个生育期中HF土壤硝态氮含量较CF相比，增加了4.34%～11.20%。在S3水平下，小麦分蘖期以CF处理下土壤硝态氮含量最高，为29.18 mg/kg。除分蘖期外的3个时期均以HF土壤硝态氮含量最高，CF处理下土壤硝态氮含量次之。

由图1、2均可以看出，在小麦各生育期土壤硝态氮含量随盐渍程度的增加而基本呈下降的趋势；在小麦全部生育期中，硝态氮含量随时期的推移呈下降的趋势，在小麦成熟期达到最低。总体可以看出在2018、2019年这两季小麦生育期均以HF处理土壤硝态氮含量最高。

图1 冬小麦生育期0～20 cm土壤的NO3--N含量（2018年）

2.3.2 土壤铵态氮动态变化

图2 冬小麦成熟期0～20 cm土壤的NO3--N含量（2019年）

由图3可以看出，S1水平下，在整个小麦生育期，CK0、CK1处理在整个生育期内铵态氮均较低。在分蘖期，处理CF和HF土壤铵态氮含量较高，分别为36.43和32.53 mg/kg，与其他处理差异显著，但两处理间差异不明显；在小麦拔节期，CF处理土壤的铵态氮含量最高，为31.74 mg/kg，HF处理的土壤铵态氮含量次之，为27.65 mg/kg，且与其他处理差异显著；小麦灌浆期，以CF处理土壤的铵态氮含量最高，为17.90 mg/kg；在小麦成熟期，以HF处理的土壤铵态氮含量最高，为15.32 mg/kg，与其他处理差异显著。S2水平下冬小麦生育期土壤铵态氮含量变化规律与S1基本一致。在小麦分蘖期和拔节期，均以CF土壤铵态氮含量最高，分别为34.23和31.75 mg/kg，HF土壤铵态氮含量次之，两者间差异不显著，均与其他处理间差异显著；在小麦灌浆期和成熟期，4个处理间差异不显著。S3水平下小麦生育期土壤铵态氮含量的变化也符合上述规律。小麦分蘖期、拔节期和灌浆期均以CF处理下土壤铵态氮含量最高，分别为43.59、39.09和15.24 mg/kg，HF土壤铵态氮含量次之，且两者间差异不显著，均与其他处理间差异显著；在小麦成熟期，4个处理间铵态氮含量差异不显著。

由图3、4总体看出，HF处理在小麦生育期前期不同盐渍土壤上均保持了土壤铵态氮含量比CF处理低。与CF相比，处理HF在小麦分蘖期和拔节期均降低了土壤铵态氮含量，降幅为6.42%～15.08%，这可能是因为腐植酸在作物生长前期能够很好地抑制尿素的水解，极大地降低了氮素的挥发及淋溶损失。

图3 冬小麦生育期0～20 cm土壤的NH4+-N含量（2018年）

图4 冬小麦成熟期0～20 cm土壤的NH4+-N含量（2019年）

3 讨论

小麦产量及氮素的吸收利用与腐植酸生理活性是密切相关的，其作用机理比较复杂［14-15］。腐植酸能够提高植株细胞酶活性，延缓其衰老，增加其对营养元素的吸收，进而提高氮肥的吸收利用，从而促进植物的生长发育，提高作物产量。前人研究结果表明，在生姜、生菜、玉米等作物上施用腐植酸肥料，均可促进作物营养元素吸收，提高其产量［16-19］。以上研究结果与本文结果相似，本文通过在不同盐渍程度土壤上连续2年的小麦试验结果表明，施用腐植酸增效复混肥料能促进小麦对土壤中氮素的吸收利用，提高氮肥利用效率，进而增加小麦产量。这主要是由于腐植酸是一种生物刺激素，它能改善植物的生理特性，与无机肥配施能提高肥料利用率，进而提高作物产量［20-21］。

腐植酸肥料能够增加土壤无机态氮含量，促进小麦对土壤氮素的吸收，提高氮素利用率。土壤无机态氮主要包括硝态氮与铵态氮，二者是植物生长过程中主要的矿质氮源，吸收量约占植物吸收阴阳离子总量的80%［22］，而腐植酸主要以难溶性大分子团聚体形态存在，其基本结构是芳环和脂环，环上连有众多官能团，使其具有多种功能，而较高的吸附能力为其中一大突出特点［23-24］。因此当尿素被水解成NH3，NH3经水合成NH4+时，很快被腐植酸吸附，并与其发生氨化反应生成较稳定的腐植酸铵盐，一方面减少了氨的挥发损失，一方面为作物吸收提供了NH4+源［25-26］。同时很多研究结果表明，腐植酸对土壤脲酶活性具有抑制作用，可维持在100 d左右；腐植酸在作物生长前期能很好地抑制尿素的水解，从而极大地减少了氮素的挥发及淋溶损失；而在作物生长中、后期，随着腐植酸的消耗，又能够逐渐减弱其抑制作用，以适应作物发育旺盛时期对氮素的大量需求［27-29］。上述结论与本研究结果一致，与常规复混肥料处理相比，施用腐植酸增效复混肥料处理能明显提高小麦生长的中、后期土壤铵态氮和硝态氮的含量，减缓了铵态氮和硝态氮的损失量，提高了氮肥的利用效率，增加作物产量。

国内外众多研究表明，腐植酸能有效提高植株的耐盐碱性。Na+是盐碱化土壤中最多的阳离子之一［30］。土壤中高浓度Na+会扰乱植物对营养元素的吸收，产生离子毒害及渗透胁迫并诱发氧化胁迫，从而抑制植物生长，甚至导致植物的死亡［31］。本研究表明，在同一处理下，随着土壤盐分浓度的增加，小麦的生物量、经济产量呈下降趋势，随着盐分的提高植物体的产量构成因素也都是降低的，这与董合忠等［32］的结论一致。前人研究结果还表明，降低盐分有利于植株氮素累积，提高氮素利用率［33-34］，以上研究结果与本文结果相似，在同一处理下，随着土壤盐分的提高，N素总累积量、N肥利用率、N肥农学效率和偏生产力也是逐渐降低的。国内外学者［35-37］研究发现，施用腐植酸能够改善土壤理化性质，降低盐碱度，还可以增加酶活性，促进植物根部生长和代谢，加强体内细胞进行光合作用与呼吸作用，进而提升作物产量。上述结果与本研究结果相一致，在任一盐渍度土壤上，与常规复混肥料处理相比，腐植酸增效复混肥料提高小麦产量、氮素吸收和氮肥利用效率的效果更佳，随着土壤盐渍程度的加深，肥料的作用效果逐渐降低。