试验于2017年9月—2018年6月在陕西省富平县施家村进行。试验地区属于暖温带半湿润季风气候。年均气温12.0 ℃,无霜期184 d。耕作制度为一年两熟玉米—小麦轮作。年均降水量600 mm,主要集中在7—9月,常有冬旱和春旱发生。土壤类型为土,容重1.35 g/m³,总孔隙度49.6%,有机质含量10.40 g/kg,全氮含量1.09 g/kg,全磷含量0.71 g/kg,碱解氮含量80 mg/kg,速效磷25 mg/kg,速效钾含量17 mg/kg,pH为8.6。供试小麦品种为“开麦18”。供试肥料为腐植酸固体肥,由陕西科技大学腐植酸生态工程中心提供,游离腐植酸含量8.1%,N 8.1%,P₂O₅8.1%,K₂ O 6.5%。

试验采用随机区组设计,设置5个腐植酸肥施用水平。处理1(对照); 处理2(腐植酸肥400 kg/hm²); 处理3(腐植酸肥800 kg/hm²); 处理4(腐植酸肥1 200 kg/hm²); 处理5(腐植酸肥1 600 kg/hm²)。小区面积10 m×5 m,每个处理重复3次,共15个小区。冬小麦于2017年9月27日,机械播种,播深3～5 cm,播种量为150 kg/hm²,行距20 cm,于2018年6月23日收获。腐植酸肥在播种前施入耕层土壤,播种时一次性施入纯N 180 kg/hm²,P₂O₅135 kg/hm²,按当地习惯实行管理措施。

在冬小麦成熟时期,分小区收获、脱粒、风干测产。冬小麦收获期,每个小区中随机选取10株,测定株高与穗长。冬小麦收获后,用S形线路采集0—20 cm土壤,环刀法(V=100 cm³)测定土壤含水量和容重。有机质使用重铬酸钾容量法—外加热法,土壤全氮使用凯氏定氮法测定,速效磷使用硫酸—钼锑抗比色法测定,速效钾采用NH₄ OAc浸提—原子吸收法测定。

使用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0进行数据分析,方差分析使用单因素方差分析法进行,运用事后多重比较进行显著性检验,Origin 2020绘图。

由表1可知,与对照相比,400,800,1 200,1 600 kg/hm²腐植酸肥处理的产量分别增加了174.76,620.86,305.32,244.20,800 kg/hm²施肥水平时产量最高,为4 851.9 kg/hm²,相对于对照增产率达14.7%,400,1 200,1 600 kg/hm²施肥处理较对照产量分别增加了7.2%,4.1%,5.8%。使用腐植酸肥料在各个浓度均能提高小麦的产量,且达到显著性差异。单位面积穗数、穗粒数和千粒重是冬小麦产量的构成要素。与对照相比,400,800,1 600 kg/hm²施肥处理的冬小麦穗数分别增加了2.26,7.27,21.91个/m²,其中800,1 600 kg/hm²施肥处理达到显著性差异。与对照相比,施用腐植酸肥处理穗粒数均有增加,但仅有800 kg/hm²处理达到差异显著。400,800,1 600 kg/hm²施肥水平小麦千粒重均有所增加,并在800 kg/hm²水平小麦千粒重最大,为41.85 g,相较对照增加了1.56 g。值得注意的是,与对照相比,1 600 kg/hm²施肥处理千粒重降低了0.97 g。

表1中与对照相比,施用腐植酸肥后小麦穗长均表现为增加趋势,增幅在0.21～0.93 cm,800 kg/hm²处理穗长和增幅最大,与其他处理相比差异显著; 与对照相比,施用腐植酸肥株高分别提高了8.6%,14.4%,14.9%,12.7%,处理间达显著性差异。小麦株高在800 kg/hm²,1 200 kg/hm²浓度水平达到最大,分别为66.84 cm和67.12 cm,与其他处理相比差异显著。施用较低浓度腐植酸肥料对小麦各项生长指标有增加作用,施用较高浓度腐植酸肥料后对小麦生长表现为抑制作用。基于高斯模型(Gauss Amp)分析腐植酸浓度对小麦生长指标的影响,得到相应的回归方程(表2)。由表2可知,穗数和产量与腐植酸的二元多项式回归校正决定系数较小,方程拟合效果较差,穗粒数、千粒重、穗长、株高和腐植酸浓度回归校正决定系数较大,拟合效果较好(R²≥0.7)。各拟合曲线开始均随着腐植酸肥料施用浓度的增加表现为增加趋势,其后随着施用高浓度腐植酸肥料曲线随即降低。根据各回归方程计算出各指标对应的腐植酸肥料最佳用量,根据各极值确定土中小麦施用腐植酸肥料667～1 122 kg/hm²为宜。

表1 不同处理的小麦生长指标

表2 小麦各生长指标与腐植酸浓度回归方程模型

施用腐植酸肥土壤有机质与对照相比均表现为增加趋势,增幅为0.50 ～2.05 g/kg,其中1 200,1 600 kg/hm²处理分别提高了1.72 g/kg,2.05 g/kg,与对照相比达到显著性水平。施用腐植酸肥力土壤全氮整体表现出增加趋势。随着腐植酸肥料浓度的增加,土壤全氮含量先表现为增加,后表现为降低趋势。施用腐植酸肥能增加土壤速效磷含量,1 200 kg/hm²处理速效磷较对照增加4.22 mg/kg; 800 kg/hm²,1 600 kg/hm²处理速效磷含量与对照相比提高了18.2%和15.2%; 除1 600 kg/hm²处理,土壤速效磷随着施用腐植酸肥料浓度的增加而增加。800,1 200,1 600 kg/hm²处理速效钾含量与对照相比差异显著,各处理间差异显著。800,1 200,1 600 kg/hm²处理速效钾含量与对照相比分别增加了4.55 mg/kg,8.51 mg/kg,12.55 mg/kg。各处理土壤pH随着腐植酸施用浓度的增加,表现为降低的趋势,与对照相比,施用腐植酸肥均降低了土壤pH,降幅为0.13～0.19,且达到显著水平(表3)。

表3 腐植酸施用量对土壤化学性质的影响

施用腐植酸肥料能降低土壤容重,提高土壤总孔隙度和田间持水量(图1—2)。施用腐植酸肥的处理土壤总孔隙度增幅为2.78～6.28%,1 600 kg/hm²施肥处理的总孔隙度最高,为59.07%,与其他处理相比差异显著,随着腐植酸肥料施用浓度的增加,土壤总孔隙度随之增加。与对照相比,施用腐植酸肥土壤田间持水量显著增加,1 600 kg/hm²施肥处理的土壤田间持水量最高,达28.03%,较对照增加5.65%。同样的,随着腐植酸肥料施用浓度的增加,田间持水量随之增加。与对照相比,腐植酸肥处理的土壤容重均有所降低,降幅为0.08～0.17 g/cm³,1 600 kg/hm²施肥处理的土壤容重最低,为1.18 g/cm³,较对照降低了0.17 g/cm³。土壤孔隙度、田间持水量和容重3个土壤物理指标,均表现为随着腐植酸肥料施用量的增加,呈现出单纯的增减趋势。

图1 腐植酸施用量对土壤孔隙度、田间持水量的影响

图2 腐植酸施用量对土壤容重的影响

施用腐植酸肥后冬小麦各生长指标均高于对照处理,达到显著性差异水平。有研究认为施用腐植酸可提高小麦分蘖和成穗率,显著提高产量^[16]。毕军等^[12]发现腐植酸可以促进冬小麦生长发育,增强抗逆性,提高小麦株高、穗长等农艺性状。薛志伟等^[17]研究证实,施用腐植酸对小麦的千粒重和单穗籽粒数量有明显的提高。较多研究证实了腐植酸对作物生长的促进作用,腐植酸这种促生长作用与植物根系和对植物体内酶相关。有人在玉米中发现,腐植酸可以促进玉米根系质膜H⁺-ATP酶活性达到促进玉米根系生长的作用,并认为在施用低分子量的腐植酸效果更好^[18-19]。施用腐植酸有利于植物体内基因的表达,从而促进氮素的吸收和氨基酸的代谢,进一步促进生物量的增加^[20-21]。腐植酸类肥料能通过刺激作物生长、促进根系养分吸收、增强作物的抗逆性而提高作物产量。但当腐植酸肥料浓度达到某一阈值,过多的施用腐植酸肥料会抑制作物的生长,各生长指标呈现出下降的趋势。Berbara和García ^[22]研究表明,施用高浓度的腐植酸会提高活性氧含量,导致脂质过氧化,对水稻根系生长产生不良影响。Maggioni等^[23]研究证实,中间浓度的腐植酸比过低或过高浓度的腐植酸更能促进燕麦根系对K⁺和SO^2-₄的吸收。García ^[24]研究腐植酸对水稻水分胁迫抗逆性增加的试验中认为,随着腐植酸施用浓度增加,植物的生长速度和含水量增速变快,但是水稻的抗氧化防御系统的酶活性并没有明显的变化。可见腐植酸的施用量超过某一阈值后,过量的腐植酸会抑制作物的生长。

施用腐植酸肥料对土壤中养分指标整体呈增加趋势,随着腐植酸肥料施用浓度的增加土壤速效磷、速效钾、有机质等指标均相应增加。土壤中全氮含量在腐植酸肥料较低施用水平随之升高,在高浓度施用水平全氮含量下降。Bama等^[25]认为,腐植酸的施用量与土壤中的N,P和K的释放呈线性相关关系,即在一定阈值范围内,腐植酸的加入可能会促进土壤中氮的硝化和挥发以及磷向易溶态解析。试验中土壤全氮随着腐植酸施用量的增加而增加,这个过程可能是因为腐植酸的加入提高土壤氮素含量,随着腐植酸施用量的增加,腐植酸对土壤中N释放的促进作用增加,以至于超过施用腐植酸对土壤养分的增加作用。对土壤磷和钾并没有表现出相同的现象,究其可能是因为腐植酸的添加量对养分的转化的影响存在差异,并且氮素在土壤中的释放方式更多,导致不同养分的表现不同^[26]。

在土中施用腐植酸肥料,对土壤物理和化学特性具有明显的改善的作用,其中,对土壤速效磷、速效钾、土壤容重、田间持水量和孔隙度均达到显著性差异。施用较低浓度的腐植酸肥料,对小麦产量指标有明显的增加作用,当施用浓度超过某一阈值,较高浓度的腐植酸肥料会抑制小麦的生长。因此在施用腐植酸肥料时应明确作物和施肥用量标准。

土壤速效磷、速效钾、土壤容重、田间持水量和孔隙度等指标,均表现出随着腐植酸肥料施用量的增加而改善。利用小麦产量指标进行方程拟合,确定在土中腐植酸肥料的施用范围在667～1 122 kg/hm²为宜。