腐殖酸缓释氮肥对糯玉米产量、氮肥利用率及土壤细菌多样性的影响

雷 菲， 王 莉， 刘海林， 林清火， 吴宇佳， 张冬明

(1.海南省农业科学院农业环境与土壤研究所/农业农村部海南耕地保育科学观测实验站/海南省耕地保育重点实验室，海南海口 571100；2.中国热带农业科学院橡胶研究所/农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室/中国热带农业科学院土壤肥料研究中心，海南海口 571101)

肥料是农业生产中极为关键的生产物资，肥料对作物增产的贡献率接近50%，其中氮肥的贡献率约30%。我国是世界主要的氮肥产销国，氮肥生产量超过了消费量，消费量超过作物最高产量需求量。由于氮肥易通过挥发、淋溶等途径损失，肥料过量施用将导致养分利用率低，且容易造成环境污染。而通过使用新材料、新工艺或者新技术赋予常规肥料新功能和新特性，研制新型肥料被认为是提高肥料利用率、减少养分损失的有效方法之一。腐殖酸是一种结构复杂的天然高分子有机聚合物，含有大量的羧基、酚羟基和羰基等活性基团。腐殖酸具有促进作物生长、调控肥料养分转化以及提高肥料利用率等优点，在我国农业生产中起到了重要作用。目前，腐殖酸已被广泛用于制备新型氮肥，大量研究也表明腐殖酸氮肥可起到减少氨挥发、提高氮肥利用率和促进作物增产等作用。当前腐殖酸氮肥主要通过腐殖酸与尿素的络合反应制备，而腐殖酸-尿素-甲醛共聚物由于速效和缓效相结合，也被认为是很有开发前景的缓释氮肥，但是关于腐殖酸-尿素-甲醛共聚物施用效果的研究少有报道。本研究将缓释与增效结合，以腐殖酸、尿素、甲醛为原料，利用腐殖酸类物质中存在的大量羧基和酚羟基等活性基团，与尿素、甲醛在一定工艺条件下反应制备腐殖酸-尿素-甲醛共聚物(腐殖酸缓释氮肥)，通过田间微小区试验，研究腐殖酸缓释氮肥对糯玉米产量、氮肥利用率以及土壤细菌多样性的影响，以期为新型腐殖酸氮肥的研制提供理论与实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试糯玉米品种为海玉糯2000，来源于海南海亚南繁种业有限公司。

供试肥料：腐殖酸缓释氮肥，自制，含氮量31.16%，冷水不溶氮含量为17.80%，热水不溶氮含量为7.87%，活性系数为55.79%(参照中国化工行业标准HG/T 4137—2010《脲醛缓释肥料》的方法测定)；腐殖酸脲，自制，含氮量41.22%；普通尿素(U)，含氮量46.4%；过磷酸钙，PO15%；氯化钾，KO 60%。其中，腐殖酸缓释氮肥是将风化煤、尿素和甲醛在一定pH值溶液中分阶段反应、干燥制备而成，腐殖酸脲工艺参数与腐殖酸缓释氮肥一致，但不添加37%甲醛溶液。

供试土壤：中国热带农业科学院橡胶研究所土壤肥料试验基地砖红壤，土壤具体理化性质见表1。

表1 试验点土壤理化性质

1.2 试验设计

试验布置于中国热带农业科学院橡胶研究所土壤肥料试验基地，试验时间为2017年11月至2018年3月。试验设4个处理，分别为不施氮肥处理(CK)、普通尿素处理(U)、腐殖酸脲处理(UHA)、腐殖酸缓释氮肥处理(NF)，施肥量为N 210 kg/hm、PO105 kg/hm、KO 210 kg/hm，采用田间微小区试验，每个处理重复3次，共12个微小区(1 m×1 m)，每个小区种植9株糯玉米，各小区周围均种植糯玉米作为保护行。试验中氮肥为尿素、腐殖酸脲、腐殖酸缓释氮肥，各处理磷肥和钾肥均为过磷酸钙和氯化钾，普通尿素、腐殖酸脲、过磷酸钙和氯化钾均分为2次施用(基肥和追肥)，第1次作为基肥施肥，第2次施肥为在糯玉米大喇叭口期作为追肥施用，而腐殖酸缓释氮肥则作为基肥一次性施用。糯玉米种植其余管理措施与日常管理保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 糯玉米产量和生物量测定 糯玉米成熟期采集各微小区收获的玉米穗，计算各小区糯玉米鲜穗产量。然后将玉米根系、茎、叶分开，和玉米穗一起洗净，在105 ℃下杀青，然后烘干至恒质量，称量。

1.3.2 植株氮含量和土壤氮含量测定 将烘干的玉米根系、茎、叶和玉米穗样品粉碎，用于测定植株氮含量。采集各微小区0～20、20～40、40～60 cm 土壤，每个小区采集5个点，混合作为一个土样，风干，用于测定土壤全氮含量，土壤和植株样品均采用常规方法分析测定。

1.3.3 糯玉米氮肥利用率 氮素利用效率相关参数计算方法：

氮收获指数=鲜穗氮吸收量/地上部氮吸收量×100%；

氮肥偏生产力(kg/kg)=施肥区玉米鲜穗产量/施氮量；

氮肥利用率=(施肥区氮吸收量-对照区氮吸收量)/施氮量×100%。

1.3.4 土壤细菌群落结构 在糯玉米植株根系区域(距玉米茎5～10 cm处)用土钻取0～20 cm土层的土壤样品用于测定土壤细菌多样性，土壤总DNA采用DNA提取试剂盒进行提取，PCR扩增采用细菌16S rRNA区域引物(5′-G T G C C A G C M G C C G C G G-3′，5′-C C G T C A A T T C M T T T R A G T T T-3′)进行目的基因扩增。PCR扩增后产物进行纯化，将纯化后的样品送至上海凌恩生物科技有限公司利用Illumina PE250高通量测序技术进行测序。Illumina PE250测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接，同时对序列质量进行质控和过滤，区分样本后进行OTU聚类分析和物种分类学分析，基于OTU聚类分析结果对OTU进行多种多样性指数分析以及对测序深度的检测；基于分类学信息在门水平上进行细菌群落结构的统计分析。

1.4 数据分析处理

采用Excel 2007对原始数据进行整理计算、绘制图表，采用SPSS 22.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 腐殖酸缓释氮肥对糯玉米鲜穗产量的影响

由图1可知，施肥可以显著增加糯玉米鲜穗产量，U、UHA、NF处理的糯玉米鲜穗产量分别较CK增加了46.81%、47.52%和68.79%。UHA处理的糯玉米鲜穗产量较U处理仅增加了0.48%，这2个处理间差异不显著。NF处理的糯玉米鲜穗产量显著大于U、UHA处理，较U处理增加了14.98%，而且腐殖酸缓释氮肥处理是一次性施用，可节省劳动成本投入。

2.2 腐殖酸缓释氮肥对糯玉米氮素吸收量的影响

从图2可见，UHA、NF处理的根系氮素吸收量显著小于U处理，UHA处理与NF处理差异不显著。3个施肥处理糯玉米茎的氮素吸收量均显著大于CK，但是3个施肥处理间差异不显著。3个施肥处理糯玉米叶氮素吸收量均大于CK，但是仅UHA处理显著大于CK。NF处理玉米穗的氮素吸收量显著大于其他处理，CK和U处理分别增加了0.79、0.32 g/株。

2.3 腐殖酸缓释氮肥对氮肥利用率的影响

由表2可知，NF处理糯玉米干物质累积量和氮素吸收量均显著大于U、UHA处理，糯玉米干物质累积量较U处理增加了27.91 g/株，氮素吸收量增加了0.31 g/株，而U处理与UHA处理的干物质累积量和氮素吸收量均差异不显著。UHA、NF处理的氮收获指数、氮肥偏生产力、氮肥利用率均高于UHA和U处理，但UHA处理与U处理之间差异不显著。NF处理的氮收获指数、氮肥偏生产力分别达到67.89%、113.39 kg/kg，氮肥利用率为44.81%，较U处理提升了41.49%。

表2 不同施肥处理糯玉米氮肥吸收利用效率

2.4 腐殖酸缓释氮肥对土壤全氮含量的影响

从图3可见，3个施肥处理糯玉米收获后的0～20 cm土壤全氮含量均大于CK，各处理0～20 cm土壤全氮含量大小顺序为NF>UHA>U>CK，其中UHA、NF处理0～20 cm土壤全氮含量显著高于CK，但与U处理差异不显著。各处理20～40、40～60 cm土壤全氮含量均无显著差异。

2.5 腐殖酸缓释氮肥对土壤细菌群落结构的影响

从表3可知，4个处理的糯玉米根系区域土壤细菌的测序深度指数均在0.986 2以上，且处理间差异不显著。Chao1指数代表细菌群落丰富度，数值越大表明物种丰度越高；Shannon指数表示细菌群落多样性，数值越大表明细菌群落多样性越高。由表3可见，各处理的Chao1和Shannon指数在统计上均无显著差异，说明腐殖酸缓释氮肥对糯玉米根系区域土壤细菌多样性无显著性影响。由图4可知，在基于门分类水平上，4个处理的优势细菌门类似。主要包括酸杆菌门、变形菌门、绿弯菌门、放线菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门、GAL15门、拟杆菌门、己科河菌门、硝化螺旋菌门，其中4个处理土壤中的酸杆菌门、变形菌门、绿弯菌门的总占比均在60%以上。

表3 不同施肥处理对土壤细菌多样性指数的影响

3 讨论与结论

尿素是我国应用最广泛、用量最大的氮肥，以尿素与腐殖酸制备腐殖酸尿素可以减缓尿素在土壤中的分解速率，提高氮肥利用率。在本研究中，通过将尿素与腐殖酸，尿素、腐殖酸与甲醛在一定工艺条件下反应制备腐殖酸氮肥，在糯玉米上施用后可提高糯玉米鲜穗产量，增加糯玉米氮素吸收量，提高氮肥利用率。腐殖酸脲和腐殖酸缓释氮肥处理糯玉米鲜穗产量分别较普通尿素处理增加了0.48%和14.98%，而氮素吸收量分别为1.85、2.11 g/株，氮肥利用率分别达到了33.74%和44.81%，均高于普通尿素处理。其中，腐殖酸脲具有一定增效作用的原因可能在于腐殖酸的各种活性基团与尿素之间发生反应，形成了大量氢键和络合配位键，而这些化学键具有较高的化学稳定性。但是，从本研究结果发现，腐殖酸脲处理虽能够提高糯玉米氮素吸收量和氮肥利用率，却与普通尿素处理差异不显著，而腐殖酸缓释氮肥处理糯玉米鲜穗产量、氮素吸收量和氮肥利用率均显著大于普通尿素处理。其原因可能是腐殖酸缓释氮肥是由尿素、腐殖酸与甲醛制备而成，除含有腐殖酸和腐殖酸尿素外，还含有腐殖酸-尿素-甲醛共聚物(本研究中自制的腐殖酸缓释氮肥含有17.80%冷水不溶氮和7.87%热水不溶氮)。腐殖酸-尿素-甲醛共聚物为微溶性或缓溶性有机氮肥，从而使得腐殖酸缓释氮肥性质类似于最早实现商业化的缓释氮肥-脲甲醛，是由速效氮和缓释氮2个部分组成，施入土壤后，缓释氮需要通过微生物的分解，转化成被作物吸收利用的氮素形态，且主要受土壤性质、温度和微生物活性等因素影响。由于腐殖酸缓释氮肥不仅含有腐殖酸，同时氮素能够速效和缓效相结合，腐殖酸-尿素-甲醛共聚物在微生物作用下缓慢供氮，能够使肥料氮素更好地供给糯玉米生长发育，从促进糯玉米对氮素的吸收，提高氮肥利用率。

本研究中，虽然腐殖酸脲和腐殖酸缓释氮肥处理糯玉米吸收氮量高于普通尿素处理，但在糯玉米收获后，0～20 cm土壤全氮含量仍高于普通尿素处理，各处理0～20 cm土壤全氮含量大小顺序为 NF>UHA>U>CK，而腐殖酸脲和腐殖酸缓释氮肥处理20～40、40～60 cm土壤全氮含量低于普通尿素处理。说明腐殖酸氮肥可以在一定程度上减少氮损失，提高表层土壤肥料氮残留量，这也与张水勤等的研究结果相似，而且本研究的腐殖酸缓释氮肥为一次性施用，腐殖酸脲和普通尿素均分2次施用，更体现了腐殖酸缓释氮肥的优势。另外，本研究还发现腐殖酸缓释氮肥对糯玉米根系区域土壤细菌多样性无明显影响，各处理土壤细菌群落结构组成类似，均是酸杆菌门、变形菌门、绿弯菌门的总占比在60%以上。