化肥有機替代對河南冬小麥氮素利用效率的影響

杜君，劉杰，楊占平*，孫克剛，和愛玲，張運紅，楊煥煥

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所 河南省農(nóng)業(yè)生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.北京農(nóng)學(xué)院 植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206)

施肥對作物的產(chǎn)量有重大的影響，而化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入中的重要因素[1-2]。據(jù)FAO統(tǒng)計，化肥對糧食產(chǎn)量的貢獻率達50%左右[3]。近年來我國化肥施用量每年增長2.8%，2014年我國化肥施用量達358 kg·hm-2，是世界平均水平的3.9倍?；视昧康牟粩嗵岣吆兔つ渴┯?，不僅導(dǎo)致氮肥利用率下降，而且還導(dǎo)致土壤酸化、土壤板結(jié)和土壤污染等一系列與土壤質(zhì)量及農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量有關(guān)的問題日益凸現(xiàn)[4-8]。同時，隨著畜禽規(guī)模養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，畜禽養(yǎng)殖污染成為我國農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[9-13]。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生約38億t畜禽糞便，大量集中產(chǎn)生的畜禽養(yǎng)殖污染，給生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。推進畜禽糞污等農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用，研究農(nóng)田施肥有機替代化肥，合理增施有機肥，既可將畜禽糞便和作物秸稈變廢為寶，又能改善土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)[14-17]。

對于小麥氮素積累與運轉(zhuǎn)以及氮肥利用率，前人已從肥料種類和氮肥運籌等方面進行了大量研究[18-19]。如研究發(fā)現(xiàn)，隨施氮量的增加，小麥營養(yǎng)器官的氮素運轉(zhuǎn)率顯著提高，但過量施用氮肥則不利于小麥干物質(zhì)累積和氮肥利用率的提高[20-21]。對于有機替代化肥對小麥氮素利用效率的影響研究報道較少，還需進一步系統(tǒng)研究和綜合評價。本研究通過有機替代化肥，研究冬小麥對氮肥的表觀利用率、殘留和損失量的影響，旨為探討研究區(qū)更適宜的有機替代化肥比例，為促進氮肥高效利用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2017年10月至2018年6月在河南省新鄉(xiāng)縣翟坡鎮(zhèn)進行。土壤屬中壤質(zhì)潮土，容重 1.30 g·cm-3，pH 7.5，有機質(zhì) 16.5 g·kg-1，全氮 1.02 g·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效鉀262 mg·kg-1。

供試肥料尿素(N，46.2%)，過磷酸鈣(P2O5，12%)，氯化鉀(K2O，60%)，普通復(fù)合肥(N，P2O5，K2O含量分別為25%，13%，7%)，炭基有機肥(有機質(zhì)46%，N含量1.5%)，腐植酸有機肥(腐植酸含量≥30%，N含量2.3%)和生物有機肥(有機質(zhì)≥45%，N含量1.8%，有效活菌數(shù)≥0.2億·g-1)。供試小麥品種為新麥26。

1.2 處理設(shè)計

在施氮量為180 kg·hm-2水平下設(shè)置不施氮對照(CK)，普通復(fù)合肥全量，腐植酸有機肥+有機替代20%，炭基有機肥+有機替代20%和生物有機肥+有機替代20%等5個處理。小區(qū)面積20 m2(4 m×5 m)，重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。氮肥基追比為6∶4，在小麥返青期追肥。磷肥(P2O5)90 kg·hm-2和鉀肥(K2O)60 kg·hm-2全部作基肥施入。其他田間管理按常規(guī)措施進行。

1.3 采樣與測定方法

小麥成熟后，每小區(qū)選取1 m2小麥全部收割，脫粒后分別計產(chǎn)。按常規(guī)分析方法測定秸稈和籽粒中的全氮含量。籽粒和秸稈樣品用硫酸-過氧化氫消煮，用凱氏定氮法測氮含量。

氮肥表觀利用率(U利用)以肥力差法表示：

U利用=N-NCK；

式中N為施肥處理植株全氮，NCK為對照處理植株全氮。

氮肥表觀殘留率(R殘留)以0～100 cm土壤累積殘留氮表示：

U殘留=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

式中N后為收獲后土壤總氮，N前為種植前土壤總氮，NCK后為收獲后對照處理土壤總氮，NCK前為種植前對照處理土壤總氮。

V損失=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

氮肥表觀氣態(tài)損失率(G損失率)和氮肥表觀氣態(tài)損失量(G損失量)：

G損失率=1-利用率-殘留率-淋溶損失率；

G損失率=G損失率×施氮量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥利用效率

表1表明，在相同施氮水平下，氮肥表觀利用率，腐殖酸有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高24.3%，其次是微生物有機肥處理，比普通化肥全量處理提高了12.2%，而炭基有機肥處理與微生物有機肥處理之間無顯著差異，且炭基有機肥處理與普通化肥處理之間差異也不顯著；氮肥農(nóng)學(xué)效率3個有機替代處理也均高于普通化肥全量處理，但3個處理間差異不顯著；氮肥偏生產(chǎn)力3個有機替代處理均與普通化肥全量處理無顯著差異。氮肥生理利用率3個有機替代處理均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基肥有機替代處理最高，為36.86 kg·kg-1。

表1 不同施肥處理氮肥利用率表現(xiàn)

2.2 氮肥表觀殘留率

從表2來看，在相同施氮量下有機替代20%的3個有機肥處理，其氮肥表觀殘留量均顯著高于普通復(fù)合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高27.4%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別比普通化肥全量處理提高20.5%和15.8%。結(jié)果表明施用有機肥可顯著提高土壤中的氮肥殘留量，能較施用無機肥表現(xiàn)出更好的后茬效應(yīng)。

表2 不同施肥處理氮肥表觀殘留表現(xiàn)

2.3 氮肥表觀淋溶損失率

從表3來看，3個有機肥處理的氮肥表觀淋溶損失量均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最低，為32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低23.3%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低18.0%和13.2%。這說明在有機替代20%條件下，能顯著降低氮肥表觀淋溶損失量，平均降低13.2%～23.3%。

表3 不同施肥處理氮肥表觀淋溶損失表現(xiàn)

2.4 氮肥表觀氣態(tài)損失率

從表4結(jié)果分析，有機替代20%的3個處理，其氮肥表觀氣態(tài)損失量均顯著低于普通復(fù)合肥全量處理。其中，腐植酸有機肥處理最低，氣態(tài)損失量為16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低51.6%；其次是炭基有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為23.06和24.80 kg·hm-2，分別降低33.9%和28.9%。這說明在有機替代20%條件下，能顯著降低氮肥表觀氣態(tài)損失量，平均降低28.9%～51.6%。

表4 不同施肥處理氮肥表觀氣態(tài)損失表現(xiàn)

3 小結(jié)與討論

在相同施氮水平下，與普通化肥全量處理相比，3個有機替代處理的氮肥表觀利用率顯著提高，其中，腐殖酸有機肥替代處理最高，比對照處理提高24.3%，其次是微生物有機肥替代處理，氮肥農(nóng)學(xué)效率也均顯著高于普通化肥全量處理；氮肥偏生產(chǎn)力均與普通化肥全量處理無顯著差異；氮肥生理利用率均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基肥有機肥替代處理較高，為36.86 kg·kg-1。

有機替代20%處理能顯著提高氮肥表觀殘留量。3個有機肥處理的氮肥表觀殘留量均顯著高于普通復(fù)合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高27.4%，其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別比普通化肥全量處理提高20.5%和15.8%。有機替代能顯著降低氮肥表觀淋溶損失量。3個有機肥處理的氮肥表觀淋溶損失量均顯著低于普通復(fù)合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最低，為32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低23.3%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低18.0%和13.2%。有機替代能顯著降低氮肥表觀氣態(tài)損失量。3個有機肥處理的氮肥表觀氣態(tài)損失量均顯著低于普通化肥處理，其中，腐植酸有機肥處理最低，為16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低51.6%；其次是炭基有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為23.06和24.80 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低33.9%和28.9%。

當(dāng)前我國化肥施用普遍存在施用量過大、盲目施肥及施肥量不均衡、施用結(jié)構(gòu)不均衡和施肥方式不完善等突出問題，導(dǎo)致化肥利用效率普遍較低以及生態(tài)環(huán)境負荷增加。肥料利用率的提高是決定化肥增產(chǎn)效果的主要因素，一般認為，施肥量越大，肥料利用率越小。前人研究[22-23]也表明，隨著施氮量增加氮肥利用率反而遞減，在低施氮水平下單施尿素可有效提高肥料利用率，而在高氮水平下單施化肥其利用率會降低。由于有機肥的特性，單施有機肥其表觀肥料利用率最低。化肥有機替代就是用有機肥替代一部分化肥用量，這不僅可提高化肥利用率、減少土壤養(yǎng)分固定，更重要的是可提高土壤肥力、減少化肥的環(huán)境負荷[24]。本研究所選的3種有機肥部分替代化肥不但能顯著提高氮肥表觀利用率，還提高了氮肥表觀殘留量。前人研究[25-27]表明，氮素可存留于土壤中，對后季作物貢獻較大，可一定程度上提高肥料利用率。有研究表明化肥配施有機肥處理的淋溶損失量低于單施化肥處理[28-29]，這也與本研究結(jié)果相符。

本研究結(jié)果表明，單施化肥處理以及有機替代20%的3個有機肥處理，其氮肥表觀利用率為30.4%～37.8%，平均33.7%。殘留于土壤中的肥料氮占施氮量的26.6%～36.7%，平均32.1%。損失途徑中淋溶損失占施氮量的18.1%～23.6%，平均20.4%；氣態(tài)損失占肥料施氮量的9.4%～19.4%，平均13.8%。分析可知，氮肥施入土壤后，能被當(dāng)季作物利用的僅占1/3，而以各種途徑損失以及殘留于土壤的量占2/3，這也與前人研究結(jié)果相似[30]。另有研究表明[31]，肥料施入土壤中大約會有30%～50%經(jīng)土壤淋溶進入地下水而損失，本研究結(jié)果較此研究低。