生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)以及土壤質(zhì)量的影響

李偉欣，黃鯤，柴同海，李銀平，師學(xué)靜，唐磊，邢明振

（根力多生物科技股份有限公司，河北 威縣 054700）

小麥（Triticum aestivumL.） 是我國主要糧食作物之一，小麥高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)保證我國糧食安全具有重要意義[1]。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織數(shù)據(jù)，我國小麥產(chǎn)量水平與歐盟平均水平接近，但化肥用量為歐盟的2.5～2.6 倍，超過國際公認(rèn)安全線2 倍左右，且化肥當(dāng)季利用率遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家[2，3]。施用化學(xué)肥料為我國作物增產(chǎn)起到了重要作用，但過量施用不僅不會(huì)帶來持續(xù)性增產(chǎn)，還會(huì)造成土壤板結(jié)、土壤養(yǎng)分利用率降低、地下水污染等[4～6]。研究表明，施用有機(jī)肥可以改善土壤理化性質(zhì)，緩解過量施用化肥導(dǎo)致的土壤養(yǎng)分流失和養(yǎng)分利用率低等問題[7，8]。但有機(jī)肥養(yǎng)分釋放緩慢，單獨(dú)施用不能滿足當(dāng)季作物的高產(chǎn)需求。用有機(jī)肥替代部分化肥，能夠同時(shí)利用化肥的速效性和有機(jī)肥的持久性，達(dá)到既緩解養(yǎng)分流失，又滿足當(dāng)季作物高產(chǎn)需求的目的。

有機(jī)肥與化肥如何合理配施才能實(shí)現(xiàn)提高小麥產(chǎn)量和品質(zhì)且又改善土壤肥力，是長期以來人們關(guān)注的焦點(diǎn)。王家寶等[9]研究表明，用生物有機(jī)肥替代17%～34%的化肥較單施化肥處理對(duì)小麥有增產(chǎn)效果，增產(chǎn)率為11.3%～11.8%。在小麥—玉米一年兩熟輪作體系中，有機(jī)無機(jī)肥料配施能促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高肥料利用效率，顯著增加糧食產(chǎn)量，且降低土壤無機(jī)氮的殘留量[10，11]。在油菜上，利用生物有機(jī)肥料替代24%～34%的化肥較單施化肥處理增產(chǎn)20.8%～31.2%[12]。高菊生等[13]研究了長期有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)水稻土壤有效養(yǎng)分含量的影響，結(jié)果表明，施用有機(jī)肥較單施化肥處理能夠顯著提高土壤堿解氮含量。但是，有機(jī)肥的施用量并非越高越好，不同地區(qū)、不同土壤肥力水平下，適宜不同作物的有機(jī)肥替代比例不同[14，15]。前人有關(guān)有機(jī)肥替代化肥的研究中試驗(yàn)長度多為1 a，而采用長期定位試驗(yàn)的研究較少，且鮮有關(guān)注有機(jī)肥替代化肥對(duì)子粒品質(zhì)的影響。長期定位試驗(yàn)具有時(shí)間的長期性、氣候的重復(fù)性、數(shù)據(jù)的連續(xù)性等特點(diǎn)，既可揭示土壤肥料效益的演變，以及肥效規(guī)律和土壤質(zhì)量的變化，又可彌補(bǔ)短期大田試驗(yàn)因氣候、病蟲害等外界環(huán)境因素造成的結(jié)果局限性[16～18]?；诖?，采用長期定位施肥試驗(yàn)，通過監(jiān)測不同用量有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)以及土壤肥力的影響，明確有機(jī)肥替代化肥的適宜比例，旨為小麥生產(chǎn)上合理減施化肥、增產(chǎn)提質(zhì)增效以及土壤養(yǎng)分調(diào)理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017～2021 年在河北省黑龍港地區(qū)的威縣進(jìn)行。土壤類型為潮土，質(zhì)地為沙壤土。選擇該區(qū)種植面積較大的小麥—玉米一年兩熟種植模式進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)7.08 g/kg、堿解氮46.52 mg/kg、有效磷25.31 mg/kg、速效鉀166.78 mg/kg，pH 值7.81。

1.2 試驗(yàn)材料

小麥品種為山農(nóng)24 號(hào)。施用肥料有摻混肥（化肥）、有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥和純發(fā)酵生物有機(jī)肥粉劑3 種，均由根力多生物科技股份有限公司生產(chǎn)并提供。其中，摻混肥的N、P2O5、K2O 含量分別為20%、20%和5%；有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥的N、P2O5、K2O 含量分別為20%、20%和5%，有機(jī)質(zhì)含量（以干基計(jì)） ≥8%，有效活菌數(shù)≥200 萬個(gè)/g；純發(fā)酵生物有機(jī)肥粉劑的有機(jī)質(zhì)含量≥65%，有效活菌數(shù)≥2 億個(gè)/g。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)施肥方式設(shè)普通施肥（100%化肥，摻混肥750 kg/hm2，T1）、有機(jī)肥替代20%化肥（有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥600 kg/hm2，T2）、有機(jī)肥替代50%化肥（摻混肥375 kg/hm2+純發(fā)酵生物有機(jī)肥1 406.25 kg/hm2，T3）、有機(jī)肥替代全部化肥（100%有機(jī)肥，純發(fā)酵生物有機(jī)肥2 812.50 kg/hm2，T4）4 個(gè)處理。小區(qū)面積600 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)。各小區(qū)之間用80～100 cm 的地埂隔開，以防串肥。

玉米秸稈還田后造墑，小麥適期足墑播種，不同施肥方式處理的肥料均作為基肥在小麥播種前結(jié)合整地均勻撒施。小麥生育期共灌水3 次，其中返青期結(jié)合灌水追施尿素300 kg/hm2，拔節(jié)期結(jié)合灌水追施尿素150 kg/hm2。其他田間管理措施同常規(guī)。

1.3.2 測定項(xiàng)目與方法

1.3.2.1 小麥產(chǎn)量性狀和子粒品質(zhì)。小麥?zhǔn)斋@期，每小區(qū)均選擇2 個(gè)2.5 m2的樣方，將樣方內(nèi)的小麥全部收獲，測定單位面積穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒重和產(chǎn)量。之后，將小麥子粒充分混合，從中選取1 kg 送檢，參照《食品中氨基酸的測定》 （GB 5009.124—2016）利用氨基酸自動(dòng)分析儀測定氨基酸含量，參照《食品中蛋白質(zhì)的測定》 （GB 5009.5—2016）利用凱氏定氮法測定蛋白質(zhì)含量。

1.3.2.2 土壤養(yǎng)分含量。每年小麥?zhǔn)斋@后，各小區(qū)均采用隨機(jī)五點(diǎn)法取樣，每個(gè)樣點(diǎn)均采集0～20 cm 土層的混合土樣約500 g，置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干后粉粹、過篩（孔徑2.5 mm），備用，測定土壤養(yǎng)分含量。其中，堿解氮含量測定采用堿解擴(kuò)散法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍(lán)比色法；速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有機(jī)質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀容量法[19]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理與分析 指標(biāo)值均取試驗(yàn)?zāi)甓鹊钠骄怠＠肕icrosoft Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量性狀和子粒品質(zhì)的影響

2.1.1 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素 生物有機(jī)肥替代化肥處理的單位面積穗數(shù)為486.18 萬～536.80 萬個(gè)/hm2，指標(biāo)值的增減因替代比例的不同而異，其中T2處理的指標(biāo)值較T1處理增多8.92%且差異達(dá)到了顯著水平，而其他2 個(gè)處理較T1處理差異均不顯著；穗粒數(shù)為28.43～30.94 粒，指標(biāo)值的增減因替代比例的不同而異，但不同替代比例處理間及其與T1處理間的差異均不顯著，其中T2處理的指標(biāo)值最大；千粒重為41.90～43.15 g，均＞T1處理，其中T2處理最大、T4處理次之，二者效果顯著，指標(biāo)值分別較T1處理提高4.05%和2.51%；最終，小麥產(chǎn)量隨著替代比例的增大而逐漸降低，指標(biāo)值為5 893.58～7 116.07 kg/hm2，但均＞T1處理，增產(chǎn)率為1.95%～23.1%，其中T2處理的產(chǎn)量最高且與其他處理差異均達(dá)到了顯著水平（表1）。表明生物有機(jī)肥替代化肥較單施化肥可提高小麥產(chǎn)量，其中T2處理效果最好，能夠有效提高單位面積穗數(shù)和千粒重，增產(chǎn)顯著。

表1 生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 1 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on wheat yield and yield components

2.1.2 子粒品質(zhì)

2.1.2.1 蛋白質(zhì)含量。生物有機(jī)肥替代化肥處理的小麥子粒蛋白質(zhì)含量為11.13%～13.03%，均顯著＜T1處理，降幅為5.1%～19.0%；指標(biāo)值隨著生物有機(jī)肥替代比例的增大而逐漸降低，且不同替代比例處理的差異達(dá)到了顯著水平，其中T3與T4處理差異不顯著，但二者均顯著＜T1處理（表2）。表明生物有機(jī)肥替代化肥較單施化肥不利于子粒蛋白質(zhì)含量的提高，其中T2處理下效果相對(duì)較好。

表2 生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥子粒蛋白質(zhì)含量的影響Table 2 Effects of replacing chemical fertilizers with bioorganic fertilizers on the protein content of wheat grains

2.1.2.2 氨基酸含量。生物有機(jī)肥替代化肥處理對(duì)小麥子粒16 種氨基酸含量以及氨基酸總含量的影響效果因替代比例的不同而異（表3）。隨著生物有機(jī)肥替代化肥比例的增大，天冬氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、繳氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸含量呈先升高后降低的變化，指標(biāo)值均以T2處理最大；絲氨酸、谷氨酸和酪氨酸含量呈逐漸降低趨勢，生物有機(jī)肥替代條件下指標(biāo)值均以T2處理最大；蛋氨酸含量呈逐漸升高趨勢；最終，T2、T3、T4處理的子粒氨基酸總含量分別為13.03%、12.67%和12.54%，除T2處理較T1處理（12.77%） 提高0.26 百分點(diǎn)外，其他2 個(gè)處理均＜T1處理。表明適宜比例的生物有機(jī)肥替代化肥才有利于子粒氨基酸含量的提高，其中T2處理效果最好。

表3 生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥子粒16 種氨基酸含量的影響Table 3 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on the content of 16 amino acids in wheat grains （%）

2.2 生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

生物有機(jī)肥替代化肥處理對(duì)土壤各養(yǎng)分平均含量的影響效果因替代比例的不同而異（表4）。隨著生物有機(jī)肥替代化肥比例的增大，土壤堿解氮含量呈先升高后降低的變化，除T4處理外，其他處理的指標(biāo)值均＞T1處理，其中T3處理明顯較高，而T2與T1處理差異不顯著；速效磷和速效鉀含量均呈逐漸降低的變化，且不同替代比例處理的差異均達(dá)到了顯著水平，其中T2處理的指標(biāo)值分別較T1處理增加了27.92%和4.48%且差異均達(dá)到了顯著水平，而其他2 個(gè)處理的指標(biāo)值均顯著＜T1處理；有機(jī)質(zhì)含量均顯著＞T1處理，且指標(biāo)值隨著替代比例的增大而明顯提高?？傮w來看，T2處理提高土壤肥力效果最好。

表4 生物有機(jī)肥替代化肥處理對(duì)4 a 土壤養(yǎng)分平均含量的影響Table 4 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on average content of soil nutrients in 4 years

從不同年份的土壤肥力（表5）變化看，隨著施用生物有機(jī)肥年限的增加，土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量上升，土壤速效磷和速效鉀含量下降。2021 年與2018 年相比，土壤堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量分別提高了15.27%～75.57%和13.56%～43.96%，其中T2處理提高有機(jī)質(zhì)含量效果最好；土壤速效磷、速效鉀含量分別降低了24.77%～67.10%和7.80%～26.97%，其中T2處理的速效磷降幅最小。表明用有機(jī)肥替代部分化肥有利于土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量的提高，且有機(jī)質(zhì)含量隨著有機(jī)肥施用年份的增加而提高，總體來看，T2處理效果較好。

表5 生物有機(jī)肥替代化肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Table 5 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on soil nutrient content

3 結(jié)論與討論

化肥對(duì)于糧食作物增產(chǎn)起到了重要作用，但過度施用不僅會(huì)影響土壤綜合生產(chǎn)能力的提高，還會(huì)導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的惡化。因此，用有機(jī)肥替代部分化肥是減少化肥施用并保證糧食作物可持續(xù)生產(chǎn)的重要措施之一[20]。

本研究條件下，有機(jī)肥替代20%化肥處理的小麥單位面積穗數(shù)和千粒重顯著高于普通施肥，說明有機(jī)肥與化肥合理配施通過增加單位面積穗數(shù)和千粒重，從而實(shí)現(xiàn)小麥增產(chǎn)，這與張晶等[21]的研究結(jié)果一致。高伯行等[22]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)氮替代20%～40%的無機(jī)氮時(shí)，小麥產(chǎn)量高于常規(guī)施肥。邢鵬飛等[23]利用豬糞有機(jī)肥替代化肥，結(jié)果顯示，有機(jī)肥替代30%的無機(jī)肥對(duì)小麥具有較好的增產(chǎn)作用。在本試驗(yàn)中，除有機(jī)肥替代20%化肥外，有機(jī)肥替代50%和100%化肥時(shí)小麥產(chǎn)量與普通施肥均無顯著差異。說明用有機(jī)肥替代化肥時(shí)比例并不是越大增產(chǎn)效果就越好，應(yīng)存在最佳替代比例。

有機(jī)肥部分替代化肥處理是提高作物養(yǎng)分利用效率和改善土壤的重要手段之一。本研究中，隨著生物有機(jī)肥替代化肥比例的增大，土壤有機(jī)質(zhì)含量上升，而土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量呈先升后降的趨勢變化；隨著施用生物有機(jī)肥年限的增加，土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)含量上升，土壤速效磷和速效鉀含量下降。這與Du 等[24]和李燕青[25]有機(jī)肥與化肥配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量均明顯增加的結(jié)論不一致，這可能與試驗(yàn)設(shè)置的最大有機(jī)肥替代比例、長期定位試驗(yàn)?zāi)晗?、基礎(chǔ)地力等因素不同有關(guān)。

小麥品質(zhì)不僅與品種遺傳特性、栽培條件和管理措施等有關(guān)，還與土壤理化性質(zhì)有關(guān)。不同比例的有機(jī)肥與化肥配施對(duì)冬小麥品質(zhì)的改善作用不同；提高作物栽培技術(shù)，如增加有機(jī)肥用量、改進(jìn)施肥措施，均為提高品質(zhì)的有效途徑[26，27]。本研究結(jié)果顯示，生物有機(jī)肥替代化肥不利于小麥子粒品質(zhì)的提高，且小麥品質(zhì)隨著替代比例的增大呈降低趨勢，主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥養(yǎng)分釋放緩慢，當(dāng)季施用比例越高，越不利于滿足作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)對(duì)當(dāng)季養(yǎng)分的需求。

本研究通過長期定位試驗(yàn)，研究了生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量和品質(zhì)以及土壤質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，生物有機(jī)肥部分替代化肥處理可以提高子粒產(chǎn)量和土壤肥力，但不利于提高品質(zhì)，其中用生物有機(jī)肥替代20%的化肥時(shí)可以在實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的子粒品質(zhì)，提高土壤肥力。因而，小麥生產(chǎn)上，用生物有機(jī)肥替代20%的化肥較為可行。