復合菌肥部分替代化肥對冬小麥氮素吸收的影響

劉宇輝，田秀平，張晴雯，張愛平，劉杏認，楊正禮

(1.天津農學院 農學與資源環(huán)境學院，天津 300384；2.中國農業(yè)科學院 農業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081)

氮素是作物必需的三種大量元素之一，而過度施用氮肥會導致氮肥利用率低下，同時造成土壤硝態(tài)氮大量殘留和淋失以及地下水污染等一系列環(huán)境問題[1]。山東省畜禽養(yǎng)殖業(yè)迅猛發(fā)展，養(yǎng)殖污染問題日趨嚴重。山東省2016年規(guī)?；B(yǎng)殖畜禽糞便產生量為9 840.8萬 t，在全國排名第一[2]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)的污染排放已經成為我國最重要的農業(yè)面源污染。以養(yǎng)殖業(yè)畜禽廢棄物還田為主的種養(yǎng)結合是實現(xiàn)地力提升和物質再循環(huán)、減少污染的方式之一。

畜禽糞便有機肥或秸稈等有機物料在農田中的自然降解緩慢，菌肥的介入能加速其中的養(yǎng)分釋放，提高作物對其中養(yǎng)分的吸收[3]。隨著集約化復種程度的提高，作物種植品種單一、秸稈還田等因素導致的土傳病害日益嚴重，高產量嚴重依賴于化肥與農藥的高投入，對農產品安全構成了很大的威脅[4]。菌肥或有機肥的使用能使作物系統(tǒng)產生免疫[5]，增強作物的抗病性，可在一定程度上減少損失。Ahmad等[3]研究發(fā)現(xiàn)，接種微生物菌劑能提高小麥籽粒吸氮量和吸磷量，提高氮素利用效率和磷素利用效率并提高產量。菌肥中的有益微生物能利用化學肥料中的氮素養(yǎng)分進行繁殖，提高對氮素的固定量，有些菌種還是磷和鉀的增溶劑，能夠活化磷素，提高植物對土壤中的氮磷鉀養(yǎng)分的同化量[6]；秸稈還田能在生育中期增加土壤無機氮固持[7]，兩者都能降低氮素營養(yǎng)的損失并提高氮素的回收率?；蕼p量及其有機肥替代已成為近年來國內外研究的熱點問題[8-11]。

以往的研究多集中于施氮量對作物氮素吸收的影響[12-14]，缺少關于單施菌肥或與有機肥結合條件下作物氮素吸收利用情況及部分替代化肥的可行性的研究。本研究主要通過分析復合菌肥配施下冬小麥氮素吸收和分配特征，比較不同處理之間植株生長特性和產量的差異來探討化肥減量的可行性和最優(yōu)菌肥的選擇,以期為菌肥配施和秸稈還田下有機肥替代化肥、化肥減量以及減量多少為宜提供參考，為農田氮素科學管理和增效減負提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗地點設在山東省濱州市濱城國家農業(yè)科技園區(qū)，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫12.7 ℃，平均地面溫度14.7 ℃，平均日照時數(shù)2 632.0 h，年平均降水量564.8 mm，降水多集中在7-8 月份。作物種植方式為冬小麥-夏玉米輪作，土壤類型為潮土。試驗開始于2017年10月21日，至2018年6月9日結束。2017年試驗前耕層土壤有機質含量為13.7 g/kg、全氮0.9 g/kg、全鉀21 g/kg、速效磷70.6 mg/kg、堿解氮83.4 mg/kg、速效鉀227 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試作物為山東省農業(yè)科學院選育的冬小麥品種濟麥22。菌肥1為北京十方技術有限責任公司生產的復合微生物菌劑藍矛綠盾(有效微生物為短小芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌等)，可濕性粉劑；菌肥2為陜西乾亨農業(yè)發(fā)展有限公司生產的酵素菌(BYM)肥料，黑色粉末狀；2種復合菌劑有效活菌數(shù)量均≥2 億/g。試驗所用有機肥為山東甕福金谷化肥有限公司生產的免深耕有機肥，黑色顆粒狀，其中N+P2O5+K2O≥5%，C/N為4.6，有機質≥45%。

1.3 試驗設計

本試驗主要研究菌肥和有機肥配施對冬小麥氮素吸收利用和分配的影響，試驗共設置5個處理，每個處理3個重復(即3個小區(qū))。菌肥與有機肥、磷肥作為基肥一次性施入，氮肥的1/2作為底肥，1/2作為追肥。每個小區(qū)面積為14 m×10 m=140 m2。5個處理為：高量化肥，CK(N為200 kg/hm2，P2O5為120 kg/hm2)；菌1和中量化肥，B1N2P2(菌肥1為7.5 kg/hm2，N、P2O5比CK分別減量25%)；菌1和有機肥與低量化肥，B1ON1P1(菌肥1為7.5 kg/hm2，有機肥為3 t/hm2，N、P2O5比CK分別減量50%)；菌2和中量化肥，B2N2P2(菌肥2為7.5 kg/hm2，N、P2O5比CK分別減量25%)；菌2和有機肥與低量化肥，B2ON1P1(菌肥2為7.5 kg/hm2，有機肥為3 t/hm2，N、P2O5比CK分別減量50%)。4種菌肥處理為等氮等磷處理，即用有機肥補足25% CK所施化肥中的N和P2O5。菌肥、有機肥及基肥尿素、磷酸二銨均由人工撒施，小區(qū)旋耕15 cm。冬小麥于2017年10 月21日播種，翌年3月中旬灌返青水一次，并于拔節(jié)前進行一次追肥。其余管理措施如中耕、除草等和當?shù)卮筇镒魑锍Ｒ?guī)管理方式相同，并于2018年6月9日收獲。

1.4 樣品采集

于冬小麥生長的6個重要生育時期(苗期、越冬期、返青期、拔節(jié)期、灌漿期、成熟期)，取地上部分植株樣品分析全氮含量，3點混勻后為1個重復，每個處理包括3個重復。植株樣品在105 ℃下殺青30 min 后，在80 ℃ 恒溫下烘干24 h左右，至質量不再變化，稱干質量后用剪刀剪碎并用四分法去掉多余的樣品，再用球磨儀進行磨粉粉碎待測。成熟期每個處理隨機選取3個5m×5m=25 m2的樣方全部收獲測量冬小麥籽粒產量，并取部分麥穗帶回室內進行考種。

1.5 測定項目與方法

植株樣品全氮：采用H2SO4-H2O2消煮，半微量凱氏法測定，所用儀器為ATC-165凱氏定氮儀。

冬小麥旗葉SPAD值：采用日產葉綠素計SPAD-502Plus進行測定。在拔節(jié)及以后各時期在每個小區(qū)隨機選取10片旗葉進行葉綠素含量測定，取其平均值。拔節(jié)期測最上一片完全展開葉片的中部。

產量：每個處理采集3個25 m2面積內的小麥籽粒全部于80 ℃烘干至恒質量，稱質量后求平均值即為各處理產量。小麥穗數(shù)和穗粒數(shù)：成熟期收獲時，在每個處理中隨機選擇3個2 m×2 m=4 m2的樣方計量其中的穗數(shù)；從挖回的9株樣品中選取有代表性的20個標準穗測定其穗粒數(shù)，風干后測定千粒質量，并求平均值。相關參數(shù)的計算公式如下：

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素累積量/植株氮素累積量×100%

①

氮素生理利用率(kg/kg)=籽粒產量/植株氮素累積量

②

氮素吸收效率(kg/kg)=植株地上部分氮素累積量/施氮量

③

氮肥偏生產力(kg/kg)=籽粒產量/施氮量

④

地上吸氮速率(mg/(d·株)) = 地上部分氮素階段累積量/相鄰生育時期間隔天數(shù)

⑤

經濟系數(shù)(kg/kg)=籽粒產量/地上干物質產量

⑥

1.6 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19.0 軟件進行處理并繪圖，處理間的多重比較采用LSD 法。

2 結果與分析

2.1 復合菌肥配施下冬小麥地上部分吸氮量

由圖1可知：冬小麥各生育期地上部分氮素吸收量整體呈現(xiàn)出隨生育期推遲不斷增加的趨勢，其中前3個生育時期地上吸氮量積累緩慢，后3個生育時期累積速度大幅提升，這是由于返青期和拔節(jié)期之間澆灌了返青水，極大地促進了小麥生長，故地上吸氮量大幅度增加。拔節(jié)期冬小麥地上部吸氮量較前一時期增加了27.55～33.45倍。在苗期和越冬期以CK最高，苗期顯著高于B1N2P2、B1ON1P1和B2ON1P1處理(P<0.05)，越冬期顯著高于B1N2P2和B1ON1P1處理；后4個生育階段均以CK地上吸氮量最低，其中返青和灌漿期均以B2ON1P1處理最高，前者顯著高于CK和B1N2P2處理(P<0.05)，后者顯著高于CK、B1N2P2和B1ON1P1處理，拔節(jié)期各處理之間差異不顯著(P>0.05)，成熟期表現(xiàn)為B2N2P2>B2ON1P1>B1ON1P1>B1N2P2>CK，除B1ON1P1和B2ON1P1之間差異不顯著，其他處理間均有顯著差異 (P<0.05)。

不同字母表示同一生育時期不同處理間在0.05水平上差異顯著。圖2、表1-4同。Different letters indicate that different treatments have significant difference at 0.05 level in the same growing stage.The same as Fig.2,Tab.1-4.

綜合說明，常規(guī)化肥處理僅能在前期促進小麥生長和吸氮，而后期表現(xiàn)不佳；各時期均表現(xiàn)為B2ON1P1>B1ON1P1和B2N2P2>B1N2P2，說明菌肥2在提高植株對氮素的獲取能力方面比菌肥1優(yōu)越；菌肥配施下化肥不同程度減量或結合有機肥能在小麥生育中后期提高地上攜氮量，為營養(yǎng)器官中的氮素向籽粒中轉移奠定了良好的基礎。

2.2 復合菌肥配施下冬小麥生育后期地上部分吸氮速率

小麥植株吸氮量與小麥的生長發(fā)育進程密切相關，既反映了植株對氮素的需求量和獲取能力，又能表征其對不同來源氮素(有機肥氮或化肥氮)的吸收和利用強度。由于冬小麥在苗期、越冬期和返青期生長緩慢，地上干物質和氮素累積亦變化不大，故僅在后3個生育期研究其地上部分的吸氮速率，拔節(jié)期是冬小麥全生育期的吸氮高峰，主要因小麥返青后溫度迅速回升加之返青水的補灌，在這一時期進行追肥能及時滿足小麥的生長需求和促進增產。從圖2可以看出：在拔節(jié)期和灌漿期CK處理的吸氮速率均低于菌肥處理，拔節(jié)期顯著低于B1N2P2和B2N2P2處理 (P<0.05)，灌漿期還顯著低于B2ON1P1處理；拔節(jié)期和灌漿期的吸氮速率均表現(xiàn)為B2N2P2>B2ON1P1、B1N2P2>B1ON1P1，灌漿期后兩者之間差異顯著(P<0.05)，說明小麥對化肥氮的吸收能力比有機肥氮強；成熟期吸氮速率B2ON1P1>B1ON1P1>CK>B2N2P2>B1N2P2，前二者顯著高于后三者(P<0.05)，其中B1N2P2和B2N2P2的吸氮速率較灌漿期有所降低，B2ON1P1的吸氮速率基本持平，而CK與B1ON1P1的吸氮速率較灌漿期有所增加。經田間實際考察，發(fā)現(xiàn)CK、B1ON1P1、B2ON1P1處理均有成熟度不一，部分小麥的旗葉和莖稈在成熟期還沒有干枯變黃，過量的氮素供應造成了這些處理貪青晚熟，導致在成熟期吸氮速率仍然居高不下。有機肥中的有機態(tài)氮分解緩慢，未能在作物的養(yǎng)分需求臨界期前提供適量的氮素營養(yǎng)，而后期氮供應過剩，這是造成菌肥和有機肥與低量化肥組合營養(yǎng)器官生物量過大而籽粒產量不高的主要原因。

圖2 后3個生育時期各處理冬小麥地上部分吸氮速率動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of winter wheat nitrogen uptake rates overground in three later growing stages

2.3 復合菌肥配施下冬小麥葉片SPAD值

由表1可知，在拔節(jié)期冬小麥葉片SPAD值表現(xiàn)為CK

表1 后3個生育時期不同菌肥組合下冬小麥葉片SPAD值Tab.1 SPAD readings of winter wheat under different combination of biofertilizers in three later growing stages

注：所有數(shù)據(jù)均以平均值±標準差來表示。表2-4同。

Note： All data are expressed as Mean±SD. The same as Tab.2-4.

2.4 復合菌肥配施下冬小麥氮素分配特征

由表2得，灌漿期籽粒吸氮量表現(xiàn)為B2N2P2>B1N2P2>B2ON1P1>CK>B1ON1P1，CK和B2ON1P1二者間差異不顯著外(P>0.05)，其他處理間差異均達顯著水平(P<0.05)，除CK外的各處理排序和最終產量排序一致；灌漿期地上營養(yǎng)器官吸氮量大于籽粒吸氮量，處理間表現(xiàn)為CK>B2ON1P1>B1ON1P1>B1N2P2>B2N2P2，前三者顯著高于后二者(P<0.05)，說明灌漿期菌肥配施下化肥減量25%兩處理植株地上部分籽粒中的氮素分配比例已經開始逐漸增高，且顯著高于菌肥與有機肥結合的處理。成熟期籽粒吸氮量表現(xiàn)為B2N2P2>B2ON1P1>B1N2P2>B1ON1P1>CK (P<0.05)，可見菌肥2的吸氮量顯著大于菌肥1和CK，說明菌肥2優(yōu)于菌肥1；成熟期小麥地上營養(yǎng)器官吸氮量表現(xiàn)為B1ON1P1>B2ON1P1>B2N2P2>B1N2P2>CK，前二者顯著高于后三者(P<0.05)，亦說明菌肥與有機肥組合可能會增加小麥整株的吸氮量，但是籽粒吸氮的分配比例并不高，因此會影響最終產量。

表2 灌漿期和成熟期冬小麥營養(yǎng)器官和籽粒吸氮量對比Tab.2 Contrast on grain and other organ nitrogen uptake amount during filling stage and maturing stage mg/株

注：營養(yǎng)器官包括葉+葉鞘+莖稈+穗軸+穎殼。

Note：Other organs include leaf+leaf sheath+stalk+cob+glume.

2.5 復合菌肥配施下冬小麥產量及氮素利用率

由表3可得，冬小麥有效穗數(shù)表現(xiàn)為CK>B2N2P2>B2ON1P1>B1N2P2>B1ON1P1，除B2N2P2與B2ON1P1差異不顯著外(P>0.05)，其他各處理之間差異顯著(P<0.05)，這是播種和分蘗成穗率不同而造成的；冬小麥穗粒數(shù)在B1N2P2處理顯著高于其他處理(P<0.05)，這是其獲得高產的首要原因，其他處理間差異均不顯著(P>0.05)；冬小麥千粒質量現(xiàn)為B2N2P2>B2ON1P1>B1N2P2=B1ON1P1>CK，B2N2P2顯著高于CK，說明菌肥的施用能增加小麥的千粒質量，而只有菌肥2和中量化肥的組合千粒質量顯著高于CK，這是B2N2P2獲得最高產量主要原因；產量表現(xiàn)為B2N2P2>B1N2P2>CK>B2ON1P1>B1ON1P1，B2N2P2和B1N2P2較B1ON1P1處理分別提高了9.80%和7.68%，差異顯著(P<0.05)。這反映出菌肥與中量化肥的組合相比，常規(guī)化肥和菌肥與有機肥組合具有明顯的優(yōu)越性，化肥減量25%再配合生物菌肥下的產量最高。由此說明菌肥配施與秸稈還田下化肥減量產量不減反增是可以實現(xiàn)的，這與在夏玉米上得到的結論一致。經濟系數(shù)的表現(xiàn)為2種菌肥與有機肥共用的處理顯著低于其他處理，說明該有機肥會降低冬小麥和夏玉米的谷草比，影響產量。

從表4可以看出，冬小麥氮素收獲指數(shù)表現(xiàn)為B1N2P2和B2N2P2顯著大于其余處理(P<0.05)，氮素吸收效率表現(xiàn)出B2N2P2在各處理中最高而CK最低，氮素生理利用率表現(xiàn)為CK顯著高于菌肥處理(P<0.05)，說明菌肥處理每吸收1 kg N形成的產量低于常規(guī)施肥，但是單位質量的植株所含的氮素濃度卻比較高；氮肥的偏生產力表現(xiàn)為B2N2P2>B1N2P2>B2ON1P1>B1ON1P1>CK，菌肥處理顯著高于CK(P<0.05)。綜上，常規(guī)施肥量(N 200 kg/hm2)下的氮素吸收效率和收獲指數(shù)偏低，氮肥偏生產力也很低，菌肥配施下化肥減量25%能不同程度提高植物對氮素的吸收和利用，且B2N2P2的最高；氮素生理利用率的表現(xiàn)與其他3個氮素利用指標明顯不同，菌肥反而表現(xiàn)出劣勢。

表3 冬小麥產量構成因素及經濟系數(shù)Tab.3 Yield components and harvest index of winter wheat

表4 冬小麥收獲期氮素利用率及氮肥偏生產力Tab.4 Nitrogen use efficiency and partial factor productivity by winter wheat at harvest

3 結論與討論

氮素是作物生長不可或缺的大量元素，由作物不同生育期的需肥規(guī)律確定最佳需肥量，是減少因過量施肥而導致氮素損失的關鍵手段[15]。小麥籽粒中80%左右的氮素是從花前營養(yǎng)體積累的氮素中轉運而來的，而地上轉運量占絕大多數(shù)。通過對小麥各生育期地上部吸氮量和吸氮速率的研究來判定小麥的需肥量和追肥時期，對于農田氮素科學管理、合理施肥意義重大。Thonar等[16]認為微生物菌劑可以促進作物生長并提高養(yǎng)分吸收量，但是這和所選的接種基質及施入的土壤性質有關。施用菌肥還可以提高小麥旗葉葉綠素含量，有助于莖、葉中全氮的積累[17]。本試驗結果顯示：常規(guī)化肥處理僅能在生長前期促進冬小麥生長和吸氮，菌肥配施下化肥不同程度減量能在小麥生育中后期提高地上吸氮量，且菌肥2在提高植株對氮素的獲取能力和產量等方面優(yōu)于菌肥1。B1ON1P1和B2ON1P1的營養(yǎng)器官含氮量過高、群體成熟度不一致是導致其產量偏低的主要原因，過量施氮不利于提高籽粒中的氮素分配比例[18-19]；在拔節(jié)期和灌漿期CK處理的吸氮速率均低于菌肥處理，且B1N2P2和B2N2P2的吸氮速率顯著大于CK(P<0.05)，表明施用菌肥可以在小麥生育后期(成熟期例外)提高地上吸氮量和吸氮速率；B1N2P2和B2N2P2相比于菌肥與有機肥處理和CK能提高成熟期籽粒吸氮量占地上部分總吸氮量的比例；成熟期小麥地上營養(yǎng)器官吸氮量表現(xiàn)為B1ON1P1處理顯著大于其他處理，然而其籽粒中的氮素累積量卻正好相反。以本次試驗的結果為準，若不考慮根系吸氮，冬小麥拔節(jié)期的氮素階段累積量在各處理間的平均值為85 kg/hm2，因此，在返青與拔節(jié)期之間追施85 kg/hm2的化肥氮素才能保證冬小麥的正常生長和發(fā)育。

菌肥的配施與減量優(yōu)化平衡施肥能提高氮素利用率，還可以節(jié)約成本[20]。Rose等[21]認為菌肥中含有的能促進植物生長的微生物在提高氮素利用方面有巨大的潛力，菌肥在不減少產量的前提下可以代替23%至52%的氮肥，但卻不能代替磷肥。通過調節(jié)化肥投入的量和時機能夠增加菌肥的功效。氮素收獲指數(shù)和氮素生理利用率是用來反映作物將所吸收的氮用于形成籽粒產量方面的能力的指標，氮素生理利用率又稱為氮素籽粒利用效率；而氮素吸收效率和氮肥偏生產力是反映作物對所施肥料中氮的吸收和利用情況的指標。本試驗中，常規(guī)施氮量(N 200 kg/hm2)下的氮素吸收效率、氮素收獲指數(shù)和氮肥偏生產力都比較低，菌肥配施下化肥減量25%能不同程度提高植物對氮素的吸收和利用，且B2N2P2的為最高；菌肥配施有機肥的氮肥偏生產力較低，說明有機肥料中的氮素當季利用率不高，其后效可能會持續(xù)到下茬作物；但是氮素生理利用率整體偏低且CK的氮素生理利用率顯著高于2種菌肥處理，這與其他3個氮素利用指標截然不同，菌肥反而表現(xiàn)出一定的劣勢，具體原因尚不明確，有待進一步深入研究。

各菌肥處理的葉片SPAD值同樣在生育中后期表現(xiàn)出優(yōu)勢(成熟期例外)，拔節(jié)期和灌漿期葉片SPAD值都表現(xiàn)出B1N2P2和B2N2P2顯著高于CK，說明菌肥與中量化肥共同施用可增加同期冬小麥的葉片SPAD值，促進了冬小麥的光合作用，但2種菌肥之間差異不顯著。

菌肥的施用比單純使用化肥的增產效應明顯，且能改善作物品質[22-26]?；蕼p量25%配施菌肥的處理能將所吸收的氮素更好地用于產量的形成，其經濟系數(shù)較高且B2N2P2的經濟系數(shù)顯著高于CK，因此具有更可觀的經濟效益。菌肥的施用還能增加冬小麥的千粒質量，而菌肥與有機肥共用的兩處理的經濟系數(shù)偏低，說明該有機肥會降低作物的谷草比，不利于產量的提高。化肥減量25%(N 150 kg/hm2)配合生物菌肥下冬小麥的產量最高，這和段文學等[19]在山東省的研究結果相同，Mondal等[27]在芥菜上也得出一致的結論。由此表明：菌肥配施與秸稈還田下化肥減量產量不減反增是可以實現(xiàn)的。菌肥與中量化肥的組合相比其他處理有其明顯的優(yōu)越性，說明低量化肥已不能滿足小麥正常的生長需要，氮肥減量要適度。有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥氮可以替代50%化肥氮并提高作物產量[10]；而另一些人則認為有機肥氮替代70%或秸稈氮替代30%化肥氮，均能有效提高土壤供氮能力[28]，這與本試驗的結果存在出入。本試驗發(fā)現(xiàn)有機肥替代1/3化肥氮下的產量偏低，不施用有機肥的處理反而效果更好，這可能和該有機肥過低的C/N有關。

在山東省乃至整個華北地區(qū)秸稈還田下復合菌肥部分代替化肥可以減少農業(yè)面源污染，而TN和TP等由徑流或淋溶進入河流湖泊造成的水體富營養(yǎng)化是農業(yè)面源的重要方面。濱州市各河流污染已相當嚴重, 50%以上的河流水質在Ⅴ類水質以下，除黃河外，其他河湖均已遭受不同程度的污染[29]。徒駭馬頰河水系是海河流域三大水系之一，而該水系骨干入海河道位于濱州市北部，河道尾閭受上中游工廠排污、生活垃圾及污水、農業(yè)污染等影響，河水污染嚴重，河口水污染愈演愈烈，嚴重損害河流生態(tài)[30]。據(jù)估計，若山東濱州地區(qū)小麥-玉米輪作系統(tǒng)年化肥氮用量以400 kg/hm2為準，全部減量25%可以減少濱州市年純氮投入量4.52×104t[31]，折合普通尿素約為9.82×104t，若小麥的當季氮素回收率為43.8%，玉米的當季回收率為32.4%[32]，則每年可減少各種途徑損失氮素1.39×104t。實際情況遠遠大于這個數(shù)值[33]，而有機肥投入的增加可以減少畜禽糞便無序排放及環(huán)境污染。