有機(jī)氮替代部分無機(jī)氮對砂姜黑土冬小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響

李太魁 寇長林 郭戰(zhàn)玲 張香凝

摘要：以百農(nóng)207為試驗(yàn)材料，在氮磷鉀用量一致的基礎(chǔ)上，研究有機(jī)肥和無機(jī)化肥配施比例對冬小麥產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、氮素利用率的影響。結(jié)果表明，純無機(jī)化肥和有機(jī)肥無機(jī)肥配施均能提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，與對照相比，純無機(jī)化肥處理土壤耕層有機(jī)質(zhì)含量增加10.83%，有機(jī)肥無機(jī)肥配施增加11.81%～26.97%，土壤有效磷與速效鉀含量變化趨勢與有機(jī)質(zhì)含量變化趨勢基本一致。有機(jī)肥無機(jī)肥配施小麥產(chǎn)量比不施肥的增產(chǎn)幅度為3591%～46.58%，比常規(guī)施肥增產(chǎn)幅度為5.85%～1416%，其中以有機(jī)肥氮替代60%無機(jī)肥氮（60%OM）處理產(chǎn)量最高，年產(chǎn)量達(dá)8 434 kg/hm2，40%OM處理次之。相對于常規(guī)施肥處理較高的氮肥利用率（36.13%），40%OM和60%OM處理氮肥利用率分別高達(dá)46.64%、47.88%，高于常規(guī)施肥處理，氮素表觀損失量分別為7031、59.70 kg/hm2，低于常規(guī)施肥處理（126.18 kg/hm2）。說明在等氮量條件下，以40% 和60% 有機(jī)肥氮替代無機(jī)肥氮不但提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量、作物產(chǎn)量和氮肥利用率，還可以降低氮素表觀損失量，獲得較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。因此，有機(jī)肥替代部分無機(jī)化肥是河南省砂姜黑土區(qū)冬小麥的推薦施肥措施。

關(guān)鍵詞：有機(jī)肥;砂姜黑土;冬小麥;產(chǎn)量;氮肥利用率

中圖分類號：S512.1+10.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0097-05

化肥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要保證，伴隨農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量提高的同時(shí)，化肥用量一直在不斷增加，尤其是氮肥占化肥用量的比例在不斷上升，這已引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境問題，如土壤板結(jié)、土壤酸化、地下水污染等[1]。有機(jī)肥含有大量作物生長所需的營養(yǎng)元素，一直用于改善土壤肥力和提高土壤固碳能力，無論是單施有機(jī)肥還是有機(jī)肥、無機(jī)肥配施，均能有效地減輕硝酸鹽污染，改善土壤肥力并提高作物產(chǎn)量。但有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速度慢，若單施有機(jī)肥作物產(chǎn)量往往難以達(dá)到預(yù)期。因此，合理將有機(jī)肥和無機(jī)肥配施是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。大量的研究結(jié)論較為一致，大都認(rèn)為有機(jī)肥、無機(jī)肥配施能提高作物的產(chǎn)量和氮肥利用率。劉明鐘等研究表明，有機(jī)肥無機(jī)肥配施能明顯提高小麥產(chǎn)量[4]。也有研究認(rèn)為，有機(jī)肥無機(jī)肥配施不僅增加了糧食產(chǎn)量，還降低了土壤容重，提高了土壤速效養(yǎng)分的含量[5]。這些研究在指出有機(jī)肥無機(jī)肥配施增加糧食產(chǎn)量的同時(shí)，很少研究有機(jī)肥無機(jī)肥混合的比例。有機(jī)肥無機(jī)肥混合施用的最適配比，及其對作物的產(chǎn)量和土壤環(huán)境產(chǎn)生的影響沒有更多的理論依據(jù)，也成了制約有機(jī)肥無機(jī)肥配施方向發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)問題。

砂姜黑土是我國黃淮海平原的主要耕作土壤，面積約為370萬hm2，是我國主要中低產(chǎn)田土壤類型之一。砂姜黑土區(qū)低產(chǎn)的主要原因是土壤質(zhì)地黏重，養(yǎng)分失調(diào)，有機(jī)質(zhì)含量低，肥料利用率低，嚴(yán)重影響了作物的正常生長[6]。有機(jī)肥能提高土壤肥力和糧食產(chǎn)量，且研究區(qū)有機(jī)肥資源豐富，但并沒有得到充分利用，因此在砂姜黑土區(qū)研究有機(jī)肥替代化肥具有重要意義。鑒于此，本試驗(yàn)通過田間試驗(yàn)，研究等氮條件下有機(jī)肥料氮替代部分無機(jī)肥料氮對小麥產(chǎn)量和土壤環(huán)境的影響，探索有機(jī)肥替代無機(jī)肥的最佳比例，以期為合理施肥及在小麥生產(chǎn)上的推廣和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省駐馬店市西平縣二郎鄉(xiāng)張堯村，屬于典型的砂姜黑土區(qū)，位于河南省中南部，屬大陸性季風(fēng)型濕潤氣候，年平均氣溫為14.8 ℃，年平均降水量為852 mm。小麥—玉米輪作是該縣典型的種植方式。試驗(yàn)地0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分：全氮含量為1.03 g/kg，有效磷含量為13.06 mg/kg，速效鉀含量為125.60 mg/kg，有機(jī)質(zhì)含量為15.68 g/kg，pH值為7.18。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

定位試驗(yàn)于2012年10月開始，采用田間小區(qū)處理，面積為45 m2（5 m×9 m），3次重復(fù)，隨機(jī)排布。共設(shè)6個(gè)處理：不施肥（CK）、常規(guī)施氮磷鉀肥（常規(guī)）、有機(jī)肥氮替代20%無機(jī)肥氮（20%OM）、有機(jī)肥氮替代40%無機(jī)肥氮（40%OM）、有機(jī)肥氮替代60%無機(jī)肥氮（60%OM）、有機(jī)肥氮替代80%無機(jī)肥氮（80%OM）?？偸┑繛榧兊?225 kg/hm2，P2O5施用量為60 kg/hm2，K2O施用量為60 kg/hm2。供試有機(jī)肥為干雞糞，由西平縣金剛有機(jī)肥廠提供，N、P2O5、K2O含量分別為124%、1.36%、2.24%，含水量為1462%。氮肥、磷肥、鉀肥分別采用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其中40%的氮肥在整地時(shí)作為底肥施入，其余60%在拔節(jié)期追施，有機(jī)肥、磷肥、鉀肥全部作底肥一次性施入，田間管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，且各處理保持一致。小麥品種采用百農(nóng)207。

1.3 樣品采集與測定

由于田間試驗(yàn)剛開始時(shí)誤差較大，本試驗(yàn)于2014年10月6日小麥播種前和2015年6月5日小麥?zhǔn)斋@后，即定位試驗(yàn)的第3個(gè)輪作周期采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)用土鉆隨機(jī)選取3個(gè)樣點(diǎn)，按20 cm間隔采集0～100 cm土層的土樣，去除樣品中的秸稈、石塊等雜物，每個(gè)小區(qū)的同一土層混勻成為各小區(qū)的土壤樣品。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量用分光光度法測定，全氮含量用凱氏定氮法測定，有效磷含量用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量用火焰光度法測定，有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱法測定[7]。

在小麥?zhǔn)斋@期，每個(gè)小區(qū)選取6 m2收獲測產(chǎn)，并選取1 m雙行整株收獲對穗粒數(shù)、總穗數(shù)、千粒質(zhì)量等進(jìn)行調(diào)查分析。

1.4 計(jì)算公式及統(tǒng)計(jì)方法

氮肥利用效率=（施氮區(qū)作物吸收氮素總量-不施氮區(qū)作物吸收氮素總量）/氮肥投入量×100%;

氮肥農(nóng)學(xué)利用效率（kg/kg）=（施氮區(qū)作物籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量）/氮肥施入量;

土壤最初無機(jī)氮量（kg/hm2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤無機(jī)氮含量（mg/kg）×10。

氮素礦化量與表觀損失量參照劉學(xué)軍等的方法[8]來計(jì)算，假定施肥處理的土壤礦化量和對照（CK）相同，即氮素礦化量=無氮區(qū)地上部分氮積累量+無氮區(qū)土壤殘留無機(jī)氮量-無氮區(qū)土壤最初無機(jī)氮量。氮肥表觀損失量=氮肥投入量-作物吸收氮肥量-土壤中殘留無機(jī)態(tài)氮量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007和SPSS 13.0 軟件進(jìn)行處理與統(tǒng)計(jì)分析，采用最小顯著性差異（LSD）法進(jìn)行多重比較分析（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對耕層（0～20 cm）土壤養(yǎng)分含量的影響

如表1所示，與對照（CK）相比，常規(guī)施肥和有機(jī)肥無機(jī)肥配施均顯著提高了砂姜黑土0～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量，總體上土壤養(yǎng)分含量隨有機(jī)肥施用量增加而增加。有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷和速效鉀含量分別增加了 11.81%～26.97%、8.25%～24.74%、20.57%～27.49%、10.23%～16.31%。常規(guī)施肥的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量分別比對照增加了10.83%、12.37%、12.70%、9.27%，常規(guī)施肥不如有機(jī)肥無機(jī)肥配施效果顯著。從表中數(shù)據(jù)還可以看出，總體上有機(jī)肥替代60%～80%無機(jī)肥處理各項(xiàng)土壤指標(biāo)最佳。

2.2 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

小麥產(chǎn)量的三要素由穗粒數(shù)、有效穗數(shù)及千粒質(zhì)量構(gòu)成。從表2可以看出，有機(jī)肥無機(jī)肥配施明顯提高了小麥產(chǎn)量，其中以60%OM處理小麥產(chǎn)量最高，40%OM處理次之，分別比對照增加了2 680、2 263 kg/hm2，增產(chǎn)率分別為46.58%、39.33%。常規(guī)施肥處理比對照增產(chǎn)28.39%，產(chǎn)量顯著低于有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理。進(jìn)一步從產(chǎn)量構(gòu)成要素分析，各處理之間穗粒數(shù)和有效穗數(shù)無顯著性差異，各處理主要是千粒質(zhì)量的不同而引起籽粒產(chǎn)量的差異。

2.3 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對小麥吸氮量及氮肥利用率的影響

小麥吸氮量、氮肥利用率與施肥方式密切相關(guān)。由表3可以看出，與常規(guī)施肥相比，40%OM和60%OM處理顯著提高了籽粒吸氮量、秸稈吸氮量、總吸氮量、氮肥利用率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率。不同施肥處理的氮肥利用率表現(xiàn)為60%OM>40%OM>常規(guī)施肥>20%OM>80%OM，氮肥農(nóng)學(xué)利用效率表現(xiàn)為60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常規(guī)施肥。40%OM與60%OM處理間差異不顯著。

2.4 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對小麥生育期氮平衡的影響

本試驗(yàn)起始無機(jī)氮積累量對應(yīng)0～100 cm深度土壤。從表4可以看出，小麥?zhǔn)斋@后，常規(guī)施肥土壤無機(jī)氮?dú)埩袅孔罡?，達(dá)263.55 kg/ hm2;40%OM和60%OM處理的氮肥表觀損失量分別為70.31、5970 kg/hm2，常規(guī)施肥處理的氮肥表觀損失量最高，為126.18 kg/hm2。由此可見，不合理的施肥很容易使殘留的無機(jī)氮通過淋溶或者揮發(fā)從土壤-作物體系中損失，造成對地下水和大氣環(huán)境的污染。

2.5 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥情況下的經(jīng)濟(jì)效益分析

從表5可以看出，與對照相比，農(nóng)民常規(guī)施肥使小麥經(jīng)濟(jì)效益提高了15.89%，有機(jī)肥替代部分無機(jī)肥使小麥經(jīng)濟(jì)效益提高了7.12%～22.51%，有機(jī)肥替代60%無機(jī)肥經(jīng)濟(jì)效益最高，替代80%無機(jī)肥經(jīng)濟(jì)效益最低，本試驗(yàn)條件下，與農(nóng)民常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥料比例過高反而會降低經(jīng)濟(jì)效益，替代率在60%時(shí)經(jīng)濟(jì)效益最佳。

3 結(jié)論與討論

3.1 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對土壤養(yǎng)分含量的影響

有機(jī)質(zhì)是土壤中營養(yǎng)元素的重要來源，其含量是評價(jià)農(nóng)田土壤肥力的重要指標(biāo)之一[9]。試驗(yàn)結(jié)果表明，與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥無機(jī)肥配施明顯提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，主要是由于有機(jī)肥的施用將大量有機(jī)質(zhì)帶入土壤，且單施化肥土壤有機(jī)質(zhì)礦化損失高于配施有機(jī)肥。土壤有效磷濃度與有機(jī)肥用量存在一定的正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥中含有活性較高的有機(jī)磷組分，有利于有機(jī)磷向無機(jī)磷轉(zhuǎn)化，在一定程度上保證了土壤有效磷的穩(wěn)定供給[12]。另外，楊麗娟等認(rèn)為土壤中無機(jī)顆粒能通過鐵、鋁橋鍵與有機(jī)物質(zhì)結(jié)合，降低了鐵、鋁離子與磷的吸附，因此提高了磷的活性[13]。有機(jī)肥含有多種速效養(yǎng)分，因此配施有機(jī)肥土壤全氮、速效鉀含量也相應(yīng)增加，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致。

3.2 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對小麥產(chǎn)量及氮肥利用效率的影響

作物的產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的供應(yīng)過程密切相關(guān)。本試驗(yàn)研究表明，不同施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常規(guī)施肥>CK，表明有機(jī)肥氮替代60%無機(jī)氮能夠明顯增加小麥產(chǎn)量。原因可能是有機(jī)肥無機(jī)肥配施能改善土壤養(yǎng)分供應(yīng)過程，使土壤養(yǎng)分平穩(wěn)釋放。有機(jī)肥料氮替代60%無機(jī)氮不僅能使土壤養(yǎng)分含量維持在較高水平，且為作物的后期生長所需養(yǎng)分提供了保證，綜合提高了小麥產(chǎn)量構(gòu)成要素，為最終獲得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益奠定了基礎(chǔ)[17]。張營武等研究表明，有機(jī)肥替代50%無機(jī)肥施用能使豫北沙壤土區(qū)小麥顯著增產(chǎn)[2]，本試驗(yàn)的結(jié)果與之基本一致。眾多研究表明，有機(jī)肥替代部分無機(jī)肥能夠顯著提高作物氮素積累量和氮素利用效率[18]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理小麥的總吸氮量和氮肥利用率明顯比常規(guī)施肥高，尤其是60%OM和40%OM這2個(gè)處理，明顯高于其他處理，這與楊曉梅等的研究結(jié)果[19]基本一致。張發(fā)明等認(rèn)為，有機(jī)肥含有較多的活性微生物，這些微生物有2個(gè)重要作用：一是能活化土壤中難以被作物吸收利用的氮素，二是可以將作物生長前期較多的礦物質(zhì)氮儲存起來，待后期氮素相對缺乏時(shí)釋放出來供作物生長，延長氮素在土壤中的循環(huán)時(shí)間，提高作物對氮素的吸收和利用[20]。劉益仁等研究認(rèn)為，有機(jī)肥施用量過高或單施無機(jī)肥會使前期微生物固持的氮素不足，從而導(dǎo)致中后期釋放的氮素養(yǎng)分過少，不能充分滿足作物后期快速生長階段對養(yǎng)分的需求;因此作物的產(chǎn)量、氮素積累量和氮肥利用率都明顯低于合理的有機(jī)肥無機(jī)肥配施處理[21]。

3.3 有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)肥對小麥生育期氮平衡的影響

目前，較多的研究者關(guān)注有機(jī)肥無機(jī)肥配施下的氮肥利用率、氮素平衡問題[22]，但有關(guān)有機(jī)氮替代無機(jī)氮的比例對土壤氮素平衡方面的研究較少。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，常規(guī)施肥明顯增加了土壤無機(jī)氮?dú)埩袅浚煌┓侍幚淼乇碛^損失量表現(xiàn)為常規(guī)施肥>80%OM>20%OM>40%OM>60%OM，表明有機(jī)肥無機(jī)肥配施降低了氮素的損失量，但有機(jī)肥的施用并不是越多越好，過多施用會增加氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)，其中替代60%無機(jī)化肥效果最佳。楊曉梅等研究表明，有機(jī)肥替代50%比例的無機(jī)化肥在華北褐土區(qū)氮素?fù)p失最低[19]，本試驗(yàn)的結(jié)果與之基本一致。原因可能是這一比例配施可以更好地調(diào)節(jié)C/N，較多的氮素可通過微生物同化作用被暫時(shí)固定到微生物體內(nèi)，因此減少了通過揮發(fā)、反硝化和淋失等途徑造成的氮素?fù)p失。有機(jī)肥替代不同比例無機(jī)化肥造成氮素?fù)p失差異，這一現(xiàn)象具有重要意義，砂姜黑土農(nóng)田耕作條件下，農(nóng)民隨意施用有機(jī)肥，這一方面增加了投入成本，降低了經(jīng)濟(jì)效益，另一方面增加了氮素?fù)p失，同時(shí)降低了肥料利用率，造成資源的巨大浪費(fèi)。本試驗(yàn)結(jié)果對指導(dǎo)農(nóng)民科學(xué)施肥、優(yōu)化土壤氮素供應(yīng)、提高氮肥利用效率、保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境等都具有重要意義。

綜上所述，有機(jī)肥無機(jī)肥配施對于提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量的效果優(yōu)于常規(guī)施肥，有機(jī)肥無機(jī)肥配施中，以40%OM和60%OM處理的小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益最高。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥無機(jī)肥配施都不同程度提高了秸稈吸氮量、總吸氮量、氮肥利用率及氮肥農(nóng)學(xué)利用效率，降低了氮肥表觀損失量，其中40%OM和60%OM處理效果較為明顯。因此，有機(jī)肥替代40%～60%的無機(jī)化肥可作為河南省砂姜黑土區(qū)冬小麥的推薦施肥措施。

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