有機(jī)養(yǎng)分替代對小麥產(chǎn)量、土壤肥力及麥田氮磷徑流流失的影響

郭 龍 駱 美 ?，B楓 李 陳 周曉天 劉 瑩 武 升 馬友華

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230036)

隨著農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)用化學(xué)品投入逐年增加。在農(nóng)產(chǎn)品大幅度增產(chǎn)的同時，農(nóng)業(yè)面源污染問題日益突出，嚴(yán)重制約農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。化肥的過度使用會造成土壤退化，在降雨及灌溉的沖刷作用下，氮磷等污染物通過水循環(huán)進(jìn)入周圍水體并導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化[2]，成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸之一[3-5]。據(jù)統(tǒng)計，我國化肥施用量是世界平均水平的3.9倍，但化肥對糧食增長的貢獻(xiàn)率卻從20世紀(jì)80年代的30%～40%降至目前的10%左右[6]。近年來，在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展背景下，我國出臺了一系列化肥減量增效政策以推動化肥減施和有機(jī)替代，實(shí)現(xiàn)綠色高效施肥[7]。研究表明，有機(jī)肥可以提高土壤有機(jī)質(zhì)含量[8-9]、作物產(chǎn)量并改善品質(zhì)[10]。但有機(jī)肥存在養(yǎng)分低、肥效慢等問題，且長期單一施用有機(jī)肥不利于土壤環(huán)境的改善[11]。研究表明，而有機(jī)肥配施化肥可以緩解農(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[12]，提高磷肥利用率[13]，進(jìn)而達(dá)到作物產(chǎn)量增長、品質(zhì)提升的效果。梁斌[14]研究認(rèn)為有機(jī)肥與化肥配施可提供給土壤微生物充足碳氮源，改善土壤供氮特征，增加表層含氮量，減少養(yǎng)分流失，提高氮肥利用率。此外，李秀芬等[15]研究表明，化肥大量施用會導(dǎo)致70%氮磷流失，并經(jīng)降雨和灌溉等匯入河流湖泊中。侯朋福等[16]在太湖地區(qū)開展了近3年田間徑流監(jiān)測試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥相比于常規(guī)處理可使徑流水中氮素濃度降低19.18%。何石福等[17]研究認(rèn)為10%有機(jī)養(yǎng)分替代降低了徑流水中42.4%～57.2%總氮和18.2%～39.2%可溶性氮的流失。但施用有機(jī)態(tài)、水溶態(tài)磷含量較多的糞肥時，在降雨較大或灌溉后磷素淋失的風(fēng)險會顯著增加[18-19]，說明按照一定比例合理施用有機(jī)肥可以降低徑流氮的流失風(fēng)險，但對磷的流失阻控作用效果不明顯。通過化肥減施和有機(jī)肥替代，不僅可以保證作物產(chǎn)量和提高肥料利用率[20]，而且可以改善由于養(yǎng)分過量投入造成的環(huán)境污染問題[21]。

目前，隨著我國畜禽養(yǎng)殖規(guī)?；凸まr(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展，由畜禽糞便隨意堆放、秸稈菌渣隨意丟棄造成的資源浪費(fèi)及農(nóng)業(yè)面源污染已成為我國普遍關(guān)注的問題。為了減少化肥施用量，提高肥料利用率和緩解化肥對環(huán)境的污染，將畜禽糞便和工農(nóng)業(yè)廢棄物肥料化，并作為有機(jī)肥進(jìn)行農(nóng)田回用是其資源化利用的主要途徑[22]。豬糞有機(jī)肥和秸稈有機(jī)肥具有改良土壤性狀、培肥地力[23]、提高養(yǎng)分供應(yīng)能力[24]、增加作物產(chǎn)量[8]等重要作用。因此將有機(jī)肥替代部分化肥，兩者相結(jié)合有利于培肥土壤與作物增產(chǎn)，并可降低面源污染風(fēng)險。當(dāng)前關(guān)于有機(jī)肥替代化肥對作物產(chǎn)量、土壤肥力等方面影響的研究較多，但對于巢湖流域豬糞、秸稈有機(jī)肥對麥田土壤肥力及氮磷徑流流失影響的研究較少。為此本試驗(yàn)在巢湖烔煬以豬糞有機(jī)肥和秸稈有機(jī)肥替代部分化肥開展定位監(jiān)測，分析不同有機(jī)肥替代量和不同物料組合施肥條件下的作物產(chǎn)量與土壤肥力差異，探討不同施肥模式下農(nóng)田氮磷流失特征和規(guī)律，以期為正確施用有機(jī)肥和合理施用化肥提供技術(shù)指導(dǎo)，也為控制巢湖農(nóng)業(yè)面源污染和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)本增效提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于安徽省巢湖市烔煬鎮(zhèn)唐嘴村農(nóng)田示范基地(117°40′59″E，31°39′43″N)，該地區(qū)屬于亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，年均降雨量1 215 mm。耕作制度為小麥-水稻輪作，土壤類型為水稻土，0～20 cm土層土壤基本理化性質(zhì)如下：土壤pH值6.52，有機(jī)質(zhì)含量18.75 g·kg-1，全氮含量1.02 g·kg-1，有效磷含量18.32 mg·kg-1，速效鉀含量100.01 mg·kg-1，堿解氮含量103.23 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量10.98 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量4.12 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)共設(shè)如下8個施肥處理(表1)：CK：不施肥(空白)；CF：全部施化肥，其中尿素、過磷酸鈣和氯化鉀施用量分別為521、601和137 kg·hm-2；M1：有機(jī)肥替代氮肥100%，豬糞有機(jī)肥10 982 kg·hm-2；M2：有機(jī)肥替代氮肥50%，豬糞有機(jī)肥5 491 kg·hm-2；M3：有機(jī)肥替代氮肥30%，豬糞有機(jī)肥3 293 kg·hm-2；F1：有機(jī)肥替代氮肥100%，秸稈有機(jī)肥9 616 kg·hm-2；F2：有機(jī)肥替代氮肥50%，秸稈有機(jī)肥4 806 kg·hm-2；F3：有機(jī)肥替代氮肥30%，秸稈有機(jī)肥2 886 kg·hm-2。

每個處理3次重復(fù)，共24個小區(qū)，隨機(jī)分布，每個小區(qū)面積均為30 m2。試驗(yàn)以等氮施用為基礎(chǔ)，有機(jī)肥投入后氮、磷、鉀養(yǎng)分不足部分依次用尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P含量12%)和氯化鉀(K含量60%)補(bǔ)充。豬糞、秸稈有機(jī)肥分別由上海原本生物科技有限公司和安徽萊姆佳生物肥業(yè)有限公司提供，經(jīng)測定，豬糞有機(jī)肥中氮、磷、鉀含量分別為2.19%、1.62%、1.92%，重金屬含量為鉛0.5 mg·kg-1、汞0.1 mg·kg-1、砷9.6 mg·kg-1、鎳6.0 mg·kg-1、鎘和鉻均未檢出；秸稈有機(jī)肥氮、磷、鉀含量分別為2.5%、1.3%、2.2%，重金屬含量為鉛30.8 mg·kg-1、鎘0.5 mg·kg-1、 砷 3.4 mg·kg-1、 鎳6.6 mg·kg-1、汞和鉻均未檢出，兩種有機(jī)肥均符合我國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY 525-2021有機(jī)肥料》[25]。

供試小麥品種為揚(yáng)麥16，由安徽皖農(nóng)種業(yè)有限公司提供，種植時間為2020年11月8日—2021年5月21日，小麥田間管理按照當(dāng)?shù)胤N植管理方式，在翻耕前，豬糞、秸稈有機(jī)肥和磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥采用6∶4的施用方式(基肥60%+返青肥40%)，所有施用方式均為人工撒施，小麥整個生育期內(nèi)無灌溉，2020年11月8日施入基肥之后翻耕土壤，然后撒入小麥種子，2021年1月19日返青肥追肥，5月21日小麥?zhǔn)斋@。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 小麥產(chǎn)量 在小麥?zhǔn)斋@期，隨機(jī)統(tǒng)計每個小區(qū)1 m2調(diào)查框內(nèi)的小麥有效穗數(shù)和總共結(jié)實(shí)的穗粒數(shù)，并計算平均每株有效穗粒數(shù)(總共結(jié)實(shí)的穗粒數(shù)/有效穗數(shù))，稱量1 000粒穗粒的重量計為千粒重，之后對各小區(qū)小麥進(jìn)行單獨(dú)收割測產(chǎn)。小麥理論產(chǎn)量按以下公式計算：

小麥理論產(chǎn)量(kg·hm-2)=有效穗數(shù)(株·hm-2)×

穗粒數(shù)(個/株)×千粒重(g)×10-3。

1.3.2 土壤樣品采集及測定 2021年5月21日采用“X”形5點(diǎn)采樣法采集各小區(qū)0～20 cm的土壤樣

表1 不同處理施肥類型和施肥量Table 1 Fertilizer type and amount of different treatments /(kg·hm-2)

品。土壤pH值測定用水浸提(m水∶m土=2.5∶1)復(fù)合電極法，堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法，全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提—火焰光度計法，有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀氧化容量法—外加熱法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，銨態(tài)氮含量測定采用靛酚藍(lán)比色法，硝態(tài)氮含量測定采用紫外分光光度法[26]。

1.3.3 地表徑流水收集及測定 試驗(yàn)小區(qū)田埂用水泥澆筑堆砌，在每個小區(qū)一側(cè)修建徑流收集池共24個，尺寸為2 m×1.03 m×1.33 m，并在其底部開設(shè)一個控水閥出口，頂部加石棉瓦蓋。每次降雨產(chǎn)生徑流后收集徑流水，記錄徑流池內(nèi)水文尺刻度，計算徑流量，并通過一次性塑料瓶采集徑流水，帶回安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤生態(tài)質(zhì)量與修改實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測定。其中，水樣全氮(total nitrogen,TN)含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，水樣全磷(total phosphorus,TP)含量測定采用鉬酸銨分光光度法，銨態(tài)氮(ammonium nitrogen,NH4+-N)含量測定采用納氏試劑分光光度法，硝態(tài)氮(nitrate nitrogen,NO3--N)含量測定采用紫外分光光度法，所有水樣指標(biāo)測定儀器均為AA3連續(xù)流動分析儀(天津中通科技發(fā)展有限公司)[27-28]。

1.3.4 氮磷徑流流失量與肥料利用率 氮磷徑流流失量與肥料利用率分別按以下公式計算：

式中，P為氮磷徑流流失量(kg·hm-2)；Ci為徑流中氮磷濃度(mg·L-1)；Vi為徑流流失體積(m3·hm-2)。

肥料利用率=

×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2010、SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，使用單因素方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)，并使用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)和Duncan法進(jìn)行均值比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)養(yǎng)分替代對小麥產(chǎn)量的影響

由表2可知，與CF處理相比，M1、F1處理小麥產(chǎn)量顯著降低了24.49%、25.44%，且隨著有機(jī)肥替代化肥比例的升高，小麥產(chǎn)量均呈現(xiàn)下降趨勢(M3>M2>M1，F(xiàn)3>F2>F1)。小麥產(chǎn)量構(gòu)成因素表現(xiàn)為：與CF處理相比，M1、F1處理下小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)均顯著降低，說明小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)在一定程度上影響著小麥產(chǎn)量。

2.2 有機(jī)養(yǎng)分替代對麥田氮磷徑流流失的影響

圖2為有機(jī)養(yǎng)分替代后小麥整個生育時期TN、TP流失變化特征。總氮流失濃度為0.30～15.00 mg·L-1，

表2 有機(jī)養(yǎng)分替代對小麥產(chǎn)量的影響Table 2 The effect of organic nutrient replacement on wheat yield

圖1 有機(jī)養(yǎng)分替代后小麥整個生育時期流失變化特征Fig.1 Characteristics of and loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

流失量為0.18～9.90 kg·hm-2。小麥整個生育時期總氮流失特征表現(xiàn)為2020年11月27日各處理下總氮流失均最高，結(jié)合施肥情況分析，主要是因?yàn)閯偸┤牖?，有較多的養(yǎng)分未被吸收而以徑流的方式排出農(nóng)田。隨著小麥生育期的推進(jìn)，徑流中總氮流失逐漸下降，而在2021年3月21日總氮流失略有上升，這可能是由于小麥生育中后期對養(yǎng)分需求減少，同時降雨較多導(dǎo)致降雨帶入的養(yǎng)分未被吸收利用而隨徑流排出，之后有一段時間迅速下降，可能是小麥生育后期對養(yǎng)分吸收變多而導(dǎo)致養(yǎng)分徑流流失迅速降低。與CF處理相比，有機(jī)肥替代化肥處理均降低了總氮徑流流失濃度，其中M1、F1處理降低最明顯，且秸稈有機(jī)肥降低效果優(yōu)于豬糞有機(jī)肥。TP流失濃度為0.09～1.35 mg·L-1， 流失量為0.02～0.92 kg·hm-2。在小麥整個生育時期，總磷流失濃度及流失量均表現(xiàn)為先下降后趨于穩(wěn)定。此外，TN流失量與TP流失量在小麥整個生育時期規(guī)律一致，均在生育后期略有上升后趨于穩(wěn)定。

圖2 有機(jī)養(yǎng)分替代后小麥整個生育時期TN、TP流失變化特征Fig.2 Characteristics of TN and TP loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

由表3可知，TN流失量范圍為21.90～33.66 kg·hm-2， 與CF處理相比，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理TN流失量減少了8.44%～25.94%。NH4+-N、NO3--N流失量范圍分別為2.47～3.89 kg·hm-2、5.28～9.86 kg·hm-2，與CF處理相比，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理NO3--N流失量減少了5.38%～43.10%。TP流失量范圍為0.60～2.00 kg·hm-2，與CF處理相比，M1、F1處理TP流失量分別升高了44.93%、24.64%。

表3 有機(jī)養(yǎng)分替代對麥田氮磷徑流流失量的影響Table 3 Effect of organic nutrient replacement on the runoff loss of nitrogen and phosphorus in wheat field /(kg·hm-2)

表4 有機(jī)養(yǎng)分替代對小麥養(yǎng)分吸收及肥料利用率的影響Table 4 Effects of organic nutrient replacement on wheat nutrient absorption and fertilizer utilization

2.3 有機(jī)養(yǎng)分替代對小麥養(yǎng)分吸收及肥料利用率的影響

由表4可知，小麥N吸收量為72.26～156.43 kg·hm-2， 其中M3處理N吸收量最高，為156.43 kg·hm-2， F2處理次之，為154.04 kg·hm-2，與CF處理相比分別增加2.12%、0.56%。施肥處理N肥利用率為17%～35%，其中M3處理N肥利用率最高，為35%。小麥P吸收量為10.25～24.06 kg·hm-2，其中M2處理P吸收量最高，為24.06 kg·hm-2，F(xiàn)2處理次之，為24.00 kg·hm-2，與CF處理相比分別增加了10.32%、10.04%。施肥處理P肥利用率為5%～19%，其中M3、F2處理下P肥利用率最高，均為19%，且M1、F1處理N、P肥利用率與其他同類型施肥處理相比均顯著降低。

2.4 有機(jī)養(yǎng)分替代對麥田土壤肥力的影響

由表5可知，與CF處理相比，有機(jī)肥替代化肥土壤pH值提高了0.08～0.30，說明有機(jī)肥替代化肥能減緩?fù)寥浪峄?，且隨著有機(jī)肥替代比例升高，土壤肥力呈現(xiàn)上升趨勢。不同施肥條件下土壤有機(jī)質(zhì)含量為21.89～23.16 g·kg-1，全氮含量為1.18～1.26 g·kg-1， 與CF處理相比，M1處理下麥田有機(jī)質(zhì)、有效磷、堿解氮、速效鉀含量分別顯著提高了5.80%、40.71%、17.43%、16.22%。不同施肥處理下硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量分別為13.23～18.29 mg·kg-1、4.92～7.82 mg·kg-1，可見，有機(jī)肥替代化肥在一定程度上均提高了土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量，且麥田中硝態(tài)氮含量均高于銨態(tài)氮。

表5 有機(jī)養(yǎng)分替代對麥田土壤肥力的影響Table 5 The effect of organic nutrient replacement on wheat field soil fertility

3 討論

王家寶等[29]研究發(fā)現(xiàn)生物有機(jī)肥替代17%～34%的化肥有利于小麥增產(chǎn)，較單施化肥處理增幅為11.3%～11.8%，這與本試驗(yàn)中30%豬糞有機(jī)肥替代化肥能明顯提高小麥產(chǎn)量的結(jié)果一致。裴雪霞等[30]認(rèn)為有機(jī)肥替代30%氮肥有利于養(yǎng)分向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)及籽粒對氮養(yǎng)分的吸收利用，可以維持小麥產(chǎn)量，過高替代比例則會引起小麥貪青晚熟。本試驗(yàn)中，兩種有機(jī)養(yǎng)分替代下，豬糞有機(jī)肥對小麥增產(chǎn)效果優(yōu)于秸稈有機(jī)肥，原因可能是秸稈有機(jī)肥中氮素礦化較慢引起小麥生長過程中供氮不足，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量相對較低。

農(nóng)田氮磷徑流流失不僅受降雨強(qiáng)度[31]、時間[32]及肥料類型等因素影響，還受土壤物理性質(zhì)如質(zhì)地、孔隙、剖面構(gòu)造等影響。降雨強(qiáng)度直接影響農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失，鄔燕虹等[33]認(rèn)為徑流中各形態(tài)氮素流失量隨降雨強(qiáng)度增大而增大，呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)關(guān)系。寧建鳳等[34]研究表明，相比單施化肥處理，有機(jī)肥替代化肥的TN、NO3--N和NH4+-N流失量分別降低了53.4%、58.2%和56.0%。陳秋會等[35]研究認(rèn)為有機(jī)肥替代化肥TN流失量均低于化肥處理，其中100%有機(jī)肥替代降幅最大，且TN流失濃度與流失量一致，這與本研究中有機(jī)養(yǎng)分替代處理有助于降低全氮徑流流失濃度、流失量，且與常規(guī)施肥處理相比，在100%有機(jī)養(yǎng)分替代處理下全氮徑流流失降低幅度最大的結(jié)果一致。此外，100%較50%和30%有機(jī)肥替代化肥處理TP流失濃度、流失量均增加，這主要是因?yàn)楸狙芯恳缘鹊刻娲鸀榛A(chǔ)，當(dāng)有機(jī)肥比例超過50%時，有機(jī)肥磷素投入量增加，磷素不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，因此總磷流失量大幅增加。在氮素流失形態(tài)上，本研究中硝態(tài)氮流失濃度、流失量均高于銨態(tài)氮，可能是麥季耕層土壤具有較強(qiáng)的硝化作用，使得硝態(tài)氮大量累積在表層，而硝態(tài)氮則易流失，從而造成麥季徑流水中硝態(tài)氮流失量較高[36]。

謝軍等[37]通過8年的長期定位試驗(yàn)指出，有機(jī)肥替代化肥可提高玉米對氮的利用效率。周江明[38]研究有機(jī)肥化肥配施對水稻氮素積累量的影響，指出總氮素累積量在20%有機(jī)肥替代化肥處理下最高，此時回收利用量最高。陳大超等[39]指出有機(jī)肥處理與單施化肥處理相比，葉片中全磷和全鉀含量顯著提高。朱代強(qiáng)[40]和李水祥等[41]也得到了類似的研究結(jié)果。這與本研究中30%～50%豬糞有機(jī)養(yǎng)分替代處理下氮磷肥利用率較高的結(jié)果一致，由此說明，有機(jī)肥替代化肥技術(shù)整體上能提高肥料利用率，改善作物的養(yǎng)分吸收水平。

本研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥可以緩解土壤酸化，這與毛妍婷等[42]的研究一致。原因在于有機(jī)肥在土壤溶液中離解為氫離子，具有較強(qiáng)的交換能力，并與鉀、鈉、銨等一價陽離子作用生成能溶于水的弱酸鹽類，使這些元素在土壤中不易流失，當(dāng)外界的酸性或堿性物質(zhì)施入土壤時，有機(jī)肥能夠在一定程度上維持土壤溶液的酸堿度不變。另外，研究表明有機(jī)肥能提供豐富的氮貯量，進(jìn)而保持土壤氮素的有效性[43]。這與本研究施用有機(jī)肥提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量的結(jié)果一致。此外，不同的有機(jī)肥對土壤養(yǎng)分釋放的影響不同，因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，施用有機(jī)肥時要注意各種有機(jī)肥特征，在有機(jī)肥替代部分化肥施用過程中，應(yīng)根據(jù)有機(jī)肥的類型和養(yǎng)分含量，合理配施氮磷肥，以保證氮、磷養(yǎng)分的均衡投入。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，30%豬糞有機(jī)養(yǎng)分替代處理下小麥產(chǎn)量最高，而在100%有機(jī)養(yǎng)分替代處理下小麥產(chǎn)量與其他施肥處理相比均顯著降低；有機(jī)養(yǎng)分替代化肥有助于降低麥田總氮徑流流失量，其中在100%有機(jī)養(yǎng)分替代處理下總氮徑流流失量最低，而總磷徑流流失量最高；30%～50%豬糞有機(jī)養(yǎng)分替代下小麥氮磷肥利用率較高，而在100%有機(jī)養(yǎng)分替代處理下氮磷肥利用率與其他施肥處理相比均顯著降低。此外，有機(jī)養(yǎng)分替代能夠緩解土壤酸化，使土壤pH值維持穩(wěn)定。綜合生產(chǎn)實(shí)際，30%～50%豬糞有機(jī)養(yǎng)分替代在降低麥田氮徑流流失量且維持較低磷徑流流失量前提下有助于提高土壤肥力和肥料利用率，同時也能提高小麥產(chǎn)量、品質(zhì)，增加其經(jīng)濟(jì)效益。