有機(jī)肥氮替代部分化肥氮對冬小麥產(chǎn)量及氮素利用的影響

劉學(xué)彤 黃少輝 邢素麗 楊云馬 賈良良 王洪信 王桂鋒 楊軍方

摘要：為探究適宜河北省低平原區(qū)冬小麥生產(chǎn)中有機(jī)肥氮替代化肥氮的最佳替代率，采用田間試驗(yàn)研究不同比例有機(jī)肥氮替代化肥氮對冬小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收及氮素利用的影響。結(jié)果表明：在推薦施氮量240 kg/hm時(shí)，有機(jī)肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）處理的冬小麥產(chǎn)量最高，達(dá)6 145.7 kg/hm，有機(jī)肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）處理的冬小麥產(chǎn)量為5 918.8 kg/hm，均與單施化肥OPT處理無顯著差異;在有機(jī)肥氮處理中，隨有機(jī)肥氮比例的增加，小麥產(chǎn)量逐漸降低。OPT-15%M處理在整個(gè)生育期土壤無機(jī)氮含量較OPT處理低5.2%～13.9%，但較其余有機(jī)肥氮替代處理仍能維持較高水平，可以保證小麥對氮素的需求。OPT-15%M處理的小麥吸氮量為211.5 kg/hm，與OPT處理幾乎無差異，OPT-30%M處理的小麥吸氮量為203.6 kg/hm，與FP處理幾乎無差異，且OPT-15%M處理和OPT-30%M處理的冬小麥氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥利用率均高于FP處理，表現(xiàn)較好。綜上，在河北省低平原中低產(chǎn)田區(qū)，在施氮量為240 kg/hm時(shí)，有機(jī)肥氮替代15%～30%的化肥氮適宜該區(qū)冬小麥生產(chǎn)，可以在整個(gè)生育期有效調(diào)控土壤養(yǎng)分供應(yīng)，滿足作物不同時(shí)期養(yǎng)分需求，可在保持產(chǎn)量穩(wěn)步提升的基礎(chǔ)上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥氮;化肥氮;冬小麥產(chǎn)量;氮素利用;替代率

中圖分類號：S158.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0071-05

收稿日期：2021-08-03

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號：2017YFD0201707）;河北省農(nóng)林科學(xué)院創(chuàng)新工程（編號：2021-4-6-3）;河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目。

作者簡介：劉學(xué)彤（1991—），女，河北平山人，碩士，助理研究員，主要從事作物養(yǎng)分資源管理與土壤肥力培育等研究。E-mail：liuxuetong349@163.com。

通信作者：楊軍方，副研究員，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分管理與施肥技術(shù)等研究。E-mail：linsky4316@163.com。

氮素是作物生長最重要的元素之一，隨著人口的增長，氮肥需求也在增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有48%的人口依賴肥料投入生產(chǎn)糧食，其中化肥氮對糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)達(dá)到30%～50%，氮肥為全世界的糧食安全做出了重大貢獻(xiàn)。我國是目前化肥施用量最大的國家，施用過量的化肥同時(shí)也會導(dǎo)致嚴(yán)重的資源效率下降和生態(tài)環(huán)境問題，氮肥施用是目前我國化肥面源污染的主要風(fēng)險(xiǎn)。我國總化肥施用在1994年由環(huán)境安全轉(zhuǎn)為低度風(fēng)險(xiǎn)，其中氮單質(zhì)化肥施用已在1988年由環(huán)境安全轉(zhuǎn)為低度風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，并呈上升趨勢，到2014年化學(xué)氮肥風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.54，原農(nóng)業(yè)部提出，力爭到2020年實(shí)現(xiàn)“化肥零增長目標(biāo)”，因此氮肥減施成為必然趨勢。目前有機(jī)無機(jī)肥料配施的有機(jī)氮替代模式成為氮肥減施的重要措施之一，其能改善土壤氮素供應(yīng)過程，使土壤養(yǎng)分平穩(wěn)釋放，減少農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失，具有培肥土壤、防止土壤酸化和鹽漬化、提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益等諸多作用，是解決我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的辦法與途徑之一。2015年農(nóng)業(yè)部印發(fā)的《耕地質(zhì)量保護(hù)與提升行動方案》中明確指出“到2020年，畜禽糞便養(yǎng)分還田率達(dá)到60%、提高10百分點(diǎn)，農(nóng)作物秸稈養(yǎng)分還田率達(dá)到60%以上、提高25百分點(diǎn)以上”，有力推動了有機(jī)肥行業(yè)的發(fā)展。

已有的大量研究均表明有機(jī)肥和無機(jī)肥配施可提高作物產(chǎn)量及氮肥利用率。趙征宇等研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)氮與無機(jī)氮比例為3∶2時(shí)番茄增產(chǎn)效果較好;陶磊等在北疆綠洲滴灌棉田的研究表明常規(guī)施肥減量20%～40%配施3 000、6 000 kg/hm有機(jī)肥不會導(dǎo)致棉花減產(chǎn);劉紅江等研究表明50%有機(jī)肥處理在確保水稻高產(chǎn)的同時(shí)，可減少農(nóng)田地表徑流水體總氮流失量和流失率。目前多數(shù)研究主要集中于有機(jī)肥與無機(jī)肥配施對棉花、番茄等經(jīng)濟(jì)作物的增產(chǎn)增效，而對中低產(chǎn)田區(qū)冬小麥有機(jī)肥替代潛力的研究甚少。本研究主要以畜禽糞便為有機(jī)肥源，研究推薦施氮條件下，不同比例有機(jī)氮替代化肥氮對冬小麥養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量及氮素利用的影響，在保證穩(wěn)產(chǎn)的前提下，明確有機(jī)氮替代化肥氮的適宜比例，為河北省低平原區(qū)中低產(chǎn)田冬小麥生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2018年10月至2019年6月在河北省衡水市冀州區(qū)沃源農(nóng)場進(jìn)行，該區(qū)地處河北省平原區(qū)（37.57°N，115.57°E），海拔21.5～26.5 m，屬大陸性暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫 12.7～13.3℃，年均降水量500～600 mm，降水季節(jié)性分布不均。該區(qū)域的種植制度為冬小麥/夏玉米一年兩熟制。供試土壤屬于中壤質(zhì)潮土，試驗(yàn)前0～20 cm 土層基礎(chǔ)理化性狀為：有機(jī)質(zhì)含量 15.3 g/kg，全氮含量1.05 g/kg，有效磷含量 12.54 mg/kg，速效鉀含量 117.5 mg/kg，pH值8.37。供試作物為小麥，品種為石農(nóng)086。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在等磷、鉀的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同比例有機(jī)肥氮替代化肥氮，共6個(gè)處理：對照（CK），不施氮肥;農(nóng)民常規(guī)施肥習(xí)慣（FP）;推薦施肥（OPT）;推薦施肥基礎(chǔ)上有機(jī)肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）;推薦施肥基礎(chǔ)上有機(jī)肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）;推薦施肥基礎(chǔ)上有機(jī)肥氮替代45%化肥氮（OPT-45%M）。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積48 m（8 m×6 m）。各處理養(yǎng)分施用量見表1，其中，化肥氮為尿素（N 46%），磷肥為重鈣（PO 43%），鉀肥為氯化鉀（KO 60%），有機(jī)肥為牛糞。磷、鉀肥在播種前作為基肥隨整地全部底施;FP和OPT處理尿素基肥追肥各半，其中基肥隨整地施入，追肥在拔節(jié)期追施;含有機(jī)肥的處理，氮基肥追肥各半，其中有機(jī)肥均在播種前作為基肥隨整地全部底施，剩余部分氮用尿素補(bǔ)齊，追肥尿素在拔節(jié)期追施。其他管理同一般田間管理。

1.3 樣品采集

土壤樣品的采集：在小麥生長的返青、拔節(jié)、揚(yáng)花、灌漿、成熟期， 每個(gè)小區(qū)用土鉆取3個(gè)點(diǎn)的0～20 cm土層土壤樣品，充分混合，然后將采集到的新鮮土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃以下冰箱儲存。用1 mol/L KCl溶液浸提，AA3流動分析儀測定土壤無機(jī)氮的含量。

植株樣品的采集：在小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取2個(gè)1 m的樣點(diǎn)收獲取樣，然后將籽粒和秸稈風(fēng)干后稱量，用于計(jì)算每個(gè)小區(qū)的單位面積籽粒產(chǎn)量和秸稈量。每個(gè)小區(qū)取1個(gè)1 m雙行的植株樣品，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，將樣品按秸稈和籽粒分開稱取干質(zhì)量后粉碎，用于籽粒和秸稈的N、P、K含量分析。全N含量用HSO-HO消化-凱氏法測定，全P含量用HSO-HO消化-鉬銻抗比色法測定，全K含量用HSO-HO消化-火焰分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2007分析軟件進(jìn)行各處理作物吸氮量、氮肥利用率、氮肥農(nóng)學(xué)效率以及氮肥偏生產(chǎn)力等的計(jì)算，采用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以上參數(shù)的計(jì)算公式如下：

作物吸氮量（kg/hm）=植株含氮量（%）×地上部生物量（kg/hm）;

氮肥利用率（%）=[施氮處理作物的地上部吸氮量（kg/hm）-對照處理作物的地上部吸氮量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）×100%;

氮肥農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）=[施氮處理作物產(chǎn)量（kg/hm）-對照處理作物產(chǎn)量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）;

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）=施氮處理作物產(chǎn)量（kg/hm）/施氮量（kg/hm）。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)氮替代部分化肥氮對冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

由表2可知，本研究中，施用氮肥可以顯著提高冬小麥產(chǎn)量。與不施氮肥（CK）相比，各施氮肥處理可使冬小麥產(chǎn)量增加20.9%～29.2%，其中，OPT-15%M處理產(chǎn)量最高，達(dá)6 145.7 kg/hm;OPT-45%M處理產(chǎn)量最低，為5 750.6 kg/hm，二者之間差異顯著（P<0.05）。在推薦施氮基礎(chǔ)上，隨有機(jī)氮替代比例的增加冬小麥產(chǎn)量呈下降趨勢，其中OPT-15%M處理冬小麥產(chǎn)量略高于OPT處理，二者之間無顯著性差異;OPT-30%M處理的冬小麥產(chǎn)量為5 918.8 kg/hm，與OPT-15%M處理和OPT處理均無顯著性差異;而OPT-45%M處理冬小麥產(chǎn)量與OPT處理無顯著性差異，但顯著低于OPT-15%M處理。從產(chǎn)量和化肥減施角度來看，在推薦施氮量基礎(chǔ)上有機(jī)氮替代15%～30%化肥氮既能減少化肥投入，又能保持較高的產(chǎn)量水平，因此該區(qū)域有機(jī)氮替代化肥氮的適宜比例為15%～30%。

從冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子來看，施用氮肥主要是增加了小麥群體數(shù)量和穗粒數(shù)。在推薦施氮基礎(chǔ)上，有機(jī)氮替代各處理隨替代比例的增加冬小麥群體數(shù)量和穗粒數(shù)呈下降趨勢，但與OPT處理沒有顯著差異。各處理千粒質(zhì)量無顯著差異。表明該區(qū)域氮肥減施，有機(jī)氮部分替代具有可行性。

2.2 有機(jī)氮替代部分化肥氮對土壤供氮特征的影響

有機(jī)氮替代部分化肥氮小麥各生育期土壤無機(jī)氮含量變化見圖1。不同施肥處理土壤無機(jī)氮含量變化趨勢相同，各處理土壤無機(jī)氮含量均隨小麥生育期的延長呈下降趨勢，且各施用氮肥處理的土壤無機(jī)氮含量均大于CK處理。與農(nóng)民常規(guī)施肥處理（FP）和推薦施肥處理（OPT）相比，氮肥有機(jī)替代各處理在小麥各生育期土壤無機(jī)氮含量均低于前兩者，尤其是OPT-30%M和OPT-45%M在返青期分別比OPT處理低28.3%和38.9%，在拔節(jié)期分別比OPT處理低22.5%和32.2%，且在返青期和拔節(jié)期降幅較大，不利于群體構(gòu)建和穗粒數(shù)增加;而FP處理在返青期、拔節(jié)期土壤無機(jī)氮含量過高，容易造成前期生長過旺，群體大，后期易倒伏現(xiàn)象。到生育后期（灌漿成熟期），各施氮肥處理土壤無機(jī)氮含量較接近，且明顯高于CK處理。氮肥有機(jī)替代15%（OPT-15%M）處理在整個(gè)生育期土壤無機(jī)氮含量較OPT處理低5.2%～13.9%，但較其余有機(jī)替代處理仍能維持較高水平，尤其在生長后期（灌漿期），與OPT處理差異較小，可以保證小麥灌漿對氮素的需求，因此，該區(qū)域冬小麥生產(chǎn)中，有機(jī)氮替代15%的化肥氮在整個(gè)生育期可以滿足土壤供氮能力。

2.3 有機(jī)氮替代部分化肥氮對冬小麥氮肥利用率的影響

有機(jī)氮替代部分化肥氮冬小麥氮肥利用率見表3。施氮處理的小麥地上部吸氮量均大于CK，增幅為31.7%～40.4%，這表明施氮肥可以提高小麥地上部氮素吸收。其中，OPT-15%M處理的小麥地上部吸氮量最大，為211.5 kg/hm，其次是OPT處理;OPT-45%M處理的冬小麥地上部吸氮量較低，為198.4 kg/hm，較OPT-15%M處理低6.2%。OPT-15%M處理的小麥地上部吸氮量可以達(dá)到和OPT處理相近的效果，OPT-30%M處理雖然低于前兩者，但也可以達(dá)到和FP處理相近的效果，綜合考慮，在推薦施肥基礎(chǔ)上有機(jī)氮替代15%～30%化肥氮對促進(jìn)該區(qū)域的冬小麥地上部氮素吸收是可行的。

各施氮肥處理的小麥氮肥農(nóng)學(xué)效率為4.0～5.8 kg/kg，其中OPT-15%M處理最高，其次是OPT處理，為5.4 kg/kg;而OPT-45%M處理和FP處理較低，分別為4.1 kg/kg和4.0 kg/kg。表明有機(jī)肥的施用在一定合理的替代比例范圍內(nèi)才能提高氮肥的籽粒產(chǎn)出量。各處理的氮肥偏生產(chǎn)力為19.9～25.6 kg/kg，最高為OPT-15%M處理，其次為OPT處理（25.2 kg/kg），二者幾乎無差異;最小為FP處理（19.9 kg/kg）。氮肥利用率為19.0%～25.4%，最高為OPT-15%M處理，其次為OPT處理（24.8%），最小為FP處理。FP處理的氮肥農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力以及氮肥利用率均較低，表明較高的施氮量并沒有帶來較高的產(chǎn)量和效益，在該區(qū)域氮肥減施是必然結(jié)果。OPT-45%M處理的吸氮量、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥利用率也均表現(xiàn)為較低，主要是因?yàn)楫a(chǎn)量較低，這也表明有機(jī)氮替代化肥氮過高同樣不利于小麥產(chǎn)量的提高;而有機(jī)氮替代15%化肥氮處理氮肥利用效率表現(xiàn)較好，在增加氮素吸收量、提高氮肥利用率方面是可行的。

3 討論與結(jié)論

有機(jī)無機(jī)肥料配合施用能夠使肥效緩而長，不僅能減少化肥氮的損失，同時(shí)能有效協(xié)調(diào)養(yǎng)分供應(yīng)，為作物提供足夠的氮素營養(yǎng)，及時(shí)滿足作物生長對養(yǎng)分的需求，增加作物產(chǎn)量。眾多研究表明，不同比例有機(jī)肥無機(jī)肥配施對作物產(chǎn)量的影響不同。陳志龍等在蘇南地區(qū)黃棕壤上的研究表明有機(jī)肥氮替代25%化肥氮對小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的提高效果較好。楊曉梅等在華北褐土上的研究發(fā)現(xiàn)，35%和50%的有機(jī)肥氮替代率在提高冬小麥產(chǎn)量和氮肥利用率方面效果較佳。李豐豐等研究表明，90%的傳統(tǒng)測土配方施肥量+有機(jī)肥（2 250 kg/hm）模式下稻茬小麥產(chǎn)量及氮肥利用率均較好。有機(jī)無機(jī)肥配施比例因地區(qū)、土壤類型、土壤基礎(chǔ)地力水平、耕作模式、有機(jī)肥養(yǎng)分含量等有差異。本研究中，在河北省中低產(chǎn)田區(qū)施氮量為240 kg/hm時(shí)，有機(jī)肥料氮替代率15%能夠獲得高產(chǎn)，但本試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，只代表短期效應(yīng)。鄭鳳霞等利用4年的定位試驗(yàn)表明，在施氮量為180 kg/hm時(shí)，尿素和牛糞的比例為1∶1（即有機(jī)肥氮替代率50%）可降低氨揮發(fā)損失，提高籽粒產(chǎn)量，可實(shí)現(xiàn)冬小麥高產(chǎn)與肥料高效協(xié)同。而本研究中，施氮量為240 kg/hm時(shí)，有機(jī)肥氮替代率45%的處理已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的產(chǎn)量下降，這一方面是因?yàn)樵搮^(qū)域?qū)儆诤颖笔≈械彤a(chǎn)田區(qū)，土壤肥力較低，不能為作物提供充足的養(yǎng)分需求;另一方面可能與有機(jī)肥施用年限有關(guān)，本試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，有機(jī)肥肥效緩慢，有機(jī)肥施入后對土壤質(zhì)量的提升是一個(gè)緩慢的過程，有研究表明，有機(jī)肥施入土壤后大約5～8年時(shí)間土壤有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到一個(gè)最高點(diǎn)，然后保持穩(wěn)定。

眾多研究表明，大量施用氮肥會造成土壤氮素殘留累積，且氮肥施用量越高，會使土壤的硝態(tài)氮累積增多，增加硝酸鹽向深層淋溶污染風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，F(xiàn)P和OPT處理在收獲后表層土壤無機(jī)氮含量比含有機(jī)肥處理的略高，這可能是化肥與有機(jī)肥綜合作用的結(jié)果。一方面FP和OPT處理速效氮肥施用量高，土壤速效氮?dú)埩舾?另一方面有機(jī)無機(jī)肥配施可以增加土壤微生物活性，調(diào)控土壤氮素的固持和釋放，同時(shí)也可以抑制土壤氨揮發(fā)，減少氮素?fù)p失。從整個(gè)生育期土壤無機(jī)氮的變化特征來看，隨著生育期的推進(jìn)，各處理耕層土壤無機(jī)氮含量逐漸下降，且各施氮處理土壤無機(jī)氮含量隨有機(jī)肥氮所占比例的增大而降低，這與井永蘋等的研究結(jié)果一致，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施可以減少硝態(tài)氮向深層土壤的遷移，降低深層土壤硝態(tài)氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。

目前，我國生產(chǎn)中普遍存在化肥施用量高，肥料利用率低等現(xiàn)象，2015年農(nóng)業(yè)部提出了到2020年“化肥使用量零增長目標(biāo)”，因此合理施用化肥，提高肥料利用率是關(guān)鍵之一，而采用有機(jī)肥氮替代化肥氮的方法是降低農(nóng)田氮肥投入、增加養(yǎng)分利用、提高肥料利用率的一種有效措施。本研究中，OPT-15%M處理的氮肥利用率為25.4%，高于OPT處理（24.8%），且氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥偏生產(chǎn)力均較高，產(chǎn)量也較其他有機(jī)肥處理高;OPT-30%M處理的氮肥利用率為22.1%，高于FP處理（19.0%），產(chǎn)量也與OPT和FP處理無顯著差異。因此，在化肥減施的大背景下，既要保持產(chǎn)量穩(wěn)步提升，又要減少化肥施用量的投入，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，有機(jī)肥氮替代15%～30%化肥氮是最佳選擇。

河北低平原中低產(chǎn)田區(qū)在施氮量為 240 kg/hm 時(shí)，有機(jī)肥氮替代15%～30%的化肥氮適宜該區(qū)冬小麥生產(chǎn)，可以在整個(gè)生育期有效調(diào)控土壤養(yǎng)分供應(yīng)，滿足作物不同時(shí)期養(yǎng)分需求，在保持產(chǎn)量穩(wěn)步提升的基礎(chǔ)上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

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