土冬小麥-夏玉米輪作體系有機(jī)肥替代化肥比例研究

呂鳳蓮，侯苗苗，張弘弢，強(qiáng)久次仁，周應(yīng)田，路國艷，趙秉強(qiáng)，楊學(xué)云，張樹蘭*

（1 西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西楊凌 712100；2 西藏山南地區(qū)錯(cuò)那縣農(nóng)牧局，西藏山南 856700；3 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

小麥-玉米輪作是中國北方重要的農(nóng)作物種植體系之一，在保證國家糧食安全方面具有重要地位。但是該種植體系下，過量施肥現(xiàn)象非常普遍，就全國而言過量施氮面積可能達(dá)20%[1]。如調(diào)查顯示，大部分地區(qū)農(nóng)民的施肥量普遍超過500 kg/hm2[2]，山東省小麥-玉米輪作區(qū)平均施氮量為553 kg/hm2[3]。在西北陜西關(guān)中平原過量施肥現(xiàn)象同樣常見，小麥-玉米輪作中施氮量過高的農(nóng)戶分別占38.5%和64.7%[4]。過量施氮不僅導(dǎo)致氮效率顯著降低、農(nóng)戶的生產(chǎn)成本增加，而且顯著增加氮素向環(huán)境中的排放，引起嚴(yán)重的環(huán)境問題，如土體硝酸鹽大量殘留和淋失[5-6]、溫室氣體排放[7]以及土壤酸化[8]。因此，在現(xiàn)有農(nóng)民大量施用化肥的情況下，優(yōu)化化肥用量以及調(diào)整施肥結(jié)構(gòu) (如有機(jī)無機(jī)配合) 顯得十分必要。

目前，我國的養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模和數(shù)量居世界第一位，2010年我國畜禽糞便產(chǎn)生量為22.35億噸，含有的氮、磷養(yǎng)分量達(dá)0.19億噸和0.04億噸，分別占氮、磷肥的79%和50%[9]。由于肥料施用由有機(jī)肥為主轉(zhuǎn)變?yōu)榛收贾鲗?dǎo)地位，有機(jī)肥還田率不足50%，以至于成為現(xiàn)在農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村環(huán)境污染的來源[10]。因此，畜禽糞便資源化利用是治理我國農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)村環(huán)境的重要途徑。

增施有機(jī)肥是保持土壤生產(chǎn)力和減少化肥施用的一種傳統(tǒng)而有效的方法，可以達(dá)到節(jié)約成本和增加養(yǎng)分有效性的雙重作用[11-14]。國內(nèi)外大量的長期定位試驗(yàn)結(jié)果表明化肥配施有機(jī)肥顯著提高作物產(chǎn)量和改善土壤養(yǎng)分含量[15-26]。不過也有報(bào)道表明，過量施用有機(jī)肥增產(chǎn)效果不顯著，甚至導(dǎo)致較高的土壤氮素殘留[27-28]。另外，有機(jī)無機(jī)配合或有機(jī)肥替代無機(jī)肥對(duì)作物和土壤的影響程度因替代比例、土壤質(zhì)地及肥力、作物系統(tǒng)、氣候以及不同的試驗(yàn)?zāi)晗薮嬖陲@著的差異[20,29]。如劉杏蘭等[30]研究表明，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，小麥和玉米產(chǎn)量呈明顯的下降趨勢；林治安等[31]報(bào)道有機(jī)肥替代50%無機(jī)肥后小麥和玉米產(chǎn)量明顯降低。Yang等[32]通過33年的小麥-玉米輪作試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)初期有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)產(chǎn)量沒有顯著影響，而隨著時(shí)間的延長其增產(chǎn)效益顯著。而邢鵬飛等[33]在華北平原通過連續(xù)4年的研究表明，有機(jī)肥替代30%無機(jī)肥能夠保證糧食產(chǎn)量，有機(jī)肥替代50%無機(jī)肥能提高土壤肥力。因此，不同地區(qū)、不同作物系統(tǒng)中，通過有機(jī)肥替代多少比例的化肥可達(dá)到最佳的產(chǎn)量和養(yǎng)分效率，尤其是替代初期的效應(yīng)如何，值得進(jìn)一步探討。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)在國家黃土肥力和肥料效益監(jiān)測基地進(jìn)行，該基地位于黃土高原南部的陜西省關(guān)中平原楊凌示范區(qū) (34°17′51″N、108°00′48″E)，海拔 534 m，年平均氣溫12.9℃，年降水量為550～600 mm，降雨量主要集中在6至9月份。年均蒸發(fā)量993 mm，無霜期184～216天。屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。土壤屬土墊旱耕人為土，黃土母質(zhì)。試驗(yàn)于2014年10月冬小麥播種時(shí)開始，至2016年10月夏玉米收獲時(shí)結(jié)束。試驗(yàn)前 0—20 cm土壤有機(jī)質(zhì)含量是15.1 g/kg、有效磷為10.1 mg/kg、速效鉀為165.6 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小麥-玉米輪作定位試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，以不施肥為對(duì)照 (CK)，氮磷鉀養(yǎng)分100%由化肥提供(NPK)，在小麥-玉米輪作周年總氮素投入量不變的條件下，化肥氮素的25%、50%、75%、100%由有機(jī)肥替代，分別記為25%M、50%M、75%M和100%M。每個(gè)處理小區(qū)面積30 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。有機(jī)肥以及所有磷、鉀化肥均于冬小麥播種前一次性基施，有機(jī)肥施用量根據(jù)當(dāng)年有機(jī)肥的養(yǎng)分分析結(jié)果，以全N含量為標(biāo)準(zhǔn)折算，化肥氮分兩季施用，NPK處理養(yǎng)分施用量為當(dāng)?shù)赝扑]用量[34]。試驗(yàn)施用氮、磷及鉀肥為尿素、普通過磷酸鈣以及硫酸鉀；有機(jī)肥為牛糞，2014年施入牛糞的全氮、全磷、全鉀含量分別為26.3、9.3、3.9 g/kg；2015年施入牛糞的全氮、全磷、全鉀含量分別為29.0、12.7、7.1 g/kg。各處理在小麥和玉米季的實(shí)際氮、磷、鉀投入量見表1。

供試小麥和玉米品種分別是小偃22和鄭丹958，灌溉、病蟲害防治和除草按常規(guī)方式進(jìn)行。本試驗(yàn)始于2014年冬小麥季，試驗(yàn)前種植體系為冬小麥-夏休閑，第一個(gè)輪作年冬小麥于2014年10月8日播種，2015年6月7日收獲，夏玉米于2015年6月10日播種，同年10月2日收獲；第二個(gè)輪作年冬小麥于2015年10月10日播種，2016年6月6日收獲，夏玉米于2016年6月9日播種，同年9月29日收獲。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品 除了試驗(yàn)開始第一季冬小麥播前采集了0—100 cm土壤剖面外，其他季節(jié)冬小麥、夏玉米播種前和收獲后，均采集0—200 cm土壤樣品，20 cm為一層，測定土壤硝態(tài)氮含量。用1 mol/L KCl溶液浸提土樣，振蕩30 min，過濾后用流動(dòng)分析儀測定浸提液的氮含量[35]。

1.3.2 植物樣品 小麥、玉米成熟時(shí)每小區(qū)選取7.5 m2進(jìn)行收獲，測定生物量以及籽粒產(chǎn)量，并進(jìn)行考種。同時(shí)采集植株樣品進(jìn)行全氮分析。全氮采用濃硫酸-雙氧水消解，蒸餾法測定。

1.4 數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)方法

氮偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施氮處理產(chǎn)量/施氮量；氮生理效率 (kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量 - 對(duì)照區(qū)籽粒產(chǎn)量)/(施氮區(qū)吸氮量 - 對(duì)照區(qū)吸氮量)；

氮回收率 (%) = (施氮區(qū)吸氮量 - 對(duì)照區(qū)吸氮量)/施氮量 × 100；

土壤硝態(tài)氮累積量 (kg/hm2) = 土層厚度 (cm) ×土壤容重 (g/cm3) × 土壤硝態(tài)氮含量 (mg/kg)/10；

氮平衡 = 氮輸入 - 氮輸出，其中氮輸入包括氮素施入量和播前硝態(tài)氮含量，氮輸出包括作物吸收和硝態(tài)氮?dú)埩鬧36-37]。

表1 2014—2016年試驗(yàn)各處理氮磷鉀養(yǎng)分施用量 (kg/hm2)Table 1 Total input of nitrogen, phosphorus and potassium in different treatments

所有數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2003軟件計(jì)算各處理的平均數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)誤差，利用SAS 9.2進(jìn)行顯著性分析 (5%顯著水平)，SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代比例對(duì)小麥、玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素的影響

從兩個(gè)輪作年結(jié)果可知，2015—2016年各施肥處理的產(chǎn)量均高于2014—2015年 (圖1)。與對(duì)照相比，各施肥處理均顯著提高了2014—2015年和2015—2016年兩個(gè)輪作年的小麥、玉米產(chǎn)量和輪作年總產(chǎn)量；其中2014—2015年輪作年產(chǎn)量增加幅度分別為24%～49%，53%～70%以及42%～60%；2015—2016年輪作年產(chǎn)量增加幅度分別為64%～146%、43%～72%和67%～91%。在不同有機(jī)無機(jī)配施比例的處理中，隨著有機(jī)氮替代比例的增加，2014—2015年小麥和玉米產(chǎn)量均表現(xiàn)為75%M處理最高，NPK和其它有機(jī)肥配比處理間產(chǎn)量無顯著差異，從總產(chǎn)量來看，75%M處理也高于其他配施處理。2015—2016年50%M和75%M處理小麥產(chǎn)量最高，玉米季以NPK處理最高，顯著高于100%M以及CK處理，與其他處理差異不顯著?？偖a(chǎn)量表現(xiàn)為50%M和75%M處理顯著高于其它處理。

施肥對(duì)兩個(gè)輪作年中小麥、玉米產(chǎn)量的三要素影響不同 (表2)。與對(duì)照相比，2014—2015年各施肥處理均能顯著提高小麥的穗數(shù)，其中50%M處理的提高幅度最高 (106.9%)，NPK和25%M提高幅度最低 (53.9%)。小麥穗粒數(shù)以NPK處理最高，其次為50%M處理，二者均顯著高于對(duì)照處理，其它處理與對(duì)照相似。除了75%M之外，施肥也沒有顯著影響小麥的千粒重，75%M處理千粒重顯著高于對(duì)照。在玉米季中，各施肥處理對(duì)玉米穗數(shù)均無顯著影響，而顯著提高穗粒數(shù)，尤其是75%M處理增加幅度最大；與對(duì)照相比，25%M、75%M、100%M處理顯著增加了千粒重，提高幅度分別為10.2%、14.5%、13.7%。

2015—2016年，75%M處理小麥穗數(shù)顯著高于對(duì)照處理，而其它處理小麥的穗數(shù)與CK相似；施肥處理的穗粒數(shù)相似，并顯著高于對(duì)照；不過所有處理小麥千粒重?zé)o顯著差異。玉米季施肥處理對(duì)穗數(shù)和千粒重?zé)o顯著影響，而顯著增加了穗粒數(shù)。

2.2 有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)小麥-玉米輪作氮素效率的影響

從圖2可以看出，在2014—2015年小麥-玉米輪作體系中，氮效率的四個(gè)指標(biāo)趨勢有所不同。氮回收率的范圍在35%～43%之間。50%M處理氮的回收率最高，且顯著高于100%M處理，與其他處理無顯著差異。不同施肥處理氮農(nóng)學(xué)效率的范圍為12.3～18.3 kg/kg，以75%M處理氮農(nóng)學(xué)效率最高，且顯著高于其他處理，其次為100%M處理，并顯著高于25%M、50%M以及NPK處理。氮偏生產(chǎn)力范圍在41.4～46.5 kg/kg之間，其中75%M處理的偏生產(chǎn)力最高，顯著高于NPK、25%M和50%M處理。氮生理效率范圍為31～47 kg/kg，其中以75%M處理最高，顯著高于25%M、50%M以及NPK處理。

圖1 2014—2016年不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施下小麥-玉米輪作體系作物產(chǎn)量Fig. 1 Yields under different treatments for wheat and maize rotation system during 2014-2016

表2 2014—2016年不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)小麥、玉米各產(chǎn)量要素的影響Table 2 Yield components of wheat and maize affected by treatments in 2014-2016

圖2 2014—2016年不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施下小麥-玉米輪作體系的氮利用效率Fig. 2 Nitrogen use efficiencies of the wheat and maize rotation system under different treatments in 2014-2016

在2015—2016輪作年中，隨著有機(jī)肥替代比例的增加，氮效率的四個(gè)指標(biāo)均表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，基本上以有機(jī)肥替代50%～75%時(shí)，氮效率最高。氮回收率的范圍為38%～61%，其中25%M和50%M處理顯著高于NPK處理。氮肥農(nóng)學(xué)效率的變化范圍為17～24 kg/kg，其中有機(jī)肥替代范圍在25%～75%時(shí)的農(nóng)學(xué)效率高于NPK處理，并且在50%～75%之間達(dá)到最大。氮偏生產(chǎn)力在44～51 kg/kg之間變化，與氮農(nóng)學(xué)效率變化趨勢相似，有機(jī)肥替代50%～75%達(dá)到最大。氮生理效率在34～46 kg/kg之間，其中100%M和75%M處理氮生理效率顯著高于NPK和25%M處理?？傮w而言，75%的有機(jī)肥替代比例可獲得最高的氮效率。

2.3 有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)土壤剖面硝態(tài)氮分布以及氮平衡的影響

2014—2016小麥-玉米兩個(gè)輪作年中，不同施肥處理在0—200 cm土層的硝態(tài)氮?dú)埩艨偭勘憩F(xiàn)大體一致，均為 NPK ＞ 25%M ＞ 50%M ＞ 100%M ＞75%M ＞ CK。2014—2015年小麥?zhǔn)斋@后不同施肥處理土壤剖面硝態(tài)氮含量均低于5.0 mg/kg，施用有機(jī)肥的四個(gè)處理土壤剖面硝態(tài)氮含量相近，顯著低于NPK處理，20、60和100 cm土層的硝態(tài)氮?dú)埩粼诓煌┓侍幚黹g達(dá)到顯著差異。玉米收獲后，0—20 cm土層硝態(tài)氮含量最高，隨土層深度增加，硝態(tài)氮含量降低，不同施肥處理60 cm土層深度以下硝態(tài)氮含量均低于2.0 mg/kg，處理間硝態(tài)氮含量均無顯著差異，不同施肥處理間僅在40 cm土層的硝態(tài)氮含量差異顯著。2015—2016年小麥?zhǔn)斋@后在0—100 cm土層NPK處理硝態(tài)氮?dú)埩麸@著高于有機(jī)肥配施的處理，并且100 cm土層內(nèi)不同處理的硝態(tài)氮?dú)埩袅坎町愡_(dá)到顯著水平。玉米收獲后，NPK和25%M處理在100 cm土層內(nèi)的硝態(tài)氮?dú)埩袅匡@著高于其他處理 (圖3)。

表3顯示，小麥-玉米兩個(gè)輪作年，50%M、75%M和100%M處理均有一定的氮素盈余，盈余量為33～120 kg/hm2，以100%M處理的氮素盈余量最大，25%M和NPK處理氮有一定虧缺，分別為19.6 kg/hm2和40.3 kg/hm2。從硝態(tài)氮?dú)埩魜砜矗袡C(jī)無機(jī)肥配施均降低硝態(tài)氮的殘留。

2.4 有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)冬小麥-夏玉米兩個(gè)輪作年經(jīng)濟(jì)效益的影響

從2014—2016小麥-玉米兩個(gè)輪作年的年均經(jīng)濟(jì)收益可以看出，施肥處理中75%M處理的年收入最高為31175元/hm2，NPK處理最低 (表4)；從投入項(xiàng)來看，由于有機(jī)肥價(jià)格較高，其替代化肥的比例越高，投入越大，如NPK處理年總投入為8719元/hm2，而100%M處理年總投入為12120元/hm2。綜合來看，75%M處理的年收益最大為19906元/hm2，100%M處理的年收益最低為16634元/hm2。

表3 2014—2016年不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施下小麥-玉米輪作體系的氮平衡 (kg/hm2)Table 3 Nitrogen balance for the wheat and maize rotation system under different organic N substitution treatments during 2014-2016

表4 2014—2016年不同處理小麥-玉米輪作體系的經(jīng)濟(jì)效益分析Table 4 Economic analysis under different treatments for wheat and maize rotation system during 2014-2016

3 討論

3.1 不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)小麥-玉米輪作體系產(chǎn)量的影響

有機(jī)肥替代化肥的增產(chǎn)效果是一個(gè)綜合的效應(yīng)。這與有機(jī)肥增加養(yǎng)分有效性、含有生物活性物質(zhì)[15,19]、可以刺激作物生長有關(guān)；另外有機(jī)肥施用還可以改善土壤物理性質(zhì)[18]。不過從國內(nèi)外的研究來看，有機(jī)替代基本上是有機(jī)氮替代化肥氮，各個(gè)研究均存在磷、鉀用量不一致的情況[22,33,38-39,42]。在本試驗(yàn)中有機(jī)肥處理的磷投入量均高于NPK處理，NPK處理年用量為P2O5150 kg/hm2，本地區(qū)小麥季P2O5推薦用量為60～140 kg/hm2[34]，玉米季推薦用量為30～80 kg/hm2[43]。因此，本試驗(yàn)NPK處理磷用量是合理的，有機(jī)替代的增產(chǎn)效果應(yīng)該是由其它因素引起的，而非磷投入量差異的結(jié)果。

3.2 不同有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)小麥/玉米輪作體系氮效率的影響

氮肥回收利用率、農(nóng)學(xué)效率、氮肥偏生產(chǎn)力以及生理效率是衡量氮素效率的常用指標(biāo)，從不同方面描述作物對(duì)氮素的吸收利用[44]。Dobermann[45]認(rèn)為糧食作物氮肥回收利用率為30%～50%，氮肥農(nóng)學(xué)效率為10～30 kg/kg，氮肥偏生產(chǎn)力為40～70 kg/kg，氮肥生理效率為30～60 kg/kg較為適宜。本研究結(jié)果表明，不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施處理的四種氮肥效率均介于上述適宜范圍內(nèi)，說明該研究設(shè)置的施氮量水平在適宜范圍內(nèi)，并且氮磷鉀平衡施用，不論氮素來源如何，都有較好的養(yǎng)分效率[40]。從氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥回收效率兩個(gè)指標(biāo)來看，本試驗(yàn)小麥和玉米的氮肥效率和世界糧食作物主產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶常規(guī)施肥管理的氮肥效率平均水平相當(dāng)[46]，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他一些國家和地區(qū)在試驗(yàn)條件下所得到的氮肥農(nóng)學(xué)效率 (20～25 kg/kg) 和氮肥回收利用率(40%～60%)[47]。另外，有研究認(rèn)為，當(dāng)?shù)势a(chǎn)力大于60 kg/kg時(shí)，表明氮素管理較好或施肥量較低[48]，但本試驗(yàn)各個(gè)處理的氮肥偏生產(chǎn)力均未達(dá)到60 kg/kg，這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)的施氮量雖然在適宜范圍內(nèi)，可能仍然存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間或者進(jìn)一步提高籽粒產(chǎn)量的空間。

本研究隨著有機(jī)肥施入比例的增加，氮效率總體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中75%有機(jī)肥替代化肥氮素效率最高。究其原因，主要是施用有機(jī)肥可以改善土壤的物理、化學(xué)以及生物學(xué)性質(zhì)[49-50]，促進(jìn)根系生長[51]，提高了作物產(chǎn)量，促進(jìn)了作物對(duì)氮素的吸收[52]，最終提高氮效率。

3.3 不同比例有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)小麥-玉米輪作氮平衡的影響

分析農(nóng)田氮素平衡，不僅可以掌握作物對(duì)施氮的反應(yīng)動(dòng)態(tài)，而且還可以了解土壤氮素盈余狀況及肥料氮去向，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供依據(jù)。有研究顯示，土壤不同層次殘留硝態(tài)氮的作物有效性隨著土層深度的增加而顯著降低[53]，小麥和玉米根系可以利用0—100 cm土層的硝態(tài)氮，而難以利用100 cm土層以下的硝態(tài)氮[54]。基于試驗(yàn)開始時(shí)土壤硝態(tài)氮測定深度為100 cm，因此，氮素表觀平衡基于0—100 cm土層計(jì)算。

從對(duì)照處理的氮平衡可知，試驗(yàn)兩年土壤礦化以及環(huán)境輸入氮素進(jìn)入農(nóng)田系統(tǒng)共計(jì)308 kg/hm2。據(jù)報(bào)道本試驗(yàn)所在地楊凌，每年氮沉降量約32 kg/hm2[55]，那么土壤礦化以及灌溉水的氮素供應(yīng)每年超過120 kg/hm2，原因是灌溉水含氮量較低，而且灌溉量有限。因此，土壤礦化提供了主要的氮素，表明試驗(yàn)土壤肥力水平較高。根據(jù)以往的研究結(jié)果[34,43,56]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)小麥-玉米輪作年合理的施氮量為345 kg/hm2，氮輸出項(xiàng)中作物的氮素?cái)y出占主要部分 (表2)，但是單施化肥處理兩個(gè)輪作年后硝態(tài)氮?dú)埩暨_(dá)133 kg/hm2，可以預(yù)見未來可能存在硝態(tài)氮淋失以及反硝化損失，加之土壤自身供氮水平較高，因此在單施化肥的情況下年推薦量N 345 kg/hm2仍然偏高，有進(jìn)一步降低的空間。而有機(jī)肥替代處理硝態(tài)氮?dú)埩袅枯^低，說明適量有機(jī)肥的施入有利于增加土壤微生物數(shù)量及活性[49-50]，增加微生物對(duì)礦質(zhì)態(tài)氮素的固持作用[57]，從而抑制其在土壤剖面中累積[58]。

4 結(jié)論

參 考 文 獻(xiàn)：

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