姜佰文，王宇龍，張 娟

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省寒地黑土保護(hù)與利用重點實驗室，哈爾濱 150030）

玉米是營養(yǎng)價值較高的高產(chǎn)糧食作物，是畜牧養(yǎng)殖業(yè)重要飼料來源，也是眾多行業(yè)不可或缺的原料之一。施用氮肥促進(jìn)玉米生長發(fā)育，同時提高玉米產(chǎn)量。然而，我國玉米產(chǎn)量高、常伴隨肥料投入量大，尤其是氮肥投入高，利用率低[1-2]。近年來，我國氮肥利用率較低，而北方玉米種植地區(qū)氮肥損失較大。特別是高施氮量地區(qū)，氮肥流失極為嚴(yán)重[3]。欒江等研究表明，采取相應(yīng)減氮措施，可有效降低氮肥單位面積施用量和施用總量，反之，氮肥施用量持續(xù)增加，危害環(huán)境[4]。氮肥施用過多增加農(nóng)業(yè)成本，降低農(nóng)民收益，成為限制農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展重大問題[5-6]。因此，減少氮肥施用已迫在眉睫。

草甸黑土養(yǎng)分豐富，肥力高，是黑龍江省玉米種植重要土壤。但其黏性大，低洼處土壤養(yǎng)分釋放速率慢，不利于肥料利用率提高，限制玉米產(chǎn)量增加。超出合理范圍施肥不僅導(dǎo)致單位面積作物產(chǎn)量下降、品質(zhì)低，同時還降低土壤肥力和肥料利用效率，增加種植成本，降低經(jīng)濟(jì)效益等[7]。因此，通過優(yōu)化草甸黑土施肥方式，促進(jìn)其養(yǎng)分釋放，提高作物養(yǎng)分吸收和肥料利用率，減少化肥投入，可為玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供重要保障。

腐植酸（HA）主要通過微生物分解轉(zhuǎn)化動植物殘體以及一系列化學(xué)過程完成積累。腐植酸具有親水性、弱酸性、表面活性、吸附性和離子交換性等性質(zhì)，主要歸因于在腐植酸中普遍存在苯酚和羧酸官能團(tuán)[8]。杜振宇等研究發(fā)現(xiàn)，將腐植酸物質(zhì)施入土壤后可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，形成弱酸緩沖體系，維持土壤酸堿平衡，改善土壤理化性狀[9]。腐植酸合理利用不僅減少化肥施用，亦穩(wěn)定提高農(nóng)作物質(zhì)量，減少過度施用化肥而對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，對構(gòu)建環(huán)境友好型社會具有積極作用。

本試驗以草甸黑土為研究對象，先玉335為供試材料，在氮肥減施條件下探討土壤水分狀況、土壤孔隙度、土壤養(yǎng)分及玉米產(chǎn)量對不同腐植酸施用量的響應(yīng)。研究將為黑土地力穩(wěn)定與提升，玉米優(yōu)化施肥方案選擇提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在黑龍江省哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地完成，試驗地位于黑龍江省哈爾濱市松北區(qū)萬寶鎮(zhèn)。該區(qū)域地處寒溫帶，屬濕潤、半濕潤氣候，年活動積溫2 200～2 800℃，雨熱同季，年平均降雨量500 mm，降水主要發(fā)生在5～9月，供試土壤為草甸黑土。供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)33.03 g·kg-1，全氮1.70 g·kg-1，堿解氮135.88 mg·kg-1，速效鉀142.75 mg·kg-1，速效磷26.40 mg·kg-1，pH 6.9。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗開始于2019年，共設(shè)置6個處理，包括：①不施肥（CK）；②常規(guī)施肥處理（N100H0）；③減施氮肥20%+5 t·hm-2腐植酸（N80H5）；④減施氮肥20%+10 t·hm-2腐植酸（N80H10）；⑤減施氮肥30%+5 t·hm-2腐植酸（N70H5）；⑥減施氮肥30%+10 t·hm-2腐植酸（N70H10），每個處理4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)面積75 m2（長15 m×寬5 m），小區(qū)間1壟保護(hù)行，每個重復(fù)間留1 m保護(hù)行。玉米種植密度為6萬株·hm-2。

供試玉米品種為先玉335，出苗至成熟約130 d，屬中晚熟普通玉米品種，需≥10℃活動積溫2750℃。供試肥料為尿素（N：46%）、重過磷酸鈣（P2O5：46%）和硫酸鉀（K2O：50%），具體施肥量見表1。腐植酸（褐煤級）為哈爾濱尚仕生物科技有限公司生產(chǎn)，粉狀，條施全部用作種肥一次性施入。腐植酸養(yǎng)分含量為：全碳49.14%，全氮0.41%，全磷0.36%，全鉀0.06%。

表1 不同施肥處理施肥量Table 1 Fertilization amount of different fertilization treatments

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤水分測定

大喇叭口期、吐絲期、蠟熟期和成熟期，每個小區(qū)采用“S”點取樣方法采集耕層土壤樣品，采用鋁盒烘干法測定土壤田間持水量和飽和含水量[10]，采用經(jīng)典環(huán)刀法測定土壤容重[10]，以此計算土壤容重和土壤孔隙度。

1.3.2 土壤養(yǎng)分含量測定

成熟期，采用五點取樣法取0～20 cm土層土壤，剔除石礫及植物根須，過篩測定土壤養(yǎng)分。采用堿解擴(kuò)散法測定土壤堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定土壤速效磷，采用火焰光度計法測定土壤速效鉀[11]。

1.3.3 地上部植株全氮含量測定

成熟期，每小區(qū)取具有代表性玉米9株，樣品于烘箱105℃殺青30 min，65℃烘干至恒重，電子天平測定各器官干物重。將植株樣品粉碎，并用H2SO4-H2O2聯(lián)合消煮，AA3流動注射分析儀測定其全氮含量[11]。

1.3.4 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

選長勢均勻，10 m2玉米采樣測定產(chǎn)量，玉米曬干脫粒稱重，以含水量14 %重量折算小區(qū)產(chǎn)量；另取30穗玉米考種，調(diào)查穗長、穗行數(shù)、穗粒數(shù)、行粒數(shù)和禿尖長，測定百粒重。

采用參考文獻(xiàn)[11]計算氮肥利用效率。

氮肥利用率（%）=（施氮肥區(qū)植株地上部氮素積累量-不施氮肥區(qū)植株地上部氮素積累量）/施氮肥量×100%；

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=（施氮肥區(qū)產(chǎn)量-不施氮肥區(qū)產(chǎn)量）/施氮肥量；

氮肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)均采用Origin 8.5作圖，并采用SPSS 20.0軟件統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮配施腐植酸對土壤持水能力的影響

2.1.1 減氮配施腐植酸對土壤容重的影響

由圖1可知，腐植酸施用顯著降低土壤容重。與CK處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤容重分別降低8.70%、18.20%、9.00%和15.67%。隨腐植酸施用量增加土壤容重表現(xiàn)減少趨勢，但不同腐植酸施用量處理間差異不顯著。

2.1.2 減氮配施腐植酸對土壤孔隙度的影響

由圖2可知，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤孔隙度較CK處理分別提高9.96%、9.60%、8.67%和7.36%。方差分析結(jié)果表明，施用腐植酸處理土壤孔隙度顯著高于未施用腐植酸處理（N100H0和CK），但施用腐植酸各處理間差異不顯著。因此，施用腐植酸可顯著增加土壤孔隙度。

2.1.3 減氮配施腐植酸對土壤飽和含水量的影響

由圖3可知，減氮配施腐植酸顯著增加玉米各生育時期土壤飽和含水量，與CK和N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤飽和含水量顯著增加8.71%～63.38%。相同施氮量兩組處理中，高量腐植酸配施處理土壤飽和含水量高于低量腐植酸配施處理，但各腐植酸配施處理間土壤飽和含水量差異不顯著。各處理土壤飽和含水量在玉米不同生育時期表現(xiàn)存在差異，CK和N100H0處理在成熟期前，土壤飽和含水量間無顯著差異；成熟期后，土壤飽和含水量降低，而減氮配施腐植酸處理在各生育時期土壤飽和含水量均保持相對較高水平。

圖1 不同施肥處理土壤容重變化Fig.1 Change of soil bulk density under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理土壤孔隙度變化Fig.2 Change of soil porosity under different fertilization treatments

圖3 不同施肥處理土壤飽和含水量變化Fig.3 Change of soil saturated-water capacity under different fertilization treatments

2.1.4減氮配施腐植酸對土壤田間持水量的影響

減氮配施腐植酸亦可顯著影響土壤田間持水量（見圖4）。不同取樣時期N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤田間持水量均顯著高于CK和N100H0處理（P＜0.05）；N80H10和N70H10處理田間持水量分別比N80H5和N70H5處理增加2.21%和3.80%。但方差分析結(jié)果表明，各腐植酸配施處理間田間持水量未達(dá)顯著。

2.2 減氮配施腐植酸對土壤養(yǎng)分的影響

減氮配施腐植酸對土壤養(yǎng)分含量影響見圖5。

與N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤堿解氮分別增加2.68%、5.69%、2.03%和3.46%，其中N100H0和N80H10處理間差異顯著（見圖5A）。施用腐植酸處理顯著增加土壤速效鉀含量（P＜0.05）。與N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理分別提高4.39%、7.58%、2.73%和5.12%。與土壤堿解氮相似，N100H0和N80H10處理間土壤速效鉀差異顯著（見圖5B）。與N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理土壤速效磷分別增加6.33%、10.13%、4.75%和7.28%（見圖5C）。

圖4 不同施肥處理土壤田間持水量變化Fig.4 Change of soil field water-holding capacity under different fertilization treatments

圖5 不同施肥處理土壤速效養(yǎng)分變化Fig.5 Change of soil available nutrients under different fertilization treatments

2.3 減氮配施腐植酸對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

不同處理對玉米產(chǎn)量影響見表2。不同施肥處理顯著增加玉米產(chǎn)量（P＜0.05）。與N100H0處理相比，N80H10和N70H10處理玉米產(chǎn)量分別增加21.17%和12.09%，其中N80H10與N100H0處理間差異顯著（P＜0.05）；而N80H5和N70H5處理玉米產(chǎn)量呈降低趨勢，但與N100H0處理差異不顯著。因此，減氮20%和30%配施高量腐植酸處理均增加玉米產(chǎn)量?？梢?，減氮配施足量腐植酸保障玉米穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)。

表2 不同施肥處理產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Yield and components under different fertilization treatments

由表2可知，不同施肥處理下玉米穗粒數(shù)和百粒重均顯著高于CK處理（P＜0.05），不同施肥處理間玉米百粒重均無顯著差異（P＞0.05）。減氮配施腐植酸處理均顯著增加玉米穗粒數(shù)。與N100H0處理相比，N80H5、N80H10和N70H10處理穗粒數(shù)分別增加9.31%、14.70%和12.84%。方差分析結(jié)果與玉米產(chǎn)量接近。因此，減氮配施高量腐植酸增加玉米產(chǎn)量主要通過增加玉米穗粒數(shù)，在玉米百粒重未降低同時，有效提高產(chǎn)量。

2.4 減氮配施腐植酸對氮肥利用效率的影響

與N100H0處理相比，施用腐植酸處理增加氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力及氮肥利用率（見表3）。在氮肥農(nóng)學(xué)效率方面，與N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理分別提高3.68%、86.84%、16.42%和83.21%，其中N80H5、N70H5與N100H0處理差異不顯著，N80H10、N70H10與N100H0處理差異顯著（P＜0.05）。在氮肥偏生產(chǎn)力方面，與N100H0處理相比，N80H5、N80H10、N70H5和N70H10處理分別提高8.05、26.13、16.00和30.52 kg·kg-1。N80H10、N70H5和N70H10處理與N100H0處理差異顯著（P＜0.05）。與N100H0處理相比，N80H10、N70H5和N70H10處理分別提高51.47%、31.51%和60.11%。與N100H0處理相比，施用腐植酸處理均顯著增加氮肥利用率（P＜0.05），分別增加36.16%、43.02%、56.33%和60.22%。

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

3 討論與結(jié)論

土壤理化性狀是評價土壤肥力重要指標(biāo)[12]。土壤容重與土壤質(zhì)地、結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。一定范圍內(nèi)，土壤容重越小，土壤越松散，透水性越好，耕作效果亦越好[13]。劉燦華等研究黃褐土表明，各施肥處理土壤容重均低于試驗前土壤（1.43 g·cm-3），降低幅度為0.005～0.075 g·cm-3，其中施用3 t·hm-2腐植酸處理3個組分別較常規(guī)施肥處理降低3.51%、4.91%、4.21%[14]。林楓等研究潮土表明，配施3 t·hm-2腐植酸處理土壤容重分別較常規(guī)施肥處理降低2.78%、6.35%和1.98%，較試驗前土壤降低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，且土壤容重隨腐植酸施用量增加而降低，降幅為0.041～0.061 g·cm-3。本試驗中土壤容重降幅初始值高于以上結(jié)果，與試驗中較高腐植酸施用量有關(guān)，但高量腐植酸施用情況下，土壤容重降幅低于劉燦華等研究結(jié)果[14]，可能與較高土壤容重初始值相關(guān)。土壤孔隙是水分運移和儲存場所，也是影響土壤滲透性關(guān)鍵因素[16]。顧鑫等研究表明，施用腐植酸處理可使孔隙度增加7.0%～22.4%[17]，與本研究結(jié)果一致，即施用腐植酸處理土壤孔隙度比CK處理增加9.98%～12.60%。

田間持水量長期以來被認(rèn)為是最高土壤含水量，也是土壤懸著水最大量[18]。劉森森等研究發(fā)現(xiàn)，施用腐植酸各處理田間持水量與無肥處理相比增加8.44%～45.53%，與常規(guī)施肥處理相比田間持水量增加最大可達(dá)12.52%[19]。土壤飽和含水量是指在自然條件下土壤孔隙被水填充時含水量，包括毛細(xì)孔隙和非毛細(xì)孔隙，表示土壤最大持水量[20]。張志華研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸肥料施用改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤孔隙，增強土壤保水性，提高土壤飽和含水量和田間持水量[21]。本研究結(jié)果表明，施用腐植酸各處理田間持水量比對照組增加13.61%～22.44%，飽和含水量增加8.38%～63.38%，與上述研究結(jié)果一致，主要原因是施用腐植酸增加土壤總孔隙度和通氣孔隙度，使孔隙內(nèi)填充含水量增多，增加土壤保水性，大幅提高土壤飽和含水量和田間持水量。

在相同施氮量的兩組處理中，施用高量腐植酸處理土壤田間持水量及飽和含水量均高于施用低量腐植酸處理。N80H10處理土壤飽和含水量和田間持水量最高，分別較常規(guī)施肥處理提高63.4%和17.2%。東北黑土區(qū)屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)，大氣降水是土壤水分主要來源，提高土壤滲透性，減少地表徑流損失，是提高降水利用率關(guān)鍵[22]。施用腐植酸有利于提高土壤持水性能，對土壤蓄水保墑及改善作物水分狀況具有積極意義。

在玉米生長發(fā)育過程中，氮肥為需求量最大營養(yǎng)元素[23]，也是玉米實現(xiàn)高產(chǎn)關(guān)鍵因素之一。施氮量對土壤氮含量影響主要取決于土壤中凈殘留量[24]。本試驗研究結(jié)果表明，配施腐植酸處理土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量均高于常規(guī)施肥處理，說明腐植酸有效提高土壤速效養(yǎng)分有效性，與腐植酸含有多種官能團(tuán)可有效離子交換和吸附密切相關(guān)。一方面，腐植酸與游離NH4+結(jié)合形成腐植酸銨鹽，其解離度較低，減少氮損失，提高氮肥有效性[25]；其次，腐植酸抑制土壤脲酶和硝化細(xì)菌活性，降低尿素分解速度，增加土壤氮有效性[26]；另外，腐植酸可與土壤中難溶于水的Ca3（PO4）2發(fā)生反應(yīng)，形成易溶于水的磷酸氫鹽和磷酸二氫鹽，減少土壤對可溶性磷固定，提高作物吸收磷含量[27]。同時，腐植酸和化肥聯(lián)合施用可提高土壤供肥能力，促進(jìn)玉米對養(yǎng)分吸收，提高肥料利用效率，從而提高作物產(chǎn)量[23]。

施用化肥有效提高玉米產(chǎn)量，但施用量過高，則不利于產(chǎn)量和肥料利用率提高。氮肥合理施用是玉米高產(chǎn)高效的一項重要措施。張福鎖等認(rèn)為合理減少施氮量時，玉米氮肥利用效率可達(dá)40%，而施肥量達(dá)240 kg·hm-2時，利用率大幅下降到14%[28]。侯云鵬等研究結(jié)果也表明，在農(nóng)民習(xí)慣施肥基礎(chǔ)上減施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運籌是否合理的重要指標(biāo)，一般采用氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力等參數(shù)表示。N80H10、N70H10處理較常規(guī)施肥處理氮肥農(nóng)學(xué)效率分別提高88.9%、84.5%，氮肥偏生產(chǎn)力分別提高51.5%、60.1%。其中，以N80H10處理效果最佳，氮肥農(nóng)學(xué)效率以及氮肥偏生產(chǎn)力是證明氮肥施用是否合理的重要指標(biāo)，說明減氮配施腐植酸不僅發(fā)揮增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)效果，又可提高肥效，在節(jié)約資源、保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面具有重要作用。減氮配施腐植酸各處理與常規(guī)施肥處理相比，玉米百粒重差異不顯著，但玉米穗粒數(shù)增加，說明減氮配施腐植酸主要通過增加穗粒數(shù)提高產(chǎn)量。本試驗施肥方案與農(nóng)民慣用施肥相比，N80H10、N70H10處理產(chǎn)量分別增加21.2%、12.1%，說明有機(jī)無機(jī)配合施肥有效促進(jìn)作物生長發(fā)育，提高作物產(chǎn)量。

綜上，N80H10處理各指標(biāo)顯著優(yōu)于常規(guī)施肥處理，氮肥施用量控制在160 kg·hm-2時，配施適量腐植酸，有利于玉米生長，產(chǎn)量相對較高，同時，腐植酸有效改善土壤物理性狀，增加土壤保水、保肥能力。本研究將為腐植酸在東北地區(qū)草甸黑土推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。