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中低分子量腐殖酸有效提高冬小麦对磷肥吸收和产量的机理

李伟 袁亮 张水勤 林治安 李燕婷 赵秉强

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中低分子量腐殖酸有效提高冬小麦对磷肥吸收和产量的机理

    作者简介: 李伟E-mail:lw0536@126.com;
    通讯作者: 赵秉强, E-mail:zhaobingqiang@caas.cn
  • 基金项目: “十三五”国家重点研发计划项目(2016YFD0200405-3)。

Mechanism of middle and low molecular humic acids promoting phosphorus fertilizer uptake efficiency and yield of winter wheat

    Corresponding author: ZHAO Bing-qiang, E-mail:zhaobingqiang@caas.cn
  • 摘要:   【目的】  研究不同分子量腐殖酸与磷肥复合制备的腐殖酸磷肥对作物和土壤磷有效性的差异,为腐殖酸磷肥研发和磷素高效利用提供理论依据。  【方法】  利用超滤分级方法,将风化煤腐殖酸分子量分为 > 100 kDa、10~100 kda和 < 10 kda 3个部分,获得高 (HAH)、中 (HAM)、低 (HAL) 不同分子量腐殖酸,采用磷酸与KOH反应法制备普通磷肥 (P)、未分级腐殖酸磷肥 (PHA)、高分子量腐殖酸磷肥 (PHAH)、中分子量腐殖酸磷肥 (PHAM) 和低分子量腐殖酸磷肥 (PHAL) 5种磷肥。采用深100 cm、内径25 cm的土柱进行了冬小麦栽培试验。按等磷量原则,设置P、PHA、PHAH、PHAM、PHAL 5个施磷处理,同时设置与4个施磷处理对应的等量腐殖酸处理 (HA、HAH、HAM、HAL),以不施磷肥为对照CK。测定小麦产量及产量构成因素、植株磷含量及不同层次土壤速效磷含量。  【结果】  1) 与CK相比,腐殖酸处理 (HA、HAH、HAM、HAL) 小麦籽粒产量差异不显著。与普通磷肥相比,PHA、PHAM和PHAL处理产量显著提高了14.73%、18.84%、21.37% (P < 0.05),3 个处理间间产量差异不显著,PHAH增产率 (6.03%) 未达到显著水平。PHAL处理千粒重显著高于普通磷肥处理,其余3个腐殖酸磷肥处理增幅未达显著水平。2) PHA、PHAM和PHAL处理籽粒吸磷量较普通磷肥处理分别提高14.97%、19.45%、22.68%,达到显著水平,而PHAH增幅未达显著水平 (7.42%);秸秆吸磷量各处理间均没有显著差异。3) 与普通磷肥相比,PHA、PHAH、PHAM、PHAL磷肥农学效率分别提高14.95%、1.66%、20.18%、23.03%,磷肥表观利用率分别提高2.93、0.51、4.52、5.41个百分点,也以中低分子量腐殖酸磷肥效果最为明显,腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率具有正相关性,与芳香碳、芳香C―O负相关。4) 与普通磷肥相比,腐殖酸磷肥提高了0—20、20—40、40—60 cm土壤有效磷含量,分别平均提高6.60%、19.9%、3.00%。  【结论】  田间土柱栽培条件下,单施微量腐殖酸,对小麦没有表现出明显的增产效果。腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性,低分子量腐殖酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构,因而低分子量腐殖酸提高磷肥中磷素利用的作用好于中分子量腐殖酸,而高分子量腐殖酸的效果不显著。
  • 图 1  不同分子量腐殖酸结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率关系的冗余分析

    Figure 1.  Redundancy analysis between functional groups of different molecular humic acids and wheat grain yield and phosphate fertilizer efficiencies

    表 1  供试土壤性质

    Table 1.  Properties of the tested soil

    土层深度
    Soil depth
    (cm)
    全氮
    Total N
    (g/kg)
    有效磷
    Available P
    (mg/kg)
    速效钾
    Available K
    (mg/kg)
    有机质
    Organic matter
    (g/kg)
    pH
    0—300.325.6 886.18.4
    30—900.284.61305.78.5
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    表 2  不同分子量腐殖酸13C-NMR光谱中碳类型的相对分布

    Table 2.  Relative proportions of carbon types determined by CP/TOSS and diploar-dephased techniques in the different molecular humic acid

    供试腐殖酸
    Tested humic acid
    烷基碳
    Alkyl C
    氧烷基碳
    O-alkyl C
    芳香碳
    Aromatic C
    芳香C―O
    Aromatic C―O
    羧基/酰胺基碳
    COO/N―C=O
    酮/醛基碳
    Ketone/aldehyde
    未分级腐殖酸Mixed HA (HA)3.75.0256.6915.2117.931.45
    高分子量腐殖酸High molecular HA (HAH)3.894.8958.2514.9817.470.52
    中分子量腐殖酸Middle molecular HA (HAM)5.615.6751.7514.3520.881.74
    低分子量腐殖酸Low molecular HA (HAL)4.745.3751.3714.1522.531.84
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    表 3  供试肥料性质

    Table 3.  Properties of the tested fertilizers

    供试肥料Tested fertilizer供试肥料代码Fertilizer code腐殖酸含量Humic acid (‰)P2O5 (%)pH
    对照磷肥Phosphate fertilizer for controlP 040.1910.24
    未分级腐殖酸磷肥Mixed HA P fertilizerPHA 538.8910.58
    高分子量腐殖酸磷肥High molecular HA P fertilizerPHAH538.9910.58
    中分子量腐殖酸磷肥Middle molecular HA P fertilizerPHAM538.4110.30
    低分子量腐殖酸磷肥Low molecular HA P fertilizerPHAL538.4510.23
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    表 4  不同处理小麦产量及其产量构成因素

    Table 4.  Wheat grain yield and yield components under different treatments

    处理
    Treatment
    籽粒产量
    Grain yield
    (g/pot)
    有效穗数
    Effective spike
    (No./pot)
    穗粒数
    Gain number per spike
    千粒重
    1000-kernel weight
    (g)
    CK17.71 c20.50 b25.23 b39.10 c
    HA20.21 c22.25 b24.91 b36.47 d
    HAH20.89 c21.00 b26.79 b37.13 d
    HAM20.39 c23.00 b23.77 b37.30 d
    HAL20.68 c21.00 b25.18 b35.09 d
    P66.23 b41.75 a35.29 a44.95 b
    PHA75.99 a45.50 a36.94 a 45.47 ab
    PHAH70.22 b42.50 a36.37 a 45.42 ab
    PHAM78.71 a42.75 a40.27 a 45.71 ab
    PHAL80.38 a45.00 a38.36 a46.57 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 5  不同处理小麦地上部磷吸收量

    Table 5.  P uptakes in aboveground part of winter wheat under different treatments

    处理
    Treatment
    磷吸收量P2O5 uptake (g/pot)磷素收获指数
    P2O5 harvest index
    (%)
    籽粒
    Grain
    秸秆
    Straw
    地上部
    Aboveground
    CK0.12 c0.07 b0.19 c63.56 c
    HA0.13 c0.08 b0.21 c62.40 c
    HAH0.14 c0.08 b0.22 c63.05 c
    HAM0.13 c0.08 b0.21 c62.42 c
    HAL0.14 c0.08 b0.22 c63.90 c
    P0.45 b0.23 a0.68 b66.01 b
    PHA0.52 a0.24 a0.76 a 68.20 ab
    PHAH 0.48 ab0.21 a0.69 b69.73 a
    PHAM0.54 a0.25 a0.79 a 68.46 ab
    PHAL0.55 a0.25 a0.80 a 68.58 ab
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 6  不同处理小麦磷肥利用率

    Table 6.  Phosphate fertilizer efficiencies of winter wheat under different treatments

    处理
    Treatment
    表观利用率
    Recovery efficiency
    (%)
    偏生产力
    Partial productivity
    (kg/kg)
    农学效率
    Agronomic efficiency
    (kg/kg)
    P33.48 a44.16 b32.35 b
    PHA36.41 a50.66 a 37.19 ab
    PHAH33.99 a46.82 b32.89 b
    PHAM38.00 a52.47 a38.88 a
    PHAL38.89 a53.59 a39.80 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.
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    表 7  施用不同磷肥对土壤速效磷含量的影响

    Table 7.  Soil available phosphorus contents under different HA phosphorous fertilizers treatments

    处理
    Treatment
    土壤速效磷含量 (mg/kg)
    Soil available phosphorus contents
    0—20 cm20—40 cm40—60 cm60—80 cm
    CK2.50 b3.67 b4.45 b4.50 a
    HA2.79 b3.36 b4.54 b4.46 a
    HAH2.93 b3.17 b4.50 b4.57 a
    HAM2.63 b3.33 b4.58 b4.42 a
    HAL2.53 b3.70 b4.57 b4.51 a
    P6.26 a6.27 a5.32 a4.38 a
    PHA6.34 a6.90 a5.56 a4.75 a
    PHAH6.52 a8.40 a5.51 a4.70 a
    PHAM6.87 a7.83 a5.62 a4.63 a
    PHAL6.63 a6.34 a5.31 a4.43 a
    注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间达到 5% 差异显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant differences among treatments at the 5% level.
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    [9] 王伟妮鲁剑巍鲁明星李小坤李云春李慧 , . 湖北省早、中、晚稻施磷增产效应及磷肥利用率研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2011.0241
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    [13] 宁东峰李志杰孙文彦马卫萍黄绍文赵秉强 . 限水灌溉下施氮量对冬小麦产量、氮素利用及氮平衡的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2010.0603
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    [18] 刘方春邢尚军刘春生马海林马丙尧袁素萍 . 褐煤腐殖酸对铵的吸附特性研究. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0414
    [19] 刘秀梅张夫道冯兆滨张树清何绪生王茹芳王玉军 . 风化煤腐殖酸对氮、磷、钾的吸附和解吸特性. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0512
    [20] 林琪侯立白韩伟 . 不同肥力土壤下施氮量对小麦子粒产量和品质的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2004.0601
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-13
  • 网络出版日期:  2020-10-22

中低分子量腐殖酸有效提高冬小麦对磷肥吸收和产量的机理

    作者简介:李伟E-mail:lw0536@126.com
    通讯作者: 赵秉强, zhaobingqiang@caas.cn
  • 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部植物营养与肥料重点实验室,北京 100081
  • 基金项目: “十三五”国家重点研发计划项目(2016YFD0200405-3)。
  • 摘要:   【目的】  研究不同分子量腐殖酸与磷肥复合制备的腐殖酸磷肥对作物和土壤磷有效性的差异,为腐殖酸磷肥研发和磷素高效利用提供理论依据。  【方法】  利用超滤分级方法,将风化煤腐殖酸分子量分为 > 100 kDa、10~100 kda和 < 10 kda 3个部分,获得高 (HAH)、中 (HAM)、低 (HAL) 不同分子量腐殖酸,采用磷酸与KOH反应法制备普通磷肥 (P)、未分级腐殖酸磷肥 (PHA)、高分子量腐殖酸磷肥 (PHAH)、中分子量腐殖酸磷肥 (PHAM) 和低分子量腐殖酸磷肥 (PHAL) 5种磷肥。采用深100 cm、内径25 cm的土柱进行了冬小麦栽培试验。按等磷量原则,设置P、PHA、PHAH、PHAM、PHAL 5个施磷处理,同时设置与4个施磷处理对应的等量腐殖酸处理 (HA、HAH、HAM、HAL),以不施磷肥为对照CK。测定小麦产量及产量构成因素、植株磷含量及不同层次土壤速效磷含量。  【结果】  1) 与CK相比,腐殖酸处理 (HA、HAH、HAM、HAL) 小麦籽粒产量差异不显著。与普通磷肥相比,PHA、PHAM和PHAL处理产量显著提高了14.73%、18.84%、21.37% (P < 0.05),3 个处理间间产量差异不显著,PHAH增产率 (6.03%) 未达到显著水平。PHAL处理千粒重显著高于普通磷肥处理,其余3个腐殖酸磷肥处理增幅未达显著水平。2) PHA、PHAM和PHAL处理籽粒吸磷量较普通磷肥处理分别提高14.97%、19.45%、22.68%,达到显著水平,而PHAH增幅未达显著水平 (7.42%);秸秆吸磷量各处理间均没有显著差异。3) 与普通磷肥相比,PHA、PHAH、PHAM、PHAL磷肥农学效率分别提高14.95%、1.66%、20.18%、23.03%,磷肥表观利用率分别提高2.93、0.51、4.52、5.41个百分点,也以中低分子量腐殖酸磷肥效果最为明显,腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率具有正相关性,与芳香碳、芳香C―O负相关。4) 与普通磷肥相比,腐殖酸磷肥提高了0—20、20—40、40—60 cm土壤有效磷含量,分别平均提高6.60%、19.9%、3.00%。  【结论】  田间土柱栽培条件下,单施微量腐殖酸,对小麦没有表现出明显的增产效果。腐殖酸中的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳结构与小麦磷素吸收具有正相关性,低分子量腐殖酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构,因而低分子量腐殖酸提高磷肥中磷素利用的作用好于中分子量腐殖酸,而高分子量腐殖酸的效果不显著。

    English Abstract

    • 磷容易被土壤中的钙、镁、铁、铝等金属离子固定,在土壤中的移动距离小[1],我国磷肥当季利用率一般只有10%~25%,施入土壤的磷肥大多以不同形态磷酸盐形式累积在土壤中[2-3]。尤其北方小麦,生长周期长,前期地温低,磷肥当季利用率只有13%左右[4],减少磷的固定、增加移动距离、提高磷的生物有效性成为提高磷肥利用率的重要途径。

      腐殖酸是一类较弱的有机酸,因含有丰富的羧基、酚羟基、羟基、甲氧基、氨基、酮基和醌基等官能团结构,具有较强的离子交换能力和酸碱缓冲能力[5-7],其酸根解离过程中产生的大量电荷能够与磷酸盐竞争土壤矿物表面的吸附位点,降低土壤矿物对磷酸盐的吸附[8-9],通过复分解反应,与土壤中的钙离子结合,减少Ca-P沉淀的生成[10],从而减少磷的固定[11],提高土壤与肥料中磷素的有效性,进而影响植物对磷的吸收[12-16]。其中,腐殖酸通过活化和竞争吸附等对磷肥的增效作用已有30多年的研究历史,并已得到肯定的结论[17]

      腐殖酸对磷肥的作用效果与其用量、种类、官能团结构、分子量大小密切相关。闫光第[18]、李军等[19]研究表明,高添加量的腐殖酸能够更好地提高土壤速效磷含量;杜振宇等[20]发现褐煤腐殖酸钠降低磷素在土壤中的迁移距离,而腐殖酸反之;马明坤等[21]发现含有较多羧基和磺酸基的磺化腐殖酸可以更好提高土壤速效磷和作物产量。周丽平等[22]研究发现,小分子腐殖酸含有更多酸性官能团,能够更好的促进玉米幼苗的生长;张水勤[23]发现,受芳香度大小的影响,分子量大的腐殖酸较分子量小的腐殖酸与尿素的结合效应小。但是,不同分子量大小的腐殖酸与磷肥结合后,其对作物产量和磷肥肥效的关系尚缺乏系统研究。

      因此,本研究以风化煤腐殖酸为材料,通过超滤分级方法获得不同分子量的腐殖酸,并制备含腐殖酸磷肥,利用田间土柱试验,研究不同分子量腐殖酸磷肥对冬小麦产量及磷素吸收利用的影响,明确不同分子量腐殖酸与小麦产量和磷素吸收利用的关系,以期为腐殖酸磷肥研发提供理论依据。

      • 试验于2017年10月至2018年6月在中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地 (N 36°49′,E 116°34′) 进行,供试小麦品种为济麦22,土壤为轻质潮土,试验土壤采自试验基地长期不施肥的匀地农田,分别采集0—30 cm耕层土及30—90 cm底层土,分别过1 cm筛,混匀备用。供试土壤性质见表1

        表 1  供试土壤性质

        Table 1.  Properties of the tested soil

        土层深度
        Soil depth
        (cm)
        全氮
        Total N
        (g/kg)
        有效磷
        Available P
        (mg/kg)
        速效钾
        Available K
        (mg/kg)
        有机质
        Organic matter
        (g/kg)
        pH
        0—300.325.6 886.18.4
        30—900.284.61305.78.5
      • 风化煤取自内蒙古自治区通辽市霍林河煤矿 (E119°15'、N45°23'),含水量13.02%,灰分含量36.22%,总腐殖酸含量50.96%,碳、氮、氢、氧含量分别为35.11%、0.81%、4.53%、23.23%。

      • 首先参照Stevenson[24]的方法,粗提腐殖酸;将粗提腐殖酸用HCl-HF (0.1 mol/L HCl + 0.3 mol/L HF) 混合溶液以1∶10 (w∶v) 的比例洗涤3次;之后,用去离子水以1∶10 (w∶v) 的比例洗涤3次,冷冻干燥后,得到纯化后的腐殖酸样品 (HA);参照Shin等[25]方法,利用纤维素超滤膜片 (Ultracel®,Amicon) 对纯化腐殖酸进行超滤分级,获得分子量 > 100 kDa、10~100 kDa和 < 10 kDa 3个分子量的腐殖酸样品,依次记为HAH、HAM、HAL。运用固相13C核磁共振对不同分子量腐殖酸进行图谱采集,并对图谱进行积分,得到样品中各类含碳官能团的相对含量 (表2)。

        表 2  不同分子量腐殖酸13C-NMR光谱中碳类型的相对分布

        Table 2.  Relative proportions of carbon types determined by CP/TOSS and diploar-dephased techniques in the different molecular humic acid

        供试腐殖酸
        Tested humic acid
        烷基碳
        Alkyl C
        氧烷基碳
        O-alkyl C
        芳香碳
        Aromatic C
        芳香C―O
        Aromatic C―O
        羧基/酰胺基碳
        COO/N―C=O
        酮/醛基碳
        Ketone/aldehyde
        未分级腐殖酸Mixed HA (HA)3.75.0256.6915.2117.931.45
        高分子量腐殖酸High molecular HA (HAH)3.894.8958.2514.9817.470.52
        中分子量腐殖酸Middle molecular HA (HAM)5.615.6751.7514.3520.881.74
        低分子量腐殖酸Low molecular HA (HAL)4.745.3751.3714.1522.531.84
      • 用氢氧化钾和磷酸反应,模拟工业生产条件制备磷酸氢二钾磷肥。腐殖酸按重量比5‰的添加量首先加入到4.67 g磷酸中,然后再加入5.33 g氢氧化钾,反应后得到相应腐殖酸磷肥,对照普通磷肥除不加腐殖酸,其它条件与腐殖酸磷肥制备一致。具体见表3

        表 3  供试肥料性质

        Table 3.  Properties of the tested fertilizers

        供试肥料Tested fertilizer供试肥料代码Fertilizer code腐殖酸含量Humic acid (‰)P2O5 (%)pH
        对照磷肥Phosphate fertilizer for controlP 040.1910.24
        未分级腐殖酸磷肥Mixed HA P fertilizerPHA 538.8910.58
        高分子量腐殖酸磷肥High molecular HA P fertilizerPHAH538.9910.58
        中分子量腐殖酸磷肥Middle molecular HA P fertilizerPHAM538.4110.30
        低分子量腐殖酸磷肥Low molecular HA P fertilizerPHAL538.4510.23
      • 试验采用土柱栽培方式,选用内径25 cm、高100 cm的PVC管埋入土中,上口高出地面3 cm,防止降水地表径流流入,下不封口,模拟田间栽培状态[19],每个土柱装风干土50 kg,其中,0—30 cm装土15 kg,30—90 cm土层装土35 kg。施肥量按0—30 cm土层土壤风干土重量计算,施P2O5量为0.1 g/kg土;全氮、钾肥保证充足供应,氮肥用尿素,施用量为N 0.2 g/kg土,钾肥为氯化钾,施用量为K2O 0.15 g/kg土。氮、磷、钾肥均作为基肥一次性混施入0—30 cm土壤中。

        试验设普通磷肥 (P)、未分级腐殖酸磷肥 (PHA)、高分子量腐殖酸磷肥 (PHAH)、中分子量腐殖酸磷肥 (PHAM)、低分子量腐殖酸磷肥 (PHAL) 5个施磷处理,不施磷肥对照 (CK) 与各施磷处理对应等量的单施腐殖酸对照 (HA、HAH、HAM、HAL) 5个处理,共10个处理,8次重复,随机区组排列。冬小麦于2017年10月20日播种,精选均匀饱满种子,每柱播种24粒,苗期进行间苗,每个土柱留苗12株。小麦生长期间按常规栽培措施管理,2018年6月5日收获测产。各处理小麦分别全部收获、风干,脱粒,用于考种和元素分析测定,同时采集0—20、20—40、40—60、60—80 cm土壤,风干、保存、测定。

      • 小麦子粒和秸秆全磷测定用硫酸-过氧化氢消煮,钒钼黄比色法测定[26]。磷肥利用率参照文献[27]中公式计算:

        当季磷肥表观利用率 (%) = (施磷处理植株吸收P2O5总量-不施磷对照植株吸收P2O5总量) /施用P2O5量 × 100

        磷肥偏生产力 (kg/kg) = 施磷处理籽粒产量/施磷量;

        磷肥农学效率 (APUE,籽粒kg/kg P) = (施磷处理作物产量-不施磷对照作物产量) /施磷量

        磷收获指数 (%) = 籽粒磷积累总量/植株磷积累总量。

      • 试验数据采用Excel和SAS软件进行统计分析,Duncan新复极差法进行多重比较 (P < 0. 05)。

      • 表4可以看出,与CK相比,单施腐殖酸对小麦具有一定的增产作用,HA、HAH、HAM、HAL处理小麦籽粒产量分别增加14.12%、17.96%、15.13%、16.77%,处理间差异未达显著水平。与普通磷肥处理 (P) 相比,腐殖酸磷肥均能够提高小麦籽粒产量,高、中、低分子量腐殖酸磷肥处理PHAH、PHAM、PHAL分别较P处理增产6.03%、18.84%、21.37%,平均增产15.41%,未分级腐殖酸磷肥处理PHA增产14.73%。可见,低分子量腐殖酸磷肥的增产效果最显著,产量随腐殖酸分子量增大而减小。进一步分析不同分子量腐殖酸与磷肥的交互作用,普通磷肥处理 (P) 的籽粒产量较CK增产48.53 g/pot,PHA、PHAH、PHAM、PHAL处理分别较其对照HA、HAH、HAM、HAL处理增产55.78、49.33、58.32、59.70 g/pot,可见,各腐殖酸与磷肥具有正交互作用,低分子量腐殖酸磷肥的正交互作用最强。

        表 4  不同处理小麦产量及其产量构成因素

        Table 4.  Wheat grain yield and yield components under different treatments

        处理
        Treatment
        籽粒产量
        Grain yield
        (g/pot)
        有效穗数
        Effective spike
        (No./pot)
        穗粒数
        Gain number per spike
        千粒重
        1000-kernel weight
        (g)
        CK17.71 c20.50 b25.23 b39.10 c
        HA20.21 c22.25 b24.91 b36.47 d
        HAH20.89 c21.00 b26.79 b37.13 d
        HAM20.39 c23.00 b23.77 b37.30 d
        HAL20.68 c21.00 b25.18 b35.09 d
        P66.23 b41.75 a35.29 a44.95 b
        PHA75.99 a45.50 a36.94 a 45.47 ab
        PHAH70.22 b42.50 a36.37 a 45.42 ab
        PHAM78.71 a42.75 a40.27 a 45.71 ab
        PHAL80.38 a45.00 a38.36 a46.57 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 5% level.

        施磷能够显著提高小麦的有效穗数、穗粒数、千粒重。单施腐殖酸条件下,与CK相比,腐殖酸对小麦的有效穗数、穗粒数没有显著影响,二者稍呈增加趋势,但籽粒千粒重有所降低,可能是供试土壤肥力较低,产量构成因子相互制约,此消彼长所致;与普通磷肥处理 (P) 相比,腐殖酸磷肥的小麦穗数、穗粒数尽管比普通磷肥没有显著增加,但呈现出提高趋势;腐殖酸磷肥的千粒重高于普通磷肥处理,其中,低分子量腐殖酸磷肥处理显著高于普通磷肥处理。因此,含腐殖酸磷肥对小麦产量的增加是有效穗数、穗粒数、千粒重共同作用的结果,千粒重作用最大。

      • 表5可知,施用磷肥能够显著增加小麦籽粒、秸秆和地上部对磷的吸收。与CK相比,单施腐殖酸均可在一定程度上提高小麦籽粒、秸秆及地上部吸磷量,但差异未达显著水平,磷素收获指数亦无显著差异。

        表 5  不同处理小麦地上部磷吸收量

        Table 5.  P uptakes in aboveground part of winter wheat under different treatments

        处理
        Treatment
        磷吸收量P2O5 uptake (g/pot)磷素收获指数
        P2O5 harvest index
        (%)
        籽粒
        Grain
        秸秆
        Straw
        地上部
        Aboveground
        CK0.12 c0.07 b0.19 c63.56 c
        HA0.13 c0.08 b0.21 c62.40 c
        HAH0.14 c0.08 b0.22 c63.05 c
        HAM0.13 c0.08 b0.21 c62.42 c
        HAL0.14 c0.08 b0.22 c63.90 c
        P0.45 b0.23 a0.68 b66.01 b
        PHA0.52 a0.24 a0.76 a 68.20 ab
        PHAH 0.48 ab0.21 a0.69 b69.73 a
        PHAM0.54 a0.25 a0.79 a 68.46 ab
        PHAL0.55 a0.25 a0.80 a 68.58 ab
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters mean significant difference among treatments at the 5% level.

        与普通磷肥处理 (P) 相比,腐殖酸磷肥能够显著提高籽粒和地上部的磷吸收量,PHA处理分别提高14.97%、9.95%,PHAH、PHAM、PHAL处理则分别提高7.42%、19.45%、22.68%和0.47%、13.79%、16.67%,平均提高16.52%、10.31%。秸秆磷吸收量没有显著差异。磷素收获指数也没有显著差异。

        与普通磷肥处理 () P相比,腐殖酸磷肥均能提高小麦的磷肥表观利用率、磷肥偏生产力、磷肥农学效率 (表6)。PHA处理的磷肥表观利用率提高2.93个百分点,磷肥偏生产力和磷肥农学效率分别提高14.71%、14.95%;PHAH、PHAM、PHAL处理的磷肥表观利用率分别提高0.51、4.52、5.41个百分点,平均提高3.48个百分点。磷肥偏生产力和磷肥农学效率分别提高6.01%、18.82%、21.35%和1.66%、20.18%、23.03%,平均分别提高15.39%和14.96%。

        表 6  不同处理小麦磷肥利用率

        Table 6.  Phosphate fertilizer efficiencies of winter wheat under different treatments

        处理
        Treatment
        表观利用率
        Recovery efficiency
        (%)
        偏生产力
        Partial productivity
        (kg/kg)
        农学效率
        Agronomic efficiency
        (kg/kg)
        P33.48 a44.16 b32.35 b
        PHA36.41 a50.66 a 37.19 ab
        PHAH33.99 a46.82 b32.89 b
        PHAM38.00 a52.47 a38.88 a
        PHAL38.89 a53.59 a39.80 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间差异达到 5% 显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant difference among treatments at the 5% level.
      • 与CK相比,单施腐殖酸对不同土层的速效磷含量没有显著影响,表现为0—40 cm土层含量较低,40—80 cm土层含量与供试土壤基础值基本没有变化 (表7)。与普通磷肥处理 (P) 相比,腐殖酸磷肥各处理速效磷含量有所提高,如0—20、20—40和40—60 cm土层中,未分级腐殖酸磷肥 (PHA) 速效磷含量分别增加1.27%、10.05%、4.51%,高 (PHAH)、中 (PHAM)、低 (PHAL) 分子量腐殖酸磷肥平均分别增加6.60%、19.9%、3.00%,在0—60 cm土层,分级腐殖酸磷肥处理平均速效磷含量较未分级腐殖酸磷肥处理高,但不同分子量腐殖酸磷肥处理的各层土壤速效磷含量没有显著差异。

        表 7  施用不同磷肥对土壤速效磷含量的影响

        Table 7.  Soil available phosphorus contents under different HA phosphorous fertilizers treatments

        处理
        Treatment
        土壤速效磷含量 (mg/kg)
        Soil available phosphorus contents
        0—20 cm20—40 cm40—60 cm60—80 cm
        CK2.50 b3.67 b4.45 b4.50 a
        HA2.79 b3.36 b4.54 b4.46 a
        HAH2.93 b3.17 b4.50 b4.57 a
        HAM2.63 b3.33 b4.58 b4.42 a
        HAL2.53 b3.70 b4.57 b4.51 a
        P6.26 a6.27 a5.32 a4.38 a
        PHA6.34 a6.90 a5.56 a4.75 a
        PHAH6.52 a8.40 a5.51 a4.70 a
        PHAM6.87 a7.83 a5.62 a4.63 a
        PHAL6.63 a6.34 a5.31 a4.43 a
        注(Note):同列数据后不同小写字母表示处理间达到 5% 差异显著水平 Values followed by different small letters in a column mean significant differences among treatments at the 5% level.
      • 结合表2中不同分子量腐殖酸固相13C核磁共振表征结果中各含碳官能团的归属,选择主要官能团 (烷基碳、氧烷基碳、芳香碳、芳香C—O、羧基/酰胺基碳) 为解释变量,以小麦籽粒产量和磷肥利用率为响应变量,进行冗余分析,探析不同分子量腐殖酸官能团与小麦产量和磷肥利用率的关系。由图1可知,前两个主轴 (RDA1和RDA2) 分别解释变量占模型中总变量的99.90%和0.01%,小麦籽粒产量和磷肥利用率,与烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳正相关,相关性大小顺序为氧烷基碳 > 羧基/酰胺基碳 > 烷基碳,与芳香碳、芳香C—O负相关。低分子量腐殖酸具有较多的烷基碳、氧烷基碳、羧基/酰胺基碳结构。

        图  1  不同分子量腐殖酸结构与小麦籽粒产量和磷肥利用率关系的冗余分析

        Figure 1.  Redundancy analysis between functional groups of different molecular humic acids and wheat grain yield and phosphate fertilizer efficiencies

      • 腐殖酸磷肥对小麦的增产作用已经被大量研究证明。李志坚等[28]通过制备腐殖酸含量为2‰~10‰的腐殖酸磷酸一铵,利用土柱栽培试验,发现腐殖酸磷铵能够提高小麦产量26.28%~26.81%;马明坤等[21]通过制备腐殖酸含量为5‰的磷肥,发现腐殖酸磷肥能够提高小麦产量6.3%~17.8%。本试验中未分级腐殖酸磷肥提高小麦籽粒产量14.73%,不同分子量腐殖酸磷肥提高6.03%~21.37%,其中,低分子腐殖酸磷肥对小麦籽粒产量的增加作用更大,冗余分析结果表明,低分子量腐殖酸具有较多的氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳,与小麦产量具有很好的正相关性;有文献报道,腐殖酸可以促进作物生长发育,提高根系活力,尤其低分子量腐殖酸含有更多的羧基、酚羟基,可以直接作为营养物质被植物体吸收利用[29],参与体内代谢[30],更利于碳水化合物等在植物体内的累积[31-32]。本研究结果表明,影响小麦产量的因子中,千粒重对其起主要作用,且小分子量腐殖酸磷肥更利于有效穗数、穗粒数和千粒重的提高,原因可能是小分子腐殖酸磷肥能够影响小麦对磷素的吸收利用,增加了分蘖、穗分化以及干物质累积。同时,低分子量腐殖酸磷肥处理籽粒和地上部磷素吸收量、磷肥偏生产力、磷肥表观利用率、农学效率,在各处理中表现最好,也侧面证明了小分子腐殖酸能够增加小麦对磷素的吸收利用。本试验中,单施微量腐殖酸,对小麦没有表现明显的增产效果,可能有两方面的原因,一是受试验当地地土壤土壤肥力低和气候条件的影响;二是微量腐殖酸施入土壤后,作为外源碳很快被土壤微生物分解。腐殖酸与磷肥结合后,在磷肥微域内,具有较高的EC值,缓解了腐殖酸直接被微生物分解,进而可以直接参与植物体的代谢或影响植物对磷的吸收,对植物的生长发挥直接[30]或间接作用[33-34],也侧面表明微量腐殖酸与磷肥结合生产腐殖酸磷肥,可更好发挥腐殖酸作用。

        腐殖酸含有丰富的羧基、酚羟基、羟基、含甲氧基、氨基、酮基和醌基等官能团结构,表现出较高的阴阳离子交换能力及较强的酸碱缓冲能力,其酸根解离过程中产生的大量电荷能够通过络合、螯合等作用与质子、养分离子和金属离子等结合,减少磷素在土壤中的固定。有研究指出,腐殖酸对土壤固定态磷激活效应,只有腐殖酸施用量达到一定水平后才能启动[35]。本研究腐殖酸添加量较少,单施腐殖酸对土壤速效磷含量没有显著影响,但当腐殖酸与磷肥结合时,腐殖酸磷肥有提高0—60 cm土层速效磷含量的趋势,可能有两方面原因,一是腐殖酸和磷肥结合后,磷肥结构发生了变化,影响了磷肥本身在土壤中的行为,减少了肥料磷在土壤中的固定,提高磷有效性;二是腐殖酸与磷肥作为整体,在小麦根际,使小麦-腐殖酸磷肥-微生物体系发生某些作用,导致小麦根系分泌质子酸[36]或者增加微生物的数量[37],使根际微域土壤的pH发生变化,活化土壤磷素和减少肥料磷的固定,何种原因需进一步验证。

      • 田间土柱栽培条件下,单施微量腐殖酸,对小麦没有表现出明显的增产效果;含腐殖酸的磷肥具有明显的增产效果,腐殖酸结构中氧烷基碳、羧基/酰胺基碳烷基、烷基碳与小麦籽粒产量和磷肥利用率具有正相关性,中、低分子量腐殖酸磷肥对小麦籽粒的增产效果更好,与普通磷肥相比,籽粒产量提高18.84%、21.37%,磷肥表观利用率分别提高4.52、5.41个百分点,磷肥偏生产力、磷肥农学效率分别提高18.82%、21.35%和20.18%、23.03%;与普通磷肥相比,腐殖酸磷肥提高了0—20、20—40、40—60 cm土壤有效磷含量,分别平均提高6.60%、19.9%、3.00%。腐殖酸与磷具有正交互作用。

    参考文献 (37)
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