減量施肥模式對(duì)稻麥輪作體系中小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的影響

熊又升 熊漢鋒 郭衍龍 王海生 劉 威嚴(yán)與向 謝媛園 周劍雄 楊立軍

（1湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，430064，湖北武漢；2鄂州職業(yè)大學(xué)；436000，湖北鄂州；3鄂州市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究所；436000，湖北鄂州；4武漢市農(nóng)業(yè)檢測(cè)中心，430023，湖北武漢）

我國(guó)糧食連續(xù)增產(chǎn)的背后是中國(guó)化肥施用量的逐年增高，尤其是氮肥的施用量大幅度提升，過量施用化肥導(dǎo)致肥料利用率偏低[1-2]，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，危害農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[3-4]，不利于農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[5]。因此，大力推進(jìn)化肥減量提效，積極探索產(chǎn)出高效、資源節(jié)約及環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路是推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重要措施。減量施肥正是在此背景下發(fā)展起來(lái)的養(yǎng)分管理技術(shù)，即在保證作物產(chǎn)量穩(wěn)定的前提下，減少肥料投入，以提高肥料利用率和降低環(huán)境污染。研究表明，在水稻－小麥[6]和小麥－玉米[7]等輪作體系中，適量減肥并沒有引起產(chǎn)量顯著變化，且改善了作物品質(zhì)，提高了肥料利用率和經(jīng)濟(jì)效益，降低了養(yǎng)分的環(huán)境損失和污染，達(dá)到節(jié)肥增效的目的。

冬小麥－中稻輪作制是我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)主要的糧食作物種植制度，該耕作制度比較突出的問題是土壤養(yǎng)分不平衡、肥料利用率低且肥料損失大。因此，研究減量施肥模式對(duì)長(zhǎng)江中下游稻麥輪作制作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的影響，對(duì)于提高農(nóng)田生產(chǎn)力和保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面具有重要意義。

配施肥料增效劑是減少肥料用量和提高肥料利用率的有效手段之一。不同種類肥料增效劑在玉米[8]、棉花[9]和水稻[10]等作物上的應(yīng)用已有報(bào)道。施用肥料增效劑可以減少肥料用量，簡(jiǎn)化施肥方式，降低施肥成本，減輕化肥污染，保護(hù)環(huán)境[11-12]。受氣候條件和土壤肥力等因素影響，減量施肥效果可能存在很大的區(qū)域性差異。為探究不同減量施肥模式在稻麥輪作制生產(chǎn)中的效果，本研究在湖北省鄂州市開展3年定位稻－麥輪作減量施肥田間試驗(yàn)，研究有機(jī)肥替代化肥以及配合施用氮增效劑、磷素活化劑等不同減量施肥模式措施對(duì)小麥產(chǎn)量及氮、磷、鉀養(yǎng)分吸收利用的影響，為長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)高產(chǎn)、低耗、增效提供理論和技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及供試材料

試驗(yàn)于2017年11月至2020年10月在湖北省鄂州市路口農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行，該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年均氣溫17℃，年均日照時(shí)數(shù)2003.7h，年均降水量1282.8mm，無(wú)霜期273d。供試土壤為湖積物母質(zhì)發(fā)育的潮土，土壤質(zhì)地為壤土。試驗(yàn)前土壤基本理化性狀為pH 5.76，有機(jī)質(zhì)10.06g/kg，全氮0.90g/kg，全磷0.70g/kg，全鉀17.47g/kg，堿解氮70.86mg/kg，速效磷 4.35mg/kg，速效鉀 55.6mg/kg。

供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），供試有機(jī)肥含氮（N）1.08%、磷（P2O5）0.30%、鉀（K2O）4.20%。供試小麥品種為鄭麥9023。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置6個(gè)處理，分別為不施肥對(duì)照（T1，CK）、當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥（T2）、有機(jī)肥與化肥配施（T3）、在T3基礎(chǔ)上減化肥N 20%+氮增效劑（T4）、在T3基礎(chǔ)上減化肥P 20%+磷素活化劑（T5）和在T3基礎(chǔ)上減化肥N 20%、P 20%+氮增效劑+磷素活化劑（T6）。常規(guī)施肥處理的氮、磷和鉀用量分別為180、105和120kg/hm2，其中氮肥按基追比7:3分2次施用，磷肥和鉀肥作基肥一次性施入。前作水稻常規(guī)施肥處理的氮、磷和鉀用量分別為210、105和135kg/hm2。各處理施肥情況見表1。

表1 稻麥輪作試驗(yàn)條件下小麥?zhǔn)┓是闆rTable 1 Different fertilizer application models for rice-wheat cropping experiment kg/hm2

供試有機(jī)肥為湖北省鄂州市廣豐生態(tài)農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，氮增效劑為沈陽(yáng)中科新型肥料有限公司生產(chǎn)，磷素活化劑為山東蘇柯漢生物工程股份有限公司生產(chǎn)。

每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積30m2。小區(qū)間筑土埂，高30cm，寬20cm。小麥分別于2017年11月4日、2018年10月26日和2019年10月24日播種，分別于2018年5月19日、2019年5月21日和2020年5月19日收獲。播種量為150kg/hm2。其他田間管理同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)。

1.3 樣品采集與分析

試驗(yàn)開始前取耕層土樣，采用常規(guī)方法測(cè)定土壤養(yǎng)分狀況。每個(gè)小區(qū)單打單收，在田間直接測(cè)定產(chǎn)量，取樣品1kg，烘干后計(jì)算含水量，再通過含水量折算出小區(qū)實(shí)際產(chǎn)量。籽粒和秸稈樣品裝袋放入烘箱中，于80℃烘干至恒重，稱干重，粉碎過篩后采用濃H2SO4-H2O2消煮，利用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定氮和磷含量，采用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀含量[13]。

1.4 計(jì)算公式

氮、磷和鉀相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法[14]：植株氮（磷、鉀）素總吸收量（total uptake amount，kg/hm2）=植株各器官干重之和×氮（磷、鉀）含量，氮（磷、鉀）肥偏生產(chǎn)力（partial factor productivity，PFP，kg/kg）=施氮（磷、鉀）作物產(chǎn)量/施氮（磷、鉀）量，氮（磷、鉀）素吸收效率（uptake efficiency，UPE，kg/kg）=植株氮（磷、鉀）素總吸收量/施氮（磷、鉀）量，氮（磷、鉀）素利用效率（use efficiency，UE，kg/kg）=籽粒產(chǎn)量/植株氮（磷、鉀）素總吸收量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，利用SAS 8.1進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法檢驗(yàn)處理間P＜0.05水平的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同減量施肥模式對(duì)小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

由圖1可知，與CK相比，3年施肥處理的小麥產(chǎn)量均顯著增加，但各施肥處理間無(wú)顯著差異。2018年T2處理產(chǎn)量最高，各減量施肥處理產(chǎn)量均略低于常規(guī)施肥處理，但無(wú)顯著差異，減量施肥處理（T4、T5和T6）間差異也不明顯。2019年T4處理產(chǎn)量最高，比T2處理高16.75%，T5和T6處理產(chǎn)量比T2處理分別高8.2%和14.84%。T4和T6處理產(chǎn)量顯著高于T2處理。2020年T5處理產(chǎn)量最高，比T2處理高3.48%。各減量施肥處理產(chǎn)量均略高于T2處理，但無(wú)顯著差異，各減量施肥處理間產(chǎn)量差異也不明顯。

圖1 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different treatments on wheat yield in rice-wheat cropping system in 2018-2020

表2結(jié)果表明，2018年T2處理產(chǎn)投比最高。2019和2020年T4處理產(chǎn)投比最高，分別比T2處理高19.40%和4.31%。T4處理產(chǎn)投比3年平均值最高，比T2處理高3.96%。2019年T3處理產(chǎn)投比略高于T2處理。2018-2020年，T5處理產(chǎn)投比較T2處理分別低63.34%、53.43%和55.98%，平均低59.21%，T6處理較T2處理分別低59.79%、49.25%和55.50%，平均低56.24%。T5和T6處理的產(chǎn)投比無(wú)論是年度還是3年平均值都明顯低于T4處理。

表2 2018-2020年不同施肥模式經(jīng)濟(jì)效益分析Table 2 Economic benefit analysis of different fertilization modes in 2018-2020

2.2 不同減量施肥模式對(duì)小麥氮素吸收與利用的影響

由圖2可知，2018年T4處理的氮素總吸收量顯著高于其他處理，比T2處理高13.37%。2019和2020年T5處理的氮素總吸收量最高，較T2處理分別提高了9.22%和20.70%。2020年T4處理的氮素總吸收量顯著高于T2處理。2018和2020年T4和T6處理的氮素吸收效率顯著高于T2處理，2019年T5和T6處理的氮素吸收效率顯著高于T2處理。2018年T5、T6處理的氮素利用效率顯著高于T2處理。2018和2020年T4處理的氮素利用效率和氮素偏生產(chǎn)力均顯著高于T2處理，而T3與T2處理間的氮素總吸收量、氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥偏生產(chǎn)力均無(wú)顯著差異。上述結(jié)果說明，T4和T6處理有利于增強(qiáng)小麥對(duì)氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素利用效率；T3處理對(duì)小麥氮素的吸收與利用均無(wú)顯著影響。

圖2 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對(duì)小麥氮素吸收與利用的影響Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.3 不同減量施肥模式對(duì)小麥磷素吸收與利用的影響

由圖3可知，與T1處理相比，各施肥處理均顯著增加了小麥地上部磷素總吸收量。2018年T4處理的小麥地上部磷素總吸收量比T2處理提高了11.75%。2019年T5和T6處理均增加了小麥地上部磷素總吸收量。3年試驗(yàn)中，T5處理的磷素吸收效率較T2處理分別顯著增加30.00%、46.67%和21.43%。2019年T6處理的磷素吸收效率顯著高于T2處理，增幅為40.00%。2018年、2019年T5和T6處理磷素偏生產(chǎn)力均顯著高于T2處理，2020年T6處理顯著高于T2處理。3年試驗(yàn)中，T6處理磷素偏生產(chǎn)力比T2處理分別增加10.88%、43.43%和20.78%，T5較T2處理分別高22.37%、52.06%和12.18%。上述結(jié)果說明，T5處理可以明顯提高小麥磷素總吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生產(chǎn)力，T6處理可明顯提高小麥的磷素偏生產(chǎn)力，而T3和T4處理對(duì)小麥磷素的偏生產(chǎn)力、吸收效率和利用效率均無(wú)顯著影響。

圖3 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對(duì)小麥磷素吸收與利用的影響Fig.3 Effects of different treatments on phosphorus uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.4 不同減量施肥模式對(duì)小麥鉀素吸收與利用的影響

由圖4可知，各施肥處理小麥的地上部鉀素總吸收量顯著高于T1處理，2018年T3處理顯著高于T2處理。2019年T5處理鉀素總吸收量顯著高于T2處理，增幅為18.18%。2020年各減量施肥處理鉀素總吸收量低于T2處理。2018年T3和T5處理鉀素吸收效率較T2處理分別顯著增加38.70%和10.98%，2019年T5處理顯著高于T2處理。3年試驗(yàn)中，T6處理的鉀素利用效率較T2處理分別顯著增加7.38%、8.39%和12.97%，2018年和2019年T4處理較T2處理分別高4.69%和7.67%。2019年各減量施肥處理（T4、T5、T6）鉀素偏生產(chǎn)力較T2處理分別高9.59%、21.64%和14.75%。2018年和2020年各減量施肥處理鉀肥偏生產(chǎn)力低于T2處理。2019年和2020年，T3處理鉀肥偏生產(chǎn)力均最低。

圖4 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對(duì)小麥鉀素吸收與利用的影響Fig.4 Effects of different treatments on potassium uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

3 討論

研究表明，與單施化肥相比，有機(jī)肥與化肥配施作物產(chǎn)量不降低或增加[15]，有機(jī)肥替代20%氮肥可以保障小麥產(chǎn)量[16]。本研究結(jié)果表明，不同減量施肥模式對(duì)小麥產(chǎn)量沒有明顯影響。2018年小麥各減量施肥處理產(chǎn)量均略低于常規(guī)施肥處理。這可能是因?yàn)楸驹囼?yàn)地為休閑地，秋冬季施用有機(jī)肥沒有明顯的效果。2019年和2020年配合氮增效劑的減量施肥處理產(chǎn)量均略高于常規(guī)施肥處理，但差異不明顯。有機(jī)肥替代處理產(chǎn)量均略低于常規(guī)施肥處理，差異不顯著?？傮w上來(lái)看，肥料增效劑有一定的效果，肥料用量減少20%后，小麥產(chǎn)量降低不明顯。馬力等[17]研究數(shù)十年期間稻麥輪作區(qū)作物產(chǎn)量的穩(wěn)定性表明，小麥產(chǎn)量年際間的波動(dòng)較大。本研究小麥產(chǎn)量年際間的波動(dòng)較大，可能是因?yàn)榈实氖┯媒档土说咎锷鷳B(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，特別是在旱作條件下。不同減量施肥模式的經(jīng)濟(jì)效益分析表明，減少一定量的氮肥、增施氮增效劑具有較高的產(chǎn)投比。增施磷素活化劑的處理產(chǎn)投比較低。這是因?yàn)榱姿鼗罨瘎┯昧枯^大，而且價(jià)格較高，其投入成本高出肥料投入。

養(yǎng)分吸收量是衡量作物生長(zhǎng)狀況的重要參數(shù)，施肥可以不同程度地影響植株體內(nèi)的養(yǎng)分濃度。田秀英等[18]研究發(fā)現(xiàn)，尿素全量配施氮增效劑能顯著提高氮素的農(nóng)學(xué)效率、生理效率和氮素利用率。易瓊等[19]研究表明，減氮20%～30%處理稻、麥產(chǎn)量并沒有降低，而氮肥當(dāng)季利用率、氮素農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力提高了。本研究結(jié)果表明，配合氮增效劑的減量施肥處理有利于增強(qiáng)小麥對(duì)氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素的利用效率，其原因可能是肥料增效劑可改變水分子的結(jié)構(gòu)和能態(tài)，提高了其活性，在水不斷被植物吸收的過程中可攜帶大量的營(yíng)養(yǎng)元素進(jìn)入植物體內(nèi)。同時(shí)，增施肥料增效劑能提高肥料利用率，可能與肥料增效劑中含有腐殖酸、有機(jī)酸及鋅、硼和鎂等微量元素有關(guān)。這些元素能綜合吸附肥料中的養(yǎng)分，起到控釋和緩釋的作用。

磷在植物體中的含量?jī)H次于氮和鉀，植物對(duì)磷的吸收和利用受各種因素影響。皓達(dá)肥料增效劑可促進(jìn)蘿卜和大白菜吸收養(yǎng)分，提高蘿卜[20]和大白菜[21]的氮、磷、鉀養(yǎng)分效力系數(shù)。本研究結(jié)果表明，配合磷素活化劑的減量施肥處理可以明顯提高小麥磷素總吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生產(chǎn)力，與本課題組前期的研究[22]結(jié)果一致。其原因可能是增效劑有刺激作物生長(zhǎng)和促進(jìn)養(yǎng)分吸收的效果，又能降低磷在土壤中的退化，促進(jìn)作物根系生長(zhǎng)，綜合調(diào)控作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用，從而提高肥料利用率。

作物對(duì)鉀肥的需求量較高，正常情況下作物對(duì)鉀的吸收大于對(duì)磷的吸收，與氮的吸收量相近[23]。許猛等[9]研究表明，增效劑可促進(jìn)棉株地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分的積累及棉株對(duì)化肥中養(yǎng)分的利用，體現(xiàn)在化肥利用率的提高方面。本研究結(jié)果表明，配合增效劑的減量施肥處理可明顯提高鉀素利用效率和鉀肥偏生產(chǎn)力，與楊勇等[24]在水稻上的應(yīng)用效果相似，也與本課題組前期的研究[22]結(jié)果一致。

4 結(jié)論

在常規(guī)化肥條件下減20%肥料配合氮增效劑、磷素活化劑對(duì)稻麥輪作體系中小麥產(chǎn)量沒有明顯影響。減N 20%配合氮增效劑比常規(guī)施肥產(chǎn)投比高4.31%～19.4%，減P 20%配合磷素活化劑比常規(guī)施肥產(chǎn)投比低53.43%～63.34%。減N 20%配合氮增效劑處理的氮素吸收效率、氮素利用效率和鉀素利用效率分別提高9.22%～20.70%、7.01%～28.67%和4.69%～7.67%。減P 20%配合磷素活化劑處理的小麥磷素的總吸收量、吸收效率、偏生產(chǎn)力和利用效率分別提高15.53%、21.43%～46.67%、12.18%～52.06%和3.77%～4.52%。減N、P各20%配合氮增效劑、磷素活化劑處理的氮素吸收效率、磷素偏生產(chǎn)力和鉀素利用效率分別提高5.67%～19.40%、10.88%～43.43%和7.38%～12.97%。