有機(jī)肥替代化肥對小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及氮素效率的影響

呂麗華，姚海坡，曹志敏，張經(jīng)廷，姚艷榮，賈秀領(lǐng)

(農(nóng)業(yè)部華北地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測實驗站，河北省作物栽培生理與綠色生產(chǎn)重點實驗室，河北省農(nóng)林科學(xué)院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035)

目前，氮肥超量施用帶來了一系列的問題，包括氮肥效率逐漸下降、溫室氣體過度排放[1]、農(nóng)田生態(tài)環(huán)境污染、土壤質(zhì)量惡化、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)降低[2-3]等負(fù)面影響。有研究表明，增施有機(jī)肥、減施化肥可改善土壤肥力狀況及生態(tài)環(huán)境，從而提高作物對養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)作物增產(chǎn)[4-7]。因此，有機(jī)肥替代氮肥管理越來越受到人們的重視[8-10]。研究表明，有機(jī)與無機(jī)肥配施一方面可增加小麥產(chǎn)量[11-13]；另一方面可使小麥蛋白質(zhì)含量增加，籽粒品質(zhì)明顯改善[14]；同時可改善土壤的物理化學(xué)性狀，促進(jìn)根系發(fā)育，提高氮肥回收效率[15-17]。有機(jī)肥與化肥配施對土壤培肥、作物產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)等方面的研究已有很多報道，但不同來源的有機(jī)肥養(yǎng)分含量差異大，有機(jī)肥替代比例不能一概而論。

針對上述問題，本研究通過有機(jī)肥(牛糞)對氮肥的養(yǎng)分替代量，明確有機(jī)肥替代氮肥的替代比例以及不同替代比例下小麥產(chǎn)量、品質(zhì)和氮肥吸收利用的特點，以期為有機(jī)肥替代氮肥減量增效技術(shù)提供技術(shù)依據(jù)，并為小麥綠色優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年10月至2020年6月連續(xù)2 a在河北省永年區(qū)博遠(yuǎn)農(nóng)場(114.72 E，37.93 N)進(jìn)行，土壤類型為偏黏土，肥力較高。試驗地0～20 cm耕層土壤養(yǎng)分含量有機(jī)質(zhì)22.5 g/kg，全氮0.88 g/kg，全磷0.5 g/kg，有效磷22.8 mg/kg，有效鉀247.5 mg/kg。

1.2 試驗設(shè)計

供試小麥品種濟(jì)麥44。試驗采用完全隨機(jī)試驗設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積36 m2，15 cm等行距播種，基本苗440萬株/hm2。試驗共設(shè)5個有機(jī)肥和氮肥配合處理：T1.高氮處理，采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶高施氮模式，純N 300 kg/hm2；T2.節(jié)氮處理，純N 150 kg/hm2；T3.20%替代率處理，用有機(jī)肥替代T2的20%化學(xué)氮肥用量處理；T4.40%替代率處理，用有機(jī)肥替代T2的40%化學(xué)氮肥用量處理；T5.60%替代率處理，用有機(jī)肥替代T2的60%化學(xué)氮肥用量處理。所有處理磷、鉀用量相同，P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，具體施肥量見表1。所有有機(jī)肥均作為基肥施用，有機(jī)肥由牛糞制成，含有45%的有機(jī)質(zhì)、2.48%的純N、0.27%的P2O5和0.96%的K2O；化學(xué)肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O546%)、氯化鉀(K2O 60%)。灌水方式采用畦灌，小麥生育期灌溉2次，分別為拔節(jié)水和開花水，單次灌水量75 mm。小麥10月8—10日播種，6月6—8日收獲。其他田間管理一致。

表1 不同施肥處理有機(jī)肥和化肥用量Tab.1 Amount of organic fertilizer and chemical fertilizer in different fertilization treatments kg/hm2

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成 成熟期每個小區(qū)人工收割5.4 m2(1.8 m×3.0 m)，籽粒自然風(fēng)干后脫粒稱質(zhì)量，用谷物水分測定儀測定籽粒含水量，最終折算為含水量13%的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)量。收割前每小區(qū)收獲1.11 m雙行內(nèi)所有植株，統(tǒng)計穗數(shù)，折合為單位面積穗數(shù)；隨機(jī)取40穗統(tǒng)計穗粒數(shù)；脫粒、風(fēng)干后稱千粒質(zhì)量，重復(fù)5次，同時測定含水量，折算為13%含水量的標(biāo)準(zhǔn)千粒質(zhì)量。

1.3.2 品質(zhì)指標(biāo)的測定 籽粒風(fēng)干后存放60 d，然后進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)的測定。利用面筋儀(Glutomatic 2100，瑞典，波通公司)依據(jù)GB/T 5506.2—2008測定濕面筋含量。采用BAU-A型沉淀儀依據(jù)AACC-56-61A方法測定沉淀值。采用德國Brabender公司生產(chǎn)的810106002型電子粉質(zhì)儀依據(jù)GB/T 14614—2006方法測定面團(tuán)形成時間、穩(wěn)定時間。采用德國Brabender公司86003302型拉伸儀依據(jù)GB/T 14615—2006方法測定最大拉伸阻力。

1.3.3 氮肥效率相關(guān)指標(biāo) 成熟期每個小區(qū)收獲1 m雙行小麥，去根，植株分成籽粒和莖葉分別裝袋，80 ℃烘干至恒質(zhì)量，分別測定各部位干質(zhì)量。然后將樣品粉碎，采用半微量凱氏定氮法測定含氮量，并計算植株和籽粒吸氮量。

氮肥效率(Nitrogen fertilizer efficiency，NFE，kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/當(dāng)季施氮量

①

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency，NUPE，kg/kg)=植株氮素累積量/施氮量

②

氮素利用效率(Nitrogen utilization efficiency，NUTE，kg/kg)=籽粒產(chǎn)量/植株氮素累積量

③

氮收獲指數(shù)(Nitrogen harvest index，NHI)=籽粒中氮量/植物吸氮量×100%

④

1.3.5 土壤養(yǎng)分 土壤有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀法-外加熱法，堿解氮含量測定采用擴(kuò)散滴定法，全氮含量測定采用濃硫酸消煮-半微量開氏法，速效磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2007軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，采用SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，用最小顯著性差異法(LSD)檢驗差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)肥替代比例對小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

在第1年預(yù)試驗的基礎(chǔ)上，開展第2季的正式試驗。由表2可知，有機(jī)肥替代20%化肥(T3)和替代40%化肥(T4)處理產(chǎn)量較高，較高氮處理(T1)分別高5.6%和4.9%，而較節(jié)氮處理(T2)分別高4.6%和4.0%，較60%替代率處理(T5)分別高6.2%和5.4%。由產(chǎn)量構(gòu)成因素分析可知，有機(jī)肥替代氮肥主要是通過增加穗粒數(shù)來提高小麥產(chǎn)量，與高氮處理和節(jié)氮處理比較，穗粒數(shù)增加3.6～5.6粒。60%替代率與高氮處理產(chǎn)量相當(dāng)，但其產(chǎn)量顯著低于20%和40%替代率處理，主要由于穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量明顯較低?？梢?，有機(jī)肥替代氮肥比例過高，當(dāng)季氮肥肥效釋放緩慢，產(chǎn)量未必較高。不同處理間千粒質(zhì)量差異不顯著，而經(jīng)濟(jì)系數(shù)存在顯著差異，表現(xiàn)為有機(jī)肥替代氮肥處理經(jīng)濟(jì)系數(shù)顯著較高，高3.4%～9.9%。結(jié)果表明，與節(jié)氮處理相比，有機(jī)肥替代20%和40%的化肥，通過提高穗粒數(shù)，可顯著提高產(chǎn)量(P<0.05)。

表2 不同處理下小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素Tab.2 Yield and yield components of wheat under different treatments

2.2 不同有機(jī)肥替代比例對小麥籽粒品質(zhì)的影響

面筋是小麥粉中所特有的一種膠體混合蛋白質(zhì)，數(shù)值大了較好；沉淀指數(shù)越大，表示面筋多、形成的沉淀物多。由表3可見，14%濕基濕面筋含量和沉淀值表現(xiàn)為節(jié)氮處理和有機(jī)肥替代氮肥的3個處理較高，但不同處理間差異未達(dá)顯著水平。穩(wěn)定時間主要用來表示面粉形成面團(tuán)時耐受機(jī)械攪拌的能力，穩(wěn)定時間越長，說明面粉韌性越好。本試驗結(jié)果表明，節(jié)氮處理和有機(jī)肥替代氮肥的3個處理小麥籽粒穩(wěn)定時間顯著較長(P<0.05)，較高氮處理長2.2～2.7 min。拉伸面積與面包的體積大小有關(guān)，拉伸阻力表示面團(tuán)筋力的大小。本試驗結(jié)果表明，60%替代率處理拉伸面積顯著較小(P<0.05)，較其他處理低10.5～17.5 cm2，而其他施肥處理拉伸面積差異不顯著；最大拉伸阻力為節(jié)氮處理和20%和40%替代率處理明顯較高，較其他處理高28.0～75.5 EU，而前三者處理間差異不顯著?？梢?，有機(jī)肥和化肥配施或節(jié)氮處理能顯著提高籽粒品質(zhì)。

表3 不同處理籽粒品質(zhì)性狀Tab.3 Grain quality characters under different treatments

2.3 不同有機(jī)肥替代比例對氮素吸收利用效率的影響

化肥主要在作物前期發(fā)揮作用，而有機(jī)肥主要在后期發(fā)揮作用，所以“有機(jī)替代”有利于籽粒的氮積累。籽粒吸氮量為20%，40%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較其他處理高6.2%～10.7%，而其他處理差異不顯著；其次是高氮和節(jié)氮處理較高，且二者籽粒吸氮量相當(dāng)。氮肥效率指單位施氮量生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，為20%，40%替代率處理顯著較高，較60%替代率和節(jié)氮處理高5.4%～6.9%，而較高氮處理高107.8%～109.3%。氮素吸收效率為單位施氮量的植株氮素吸收量，本研究氮素吸收效率為節(jié)氮處理最高，其次是20%和40%替代率處理較高，再次是60%替代率處理較高，但四者差異未達(dá)顯著水平，但顯著高于高氮處理(P<0.05)，四者分別高94.4%，92.0%，92.9%和81.7%。氮素利用效率為單位植株氮素積累量生產(chǎn)的籽粒產(chǎn)量，為20%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較高氮和節(jié)氮處理高8.5%～9.3%，較40%和60%替代率處理高4.9%～6.1%，而后4個處理間差異不顯著。氮收獲指數(shù)為單位植株吸氮量轉(zhuǎn)移到籽粒中的氮量，為20%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較高氮和節(jié)氮處理高8.3%～11.3%，較40%和60%替代率處理高5.4%～10.4%，其次是40%替代率和節(jié)氮處理較高，較其他處理高2.0%～5.6%(表4)?？梢?，有機(jī)肥替代20%氮肥處理各項氮吸收利用指標(biāo)較優(yōu)，可為推薦的替代比例。

表4 不同處理下小麥氮素吸收利用效率Tab.4 Nitrogen uptake and utilization under different treatments

2.4 不同有機(jī)肥替代比例對土壤硝態(tài)氮含量的影響

由圖1可見，在0～20 cm耕層土壤中，硝態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為T5>T1>T4>T3>T2，60%替代率處理硝態(tài)氮含量最高，較節(jié)氮處理高88.9%，較替代率20%和40%的處理分別高36.4%和32.5%，而與高氮處理土壤硝態(tài)氮含量差異不顯著；而替代率20%和40%的處理較節(jié)氮處理高38.5%～42.5%。不同施氮量比較，高氮處理較節(jié)氮處理土壤硝態(tài)氮含量增加84.6%。20～40 cm土壤中規(guī)律不同，硝態(tài)氮含量大小表現(xiàn)為T1>T2>T5>T4>T3，為高氮處理土壤硝態(tài)氮含量最高，較節(jié)氮處理高16.4%；相同施氮量下各處理比較，節(jié)氮處理硝態(tài)氮含量最高，較替代率60%的處理高9.2%，但二者差異不顯著，二者較替代率20%的處理硝態(tài)氮含量分別高81.7%，26.8%，較替代率40%的處理分別高71.4%，16.1%?？梢?，有機(jī)肥替代氮肥能增加0～20 cm淺層土壤硝態(tài)氮的積累，使土壤硝態(tài)氮出現(xiàn)表聚現(xiàn)象，從而增加對氮素的吸收利用，一定程度減少深層土壤硝態(tài)氮滲漏，降低了硝態(tài)氮向下層淋溶的風(fēng)險。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Different small letters show significant difference at the 0.05 probability levels in different treatments.

3 結(jié)論與討論

關(guān)于有機(jī)肥替代化肥的最佳替代率的報道較多，但結(jié)果并不一致。有學(xué)者認(rèn)為，75%有機(jī)肥與25%的化肥配比效果顯著[3，9]，冬小麥粗蛋白含量較對照提高1.29倍[3]，經(jīng)濟(jì)效益也明顯提高[9]；闞建鸞等[18]認(rèn)為，30%替代率小麥產(chǎn)量和氮肥回收效率最高；Singh等[19]研究結(jié)果顯示，25%的替代率產(chǎn)量增加，并且品質(zhì)也得到一定的改善；張奇茹等[11]認(rèn)為，40%的替代率籽粒產(chǎn)量顯著提高。研究結(jié)果不一的主要原因可能為區(qū)域、地力、有機(jī)肥種類及試驗連續(xù)年份不同。本研究在第1年預(yù)試驗的基礎(chǔ)上而開展的正式試驗，連續(xù)2 a進(jìn)行施肥處理，結(jié)果表明，20%替代率處理小麥產(chǎn)量和品質(zhì)最佳，顯著改善0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量，提高小麥籽粒對氮素吸收利用，最終獲得較高的產(chǎn)量和環(huán)境效益。

以往研究表明，有機(jī)肥替代化肥比例合適能協(xié)調(diào)生育期養(yǎng)分供應(yīng)[1，20]，避免前期旺長和后期早衰[21-22]，促進(jìn)幼穗分化[23]，提高穗粒數(shù)，促進(jìn)灌漿期干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移[24]，提高千粒質(zhì)量，獲得比單施化肥更高的產(chǎn)量；并在一定程度上改善作物品質(zhì)。有研究認(rèn)為，有機(jī)肥用量越大，其干濕面筋含量越高，籽粒面團(tuán)形成時間和面團(tuán)穩(wěn)定時間也得到明顯改善[3]。本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥20%和40%替代氮肥小麥產(chǎn)量最高，較其他處理提高4.0%～6.2%，產(chǎn)量較高主要由于其穗粒數(shù)較單施化肥處理增加了3.6～5.6粒。籽粒品質(zhì)指標(biāo)則表現(xiàn)為節(jié)氮處理、20%和40%替代率處理較高，主要為拉伸面積、最大拉伸阻力和穩(wěn)定時間較高；結(jié)果還表明，高氮處理和60%替代率處理產(chǎn)量并無優(yōu)勢，后者產(chǎn)量低主要原因為有機(jī)肥大量替代了速效氮肥，短期內(nèi)有機(jī)肥肥效無法完全發(fā)揮，從而影響小麥氮素吸收利用，而影響到產(chǎn)量的提高。

“有機(jī)替代”有利于作物整個生育期籽粒氮素的積累[22]，“有機(jī)替代”能促進(jìn)花前養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移、花后養(yǎng)分的吸收，從而提高籽粒養(yǎng)分含量，提高肥料利用效率[11，25]，其中氮肥的表觀回收率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力均有所提高。本研究結(jié)果表明，20%和40%替代率能顯著提高籽粒氮素積累、氮肥效率和氮素吸收效率，其中籽粒吸氮量和氮肥效率較其他處理分別提高6.2%～10.7%和 5.4%～109.3%，氮素吸收效率較高氮處理提高92.0%～92.9%。20%替代率還能顯著提高氮素利用效率和氮收獲指數(shù)，較其他處理分別提高4.9%～9.3%和5.4%～11.3%，尤其較農(nóng)民高氮處理和60%替代率處理顯著提高。

以往研究表明，有機(jī)肥替代化肥可改善土壤理化性質(zhì)，減少硝態(tài)氮在土壤中的殘留，促進(jìn)氮的吸收利用[3，5，11，26]，肥料種類及用量是影響土壤硝態(tài)氮殘留的重要因素。李廷亮等[27]研究表明，隨施氮量的增加土壤硝態(tài)氮殘留量也增加，孫波等[28]研究表明，與單施化肥相比，配施有機(jī)肥能夠降低土壤中硝態(tài)氮的殘留，尤其減少作物根區(qū)外的殘留量。本研究結(jié)果表明，有機(jī)肥替代氮肥后土壤硝態(tài)氮聚集在表層0～20 cm，各有機(jī)肥替代處理較節(jié)氮處理土壤硝態(tài)氮含量增加38.5%以上，從而增加對氮素的吸收利用，一定程度降低了硝態(tài)氮向下層淋溶的風(fēng)險，從而減少過度使用化肥造成的環(huán)境污染。而20～40 cm土層為高氮處理土壤硝態(tài)氮含量最高，較節(jié)氮處理高16.4%；相同施氮量下各處理比較，節(jié)氮處理和60%替代率處理硝態(tài)氮含量較高，較20%替代率處理高26.8%以上，較40%替代率處理高16.1%以上，說明有機(jī)肥替代氮肥可明顯降低20 cm以下土層硝態(tài)氮殘留量。

本研究表明，在兼顧產(chǎn)量、籽粒品質(zhì)、環(huán)境效益因素下，連續(xù)2 a施肥條件下，有機(jī)肥替代20%氮肥處理效果最佳，能獲得比節(jié)氮處理和高氮處理更高的產(chǎn)量；一定程度上改善作物品質(zhì)，并顯著改善0～40 cm土壤硝態(tài)氮含量，0～20 cm土層出現(xiàn)硝態(tài)氮“表聚現(xiàn)象”，而20～40 cm土層出現(xiàn)硝態(tài)氮含量降低的現(xiàn)象，提高小麥籽粒對氮素吸收利用，減少過度使用化肥造成的環(huán)境污染，最終獲得較高的產(chǎn)量和環(huán)境效益。該替代率是河北山前平原麥田高效持續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的一項重要措施。