褐煤腐殖酸用量对玉米生长及黄河故道潮土养分含量的影响

杨 苏， 叶雪峰， 章 欢， 李辉信， 张永春， 艾玉春， 汪吉东

(1.南京农业大学资源与环境科学学院，江苏 南京 210095； 2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部江苏耕地保育科学观测实验站，江苏 南京 210014； 3.江苏大学农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

绿色生态农业是可持续农业发展的重要途径。腐殖酸是生态农业和无公害农业中常用的有机肥料之一。腐殖酸能够提高肥料效应，赵凤亮等[1]研究结果表明，施用腐殖酸类肥料，能降低氮素淋失量，提高氮素利用率。腐殖酸也有良好的促根效应，梁太波等[2]认为施用腐殖酸提高了根系活力和干物质积累量，使玉米增产61.29%。褐煤中腐殖酸含量高，具有较好的开发利用价值[3]，能改善土壤理化性质，增加土壤养分含量，提高肥料利用率，促进作物生长发育，提高出苗率和作物产量的作用。腐殖酸自身的活性官能团具有酸性、阳离子交换能力、络合及吸附分散能力[4]，可减少化肥用量[5-6]。腐殖酸施用对作物生产发挥着重要的作用，但过量或不合理地施用则会引发土壤次生盐渍化、酸化、土壤养分失调等障碍问题[7]，并产生一系列的环境污染问题[8]，腐殖酸用量因土壤类型不同而不同。陈伏生等在风沙土上的研究结果显示，风化煤腐殖酸能显著提升土壤的有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，降低土壤pH值[9]。MORA等[10]研究了低质量浓度(5 g/L)和高质量浓度(100 mg/L)的褐煤腐殖酸对黄瓜生长的影响，结果发现，100 mg/L腐殖酸具有较好的促根效果。薛超群等[11]认为腐殖酸用量为120 kg/hm2时对植烟土壤培肥效果最佳。王帅等[12]认为，施用 33～66 kg/hm2腐殖酸保水剂可有助于玉米生长生育及产量的提高。但对于有机质含量低、土壤结构差、保水保肥能力弱的潮土，施用褐煤腐殖酸对玉米生长及培肥的效果如何还有待进一步研究。

玉米是中国主要的粮食作物，也是黄河故道地区种植的主要作物[13]。根系是植物吸收养分和水分的重要器官，也是物质同化、转化或合成的场所，苗期玉米的根系形态可间接影响植物的生长发育和产量[14-16]。土壤是作物生存的根本，可为植物提供生长所必须的营养物质，其肥力水平的高低可直接影响作物长势和产量，安江勇等[17]对玉米品种黔单24的研究结果表明，玉米产量随肥料施用量增加呈抛物线变化，当施肥量增加超过肥料最大效应值，其养分吸收量反而减小，因此将土壤和作物作为一个整体，探究外源褐煤腐殖酸施用对玉米生长及土壤养分的影响具有重要意义。

本试验通过设置5个褐煤腐殖酸用量，探究其对玉米苗期根系性状、干物质量、养分吸收量及土壤理化性状的影响，以期找出玉米高产稳产和土壤培肥的最佳褐煤腐殖酸用量，为褐煤腐殖酸的高效化利用及玉米的养分调控提供理论参考。

1.1 试验设计

本试验为盆栽试验，供试土壤为潮土，由江苏省盐城市滨海县界牌镇三坝村黄河湾绿色科技有限公司(北纬33°43′，东经119°37′)提供，基地地处北温带，气候温和，地势较高，降雨充沛，雨热同季，常年平均气温14.1 ℃，平均降雨量为942.6 mm。

盆栽土壤选取0～20 cm表层土壤，自然风干后去除大的石块、土块及植物残体备用。试验共设置5个处理，以只施氮、磷、钾肥为对照(CK)，其他处理均在施用氮、磷、钾肥的基础上施用10 g/kg褐煤腐殖酸(F1)、20 g/kg褐煤腐殖酸(F2)、40 g/kg褐煤腐殖酸(F3)、80 g/kg褐煤腐殖酸(F4)，每个处理6个重复，共30个盆钵，其中3个重复用于测定玉米苗期根系形态，另外3个重复用于土壤养分含量及植株养分吸收量的测定。每个盆钵 (高35 cm，直径40 cm) 装风干土20 kg，基肥一次性施用复合肥24 g，追施氮肥2次，用量均为总氮用量的30%。所用腐殖酸为褐煤腐殖酸，有机质415 g/kg，全氮3.53 g/kg，全磷10.89 g/kg，全钾1.36 g/kg，pH值 4.95，褐煤腐殖酸的施用方式为混施。种植玉米品种为燕禾金号，试验开始前每盆选取大小一致、籽粒饱满的4粒玉米种子，于2018年7月2日在江苏省农业科学院温室进行试验，玉米出苗后(7月8日)进行间苗，保证每盆有一棵玉米植株，每盆插入一根注水管，防止加水时水力冲击对土壤结构造成破坏，每7 d采用称质量法补水1次，使土壤含水量保持在田间最大持水量的60%，于7月30日采用完全破坏性取样测定玉米苗期根系形态，于10月16日采用完全破坏性取样，测定玉米产量、植株生物量、地上部分养分吸收量、地下部分养分吸收量及土壤养分含量。供试土壤有机质4.42 g/kg，全氮0.18 g/kg，全磷0.42 g/kg，有效磷2.63 mg/kg，全钾21.20 g/kg，速效钾63.30 mg/kg，pH值 8.58。

1.2 测定方法

用卷尺测定玉米株高，株高为玉米叶尖到根基部的垂直距离；玉米收获时，将地上部、地下部分开，在105 ℃下杀青30 min，75 ℃烘干至恒质量，用称质量法称地上、地下部干质量。植株养分含量测定，取烘干后的样品磨碎过100目筛， H2SO4-H2O2消煮，用半微量凯氏定氮法测定全氮，钒钼黄比色法测定全磷，火焰光度计法测定全钾，根系形态采用Epson Perfection V850 Pro根系扫描仪测定。

植株养分吸收量=植株养分含量×植株干物质量

1.3 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2003和Origin 9.0软件对数据进行分析和作图，采用SASS 9.1统计软件Duncan’s法进行处理间差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 褐煤腐殖酸施用量对玉米株高的影响

褐煤腐殖酸能显著增加玉米株高，随培养时间的延长，玉米株高增长速率呈现先慢后快的趋势(图1)，在7月9日至8月10日处于慢速增长阶段，之后增长速率呈上升的趋势。在所有处理中，F2处理玉米生长最快，其次为F4、F3、F1处理，CK玉米生长最慢。经过99 d的培养，F2处理株高达到208.9 cm，比CK高18.1 cm。

CK(对照)：只施氮、磷、钾肥；F1、F2、F3、F4分别为在施用氮、磷、钾肥的基础上施用10 g/kg褐煤腐殖酸、20 g/kg褐煤腐殖酸、40 g/kg褐煤腐殖酸、80 g/kg褐煤腐殖酸。a:07-09;b:07-12;c:07-17;d:07-22;e:07-27;f:08-03;g:08-10;h:09-10;i:10-16。图1 不同培养期的玉米株高Fig.1 Plant height of maize in different culture periods

2.2 褐煤腐殖酸施用量对玉米苗期根系的影响

在植物生长过程中，褐煤腐殖酸对根系生长的刺激作用是其对植物产生刺激作用的最初动力[2]。施用褐煤腐殖酸会增加玉米的总根长、总投影面积(表1)，但增幅因褐煤腐殖酸施用量的不同而有所差异。总体而言， F4处理对玉米根系的促进效果最优，与CK相比，总根长、总投影面积和总表面积显著增加，但与F2相比无显著差异，从经济效益角度考虑，认为潮土腐殖酸用量为20g/kg(F2处理)的整体效应最佳。

表1 不同处理对玉米苗期根系的影响

2.3 褐煤腐殖酸施用量对玉米产量和地上部、地下部生物量的影响

褐煤腐殖酸施用会使玉米产量增加27.2%～50.6%，地上部干质量增加5.12%～32.50%，地下部干质量增加6.10%～50.45%，且产量和植株干质量随褐煤腐殖酸施用量的增加呈先上升后下降的趋势，在褐煤腐殖酸施用量为40 g/kg时玉米产量达到最大值，但与F2处理无显著差异(图2)。在褐煤腐殖酸施用量为20 g/kg时地上部和地下部干质量达到最大值。

CK、F1、F2、F3、F4见图1注。图2 玉米产量和植株干质量Fig.2 Yield and dry matter weight of maize

2.4 褐煤腐殖酸施用量对玉米植株养分吸收的影响

褐煤腐殖酸可显著增加植株的氮、磷、钾吸收量，且随褐煤腐殖酸施用量的增加，植株对养分的吸收量呈先上升后下降的趋势。从图3可以看出，玉米植株对钾的吸收量最大，其次是氮，对磷的吸收量最小。通过对褐煤腐殖酸不同施用量的对比发现，玉米植株对于氮、磷、钾的吸收量，在褐煤腐殖酸用量为20 g/kg时达到最大值，分别比CK 高37.5%、45.4%和54.8%。

2.5 褐煤腐殖酸施用量对土壤养分的影响

从表2可以看出，褐煤腐殖酸的施用会显著增加土壤有机质、全氮和速效钾含量。土壤基本理化性质对褐煤腐殖酸施用量有不同响应，其中土壤有机质含量随褐煤腐殖酸施用量的增加呈增加的趋势，但处理F2、F3、F4差异不显著。土壤全氮、速效钾的含量随褐煤腐殖酸施用量的增加呈先增加后降低的趋势，而土壤有效磷含量和土壤pH会随褐煤腐殖酸施用量的增加呈下降的趋势。土壤全氮、碱解氮含量在褐煤腐殖酸施用量为20 g/kg时达到最大值。土壤速效钾含量在褐煤腐殖酸施用量为40 g/kg时达到最大值，比CK高13.49%。土壤有机质含量则在褐煤腐殖酸用量为80 g/kg时达到最大值(10.61 g/kg)，4种用量褐煤腐殖酸使土壤pH值降低的范围为2.24%～6.62%，处理F3、F4的 pH值显著低于CK。

CK、F1、F2、F3、F4见图1注。图3 玉米植株养分吸收量Fig.3 Nutrient uptake of corn plants

表2 褐煤腐殖酸施用量对土壤基本理化性质的影响

3 讨 论

本试验探究不同用量腐殖酸对玉米生长及土壤养分含量的影响，结论如下：针对黄河故道地区有机质含量较低的潮土，推荐褐煤腐殖酸施用量为20 g/kg，显著增加土壤有机质、全氮和速效钾含量，培肥效果最佳。玉米产量及养分吸收量随腐殖酸施用量的增加呈先增大后减小的趋势，玉米植株对氮、磷、钾的养分吸收量在腐殖酸施用量为20 g/kg时达到最大值，而产量在施用量为40 g/kg时达到最大值，但与施用量为20 g/kg差异不显著。因此，综合考虑培肥增产效果及经济效益，褐煤腐殖酸施用量为20 g/kg效益最佳。

褐煤腐殖酸含有多种官能团，对作物生长发育及体内代谢具有刺激作用，在农田生态系统上具有极大的应用潜力。于广武等[18]通过4 个试验点研究了施用腐殖酸生物有机和无机生态肥对玉米生长发育的影响，结果表明施用褐煤腐殖酸肥料处理均促进了玉米植株健壮生长，株高增高 4.4～7.0 cm。这与本研究结果中褐煤腐殖酸施用使玉米植株增加的研究结论相似。褐煤腐殖酸作为生态农业中常用的肥料，与化肥组合施用能够活化土壤中多种矿质元素，改良土壤，提高肥效，促进作物对养分的吸收利用，提高肥料利用率。氮、磷、钾为作物生长发育必需的大量元素，在作物体内的吸收、同化和运输会影响作物的生长发育[19]。施用褐煤腐殖酸会增加作物对土壤养分的吸收，腐殖酸对植株生长的促进作用与腐殖酸用量密切相关，添加量过高会导致营养过剩，对养分的吸收利用率下降[20]。本研究结果显示，褐煤腐殖酸用量为20 g/kg时玉米植株养分吸收量达到最大值，超过该用量，养分吸收率呈现下降的趋势。这是由于褐煤腐殖酸与生长素作用类似，表现为低浓度促进高浓度抑制。也可能是由于褐煤腐殖酸具有良好的促根效果，褐煤腐殖酸会促进分生组织细胞分裂，增强其代谢活性[21]，

此外，褐煤腐殖酸超分子结构中含有类生长素的物质，这些物质可接近植物细胞和细胞外的受体，增加质子泵的活力，促进植株对养分的吸收[4-22]，但对根表面积和体积无显著影响，这可能与培养试验(盆钵及土壤体积)条件有限有关。

腐殖酸具有增氮、解磷、固钾等土壤培肥作用。随腐殖酸施用量的增加，土壤中的有机质含量呈逐渐增加的趋势，而全氮、碱解氮和速效钾含量呈先增加后降低的趋势，速效磷和pH呈降低的趋势。这与周鑫斌等[23]、张继舟等[24]的研究结果相似，原因一方面由于腐殖酸在土壤酸碱度、阳离子交换量、养分含量等方面更符合土壤自身的需求[25]，另一方面腐殖酸含有有机大分子团，能活化多种被土壤固定的养分元素，促进微生物大量繁殖，加速腐殖酸中有机态养分的释放，提高土壤有机质和速效养分含量[26]，同时也能为植物的生长发育提供可利用的微生物来增强土壤养分转化[27]。但速效磷含量降低与刘红恩等[28]的结果不同，刘红恩认为在尿素中添加腐殖酸可显著增加土壤中速效磷的含量，这可能与供试土壤类型有关，本试验采用的土壤类型为潮土，土壤结构差，易漏水漏肥，浇水时可能会导致土壤磷的流失，降低土壤速效磷含量。靳志丽等[29]认为土壤养分的增加与腐殖酸用量有关，在一定范围内，有机质随腐殖酸用量的增加而增加，而土壤中有效磷含量下降可能是因为腐殖酸中的官能团与土壤中磷离子结合成络合物，促进了作物对有效磷的吸收，固定态磷释放速率变化不大所致。另外腐殖酸类型不同也会造成结果差异，刘红恩等[28]所用腐殖酸为腐殖酸尿素，氮含量高，而本研究用的是褐煤腐殖酸，有机质含量高，而氮和钾含量较低。对于腐殖酸降低土壤pH，裴瑞杰等[30]也对此做出了合理的解释，他们认为腐殖酸与化肥结合，其官能团能促进酸性离子释放，起到缓冲作用[32]，降低pH使其适宜玉米生长需求。