化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)小麥生長(zhǎng)、光合和產(chǎn)量的影響

候麗麗，王 偉，崔新菊，周大偉，周新麗

(1.伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆伊寧 835000；2.伊寧市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，新疆伊寧 835000)

化肥在增加作物產(chǎn)量和保障國(guó)家糧食安全上發(fā)揮了重要作用，但其不合理、盲目甚至過量施用，會(huì)造成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本增加、環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，成為制約我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一[1-4]。有機(jī)肥具有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤生物學(xué)性狀等作用[5]。研究發(fā)現(xiàn)，配施有機(jī)肥可以緩解單一施用化肥帶來的農(nóng)田面源污染問題，平衡土壤養(yǎng)分并促進(jìn)土壤微生物活性[6-8]，進(jìn)而達(dá)到作物產(chǎn)量增長(zhǎng)、品質(zhì)提升的效果。有關(guān)冬小麥的研究表明，不同類型有機(jī)肥與化肥配施有利于小麥穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，并顯著提升小麥品質(zhì)和土壤養(yǎng)分含量[9-10]。優(yōu)化肥料施用模式，降低化肥施用量以提高肥料利用率是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要措施。

新疆維吾爾自治區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)(種植業(yè))“十三五”發(fā)展規(guī)劃提出堅(jiān)持“區(qū)內(nèi)平衡、略有結(jié)余”的發(fā)展目標(biāo)，實(shí)施“藏糧于地、藏糧于技” 的發(fā)展戰(zhàn)略。為切實(shí)落實(shí)規(guī)劃目標(biāo)，積極推動(dòng)農(nóng)業(yè)由追求產(chǎn)量和依賴資源消耗的粗放經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)到數(shù)量、質(zhì)量與效益并重模式，必須減少化肥和農(nóng)藥用量，以落實(shí)化肥、農(nóng)藥零增長(zhǎng)要求。小麥?zhǔn)切陆饕Z食作物之一，占本區(qū)糧食播種面積50%以上，進(jìn)一步優(yōu)化小麥發(fā)展模式以提高肥料利用率勢(shì)在必行。本研究通過設(shè)置不同有機(jī)、無機(jī)肥配施比，分析等氮水平下有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)冬小麥新冬42號(hào)生長(zhǎng)、光合特性、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益的影響，以期為新疆小麥生產(chǎn)建立環(huán)境友好的施肥模式及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)在伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)田(E81°23′，N43°56′)進(jìn)行，該區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性氣候。2019年10月至2020年7月小麥生育期間平均氣溫10.1 ℃，降水量273.6 mm，蒸發(fā)量957.1 mm，日照時(shí)數(shù)2 886.7 h，無霜期213 d。試驗(yàn)地前茬為小麥，耕作層土壤pH7.56，有機(jī)質(zhì)含量17.47 g·kg-1，全氮含量0.86 g·kg-1，速效磷含量39.79 mg·kg-1，速效鉀含量296 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

供試材料為伊犁州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所育成的冬小麥品種新冬42號(hào)。以尿素(N含量46.4%)和當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)上出售的商品有機(jī)肥(N 13%、P2O50%、K2O 2%、有機(jī)質(zhì)>45%)作為氮肥來源，以重過磷酸鈣(P2O5含量44%)和硫酸鉀(K2O 含量52%)作為磷肥、鉀肥來源。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以總氮含量相等為原則，設(shè)置5個(gè)施氮肥處理：不施氮(CK)、單施尿素(CF)、有機(jī)肥替代25%尿素(CF+M25)、有機(jī)肥替代50%尿素(CF+M50)、有機(jī)肥替代75%尿素(CF+M75)，具體見表1。小區(qū)面積225 m2(15 m×15 m)，重復(fù)3次。施肥方式：磷肥(120 kg·hm-2)、鉀肥(30 kg·hm-2)做基肥一次性施入，有機(jī)肥按試驗(yàn)設(shè)計(jì)于播種前與磷、鉀肥一同基施入，尿素按試驗(yàn)設(shè)計(jì)按4∶6分別于播種前、拔節(jié)期施。播種量300 kg·hm-2，行距20 cm，播深3～4 cm，設(shè)置保護(hù)行，按當(dāng)?shù)氐喂啻筇锍Ｒ?guī)管理。

表1 施肥方案

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 小麥葉面積指數(shù)測(cè)定

葉面積測(cè)定采用長(zhǎng)寬系數(shù)法(長(zhǎng)×寬× 0.83)，于小麥?zhǔn)⒒ㄆ?，選取長(zhǎng)勢(shì)一致的主莖穗100株掛牌標(biāo)記，每7 d選取標(biāo)記植株10株，用尺子量取所有綠色葉片的長(zhǎng)和寬并稱重，計(jì)算葉面積指數(shù)和比葉重。

1.3.2 小麥旗葉光合參數(shù)測(cè)定

于小麥?zhǔn)⒒ㄆ陂_始，每7 d每個(gè)小區(qū)選取10株標(biāo)記植株，用Ciras3便攜式光合儀測(cè)定旗葉光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)。

1.3.3 葉綠素相對(duì)含量(SPAD值)的測(cè)定

于小麥?zhǔn)⒒ㄆ陂_始，每7 d用SPAD-502型葉綠素計(jì)測(cè)標(biāo)記植株20株的旗葉SPAD值，取平均值。

1.3.4 冬小麥干物質(zhì)積累量、產(chǎn)量測(cè)定

成熟期每小區(qū)取標(biāo)記植株10株，分為葉鞘、莖、穎殼、籽粒四個(gè)部分，105 ℃下殺青30 min，80 ℃烘24 h，稱干重，計(jì)算不同部分的干物質(zhì)積累量。每小區(qū)取10 m2實(shí)打?qū)嵤眨?jì)算產(chǎn)量。3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，用DPS 7.0、SPSS 23.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，用Orgin 2018 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)冬小麥生長(zhǎng)相關(guān)指標(biāo)的影響

由表2可知，尿素(CF)與尿素和有機(jī)肥配合施用各處理之間的小麥株高和葉面積指數(shù)均無顯著差異，但均顯著大于CK。與CF相比，CF+M25處理使小麥葉片的比葉重顯著增加，增幅為3.7%，繼續(xù)減少CF施用量則比葉重呈降低趨勢(shì)。隨CF施量減少，小麥單株分蘗數(shù)呈先增后減趨勢(shì)，以CF+M50處理單株分蘗數(shù)增幅最大(7.89%)，且與CF處理差異顯著。以上結(jié)果說明，化肥適當(dāng)減量配施有機(jī)肥對(duì)小麥生長(zhǎng)部分指標(biāo)有顯著影響，化肥減量50%配施等氮含量的有機(jī)肥可顯著提高小麥分蘗能力，為穩(wěn)定小麥產(chǎn)量奠定基礎(chǔ)。

表2 不同施肥處理對(duì)小麥生長(zhǎng)的影響

2.2 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)冬小麥花后旗葉SPAD值的影響

旗葉 SPAD 值是反映小麥旗葉光合能力的重要指標(biāo)。隨生育進(jìn)程的推移，不同施肥處理冬小麥旗葉的SPAD值均呈先增加后降低的趨勢(shì)，在花后14 d達(dá)到峰值(圖1)。CF+M50和CF+M75處理旗葉 SPAD 值在整個(gè)灌漿期間均高于其他處理，但與CF處理間差異不顯著，說明一定比例的化肥減氮配施有機(jī)肥不影響冬小麥旗葉光合能力。所有施肥處理的小麥旗葉SPAD值均顯著高于CK。

相同時(shí)間圖柱上不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)冬小麥旗葉光合參數(shù)的影響

由圖2可知，花后隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，各處理冬小麥旗葉凈光合速率Pn和氣孔導(dǎo)度Gs總體上均呈逐漸下降的趨勢(shì)，整體而言，在開花中、前期各施肥處理的Pn和Gs間無顯著差異，到開花后28 d，CF+M50處理的Gs顯著高于CF處理，配施有機(jī)肥處理間差異均不顯著，說明化肥減量配施有機(jī)肥較單施化肥可延緩小麥生育后期旗葉的衰老速度，能顯著改善灌漿后期的光合效率。胞間CO2濃度Ci在整個(gè)灌漿期維持在260 μmol·mol-1左右，直到灌漿后期明顯升高，最高達(dá)到312.3 μmol·mol-1，在整個(gè)灌漿中后期，各處理間Ci變化無顯著性差異。不同處理的蒸騰速率Tr均隨生育期推移呈先略微增加后降低的趨勢(shì)，各施肥處理間的Tr差異均不顯著，在花后21、28 d顯著高于CK。

圖2 不同施肥處理對(duì)冬小麥旗葉光合參數(shù)的影響

2.4 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)冬小麥各器官成熟期干物質(zhì)積累和分配的影響

施肥處理的冬小麥各器官干物質(zhì)積累量均顯著高于CK，說明施肥可顯著促進(jìn)冬小麥干物質(zhì)積累(圖3)不同施肥處理間，莖和葉鞘的干物質(zhì)積累量均表現(xiàn)為CF>CF+M50>CF+M25>CF+M75；穗部表現(xiàn)為CF+M50>CF+M25>CF>CF+M75，其中CF+M50處理的穗部干物質(zhì)積累量較CF處理提高14.9%，二者差異顯著。施肥對(duì)冬小麥各器官干物質(zhì)分配比例也有影響，CF+M50處理穗部干物質(zhì)分配比例最高，其次為CF+M25處理，且二者顯著高于CF處理，說明化肥適當(dāng)減量配施有機(jī)肥可促進(jìn)冬小麥光合產(chǎn)物向生殖器官輸送。

相同器官圖柱上的不同字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。

2.5 化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

施肥對(duì)冬小麥地上部生物量、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益均有顯著影響(表3)。各施肥處理的地上部生物量、籽粒產(chǎn)量和純收益均顯著高于CK。CF+M50處理的地上部生物量顯著高于其他處理；CF+M50、CF+M25處理的產(chǎn)量與CF處理差異不顯著，但3者均顯著高于CF+M75處理。施肥處理經(jīng)濟(jì)收益較CK增加350.9～2 477.0 元·hm-2?；蕼p量配施有機(jī)肥處理的純收益均顯著低于CF處理，其中CF+M50處理減少2.59%，CF+M25 與CF+M50處理間差異不顯著，但二者顯著高于CF+M75處理，這主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥成本高、肥效慢導(dǎo)致的。

表3 不同施肥處理冬小麥地上部分生物量、產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)效益

3 討 論

有研究表明，北部高原地區(qū)是小麥過量施肥的高值區(qū)域[11]，而新疆作為北部小麥主產(chǎn)區(qū)也存在著施肥結(jié)構(gòu)不合理、比例不協(xié)調(diào)、分配不平衡等問題[12-13]。減少化肥投入、科學(xué)推進(jìn)化肥減量施用任務(wù)成為控制面源污染、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。本試驗(yàn)采用連續(xù)三年定位試驗(yàn)地，對(duì)有機(jī)肥等氮含量替代化肥進(jìn)行追蹤研究，分析最后一年的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，商品有機(jī)肥配施尿素與單施尿素相比，小麥產(chǎn)量無顯著性差異，這與前人研究結(jié)果相同[14]；CF+M50處理產(chǎn)量高于單施尿素處理，CF+M75處理產(chǎn)量顯著低于單施尿素處理，說明適當(dāng)化肥減量配施有機(jī)肥可保持小麥籽粒產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期堅(jiān)持配施有機(jī)肥可以增加小麥地上部生物量，這對(duì)于助力新疆的畜牧業(yè)發(fā)展非常有益。

本研究中，CF+M25和CF+M50處理對(duì)小麥的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，分別增加了小麥株高、葉面積指數(shù)和單株分蘗數(shù)，這些指標(biāo)也是增加小麥生物產(chǎn)量的關(guān)鍵，這可能是前期有機(jī)肥肥效緩慢、肥效時(shí)間長(zhǎng)[15]與化肥養(yǎng)分濃厚、功效迅速[16]的協(xié)調(diào)作用。魏小武等[17]研究發(fā)現(xiàn)，化肥減量配施有機(jī)肥可以增加小麥株高和葉面積。本研究結(jié)果與前人結(jié)論基本一致[18]。

葉片中葉綠素的含量直接影響植物的光合作用，旗葉是小麥的功能葉片，旗葉葉綠素含量可以很大程度反映小麥的光合能力[19-20]。研究表明[21-22]，適當(dāng)增加施肥量，有利于提升小麥上三葉 SPAD 值,可使冬小麥在整個(gè)生育期獲得相對(duì)穩(wěn)定且較高的 SPAD 值，但在高氮處理之間差異不顯著。本研究中，SPAD值隨著灌漿進(jìn)程的推進(jìn)而下降，與前人研究結(jié)果一致[23]，增施氮肥顯著提高了小麥旗葉SPAD值，但是在各有機(jī)肥配施處理之間無顯著差異。本試驗(yàn)總氮量為195 kg·hm-2，這是否已經(jīng)達(dá)到小麥的高氮閾值需要進(jìn)一步深入研究。

研究表明，植株光合作用與氮素供應(yīng)水平關(guān)系密切[24]，適量增施氮肥和有機(jī)肥可增強(qiáng)小麥光合作用，且利于延緩葉片衰老[25]。本研究結(jié)果表明，CF+M50處理的小麥旗葉Pn和Gs顯著高于化肥處理，說明化肥減量配施有機(jī)肥可延緩小麥生長(zhǎng)發(fā)育后期衰老速度，從而改善灌漿后期的光合效率。生物量是作物光合作用的產(chǎn)物，其積累量與收獲目標(biāo)的產(chǎn)量有密切關(guān)系[26]，李春喜[25]研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥處理可顯著提高小麥干物質(zhì)積累量(除成熟期外)，在開花期尤為明顯。本研究中，一定量的化肥配施有機(jī)肥處理(CF+M50)顯著增加了小麥單株干物質(zhì)積累量和穗部干物質(zhì)分配比例，這與上述的研究結(jié)果一致。

有機(jī)肥的主要作用是增加和更新土壤里的有機(jī)質(zhì)含量，促進(jìn)微生物繁殖，改善土壤的理化性質(zhì)和生物活性，減輕板結(jié)和酸化情況，提高土壤的利用率，有機(jī)肥和化肥配施可為作物后期生長(zhǎng)提供充足的營(yíng)養(yǎng)成分[27]。本研究在不改變氮肥總投入的情況下，利用商品有機(jī)肥中的氮素部分替代化學(xué)氮肥，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有施N 195 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 30 kg·hm-2基礎(chǔ)上，氮肥用量減施25%和50%，對(duì)小麥產(chǎn)量沒有明顯影響。陳愛萍[28]等研究認(rèn)為，小麥產(chǎn)量隨有機(jī)肥替代比例增加呈先上升后下降的趨勢(shì)，其中 20%替代效果最佳。研究結(jié)果的差異可能與試驗(yàn)材料、施肥水平和試驗(yàn)環(huán)境不同有關(guān)。因此，還應(yīng)深入了解不同氮水平下有機(jī)肥配施對(duì)其他類型小麥生長(zhǎng)過程中養(yǎng)分平衡的調(diào)節(jié)機(jī)制，為化肥減量施用政策的制定和實(shí)施提供可靠依據(jù)。