減氮配施有機(jī)物質(zhì)對麥田土壤性質(zhì)和小麥產(chǎn)量的影響

李 皓，甄怡銘，張子旋，王艷群，付 帥，劉曉明，甄文超，門明新，彭正萍，

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實驗室，河北 保定 071001；2.華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實驗室，河北 保定 071001)

氮肥是作物生長所需氮素的重要來源，合理的氮肥施用是作物獲得較高目標(biāo)產(chǎn)量的關(guān)鍵。過量施用氮肥不僅造成浪費(fèi)，也造成農(nóng)業(yè)面源污染。農(nóng)業(yè)污染源是總氮、總磷的主要來源，其排放量分別占排放總量的57.2%和67.4%。華北平原作為我國重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地之一，小麥播種面積占全國51%，卻提供了超過58%的小麥產(chǎn)量。在實際生產(chǎn)中過度施用化肥雖然使個別地方作物產(chǎn)量增加，但增產(chǎn)潛力仍未充分發(fā)揮，氮肥投入增加、氮盈余較高、氮素利用效率低，養(yǎng)分投入不平衡，土壤性質(zhì)遭受破壞等問題尤為突出。因此，對華北平原區(qū)進(jìn)行科學(xué)合理氮肥施用方式的探索具有重要意義。

代新俊等研究發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥的作物產(chǎn)量間沒有顯著差異，但酰胺態(tài)氮的氮素吸收效率和氮素生產(chǎn)效率較高。銨態(tài)氮肥處理的小麥產(chǎn)量和品質(zhì)最差，酰胺態(tài)氮肥有利于改善籽粒蛋白質(zhì)及面筋含量。追氮75～135 kg/hm時，隨施氮量增加，強(qiáng)筋和中筋小麥產(chǎn)量及蛋白質(zhì)產(chǎn)量均顯著提高，各品種籽粒蛋白質(zhì)及其組分含量、濕面筋、吸水率、面團(tuán)形成時間和穩(wěn)定時間均顯著提高。楊明曉等報道，孕穗期追氮較其他時期(抽穗期、開花期)追氮可提高小麥籽粒產(chǎn)量、加工品質(zhì)及地上部氮素吸收，同時優(yōu)化籽粒蛋白質(zhì)組成。有資料報道，作物產(chǎn)量隨施氮量增加呈先增后降趨勢，作物當(dāng)季氮肥利用率隨施氮量增加而降低。劉瑞等研究指出，隨氮肥用量提高，土壤剖面NO—N累積量明顯增加，其向土壤下層淋溶也趨于嚴(yán)重；當(dāng)施氮量為180～240 kg/hm時，部分試驗點(diǎn)的土壤氮素出現(xiàn)盈余；施氮量為270～360 kg/hm時所有試驗點(diǎn)土壤氮素均明顯盈余。對于氮肥不同施用方式的研究已有報道，袁浩等研究發(fā)現(xiàn)，在輕壤質(zhì)土壤上推薦氮肥基追比4∶6小麥產(chǎn)量、水分利用和氮肥生產(chǎn)效率均高于其他氮肥基追比處理；曹宏磊等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥減量25%和添加生物炭在潮土和砂漿黑土上均在保證夏玉米產(chǎn)量的同時顯著減少NO—N淋溶。

目前華北平原麥區(qū)關(guān)于氮肥科學(xué)合理施用的研究主要集中在無機(jī)氮肥品種、氮肥施用時期、氮肥施用方式和氮肥施用量對麥田土壤理化性質(zhì)的研究，關(guān)于有機(jī)物質(zhì)與氮肥合理配施在不降低作物產(chǎn)量基礎(chǔ)上還能改善土壤理化和生物學(xué)性質(zhì)的研究尚少。因此，本文針對華北平原區(qū)施氮量大、氮肥利用率低、施氮模式單一等問題，研究在農(nóng)民習(xí)慣施氮肥基礎(chǔ)上減氮配施生物有機(jī)肥、生物炭等有機(jī)物質(zhì)對生長期間土壤容重、有機(jī)質(zhì)、NO—N、土壤微生物多樣性、小麥產(chǎn)量和氮素利用的影響，研究結(jié)果為華北地區(qū)小麥種植中合理施用氮肥、穩(wěn)步提升小麥產(chǎn)量、培育土壤、提升土壤可持續(xù)利用能力等提供重要科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2019年10月至翌年6月在河北省邢臺市寧晉縣賈家口鎮(zhèn)白木村進(jìn)行。研究地屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫12.8 ℃，無霜期198天，年均日照時間2 538.1 h，年均降水量449.1 mm。供試土壤屬輕壤質(zhì)潮褐土，土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。供試小麥為“濟(jì)麥22”，供試肥料為控釋尿素(44%N)、過磷酸鈣(16% PO)、磷酸二銨(15%N、42% PO)、氯化鉀(60% KO)。生物有機(jī)肥(有益菌≥0.2億個/g，有機(jī)質(zhì)≥40%)、生物炭(果木枝條炭化厭氧條件下600 ℃高溫?zé)峤?，全碳含?0.2%，全氮含量6.8 g/kg，全磷含量0.93 g/kg，全鉀含量10.4 g/kg)。

表1 供試土壤基礎(chǔ)理化性狀

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)5個處理，分別為不施氮肥(CK)、農(nóng)民習(xí)慣施氮肥(FN)、減氮20%(80%FN)、減氮20%+生物有機(jī)肥(80%FN+OM)、減氮20%+生物炭(80%FN+BC)。肥料用量：FN為N 300 kg/hm，其他施氮肥處理的純N用量為FN減氮20%(240 kg/hm)，各處理均施用相同數(shù)量的PO135 kg/hm和KO 105 kg/hm，80%FN+OM的生物有機(jī)肥用量為450 kg/hm，80%FN+BC的生物炭用量為3 000 kg/hm；各施氮肥處理的氮肥基追比為4∶6。各處理40%氮肥和全部磷、鉀肥、有機(jī)肥和生物炭按照試驗方案設(shè)計用量撒施地表，使用旋耕機(jī)耕翻土壤深度為20 cm左右，剩余60%氮肥于拔節(jié)期追施。具體各處理施肥情況見表2。每個處理重復(fù)3次，隨機(jī)排列，共15個小區(qū)，面積為48 m(6 m×8 m)。小麥于2019年10月11日采用15 cm等行距播種，播種量225 kg/hm，其他管理措施同農(nóng)戶常規(guī)管理，2020年6月5日收獲。

表2 試驗處理及其施肥情況

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集與測定 分別在小麥生長的挑旗、灌漿(花后15天)和成熟期采集土樣，使用環(huán)刀法測定0—20，20—40 cm土壤容重。取0—100 cm土樣，每20 cm一層，鮮土采用1 mol/L的KCl溶液浸提，用SmartChem 200全自動化學(xué)分析儀測定NO—N含量。取0—40 cm土樣風(fēng)干后過1 mm篩，使用外加熱重鉻酸鉀容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)。灌漿期采集0—20 cm新鮮土壤，委托北京百邁客生物科技有限公司進(jìn)行微生物多樣性分析，基于IlluminaMiseq測序平臺，采用雙末端測序法(Paired-End)對細(xì)菌的16S rDNA基因的V3—V4區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增及測序。

1.3.2 產(chǎn)量測定和氮肥農(nóng)學(xué)效率計算 在小麥成熟期，每處理選取3組，每組割取2 m×6行小麥，將其全部脫粒，測定籽粒重及其含水量，按面積折算為含水量12.5%的小麥籽粒產(chǎn)量。

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施氮區(qū)小麥產(chǎn)量-無氮區(qū)小麥產(chǎn)量)/氮肥施用量(kg/hm)

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理與分析用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算和相關(guān)表格繪制，SPSS 21.0軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計分析，Origin 9.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤容重的影響

從圖1可以看出，隨著小麥生育期的推進(jìn)，各處理土壤容重逐漸降低。0—20 cm，挑旗期各施氮處理中，80%FN的土壤容重最高，較其他處理提升1.72%～4.43%；灌漿期80%FN+OM的土壤容重下降幅度最大，分別較FN和80%FN下降1.49%和2.64%；成熟期80%FN+BC的容重最低，為1.46 g/cm，較其他施氮處理下降0.02～0.07 g/cm，80%FN+OM、80%FN+BC的土壤容重較80%FN下降3.83%～4.58%。20—40 cm土層，挑旗期80%FN土壤容重顯著高于80%FN+OM和80%FN+BC 4.19%和3.99%，但與FN差異不顯著；灌漿期各施氮處理土壤容重差異不顯著；成熟期80%FN+OM和80%FN+BC的土壤容重與FN相比分別下降2.39%和4.66%，與80%FN相比分別下降2.96%和5.34%。表明減氮配施有機(jī)物料能夠在降低氮肥用量的同時降低土壤容重，有利于改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤內(nèi)空氣和水分的流通，同時在小麥關(guān)鍵生長時期，土壤容重0—20 cm均低于20—40 cm，這也有利于小麥前期的生長發(fā)育和后期土壤養(yǎng)分供應(yīng)。

注：圖中不同字母表示同一生長期不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo)之一，由圖2可知，在小麥關(guān)鍵生長時期，各施氮處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均高于CK。挑旗期0—20 cm，80%FN+OM和80%FN+BC土壤有機(jī)質(zhì)顯著提高，較80%FN分別提升13.63%和10.54%，較FN分別提升4.39%和7.31%；20—40 cm，80%FN+OM的土壤有機(jī)質(zhì)含量最高為15.58 g/kg，較其他施氮處理提升14.83%～28.42%；灌漿期各處理間土壤有機(jī)質(zhì)變化與挑旗期相似；成熟期0—20 cm，土壤有機(jī)質(zhì)含量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN>CK，80%FN+OM的土壤有機(jī)質(zhì)含量較其他施氮處理提升2.13%～13.56%，與FN和80%FN間差異顯著；20—40 cm，與FN相比，80%FN土壤有機(jī)質(zhì)含量下降7.96%，而80%FN+OM和80%FN+BC分別提升9.35%和1.68%，80%FN+OM處理較其他施氮處理提升7.54%～18.81%。表明減少氮肥施用同時配施有機(jī)物質(zhì)能夠提升土壤有機(jī)質(zhì)含量，但生物有機(jī)肥提升效果更明顯。在全生育期內(nèi)，80%FN的土壤有機(jī)質(zhì)顯著低于FN。

圖2 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對小麥生長關(guān)鍵時期不同土層有機(jī)質(zhì)含量的影響

2.3 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤NO3--N含量的影響

從圖3可以看出，施用氮肥可有效增加土壤無機(jī)氮含量。挑旗期除FN外，其他施肥處理的土壤NO—N含量均先增再減，只有FN處理在0—80 cm內(nèi)土壤NO—N不斷增加，說明該處理氮素由表層向下淋失。0—40 cm的80%FN+OM和80%FN+BC處理土壤NO—N較高，分別較80%FN處理在0—20，20—40 cm顯著提升52.70%～59.68%和40.10%～42.39%。灌漿期0—80 cm的土壤NO—N均以80%FN+OM處理較高，F(xiàn)N的土壤NO—N明顯降低1.99～18.37 mg/kg，表明80%FN+BC處理顯著提高土壤對NO—N的固持。成熟期各處理相比于灌漿期土壤NO—N含量降低，但FN各土層NO—N含量仍高于其他處理，尤其在20—40 cm較其他施氮肥處理高出7.88～14.13 mg/kg。表明在小麥成熟后，F(xiàn)N處理的土壤NO—N殘留仍較多。

圖3 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤NO3-—N含量動態(tài)變化的影響

2.4 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤微生物多樣性的影響

從表3可以看出，F(xiàn)N、80%FN、80%FN+OM、80%FN+BC的Alpha分析覆蓋率均高于99%，80%FN的OUT數(shù)量最低。以Chao1和ACE指數(shù)衡量物種豐度，Shannon和Simpson指數(shù)衡量物種多樣性。對各施氮肥處理進(jìn)行細(xì)菌Alpha多樣性統(tǒng)計分析，4個指標(biāo)均以80%FN最低。Chao1指數(shù)和Ace指數(shù)，F(xiàn)N顯著高于80%FN，但與80%FN+OM、80%FN+BC間差異不顯著；80%FN+OM、80%FN+BC較80%FN分別增加1.27%～2.04%和1.46%～2.33%。80%FN+OM、80%FN+BC的Shannon和Simpson指數(shù)均顯著大于80%FN處理，表明配施生物有機(jī)肥和生物炭能提升土壤微生物豐度和多樣性。

表3 土壤細(xì)菌群落Alpha多樣性指數(shù)

由圖4可知，各處理土壤的優(yōu)勢菌門種類均相同，其中變形菌門(Proteobacteria)所占比例最大，為33%以上，且處理間差異較小。其余依次為酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)等。土壤優(yōu)勢菌門種類沒有因施肥方式的改變而發(fā)生改變，但各菌群的豐度受到明顯影響，80%FN處理的土壤微生物均勻度較差，超過80%的微生物由變形菌門、酸桿菌門、放線菌門和芽單胞菌門組成，不利于微生物環(huán)境的穩(wěn)定。與80%FN相比，80%FN+OM、80%FN+BC處理的酸桿菌門分別降低44.82%和47.56%，芽單胞菌門分別降低43.50%和50.39%，而其他優(yōu)勢菌門的均勻度得到提高，從而提高土壤微生物環(huán)境的穩(wěn)定性。與FN相比，80%FN的微生物均勻度下降，但80%FN+OM、80%FN+BC處理的均勻度有所提升，表明單純減少氮肥施用對微生物環(huán)境不利，同時配施生物有機(jī)肥和生物炭等有機(jī)物料則可以避免破壞微生物環(huán)境，提高土壤的微生物多樣性。

圖4 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對土壤細(xì)菌群落組成及豐度的影響

2.5 減氮配施有機(jī)物質(zhì)對小麥產(chǎn)量和氮肥農(nóng)學(xué)效率的影響

從表4可以看出，各施氮處理間FN的有效穗數(shù)最高，較其他處理提升0.23%～4.30%；80%FN+BC的千粒重最高，較其他處理提升0.15%～2.45%，但二者差異均不顯著。80%FN+OM的穗粒數(shù)、產(chǎn)量和農(nóng)學(xué)效率均為最高，分別較其他施氮肥處理提升1.48%～9.23%，1.09%～7.34%和2.78%～41.49%。表明減氮配施有機(jī)物質(zhì)顯著提高小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成指標(biāo)，提高氮素農(nóng)學(xué)效率。80%FN雖然產(chǎn)量略低于FN，但氮肥農(nóng)學(xué)效率有所提升，說明過量施用氮肥對產(chǎn)量沒有明顯的作用，同時還會造成氮素浪費(fèi)。

表4 小麥產(chǎn)量性狀及氮肥農(nóng)學(xué)效率

3 討 論

在小麥各生長關(guān)鍵期，80%FN+OM和80%FN+BC土壤容重均顯著降低，80%FN與FN比土壤容重略有增加。成熟期，0—40 cm的土壤容重均以80%FN+BC最低，較其他施氮肥處理降低0.78%～5.07%(圖1)，這與黃寅玲等報道的不施用氮肥和施用70%氮肥會導(dǎo)致土壤容重提升，施用85%和95%氮肥會降低土壤容重的趨勢一致。生物炭是一種高度芳香化且具有豐富碳源，有極強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗生物化學(xué)降解能力，還田后快速提高土壤有機(jī)碳。陳心想等報道，施用生物炭顯著增加土壤有機(jī)碳，其增幅隨生物炭用量增加而增加。生物有機(jī)肥部分替代化肥也會顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)。本試驗中，80%FN+OM處理在各關(guān)鍵期的土壤有機(jī)質(zhì)均最高，挑旗期較其他施氮肥處理在0—20，20—40 cm分別增加2.79%～13.63%和14.83%～28.42%(圖2)。這是由于該處理施用450 kg/hm生物有機(jī)肥，其本身含有40%以上的有機(jī)質(zhì)，其次包含有益菌0.2億個/g以上，菌劑施入土壤后大量繁殖微生物，活化土壤養(yǎng)分，優(yōu)化土壤碳氮平衡，也可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。全生育期內(nèi)，與FN比較，80%FN的土壤有機(jī)質(zhì)顯著減少，Chao1、ACE、Shannon和Simpson指數(shù)也比較低，這是由于該處理施氮量較少，影響土壤碳氮比例，減弱土壤中微生物的繁殖和發(fā)育，降低前茬玉米秸稈腐熟程度，從而導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量降低。所有處理的20—40 cm土壤容重與有機(jī)質(zhì)有顯著線性負(fù)相關(guān)(>0.731)，即土壤有機(jī)質(zhì)增加，土壤容重呈降低趨勢。

翁玲云等報道土壤NO—N累積量隨施氮量增加而上升。本試驗表明，各施氮處理土壤NO—N含量隨作物生育期延長，土壤NO—N含量逐漸減少，垂直方向上隨土壤深度增加NO—N含量呈先升再降趨勢。挑旗期，0—40 cm土層，80%FN+OM和80%FN+BC處理的土壤NO—N含量較高，顯著高于80%FN和FN處理，這有利于小麥吸收養(yǎng)分和根系生長發(fā)育；FN處理施氮量較大，導(dǎo)致氮素淋失嚴(yán)重，60—100 cm土壤硝態(tài)氮含量均最高。灌漿期0—80 cm土層均以80%FN+BC處理的土壤NO—N較優(yōu)，生物炭具有較大的比表面積，能更好地吸附固持土壤養(yǎng)分，從而提高土壤硝態(tài)氮含量。由于小麥生長過程中的養(yǎng)分吸收，成熟期各處理土壤硝態(tài)氮含量大幅度減少，但FN由于施氮量較大，此期氮素盈余較多(圖3)。

Chen等使用qPCR、T-RFLP以及DGGE技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可降低土壤中真菌豐度，而增加細(xì)菌豐度；夏雪等研究表明，施用氮肥提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落的豐富度和功能多樣性，中量氮肥120 kg/hm施入土壤后土壤微生物群落豐度和Shannon指數(shù)最高。本研究表明，純N用量為240 kg/hm時，配施有機(jī)物料顯著提升細(xì)菌Alpha多樣性，提升有益菌門相對豐度，使優(yōu)勢菌門均勻度提高，從而使土壤微生物環(huán)境更穩(wěn)定(表3)，這與黃媛媛等報道的生物有機(jī)肥和化肥合理配施有效促進(jìn)土壤中不同類型微生物生長，提升土壤微生物豐富度和多樣性的結(jié)果一致。本文通過配施生物有機(jī)肥和生物炭等有機(jī)物料的方式代替單純增施化肥，提高土壤優(yōu)勢菌門的均勻度和微生物多樣性(圖4)。

彭正萍等研究發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)民習(xí)慣施氮量比，適當(dāng)減少氮肥施用量不會影響作物產(chǎn)量和氮素吸收量，而氮素利用率、氮肥生產(chǎn)效率、氮肥農(nóng)學(xué)效率均得到提高；裴雪霞等研究表明，與單施化肥相比，增施豬糞減施化肥2年度平均增產(chǎn)1.9%～16.5%。證實小麥產(chǎn)量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN，80%FN+OM較FN、80%FN分別提升4.81%和7.34%，但80%FN與FN之間產(chǎn)量相差不顯著，前者較后者提高氮肥農(nóng)學(xué)效率(表4)，表明適量減少氮肥施用的同時配施有機(jī)物質(zhì)能夠提升小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率。通過土壤性質(zhì)與小麥產(chǎn)量間的相關(guān)性分析表明，小麥產(chǎn)量與土壤容重呈顯著負(fù)相關(guān)(=0.778)，與土壤有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)(=0.899)。

4 結(jié) 論

FN處理增加了小麥有效穗數(shù)，但對于產(chǎn)量提升的效果不明顯，且導(dǎo)致土壤NO—N淋溶增加和氮素利用率降低，不利于土壤持續(xù)利用。與FN相比，80%FN+OM和80%FN+BC均能降低土壤容重，提升土壤NO—N、有機(jī)質(zhì)含量以及小麥產(chǎn)量，同時提高土壤微生物多樣性，而80%FN處理的小麥產(chǎn)量呈降低趨勢。綜合分析，80%FN+OM能夠降低土壤容重，提升土壤有機(jī)質(zhì)和NO—N含量，同時增產(chǎn)效果最為明顯。因此，適量減氮配施生物有機(jī)肥是能夠在保障小麥產(chǎn)量的同時，提高土壤肥力的科學(xué)、綠色生態(tài)的氮肥施用模式。