智　丹，黃占斌，田艷飛，劉陸涵，陳珊珊

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

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環(huán)境材料對不同水肥條件下玉米氮磷利用效率的影響

智丹，黃占斌，田艷飛，劉陸涵，陳珊珊

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 北京 100083)

摘要：為了探究不同水肥條件下環(huán)境材料對作物生長和氮磷利用效率的效應(yīng)，通過盆栽玉米種植實驗采用土壤持水量(A)、氮磷肥(B)、環(huán)境材料(C)三因素三水平正交實驗設(shè)計，研究了高分子保水劑、沸石和腐植酸等環(huán)境材料組合對玉米生長和氮磷肥利用效率影響，篩選出作物增產(chǎn)和氮磷肥同步增效的三因素優(yōu)化組合，并通過土壤肥力和酶活性分析揭示相關(guān)效應(yīng)機理。結(jié)果表明，三因素對各項指標(biāo)影響的主次順序不同，A和B對玉米生長和氮磷肥利用效率的影響大于C，但C能夠促進玉米生長和氮磷肥利用效率的提高，促進土壤堿解氮、有效磷含量的提高以及脲酶、磷酸酶活性的增加；土壤持水量65%～70%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5，環(huán)境材料4.5 g的組合和土壤持水量85%～90%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5，環(huán)境材料9 g的組合，作為提高玉米產(chǎn)量和氮磷肥利用效率的優(yōu)化組合，在實踐中可根據(jù)水分情況進行選擇。

關(guān)鍵詞：環(huán)境材料；氮磷肥；土壤持水量；作物產(chǎn)量；正交設(shè)計

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的命脈和經(jīng)濟發(fā)展的保障，干旱缺水和肥料利用率低是制約我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[1]。農(nóng)業(yè)是我國總用水中第一大戶，農(nóng)田灌溉水量占農(nóng)業(yè)總用水量的70%～80%，而我國人均水資源占有量不足世界的四分之一，被列為13個貧水國之一[2-3]。與此同時，肥料利用率低一直是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟需解決的問題[4-5]。我國氮肥利用效率約為30%～35%左右[6-7]，磷肥的當(dāng)季利用率只有10%～20%，化學(xué)肥料使用量大且利用率低，不僅使其生產(chǎn)效益大為降低，而且還造成了難以治理的環(huán)境污染問題。氮肥的污染主要是硝態(tài)氮的污染，硝態(tài)氮不為土壤膠體吸附，隨灌溉水或者雨水流失污染地下水，這不僅會降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，還會危及人體的健康[8]。磷隨地表徑流由陸地生態(tài)系統(tǒng)向水體生態(tài)系統(tǒng)遷移，加速了水體的富營養(yǎng)化，給自然界和人類的生命安全帶來威脅[9-10]。因此，發(fā)展有效節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高作物氮磷利用效率，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

環(huán)境材料是一類具有良好的協(xié)調(diào)性能和使用性能的特殊的功能材料，采用環(huán)境材料提高土壤水肥利用效率是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要手段[5]。高分子保水材料是一種具有超高吸水保水能力的高分子聚合物[11]，其具有保水、保土和保肥的作用，與氮磷肥配施能有效提高作物產(chǎn)量并降低農(nóng)業(yè)面源污染[4,12]。目前對高分子保水材料的應(yīng)用的仍大多為單一型，將高分子保水材料與不同環(huán)境材料混合作為肥料增效劑的相關(guān)研究比較少。煤基營養(yǎng)材料可作為良好的土壤改良劑提供天然的保水劑和肥力倉庫，礦物吸附材料混入土壤可以疏松土壤并中和土壤酸性[13]。研究表明，高分子保水材料保水劑、煤基營養(yǎng)材料腐植酸、礦物吸附材料沸石分別促進了作物生長和肥料利用效率的提高[14]，但將其優(yōu)化組合，結(jié)合不同水肥條件探討三種環(huán)境材料對氮磷肥同步增效的研究較少，無法充分發(fā)揮環(huán)境材料在氮磷肥同步增效方面的作用。藉此，本研究應(yīng)用盆栽實驗和三因素三水平正交實驗設(shè)計方法，將土壤水分、氮磷肥、環(huán)境材料三因素，在高、中、低三水平下形成正交實驗設(shè)計方案，研究不同水肥條件下環(huán)境材料對玉米氮磷肥利用效率的影響，這對推動環(huán)境材料在促進氮磷肥高效利用方面應(yīng)用和產(chǎn)品開發(fā)、促進農(nóng)業(yè)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要現(xiàn)實意義。

1材料與方法

1.1供試材料

環(huán)境材料：高分子保水材料保水劑SAP，為金元易公司提供的型號MP3005KL，白色晶體顆粒；有機營養(yǎng)材料腐植酸HA，其中含黑腐酸45%，黃腐酸16.7%，棕腐酸29.5%，由內(nèi)蒙古霍林河煤業(yè)集團有限責(zé)任公司提供；吸附性沸石FS(60目～80目)，乳白色無定型顆粒，化學(xué)純試劑，由天津市津科精細化工研究所生產(chǎn)。

供試土壤：采自北京市大興區(qū)林地間隙地表土，土壤類型為潮土，土壤質(zhì)地為輕壤土，土壤pH 7.49，電導(dǎo)0.25 mS·cm-1，土壤容重1.23 g·cm-3，環(huán)刀法測得田間持水量為23.33%。

供試肥料：氮肥選用廣東光華科技股份有限公司的尿素(分析純)，化學(xué)式為H2NCONH2，含氮量46%；磷肥選用過磷酸鈣[Ca(H2PO4)2·H2O]，灰白色或深灰色粉末，化學(xué)純試劑，有效磷(P2O5)含量14%～15%。

供試玉米：北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心‘京單28號’玉米。該品種夏播出苗至成熟95 d，幼苗葉鞘紫色，葉片綠色，株型緊湊，籽粒黃色、半馬齒型。

實驗裝置：棕色塑料花盆內(nèi)徑25 cm，高25 cm，重250 g左右。

1.2實驗設(shè)計

本實驗采用模擬盆栽實驗，設(shè)置土壤持水量(A)、氮磷肥(B)、環(huán)境材料(C)三個因素。環(huán)境材料為前期實驗得到的促進土壤氮磷肥保持量最大的組合SAP∶FS∶HA=0.05%∶0.7%∶0.15%，用量按照高C3、中C2、低C1三水平；土壤水分參照農(nóng)田實際，設(shè)計為高A3、中A2、低A1三水平；氮磷肥按照已有資料，采用氮磷肥純量1∶0.75，用量分別為高B3、中B2、低B1三水平。實驗形成三因素三水平組合L9(33)，正交分組情況如表1。

表1　盆栽實驗因素水平表

注：施氮磷量以每千克土施加的純N、純P2O5量表示。

Note: The factor B reflects the amount of pure N and P2O5in 1kg soil.

玉米于2014年5月1日在作者所在單位溫室種植。實驗設(shè)9組，另設(shè)不添加環(huán)境材料組CK，共30盆，預(yù)先拌肥和添加環(huán)境材料。每組3重復(fù)，每盆裝土6 kg，種植玉米3穴，每穴2粒種子，定苗后留3株。每天稱盆重，記錄重量，當(dāng)水分下降到水平下限時澆水至上限，準(zhǔn)確記錄每次澆水量，稱重澆水時間為每天下午5∶00之后。分別在拔節(jié)期(6月5日)、孕穗期(7月1日)、開花期(7月11日)、成熟期(8月10日)測植物生長指標(biāo)、土壤理化指標(biāo)和酶活性指標(biāo)。

1.3測定指標(biāo)與方法

采用株高和葉面積來表征玉米的生長狀況，用直尺法測定。株高為土壤至植株中央最高點的距離，葉面積采用長寬系數(shù)法(采用葉面積=長×寬×系數(shù)，系數(shù)為0.75)[15]。玉米籽粒產(chǎn)量采用稱重法測定。將玉米籽粒自然風(fēng)干至恒重，采用四分法選取百粒玉米籽粒及全部籽粒，用萬分之一電子天平(美國OHAUS公司產(chǎn))稱量其重量[16]。

土壤堿解氮用堿解擴散法[17]，有效磷用碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗分光光度法[18]，脲酶用苯酚—次氯酸鈉比色法[19]，堿性磷酸酶用磷酸苯二鈉比色法[20]。實驗數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS19.0進行統(tǒng)計分析，計算極差確定因素的主次順序，綜合分析確定優(yōu)組合。

本研究應(yīng)用農(nóng)學(xué)研究中的氮磷肥利用效率(g·g-1)，NUE=經(jīng)濟產(chǎn)量/施氮量，PUE=經(jīng)濟產(chǎn)量/施磷量[21]。盆栽實驗玉米經(jīng)濟產(chǎn)量以干物質(zhì)量表示,施氮、磷量以施加的純N、純P2O5量表示。

2結(jié)果與分析

2.1環(huán)境材料對玉米生長的影響

玉米株高和葉面積是體現(xiàn)其生長發(fā)育狀況的重要指標(biāo)，在一定程度上反映著作物生長速度快慢和植物對光能截獲的多少[16,22]。以株高為例，株高隨著玉米生長呈增大趨勢，從拔節(jié)期到開花期增長迅速。由表2看出，玉米生長前期土壤水分A為主要影響因素，后期主要為氮磷肥B，三因素在不同生長期對玉米株高的影響不同。氮磷肥B和土壤持水量A發(fā)揮主要作用，后期環(huán)境材料C發(fā)揮的作用逐漸增大。

表2　三因素對玉米株高的影響分析/cm

注：H1、H2、H3、H4分別表示玉米拔節(jié)期、孕穗期、開花期、成熟期的株高；Ki表示任一列上水平號為i時所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素取水平i時所得試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

Note: H1, H2, H3and H4denote the height of maize in jointing, booting, flowering and mature stage, respectively.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

在拔節(jié)至孕穗期，玉米營養(yǎng)生長迅速，葉片增多，氣溫升高，玉米蒸騰量隨之加大，需要較多水分；孕穗期之后，玉米生殖生長需要大量氮磷肥，仍需要足夠的水分保證生長，成熟期對水分略有減少，但缺水會造成籽粒不飽滿、百粒重下降等后果[23-25]。添加環(huán)境材料對玉米株高有較大影響，考慮玉米最后生長效果可選擇組合A3B2C3，實驗設(shè)計中組合5、8與其最為接近，分別較不添加環(huán)境材料組CK高15.82%、12.85%。

同理分析三因素對玉米葉面積的影響效應(yīng)，氮磷肥B和土壤持水量A發(fā)揮主要作用，后期環(huán)境材料C發(fā)揮的作用逐漸增大?？紤]玉米最后的生長效果，組合9(A3B3C2)對促進玉米葉面積效應(yīng)最大，較CK高40.93%，可作為促進玉米葉面積效應(yīng)的優(yōu)化組合。

2.2環(huán)境材料對玉米產(chǎn)量的影響

玉米籽粒產(chǎn)量由單位面積株數(shù)、單株粒數(shù)和百粒重三因素決定。盆栽模擬實驗最終每盆收獲一株玉米，玉米籽粒產(chǎn)量取三組重復(fù)玉米籽粒重量的平均值。表3看出，對玉米籽粒產(chǎn)量的影響主次順序為B(氮磷肥)>A(土壤持水量)>C(環(huán)境材料)，優(yōu)化組合9(A3B3C2)，較CK提高46.58%。組合6(A2B3C1)籽粒產(chǎn)量較CK提高33.55%，且其土壤持水量和環(huán)境材料用量比組合9少，因此可選組合6、9作為玉米產(chǎn)量的優(yōu)化組合，這與對植物株高和葉面積分析結(jié)果一致。黃紹文等[26]研究表明，施用氮、磷和鉀營養(yǎng)對玉米籽粒產(chǎn)量和營養(yǎng)品質(zhì)有明顯的影響，成熟期對水分需求略有減少。

相關(guān)性分析表明，籽粒產(chǎn)量與三因素之間的回歸方程為：y=46.5213+0.0296A+1.4665B+0.0716C。籽粒產(chǎn)量與三因素呈正相關(guān)，相關(guān)度分別為43.08%、46.37%、5.31%。

2.3環(huán)境材料對玉米氮磷肥利用效率的影響

由表4看出，玉米對氮肥利用效率的影響的主次順序為B(氮磷肥)>A(土壤持水量)>C(環(huán)境材料)，優(yōu)化組合為組合7(A3B1C3)，較CK提高26.13 g·g-1。相關(guān)性分析表明，玉米NUE與株高、葉面積、籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)度分別為33.91%、51.27%、45.60%。

同理分析三因素對玉米磷肥利用效率的影響效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)主次順序為A(土壤持水量)>B(氮磷肥)>C(環(huán)境材料)，優(yōu)化組合為組合7(A3B1C3)，較CK提高30.34 g·g-1。玉米PUE與株高、葉面積、籽粒產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)度分別為32.42%、34.85%、31.02%。相對而言，植物指標(biāo)與NUE之間的相關(guān)度高于PUE。

表3　三因素對玉米籽粒產(chǎn)量的影響分析/g

注：G表示玉米成熟期的籽粒產(chǎn)量；Ki表示任一列上水平號為i時所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素。取水平i時所得試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

Note: G denotes the maize yield.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

比較發(fā)現(xiàn)，組合7(A3B1C3)的NUE和PUE相對較高，其產(chǎn)量較CK提高15.88%；組合6(A2B3C1)的NUE和PUE分別較CK高6.9%、15.65%；組合9(A3B3C2)為13.60%、21.44%，而組合6、9產(chǎn)量較CK分別提高33.55%、46.58%。比較發(fā)現(xiàn)，在土壤持水量較高情況下，可選擇組合9(A3B3C2)作為提高作物產(chǎn)量和氮磷肥利用效率的優(yōu)組合；在土壤持水量較少情況下，可選擇組合6(A2B3C1)。在實踐中可根據(jù)實際目標(biāo)和環(huán)境情況進行選擇。

表4　三因素對玉米氮磷肥利用效率的影響分析/(g·g-1)

注：NUE、PUE分別表示玉米氮肥利用效率、磷肥利用效率；Ki表示任一列上水平號為i時所對應(yīng)的試驗結(jié)果之和，ki=Ki/3，表示任一列上因素取水平i時所得試驗結(jié)果的算術(shù)平均值。

Note: NUE and PUE denote the nitrogen and phosphorus use efficiency, respectively.Kiis the sum of result of ith level.ki=Ki/3, reflects the average value of ith level.

2.4環(huán)境材料對玉米土壤酶活性效應(yīng)的影響

如圖1所示，不同時期各組別土壤堿解氮和脲酶的變化趨勢不同。

圖1不同時期各組別土壤堿解氮和脲酶的變化趨勢

Fig.1Variations of alkaline hydrolysis nitrogen contents and urease activities during different periods

土壤堿解氮隨著玉米的生長呈逐漸減小趨勢，可見玉米生長吸收了土壤中的N使得堿解氮減少，也有少量的N損失。添加環(huán)境材料組較CK堿解氮含量提高4.02%～32.4%。極差分析得出，氮磷肥B對玉米土壤堿解氮影響較大，土壤持水量A和環(huán)境材料C影響相當(dāng)，組合6(A2B3C1)堿解氮最大。土壤脲酶活性隨著玉米的生長呈先增大后減小趨勢，拔節(jié)孕穗期作物營養(yǎng)生長迅速促使脲酶水解量增加。添加環(huán)境材料組脲酶活性較CK提高12.22%～23.39%，環(huán)境材料一定程度上促進土壤脲酶活性。極差分析得出，土壤持水量對土壤脲酶活性影響較大，環(huán)境材料和氮磷肥影響相當(dāng)，實驗設(shè)計組合9(A3B3C2)土壤脲酶活性較大。

如圖2所示，不同時期各組別土壤有效磷和磷酸酶活性的變化趨勢不同。

圖2不同時期各組別土壤有效磷和磷酸酶活性的變化趨勢

Fig.2Variations of the available soil phosphorus and phosphatase activities during different periods

土壤有效磷隨著玉米的生長呈先增大后減小趨勢，分析原因可能是拔節(jié)孕穗期玉米生長所需的有效磷增加，促進環(huán)境材料活化土壤中難溶性磷使土壤中的有效磷含量增加。到植株生長后期，玉米大量吸收土壤中的有效磷使其下降。添加環(huán)境材料組較CK有效磷含量提高15.87%～75.70%。極差分析得出，氮磷肥B對土壤有效磷影響較大，土壤持水量A和環(huán)境材料C對其有一定影響，組合6(A2B3C1)和組合9(A3B3C2)土壤有效磷含量相對較大。土壤磷酸酶活性隨玉米的生長呈先增大后減小趨勢，與有效磷變化趨勢一致，于群英[27]等研究表明土壤磷酸酶活性與有效磷含量存在正相關(guān)。添加環(huán)境材料的組別較CK磷酸酶活性提高了11.91%～18.55%，可見環(huán)境材料一定程度上促進了磷酸酶活性的提高。在不同生長期，三因素對磷酸酶活性影響的主次順序不同，土壤持水量A和環(huán)境材料C影響相對較大。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，組合6(A2B3C1)和組合9(A3B3C2)促進土壤堿解氮和脲酶、磷酶活性效果明顯，這與對植物生長效應(yīng)和氮磷肥利用效率的分析結(jié)果相一致，也是該組合的效應(yīng)機理所在。

3主要結(jié)論

1) 環(huán)境材料能有效促進玉米株高增加和葉面積增加，氮磷肥和土壤持水量對株高和葉面積影響大于環(huán)境材料。實驗獲得對促進玉米株高、葉面積的優(yōu)化組合方式。

2) 環(huán)境材料應(yīng)用促進玉米增產(chǎn)，土壤持水量分別為65%～70%、85%～90%，每公斤土施肥1.5 g N、1.13 g P2O5和分別施用環(huán)境材料4.5 g、9 g的組合6(A2B3C1)和組合9(A3B3C2)，作為提高玉米產(chǎn)量優(yōu)化組合，分別較對照增產(chǎn)33.55%、46.58%。玉米籽粒產(chǎn)量與三因素間的回歸方程為：y=46.5213+0.0296A+1.4665B+0.0716C。

3) 環(huán)境材料能促進植物氮磷肥利用效率的提高，土壤持水量和氮磷肥對NUE和PUE的影響大于環(huán)境材料。綜合分析，可選組合6(A2B3C1)和組合9(A3B3C2)為提高作物產(chǎn)量和氮磷肥利用效率的優(yōu)化組合，在實踐中可根據(jù)實際目標(biāo)和環(huán)境情況進行選擇。

4) 環(huán)境材料在一定程度上促進了土壤堿解氮、有效磷含量的提高以及脲酶、磷酸酶活性的增加，組合6(A2B3C1)和組合9(A3B3C2)土壤肥力和酶活性效果相對較高。

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Effects of environmental materials on NUE and PUE of maize under different water and fertilizer conditions

ZHI Dan, HUANG Zhan-bin, TIAN Yan-fei, LIU Lu-han, CHEN Shan-shan

(SchoolofChemicalandEnvironmentalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing, 100083,China)

Abstract：In order to investigate the synchronous effects of environmental materials on crop growth and fertilizer use efficiencies on nitrogen and phosphorous, a pot experiment using maize was set up through an orthogonal design employing soil moisture (A), nitrogen and phosphorus use level (B), environmental materials (C) and their crosstalk. Effects by the combinations of environmental materials including super absorbent polymer, zeolite and fumic acid on maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE), soil fertility and enzyme activity were analyzed, allowing the selection of an optimal treatment for improvements of crop yield and fertilizer use efficiency. The results showed that impacts from the three abovementioned factors varied. The impacts of soil moisture (A), and nitrogen and phosphorus use level (B) on maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE) were greater than those of environmental materials (C). Maize growth, nitrogen use efficiency (NUE) and phosphorus use efficiency (PUE) were promoted through the use of environmental materials. Soil fertility and the activities of urease and phosphatase were also improved. Treatment combinations with 65%～70% soil water content, 1.5 g N, 1.13 g P2O5, and 4.5 g environmental materials and also 85%-90% soil water content, 1.5 g N, 1.13 g P2O5, 9 g environmental materials were selected as the optimal treatments and could become practical depending on the soil moisture level.

Keywords:environmental material; nitrogen and phosphorus; soil moisture; crop yield; orthogonal design

中圖分類號：S19

文獻標(biāo)志碼：A

作者簡介：智丹(1989—)，女，碩士生，主要從事功能材料及化學(xué)節(jié)水技術(shù)等方面的研究。 E-mail: zhidanvivien@163.com。通信作者：黃占斌(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植物生理生態(tài)、化學(xué)節(jié)水技術(shù)、環(huán)境生物技術(shù)等方面研究。E-mail: zbhuang2003@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(41571303)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(研究生科研專項)(2010YH04)

收稿日期：2015-05-23

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.16

文章編號：1000-7601(2016)02-0102-06