肥料無機(jī)有機(jī)配施對稻茬小麥產(chǎn)量與肥料利用率的影響

李豐豐, 朱紅英，段建設(shè)，魏洪亮，李艷凡，王秀梅,滿建國

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北武漢 430070；2.襄陽市襄州區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心， 湖北襄陽 441104)

增施化肥是獲得高產(chǎn)的重要途徑，但大量的化肥投入帶來了肥料利用率下降、經(jīng)濟(jì)效益降低、環(huán)境污染加劇以及生態(tài)環(huán)境惡化等一系列問題[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國氮肥生產(chǎn)量占世界總生產(chǎn)量的25%以上，而年消費(fèi)量則達(dá)2 244萬t，占世界總消費(fèi)量的27%以上。與此同時(shí)，不合理的施用方式進(jìn)一步促使農(nóng)民加大肥料投入，導(dǎo)致肥料利用率僅為發(fā)達(dá)國家的60%～70%[2-3]。有機(jī)肥作為一種綠色、生態(tài)的緩效肥料，富含N、P、K以及多種微量元素和氨基酸、核酸、維生素等多種有機(jī)營養(yǎng)成分[4]。施用有機(jī)肥可以培肥土壤，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤理化性狀，顯著提升土壤肥水保持性和通氣性，促進(jìn)作物根系生長，有利于根系對水分、養(yǎng)分的吸收利用[5-6]。但長期單施有機(jī)肥料會使黑土速效磷含量下降23%以上，也不利于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；晚稻移栽施肥后，有機(jī)肥料處理小區(qū)根系土壤呈深黑色，發(fā)育明顯不良，秧苗返青明顯延遲；此外還會加劇重金屬積累，危害糧食安全[7-8]。由此可見，無機(jī)肥或單施有機(jī)肥均不能持續(xù)有效地達(dá)到高產(chǎn)、高效、生態(tài)、綠色的生產(chǎn)目標(biāo)，將化肥和有機(jī)肥合理配施，將有效均衡土壤養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性發(fā)展。

前人對無機(jī)化肥與有機(jī)肥配施進(jìn)行了大量研究。施用有機(jī)肥是作物增產(chǎn)、增加土壤有機(jī)質(zhì)和改善土壤生物學(xué)性狀的有效措施[9]。無機(jī)、有機(jī)肥配施可以保證玉米有較高產(chǎn)量，5 年平均產(chǎn)量較單施無機(jī)化肥提高10.3%，并顯著降低了總氮淋失[10]。對茶葉生長和土壤養(yǎng)分的研究發(fā)現(xiàn)，70%有機(jī)肥+30%無機(jī)化肥處理的增產(chǎn)效果最顯著，且可以保持較高的土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，這是在茶園推廣應(yīng)用的最優(yōu)方案[11]。在水稻上，無機(jī)、有機(jī)肥配施有利于中后期干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收，提高穗數(shù)和穗粒數(shù)，保證穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)[12]。以上研究表明，適量無機(jī)化肥和有機(jī)肥配施有利于作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，并提高肥料利用效率，減少肥料損失和環(huán)境污染。

襄陽市是湖北省稻茬小麥主產(chǎn)區(qū)，常年小麥肥料施用量均在500 kg·hm-2以上，其中氮肥施用量超過260 kg·hm-2，但稻茬小麥產(chǎn)量和肥料利用率均較低。而關(guān)于合理的無機(jī)與有機(jī)肥配施比例及其對稻茬小麥產(chǎn)量和肥料利用效率影響的研究鮮見報(bào)道。本研究在襄陽市稻茬小麥高產(chǎn)區(qū)，設(shè)置不同施肥方式，探討了無機(jī)、有機(jī)肥配施對稻茬小麥產(chǎn)量、分蘗動態(tài)、肥料利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為該區(qū)域稻茬小麥高產(chǎn)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016-2017年小麥季在湖北省襄陽市襄州區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園區(qū)(東經(jīng)112°21′42.5″，北緯32°07′46.4″)進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤類型屬于淹育型水稻土，淺白土田，耕作層厚30 cm，地力中等，有機(jī)質(zhì)含量13.4 g·kg-1，堿解氮含量74.0 mg·kg-1，有效磷含量4.9 mg·kg-1，速效鉀含量76.2 mg·kg-1，pH為6.3。試驗(yàn)以鄭麥9023為供試材料，前茬作物為水稻。

本試驗(yàn)以肥料空白為對照(CK)，設(shè)置3種施肥模式處理，分別為傳統(tǒng)測土配方施肥模式(T1)，90%傳統(tǒng)測土配方施肥量+有機(jī)肥模式(T2)和80%傳統(tǒng)測土配方施肥量+有機(jī)肥模式(T3)，氮肥按底施∶拔節(jié)期追施=5∶1的方式分施，有機(jī)肥、磷肥和鉀肥均全部底施，同時(shí)施肥小區(qū)均底施3.0 kg·hm-2的大粒鋅。本試驗(yàn)采用尿素(46% N)為氮源，過磷酸鈣(16% P2O5)為磷源，氯化鉀(60% K2O)為鉀源，其中有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)≥40%，氮磷鉀總含量≥8%，有效活菌數(shù)≥2×108·g-1，水分≤30%，pH值5.5～8.0。每處理3次重復(fù)，小區(qū)規(guī)格為3 m×7 m。各處理施肥種類與施肥量如表1所示。

小麥于2016年10月20日播種，播量為225.0 kg·hm-2，條播，行距為25.0 cm，前茬水稻秸稈全量粉碎還田，播種后3 d進(jìn)行灌溉以保證出苗，之后至成熟期不再灌溉。小麥全生育期及時(shí)防治病蟲草害，生育中后期及時(shí)排水以防止田間漬水。各處理小麥均于2017年5月22日收獲。

表1 各處理肥料種類和施肥量Table 1 Fertilizer type and application amount of each treatment kg·hm-2

1.2 測定指標(biāo)與方法

1.2.1 小麥生育期群體動態(tài)調(diào)查

于小麥三葉期，在各小區(qū)分別選定0.5 m2具有代表性長勢均勻的植株，進(jìn)行標(biāo)記，并分別于小麥三葉期、分蘗中期(冬至)、分蘗盛期(立春返青)和開花期對標(biāo)記區(qū)域的莖蘗數(shù)進(jìn)行測定，計(jì)算各小區(qū)小麥群體大小。

1.2.2 小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因子測定

于小麥成熟期，在各小區(qū)選取具有代表性的長勢均勻的6.0 m2植株，全部收獲后脫粒，曬干稱重，測定籽粒含水量，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)含水量(12.5%)下的籽粒產(chǎn)量和千粒重。同時(shí)在各小區(qū)選取連續(xù)30個(gè)單莖，調(diào)查穗粒數(shù)。

1.2.3 肥料利用效率計(jì)算

肥料農(nóng)學(xué)利用效率=(施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量-未施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量)/施肥量

肥料偏生產(chǎn)力=施肥處理小麥籽粒產(chǎn)量/施肥量

1.2.4 肥料經(jīng)濟(jì)效益分析

本區(qū)域6-7月份小麥平均單價(jià)為2.3元·kg-1，尿素、過磷酸鈣和氯化鉀的單價(jià)分別為2.0、0.6和3.6元·kg-1，有機(jī)肥單價(jià)為0.80元·kg-1。小麥?zhǔn)斋@籽粒產(chǎn)量與單價(jià)構(gòu)成各處理的實(shí)際收入，化肥和有機(jī)肥為實(shí)際投入，不考慮人工成本、種子、灌溉等投入，僅計(jì)算施肥處理與不施肥處理間的凈增收與產(chǎn)投比。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，運(yùn)用Statistix 8.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件對各處理進(jìn)行單因素方差分析，LSD法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，利用SigmaPlot 12.5進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式下小麥籽粒產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的差異

施肥處理的小麥籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著高于未施肥處理(CK)，千粒重較高(表2)。在施肥處理中，T2處理的籽粒產(chǎn)量、穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重最高，T1處理次之，T3處理最低，說明在傳統(tǒng)配方施肥的基礎(chǔ)上降低10%的化肥施用量，同時(shí)增施有機(jī)肥，有利于產(chǎn)量三要素的協(xié)同提高，從而獲得高產(chǎn)，若化肥施用量降低20%，穗粒數(shù)顯著降低，不利于產(chǎn)量的提高。

2.2 不同施肥模式下小麥群體動態(tài)的特點(diǎn)

施肥處理下小麥三葉期、冬至期、返青期和開花期的群體數(shù)量和單株有效分蘗數(shù)均顯著高于CK，但分蘗成穗率顯著降低。施肥處理間群體數(shù)量、單株有效分蘗數(shù)和分蘗成穗率均無顯著差異(表3)。與CK相比，T1、T2和T3處理的單株有效分蘗數(shù)分別提高51.6%、55.9%和53.8%，分蘗成穗率分別下降8.8、6.8和11.4個(gè)百分點(diǎn)。這說明增施化肥和有機(jī)肥可顯著促進(jìn)小麥分蘗，提高有效分蘗數(shù)，盡管分蘗成穗率降低，但最終穗數(shù)保持較高水平。

2.3 不同施肥模式下小麥肥料利用效率的差異

T3處理的NPK肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力以及N、P、K肥偏生產(chǎn)力均顯著高于T2處理，T1處理最低(圖1)。T3處理的NPK肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力分別比T2處理高6.0%和8.4%，比T1處理分別高20.8%和22.4%。這說明降低化肥施用量，增施有機(jī)肥，可顯著提高小麥化學(xué)肥料利用效率。

表2 不同處理下小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Yield and its components of wheat under different fertilization treatments

同一列數(shù)據(jù)后不同字母表示差異達(dá)0.05顯著水平。下表同。

Different letters following data in same column mean significant differences at 0.05 level. The same in following tables.

表3 不同處理下小麥群體動態(tài)及分蘗成穗率Table 3 Population dynamics and tiller-earing percentage of wheat under different fertilization treatments

AENPK、PFPNPK、PFPN、PFPPK分別表示NPK三種肥料共同的農(nóng)學(xué)利用效率、偏生產(chǎn)力、氮肥偏生產(chǎn)力和磷鉀肥偏生產(chǎn)力。圖柱上的不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

AENPK, PFPNPK, PFPN, PFPPKwere the agronomy efficiency and partial factor productivity of the total fertilizer, partial factor productivity of N fertilizer, and partial factor productivity of P K fertilizer, respectively.Different letters on the columns mean significant difference among the treatments at 0.05 level.

圖1不同施肥處理化肥農(nóng)學(xué)利用率和偏生產(chǎn)力

Fig.1Agronomyefficiency(AE)andpartialfactorproductivity(PFP)offertilizer

2.4 不同施肥模式下小麥經(jīng)濟(jì)效益差異

與CK相比，T1、T2和T3處理新增產(chǎn)值分別為7 366.5、7 552.5和7 119.0元·hm-2，新增投入成本分別增加1 902.0、3 511.5和3 321.0元·hm-2(表4)。三個(gè)施肥處理下，T1處理的新增產(chǎn)投比和凈收益最高，分別為3.9和5 464.5元·hm-2。這說明配方施肥可有效提高小麥種植的經(jīng)濟(jì)效益，繼續(xù)增施有機(jī)肥時(shí)，小麥的收益降低。

表4 不同施肥處理下小麥的經(jīng)濟(jì)效益Table 4 Economic benefits of wheat under different fertilization treatments

3 討 論

研究表明，無機(jī)化肥肥效快，可以有效促進(jìn)小麥生育前期分蘗，有機(jī)肥的緩效成分可以保證小麥生育后期的營養(yǎng)供應(yīng)，適量化肥與有機(jī)肥配施可延緩小麥葉片衰老，顯著提高籽粒產(chǎn)量[13-16]。趙 雋等[14]研究表明，無機(jī)肥+有機(jī)肥配施處理產(chǎn)量比單施有機(jī)肥處理高3.5%～11.0%，較單施無機(jī)肥處理高3.9%～5.5%，無機(jī)肥+有機(jī)肥配施處理的單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)最高，但千粒重降低。劉洪江等[17]對有機(jī)無機(jī)肥不同配比下水稻產(chǎn)量的研究也表明，合理的有機(jī)無機(jī)肥配施主要通過增加了單位面積穗數(shù)和穗粒數(shù)提高了產(chǎn)量。張 晶等[18]研究認(rèn)為，有機(jī)肥與適量化肥配施主要提高了單位面積穗數(shù)和千粒重，從而實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)。本研究發(fā)現(xiàn)，90%傳統(tǒng)測土配方施肥+有機(jī)肥處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均高于單施無機(jī)化肥處理和80%傳統(tǒng)測土配方施肥+有機(jī)肥處理，說明在傳統(tǒng)配方施肥的基礎(chǔ)上降低10%的化肥施用量，同時(shí)增施有機(jī)肥，可協(xié)同提高了產(chǎn)量構(gòu)成三要素，若化肥施用量降低20%，穗粒數(shù)顯著降低，不利于產(chǎn)量的提高。由此可見，有機(jī)肥與適量無機(jī)化肥配施可以有效提高單位面積穗數(shù)，保證較高的穗粒數(shù)，一定程度提高千粒重，最終實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)水平。

一般認(rèn)為，無機(jī)化肥既容易被作物吸收，但也容易流失[19-20]。研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥可降低菜地氮素徑流流失量，且隨著有機(jī)肥配施量的增加，土壤氮素流失量逐漸下降[21]。關(guān)于無機(jī)肥與有機(jī)肥配施比例，張玉平等[22]認(rèn)為，30%以下的有機(jī)肥與化肥配施有利于降低旱地氮磷徑流流失量。李 占等[23]對冬小麥的研究表明，氮素利用效率以25%有機(jī)肥+75%化肥處理較高，分別比100%有機(jī)肥、75%有機(jī)肥+25%化肥、50%有機(jī)肥+50%化肥和100%化肥高 87.4%、8.3%、8.6%和10.8%。要娟娟等[24]的試驗(yàn)結(jié)果顯示，適量氮肥(120 kg·hm-2)+有機(jī)肥(600 kg·hm-2)的氮素吸收量和利用效率最高，分別為295 kg·hm-2和23.7%。本研究在傳統(tǒng)測土配方施肥的基礎(chǔ)上，對降低無機(jī)化肥、補(bǔ)增有機(jī)肥下小麥的肥料利用效率進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，80%傳統(tǒng)測土配方施肥+有機(jī)肥處理的NPK肥農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力分別為9.9和15.8 kg·kg-1，均顯著高于80%傳統(tǒng)測土配方施肥+有機(jī)肥處理和單施無機(jī)化肥處理，表明適當(dāng)降低化肥施用量，增施有機(jī)肥，可顯著提高小麥肥料利用效率。由于本研究僅采用不施肥處理為對照，因此以各處理N、P和K肥的總量作為一種復(fù)混無機(jī)化肥，計(jì)算了三種元素共同作用下的肥料農(nóng)學(xué)利用效率和偏生產(chǎn)力，所以計(jì)算的農(nóng)學(xué)利用效率較低。我們將在今后的試驗(yàn)中增加N肥空白、P肥空白和K肥空白處理，以反映各元素的實(shí)際農(nóng)學(xué)利用效率。

本研究還對不同施肥處理的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了計(jì)算分析，經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算涉及方面較多。本文僅從籽粒產(chǎn)量、單價(jià)、化肥成本和有機(jī)肥成本等四個(gè)方面，對各施肥處理的產(chǎn)值、相對于不施肥處理的新增產(chǎn)值、新增成本投入、新增產(chǎn)投比和新增凈收益進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，傳統(tǒng)配方施肥處理的公頃產(chǎn)值較不施肥處理增加7 366.5元，由于三個(gè)施肥處理的產(chǎn)量接近，因此其之間的產(chǎn)值亦相差較小，但由于有機(jī)肥成本相對較高，且有機(jī)肥施用量較大，因此增施有機(jī)肥處理的新增投入比單施用化肥處理高74.6%～84.6%，這也是增施有機(jī)肥處理的新增凈收益低于僅施用傳統(tǒng)配方肥料的原因，這與要娟娟等[24]的研究結(jié)果較為一致。但大量研究表明，有機(jī)、無機(jī)肥料長期配合施用能有效提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，能防止土壤有機(jī)質(zhì)的過渡消耗，還可以更好地調(diào)節(jié)土壤氮素的釋放，增加土壤微生物量碳，降低土壤中的氮素淋溶和對地下水的污染[25-27]。因此，從生態(tài)環(huán)境方面來看，有機(jī)肥+無機(jī)化肥配施的效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于僅施用化肥，我們將對此方面開展進(jìn)一步的研究。

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