化肥是粮食的“粮食”, 我国每年化肥施用量占世界生产化肥总量的1/3^[1-2]。但是, 目前我国农田氮肥的当季利用率仅为30%~35%^[3-4]。化肥损失不仅对环境造成污染, 还影响作物的品质。因此, 减少氮肥用量、提高氮肥利用效率和作物产量对实现农业的环境友好发展具有重要意义^[5-7]。腐植酸是近年来研究比较热门的新型肥料品种, 具有良好的化学活性和生物活性^[8-10]。腐殖酸含有多种活性基团, 如羧基、羟基和甲氧基等, 具有较强的离子交换能力和吸附能力^[11]。腐植酸与氮肥结合施用能促进作物生长及对氮的吸收, 提高肥效^[12-13]。孙建好等^[14]相关研究表明:腐植酸与氮、磷配施提高冬小麦 (Triticum aestivum) 产量305.60 kg·hm^-2, 腐植酸与磷肥配施能提高大豆 (Glycine max) 产量261.90 kg·hm^-2, 另外, 施用腐植酸对紫花苜蓿 (Medicago sativa) 产量和品质的提升具有促进作用; 郝青等^[15]研究表明, 腐植酸配施不仅促进作物生长发育、提升夏玉米 (Zea mays) 产量, 还能培肥地力、提高土壤肥效。配施一定量的腐植酸不仅可以提高肥效达到活化、改良土壤的作用, 还能刺激作物生长、提高作物产量和品质, 在农田生态系统上应用潜力巨大^[16-18]。

南阳盆地褐土区是我国重要的粮食生产区, 冬小麦又是最主要的种植作物。已有的腐植酸研究多集中于叙述性论述或者机理性研究, 鲜有腐植酸直接配施无机肥对冬小麦生产影响的报道, 尤其是在河南褐土区的研究鲜见报道。同时, 我国人多地少的国情决定了我国的新型现代农业必须走集约化环境友好的发展道路, 必须解决既能在培肥地力的基础上获得作物高产, 又能减轻对生态环境压力的化肥使用技术即减氮增效技术。本文旨在通过施用腐植酸减少氮肥用量的氮肥运筹模式, 探求在保证冬小麦稳产、增产及农民增收的前提下, 提高氮肥利用率, 降低生态环境污染的合理施氮措施, 以期为实现农业生态系统高产、高效和促进农业环境友好发展提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于2014年 (田间定位试验第3年) 在河南省南阳市卧龙区英庄镇前英庄村进行, 供试土壤为黄褐土, 前茬作物为玉米, 玉米收获后秸秆全部还田, 并在冬小麦播种前进行深耕深松, 试验前0~20 cm土层土壤理化性状分别为: pH 6.57, 碱解氮69.97 mg·kg^-1, 速效磷23.57 mg·kg^-1, 速效钾84.25 mg·kg^-1, 有机质11.32 g·kg^-1。

试验田设在永久性耕地上, 设6个处理, 即: 1) 不施氮肥即单施磷钾肥 (T1); 2) 常规施肥, 全生育期施纯氮180 kg·hm^-2(T2); 3) 单施腐植酸3 000 kg·hm^-2(T3); 4) 常规施肥+腐植酸, 全生育期施纯氮180 kg·hm^-2, 配施腐植酸3 000 kg·hm^-2(T4); 5) 常规施肥减氮15%+腐植酸, 全生育期施纯氮153 kg·hm^-2, 配施腐植酸3 000 kg·hm^-2(T5); 6) 常规施肥减氮30%+腐植酸, 全生育期施纯氮126 kg·hm^-2, 配施腐植酸3 000 kg·hm^-2(T6)。试验采取随机区组排列, 3次重复, 小区面积6 m×8 m=48 m², 同时设置保护行和观察道。供试小麦品种为‘周麦16’。供试肥料品种氮肥为尿素 (46%), 磷肥为过磷酸钙 (含P₂O₅12%), 钾肥为氯化钾 (含K₂O 60%); 腐植酸: pH为4.74, 有机质为809.2 g·kg^-1, 全氮为7.6 g·kg^-1, 全磷为3.8 g·kg^-1, 全钾为2.3 g·kg^-1, 试验中所使用的腐植酸均由南阳市沃泰肥业有限公司提供。

除T3处理 (单施腐植酸) 外, 其他所有处理 (T1、T2、T4、T5、T6) 全生育期磷肥用量为P₂O₅ 90 kg·hm^-2、钾肥用量为K₂O 75 kg·hm^-2, 均用做基肥一次性施入。其中T2、T4、T5、T6处理的氮肥均采用基追配合的模式: 50%氮肥做基肥, 剩余50%氮肥于冬小麦拔节期追施。腐植酸为粉状、撒施, 全部用做基肥一次性施入。所有处理的种植密度及其他水肥管理措施按照当地高产优质小麦生产技术规程进行, 各项措施由专人在同一个工作日内完成。

1.2 采样与测定方法

冬小麦成熟后, 1 m²实收计产, 按照1 m双行法调查产量构成要素。取每个小区植株样, 分为籽粒、颖壳、茎叶等, 计算各部位生物量, 并烘干粉碎, 测定各部位氮含量及其累积量, 计算氮肥利用效率。植株样品采用硫酸-双氧水法消煮, 全氮采用凯氏定氮法进行测定^[19]。

以下参数计算公式参考彭少兵等^[20]及邹娟等^[21]的方法, 用以表征肥料的利用效率。

$ 氮素积累量({\rm{kg}}\cdot{\rm{h}}{{\rm{m}}^ - }^2) = 非收获物干重 \times 非收获物氮含量 \\ + 收获物干重 \times 收获物氮含量 $

(1)

$ 氮肥偏生产力({\rm{kg}}\cdot{\rm{k}}{{\rm{g}}^ - }^1) = 施氮肥区产量/施氮肥量 $

(2)

$ 氮肥农学效率({\rm{kg}}\cdot{\rm{k}}{{\rm{g}}^ - }^1) = \left( {施氮肥区产量 - 不施氮肥区产量} \right)/施氮肥量 $

(3)

$ 氮肥利用效率 = ( 施氮肥区植株地上部氮素积累量 \\ - 不施氮肥区植株地上部氮素积累量 )/施氮量 $

(4)

$ 氮肥贡献率\left( \% \right) = \left( {施氮肥区产量 - 不施氮肥区产量} \right)/施氮肥区产量 \times 100\% $

(5)

试验数据均采用Microsoft Excel 2003和SAS软件进行统计分析。

2 结果与分析 2.1 腐植酸与氮肥配施对冬小麦产量及其构成要素的影响

试验结果表明 (表 1), 不同施肥处理2014年和2015年两年的平均有效穗数方面总体呈如下趋势: T5 > T6 > T2 > T4 > T3 > T1, T5处理显著高于其他处理, T1处理显著低于其他处理; 穗粒数和千粒重均呈现: T5 > T6 > T4 > T2 > T1 > T3;产量指标表现为: T5 > T6 > T4 > T2 > T3 > T1。总体上显示, 施氮处理显著优于不施氮处理, 腐植酸与氮肥配施优于单施化肥, 其中, 以T5处理最佳, 其两年平均有效穗数、穗粒数、千粒重和产量较T2处理分别高2.97%、1.30%、0.62%和4.96%。然而, T6处理两年平均有效穗数、穗粒数、千粒重、产量等方面稍优于T2和T4处理, 但均低于T5处理。

2.2 腐植酸与氮肥配施对冬小麦各部位氮含量和累积量的影响

由图 1可知, 不同施肥处理冬小麦各器官的氮含量高低趋势为: T5 > T6 > T4 > T2 > T1 > T3。T5、T6、T4和T2处理各器官氮含量显著高于T1和T3处理。说明施用氮肥能够增加植株各器官氮含量, 单施腐植酸不能满足氮素需求, 影响氮素吸收和积累。T4、T5、T6处理的籽粒氮含量较T2处理分别高3.97%、23.02%和17.46%, 其中T5与T2处理间差异达显著水平 (P < 0.05)。说明在常规施肥的基础上配施一定量的腐植酸较常规施肥相比, 可以促进植株各器官对氮素的吸收。

由图 2可知, 不同施肥处理冬小麦各器官总氮累积量高低趋势为: T5 > T6 > T4 > T2 > T3 > T1, 施氮处理 (T2、T4、T5、T6) 显著高于不施氮处理 (T3、T1)。其中, T3处理各部位的氮素累积量均高于T1处理, 但差异未达显著水平 (P < 0.05); T2、T4、T5和T6处理较T1处理籽粒氮累积量、总氮累积量增加幅度分别达88.49%~143.77%和80.71%~114.89%。说明施用氮素可以大幅度提升植株各器官的氮素累积量, 在促进植株各器官对氮素的累积上, 单施腐植酸稍优于单施磷钾肥。

T4、T5、T6处理的籽粒氮累积量、总氮累积量均高于T2处理, 其中T5处理与T2处理间的总氮累积量差异达显著水平 (P < 0.05)。但T4、T5、T6处理的茎叶氮累积量较T2处理分别降低3.22%、18.81%和36.61%, 说明在常规施肥的基础上配施一定量的腐植酸在提升植株地上部总氮累积量的同时, 降低了植株茎叶部分的氮累积量, 提升了植株籽粒氮累积量。在所有处理中T5处理 (减氮15%) 效果最佳, 不仅能促进植株对氮素的累积, 更能进一步促进籽粒对氮素的累积。

2.3 腐植酸与氮肥配施对冬小麦氮肥利用效率的影响

由表 2可知, 氮肥偏生产力高低趋势为: T6 > T5 > T4 > T2;氮肥农学效率和氮肥利用效率均呈如下趋势: T5 > T6 > T4 > T2;氮肥贡献率为: T5 > T4 > T2 > T6。说明在常规施肥的基础上配施一定量的腐植酸能提高氮肥的偏生产力、农学效率、贡献率和氮肥利用效率。在所有处理中, T5处理效果最佳, 即在减氮15%的条件下, 氮肥利用效率、氮肥贡献率、氮肥农学效率均达到最大值, 均显著高于T2处理; 在减氮30%的条件下氮肥利用效率有所降低, 但仍高于常规施肥处理。

2.4 腐植酸与氮肥配施对冬小麦经济效益的影响

由表 3可知, 与T1处理相比, 其他各处理产值、纯收益等指标均高于T1处理, 且差异达显著水平 (P < 0.05)。其中, 不同处理的产值大小趋势为: T5 > T6 > T4 > T2 > T3 > T1, 纯收益为: T5 > T2 > T6 > T4 > T3 > T1, 但产投比的高低趋势为: T2 > T5 > T6 > T3 > T4 > T1。说明施用氮肥可以显著提高冬小麦的产值、纯收益和产投比。

在所有处理中减氮15%配施腐植酸处理的产值和纯收益最高, 产值分别比T1、T2、T3、T4和T6高44.46%、4.96%、34.54%、4.80%和3.68%, 纯收益分别比T1、T2、T3、T4和T6高52.57%、2.18%、36.44%、10.66%和3.89%, 且差异达显著水平 (P < 0.05)。但是减氮30%会导致冬小麦产值和收益降低。由于施用腐植酸增加了农资投入和其他投入, 腐植酸配施化肥的产投比低于单施化肥即常规施肥处理。综上可知, T5处理即减氮15%配施腐植酸在研究区域最具有实用价值。

3 讨论与结论

在农业生产中, 合理的氮肥施用量不仅能够增加冬小麦的产量、产量构成要素, 还能够提升土壤肥力, 提高氮肥利用效率, 达到节约资源、保护环境的目的。成绍鑫^[22]、李善祥等^[23]通过对腐植酸和尿素的混合施用研究表明, 腐植酸对尿素的缓释增效作用十分明显, 不但能提高作物产量, 还可使氮利用率提高6.9%~11.9%。赵国林等^[24]研究表明, 腐植酸能促进作物对养分的吸收利用, 显著提高作物产量。徐钰等^[25]和孙占祥等^[26]研究发现, 施用氮肥能明显改善夏玉米的生物学性状, 且能够显著提高玉米产量, 但氮肥投入需要一个适宜量, 并不是越高越好。国外相关研究也表明, 适宜的氮肥用量可以显著增加冬小麦的产量, 同时配施一定量的腐植酸能够起到增加产量及其构成要素的效果^[27]。本试验结果表明, 施用氮肥可以促进冬小麦植株的生长, 显著提高冬小麦产量及其构成要素, 其中以常规施肥减氮15%配施腐植酸3 000 kg·hm^-2的效果最佳, 较常规施肥处理冬小麦增产幅度达4.96%。说明在配施腐植酸的基础上, 适量减氮是可行的, 不仅能增加小麦产量, 也会提升整体效益。这一结论与孙志梅等^[28]的研究结果相似。

冬小麦植株各部位的氮素吸收及累积与施氮量有着密切关系, 农作物对氮素的吸收和累积是作物产量和干物质形成的基础, 适当的氮肥用量不仅能够促进作物生长发育, 还能促进植株对氮素的吸收及累积^[29-30]。王珂等^[31]研究表明, 腐植酸可以促进小麦对M²⁺或Fe²⁺的吸收, 促进干物质积累增加。陈振德等^[32]通过在玉米上研究发现, 腐植酸能明显促进玉米植株对N、P、K养分的吸收, 但运转分配到籽粒中N素的相对量较常规施肥低, 即腐植酸对N素的运转分配并未受到同步促进。本研究结果表明, 施用氮肥可以显著提高冬小麦各器官氮含量, 进而提高冬小麦各器官氮素累积量。在常规施肥的基础上配施一定量的腐植酸更能显著提高冬小麦各器官氮含量, 进而提高冬小麦各器官氮素累积量, 并能促进氮素向籽粒的转移, 降低植株茎、叶、颖壳的氮素累积量, 提升植株籽粒氮累积量。其中以常规施肥减氮15%配施腐植酸3 000 kg·hm^-2的效果最佳, 其籽粒氮含量、籽粒氮累积量和氮肥利用效率都显著高于常规施肥处理。腐植酸配施氮肥能大幅度提高氮肥利用效率。这可能与腐植酸含有多种较强的活性官能团 (氨基、醌基、羟基等) 有关^{[12, 33-34]}。

氮肥吸收利用特征是氮肥运筹是否合理的重要指示, 通常研究采用氮肥利用率、氮肥贡献率、氮肥农学效率和氮肥偏生产力等参数来表示。本研究氮肥利用结果为:氮肥农学效率12.60~17.51 kg·kg^-1、氮肥利用率34.72%~58.14%、氮肥偏生产力46.07~64.24 kg·kg^-1和氮肥贡献率34.35%~44.46%, 较其他研究相对偏高^{[4, 35-38]}。说明施用腐植酸能显著提高氮肥的利用效率。另外由于本试验区的施氮量在腐植酸的配施下相对较低, 为126~180 kg·hm^-2, 腐植酸促进了氮素的吸收利用, 再加上本试验条件下不施氮肥区的冬小麦产量和养分积累量相对较低, 用差减法计算出的农学效率和肥料利用率势必较高。这说明腐植酸与氮肥配施具有兼顾冬小麦高产、高效、节肥而不导致土壤养分降低的重要措施。

评价某项技术的社会实际应用价值, 不但要有增产效果, 最重要的还是经济效益。本研究中, 所有施氮处理均获得了较高的冬小麦产值和纯收益。然而, 常规施肥减氮15%+腐植酸3 000 kg·hm^-2处理的产值和纯收益最高, 但是减氮30%的条件下会导致冬小麦产值和收益降低。这充分说明, 在施用腐植酸的基础上配施适宜的氮肥用量才能获得较高的产值和收益。

综上所述:在冬小麦实际生产中, 腐植酸与氮肥配施可以促进冬小麦的生长发育, 有效改善冬小麦构成要素、提高冬小麦的产量、促进植株对氮素的累积和提高氮肥的利用率。其中, 以常规施肥减氮15%+腐植酸3 000 kg·hm^-2处理效果最佳, 不仅起到增产增效的效果, 还能实现节约资源、保护环境的目的。因此, 在现代化农业生产中配施一定量的腐植酸, 对构造环境友好型、资源节约型社会有着十分重要的意义。