有機物料還田和減施氮肥對小麥氮素利用及經濟效益的影響

李春喜，劉 晴，邵 云，馬守臣，李斯斯，李曉波， 翁正鵬

(1.河南師范大學生命科學學院，河南 新鄉 453007；2.河南理工大學測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

我國是世界上最大的肥料生產國與消費國，農業生產上肥料的不合理施用嚴重制約著我國農業的可持續發展，因此如何協調農業生產中的增產增收與節能減污是目前國內外學者的研究熱點[1]。有機肥是在當前由于化肥過量施用造成土壤微生物活性降低、土壤養分失調等環境污染的大背景下被逐漸重視起來的，是農業可持續發展的重要組成部分[2]。施用有機肥可以充分改善土壤物理性質，維持土壤養分平衡，優化土壤微生物群落的結構組成，最終增加作物產量[3-4]。施用有機肥是我國農業種植中的優良傳統，但有機肥肥效較慢，肥料中的氮素當季利用率低，而化肥效果快速且顯著，因此將有機肥與化肥配施成為國內外研究的熱點[5-7]。大量研究表明，有機肥與化肥配施可以顯著增加作物產量，改良農田土壤質量，如謝軍等[8]在用雞糞替代部分化肥的研究中得出，有機肥替代部分化肥能夠顯著增加玉米經濟產量和生物產量，促進玉米對氮素的吸收和氮素向籽粒的轉運。趙軍等[9]研究表明，豬糞替代部分化肥能夠提高作物產量，是一種具有培育高產土壤微生物區系潛力的施肥措施。龍攀等[10]選用酒渣、沼渣、菌渣、豬糞和農田秸稈共5種有機物料配施等量無機肥，研究有機肥與無機肥配施對農田土壤性質的影響，結果表明，與單施化肥相比，有機肥與無機肥配施可以顯著提高土壤有機碳及土壤微生物量碳。

前人對于有機肥替代部分化肥的研究大多只采用單種有機物料還田，或采用多種有機物料時未設置不同的配施無機氮肥梯度。本試驗在秸稈還田、秸稈+牛糞還田、秸稈+菌渣還田3種有機物料還田措施的基礎上，耦合減施氮肥10%、20%、30%三個施氮水平，在8年定位試驗的基礎上，研究長期有機物料還田并減施氮肥對小麥氮素利用效率及經濟效益的影響，旨在為優化整合利用氮肥及有機肥源，尋找合理的培肥措施提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年10月—2018年6月在河南省獲嘉縣照鏡鎮前李村(113°39′E，35°9′N)進行。試驗田土壤為黏壤土，試驗前取0～20 cm土層土壤樣品及秸稈、菌渣、牛糞樣品，自然風干后測定其基本理化性質(表1)。

表1 播前土壤和有機物料的養分含量

1.2 試驗設計

試驗采用裂區設計，以單施純氮270 kg·hm-2為對照(CK)，有機肥為主區，設J(秸稈全量還田，4 200 kg·hm-2)、JF(秸稈全量還田+牛糞，牛糞45 m3·hm-2)、JZ(秸稈全量還田+菌渣，菌渣60 m3·hm-2)3種有機物料還田方式；施氮量為副區，設N1(純氮243 kg·hm-2，較CK減量10%)、N2(純氮216 kg·hm-2，較CK減量20%)、N3(純氮189 kg·hm-2，較CK減量30%)3個施氮水平，共計10個處理。每小區面積5 m×6 m=30 m2，3次重復。

CK底施純氮162 kg·hm-2，N1～N3處理分別底施純氮135、108 kg·hm-2和81 kg·hm-2，同時各處理均底施K2O 180 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、硫肥60 kg·hm-2、ZnSO422.5 kg·hm-2，第二年拔節期追施純氮108 kg·hm-2。

小麥播期為2017年10月15日，供試品種為“百農矮抗58”，播量為187.5 kg·hm-2，于2018年6月1日收獲，期間田間管理措施同高產田。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 成熟期于每個小區隨機選取生長一致的單莖30株，植株鮮樣于105℃殺青30 min后，85℃烘干至恒重，計算地上部干物質。植株干樣用萬能粉碎機粉碎后，用硒粉-硫酸銅-濃硫酸消煮分解，消煮液使用連續流動分析儀(AA3，德國)測定氮素含量[11]。

1.3.2 產量測定 每小區選取3個1 m2面積將穗剪下脫粒，稱重，并選取3個1 m單行小麥植株考察群體數。

1.4 數據處理

各指標計算公式為：

植株總氮素積累量(TNAA, kg·hm-2)=成熟期單株干重(kg)×成熟期單株含氮量(g·kg-1)×種植密度(株·hm-2)/1000

氮素利用效率(NUE， kg·kg-1)=籽粒產量(kg·hm-2)/植株總氮素積累量

氮素偏生產力(NPFP, kg·kg-1)=籽粒產量/施入氮量(kg·hm-2)[12]

利用市場價值法，以農產品的凈增加值表示各處理提供的農產品經濟效益：

經濟效益=籽粒產量×市場價格-生產成本[13]

其中，生產成本=機械投入+勞動成本+生產資料(農藥+種子+化肥)投入，小麥價格為2.4元·kg-1，種子價格為4.5元·kg-1，尿素為3.9元·kg-1，K2O為5元·kg-1，P2O5為5元·kg-1，ZnSO4為10元·kg-1。

從經濟效益中減去施用化肥所引起的氮素揮發而帶來的環境污染消費，即為考慮環境成本的凈經濟效益[14]：

凈經濟效益=經濟效益-環境成本

其中，環境成本=NH3揮發的環境成本+NOX排放的環境成本+N2O排放的環境成本+N淋溶的環境成本。NH3揮發、NOX排放、N2O排放、N淋溶的環境成本采用表2的模型[14]計算。

采用Excel 2016和SPSS 22.0進行數據處理。

表2 氮損失計算公式及環境成本

2 結果與分析

2.1 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥產量及其構成因素的影響

由表3可知，有機物料還田各處理均能不同程度提高小麥產量，不同有機物料處理下小麥產量表現為JZ>JF>J>CK，較CK增加了1.90%～69.64%。JZ條件下，不同施氮水平小麥產量表現為JZN1>JZN2>JZN3，即秸稈還田+菌渣處理下，隨著配施氮量的增加，小麥產量呈上升趨勢，可能是由于長期施加菌渣改良了麥田土壤質量，增加了麥田所能利用的最大氮量；JF條件下，JFN3處理顯著高于JFN2與JFN1處理，且各施氮水平均顯著高于CK，各施氮水平下小麥產量較CK增加了19.52%～31.35%，說明秸稈還田+牛糞處理下，隨著施氮量的增加，小麥產量呈下降趨勢；J條件下，JN2>JN1>JN3>CK，較CK分別增加了31.76%、16.98%、1.90%，即秸稈還田處理下，N2水平對小麥產量的增加效果最為顯著，說明秸稈還田處理下，配施氮量過高或過低均不利于小麥產量最大限度增加。

從產量結構上分析，各處理的公頃穗數表現為JZ>JF>J>CK，小穗數表現為JF>JZ>J>CK，穗粒數表現為JZ>J>JF>CK。JZ條件下，小麥的公頃穗數、小穗數、穗粒數均在N1水平達到最大，與產量結果一致，說明JZN1處理通過顯著增加小麥公頃穗數、小穗數、穗粒數來提升小麥產量；JF條件下，N1水平時小麥的公頃穗數與穗粒數達到最大，小穗數在N2水平時最大；J條件下，小麥的小穗數與穗粒數在N2水平時達到最大值，公頃穗數在N3水平時最大。有機物料還田各處理的千粒重均顯著低于單施化肥處理，即與單施化肥相比，有機物料還田處理并不能有效增加小麥的千粒重。綜上所述，有機物料還田處理主要通過提高小麥的公頃穗數和穗粒數來提高小麥的產量。

2.2 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥氮素積累及利用的影響

2.2.1 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥植株地上部全氮及總氮素積累的影響 由圖1可知，小麥植株地上部全氮含量表現為JF>J>CK>JZ，即與單施化肥相比，秸稈還田+牛糞處理最有利于小麥植株地上部全氮含量的增加。JF條件下，僅N2水平的植株全氮含量顯著高于CK，N1與N3水平均與CK無顯著差異，說明秸稈還田+牛糞處理下，N2水平最有利于小麥植株地上部全氮含量的增加；J條件下，各施氮水平植株全氮含量表現為JN1>JN3>JN2，但均與CK無顯著差異；JZ條件下，各施氮水平間無顯著差異，且均與CK無顯著差異，說明與單施化肥相比，秸稈還田與秸稈還田+菌渣處理均不能有效增加小麥植株地上部全氮含量。

由圖2可知，不同有機物料處理下小麥植株地上部的總氮素積累整體表現為JF>JZ>J>CK。JF條件下，最高的JFN2處理較CK增加了58.82%，最有利于小麥植株地上部總氮素積累，JFN3與JFN1處理分別較CK增加了15.39%和3.7%；JZ條件下，各施氮水平均顯著高于CK，表現為JZN1>JZN3>JZN2>CK，較CK增加了22.71%～25.88%，說明秸稈還田+菌渣處理能夠很好地增加小麥植株地上部總氮素積累量；J條件下，JN1處理顯著高于CK，JN2、JN3處理顯著低于CK，說明僅秸稈還田時，N2、N3水平不能有效地增加小麥植株地上部總氮素積累。綜上所述，有機物料還田處理雖然不能有效增加小麥植株全氮含量，但可以顯著增加小麥植株總氮素積累量，且以JFN2處理的增加效果最顯著。

2.2.2 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥氮素利用的影響 植株的氮素利用效率與植株的產量及總氮素積累量密切相關。由圖3可知，不同有機物料還田處理下植株氮素利用效率表現為J>JZ>JF>CK。J條件下，JN2>JN3>JN1，JN1處理的植株氮素利用效率顯著低于CK，可能是由于JN1處理下小麥植株總氮素積累量較高，小麥植株的營養生長過于旺盛而影響了籽粒的積累；JZ條件下，各施氮水平氮素利用效率表現為JZN1>JZN2>JZN3，與產量趨勢一致，即隨著配施氮量的增加，小麥氮素利用效率也增加；JF條件下，JFN1與JFN3處理無顯著差異，僅植株總氮素積累量最高的JFN2處理顯著低于CK。

有機物料還田配施氮肥能夠顯著增加小麥的氮素偏生產力，各處理下小麥的氮素偏生產力均顯著高于CK，整體表現為JZ>JF>J>CK。JZ條件下，JZN1>JZN3>JZN2，較CK分別增加了88.49%、82.24%和63.48%，說明秸稈還田+菌渣處理可以顯著增加小麥的氮素偏生產力，且以N1水平最佳；JF條件下，氮素偏生產力表現為JFN3>JFN2>JFN1>CK，即秸稈還田+牛糞處理下，隨著配施氮量的增加，小麥的氮素偏生產力降低；J條件下，JN2>JN3>JN1，較CK增加了29.98%～64.70%，即秸稈還田處理的N2水平最有利于增加小麥的氮素偏生產力。

表3 各處理下小麥產量及其構成因素

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。Notes: The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)， the same below.圖1 各處理下小麥地上部植株全氮Fig.1 Total nitrogen of wheat above-ground plant with different treatments

圖2 各處理下小麥地上部總氮素積累Fig.2 Total N accumulation of wheat above-ground plant with different treatments

2.3 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥經濟效益及凈經濟效益的影響

由表4可知，不同有機物料處理下的經濟效益表現為JZ>J>JF>CK。JZ條件下，JZN1>JZN2>JZN3，表現出與產量相同的趨勢，隨著施氮量的增加，經濟效益逐漸增加；J條件下，JN2>JN1>JN3，N2水平下經濟效益最高，較CK增加了59.35%；JF條件下，由于生產成本較高，因此雖然JF處理的產量高于J處理，但其經濟效益低于J處理，隨著施氮量的增加，經濟效益逐漸減少，與產量趨勢一致。由于化肥、有機肥的成本投入存在差異，各處理的生產資料均不相同，表現為JF>JZ>CK>J。JF與JZ處理存在有機肥成本問題，因而生產資料較高，CK由于施用無機化肥較多，所以生產資料略高于J處理。有機肥的施用伴隨著機械投入及人工勞動成本的增加，故而各有機物料還田處理生產成本均高于對照。

凈經濟效益是指從經濟效益中減去施用化肥所引起的氮素揮發而帶來的環境污染消費，具有一定的環境友好性。如表4所示，不同有機物料處理下的凈經濟效益表現為JZ>J>JF>CK，與經濟效益表現出相同的趨勢。JZ條件下，JZN1>JZN2>JZN3，雖然隨著施氮量的增加，環境成本也增加，但環境成本的增幅遠小于經濟效益的增幅，因此隨著施氮量的增加，麥田的凈經濟效益呈增加趨勢；J條件下，JN2>JN1>JN3，各施氮水平間差異顯著，分別較CK增加了96.35%、47.83%和14.89%；JF條件下，JFN3>JFN2>JFN1，隨著施氮量的減少，環境成本降低而經濟效益增加，故JF處理下，隨著施氮量的減少，凈經濟效益增加。

圖3 各處理下小麥氮素利用效率及氮素偏生產力Fig.3 The N utilization efficiency and N partial factor productivity with different treatments

表4 各處理下麥田經濟效益及凈經濟效益

3 討 論

3.1 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥產量的影響

相關研究表明，有機肥與無機肥配施可以調節土壤營養環境，提高土壤保水性和保肥性，增加土壤養分的有效性，降低土壤酸度，最終提高作物產量[15]。孫寧科等[16]認為，有機肥與無機肥長期配施能夠增加作物的產量及產量穩定性。謝軍等[8]的研究表明，有機肥氮替代50%的化肥氮能夠明顯增加玉米的產量。有機肥氮替代化肥氮之所以能夠增產，可能是由于其能夠改善土壤中氮素的供應過程，使土壤養分能夠平穩釋放[17-18]。以上研究與本研究結果一致，在本研究中，有機物料還田下減施氮肥能夠顯著增加小麥的產量，不同有機物料下小麥的產量表現為JZ>JF>J>CK，JZN1處理與CK相比增加了69.64%，增產效果最為顯著。JZ條件下，N1水平時小麥產量最高；JF條件下，N3水平時小麥產量最高；J條件下，N2水平時小麥產量最高。可能是由于秸稈中含有大量的養分，N1與N3水平對于秸稈還田處理來說，氮肥施用量過高或過低，而N2水平較為合適，能夠更好的促進小麥增產；JZ條件下，由于菌渣中存在大量的微生物，可以加速有機物料的分解，增加土壤酶的活性，增加作物對氮的積累及利用，因此在N1水平下產量達到最高[19-20]；JF條件下，牛糞中也存在大量的微生物，能夠有效改良土壤狀況，但牛糞中氮的含量是菌渣中的3.3倍，因此氮投入量較JZ大大增加，故在N3水平時產量達到最高。

3.2 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥氮素利用的影響

有機肥配施氮肥可以提高土壤含氮量，使小麥吸收的有效氮相對提高，增加小麥植株氮含量[21-22]。高洪軍等[23]研究表明，有機肥與化肥配施能夠提高作物的氮素積累量、偏生產力和氮收獲指數。張廣凱等[24]的研究表明，豬糞配施尿素能夠增加作物的氮素積累及氮素利用，有機肥與氮肥配施可以提高作物對氮素的吸收率，這可能是由于有機肥與氮肥配施改善了土壤的氮素供應特性，促進了作物對氮素的吸收。本研究結果表明，長期不同施肥模式下小麥的植株總氮素積累表現為JF>JZ>J>CK，與前人研究結果基本一致。植株的氮素利用效率表現為J>JZ>JF，與植株總氮素積累相反，可能是由于隨著有機肥施用量的增加，土壤的有機碳含量及碳氮比增加，分解有機碳所用的氮的量也在增加，從而發生與作物爭氮的現象，影響作物對氮的吸收[25]。此外，大量研究結果也表明，有機肥處理下減施氮肥能夠提高作物氮素吸收及積累[26-29]，本研究也表明有機肥處理下減施氮肥能夠明顯增加小麥的植株氮素積累、氮素利用及氮素偏生產力，從而增加小麥的產量，這與陳志龍等[30]的研究結果一致。

3.3 不同有機物料還田下減施氮肥對小麥經濟效益、凈經濟效益的影響

諸多研究表明，施用有機肥可以提高多種作物的產量及經濟效益。王曉娟等[31]在旱地施有機肥對土壤水分和玉米經濟效益影響的研究中發現，施用雞糞可以明顯改善農田土壤水分狀況、顯著提高玉米的產量及經濟效益。彭廷等[32]的研究表明，有機肥的種類不同對水稻產量的影響也不同，但均能提高水稻的產量及經濟效益，施用沼液對水稻經濟效益的提升效果最顯著。本研究結果表明，秸稈還田+菌渣處理比單施化肥處理的經濟效益提高了39.65%～123.49%，對麥田經濟效益的提升最為顯著，與前人的研究結果相符。經濟效益與麥田的產量和施肥投入有關，本研究中，產量表現為JZ>JF>J，但由于菌渣和牛糞的價格與運輸成本均較高，故秸稈還田+牛糞處理的經濟效益反而低于秸稈還田處理，而秸稈還田+菌渣處理產量較高，因此減去生產成本后仍居首位。

凈經濟效益是指從經濟效益中減去施加尿素所引起的氮素揮發而帶來的環境污染，此處的氮素揮發包括氨揮發、NOX揮發、NO2揮發、氮淋溶，這些氮素揮發所帶來的環境費用包括：對生態系統的損害、對人類健康的損害、對溫室效應的影響3個方面，本文中的環境費用是這3項的和[33-35]。本研究中，各有機物料還田處理下，環境成本均表現為CK>N1>N2>N3，去除環境成本后的凈經濟效益表現為JZ>J>JF，秸稈還田+菌渣處理下，N1水平雖然對環境不太友好，但其增產效應明顯，因此JZN1處理的凈經濟效益最大。將環境因素考慮在內時，JFN3處理雖然凈經濟效益不是最高，但僅低于JZN1處理，因此JFN3處理既可以顯著增加麥田的經濟效益，又表現出了環境友好性。

4 結 論

與單施化肥相比，長期有機物料還田可以有效提高小麥的氮素利用效率，增加小麥的產量、經濟效益及凈經濟效益。JZ處理對小麥產量的提高最為顯著，其次為JF，最后為J。JZ條件下，N1水平的小麥產量、經濟效益、凈經濟效益最高；JF條件下，N3水平對小麥的增產作用最為顯著，且經濟效益和凈經濟效益最高；J條件下，N2水平的小麥產量最高，經濟效益及凈經濟效益達到最大。綜上所述，JZN1處理可以實現產量及經濟效益的最大化，而JFN3處理既可以保證經濟效益的提高，又對環境友好，因此建議豫北地區在減施純氮30%的前提下，采用秸稈+牛糞的有機物料還田方式。