不同新型肥料对砂姜黑土夏玉米生长及氮素利用的影响

史秋哲， 朱学强， 杨艳霞， 韩燕来，3， 王 祎，3

（1.河南农业大学资源与环境学院，郑州 450002； 2.西平县农业技术推广中心，河南西平 463900；3.河南省粮食作物营养与施肥野外科学观测研究站，河南许昌 461101）

氮肥减量增效已成为农业化肥施用的指导方针与方向，国家通过实施《到2020年化肥使用零增长行动方案》以及“十三五”“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”专项，在提高肥料利用率上提出了多项措施，其中新型肥料的研发和施用在其中起到了重要作用［1］. 新型肥料是指通过一定的工艺或方法，添加某些添加剂或利用包膜材料包膜，从而达到提高化肥利用率的一类肥料. 区别于传统肥料的利用率低，新型肥料能够顺应作物的需肥规律，在保证高效利用的同时提高作物的产量及品质［2］. 已有的一些有机复合肥料、新型生物肥料以及增强作物抗逆、提高资源利用效率的多功能肥料等也都是顺应了农业可持续发展需要而产生的新型肥料类型，是当今肥料研发、推广的热点［2］.

目前已有大量新型肥料在提高产量、提高肥料利用率以及减少环境污染上的效果的相关研究：任人等研究表明，海藻素有机肥能够显著促进叶菜的生长，显著增加干重和鲜重［3］；段永华等研究结果表明，施用海藻肥平均增产8.1%，增收16.4%，但薯重无显著性差异［4］；刁倩等研究证明施用γ-聚谷氨酸复合肥可提高农作物发育期对养分的吸收利用率，同时能促进作物叶片生长和根茎的发育［5］；吴萍萍研究发现腐植酸尿素较普通尿素相比，有利于提高小麦地上部氮素吸收量和氮肥利用率，腐植酸尿素效果也高于控失尿素［2］；刘文璐等发现含腐植酸复合肥增产幅度可达10.72%～16.46%，腐植酸复合肥可显著提高茄子对氮素、磷素、钾素的吸收利用率、生理利用率和农学利用率，特别是含腐植酸质量分数为15%的腐植酸复合肥效果最佳［6］；有研究表明，与同等养分含量的普通化肥相比，施用控失肥能够通过增加小麦籽粒的穗数和穗粒数以及通过增加水稻的实粒数来提高作物的产量，也能够提高每亩玉米2.2 kg的产量［7-9］；缪杰杰等研究也发现，施用控失肥替代部分化肥氮，可显著提高作物的产量及降低稻田氮流失风险［10］；张学娟等研究发现，硫酸钾型控失肥能显著提高产量，亩产提高10.57%，降低裂果率，改善蜜柚品质，提高维生素C、可溶性糖含量，提高糖酸比［11］；刘佃平等研究结果表明，在相等施肥量下，与普通肥料相比施用多功能复合肥提高番茄株高、茎粗［12］. 综上，不同新型肥料因土壤类型、种植作物等方面的不同表现出的效果也不同，所以在新型肥料的研究中，必须考虑土壤类型和作物种类等方面的影响.

砂姜黑土是我国主要中低产田土壤类型之一，也是我国黄淮海地区主要耕作土壤，面积约为370 万hm2，占该地区耕地面积的1/4［13］. 黄淮海平原是我国重要粮食主产区，种植模式主要以冬小麦、夏玉米一年两熟为主，长期采用冬小麦播前旋耕或浅旋耕和玉米播前免耕的耕作方式，使得土壤耕层变浅，犁层变硬，不利于作物养分的吸收和产量的增加［14］. 因此选用不同的新型肥料，通过设置正常氮、减氮20%大田试验，研究不同新型肥料在砂姜黑土上施用对玉米产量、氮肥利用率的影响，以期筛选出适宜在砂姜黑土上夏玉米种植中施用的新型肥料，为该地区玉米高产、高效生产提供参考依据.

1 材料及方法

1.1 试验田概况

玉米大田试验于2018年在河南省驻马店市西平县进行，该地区位于黄淮海平原南部，年均日照时长为2 157.2 h，平均气温14.8 ℃，无霜期221 d，降雨量852 mm. 土壤类型为砂姜黑土，供试土壤0～20 cm土层基本理化性质如下：全氮1.21 g/kg，有机质21.07 g/kg，速效磷16.34 mg/kg，速效钾108.52 mg/kg，pH 5.26.

1.2 试验设计及实施

试验共选用9种新型肥料和普通复合肥（28-6-6）作为研究对象；设置2个氮水平：正常施氮肥（210 kg/hm2）和减氮20%（168 kg/hm2）；并设置不施氮肥对照处理，共21个处理，每个处理重复3次. 肥料用量根据各自养分含量以及施氮量进行折算，其中P2O545 kg/hm2，K2O 45 kg/hm2. 不足的磷钾肥用过磷酸钙及氯化钾补充. 供试玉米品种为“郑单958”，供试肥料有普通复合肥（28-6-6）、控失尿素（含N4 3.2%）、腐植酸尿素（含N 46.0%）、腐植酸复合肥（29-6-5）、海藻酸复合肥（29-6-5）、聚谷氨酸尿素（含N 46.0%）、超控失尿素（含N 46.0%）、多功能肥料（30-5-5）、含生物炭肥（28-6-6）、控失复合肥（28-6-6）. 每个小区10行，行长6 m，行距66 cm，面积约40 m2. 肥料一次性底施，6月5日播种，9月22日收获. 灌溉、病虫害防治和除草等按当地管理措施进行.

1.3 测定项目及方法

1.3.1 玉米植株性状与产量 在玉米收获期每小区采集10株长势均一、有代表性的植株测产，并测定穗长、穗粗、穗行数和行粒数等指标，同时测量各处理植株干物质重.

1.3.2 玉米穗位叶相对叶绿素含量（SPAD 值） 在玉米吐丝期每个小区选取长势均一、有代表性的5 株玉米，在穗位叶中部10 cm左右区间处用叶绿素SPAD-502仪连续测量5次（避开叶脉）取平均值作为一株玉米穗位叶SPAD值.

1.3.3 氮肥利用效率 对不同肥料类型的处理进行氮肥利用效率统计和计算，计算公式如下：

氮肥偏生产力（kg/kg）=施肥处理玉米籽粒产量/氮肥施用量，

氮肥农学效率（kg/kg）=（施肥处理玉米籽粒产量-不施氮肥处理玉米籽粒产量）/氮肥施用量.

1.4 数据处理

采用DPS 9.01进行数据分析，最小显著差数法（LSD）进行差异显著性检验，GraphPad PRISM 8.4.3制作图表.

2 结果与分析

2.1 施用不同新型肥料对玉米吐丝期植株生物量的影响

表1可知，各施氮肥处理吐丝期玉米茎秆、叶片干重均高于不施氮肥处理，减氮20%显著降低了植株生物量. 与普通复合肥相比，腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥处理玉米茎秆和叶片干物质重均显著增加. 正常施氮条件下，施用以上三种新型肥料玉米茎秆生物量分别比施用普通复合肥提高了12.34%、11.01%和12.31%，叶片生物量分别提高了16.65%、20.83%和20.31%；在减氮20%条件下，三种新型肥料处理下茎秆生物量比普通复合肥分别提高了9.01%、11.27%和9.20%，叶片生物量分别提高了14.85%、12.76%和13.92%.

表1 不同肥料类型对玉米茎和叶片干重的影响Tab.1 Effects of different fertilizer types on the dry weight of corn stem and leaf 单位：kg·hm-2

2.2 施用不同新型肥料对玉米吐丝期穗位叶SPAD值的影响

如表2所示，与不施氮肥处理相比，各施氮肥处理玉米吐丝期SPAD值均有不同程度的增加. 正常施氮水平下，与施用普通复合肥相比，施用新型肥料对穗位叶SPAD值没有显著影响. 在减氮20%处理下，施用新型肥料均提高了穗位叶SPAD值，比普通复合肥高3.24%～9.71%，其中腐植酸复合肥处理SPAD值最高.

表2 不同肥料类型对玉米SPAD值的影响Tab.2 Effects of different fertilizer types on SPAD value of maize

2.3 施用不同新型肥料对玉米穗部性状的影响

玉米穗部性状结果分析显示，正常施氮水平下，施用新型肥料与普通复合肥相比对玉米的穗长、穗行数和百粒重无显著影响，施用聚谷氨酸尿素显著提高了玉米穗粗和行粒数；减氮20%处理下，施用新型肥料与普通复合肥相比对玉米的穗长、穗粗和穗行数无显著影响，但是施用新型肥料降低了行粒数，其中施用超控失尿素的玉米行粒数显著低于普通复合肥，但是其他处理间差异不显著；此外，在减氮20%处理下施用腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥提高了玉米百粒重，比施用普通复合肥增加了4.07%～6.53%，其中施用聚谷氨酸尿素差异显著.

表3 不同肥料类型对玉米穗部性状的影响Tab.3 Effects of different fertilizer types on ear characters of maize

2.4 施用不同新型肥料对玉米产量的影响

如表4所示，与不施氮肥处理相比，各施氮肥处理玉米产量均有不同程度的提高. 正常施氮水平下，与普通复合肥相比，施用腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥显著提高玉米产量，分别增加了5.52%、7.52%和6.41%；在减氮20%施氮量下，除了控失尿素，其他8种新型肥料均显著提高玉米产量，增产3.09%～11.35%，其中腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥在减氮条件下分别增产11.35%、10.54%和11.07%，并且与正常施氮条件下的普通复合肥的产量无显著差异.

表4 不同肥料类型对玉米产量的影响Tab.4 Effects different fertilizer types on maize yield

2.5 施用不同新型肥料对玉米氮肥利用效率的影响

如表5所示，与普通复合肥处理相比，腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥处理显著提高了氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率. 在正常施氮条件下，与普通复合肥相比，施用腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥显著提高氮肥偏生产力（分别增加5.30%、7.31%和6.19%）和氮肥农学效率（分别增加33.44%、45.92%和39.04%），其他新型肥料与普通复合肥差异不显著；减氮20%处理下，与普通复合肥相比，施用腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素、超控失尿素、多功能复合肥和控失复合肥均可显著提高氮肥偏生产力和氮肥农学效率，分别提高了5.64%～11.35%和92.22%～185.56%.

表5 不同肥料类型对氮利用效率的影响Tab.5 Effects different fertilizer types on nitrogen use efficiency单位：kg

3 讨论

本试验供试土壤为砂姜黑土，是黄淮海麦—玉轮作区的主要土壤类型［15］，干时坚实、湿时黏闭、胀缩性强、适耕期短、结构差，并且有机质含量低、土壤供肥能力不佳，严重影响作物的高产稳［16］. 因此提高砂姜黑土作物产量和肥料资源的利用效率是本研究的主要内容.

3.1 新型肥料的功能特点及发展趋势

目前，我国施用化肥仍是粮食增产的主要措施，化肥对产量的贡献率曾高达56.8%［17］. 然而在农业生产过程中过量施肥现象普遍存在，河南省每年化肥过量施用量在10～20万t［18］. 由于施肥不当引起了肥料利用率低等问题，造成了一定的经济损失，同时伴随着环境的污染.“十三五”期间国家提出了“化学肥料和农药减施增效综合技术研发”国家重点研发计划，农业部制定了《到2020年化肥使用量零增长行动方案》等文件以实现化肥减施增效，推动了秸秆还田、有机替代、配方施肥和水肥一体化等技术的研发和推广应用，其中新型肥料技术起到了重要作用. 新型肥料种类繁多，其中有机复合肥的特点是肥效释放缓慢，能够满足农作物整个生长发育阶段的养分需求，同时还能够改善土壤的团粒结构，具有保水、保肥作用，可以达到增产增效的目的［19］，而缓控肥能够有效地控制养分释放速率，延长肥料有效时间，既能满足作物对整个生育期养分的需要，又能最大限度地提高肥料的利用效率［20-21］. 生物肥除含有较高比例的有机质外，还含有可以改善肥料或养分释放能力的功能微生物，既能向农作物提供多种无机、有机养分，又能培肥土壤提高作物产量［22］、功能肥不仅能为作物提供充足的氮、磷、钾等大量元素和适量的中微元素，满足作物各生长阶段的养分供应，实现作物高产，还能帮助作物大大增强抗旱、涝、病、寒等能力［23］. 不同类型新型肥料在不同土壤上的使用效果不同，这与本试验在正常施氮下各种新型肥料处理之间存在差异的结果一致. 但是在减氮20%情况下，各类新型肥料与普通复合肥相比产量有不同程度的增加，在氮肥减施增效上具有应用潜力. 特别是在氮肥减施20%的时候，施用腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥3种新型肥料的产量仍可达到普通复合肥正常施用量时的玉米产量（表4），同时氮肥利用率显著高于普通复合肥（表5）. 因此，腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥3种新型肥料在砂姜黑土上具有显著的减氮增效潜力.

3.2 腐植酸复合肥对作物生长的影响

腐植酸可直接与尿素发生物理或化学反应，包括腐植酸与尿素的络合形成氢键、自由基反应以及物理化学吸附等；也可在COO-诱导作用下使尿素中的NH2-转变为NH4+，发生离子化反应，改变氮素的形态，从而使腐植酸尿素中的部分无机氮转变成有机态氮［24］. 此外，腐植酸具有的生物活性能够促进根系生长发育，增强作物根系对营养元素的吸收能力［25］，还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［26］. 有研究表明施用腐植酸复合肥，能够促进玉米的生长发育、增加株高、增强抗倒伏性，同时经济性状也有所改善，穗长和穗粗得到增加，千粒重也有所提高，与常规施肥相比可增产14.7%［27］. 复合肥每吨添加10 kg的腐植酸可提高玉米株高、穗高、生物量、茎粗以及叶绿素含量（SPAD）［28］. 本研究也发现，与普通复合肥处理相比，在正常施氮下腐植酸复合肥处理玉米吐丝期茎叶生物量提高12.39%和14.85%；穗位叶SPAD在正常施氮水平下和减氮20%下均提高，减氮下显著提高了9.71%；产量正常施氮下显著提高了5.52%，在减氮20%下显著提高11.35%，且与正常施氮下普通复合肥产量无显著差异.

3.3 聚谷氨酸尿素对作物生长的影响

喷施γ-PGA能够促进夏玉米叶片生长、提高光合作用能力、提高夏玉米干物质积累、提高养分吸收能力以及促进养分积累，通过增加夏玉米穗粒数来提高产量，且大田试验中减氮30%水平下和低产年份下喷施γ-PGA的增产作用大于正常环境下［29］. 有研究表明，较普通尿素，聚谷氨酸尿素能促进玉米生长、增加叶绿素含量以及增强叶片光合作用. 与普通尿素相比，聚谷氨酸尿素更加有利于提高玉米的产量［30］. 本研究也发现聚谷氨酸尿素处理相比普通复合肥处理提高了玉米产量，干物质重以及SPAD值，特别是在氮利用效率及百粒重指标增加上，表现出减氮20%效果高于常规施氮量，同时减氮20%下玉米产量与正常施氮下普通复合肥处理产量无显著差异.

3.4 多功能复合肥对作物生长的影响

有调查表明，锦化科技功能性肥料在作物抵抗干旱、低温、病害等方面的具有突出功效，特别是在不利的气候环境下，作物也能正常生长，达到高产［23］. 本试验结果显示，功能性肥料处理在生物量、SPAD值、产量及氮利用率上仍然显著高于普通复合肥，同时在减氮20%下的产量与正常施氮下普通复合肥无显著差异.这可能与砂姜黑土本身存在的土壤肥力低，酸化问题突出、胀缩性强、根系下扎困难等障碍因素以及减氮20%条件下其抗逆效果得到体现有关.

3.5 其他肥料对作物生长的影响

研究证明，控失肥可提高氮肥利用效率，实现减氮增效的目的［31］. 蒋迁等研究表明，玉米施用控失肥可显著提高产量、干物质积累量、养分积累量、氮肥利用效率和偏生产力［32］. 张朝霞等研究发现，0.4%含量的海藻寡糖增效肥料可提高肥料利用率，提高百粒重［33］. 但本研究中控失肥料、生物炭肥、腐植酸尿素和海藻素复合肥处理虽然在部分指标上有一定的效果，但总体差异不显著，这可能与供试土壤类型有关，有研究表明在一些肥力高的地区这些类型的肥料具有促进玉米生长、提高产量的潜力.

4 结论

腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素及多功能复合肥在砂姜黑土上施用促进了玉米植株的生长，增加了成熟期穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数以及千粒重，同时提高了玉米产量和氮肥利用效率. 三种肥料在减氮20%情况下，能够显著提高玉米产量和氮肥利用效率，且与普通复合肥正常施氮量下玉米产量无明显差异，能够实现高产高效、减肥稳产. 因此腐植酸复合肥、聚谷氨酸尿素和多功能复合肥三种新型肥料在砂姜黑土上具有推广意义.