含腐植酸水溶肥料對玉米苗生長及土壤改良的影響

關鍵詞：含腐植酸水溶肥料；土壤酸化；土壤改良；玉米苗；鎘

土壤酸化是個緩慢的自然過程，但受人為活動影響，這一進程正急劇加速。目前，我國約有311.1×104 km2土壤的pH低于6.5，44.8×104 km2土壤的pH低于5.5，酸化土壤總面積約占陸域國土面積的37.1%，比第二次全國土壤普查結果增加64.5×104 km2 [1]。盡管山東省耕地土壤pH仍以弱堿性和中性為主，但近30年來，山東省耕地土壤pH下降約0.4個單位，其中煙臺市土壤pH下降約1.0個單位，酸化問題尤為嚴重[2]。煙臺市統計年鑒數據表明，自2016年起該地區玉米播種面積和總產量大幅減少，2017—2022 年間玉米單產相較于2016年平均下降15.9%，其中重要原因之一便是受到土壤酸化危害，導致養分有效性降低，土體結構變差，有毒重金屬離子活度增加，影響了作物生長發育和土壤生物活動[3]。在此形勢下，煙臺市作為我國重要的玉米生產區，尤其需要關注土壤酸化對玉米植株生長的影響，及時采取改良土壤和保障玉米產量的措施[4-5]。

常用酸化土壤改良措施主要包括酸雨防控、氮肥減量、有機肥增施、改良劑施用、種植結構調整和農藝措施優化等[6]。其中，施用土壤改良劑可以顯著降低土壤酸度、提高養分水平、優化土壤結構、促進微生物活動并改善土壤微環境，具有良好應用效果[7-8]。作為一種新型的有機無機復混肥料，含腐植酸水溶肥料（water-soluble fertilizerscontaining humic-acids，WSF）是一類有效的土壤改良劑，兼具改善土壤質量、提高作物產量和品質的功能，在改良酸化土壤方面具有廣泛的應用潛力[9-11]。研究發現，施用WSF后土壤pH較常規施肥提高了0.53 個單位，陽離子交換量（cationexchange capacity， CEC）和交換性鈣含量分別提高136.0%和31.3%，緩解土壤酸化的同時有效改善了土壤理化性質和微觀結構，促進了香蕉生長[12]。施用900 kg·hm?2 WSF能使水稻產量增加8.4%，并且使水稻中鉛（Pb）、鎘（Cd）和砷（As）含量分別降低27.9%、29.6%和44.9%[13]。

然而，目前針對WSF 對煙臺地區玉米苗生長及土壤改良影響的綜合研究仍不足，其效應機制尚未得到明確闡釋，這在很大程度上限制了WSF 的推廣應用。已有研究主要聚焦于單一WSF產品的肥效驗證，未能全面考量不同產品性質、組分和用量等因素對肥效的影響。因此，本研究以玉米苗為研究對象，選取煙臺市某酸化農田土壤進行盆栽試驗，探究不同WSF 產品在不同施用量下對玉米苗生長和土壤特性的影響，以期為優化施肥和土壤改良提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽試驗選用綠色塑料花盆（上口徑×下口徑×高度=18.5 cm×13.5 cm×15.5 cm）。供試玉米品種為鄭單958。供試土壤為棕壤，取自煙臺市某農田（31°21′40.00″N、120°23′55.70″E）表層0—20 cm。該處土壤因長期過量施用氮肥而出現嚴重酸化問題，并且因工礦排放造成鎘污染[14-15]。土壤采回后經風干、挑揀雜質、磨碎，過2 mm尼龍篩且混勻后用于盆栽試驗。供試肥料選取6款含腐植酸水溶肥料（WSF），其中，3款酸性產品為市場一號（HJ）、市場二號（GL）和市場三號（LD），3款堿性產品為市場四號（XZ）、自研一號（NY）和自研二號（NE）。上述肥料主要特性如表1所示。其中，自研一號和自研二號肥料為本研究團隊自主研發，其余肥料均購自農資市場。6 類產品的特性指標均遵循HG/T 4365—2012[16]、NY/T 1971—2010[17] 或NY/T3162—2017[18]測定并記錄。

試驗于2022年5—9月在中國農業大學三亞研究院（18°33′47.73″N、109°15′44.51″E）開展。試驗前測定該土壤基本理化性質為：pH 4.31，電導率（electrical conductivity，EC）250 μS·cm?1，有機質（soil organic matter，SOM）16.2 g·kg?1，堿解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）145 mg·kg?1，速效磷（available phosphorus，AP）64.1 mg·kg?1，速效鉀（available potassium，AK）142 mg·kg?1，陽離子交換量（CEC）14.7 cmol·kg?1，有效態鎘（cadmiumextracted by diethylenetriamine pentaacetic acid，DTPA-Cd）3.13 mg·kg?1，交換性酸總量（exchangeableacidity，EA）4.10 cmol·kg?1，交換性鋁（exchangeablealuminum，EAl）2.80 cmol·kg?1。

1.2 試驗設計

由于土壤酸化和鎘污染問題，為提高玉米苗成活率，試驗采用育苗移栽的方式。具體方法為：先將玉米種子用75%乙醇浸泡5 min，再用1%次氯酸鈉溶液浸泡8 min。滅菌后的種子用無菌水反復沖洗，風干，催芽2 d后單獨播種在充滿營養基質的育苗盤中（1粒·穴?1）。在整個育苗過程中，每天用無菌水澆灌育苗盤，以保持營養基質中的水分。移栽前3 d每盆裝土2.0 kg，且裝土時不斷振動以使土壤填充緊實。育苗7 d后，選擇長勢相似且生長健康的幼苗移栽到試驗盆（1株·盆?1）。每個處理4盆，隨機排列在相對濕度65%±5%、晝/夜平均溫度25/18℃、光照強度350 μmol·m?2·s?1、光周期16 h的溫室內。試驗期間每隔5 d更換試驗盆位置，保證每天澆水，使土壤水分維持在田間持水量的60%左右。

施用WSF前，各處理均采用NH4Cl、Na2HPO4、KCl作為基肥。參考煙臺當地農戶經驗，施肥量設定為200 mg N·kg?1 土、100 mg P2O5·kg?1 土、75.0 mg K2O·kg?1 土。待玉米苗移栽后第3 和第14天時分2次進行灌根追肥。具體方法為：首先用50 mL去離子水稀釋WSF產品，然后沿玉米苗根部灌施，最后用30 mL去離子水清洗容器并再次灌根。試驗設追肥類型和施用量2個因素，其中追肥類型共6種，分別為HJ、GL、LD、XZ、NY和NE；施用量設置0.4（ -0.4）或2.0 mL·kg?1 土（-0.2），以只施基肥而不追肥為對照（CK），共計13組處理，每處理設置4個重復，共計52盆，采用隨機區組排列。試驗期間，定期測量并記錄玉米苗的株高和莖粗，掌握群體生長動態。

1.3 測定指標及方法

玉米苗移栽55 d后進行收獲和采樣分析。收獲前1 d停止澆水。收獲時先分別用米尺和游標卡尺測量株高和莖粗；然后將玉米苗小心地從土壤中取出并用自來水和去離子水清洗，稱量鮮重（fresh weight，FW）；按照常壓恒溫干燥法，將玉米苗放于105 ℃烘箱中殺青30 min，然后在80 ℃下恒溫烘干24 h后測量干重（dry weight，DW）。隨后將植物樣品粉碎并過1 mm篩，經HNO3-HClO4消煮后用原子吸收分光光度計（PinAAcle 900T，Perkin Elmer，Waltham，MA，USA）測定樣品中的鎘（P-Cd）含量[19]。植物中鎘累積量（cadmiumaccumulation in plants，A-Cd）按以下公式計算。

采用破壞性取樣法采集1 kg土壤樣品，自然晾干后過2 mm或0.25 mm篩用于測定理化性質、速效養分含量和有效態鎘含量（DTPA-Cd）等。其中，土壤pH參照NY/T 1121.2—2006測定[20]；電導率（EC）參照HJ 802—2016測定[21]；速效磷（AP）含量采用氟化銨?鹽酸浸提法測定[22]；堿解氮（AN）含量采用堿解擴散法測定[23]；有機質（SOM）含量采用重鉻酸鉀容量?外加熱法測定[23]；速效鉀（AK）和水溶性鈉（water-soluble Na，WNa）含量采用乙酸銨浸提?火焰光度法測定[23]；交換性酸總量（EA）、交換性鋁（EAl）和交換性氫（exchangeable hydrogen，EH）含量采用氯化鉀交換?中和滴定法測定[24]；陽離子交換量（CEC）參照HJ 889—2017測定[25]；有效態鎘（DTPA-Cd）含量參照GB/T 23739—2009測定[26]。試驗結束后，按上述方法測得CK處理DTPA-Cd為3.13 mg·kg?1。

1.4 統計分析

試驗結果均采用4個重復的平均值表示。利用SPSS 22.0 （SPSS Inc.， Chicago， IL， USA） 進行方差分析和Duncan 法多重比較，顯著性水平取0.05；利用Origin 2023b （OriginLab Corporation，Northampton， MA， USA） 進行Pearson 相關性分析和數據繪圖，評價植物生長指標與土壤性質之間的關系；利用Canoco 5.0 （Microcomputer Power，Ithaca， USA）進行冗余分析（redundancy analysis，RDA）并創建圖形，評判影響植物生長的主要因素。使用R 語言中Random Forest 工具包構建隨機森林模型，利用IncNodePurity（increase in nodepurity）來判斷預測變量對P-Cd、DTPA-Cd和A-Cd的影響程度，并篩選主要環境因子。IncNodePurity值越大，表示預測變量與因變量之間的相關程度越高。

2 結果與分析

2.1 施用WSF 對土壤理化性質的影響

由表2可知，不同類型WSF產品對土壤理化性質的影響存在顯著差異。與CK相比，施用6種WSF產品均能提升土壤pH，其中施用NY、XZ和NE效果最好，分別提升了0.57～0.61、0.55～0.62和0.49～0.64個單位；此外，NY-0.4、NE-0.4和XZ-2.0處理的EA含量分別降低28.0%、23.3%和12.5%；EAl含量分別降低51.2%、29.1%和18.0%，表明施用NY、NE 和XZ 有助于緩解土壤酸化并減輕鋁毒。然而，在施用HJ、GL 和LD 產品后，土壤EA含量分別增加52.5%～97.2%、34.4%～98.8% 和8.95～16.9%，EAl 含量分別增加70.1%～97.8%、27.4%～39.1% 和24.4%～39.6%，這可能會加劇土壤鋁毒害風險，抑制作物生長發育。

EC是評估土壤質量的關鍵參數，直接影響土壤緩沖能力并調節土壤酸化[27]。與CK相比，施用WSF能有效降低土壤EC，特別是施用XZ、NY、NE產品的土壤EC 分別降低78.2%～79.3%、72.2%～78.7%、69.3%～74.6%。雖然土壤浸出液的電導率降低，但施用WSF提高了WNa含量。鹽分中以鈉鹽增加土壤堿度的作用最大，因此可能對土壤pH產生較大影響。施用HJ、GL、LD、XZ、NY和NE產品分別使WNa 含量提高?11.9%～3.86%、3.86%～24.2%、40.4%～177%、24.2%～56.1%、48.1%～141%和40.4%～121%。所用WSF含量越高，WNa含量增加越明顯。總體上，施用WSF對CEC的影響并不明顯。NE-0.4 處理的CEC 增加8.84%，而LD-0.4 和NE-2.0 處理的CEC 分別降低3.40% 和2.04%。SOM是土壤中多種營養元素的重要來源，是土壤肥力高低的重要指標之一。施用WSF會提高土壤SOM含量，特別是施用LD、XZ和NY產品后，土壤SOM含量分別提高7.55%～22.0%、19.5%～32.7%和18.9%～22.6%。

2.2 施用WSF 對土壤速效養分含量的影響

由表2可知，與CK相比，施用GL和LD產品的土壤AN含量分別增加14.7%～42.4%和6.46%～8.01%；施用XZ、NY和NE產品后，土壤AN含量分別降低62.3%～64.3%、38.5%～53.0% 和47.8%～65.6%。不同施肥處理的AP含量變化不明顯，且WSF含量對AP含量無顯著影響。施用HJ后，土壤AP 含量增加16.6%～21.7%；施用XZ 后，土壤AP含量降低8.22%～12.4%。此外，施用高水平的WSF能夠明顯提高土壤AK含量，其中，XZ-2.0處理對AK 含量的提升效果最明顯，其次是LD-2.0處理。然而，低水平的HJ-0.4、XZ-0.4和NY-0.4處理的AK 含量分別降低6.36%、5.45% 和24.6%。綜上所述，施用WSF對AN和AK含量影響大，而對AP含量影響小。施用酸性產品后，土壤AN含量提高效果最明顯。施用堿性產品后，土壤AN含量降低、AK含量提升效果最明顯。

2.3 施用WSF 對玉米苗生長的影響

由圖1可知，移栽后11 d，NY-2.0處理玉米苗株高最高，NE-2.0處理玉米苗株高最低。移栽后21～26 d，所有WSF處理的玉米苗株高均優于CK。對同一WSF而言，施用0.4 mL·kg?1的HJ、GL、XZ，以及施用2.0 mL·kg?1 的LD、NY、NE 產品對玉米苗株高的促進效果更佳。移栽后55 d，NY-2.0處理玉米苗株高最高，其次是XZ-0.4 和LD-2.0 處理。施用HJ、GL和NE產品的玉米苗株高均低于CK。隨著試驗進行，部分WSF產品對玉米苗株高的促進作用逐漸減弱，甚至表現出抑制效應。施用WSF能夠在一定程度上促進玉米苗莖稈發育，增加莖粗。NY 產品的促進作用最明顯，其次是XZ產品。分析玉米苗生物量變化發現，施用XZ和NY產品能顯著增加玉米苗生物量，但不同用量的處理之間差異不顯著。與酸性產品相比，堿性WSF增加玉米苗生物量的作用效果更優，尤其是NY和XZ。

2.4 施用WSF 對P-Cd、A-Cd 和DTPA-Cd 含量的影響

供試土壤DTPA-Cd含量明顯超過農用地土壤污染風險管制值1.5 mg·kg?1[28]，亟需加強土壤和農產品中Cd含量協同監測。由圖2可知，施用GL和LD產品分別使P-Cd含量較CK增加4.83%～5.27%和7.99%～15.7%，不利于阻控Cd吸收；施用HJ、XZ、NY和NE產品使P-Cd含量分別降低3.24%～12.9%、11.4%～15.0%、12.8%～13.4% 和14.7%～15.2%。與CK 相比，施用NY 產品使Cd 累積量增加9.97%～24.1%；施用GL和NE產品降低Cd累積的效果最明顯，分別為20.4%～31.6%和13.3%～49.7%。此外，施用HJ、GL、LD和XZ產品分別使DTPA-Cd含量較CK降低7.99%～10.2%、11.2%～12.1%、4.15%～4.47% 和2.56%～4.15%。HJ 和XZ 產品既能鈍化土壤中的Cd，降低其有效性，又能在一定程度上阻控玉米苗吸收和累積Cd。結合玉米苗生長動態指標、土壤理化性質和速效養分含量變化情況分析，XZ產品的綜合效果更好。圖3隨機森林模型預測結果表明，EC、AN、pH可能是影響植株Cd含量的關鍵因素；DW、SOM、EH可能是影響植株Cd累積量的關鍵因素。此外，EA、AN、pH、EC可能是導致DTPACd含量波動的重要因子。綜上推測，影響Cd在土壤?玉米苗體系中活化、吸收和累積的最關鍵因子是土壤酸度。

2.5 植物生長因子與環境變量之間的相關性和冗余分析

本研究采用Pearson相關性分析和冗余分析探究了植物生長因子和土壤環境變量之間的相關性。因為FW易受含水量和測量時間等因素影響，所以重點分析DW與環境變量之間的相關性。由圖4可知，DW、pH均與SOM呈顯著正相關，與AN呈顯著負相關。EC、AN與SOM均呈顯著負相關。pH與P-Cd呈顯著負相關。EC、AN和P-Cd三者之間呈顯著正相關。DW、SOM與A-Cd均呈顯著正相關。EC、AN、EA、EAl等變量與DTPA-Cd之間均呈顯著負相關。AK與WNa呈顯著正相關。冗余分析表明，第1和第2約束軸很好地解釋了土壤環境變量對植株生長因子影響程度的59.6%。AN與第1軸的關系最密切，EC與第2軸關系最密切。此外，EC、pH 和SOM 與第1 軸的相關性也較大。FW、DW和P-Cd各自所在射線與土壤理化性質指標或速效養分所在射線之間的夾角大小及其射線長度反映出土壤環境變量對植株生長因子的影響程度。DW和FW易受到SOM的正面影響，還易受到EA的負面影響。P-Cd易受到EC和AN的正面影響，還易受到土壤pH和DTPA-Cd的負面影響。A-Cd易受到SOM的正面影響，還易受到EH的負面影響。XZ、NY、NE的數據點與DW、FW所在射線相關性強，說明產品對植株生物量的影響作用較強。XZ、NY以及HJ的數據點還與A-Cd所在射線的相關性強，反映出3款產品對植株吸收、累積Cd存在明顯影響。

3 討論

本研究以煙臺市酸化棕壤為供試土壤進行玉米苗盆栽試驗，比較分析6種WSF對玉米苗生長和酸化土壤特性的影響。雖然EA和EAl對玉米苗毒害作用較大[29-30]，但是可通過WSF產品中腐植酸和黃腐酸的絡合、吸附和沉淀等作用來降低毒害[31-32]。本研究中，施用酸性WSF增加了EA和EAl含量，未能緩解土壤酸化，不利于玉米苗生長發育。NY促生效果最明顯，其次是XZ，這可能與肥料組分有關。堿性的NY和XZ含有豐富的有機和無機養分，能夠充分滿足玉米苗養分需求，并且能顯著提高土壤pH，降低EA和EAl含量，有助于緩解土壤酸化，降低鋁毒風險，促進作物生長。相關性分析和冗余分析的結果進一步證實了上述分析。雖然施用NE也能緩解土壤酸化，降低鋁毒風險，但對玉米苗的促生作用不明顯，推測是因為該產品中腐植酸和黃腐酸含量過高而導致了燒苗問題[33-34]。

施用WSF 降低土壤EC，表明土壤水溶性鹽分含量減少，與已有研究結果一致[35]。與不施肥或施用WSF相比，在酸化土壤中施用堿性WSF可顯著提高土壤pH并降低EC[36]。這可能是因為施用堿性WSF 明顯提升土壤pH，使腐植酸或黃腐酸表面官能團解離程度增強，所產生的帶負電荷的透明質酸對水溶性陽離子具有更強的吸引力[37]。此外，堿性WSF 中有機組分含量更高，能夠與土壤中的陽離子進行螯合或絡合作用，結合產生不同種類腐植酸鹽，降低土壤水溶性鹽分含量[32]。施用WSF會增加土壤WNa含量，可能是在提高土壤pH和SOM含量的過程中促進了土壤礦化過程發生有機陰離子脫羧基化，并釋放出Na+等堿性物質[38-39]。盡管本研究中測得WNa含量有所增加，但遠低于鹽堿土中WNa含量，未造成鹽堿毒害。

SOM和CEC是反映土壤肥力的重要指標，是評價土壤改良成效的重要標志[40]。灌施WSF 可提高土壤SOM含量和CEC，與已有研究一致[41-42]。施用低水平的LD降低土壤CEC可能歸因于產品灌施后腐植酸和黃腐酸與土壤SOM、礦質元素進行反應，奪取了土壤膠體的可變負電荷，降低了土壤復合度[43]。Cui等[44]研究表明，低水平CEC會降低植株生物量，抑制作物吸收Cd，這與本研究中NE的應用效果一致。施用WSF對土壤AN和AK含量影響大，對AP含量影響小，與鄧愛妮等[45]研究結果一致。施用HJ、GL和LD提高土壤速效養分含量的原因既在于產品本身含有豐富的N、P、K養分可以輸入土壤，又在于玉米苗生長不旺盛，養分吸收量少，導致消耗的土壤速效養分有限。灌施XZ、NY、NE后，土壤AN含量顯著降低，一方面是因為產品中N養分總量低，對土壤直接輸入貢獻低于其他產品；另一方面則是由于3款產品能顯著緩解土壤酸化，改善土壤特性，顯著增強植株對氮素的吸收和積累，提高氮素利用率。本研究中，AN含量與植株生物量存在顯著負相關性，間接證明了N 是玉米苗需求量最大的營養元素[46]。

本研究還發現，灌施WSF主要通過提高土壤pH來降低Cd有效性。施用NY和NE產品會增加DTPA-Cd含量，這與溫鑫[47]、鄒傳等[48]研究結果類似，可能是因為在高pH條件下，腐植酸和黃腐酸礦化和分解為有機酸，進而促進土壤中Cd 的活化[49]，此外還與土壤中溶解性組分和酚羥基基團含量增加有關[48]。pH和AN含量是影響DTPA-Cd含量的重要因素。土壤pH會通過影響土壤Cd的吸附位點、表面穩定性、化學組分和配位特性等來影響Cd有效性。AN含量是影響玉米苗生長的關鍵養分指標，會顯著影響根系發育和根系分泌物釋放，進而影響土壤DTPA-Cd含量[50]。本研究中，P-Cd含量低于國標檢測限值，表明玉米苗的Cd富集能力較低，WSF產品的阻控效果較好[51]。雖然灌施GL、LD可降低DTPA-Cd含量，但其阻控植株吸收Cd的效果不如XZ、NY和NE。XZ和HJ既能鈍化土壤Cd，降低污染風險，又有助于阻控Cd吸收。綜合分析玉米苗生長動態和土壤改良效果可知，XZ產品的綜合性能優于其他產品。

綜上，根部灌施含腐植酸水溶肥料能夠明顯提高土壤有機質含量，降低水溶性鹽分含量，改善速效養分供應狀況，降低土壤Cd有效性，促進玉米苗生長并阻控Cd吸收，有助于改善土壤質量和作物品質。土壤酸度是影響Cd在土壤-玉米苗體系中活化、吸收和累積的關鍵因子，而產品pH、腐植酸和黃腐酸含量可能是影響產品性能的重要內在因素。與酸性WSF相比，灌施堿性WSF產品對改良土壤以及促進玉米苗生長的效果更明顯。未來既要通過常規手段繼續探究WSF施用對土壤特性和玉米植株的長期影響，也要從微觀尺度探究WSF的毒理學效應，以更全面地了解WSF對土壤質量和作物生長的綜合影響。