有機(jī)肥替代化肥對旱地小麥水氮利用及經(jīng)濟(jì)效益的影響

李 順，李廷亮，2，何 冰，焦 歡，李 彥，呂卓呈，張晉豐

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷030801）

小麥?zhǔn)俏覈谌蠹Z食作物，2017 年播種面積達(dá)2 450.8 萬hm2，總產(chǎn)量1.34 億t[1]。施肥是糧食增產(chǎn)的最主要途徑，化肥對糧食單產(chǎn)的貢獻(xiàn)率可達(dá)50%左右[2]。2006—2015 年，我國小麥種植面積增長了5.1%，而總產(chǎn)量卻有24.6%的增幅[3]。化肥為我國小麥產(chǎn)量的增加起到了關(guān)鍵作用，然而長期化肥單施和過量施用對土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)安全造成了巨大的威脅。化肥的不合理施用不僅造成了土壤理化性質(zhì)惡化、硝酸鹽淋溶、水體富營養(yǎng)化等一系列問題[4-6]，同時(shí)化肥損失量巨大，肥料利用率和經(jīng)濟(jì)效益顯著降低[7-8]。因此，探究合理的施肥措施對提升旱地麥田土壤質(zhì)量和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

有機(jī)肥尤其是畜禽糞便是我國主要的有機(jī)肥料資源，約占總有機(jī)肥料的80%左右[9]，每年的產(chǎn)生量約為38 億t，但綜合利用率僅為60%，不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還成為環(huán)境污染源之一[10]。生物有機(jī)肥是在傳統(tǒng)有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，添加多種有益微生物菌劑，不但可以改善土壤理化性質(zhì)，還可以提高作物的抗逆性[11-12]。然而，僅靠有機(jī)肥難以維持土壤—作物間的養(yǎng)分平衡，大量研究表明，單施有機(jī)肥或綠肥條件下，作物普遍減產(chǎn)，其中禾谷類作物減產(chǎn)幅度較大，在20%～25%[13-14]。因此，將有機(jī)肥與化肥配合施用，以較小的環(huán)境代價(jià)換取更多的農(nóng)作物產(chǎn)量是我國農(nóng)業(yè)近年來發(fā)展的主要方向。合理的有機(jī)肥、生物有機(jī)肥與化肥的配施，不僅可以減肥增效，提高化肥利用效率，還可以改善土壤微生物群落，減輕病蟲害的發(fā)生[15-16]。

水分和養(yǎng)分是制約旱地小麥生長發(fā)育最主要的2 個因子。配施有機(jī)肥能增加耕層土壤＞0.25 mm團(tuán)聚體含量，從而降低土壤容重，增加毛管孔隙度，提高土壤貯水能力[17-18]。有機(jī)肥中的養(yǎng)分釋放緩慢，氮素多以NH4+或氨基酸的形式存在，可直接參與植物養(yǎng)分循環(huán)，無需消耗糖類和有機(jī)酸等光合作用產(chǎn)物，且降低了硝酸鹽淋失風(fēng)險(xiǎn)[19]。當(dāng)化學(xué)氮素施入土壤后，作物根系會與微生物產(chǎn)生氮素競爭現(xiàn)象，而有機(jī)肥的投入會提高土壤微生物活性，從而將大量氮素固持，在微生物死亡后釋放供作物吸收利用，從而減少了氮的積累與淋溶[20]。小麥水氮利用對有機(jī)肥的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代部分化肥優(yōu)化了冠層氮素分配，從而提高了葉片光合速率和光合氮素效率，且在干旱條件下提高了水分利用效率[21]。關(guān)于有機(jī)肥對小麥水氮調(diào)控的研究已有諸多報(bào)道，但由于勞動力、生產(chǎn)成本等問題，農(nóng)民對配施有機(jī)肥的認(rèn)可度還不高。

本研究通過連續(xù)定位試驗(yàn)系統(tǒng)分析了化肥配施有機(jī)肥、生物有機(jī)肥對旱地小麥產(chǎn)量、水氮利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，旨在為我國旱地麥田培肥增產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2013—2016 年進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原晉南旱塬地區(qū)，溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年均溫12.6 ℃，有效積溫3 300 ℃左右，年均降水量約500 mm，主要集中在7—9 月。供試土壤為石灰性褐土，具體理化性質(zhì)列于表1。試驗(yàn)期降水量如圖1 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4 個處理，分別為農(nóng)戶施肥（PF）、監(jiān)控施肥（MF）、有機(jī)無機(jī)肥配施（MCF）、生物有機(jī)肥無機(jī)肥配施（BCF）。PF 處理采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量；MF 處理依據(jù)“1 m 硝態(tài)氮監(jiān)控，磷鉀衡量施肥原則”施肥[22]；MCF 處理在監(jiān)控施肥的基礎(chǔ)上，依據(jù)等養(yǎng)分供應(yīng)原則，減少化肥施用量并配施有機(jī)肥；BCF 處理在監(jiān)控施肥的基礎(chǔ)上，依據(jù)等養(yǎng)分供應(yīng)原則，減少化肥施用量并配施生物有機(jī)肥。各處理種植方式均為壟膜溝播，即在壟上覆膜（壟寬35 cm），溝內(nèi)播種（溝寬30 cm），每壟2 行。每個處理4 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積520 m2。各處理具體施肥量列于表2。

所施氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O511%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），有機(jī)肥為腐熟雞糞（養(yǎng)分含量為N 1.68%，P2O52.45%，K2O 1.36%），生物有機(jī)肥為雞糞與菌液以質(zhì)量比1∶9 比例混合而成（菌液含拉恩式菌、假單胞菌1和假單胞菌2，活菌數(shù)≥0.5×107cfu/g），由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供。所有肥料在播前均勻翻耕入土。冬小麥在每年9 月30 日至10 月1 日播種，6 月7—11 日收獲，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行管理。分別于每年的收獲期在各小區(qū)隨機(jī)采集地上部小麥植株樣品10 株；以20 cm 為一層，采集小麥播前與收獲后0～200 cm 各層混合土樣，每個小區(qū)3 個點(diǎn)。

表2 2013—2016 年各處理施肥量 kg/hm2

1.3 測定項(xiàng)目及方法

小麥?zhǔn)斋@期，在各小區(qū)隨機(jī)收獲30 m2（15 m×2 m）的小麥，脫粒計(jì)算產(chǎn)量。

從苗期開始，每個小區(qū)選3 個1 m 長樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，收獲后測算公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等指標(biāo)。

土壤含水量的測定采用烘干法[23]；土壤硝態(tài)氮采用CaCl2浸提，AA3（Auto Analyzer3）型流動分析儀測定[23]；植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮法，AA3（Auto Analyzer3）型流動分析儀測定[23]。

土壤貯水量（mm）＝土層厚度（cm）×土壤含水量（%）×土壤容重/10 （1）

其中，0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土壤容重分別為1.21，1.35，1.35，1.30 g/cm3；80～200 cm土層容重均以1.36 g/cm3計(jì)[24]。

耗水量（mm）＝播前0～200 cm 土壤貯水量-收獲時(shí)0～200 cm 土壤貯水量+生育期有效降水量[25]（2）

水分生產(chǎn)效率（kg/（hm2·mm））＝小麥籽粒產(chǎn)量/耗水量[25]（3）

氮素表觀回收率＝（施氮后作物地上部分吸氮量-未施氮作物地上部分吸氮量）/施氮量×100%[25]（4）

氮肥偏生產(chǎn)力（kg/kg）＝施氮后小麥產(chǎn)量/施氮量[25]（5）

氮農(nóng)學(xué)效率（kg/kg）＝（施氮后小麥產(chǎn)量-未施氮小麥產(chǎn)量）/施氮量[25]（6）

氮生理效率（kg/kg）＝施氮后小麥產(chǎn)量/施氮后作物地上部分吸氮量[25]（7）

氮收獲指數(shù)＝籽粒中氮積累量/成熟期地上部分總吸氮量×100%[25]（8）

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD 法（P＜0.05）進(jìn)行分析比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥措施對旱地小麥水分利用率的影響

表3 為連續(xù)3 a 化肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥的水分利用情況。由表3 可知，3 a 小麥生育期0～200 cm 土壤耗水量在223.2～388.1 mm，其中，BCF處理顯著高于PF 處理和MF 處理，平均增幅為6.0%～6.7%。與單施化肥處理相比，MCF 和BCF 處理在小麥?zhǔn)斋@后土壤貯水量無顯著差異，而播前貯水量卻顯著高于PF 處理。對于水分生產(chǎn)效率，MCF與BCF 處理顯著高于PF 處理，平均增幅13.8%。此外，在生育期降水量較少的年份（2014—2015 年）水分生產(chǎn)效率最高，平均為19.1 kg/（hm2·mm）。

表3 無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥對晉南旱地冬小麥水分利用率的影響

2.2 不同施肥措施對旱地小麥氮素利用率的影響

由表4 可知，各處理的氮素表觀回收率在11.52%～58.15%，其中，無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥處理顯著高于PF 和MF 處理，較PF 處理平均高101.5%～135.4%，較MF 處理平均高11.4%～30.1%。MF、MFC、BFC 處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率均顯著高于PF 處理，氮肥偏生產(chǎn)力平均增幅120.2%～143.4%，氮農(nóng)學(xué)效率平均增幅71.8%～156.2%，其中均以BFC 處理最高。MF 處理的氮素表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率均顯著高于PF 處理。各處理的氮生理效率和氮收獲指數(shù)無顯著差異，平均為38.4 kg/kg 和78.4%，單施化肥處理總體高于化肥配施有機(jī)肥處理。此外，水分生產(chǎn)效率與氮素利用率的相關(guān)性分析表明，水分生產(chǎn)效率與氮肥偏生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)為0.85，呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表4 無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥對晉南旱地冬小麥氮素利用率的影響

2.3 不同施肥措施對旱地小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表5 可知，小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量總體趨勢一致，均以BCF 處理顯著高于單施化肥處理，較MF 處理分別高9.1%，6.1%，較PF 處理分別高22.1%，25.2%。MCF 處理的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量低于BCF 處理，但差異不顯著。對于小麥產(chǎn)量構(gòu)成，MF、MCF、BCF 處理的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量均顯著高于PF 處理，公頃穗數(shù)平均增幅12.2%～22.4%，其中，BCF 處理顯著高于MF、MCF 處理；千粒質(zhì)量平均增幅2.9%～3.8%，3 個處理間差異不顯著。各處理收獲指數(shù)總體無顯著差異，平均為45%。

表5 無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥對晉南旱地冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.4 不同施肥措施對旱地小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表6 可知，各處理年均純收入由高到低為BCF＞MCF＞MF＞PF。其中，配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥處理的經(jīng)濟(jì)效益顯著高于單施化肥處理，3 a平均凈收益達(dá)6 341 元/hm2，較MF 和PF 處理分別高16.9%和52.2%。與PF 處理相比，各處理均在2015—2016 年的純收入增幅最高，為73.8%～102.7%，說明旱地麥田有機(jī)無機(jī)肥配施在低產(chǎn)年份更有利于收入的增加。BCF 處理的經(jīng)濟(jì)效益略高于MCF 處理，但二者間差異不顯著。

表6 無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥對晉南旱地冬小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響 元/hm2

3 討論

水分是旱作區(qū)小麥產(chǎn)量的主要限制因子。相關(guān)研究表明，干旱地區(qū)有機(jī)肥配施化肥會提高土壤耗水量，加劇土壤干燥化程度[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥后，土壤耗水量明顯增加，以化肥配施生物有機(jī)肥處理最為顯著，增幅達(dá)6.0%～6.7%，與前人研究結(jié)果[28-29]一致。雖然配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥提高了土壤耗水量，但本研究下小麥?zhǔn)斋@后各處理0～200 cm 土壤貯水量無顯著差異，而播前土壤貯水量卻顯著增加，可能是因?yàn)橥庠从袡C(jī)質(zhì)的投入改善了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度和蓄水能力，減少了夏閑期集中降水的淋失，為小麥生育期貯存了較多的水。本研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥顯著增加了水分生產(chǎn)效率，平均增長了13.8%，這可能是因?yàn)槭┯蒙镉袡C(jī)肥改善了土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了水、肥高效利用體系，促進(jìn)了小麥的生長發(fā)育，提高了冬小麥生育后期的葉面積指數(shù)，減少了棵間土壤的無效蒸發(fā)，將水分消耗方式由土面蒸發(fā)轉(zhuǎn)換為作物蒸騰；此外，施用有機(jī)肥也可促進(jìn)小麥根系生長，有利于對土壤深層水的利用。旱地小麥水分利用率存在年際差異性，且與降水量密切相關(guān)[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在小麥生育期降水較少的年份（2014—2015 年），水分生產(chǎn)效率最高，平均為19.1 kg/（hm2·mm）。陸增根等[31]研究表明，在干旱條件下，適度的水分虧缺會降低作物蒸騰速率，但光合速率不會顯著下降，復(fù)水后的光合作用補(bǔ)償效應(yīng)會促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高作物產(chǎn)量。2014—2015 年度整個小麥生育期，降水主要集中在4—5 月，苗期較低的降水量減少了水分的無效蒸發(fā)；在需水量巨大的拔節(jié)和灌漿期，大量集中的降水產(chǎn)生復(fù)水效應(yīng)，促進(jìn)籽粒產(chǎn)量的形成，從而提高了水分生產(chǎn)效率。

肥料利用率是衡量施肥效果的主要指標(biāo)，通過對氮肥回收率、氮肥偏生產(chǎn)力、氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮肥生理效率的綜合分析能夠較為準(zhǔn)確地反映小麥對氮肥的吸收和利用狀況[26]。我國小麥的氮肥利用率變異范圍為10.8%～44.4%[32-33]，平均為32%，遠(yuǎn)低于國外氮肥的平均利用率[34]。本研究中化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥顯著提高了旱地冬小麥的氮肥表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)效率，較監(jiān)控施肥和農(nóng)戶模式分別平均提高了11.4%～30.1%和101.5%～135.4%，6.8%～10.5%和135.1%～143.4%，30.0%～49.1%和123.4%～156.2%。氮生理效率是指作物地上部每吸收單位氮素所獲得的籽粒產(chǎn)量，本試驗(yàn)中不同處理下氮素生理效率差異不顯著，平均值為38.4 kg/kg。氮收獲指數(shù)是籽粒中氮素占地上部整株植物中氮素的比例，反映了植物向籽粒分配氮的能力，本研究中小麥地上部吸收的氮素中平均78.4%的氮轉(zhuǎn)移到了籽粒中，不同處理下氮收獲指數(shù)無顯著差異。總體來說，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥顯著提高了氮肥利用效率，其中，以BCF 處理最為明顯，說明在旱地麥區(qū)施用生物有機(jī)肥替代部分化肥是提高氮肥利用率的有效措施。此外，較農(nóng)戶模式，監(jiān)控施肥處理的氮肥利用率也有顯著提升，這可能是因?yàn)楹侠淼牡⒘?、鉀化肥配施提高了肥料的正交互作用，減少了化肥的無效損失，從而提高了肥料利用率。對水、氮利用率的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，水分利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.85**，說明在旱地麥區(qū)，水、氮2 個因子互相影響、共同作用，有機(jī)無機(jī)肥配施后，土壤結(jié)構(gòu)得到改善，使得作物耗水量增加，而耗水量的增加會提高氮素利用效率，促進(jìn)小麥生長發(fā)育，從而提高旱地小麥產(chǎn)量。

本研究中，化肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥顯著增加了小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，其中，BCF 處理增幅最大，較PF 處理籽粒產(chǎn)量平均增長了22.1%，較MCF 處理也有3.6%的增長。通過對比不同有機(jī)肥對土壤養(yǎng)分及微生物活性的研究發(fā)現(xiàn)[35]，與傳統(tǒng)有機(jī)肥相比，生物有機(jī)肥表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢，小麥產(chǎn)量提高了3.4%～27.8%，本研究結(jié)果與其相符。對于產(chǎn)量構(gòu)成而言，化肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥增加了冬小麥的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量，其中，BCF處理較農(nóng)戶模式分別提高了22.4%和3.8%，而各處理穗粒數(shù)無顯著差異，說明化肥配施有機(jī)肥的增產(chǎn)效應(yīng)主要作用于小麥的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量。

不同施肥措施對小麥經(jīng)濟(jì)效益的分析表明，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥后經(jīng)濟(jì)收益顯著增加，3 a 平均純收入6 341 元/hm2，較監(jiān)控施肥和農(nóng)戶模式分別高16.9%和52.2%。其中，有機(jī)無機(jī)配施處理主要是減少了無機(jī)化肥的成本，增加了有機(jī)肥的支出，但單施化肥的總體成本要高于有機(jī)無機(jī)肥配施，且配施有機(jī)肥后產(chǎn)量收入有明顯提升，所以，導(dǎo)致化肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥處理的經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。但本研究中的生物有機(jī)肥菌劑是由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)考慮生物有機(jī)肥成本。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥可顯著提高旱地小麥水分生產(chǎn)效率，平均增幅13.8%，且在干旱年份效果更佳。水分生產(chǎn)效率和氮肥偏生產(chǎn)力存在顯著正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加了氮素表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率，其中，均以化肥配施生物有機(jī)肥處理最高，較農(nóng)戶模式分別提高135%，143%和156%。化肥配施生物有機(jī)肥顯著提高了旱地冬小麥的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量，從而使產(chǎn)量提高22.1%。有機(jī)無機(jī)肥配施降低了旱地冬小麥的生產(chǎn)成本，增加了產(chǎn)量收入，從而使純收入顯著增加，平均增幅達(dá)52.2%。綜合考慮水、氮利用及產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，在黃土旱地麥田，生物有機(jī)肥替代部分化肥是實(shí)現(xiàn)旱地小麥水肥高效利用及產(chǎn)量穩(wěn)定增長的有效途徑。