華北冬小麥-夏玉米系統有機態氮替代的產量及肥料效應

何翠翠,李貴春,尹昌斌*

(1.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081;2.中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081)

為了滿足我國的“糧食安全”，增加氮肥投入是提高糧食產量的主要途徑之一[1]。聯合國糧農組織(FAO)數據統計，化肥的增產作用占到農作物產量的30%～50%[2]；據中國化肥試驗網統計，化肥對糧食產量的貢獻率為40.8%[3]。我國已經成為世界上消費化肥態氮最多的國家，并且這種消費量還將會進一步增加[4]。化肥態氮雖然肥效快，但是養分損失較快，特別是在出現強降雨或者連續降雨的情況下[5]。此外，農田中氮素的損失又極易引起環境污染[1,6]。有機肥含有大量的植物生長所需的養分[7]，施用有機肥可以有效降低土壤氮的淋溶，主要是由于有機肥礦化過程中固持了礦質態氮，減少了易淋溶的硝態氮含量[8]。因此如果有機肥得不到合理的利用，會使得這一重要養分資源轉變為重要污染源[9]。許多國內外學者提出有機無機肥料配施的施肥管理措施[10-13]，研究表明，這種施肥方式能夠降低氮素的損失[14]，還能提高氮素的利用率[15]。現階段，關于有機無機肥料配施的研究多關注于這種施肥方式對農作物產量或者品質的影響，對有機無機肥料配施的方法探究比較少，且較多關注于有機無機肥料比例問題，忽略了結合農業生產實際情況來進一步完善有機肥料配施方法。同時，關于有機無機肥料配施的肥效研究多關注于當季作物，對后茬作物或者整個種植體系的關注較少。

華北平原是我國的糧食主產區之一，是典型的一年兩熟區，便于研究有機肥料后效。有研究得出，華北平原豬糞的一年分解率大概在60%～70%之間[7]，所以，以兩季作物的糧食產量來研究有機無機肥料配施的肥效是科學的。當地的主要種植模式是冬小麥-夏玉米輪作體系。在有機無機肥料配施的施肥管理措施優化過程中，考慮冬小麥生育期約240～280 d，生育期較長，結合有機肥見效慢的特點，本研究選取冬小麥種植(秋播)前基肥進行有機態氮替代化肥態氮。而在冬小麥追肥時，依然使用見效快的化肥態氮。而夏玉米生育期較短，約為100 d，有機肥見效較慢，為了保證夏玉米正常生長，不對夏玉米進行有機態氮替代。凍溶作用顯著加速土壤有機態氮的礦化過程[16]，秋施有機肥經過冬季的凍溶作用，可以釋放出更多的養分，為本研究提供了科學依據。

本研究對冬小麥-夏玉米輪作系統中秋施基肥進行有機態氮替代化肥態氮措施，其它時期的氮肥種類依然選擇化肥態氮。研究秋施基肥有機態氮替代這種施肥方式對冬小麥、夏玉米和全年總糧食產量的影響，對氮肥肥料利用率的影響，以及對土壤碳、氮含量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于我國的糧食主產區華北平原的河北省徐水縣農業部行業科研專項實驗站(37.8°N,114.7°E,海拔50.1 m)。該試驗地所屬區域的氣候類型為暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，年平均氣溫12.2 ℃，年平均降水量536.8 mm。該試驗地的土壤類型為石灰性潮褐土，試驗地種植類型為冬小麥-夏玉米輪作系統。

1.2 試驗設計

試驗開始時間為2010年6月，供試土壤耕層土壤容重1.27 g/cm3，pH值7.80，有機質含量17.1 g/kg，全氮含量1.01 g/kg，全磷含量0.83 g/kg，全鉀含量18.11 g/kg。試驗小區面積為20 m2(5 m×4 m)，小區之間用40 cm的PVC板隔開(地上20 cm，地下20 cm)。試驗共設12個處理，3個重復，共計36個小區，試驗小區的排列方式為隨機區組。本研究主要選取了其中的5個處理(表1):CK處理，不施肥對照處理；M0C100處理，單施化肥，零有機肥替代；M20C80處理，20%有機肥替代化肥氮，80%化肥氮；M50C50處理，50%有機肥替代化肥氮；M100C0處理，100%有機肥替代化肥氮。

表1 不同處理施肥情況 (N kg/hm2)

注：干牛糞的有機質含量是397.5 g/kg，氮、磷、鉀含量分別是26.42、6.48、16.79 g/kg。基肥的氮、磷、鉀含量均為15%的復合肥，追肥的化肥種類為尿素。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集時間為每年的夏玉米收獲后，采集方法采用原狀土壤塊(20 cm深×20 cm長×10 cm寬)采集，每個小區用五點法采集，即采集5個這樣的原狀土壤塊，然后輕輕地掰碎大的土塊，混勻，用四分法分出來一個土壤樣品供篩分工作。將采集好的土壤樣品直接轉移至田塊旁邊的實驗室進行室溫風干，過篩，以供后續試驗測定。

產量采集：小麥產量采用5個單位面積的樣方產量的平均值，玉米產量采用3個2 m2的樣方產量，換算成每公頃產量。

1.4 計算公式與統計分析

本研究中所用的計算公式[17-19]如下：

增產量=肥料處理產量-對照處理產量

增產率=(肥料處理產量-對照處理產量)/對照處理產量×100%

基礎地力貢獻率=對照處理產量/肥料處理產量×100%

氮肥貢獻率=(氮肥處理產量-對照處理產量)/氮肥處理產量×100%

氮肥偏生產力(kg/kg)=氮肥處理產量/氮肥量

氮肥農學效率(kg/kg)=(氮肥處理產量-對照處理產量)/氮肥量

本研究采用SPSS 18.0統計軟件進行數據分析。

2 結果與分析

2.1 有機態氮替代化肥態氮對冬小麥-夏玉米糧食產量的影響

冬小麥和夏玉米的糧食產量從2012年6月開始測定(圖1、表2)。秋施基肥不同比例有機態氮替代化肥態氮對冬小麥、夏玉米以及全年糧食總產量的影響不同。2012～2015年，施肥處理(包括化肥單施處理和有機態氮替代處理)與對照處理相比，冬小麥、夏玉米以及全年糧食總產量均有了極顯著水平的提高。與對照處理相比，施肥處理(包括化肥單施處理和有機態氮替代處理)冬小麥產量增加較高，增產量為3 983.3～5 013.3 kg/hm2，增產率為150%～218%，有機態氮替代化肥態氮處理與零有機態氮替代處理(M0C100)之間冬小麥產量差異沒有達到顯著水平。

與對照處理相比，施肥處理(包括化肥單施處理和有機態氮替代處理)夏玉米增產量相對低于冬小麥，為1 916.7～5 463.3 kg/hm2，增產率為43%～135%。與零有機態氮替代處理(M0C100)相比，少量有機態氮替代化肥態氮處理(M20C80)夏玉米產量略有降低，且差異不顯著；半量有機態氮替代化肥態氮處理(M50C50)夏玉米產量有所增高，但差異沒有達到顯著水平；全量有機態氮替代化肥態氮處理(M100C0)夏玉米產量有明顯增高，且差異達到極顯著水平。

圖1 不同施肥處理下冬小麥、夏玉米及全年糧食總產量

注：不同大、小寫字母分別表示不同處理糧食產量在1%、5%水平上差異顯著。

與對照處理相比，施肥處理(包括化肥單施處理和有機態氮替代處理)冬小麥和夏玉米總產量增加5 983.3～10 176.7 kg/hm2，周年糧食總增產率處在冬小麥和夏玉米之間，為85%～159%。對于全年糧食總產量來講，隨著試驗年限的增加，只有全量有機態氮替代化肥態氮(M100C0)糧食產量顯著高于其他施肥處理。

表2 不同施肥處理下冬小麥、夏玉米及全年總產量的氮肥增產率 (%)

注：不同小寫字母表示不同處理氮肥增產率在5%水平上差異顯著。

2.2 有機態氮替代下氮肥貢獻率、氮肥偏生產力以及氮肥農學效率

氮肥貢獻率即氮肥對作物產量的貢獻率，把不施肥對照處理(CK)的產量視為基礎地力對產量的貢獻，因施氮肥而增加的糧食產量即為氮肥對產量的貢獻[18]。2012～2015年試驗期間(表3)，不同施肥處理下，冬小麥的基礎地力貢獻率最低，為31%～40%，相反，氮肥貢獻率最高，其范圍是60%～69%。夏玉米的基礎地力貢獻率最高，為43%～70%，而氮肥貢獻率最低，為30%～57%。對于全年糧食總產量來講，基礎地力貢獻率為49%～55%，氮肥對全年糧食產量的貢獻率與基礎地力貢獻率相近，為45%～61%。

表3 不同施肥處理下冬小麥、夏玉米的氮肥貢獻率 (%)

注：不同小寫字母表示不同處理氮肥貢獻率在5%水平上差異顯著。

隨著試驗進行，在施肥量沒有增加的情況下，氮肥對冬小麥-夏玉米輪作系統糧食產量的貢獻率逐年提高，冬小麥的氮肥貢獻率由最初的60%～65%提高到2015年的66%～69%，夏玉米的氮肥貢獻率增加量相對更高一些，由最初的30%～38%提高到2015年的43%～57%。

氮肥貢獻率可以反映投入氮肥的生產能力，而氮肥偏生產力和氮肥農學效率可以更具體地反映單位質量的氮肥的糧食產量和糧食增產情況。氮肥偏生產力表示施用的每千克氮肥生產的經濟收獲物總量，反映單位施肥量在當地環境下生產作物產量的能力。氮肥農學效率表示施用每千克氮肥所生產的經濟收獲物，反映了單位氮肥量增加作物產量的能力[20]，指作物施氮肥后增加的產量與施氮肥量的比值[18-19]。

對于冬小麥來講，氮肥偏生產力為33～38 kg/kg，秋施基肥有機替代的施肥措施沒有降低氮肥的偏生產力，反而略有增加，只是差異沒有達到顯著水平。夏玉米的氮素偏生產力高于冬小麥，在32～48 kg/kg，且隨著試驗年限的增加，秋施基肥有機態氮替代的優勢越明顯，2014年秋施基肥全有機態氮替代的氮肥偏生產力比零有機替代處理高13 kg/kg。

表4 不同施肥處理下冬小麥、夏玉米氮肥偏生產力 (kg/kg)

注：不同小寫字母表示不同處理氮肥偏生產力在5%水平上差異顯著。

在冬小麥-夏玉米輪作系統中，氮素農學效率對冬小麥、夏玉米的影響與氮素偏生產力不同。在氮素偏生產力中，夏玉米高于冬小麥，而在氮素農學效率方面則表現出冬小麥高于夏玉米的趨勢。不同施肥處理下冬小麥的氮肥農學效率差異不明顯，而夏玉米的氮肥農學效率的差異較大，秋施基肥有機態氮替代處理的氮肥農學效率高于零有機態氮替代處理，且隨著有機態氮素替代的比例增加氮肥農學效率逐漸提高。

表5 不同施肥處理下冬小麥、夏玉米氮肥農學效率 (kg/kg)

注：不同小寫字母表示不同處理氮肥農學效率在5%水平上差異顯著。

2.3 有機態氮替代對土壤pH值、有機質和氮養分的影響

在農田管理措施中，施肥因素是影響土壤理化性狀的重要因素。經過5年的施肥處理，秋施基肥有機態氮替代化肥態氮，土壤的酸堿性狀、有機質和養分含量發生了變化。與不施肥的對照處理相比，所有的施肥處理pH值均有不同程度的降低，其中M50C50與M100C0處理的pH值下降不顯著，M0C100與M20C80處理的pH值下降顯著，M0C100處理的pH值最低，為8.10。

表6 不同施肥處理下土壤pH值、有機質及養分含量

注：不同小寫字母表示不同施肥處理指標在5%水平上差異顯著。

所有的施肥處理(包括零有機態氮替代，少量有機態氮替代，半量有機態氮替代以及全量有機態氮替代)與不施肥對照處理(CK)相比，除M0C100處理與CK處理的全氮含量差異不顯著外，其他處理的土壤有機質含量及全氮含量均有了很大的提高，達到顯著差異水平，且土壤有機質與土壤全氮含量隨著有機態氮替代量的增加呈現出升高的趨勢。

3 討論

有研究學者指出產量主要受養分投入量多少的影響，至于養分是以何種狀態進入到農田生態系統，是有機態還是無機態影響不大[21]，本研究與其結果不同。在等氮處理的前提下，有機無機肥料配施可提高冬小麥-夏玉米輪作系統的糧食產量。王小明等[22]的研究就證明了這一點，其結果顯示，有機無機施氮模式能提高冬小麥和夏玉米子粒產量，同時還能夠提高氮肥利用率，其原因是，有機無機肥料配施能協調養分平衡供應，有機肥肥效長，能夠提高土壤肥力，作為作物的儲備養分庫，化肥見效快，能夠及時補充作物生長所需要的養分，進而滿足作物整個生育期的養分需求，提高作物產量，同時還能夠適當減少化肥用量[9，23]，提高養分利用率[24]。本研究在前人有機無機肥料配施的基礎上，結合生產實際，針對秋施基肥進行了有機態氮替代化肥態氮的試驗研究，研究結果表明，在秋施基肥不同比例有機態氮替代情況下，當季作物(冬小麥)的糧食產量不僅沒有降低，反而得到了小幅提高。秋施基肥有機態氮替代影響了后茬作物糧食產量[25]，后茬作物(夏玉米)的糧食產量有了顯著提高，其中，全有機態氮替代處理的夏玉米產量最高。

秋施基肥有機態氮替代不僅能夠提高冬小麥-夏玉米輪作系統的糧食產量，同時還提高了肥料利用率。結果顯示，秋施基肥有機態氮替代處理的冬小麥肥料增產率最高，其范圍是156%～218%；全有機態氮替代處理的夏玉米肥料增產率最高，為63%～133%，隨著試驗年限的增加，夏玉米的增產率逐年增長，同時肥料貢獻率也在逐年提高，全有機態氮替代處理的肥料貢獻率由最初的38%增加到2015年的57%。肥料偏生產力是一個表征肥料經濟效益的指標，不同施肥處理的冬小麥肥料偏生產力差異不明顯，主要集中在33～37 kg/kg；不同施肥處理的夏玉米肥料偏生產力差異顯著，有機態氮替代優勢明顯，2014年數據結果表明，全有機態氮替代處理的夏玉米偏生產力為48 kg/kg，比零有機態氮替代處理高出13 kg/kg。

在秋施基肥有機態氮替代措施下，土壤肥力水平的提高是提高糧食產量和肥料利用率的根本原因。在養分水平上，秋施基肥有機態氮替代顯著提高了土壤有機質、全氮的含量；在土壤環境方面，秋施基肥有機態氮替代減緩了因施化肥帶來的土壤pH值的降低。

4 結論

本研究在冬小麥-夏玉米輪作系統中，采用秋施基肥不同比例有機態氮替代化肥態氮，5年來，與零有機態氮處理相比，不同比例的有機態氮替代處理的冬小麥產量沒有降低，反而略有升高，但差異不顯著；夏玉米產量變化明顯，全有機態氮替代處理夏玉米產量最高，2015年數據表明，全有機態氮替代處理比零有機態替代處理夏玉米產量高2 000 kg/hm2。在肥料利用率方面，全有機態氮替代處理的夏玉米偏生產力為48 kg/kg，比零有機態氮替代處理高13 kg/kg，隨著試驗年限的增加，夏玉米的肥料貢獻率、肥料偏生產力和肥料農學效率逐年增加。在土壤肥力水平方面，秋施基肥有機態氮替代技術提高了土壤的養分含量，并能減緩土壤酸化的進程。

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