牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥對(duì)小麥產(chǎn)量及品質(zhì)的影響

聶勝委，張巧萍，潘秀燕，張玉亭，鄭 念，許紀(jì)東

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站，河南 遂平 463100）

近年來，我國(guó)糧食總產(chǎn)連續(xù)穩(wěn)定在3.05萬億kg以上，其中小麥總產(chǎn)在0.6萬億kg以上，為滿足人民生活需求和國(guó)家糧食安全提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和保障。但是我國(guó)糧食生產(chǎn)中化肥施用量總體偏大。資料顯示，2010—2018年，化肥年施用量超過5 500萬t，2015年則高達(dá)6 022.6萬t[1]；小麥季施氮較高的農(nóng)戶數(shù)占到調(diào)查總戶數(shù)的63.7%[2]，過多肥料投入造成資源浪費(fèi)和生態(tài)惡化等諸多問題[3-4]。同時(shí)，我國(guó)的規(guī)?；B(yǎng)殖發(fā)展迅猛，產(chǎn)生的糞（尿）等排泄物已成為主要的污染來源；以牛養(yǎng)殖業(yè)為例，2019年底，牛存欄頭數(shù)為9 138.3萬頭[1]，每頭牛平均每天約25 kg的糞（尿）生產(chǎn)量，糞（尿）污排放量巨大。

在作物生產(chǎn)中，施肥不僅與產(chǎn)量關(guān)系密切，而且對(duì)土壤及作物籽粒品質(zhì)等影響較大。有研究表明，有機(jī)無機(jī)肥長(zhǎng)期配施可以提高土壤有機(jī)碳含量[5]，降低耕層土壤容重，增強(qiáng)麥田土壤硝化細(xì)菌活性及潛力[6]，提高小麥產(chǎn)量[7-8]和穩(wěn)定性[9-10]。施用有機(jī)肥則能增加水溶性有機(jī)碳[11]和腐植酸態(tài)碳含量[12]、甲烷氧化速率[13]、微生物數(shù)量及氨化細(xì)菌活性[14-15]。在品質(zhì)方面，NPK肥配施能顯著增加小麥籽粒總氨基酸、蛋白質(zhì)和灰分及必需氨基酸含量[16]；NP、NPK配施能明顯提高強(qiáng)筋麥的濕面筋和蛋白質(zhì)含量，有機(jī)無機(jī)肥配施或秸稈還田配施化肥可以提高籽粒蛋白質(zhì)含量[17]，優(yōu)化蛋白質(zhì)組分比[18]；但也有相異的研究報(bào)道[19]。此外，連續(xù)施用有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)肥配施雖然降低了稻米外觀品質(zhì)，但是提高了食用和蒸煮品質(zhì)及籽粒蛋白質(zhì)含量，改善了淀粉黏度[20]；豬廄肥配施氮肥能提高玉米、大豆氨基酸總量及必需氨基酸含量[21]；NPK配施能顯著提高花生產(chǎn)量和蛋白質(zhì)含量[22]。

在小麥季有機(jī)肥替代方面，商品有機(jī)肥替代氮肥（11.3%）、磷肥（13.7%）、鉀肥（58.8%）能顯著提高土壤有機(jī)肥中碳、全氮含量，對(duì)小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因素影響不顯著[23]；施用雞糞有機(jī)肥替代部分化肥能節(jié)省投入，增產(chǎn)、增收[24]，有機(jī)肥（豬糞）替代20%化肥能提高土壤養(yǎng)分含量，增加產(chǎn)量，增強(qiáng)酶活性[25]；牛糞有機(jī)肥替代75%氮肥能夠減少土壤硝態(tài)氮?dú)埩?，提高氮效率，?shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效[26]；商品化的有機(jī)肥與無機(jī)肥配合施用以替代20%化肥時(shí)小麥產(chǎn)量最佳[27]。

將牛糞、秸稈進(jìn)行腐熟堆漚制作有機(jī)肥是快速利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)物的便捷途徑，在小麥季替代部分化肥，可以減少并節(jié)約化肥投入，實(shí)現(xiàn)資源化利用，促進(jìn)清潔生產(chǎn)和農(nóng)牧循環(huán)。河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源環(huán)境研究所廢棄物資源化利用團(tuán)隊(duì)課題組前期得出，利用牛糞秸稈堆肥替代20%化肥能提高當(dāng)季小麥產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益[28]，但是對(duì)替代后小麥品質(zhì)關(guān)注較少。因此，本試驗(yàn)進(jìn)行牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥對(duì)小麥品質(zhì)的影響研究，以期為有機(jī)肥替代、種養(yǎng)循環(huán)生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站（33°15′N、113°98′E）內(nèi)，氣候溫和，雨量充沛，光照充足，四季分明，亞熱帶向暖溫帶過渡性氣候特性較明顯。年平均氣溫、日照、降水量、無霜期分別為15.1℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤類型為砂姜黑土，重壤偏黏，土地肥沃，基礎(chǔ)土樣的有機(jī)質(zhì)含量為2.88 g/kg，堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為10.62、339.62、108.15 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試小麥品種選用遂選101（2018—2019年種植）、洛麥26（2019—2020年種植）,均由遂平縣農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站提供。試驗(yàn)選用的牛糞秸稈好氧發(fā)酵堆肥腐熟后的有機(jī)質(zhì)含量為318.42 g/kg，堿解氮、有效磷、有效鉀含量分別為18.46、27.33、203.51 mg/kg，全氮、全磷、全鉀含量分別為168.02、75.16、468.06 mg/kg，pH值為7.62。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，牛糞秸稈好氧發(fā)酵堆肥2個(gè)水平（6 000（M1）、9 000（M2）kg/hm2），設(shè)不施肥（CK-F0）、施NPK化肥（CK-F）、牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥（M1-20%F、M2-20%F）共4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，小區(qū)面積為144 m2。施肥處理中，CK-F處理的氮、磷、鉀肥用量分別為N 165 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2；M1-20%F、M2-20%F處理的氮、磷、鉀肥用量分別為N 132 kg/hm2、P2O566 kg/hm2、K2O 66 kg/hm2。

小麥機(jī)播，播量150 kg/hm2，行距20 cm，分別于2018、2019年10月下旬播種，次年6月初收獲。牛糞堆肥、施肥處理中氮肥的70%和磷鉀肥在整地時(shí)做基肥一次施入，在拔節(jié)期施入剩余30%氮肥，各處理其他田間管理相同。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

小麥成熟期，每個(gè)小區(qū)實(shí)收4 m2測(cè)產(chǎn)，同時(shí)預(yù)留曬干后的小麥籽粒2.5 kg，采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法分析測(cè)定籽粒品質(zhì)（水分、蛋白質(zhì)、容重、出粉率）、流變特性（濕面筋、吸水量、形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、弱化度）、拉伸性能（能量、恒定變形拉伸阻力、延伸性、最大拉伸阻力）等。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 25.0、Excel 2007等軟件進(jìn)行整理分析、作圖，用LSD法進(jìn)行顯著性分析，P＜0.05表示差異水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后小麥籽粒產(chǎn)量的變化

牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥第1季（2018—2019年），M1-20%F（6 000 kg/hm2）、M2-20%F（9 000 kg/hm2）處理小麥產(chǎn)量分別為9 758.2、11 057.2 kg/hm2，均 高 于CK-F（9 708.2 kg/hm2），差異不顯著，均顯著高于CK-F0（6 149.03 kg/hm2）。第2季（2019—2020年）連續(xù)替代20%全量化肥，M1-20%F、M2-20%F處理的產(chǎn)量差異不顯著，分別為6 853.43、6 693.30 kg/hm2，均顯著高于CK-F0（5 252.63 kg/hm2）,均稍低于CK-F（6 970.15 kg/hm2）。此外，兩季的牛糞秸稈堆肥M1-20%F、M2-20%F處理間的產(chǎn)量差異均不顯著（圖1）。

圖1 牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后小麥籽粒產(chǎn)量的比較Fig.1 Comparison of wheat grain yields under the treatment of cattle manure and wheat straw compost instead of 20% of total chemical fertilizer

2.2 牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后小麥籽粒品質(zhì)的變化

在籽粒品質(zhì)方面，替代第1季，M2-20%F處理的籽粒含水量為11.10 g/100 g，顯著高于CK-F0（9.35 g/100 g）、CK-F（9.60 g/100 g）。籽粒蛋白質(zhì)含 量 依 次 為M2-20%F（12.75 g/100 g）＞CK-F（12.53 g/100 g）＞CK-F0（11.23 g/100 g），堆肥替代后籽粒蛋白質(zhì)含量升高，但差異不顯著。M2-20%F處理的籽粒容重最大，高于CK-F、CK-F0，差異不顯著；相反，出粉率稍有下降，M2-20%F處理低于CK-F0、CK-F（表1）。

表1牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后小麥籽粒品質(zhì)的比較Tab.1 Comparison of wheat grain yields under the treatment of cattle manure and wheat straw compost instead of 20% of total chemical fertilizer

第2季連續(xù)替代，M1-20%F處理的籽粒含水量（9.45 g/100 g）最高，顯著高于M2-20%F（9.08 g/100 g）、CK-F0（8.94 g/100 g）、CK-F（9.10 g/100 g）處理。籽粒蛋白質(zhì)含量方面，替代處 理 均 高 于CK-F0（11.25 g/100 g），低 于CK-F（14.97 g/100 g），差 異 達(dá) 顯 著 水 平，M1-20%F（13.40 g/100 g）＞M2-20%F（12.85 g/100 g），2個(gè)替代處理間差異不顯著。牛糞秸稈堆肥替代后籽粒容重變化不大，出粉率顯著下降，M1-20%F、M2-20%F處理的出粉率分別為65.35%、65.55%，均顯著低于CK-F（70.25%）。

2.3 牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后面粉流變特性的變化

牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后面粉流變特性的比較如表2所示。

表2牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后面粉流變特性的比較Tab.2 Comparison of rheological properties of dough under the treatment of cattle manure and wheat straw compost instead of 20% of total chemical fertilizer

從表2可以看出，在替代第1季，M2-20%F的濕面筋含量（24.65%）高于CK-F（23.13%）、CKF0（16.77%），差異不顯著；面粉吸水量、形成時(shí)間均增大，M2-20%F（62.85 mL/100 g、1.85 min）高于CK-F（59.77 mL/100 g、1.67 min），顯著高于CKF0（58.20 mL/100 g、1.40 min）處理。穩(wěn)定時(shí)間依次為CK-F（3.04 min）＞M2-20%F（1.70 min）＞CKF0（0.97 min），差異不顯著；M2-20%F的弱化度（51.50 FU）顯著高于CK-F（40.00 FU），低于CKF0（124.00 FU）。

在連續(xù)替代第2季，牛糞秸稈堆肥替代后濕面筋含量顯著下降，各處理間差異均顯著，依次為CK-F（30.80%）＞M1-20%F（29.45%）＞M2-20%F（27.90%）＞CK-F0（24.50%）。面粉吸水量以M1-20%F（63.45 mL/100 g）最 高，顯 著 高 于其他處理，M2-20%F（62.45 mL/100 g）次之，CKF（60.55 mL/100 g）最小，顯著低于其他處理。M1-20%F、M2-20%F處理的形成時(shí)間分別為5.35、5.10 min，均 顯 著 高 于CK-F0（4.10 min）、CK-F（3.90 min）。穩(wěn)定時(shí)間方面，M1-20%F（7.15 min）＞M2-20%F（6.55 min），差異不顯著，均顯著高于CK-F（4.75 min）；同 時(shí)CK-F顯 著 低 于CK-F0（6.75 min）。弱化度下降，M2-20%F（79.50 FU）、M1-20%F（83.00 FU）均低于CK-F（115.00 FU），其中，M1-20%F顯著減小。

2.4 牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后小麥面粉拉伸指標(biāo)的變化

從表3可以看出，在替代第1季，M2-20%F處理的面粉能量、最大拉伸阻力、恒定變形拉伸阻力均低于CK-F，所有處理間差異均不顯著。替代后延伸性增加，M2-20%F處理（134.50 mm）的延伸性高于CK-F（132.67 mm）、CK-F0（123.33 mm），差異不顯著。

在連續(xù)替代第2季，M1-20%F、M2-20%F處理的面粉能量值分別為48.50、44.00 cm2，均低于CK-F（49.50 cm2），其 中，M2-20%F顯 著 降 低；CK-F0（41.00 cm2）處理最低，顯著低于M1-20%F。恒定變形拉伸阻力以M1-20%F（239.00 EU）最大，顯著高于CK-F0（206.00 EU）、CK-F（208.00 EU）、M2-20%F（211.00 EU）。M1-20%F、M2-20%F處理的延伸性均為127.00 mm，低于CK-F0（128.50 mm），顯著低于CK-F（136.00 mm）。M1-20%F、M2-20%F的最大拉伸阻力高于CK-F0（222.00 EU）、CK-F（233.50 EU），分別為271.50、234.00 EU，其中，M1-20%F顯著升高。

表3牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥后面團(tuán)拉伸指標(biāo)的比較Tab.3 Comparison of powerd tensile properties of dough under the tratment of cattle manure and wheat straw compost instead of 20% of total chemical fertilizer

3 結(jié)論與討論

有研究表明，豬糞有機(jī)肥替代20%化肥（2017—2018年）可以提高小麥產(chǎn)量[25]，商品有機(jī)肥與無機(jī)肥配合施用替代20%化肥（2016—2017年）時(shí)小麥產(chǎn)量最佳[27]，這些研究?jī)H進(jìn)行了一季。本研究連續(xù)2個(gè)小麥季（2018—2020年）研究得出，牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥第1季增產(chǎn)，第2季則略有減產(chǎn)，差異不顯著。說明有機(jī)肥替代同時(shí)需要考慮替代的作物生長(zhǎng)季數(shù)，多季跟蹤研究才可能得出更為科學(xué)的結(jié)論。

另一方面，有機(jī)肥替代研究應(yīng)考慮產(chǎn)量和品質(zhì)。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞秸稈堆肥替代20%全量化肥，小麥的主要品質(zhì)指標(biāo)如籽粒蛋白質(zhì)含量第1季略有提高，第2季則顯著下降；濕面筋含量第1季略有下降，差異不顯著，第2季則顯著下降，蛋白質(zhì)含 量 依 次 為CK-F（14.97 g/100 g）＞M1-20%F（13.40 g/100 g）＞M2-20%F（12.85 g/100 g）＞CK-F0（11.25 g/100 g），濕面筋含量依次為CK-F

（30.80%）＞M1-20%F（29.45%）＞M2-20%F（27.90%）＞CK-F0（24.50%）。此外，替代后的籽粒含水量、容重、面粉吸水量及形成時(shí)間增加，其中形成時(shí)間第2季顯著增加，M1-20%F（5.35 min）＞M2-20%F（5.10 min）＞CK-F0（4.10 min）＞CK-F

（3.90 min）；出粉率下降。延伸性當(dāng)季略有增加，第2季則顯著下降。穩(wěn)定時(shí)間當(dāng)季減小，第2季穩(wěn)定時(shí)間則顯著增大。這說明牛糞秸稈堆肥替代20%化肥對(duì)小麥第1季主要籽粒品質(zhì)影響不大，有些方面還有改善和提高；但是第2季連續(xù)替代，主要品質(zhì)指標(biāo)值開始變差，如籽粒蛋白質(zhì)、濕面筋含量、延伸性、出粉率等。

本研究得出，小麥季牛糞秸稈堆肥替代20%化肥在第1季是可行的，第2季連續(xù)替代則會(huì)引起產(chǎn)量和品質(zhì)的下降。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，第2季連續(xù)替代時(shí)應(yīng)考慮適當(dāng)增加化學(xué)養(yǎng)分供應(yīng)，以保證產(chǎn)量和品質(zhì)。