腐植酸是动植物残体和微生物细胞等经过微生物分解和转化，以及一系列地球化学过程形成和累积的一类成分复杂的天然有机高分子混合物^[1–4]，腐植酸能够提高植物新陈代谢和呼吸活性，并改善叶绿体和线粒体功能，从而增强植物呼吸和光合作用，促进植物生长^[5–6]；腐植酸具有丰富的羧基和酚羟基等酸性官能团结构，能够与尿素的酰胺基结合形成有机络合盐类，从而增强肥料的缓释性能^[7]。腐植酸还可以抑制土壤脲酶活性和调节土壤微生物的活性^[8–9]，改善土壤结构和稳定性、水气渗透能力和田间持水量等^[10–12]。因此，施用腐植酸能够促进作物生长，提高作物产量；促进作物对氮的吸收，提高氮肥利用率^[13–15]。我国农业生产中，氮肥存在施用量大^[16]、利用率低^[17–18]、环境污染风险大^[19–20]等问题。鉴于此，腐植酸对氮肥的提质增效作用愈发引起人们的关注。

前人已经在腐植酸尿素对作物生长、产量和氮素吸收等的影响方面开展了较多的研究^{[1, 15, 21–22]}，表明腐植酸尿素具有促进作物生长、提高作物产量和增加氮素吸收的作用，但这些研究多停留在单一验证腐植酸对作物生长和氮肥利用所具有的增效作用方面，而对其具体作用效果缺乏深层次的分析。因此，本文运用¹⁵N同位素示踪技术开展土柱栽培试验，研究并分析腐植酸尿素对玉米产量及肥料氮去向的影响，为传统尿素产品的提质增效及新型腐植酸尿素肥料的研制提供理论与实践依据。

以夏玉米“郑单958” (Zea mays L.) 为供试作物，供试土壤采自中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地连续三年未施用任何肥料的匀地试验场，土壤类型为石灰性潮土，质地为轻壤。分别采集0—20 cm的耕层土壤和20—90 cm的底层土壤，风干，过1 cm筛，混匀，备用，其基本理化性质见表1。

表1(Table 1)

表1 供试土壤理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil

表1 供试土壤理化性质 Table 1 Basic physicochemical properties of the experimental soil 土层深度 (cm) Soil depth pH 有机质 (g/kg) Organic matter 全氮 (g/kg) Total N 碱解氮 (mg/kg) Available N 有效磷 (mg/kg) Available P 速效钾 (mg/kg)Available K 0—20 8.49 11.29 0.78 53.68 17.79 131 20—90 8.54 10.70 0.69 58.15 8.80 115

¹⁵N尿素丰度10.24%，购自上海化工研究院。

腐植酸的提取在本实验室进行^[1]：以取自内蒙古霍林河的风化煤为原材料，过0.25 mm筛，用1 mol/L盐酸洗涤，以去除其中的Ca²⁺和Mg²⁺等杂质离子；离心后，将煤样以1∶10固液比溶于0.5 mol/L NaOH溶液，调节溶液pH至13，连续浸提24 h；离心后，弃去沉淀；用6 mol/L HCl将溶液pH调至1.0，放置24 h，离心后，弃去上清液，所得沉淀即为腐植酸；经HCl (0.1 mol/L) + HF (0.3 mol/L) 除去矿物质后，用蒸馏水洗涤3遍，以去除氯离子，50℃条件下烘干得到腐植酸干样。制得的腐植酸样品碳和氮元素含量分别为57.55%和1.25%，总酸性基、羧基和酚羟基含量分别为6.30、4.00和1.30 mmol/g，E₄/E₆值为3.62。

供试肥料的制备：将提取的腐植酸按5‰的比例添加至熔融的尿素中，充分混匀、冷却后粉碎，过筛 (2.0 mm)，制得腐植酸尿素试验产品HAU；同时，制备仅熔融但不添加腐植酸的尿素产品U。所得肥料产品HAU和U的基本性质参考HG/T 5045-2016进行测定，结果见表2。

表2(Table 2)

表2 供试肥料的基本性质 Table 2 Basic properties of the experimental fertilizer

表2 供试肥料的基本性质 Table 2 Basic properties of the experimental fertilizer 肥料Fertilizer 代码Code 腐植酸含量 (%)Humic acid content 氮素含量 (%) N content 15N 丰度 (%) 15N abundance 缩二脲含量 (%) Biuret content 尿素 Urea U 0.00 44.21 10.24 1.12 腐殖酸尿素 Humic acid urea HAU 0.51 44.21 10.16 1.14

试验于2015年6月15日～10月3日在中国农业科学院德州盐碱土改良实验站禹城试验基地网室 (36° 50′ N，116° 34′ E) 进行。采用土柱栽培法进行，选用内径25 cm、高100 cm的PVC管埋入土中，上口高出地面3 cm，以防止降雨后产生的地表径流流入，下不封口，与自然土壤直接接触，模拟田间自然栽培状态。每个土柱装干土50 kg，30—90 cm装取自田间20—90 cm的底层土壤，分两次装入，每次装入后灌水沉实；0—30 cm装取自田间0—20 cm的耕层土壤，与肥料混匀后，装入，灌水。

试验共设3个处理：不施氮肥对照 (CK)；施用不添加腐植酸的尿素即普通尿素处理 (U)；施用腐植酸尿素处理 (HAU)。每个处理重复5次。试验采用随机区组排列设计。所有肥料施用量均按0—30 cm土层的干土重计算，在播种前一次性基施，均匀混入0—30 cm土层。U和HAU处理施氮量为N 0.1 g/kg干土，即每个土柱氮素施用量为1.5 g；所有处理磷钾肥施用量按照充足供应原则，分别施用P₂O₅ 0.2 g/kg干土和K₂O 0.2 g/kg干土，即每个土柱磷 (P₂O₅) 和钾 (K₂O) 施用量均为3.0 g，以磷酸二氢钾和氯化钾的形式施用。

每个土柱玉米播种量为4粒，三叶期间苗保留1株，玉米生长期按常规栽培技术进行日常管理。玉米种植期间试验基地降雨量、温度、日照时间的变化及灌溉信息如图1所示。

图1(Fig. 1)

图1 试验期间降雨量、灌溉量、日照时长和日均温度 Fig. 1 Precipitation，irrigation, daily mean sunlight duration and daily mean temperature during maize growing season

1.3.1 样品的采集　玉米收获后，置于通风处自然风干，并进行考种，测定穗长、穗粗、穗行数、行粒数；然后，将玉米叶片、茎秆、苞叶、穗轴、籽粒分开，于65℃烘干并称重，测定籽粒百粒重和玉米各部分的干物质量，并分别粉碎，过0.149 mm筛，保存，备用；同时，采集0—15、15—30、30—50、50—70、70—90 cm土层的土壤样品，风干后，充分混匀，磨细，过0.149 mm筛，保存，备用。

1.3.2 样品的分析　采集所得植物和土壤样品，采用同位素质谱仪 (Elementar) 测定其含氮量、¹⁵N丰度和δ¹⁵N。

相关指标计算公式^{[15, 23]}：

植株总氮吸收量 = 植株氮含量 × 植株干物质量

施入氮肥¹⁵N原子百分超 = 肥料¹⁵N丰度 – 0.365%

植株肥料氮吸收量 = [(植株¹⁵N丰度 – 未施用¹⁵N尿素植株¹⁵N丰度)/施入氮肥¹⁵N原子百分超] × 植株氮含量 × 植株干物质量

土壤中肥料氮残留量 = [(土壤¹⁵N丰度 – 未施用¹⁵N尿素土壤¹⁵N丰度)/施入氮肥¹⁵N原子百分超] × 土壤氮含量 × 土壤质量

肥料氮损失量 = 肥料氮施用量 – 植株肥料氮吸收量 – 土壤中肥料氮残留量

肥料氮利用率 = 植株肥料氮吸收量/肥料氮施用量 × 100%

肥料氮残留率 = 土壤中肥料氮残留量/肥料氮施用量 × 100%

肥料氮损失率 = 肥料氮损失量/肥料氮施用量 × 100%

试验数据采用SAS 8.0软件进行统计分析，并用Origin 9.0作图。其中，玉米地上部各器官干物质产量及总氮吸收量、籽粒产量构成因素的结果运用单因素方差分析，LSD多重比较处理间差异的显著性 (P < 0.05)；其他指标均采用成组法 t检验分析差异的显著性 (P < 0.05)。

2.1.1 玉米地上部的干物质量及其在不同器官中的分配　从表3可以看出，U和HAU处理玉米植株地上部干物质量比对照分别提高了12.6%和28.1% (P < 0.05)；HAU处理效果高于U处理；HAU处理玉米茎秆和籽粒的干物质量分别显著高于U处理26.8%和14.2% ( P < 0.05)，而两处理玉米叶片、苞叶和穗轴的干物质量差异未达到显著性水平。

表3(Table 3)

表3 不同处理玉米地上部干物质量及其分配(g/column) Table 3 Aboveground dry biomass and its allocation in maize organs under different treatments

表3 不同处理玉米地上部干物质量及其分配(g/column) Table 3 Aboveground dry biomass and its allocation in maize organs under different treatments 处理Treatment 叶片Leaf 茎杆Stem 苞叶Bract 穗轴Cob 籽粒Grain 总计Total CK 51.0 ± 1.1 b 40.1 ± 2.3 b 12.5 ± 1.1 b 18.8 ± 0.6 b 166.0 ± 3.3 c 288.3 ± 5.4 c U 58.0 ± 3.0 a 47.1 ± 3.4 b 20.0 ± 2.8 a 21.0 ± 1.7 a 178.6 ± 3.4 b 324.7 ± 11.5 b HAU 60.8 ± 1.7 a 59.7 ± 3.9 a 19.6 ± 0.8 a 25.4 ± 0.9 a 203.9 ± 3.8 a 369.4 ± 7.5 a 注（Note）：U—尿素 Urea；HAU—腐殖酸尿素 Humic acid urea. 同一列数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant differences among treatments ( P < 0.05).

2.1.2 玉米籽粒产量构成因素　不同处理玉米产量构成因素的分析结果 (表4) 表明，氮肥施用对百粒重无影响，而U和HAU施用条件下，玉米的穗粒数较CK处理分别提高了4.9%和16.0%，且腐植酸尿素处理玉米的穗粒数显著高于对照 (P < 0.05)。

表4(Table 4)

表4 不同处理玉米籽粒产量构成 Table 4 Maize grain yield components under different treatments

表4 不同处理玉米籽粒产量构成 Table 4 Maize grain yield components under different treatments 处理Treatment 百粒重 (g) 100–grain weight 穗粒数Grains per ear CK 30.2 ± 0.8 a 549 ± 17 b U 31.3 ± 1.2 a 576 ± 25 ab HAU 32.4 ± 0.8 a 637 ± 22 a 注（Note）：U—尿素 Urea；HAU—腐殖酸尿素 Humic acid urea. 同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column mean significant differences among treatments ( P < 0.05).

与CK相比，各施氮处理玉米植株地上部和不同器官的氮素吸收量均大幅增加 (图 2)。HAU处理每柱玉米地上部的氮素总吸收量和肥料氮吸收量分别为4.012 g和0.683 g，显著高于U处理32.8%和11.5% (P < 0.05)。HAU处理每柱玉米茎秆和籽粒总氮吸收量分别为0.313 g和2.867 g，比U处理分别高67.4%和32.7% ( P < 0.05)；而玉米茎秆和籽粒的肥料氮吸收量HAU处理分别比U处理显著提高34.1%和15.6% ( P < 0.05)。玉米地上部吸收的总氮和肥料氮在各器官中的分配状况均表现出籽粒 > 叶片 > 茎秆 > 苞叶、穗轴。玉米籽粒总氮和肥料氮的吸收量分别占整个植株地上部总吸收量的65.7%～74.2%和58.6%～60.5%，为植株地上部氮素和肥料氮的主要吸收部位；而不同施氮处理间，同一器官总氮和肥料氮的分配比例差异不显著。U和HAU处理玉米地上部肥料氮的吸收量分别为其总氮吸收量的20.3%和17.1%，差异达显著水平 ( P < 0.05)。通过比较玉米各器官总氮和肥料氮的吸收量，发现植株各器官所吸收的肥料氮占其总氮吸收量的13.3%～30.9%，且腐植酸尿素处理肥料氮所占比例低于普通尿素处理。叶片中肥料氮吸收量占其总氮吸收量的比例最高，U和HAU处理下分别为29.1%和26.8%；而籽粒的肥料氮吸收量占其总氮吸收量的比例最低，仅为17.2%和14.5%。

图2(Fig. 2)

图2 不同处理玉米地上部总氮吸收量及肥料氮吸收量 Fig. 2 Total N and fertilizer N uptake of maize shoots under different treatments [注（Note）：U—尿素 Urea；HAU—腐殖酸尿素 Humic acid urea. 柱上不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Different small letters above the bars indicate significant differences among treatments (P < 0.05).]

玉米收获后，施氮处理各土层均能检测到肥料氮的残留 (表5)，各土层肥料氮的残留量随其深度的增加而逐渐降低。U和HAU处理0—90 cm土层残留的肥料氮分别为0.290 g和0.293 g，两者差异不显著。土壤中肥料氮总残留量的64.8%和70.6%均集中在0—30 cm土层。HAU处理肥料氮在0—15 cm和15—30 cm土层中的残留量均高于U处理，而在30—50 cm和50—70 cm土层中则表现出相反的趋势；且两种施肥处理下，肥料氮在0—15 cm和50—70 cm土层中的残留量差异显著 (P < 0.05)。

表5(Table 5)

表5 不同处理各土层肥料氮残留量 Table 5 Residual amounts of fertilizer N in different soil layers under different treatments

表5 不同处理各土层肥料氮残留量 Table 5 Residual amounts of fertilizer N in different soil layers under different treatments 处理Treatment 肥料氮残留量 Residual fertilizer N amount (g/column) 0—15 cm 15—30 cm 30—50 cm 50—70 cm 70—90 cm 总计 Total U 0.106 b 0.082 a 0.075 a 0.020 a 0.007 a 0.290 a HAU 0.120 a 0.087 a 0.068 a 0.011 b 0.008 a 0.293 a 注（Note）：U—尿素 Urea；HAU—腐殖酸尿素 Humic acid urea. 同列数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant differences between treatments ( P < 0.05).

植物吸收、土壤残留和损失是施入土壤中肥料氮的主要去向。本研究中，当季玉米植株地上部和土壤总回收的肥料氮超过60% (表6)。其中，HAU处理每柱玉米地上部对肥料氮的吸收量比U处理高0.072 g，氮肥利用率相应增加了4.8个百分点。HAU处理每柱肥料氮的损失量和损失率分别为0.524 g和34.9%，比U处理分别降低了0.075 g和5.1个百分点。两施氮处理下，肥料氮在0—90 cm土层中总残留量差异不显著。

表6(Table 6)

表6 不同处理肥料氮的去向 Table 6 Fate of fertilizer N under different treatments

表6 不同处理肥料氮的去向 Table 6 Fate of fertilizer N under different treatments 处理Treatment 玉米吸收 Maize uptake 土壤残留 Soil residue 损失 Loss 吸收量 (N g/column)Uptake 利用率 (%) Use efficiency 残留量 (N g/column)Residue 残留率 (%) Residue rate 损失量 (N g/column)Loss 损失率 (%) Lost rate U 0.611 ± 0.012 b 40.7 0.290 ± 0.004 a 19.3 0.599 ± 0.001 a 40.0 HAU 0.683 ± 0.056 a 45.5 0.293 ± 0.003 a 19.5 0.524 ± 0.006 b 34.9 注（Note）：U—尿素 Urea；HAU—腐殖酸尿素 Humic acid urea. 同列数据后不同小写字母表示处理之间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different small letters in the same column indicate significant differences between treatments ( P < 0.05).

本研究中，腐植酸尿素处理玉米地上部及其各器官的干物质量显著高于普通尿素处理 (P < 0.05)( 表3)，这与庄振东等^[21]、李兆君等^[22]的结果一致。然而，两个处理玉米植株地上部各器官干物质量占该植株地上部干物质总量的比例均未达到显著性差异，说明腐植酸尿素施用对玉米地上部干物质分配影响不大，这与胡昊等^[24]的研究结果一致，其认为施肥主要影响玉米某些器官干重和元素绝对量，而不改变相对量。因此，腐植酸尿素对玉米干物质量的影响主要是通过促进玉米整体的生长而非影响干物质在某个器官中的分配比例来实现的。

穗粒数和粒重是单株玉米籽粒产量构成的决定性因素^[25]，穗粒数比粒重更容易受到氮素供应和水分等环境因素的影响^[26–28]。本研究中，不同处理间玉米的百粒重差异不显著，穗粒数则以CK < U < HAU；施用腐植酸尿素与对照相比，显著提高了玉米的穗粒数 ( P < 0.05) ( 表4)。表明腐植酸尿素对玉米籽粒产量的提高主要是通过增加穗粒数而实现的。这可能是由于腐植酸所具有的羧基和酚羟基等酸性官能基团能够与尿素的酰胺基发生作用，形成腐植酸—脲络合物^[7]，该物质能够延缓尿素的释放时间^[29]，保证玉米生长过程中氮素的持续供应，从而优化了玉米生长环境，促进了玉米的生长和穗粒数的增加，提高了玉米籽粒产量。

作物吸收、土壤残留和损失是氮肥进入土壤—作物系统后的三个基本去向。¹⁵N示踪研究结果表明，普通尿素氮的利用率、残留率和损失率分别为40.7%、19.3%和40.0%；而腐植酸尿素氮对应的数值分别为45.5%、19.5%和34.9%。可见，腐植酸尿素施用显著地促进了玉米对肥料氮的吸收，降低了肥料氮的损失，而对其在土壤中的总残留量影响不显著。与庄振东等^[21]的研究结果相比，本试验中肥料氮的利用率偏高，这可能与气候条件、品种和施肥量等密切相关^[30]。

本研究中，HAU处理玉米地上部肥料氮吸收量及利用率均显著高于普通尿素U处理 (表6)(P < 0.05)，究其原因，可能是由于腐植酸与尿素结合后所形成的化学键具有较高的化学稳定性和热稳定性，减缓了肥料中氮素的释放，延长了氮肥肥效，氮素供应更加符合玉米生长及需氮规律，从而使肥料氮利用率得以提高 ^[31]。土壤氮素是植物吸收氮素的主要来源，即使在施用大量化肥的情况下，作物吸收的氮素仍约有50%来自土壤，甚至超过70%^[17]。石德杨^[32]的研究结果表明，土壤氮对夏玉米的贡献率为69.2%～75.4%；而潘晓丽等^[33]则指出，夏玉米吸收肥料氮与土壤氮的比例接近1∶1，且随着土壤肥力水平提高玉米吸收肥料氮比例下降。玉米生长过程中，不考虑降水及灌溉所带入的氮素，植株吸收的氮素来源有两种：土壤的氮素和施入肥料的氮素。通过对本试验中玉米吸收的氮素来源进行分析，发现U和HAU处理玉米吸收肥料氮分别占其总吸氮量的20.3%和17.1%，而吸收的土壤氮则占总吸氮量的80%左右，表明对土壤氮的吸收比例高于其他研究结果，这可能与本试验中氮素用量和土壤基础地力较低 (0—20 cm土壤全氮含量为0.78 g/kg) 有关^{[30, 34]}；此外，HAU处理的土壤氮吸收比例高于U处理，说明腐植酸尿素处理玉米对土壤氮的吸收量增加，这可能与腐植酸尿素刺激了土壤有机氮的释放相关^[15]。

土壤中残留的肥料氮是对以上刺激作用的一种补偿^[30]。本研究中残留的肥料氮主要集中在施肥层 (0—30 cm)，下层残留量逐渐减少，但是，70—90 cm土层中依旧有肥料氮的残留。由此推断，在90 cm以下土层可能会有肥料氮的残留，肥料氮的实际残留量可能会略高于测定值。通过比较两种氮肥处理肥料氮残留的差异发现，尽管其残留总量差异不显著，但不同土层的残留量却存在差异，主要体现在HAU处理0—30 cm各土层残留肥料氮高于U处理，而30—70 cm的各土层则低于U处理，说明腐植酸尿素施用降低了土壤氮素的淋溶，这与刘方春等^[35]的研究结果相似，认为腐植酸缓效肥料在一定程度上可抑制硝态氮的淋溶。因此，腐植酸尿素施用具有更好的环境效应。此外，肥料氮在0—30 cm土层残留多，向下淋溶少，能够更好地满足植物根系需肥特性，从而更有利于作物生长，这也在一定程度上解释了腐植酸尿素施用促进玉米生长和提高玉米产量的原因。

普通尿素中添加一定比例的腐植酸可显著促进玉米地上部各器官生长及干物质量，但不影响其在各器官中的分配比例。腐植酸尿素主要通过增加玉米穗粒数，籽粒产量提高14.17%。腐植酸尿素可增强玉米对肥料氮的吸收，使肥料氮利用率比普通尿素增加了4.80个百分点，肥料氮损失率降低5.1个百分点；添加腐植酸与否，对0—90 cm层次土壤中肥料氮总残留量无显著影响，但腐植酸尿素残留的肥料氮更多保持在0—15 cm土层，有利于后茬作物利用。