腐植酸尿素對玉米產量及肥料氮去向的影響

張水勤，袁 亮，李 偉，林治安，李燕婷，胡樹文，趙秉強*，李 軍

（1 農業部植物營養與肥料重點實驗室，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 10081；2 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

腐植酸尿素對玉米產量及肥料氮去向的影響

張水勤1,2，袁 亮1，李 偉1，林治安1，李燕婷1，胡樹文2，趙秉強1*，李 軍1

（1 農業部植物營養與肥料重點實驗室，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 10081；2 中國農業大學資源與環境學院，北京 100193）

【目的】研究腐植酸尿素對玉米干物質量、籽粒產量及肥料氮去向的影響，以期為傳統尿素產品的提質增效及新型腐植酸尿素肥料的研制提供理論與實踐依據?！痉椒ā恳杂衩灼贩N鄭單958為供試作物，以自制的腐植酸尿素為供試肥料，運用15N同位素示蹤技術，開展土柱栽培試驗，設置不施氮肥對照 (CK)、普通尿素(U) 和腐植酸尿素 (HAU) 3個處理，所有肥料均作為基肥一次性施入土柱0—30 cm土層。玉米成熟后，采集植株地上部樣品進行考種，同時，分別測定玉米葉片、莖稈、苞葉、穗軸、籽粒的干物質量、氮素含量和15N豐度；分別采集0—15 cm、15—30 cm、30—50 cm、50—70 cm、70—90 cm土層的土壤樣品，測定其氮素含量和15N豐度。【結果】各處理玉米植株地上部及各器官 (苞葉除外) 干物質量由低到高為CK ＜ U ＜ HAU，而玉米各器官的干物質量占該植株地上部干物質總量的比例在不同處理下的差異均未達到顯著性水平；與U處理相比，HAU處理玉米地上部干物質量平均提高13.8%，籽粒產量提高14.2%；玉米籽粒產量構成的分析結果表明，不同處理玉米穗粒數差異顯著 (P＜ 0.05)，而百粒重卻無顯著差異。同時， HAU處理玉米對氮素和肥料氮的吸收量分別比U處理高0.989 g和0.072 g，提高了氮肥利用率4.8個百分點；各處理氮素和肥料氮在各器官的分配均表現為苞葉、穗軸 ＜ 莖稈＜ 葉片 ＜ 籽粒，籽粒總氮和肥料氮的吸收量分別占整個植株地上部總吸收量的65.7%～74.2%和58.6%～60.5%；從氮素來源分析，各器官所吸收的肥料氮僅占該器官氮素總吸收量的13.3%～30.9%。另外，不同施氮處理對土壤中肥料氮的總殘留量影響不顯著，但HAU處理肥料氮在施肥層(0—15 cm) 的殘留量顯著高于U處理 (P＜ 0.05)。HAU處理肥料氮的損失率為34.9%，低于U處理5.1個百分點?！窘Y論】供試條件下，施用腐植酸尿素能夠增加玉米干物質量和籽粒產量，促進玉米對肥料氮的吸收，減少肥料氮向下層土壤的淋溶，有利于土壤殘留氮的進一步吸收利用。

腐植酸尿素；玉米；產量；15N標記技術；肥料氮去向

腐植酸是動植物殘體和微生物細胞等經過微生物分解和轉化，以及一系列地球化學過程形成和累積的一類成分復雜的天然有機高分子混合物[1–4]，腐植酸能夠提高植物新陳代謝和呼吸活性，并改善葉綠體和線粒體功能，從而增強植物呼吸和光合作用，促進植物生長[5–6]；腐植酸具有豐富的羧基和酚羥基等酸性官能團結構，能夠與尿素的酰胺基結合形成有機絡合鹽類，從而增強肥料的緩釋性能[7]。腐植酸還可以抑制土壤脲酶活性和調節土壤微生物的活性[8–9]，改善土壤結構和穩定性、水氣滲透能力和田間持水量等[10–12]。因此，施用腐植酸能夠促進作物生長，提高作物產量；促進作物對氮的吸收，提高氮肥利用率[13–15]。我國農業生產中，氮肥存在施用量大[16]、利用率低[17–18]、環境污染風險大[19–20]等問題。鑒于此，腐植酸對氮肥的提質增效作用愈發引起人們的關注。

前人已經在腐植酸尿素對作物生長、產量和氮素吸收等的影響方面開展了較多的研究[1,15,21–22]，表明腐植酸尿素具有促進作物生長、提高作物產量和增加氮素吸收的作用，但這些研究多停留在單一驗證腐植酸對作物生長和氮肥利用所具有的增效作用方面，而對其具體作用效果缺乏深層次的分析。因此，本文運用15N同位素示蹤技術開展土柱栽培試驗，研究并分析腐植酸尿素對玉米產量及肥料氮去向的影響，為傳統尿素產品的提質增效及新型腐植酸尿素肥料的研制提供理論與實踐依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以夏玉米“鄭單958” (Zea maysL.) 為供試作物，供試土壤采自中國農業科學院德州鹽堿土改良實驗站禹城試驗基地連續三年未施用任何肥料的勻地試驗場，土壤類型為石灰性潮土，質地為輕壤。分別采集0—20 cm的耕層土壤和20—90 cm的底層土壤，風干，過1 cm篩，混勻，備用，其基本理化性質見表1。

15N尿素豐度10.24%，購自上海化工研究院。

腐植酸的提取在本實驗室進行[1]：以取自內蒙古霍林河的風化煤為原材料，過0.25 mm篩，用1 mol/L鹽酸洗滌，以去除其中的Ca2+和Mg2+等雜質離子；離心后，將煤樣以1∶10固液比溶于0.5 mol/L NaOH溶液，調節溶液pH至13，連續浸提24 h；離心后，棄去沉淀；用6 mol/L HCl將溶液pH調至1.0，放置24 h，離心后，棄去上清液，所得沉淀即為腐植酸；經HCl (0.1 mol/L) + HF (0.3 mol/L) 除去礦物質后，用蒸餾水洗滌3遍，以去除氯離子，50℃條件下烘干得到腐植酸干樣。制得的腐植酸樣品碳和氮元素含量分別為57.55%和1.25%，總酸性基、羧基和酚羥基含量分別為6.30、4.00和1.30 mmol/g，E4/E6值為 3.62。

表1 供試土壤理化性質Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil

供試肥料的制備：將提取的腐植酸按5‰的比例添加至熔融的尿素中，充分混勻、冷卻后粉碎，過篩 (2.0 mm)，制得腐植酸尿素試驗產品HAU；同時，制備僅熔融但不添加腐植酸的尿素產品U。所得肥料產品HAU和U的基本性質參考HG/T 5045-2016進行測定，結果見表2。

1.2 試驗設計

試驗于2015年6月15日～10月3日在中國農業科學院德州鹽堿土改良實驗站禹城試驗基地網室(36° 50′ N，116° 34′ E) 進行。采用土柱栽培法進行，選用內徑25 cm、高100 cm的PVC管埋入土中，上口高出地面3 cm，以防止降雨后產生的地表徑流流入，下不封口，與自然土壤直接接觸，模擬田間自然栽培狀態。每個土柱裝干土50 kg，30—90 cm裝取自田間20—90 cm的底層土壤，分兩次裝入，每次裝入后灌水沉實；0—30 cm裝取自田間0—20 cm的耕層土壤，與肥料混勻后，裝入，灌水。

試驗共設3個處理：不施氮肥對照 (CK)；施用不添加腐植酸的尿素即普通尿素處理 (U)；施用腐植酸尿素處理 (HAU)。每個處理重復5次。試驗采用隨機區組排列設計。所有肥料施用量均按0—30 cm土層的干土重計算，在播種前一次性基施，均勻混入0—30 cm土層。U和HAU處理施氮量為N 0.1 g/kg干土，即每個土柱氮素施用量為1.5 g；所有處理磷鉀肥施用量按照充足供應原則，分別施用P2O50.2 g/kg干土和K2O 0.2 g/kg干土，即每個土柱磷(P2O5) 和鉀 (K2O) 施用量均為3.0 g，以磷酸二氫鉀和氯化鉀的形式施用。

每個土柱玉米播種量為4粒，三葉期間苗保留1株，玉米生長期按常規栽培技術進行日常管理。玉米種植期間試驗基地降雨量、溫度、日照時間的變化及灌溉信息如圖1所示。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品的采集 玉米收獲后，置于通風處自然風干，并進行考種，測定穗長、穗粗、穗行數、行粒數；然后，將玉米葉片、莖稈、苞葉、穗軸、籽粒分開，于65℃烘干并稱重，測定籽粒百粒重和玉米各部分的干物質量，并分別粉碎，過0.149 mm篩，保存，備用；同時，采集0—15、15—30、30—50、50—70、70—90 cm土層的土壤樣品，風干后，充分混勻，磨細，過0.149 mm篩，保存，備用。

1.3.2 樣品的分析 采集所得植物和土壤樣品，采用同位素質譜儀 (Elementar) 測定其含氮量、15N豐度和 δ15N。

1.4 數據處理

相關指標計算公式[15,23]：植株總氮吸收量 = 植株氮含量 × 植株干物質量施入氮肥15N原子百分超 = 肥料15N豐度 – 0.365%植株肥料氮吸收量 = [(植株15N豐度 – 未施用15N尿素植株15N豐度)/施入氮肥15N原子百分超] × 植株氮含量 × 植株干物質量

土壤中肥料氮殘留量 = [(土壤15N豐度 – 未施用15N尿素土壤15N豐度)/施入氮肥15N原子百分超] × 土壤氮含量 × 土壤質量

肥料氮損失量 = 肥料氮施用量 – 植株肥料氮吸收量 – 土壤中肥料氮殘留量

表2 供試肥料的基本性質Table 2 Basic properties of the experimental fertilizer

圖1 試驗期間降雨量、灌溉量、日照時長和日均溫度Fig. 1 Precipitationirrigation, daily mean sunlight duration and daily mean temperature during maize growing season

肥料氮利用率 = 植株肥料氮吸收量/肥料氮施用量 × 100%

肥料氮殘留率 = 土壤中肥料氮殘留量/肥料氮施用量 × 100%

肥料氮損失率 = 肥料氮損失量/肥料氮施用量 ×100%

試驗數據采用SAS 8.0軟件進行統計分析，并用Origin 9.0作圖。其中，玉米地上部各器官干物質產量及總氮吸收量、籽粒產量構成因素的結果運用單因素方差分析，LSD多重比較處理間差異的顯著性 (P＜ 0.05)；其他指標均采用成組法t檢驗分析差異的顯著性 (P＜ 0.05)。

2 結果與分析

2.1 玉米地上部干物質量及籽粒產量構成因素

2.1.1 玉米地上部的干物質量及其在不同器官中的分配 從表3可以看出，U和HAU處理玉米植株地上部干物質量比對照分別提高了12.6%和28.1% (P＜0.05)；HAU處理效果高于U處理；HAU處理玉米莖稈和籽粒的干物質量分別顯著高于U處理26.8%和14.2% (P＜ 0.05)，而兩處理玉米葉片、苞葉和穗軸的干物質量差異未達到顯著性水平。

2.1.2 玉米籽粒產量構成因素 不同處理玉米產量構成因素的分析結果 (表4) 表明，氮肥施用對百粒重無影響，而U和HAU施用條件下，玉米的穗粒數較CK處理分別提高了4.9%和16.0%，且腐植酸尿素處理玉米的穗粒數顯著高于對照 (P＜ 0.05)。

2.2 玉米地上部對氮素和肥料氮的吸收與分配

與CK相比，各施氮處理玉米植株地上部和不同器官的氮素吸收量均大幅增加 (圖2)。HAU處理每柱玉米地上部的氮素總吸收量和肥料氮吸收量分別為4.012 g和0.683 g，顯著高于U處理32.8%和11.5%(P＜ 0.05)。HAU處理每柱玉米莖稈和籽?？偟樟糠謩e為0.313 g和2.867 g，比U處理分別高67.4%和32.7% (P＜ 0.05)；而玉米莖稈和籽粒的肥料氮吸收量HAU處理分別比U處理顯著提高34.1%和15.6% (P＜ 0.05)。玉米地上部吸收的總氮和肥料氮在各器官中的分配狀況均表現出籽粒 ＞ 葉片 ＞ 莖稈 ＞苞葉、穗軸。玉米籽?？偟头柿系奈樟糠謩e占整個植株地上部總吸收量的65.7%～74.2%和58.6%～60.5%，為植株地上部氮素和肥料氮的主要吸收部位；而不同施氮處理間，同一器官總氮和肥料氮的分配比例差異不顯著。U和HAU處理玉米地上部肥料氮的吸收量分別為其總氮吸收量的20.3%和17.1%，差異達顯著水平 (P＜ 0.05)。通過比較玉米各器官總氮和肥料氮的吸收量，發現植株各器官所吸收的肥料氮占其總氮吸收量的13.3%～30.9%，且腐植酸尿素處理肥料氮所占比例低于普通尿素處理。葉片中肥料氮吸收量占其總氮吸收量的比例最高，U和HAU處理下分別為29.1%和26.8%；而籽粒的肥料氮吸收量占其總氮吸收量的比例最低，僅為17.2%和14.5%。

表3 不同處理玉米地上部干物質量及其分配(g/column)Table 3 Aboveground dry biomass and its allocation in maize organs under different treatments

表4 不同處理玉米籽粒產量構成Table 4 Maize grain yield components under different treatments

2.3 肥料氮在土壤中的殘留與分布

玉米收獲后，施氮處理各土層均能檢測到肥料氮的殘留 (表5)，各土層肥料氮的殘留量隨其深度的增加而逐漸降低。U和HAU處理0—90 cm土層殘留的肥料氮分別為0.290 g和0.293 g，兩者差異不顯著。土壤中肥料氮總殘留量的64.8%和70.6%均集中在0—30 cm土層。HAU處理肥料氮在0—15 cm和15—30 cm土層中的殘留量均高于U處理，而在30—50 cm和50—70 cm土層中則表現出相反的趨勢；且兩種施肥處理下，肥料氮在0—15 cm和50—70 cm土層中的殘留量差異顯著 (P＜ 0.05)。

2.4 肥料氮在土壤–植物系統中的去向

植物吸收、土壤殘留和損失是施入土壤中肥料氮的主要去向。本研究中，當季玉米植株地上部和土壤總回收的肥料氮超過60% (表6)。其中，HAU處理每柱玉米地上部對肥料氮的吸收量比U處理高0.072 g，氮肥利用率相應增加了4.8個百分點。HAU處理每柱肥料氮的損失量和損失率分別為0.524 g和34.9%，比U處理分別降低了0.075 g和5.1個百分點。兩施氮處理下，肥料氮在0—90 cm土層中總殘留量差異不顯著。

3 討論

3.1 腐植酸尿素對玉米產量的影響

本研究中，腐植酸尿素處理玉米地上部及其各器官的干物質量顯著高于普通尿素處理 (P＜ 0.05)(表3)，這與莊振東等[21]、李兆君等[22]的結果一致。然而，兩個處理玉米植株地上部各器官干物質量占該植株地上部干物質總量的比例均未達到顯著性差異，說明腐植酸尿素施用對玉米地上部干物質分配影響不大，這與胡昊等[24]的研究結果一致，其認為施肥主要影響玉米某些器官干重和元素絕對量，而不改變相對量。因此，腐植酸尿素對玉米干物質量的影響主要是通過促進玉米整體的生長而非影響干物質在某個器官中的分配比例來實現的。

圖2 不同處理玉米地上部總氮吸收量及肥料氮吸收量Fig. 2 Total N and fertilizer N uptake of maize shoots under different treatments

穗粒數和粒重是單株玉米籽粒產量構成的決定性因素[25]，穗粒數比粒重更容易受到氮素供應和水分等環境因素的影響[26–28]。本研究中，不同處理間玉米的百粒重差異不顯著，穗粒數則以CK ＜ U ＜ HAU；施用腐植酸尿素與對照相比，顯著提高了玉米的穗粒數 (P＜ 0.05) (表4)。表明腐植酸尿素對玉米籽粒產量的提高主要是通過增加穗粒數而實現的。這可能是由于腐植酸所具有的羧基和酚羥基等酸性官能基團能夠與尿素的酰胺基發生作用，形成腐植酸—脲絡合物[7]，該物質能夠延緩尿素的釋放時間[29]，保證玉米生長過程中氮素的持續供應，從而優化了玉米生長環境，促進了玉米的生長和穗粒數的增加，提高了玉米籽粒產量。

表5 不同處理各土層肥料氮殘留量Table 5 Residual amounts of fertilizer N in different soil layers under different treatments

表6 不同處理肥料氮的去向Table 6 Fate of fertilizer N under different treatments

3.2 腐植酸尿素對氮素去向的影響

作物吸收、土壤殘留和損失是氮肥進入土壤—作物系統后的三個基本去向。15N示蹤研究結果表明，普通尿素氮的利用率、殘留率和損失率分別為40.7%、19.3%和40.0%；而腐植酸尿素氮對應的數值分別為45.5%、19.5%和34.9%。可見，腐植酸尿素施用顯著地促進了玉米對肥料氮的吸收，降低了肥料氮的損失，而對其在土壤中的總殘留量影響不顯著。與莊振東等[21]的研究結果相比，本試驗中肥料氮的利用率偏高，這可能與氣候條件、品種和施肥量等密切相關[30]。

本研究中，HAU處理玉米地上部肥料氮吸收量及利用率均顯著高于普通尿素U處理 (表6)(P＜0.05)，究其原因，可能是由于腐植酸與尿素結合后所形成的化學鍵具有較高的化學穩定性和熱穩定性，減緩了肥料中氮素的釋放，延長了氮肥肥效，氮素供應更加符合玉米生長及需氮規律，從而使肥料氮利用率得以提高[31]。土壤氮素是植物吸收氮素的主要來源，即使在施用大量化肥的情況下，作物吸收的氮素仍約有50%來自土壤，甚至超過70%[17]。石德楊[32]的研究結果表明，土壤氮對夏玉米的貢獻率為69.2%～75.4%；而潘曉麗等[33]則指出，夏玉米吸收肥料氮與土壤氮的比例接近1∶1，且隨著土壤肥力水平提高玉米吸收肥料氮比例下降。玉米生長過程中，不考慮降水及灌溉所帶入的氮素，植株吸收的氮素來源有兩種：土壤的氮素和施入肥料的氮素。通過對本試驗中玉米吸收的氮素來源進行分析，發現U和HAU處理玉米吸收肥料氮分別占其總吸氮量的20.3%和17.1%，而吸收的土壤氮則占總吸氮量的80%左右，表明對土壤氮的吸收比例高于其他研究結果，這可能與本試驗中氮素用量和土壤基礎地力較低 (0—20 cm土壤全氮含量為0.78 g/kg) 有關[30,34]；此外，HAU處理的土壤氮吸收比例高于U處理，說明腐植酸尿素處理玉米對土壤氮的吸收量增加，這可能與腐植酸尿素刺激了土壤有機氮的釋放相關[15]。

土壤中殘留的肥料氮是對以上刺激作用的一種補償[30]。本研究中殘留的肥料氮主要集中在施肥層(0—30 cm)，下層殘留量逐漸減少，但是，70—90 cm土層中依舊有肥料氮的殘留。由此推斷，在90 cm以下土層可能會有肥料氮的殘留，肥料氮的實際殘留量可能會略高于測定值。通過比較兩種氮肥處理肥料氮殘留的差異發現，盡管其殘留總量差異不顯著，但不同土層的殘留量卻存在差異，主要體現在HAU處理0—30 cm各土層殘留肥料氮高于U處理，而30—70 cm的各土層則低于U處理，說明腐植酸尿素施用降低了土壤氮素的淋溶，這與劉方春等[35]的研究結果相似，認為腐植酸緩效肥料在一定程度上可抑制硝態氮的淋溶。因此，腐植酸尿素施用具有更好的環境效應。此外，肥料氮在0—30 cm土層殘留多，向下淋溶少，能夠更好地滿足植物根系需肥特性，從而更有利于作物生長，這也在一定程度上解釋了腐植酸尿素施用促進玉米生長和提高玉米產量的原因。

4 結論

普通尿素中添加一定比例的腐植酸可顯著促進玉米地上部各器官生長及干物質量，但不影響其在各器官中的分配比例。腐植酸尿素主要通過增加玉米穗粒數，籽粒產量提高14.17%。腐植酸尿素可增強玉米對肥料氮的吸收，使肥料氮利用率比普通尿素增加了4.80個百分點，肥料氮損失率降低5.1個百分點；添加腐植酸與否，對0—90 cm層次土壤中肥料氮總殘留量無顯著影響，但腐植酸尿素殘留的肥料氮更多保持在0—15 cm土層，有利于后茬作物利用。

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Effects of humic acid urea on maize yield and the fate of fertilizer nitrogen

ZHANG Shui-qin1,2, YUAN Liang1, LI Wei1, LIN Zhi-an1, Li Yan-ting1, HU Shu-wen2, ZHAO Bing-qiang1*, LI Jun1
(1 Key Laboratory of Plant Nutrition and Fertilizer, Ministry of Agriculture/Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China;2 College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing 100193, China)

【Objectives】In this study, effects of humic acid urea on maize dry biomass, grain yield, and the fate of fertilizer nitrogen were investigated. The result could provide a theoretical and practical basis for the prodection of humic acid fertilizer with better quality and higher efficiency.【Methods】Zhengdan 958 was selected as the test maize cultivar, and the tested humic acid urea was synthesized in the laboratory . The experiment was carried out by using technique of the15N-label and soil column culture. No nitrogen (CK), common urea (U) and humic acid urea (HAU) were included as treatments, and all fertilizer was applied into 0–30 cm soil layer as base fertilizer. After the harvest, the maize shoots were collected and divided into five parts: leaf, stem, bract, cob and grain. Then, the dry biomass, nitrogen contents and15N abundance in all parts of maize shoots weredetermined, and ear traits were tested as well. The soil samples in different soil layers (0–15 cm, 15–30 cm,30–50 cm, 50–70 cm, 70–90 cm) were collected after the harvest, and nitrogen contents and15N abundance were determined subsequently.【Results】The dry biomass of shoots and individual organs, except bract, showed an ascending order as CK ＜ U ＜ HAU, no significant difference existed in the allocation ratio of dry matter in aboveground organs among the treatments. The aboveground dry biomass in HAU was 13.8% higher than that in U, and grain yield in HAU was 14.2% higher than that in U. The HAU enhanced grains per ear significantly (P＜0.05), while increased the hundred kernels weight slightly. The uptake amounts of total N and fertilizer N in each column in HAU were 0.989 g and 0.072 g more than those in U, respectively. The fertilizer nitrogen use efficiency in HAU was enhanced by 4.80 percentage points compared with that in U. The allocation proportion of fertilizer N and total N in different organs showed an ascending order as: bract and cob ＜ stem ＜ leaf ＜ grain,and grain possessed 65.7%–74.2% of total N and 58.6%–60.5% of fertilizer N in shoots. The fertilizer N amounts accounted for 13.3%–30.9% of total N in individual organs. There was no significant difference in the total residue of fertilizer N between HAU and U. The residual amount of fertilizer N in 0–30 cm soil layer in HAU was higher than that in U, while the residual N in 30–90 cm showed an opposite trend. The loss rate of fertilizer N in HAU was 34.9%, which was lower than that in U by 5.1 percentage points.【Conclusions】Under the experimental condition, the application of humic acid urea could improve the maize aboveground biomass and grain yield, and regulate the fate of fertilizer nitrogen by enhancing fertilizer N uptake and reducing its leaching to soil deeper than 15 cm.

humic acid urea; maize; yield;15N-label technique; fate of fertilizer nitrogen

2017–02–20 接受日期：2017–06–04

國家自然科學基金資助項目（31601827）；“十三五”國家重點研發計劃項目（2016YFD0200402）；中央級公益性科研院所專項資金資助項目（IARRP-2014-5）資助。

張水勤（1988—），女，河南新密人，博士研究生，主要從事新型肥料研究。E-mail：shuiqin08@163.com

* 通信作者 E-mail: zhaobingqiang@caas.cn