監(jiān)控施肥配施有機(jī)肥對渭北旱地小麥產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響

蔡慧芳，李紫燕，史 雷，張統(tǒng)帥，王書停，郝紅玉，翟丙年，王朝輝

（西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西楊凌 712100）

渭北旱地是我國西北地區(qū)重要的糧食產(chǎn)地，也是旱地小麥的集中區(qū)域。長期以來，渭北旱地冬小麥在水分脅迫下一直存在產(chǎn)量低而不穩(wěn)的問題，由于施用化肥能夠促進(jìn)小麥增產(chǎn)，農(nóng)戶為了追求高產(chǎn)，使麥田氮肥過量投入的現(xiàn)象日益嚴(yán)重[1]，這不僅造成了環(huán)境污染，還使肥料利用率降低[2]。自化肥零增長戰(zhàn)略提出以來，有機(jī)替代技術(shù)已成為減少化肥用量的重要措施，并在提高肥料利用率、改善作物品質(zhì)和改良土壤方面發(fā)揮著重要作用[3]。近年來，測土配方施肥技術(shù)發(fā)展迅速，并在我國大部分地區(qū)都加以應(yīng)用[4]，但由于取樣、不同區(qū)域間的地力差異和作物生長情況的限制，會造成推薦的施肥量不精確，從而引發(fā)收獲期土壤養(yǎng)分殘留等問題[5]。曹寒冰等[6]對渭北旱地冬小麥1 m 土層硝態(tài)氮進(jìn)行監(jiān)控施氮，并優(yōu)化磷鉀衡量監(jiān)控施肥技術(shù)；黃明等[5]又隨后提出基于收獲期土壤有效氮磷鉀測試、作物養(yǎng)分需求和土壤硝態(tài)氮安全閾值的優(yōu)化施肥技術(shù)，在指導(dǎo)科學(xué)施肥方面都發(fā)揮著重要作用。因此，研究長期測土監(jiān)控施肥技術(shù)以及監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施在減肥增效方面的作用具有重要意義。

目前，我國每年都會產(chǎn)生大量的作物秸稈和畜禽糞便等農(nóng)業(yè)廢棄物資源，由于資源利用率低，不僅會造成浪費(fèi)，還會引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染問題[7]。因此，在化肥減量施用的同時充分利用廢棄有機(jī)資源，對提高耕地質(zhì)量和促進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義[8]。商品有機(jī)肥是一種經(jīng)過發(fā)酵腐熟的有機(jī)物料，具有改善土壤肥力、提供作物營養(yǎng)和提高作物品質(zhì)的功能[9]。生物炭是一種由生物質(zhì)廢棄物熱裂解生產(chǎn)的有機(jī)物料，具有提高土壤質(zhì)量、保持土壤養(yǎng)分的作用，但由于影響生物炭效應(yīng)的因素有很多，如生物炭來源、裂解溫度、生物炭性質(zhì)、土壤類型、作物和施肥等，使其對作物的產(chǎn)量效應(yīng)并不全是積極的作用，也有抑制作用[10]。因此，研究在監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施后能否給渭北旱地麥田帶來減肥增效的作用效果，且監(jiān)控施肥下配施生物炭這種施肥措施能否在渭北旱地麥田適合被長期實(shí)施，是目前值得關(guān)注的問題。

為解決農(nóng)業(yè)廢棄物去向，提高肥料利用率，并且在維持小麥穩(wěn)產(chǎn)的前提下，探尋出適合該地區(qū)科學(xué)的減氮施肥方法和種植模式，是目前急需解決的問題。本試驗通過研究監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施對渭北旱地冬小麥的產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收利用的影響，探討在監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施所產(chǎn)生的產(chǎn)量效應(yīng)，旨在為渭北旱地麥田科學(xué)施肥提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試冬小麥品種為洛旱6 號，在當(dāng)?shù)刭徺I。

1.2 試驗地概況

試驗于2020 年9 月16 日 至2021 年6 月22 日在陜西省咸陽市永壽縣御駕宮鎮(zhèn)御中村（34°73′N，108°20′E）進(jìn)行。試驗區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均溫8.1 ℃，年平均日照時數(shù)2 166.2 h，無霜期158～191 d。試驗區(qū)供試土壤類型為塿土。大田試驗開始于2018 年9 月，2018 年播前耕層土壤全氮為0.62 g/kg，pH 值為8.4，有機(jī)質(zhì)為12.7 g/kg，速效磷為18.5 mg/kg，速效鉀為110.2 mg/kg。2018—2021 年的平均降雨量為540 mm，本試驗期間夏閑期降雨量為278.1 mm，生育期降雨量為141.9 mm，如圖1 所示。

圖1 2020—2021 年永壽縣降雨量Fig.1 Rainfall in Yongshou county from 2020 to 2021

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，共設(shè)4 個施肥處理，分別為農(nóng)戶施肥（FM，為對照）、監(jiān)控施肥（OM）、監(jiān)控施肥+有機(jī)肥（OM+M）、監(jiān)控施肥+生物炭（OM+B）。各施肥措施下的養(yǎng)分用量如表1 所示。每個處理設(shè)置3次重復(fù)，小區(qū)面積為35 m2（5 m×7 m）。

表1 各施肥措施下的養(yǎng)分用量Tab.1 Nutrient dosage under each fertilization measure

氮、磷、鉀肥分別采用尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O514%）、硫酸鉀（K2O 50%），商品有機(jī)肥由蘑菇渣制備，生物炭由小麥秸稈制備，商品有機(jī)肥和生物炭的基本性質(zhì)分別為：有機(jī)碳185.92、440.40 g/kg，全氮13.72、11.65 g/kg，全 磷10.21、7.41 g/kg，全 鉀15.52、95.42 g/kg。所有肥料在播前均作為基肥一次性均勻施入，后期不追肥。小麥播種量為150 kg/hm2，整個生育期雨養(yǎng)無灌溉，小麥?zhǔn)斋@后田間休閑，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.4 測定項目及方法

在小麥臘熟期末，每個處理小區(qū)均取2 個1 m雙行的小麥樣品，先將各處理的植物樣品剪去根部，分為籽粒、穎殼和莖葉3 個部分樣品，將各部分樣品烘干并粉碎后，再采用H2SO4-H2O2消煮植物樣，最后對消煮液分別使用連續(xù)流動分析儀、鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定全氮、全磷、全鉀含量。

在小麥完熟期，每個處理小區(qū)均取7 m2（1 m×7 m）的樣方樣品，分別進(jìn)行考種，測定各處理的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素（穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量）。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗用Microsoft Excel 2007 處理數(shù)據(jù)，并用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用最小顯著差數(shù)法（LSD 法）檢驗0.05 水平上的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施對渭北旱地冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

從表2 可以看出，監(jiān)控施肥在較農(nóng)戶施肥減氮25.0%和平衡施用磷鉀肥的情況下，產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和收獲指數(shù)均無顯著差異，可以保證冬小麥穩(wěn)產(chǎn)；監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，產(chǎn)量顯著降低12.57%（P＜0.05），不能保證冬小麥穩(wěn)產(chǎn)。在產(chǎn)量構(gòu)成要素中，各處理間小麥穗數(shù)差異不顯著，所以,產(chǎn)量差異主要是由穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量造成，其中,監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與農(nóng)戶施肥相比，千粒質(zhì)量顯著提高8.96%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，千粒質(zhì)量顯著提高16.27%，穗粒數(shù)顯著降低18.65%（P＜0.05）。監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與監(jiān)控施肥+生物炭相比，收獲指數(shù)顯著提高14.15%（P＜0.05）。結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥相比，監(jiān)控施肥能夠在減氮處理和平衡施用磷鉀肥的情況下保證穩(wěn)產(chǎn)，而監(jiān)控施肥+生物炭不能保證穩(wěn)產(chǎn)。監(jiān)控施肥+有機(jī)肥較監(jiān)控施肥+生物炭能顯著提高產(chǎn)量收獲指數(shù)。

表2 各施肥措施對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.2 The effect of each fertilization measure on wheat yield and components

2.2 監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施對渭北旱地冬小麥地上部養(yǎng)分含量及養(yǎng)分吸收利用的影響

由表3 可知，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，籽粒含氮量、籽粒吸氮量和地上部吸氮量均因施肥量的降低而顯著降低，氮收獲指數(shù)二者間差異不顯著。監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥、監(jiān)控施肥、監(jiān)控施肥+有機(jī)肥相比，氮收獲指數(shù)分別顯著提高4.45%、4.91%、5.33%（P＜0.05）。監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，籽粒含氮量與地上部吸氮量分別顯著降低11.54%和17.57%（P＜0.05）。結(jié)果表明，監(jiān)控施肥+生物炭與其他處理相比，能顯著提高氮收獲指數(shù)。監(jiān)控施肥＋生物炭與監(jiān)控施肥相比，能顯著降低地上部吸氮量。

表3 各施肥措施對小麥氮素吸收利用的影響Tab.3 The effect of each fertilization measure on the nitrogen absorption and utilization of wheat

從表4 可以看出，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，籽粒含磷量、籽粒吸磷量和地上部吸磷量均因施肥量的降低而顯著降低。監(jiān)控施肥和監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與農(nóng)戶施肥相比，磷收獲指數(shù)分別顯著降低13.86%、19.37%（P＜0.05）。監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與監(jiān)控施肥相比，地上部吸磷量顯著增加31.58%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，籽粒含磷量、籽粒吸磷量和地上部吸磷量分別顯著增加45.54%、41.71%和30.58%（P＜0.05）。結(jié)果表明，農(nóng)戶施肥處理下的磷收獲指數(shù)顯著高于監(jiān)控施肥和監(jiān)控施肥+有機(jī)肥處理。與監(jiān)控施肥相比，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥和監(jiān)控施肥+生物炭均能顯著提高地上部吸磷量。

表4 各施肥措施對小麥磷素吸收利用的影響Tab.4 The effect of each fertilization measure on the phosphate absorption and utilization of wheat

由表5 可知，監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，鉀收獲指數(shù)顯著降低22.72%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，鉀收獲指數(shù)顯著降低26.30%（P＜0.05）。監(jiān)控施肥的地上部吸鉀量顯著低于其他處理，其中，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與監(jiān)控施肥相比，地上部吸鉀量顯著增加21.99%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，地上部吸鉀量顯著增加40.62%（P＜0.05）。結(jié)果表明，監(jiān)控施肥+生物炭處理下的鉀收獲指數(shù)顯著低于農(nóng)戶施肥和監(jiān)控施肥處理。與監(jiān)控施肥相比，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥和監(jiān)控施肥+生物炭均能顯著提高地上部吸鉀量。

表5 各施肥措施對小麥鉀素吸收利用的影響Tab.5 The effect of each fertilization measure on the potassium absorption and utilization of wheat

2.3 監(jiān)控施肥下有機(jī)無機(jī)肥配施對渭北旱地冬小麥養(yǎng)分利用效率的影響

由表6 可知，農(nóng)戶施肥處理下的氮肥偏生產(chǎn)力顯著低于其他處理，其中，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高19.16%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與農(nóng)戶施肥相比，氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高23.02%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，氮肥偏生產(chǎn)力顯著提高16.56%（P＜0.05）。農(nóng)戶施肥處理下的氮素生理效率顯著低于其他處理，其中，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，氮素生理效率顯著提高7.05%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與農(nóng)戶施肥相比，氮素生理效率顯著提高9.66%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，氮素生理效率顯著提高26.93%（P＜0.05）。結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥相比，監(jiān)控施肥、監(jiān)控施肥+有機(jī)肥和監(jiān)控施肥+生物炭均能顯著提高氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理效率，其中，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥提高氮肥偏生產(chǎn)力的效果最優(yōu)，監(jiān)控施肥+生物炭提高氮素生理效率的效果最優(yōu)。

表6 各施肥措施對小麥氮素利用效率的影響Tab.6 The effects of each fertilization measure on nitrogen use efficiency of wheat kg/kg

由表7 可知，農(nóng)戶施肥處理下的磷肥偏生產(chǎn)力顯著低于其他處理，其中，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，磷肥偏生產(chǎn)力顯著提高51.35%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與農(nóng)戶施肥相比，磷肥偏生產(chǎn)力顯著提高56.25%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，磷肥偏生產(chǎn)力顯著提高48.04%（P＜0.05）。監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比，磷素生理效率顯著提高26.21%（P＜0.05）。結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥相比，監(jiān)控施肥、監(jiān)控施肥+有機(jī)肥和監(jiān)控施肥+生物炭均能顯著提高磷肥偏生產(chǎn)力，其中，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥提高磷肥偏生產(chǎn)力的效果最優(yōu)。與農(nóng)戶施肥相比，監(jiān)控施肥能顯著提高磷素生理效率。

表7 各施肥措施對小麥磷素利用效率的影響Tab.7 The effects of each fertilization measure on phosphorus use efficiency of wheat kg/kg

由表8 可知，各處理下的鉀肥偏生產(chǎn)力由大到小依次為：監(jiān)控施肥+有機(jī)肥（160.28 kg/kg）＞監(jiān)控施肥（155.26 kg/kg）＞監(jiān)控施肥+生物炭（151.86 kg/kg），三者間差異不顯著。監(jiān)控施肥+生物炭與農(nóng)戶施肥相比，鉀素生理效率顯著降低22.59%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，鉀素生理效率顯著降低30.38%（P＜0.05）；監(jiān)控施肥＋生物炭與監(jiān)控施肥+有機(jī)肥相比，鉀素生理效率顯著降低18.36%（P＜0.05）。結(jié)果表明，與農(nóng)戶施肥、監(jiān)控施肥和監(jiān)控施肥+有機(jī)肥相比，監(jiān)控施肥+生物炭能顯著降低鉀素生理效率。

表8 各施肥措施對小麥鉀素利用效率的影響Tab.8 The effects of each fertilization measure on potassium use efficiency of wheat kg/kg

3 結(jié)論與討論

有研究發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)減施氮肥對冬小麥的產(chǎn)量無顯著影響[11-12]，主要是由于在減氮基礎(chǔ)上平衡施用磷鉀肥，養(yǎng)分出現(xiàn)了協(xié)同效應(yīng)，使減施氮肥不會造成顯著差異[13]。本研究也表明，監(jiān)控施肥較農(nóng)戶施肥處理在減少施氮量的同時補(bǔ)充了鉀肥，并與磷肥衡量施用之后，二者產(chǎn)量差異不顯著，說明可以達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)效果。此外，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比能顯著提高氮、磷肥偏生產(chǎn)力及氮、磷素生理效率。由此可見，實(shí)施監(jiān)控施肥技術(shù)不僅能使渭北旱地冬小麥穩(wěn)產(chǎn)，還能提高肥料利用率[14]。

本研究表明，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與監(jiān)控施肥相比，有提高穗數(shù)和千粒質(zhì)量的趨勢，增產(chǎn)主要與穗數(shù)和千粒質(zhì)量有關(guān)，這與前人相關(guān)研究結(jié)果一致[15]。此外，監(jiān)控施肥+有機(jī)肥與監(jiān)控施肥相比，地上部吸氮量有增加趨勢，且能顯著增加地上部吸磷、鉀量。主要是因為有機(jī)肥中的養(yǎng)分全面，會使土壤中的氮、磷、鉀等養(yǎng)分達(dá)到均衡狀態(tài)，有利于土壤養(yǎng)分庫的積累，從而增加氮素的固定和促進(jìn)作物對氮素的吸收[16]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與施氮量為150 kg/hm2左右的氮肥配施可達(dá)到最利于有機(jī)肥和土壤氮素釋放的碳氮比，因此，能促進(jìn)作物對磷鉀養(yǎng)分的吸收[17]。

本研究表明，監(jiān)控施肥+生物炭在較農(nóng)戶施肥減氮25%和10 t/hm2生物炭配施的情況下，小麥產(chǎn)量顯著降低，不能達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)效果。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施生物炭對作物的增產(chǎn)效應(yīng)往往具有一定的不確定性[18]。王文軍等[19]在施氮量為225 kg/hm2水平下和30 t/hm2的生物炭配施，通過減少10%的氮肥，小麥可以穩(wěn)產(chǎn)以及略有增產(chǎn)，而在氮肥減量達(dá)到20%時，小麥產(chǎn)量略有下降，在氮肥減量達(dá)到30%以上時，小麥產(chǎn)量顯著下降。本研究表明，監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，能顯著降低地上部吸氮量，可能是由于土壤的碳氮比和生物炭中易降解的脂肪炭的含量會隨生物炭的施用而升高，使微生物的固氮作用加強(qiáng)，導(dǎo)致土壤中可供小麥根系吸收的氮素降低[20]。此外，本試驗供試土壤呈堿性，且在2 a 的基礎(chǔ)上進(jìn)行，連續(xù)3 a 的生物炭的輸入造成了土壤pH 值的進(jìn)一步升高，而土壤堿性過高則會抑制土壤酶和微生物的活性，降低土壤養(yǎng)分的有效性，也會影響植物吸收利用養(yǎng)分，從而導(dǎo)致減產(chǎn)[21]。然而，監(jiān)控施肥+生物炭與監(jiān)控施肥相比，能顯著增加地上部吸磷、鉀量，主要是因為生物質(zhì)中的P 和K 在熱裂解過程中絕大部分都被保存在了生物炭中，并且養(yǎng)分有較高的有效性[22]。因此，生物炭的最佳增產(chǎn)作用需要考慮到生物炭的性質(zhì)、土壤類型及施肥狀況等因素，要想將生物炭應(yīng)用于減肥增效工作，生物炭與化肥配施的增效作用機(jī)制仍需要長期深入研究。

該區(qū)相關(guān)研究表明，渭北旱地麥區(qū)的籽粒產(chǎn)量和夏閑期、生育期的降雨量呈顯著拋物線相關(guān)，這說明當(dāng)施肥量未受到影響時，旱地籽粒產(chǎn)量還主要受降雨量影響[23]，降雨量的年際變化也是引起小麥產(chǎn)量波動的主要原因[24]，本試驗小麥夏閑期降雨量為278.1 mm，而生育期降雨量僅為141.9 mm，所以，各處理下所產(chǎn)生的產(chǎn)量效應(yīng)還應(yīng)結(jié)合降雨量、年際效應(yīng)和測土監(jiān)控施肥方法綜合分析。

綜上所述，監(jiān)控施肥與農(nóng)戶施肥相比能夠在保證穩(wěn)產(chǎn)的前提下提高肥料利用率，且在監(jiān)控施肥+有機(jī)肥處理下的減肥增效作用最優(yōu)，可以在渭北旱地生產(chǎn)實(shí)踐中推廣應(yīng)用。