小麥產量與土壤養分對水生植物源有機氮替代率的響應*

陶玥玥 王海候 金梅娟 施林林 董林林 陸長嬰 沈明星

（江蘇太湖地區農業科學研究所/農業部蘇州水稻土生態環境重點野外科學觀測試驗站，江蘇蘇州 215155）

環太湖地區是我國重要的稻麥輪作區，長期以來持續過量化學氮肥施用不僅造成該地區氮肥肥效過低，也帶來嚴重的環境污染問題，如地下水硝酸鹽污染、地表水富營養化和土壤酸化等［1-3］。有研究表明：麥季不同深度地下水硝態氮濃度遠高于稻季［2］。麥季過量施用氮肥已越來越多地受到人們的關注［1,4-5］。如何保證糧食產量合理穩定增長的同時，減少化肥過量施用帶來的不良影響，具有重要的現實意義［6］。配施一定數量有機肥不僅降低了化學氮肥施用量，提高了肥料利用率，還可增加土壤肥力［7-9］。Abbasi和Tahir［10］在巴基斯坦的研究發現：以有機肥代替25%的氮肥可以保證小麥穩產，并利于氮素吸收。然而，有機肥替代化肥對作物和土壤的作用效應因替代比例、作物系統、土壤質地及肥力、氣候以及試驗年限存在顯著的差異［11］。目前大部分研究針對畜禽糞便源有機肥，較少針對水生植物源有機肥。

環太湖地區水體及集約化水產養殖產生大量水生植物殘體，若后期處理不當易造成二次污染，嚴重影響生態環境。作為水生植物殘體無害化的重要途徑，高溫堆肥發酵可消除其對環境的污染和生態的破壞，從而促進生態協調發展［12-13］。水生植物生長過程中富集了大量植物生長所需營養元素，也是良好的有機肥源，其農田施用可形成良好的物質循環利用的生態種養結合模式，對于實現我國化肥施用量零增長具有重要意義。水生植物堆肥替代部分化學氮肥可優化水稻產量構成，提高水稻籽粒產量與土壤有機碳含量［13］。然而，水生植物源有機肥與化肥配施在小麥旱地上的產量效應、養分吸收及土壤養分變化的研究卻鮮見報道?；诖?，本研究在小麥生長季等氮量條件下，研究了水生植物源有機肥和尿素不同全氮配比對小麥產量和土壤養分指標的影響，以期為環太湖地區小麥種植合理施用水生植物有機肥提供指導。本研究不僅對構建環太湖地區水生植物有機肥施肥模式具有重要理論意義，而且對減少水生植物資源浪費、緩解環境污染潛在風險有一定實際價值。

1 材料與方法

1.1 試驗概況與供試材料

試驗地位于江蘇省蘇州市望亭鎮項路村（31°25′ N，120°26′ E），瀕臨太湖，屬于典型亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均溫度約15.7℃，年降水量約1 100 mm，年日照時數在2 000 h以上，年無霜期在230 d以上。土壤屬于太湖地區典型潴育型水稻土，土壤有機質30.6 g·kg-1，全氮 1.76 g·kg-1，有效磷 6.43 mg·kg-1，速效鉀84.8 mg·kg-1，pH為6.3。

供試小麥品種為“揚麥16”。小麥在11月人工條播，行距40 cm，按照262.5 ～ 300 kg·hm-2播種，次年5月底收獲。供試化肥為尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）。供試有機肥采用水生植物伊樂藻（Elodea nuttallii）渣和水稻（Oryza sativa）秸稈，按鮮重4∶1混勻后高溫好氧發酵堆制而成。根據常規農化分析方法［14］測定堆肥成品含水量和干基養分含量，試驗期間麥季養分平均每季養分投入量如表1。

1.2 試驗設計

根據有機氮（以下簡寫“M”）替代尿素氮（以下簡寫“U”）比例，試驗共設6個處理，分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%，分別記為M0U100、M20U80、M40U60、M60U40、M80U20、M100U0。小麥生長季總施氮量均為225 kg·hm-2，每個處理3次重復，隨機區組排列，小區面積為21 m2（7 m×3 m），各小區以埂隔開，并用農膜包被。單一化肥處理下尿素分3次施用，50%作基肥，25%作拔節肥，25%作穗肥；化學磷肥按P2O545 kg·hm-2一次性施入；化學鉀肥按K2O 75 kg·hm-2以基肥與穗肥比例1∶1施入。有機肥均作基肥一次性施用，且有機肥處理均不再施用化學磷鉀肥。

表1 各有機氮替代率下麥季平均養分投入量Table 1 Nutrient input during the wheat growing season relative to organic manure substitution rate

1.3 測定指標與方法

小麥成熟期每小區收割2 m2，帶回實驗室曬干，揚凈稱小麥粒重。各小區隨機調查0.11 m2有效穗數，調查5個重復，并取代表性植株10穴用于測定產量構成因子，包括有效穗數、穗粒數和千粒重。將成熟期植株樣品按秸稈和籽粒分開，105℃下殺青20 min 后繼續在75℃烘至恒定質量，分別測定籽粒和秸稈干物質質量。植株樣品經專用粉碎機（FZ102，泰斯特，天津）粉碎后，過60目篩用于測定籽粒和秸稈氮、磷和鉀含量。植株養分分析方法［14］：經H2SO4-H2O2消煮，采用凱氏定氮法測定氮素含量，采用鉬銻抗比色法測定磷含量，用火焰光度計法測定鉀含量，并分別計算植株籽粒和秸稈氮、磷和鉀的累積量。

2012年試驗開始前和2016年試驗結束后采集0～20 cm深度土壤，用土鉆按“S”形采集土樣，各小區以5個點作1個混合樣品。帶回實驗室自然風干后，粉碎分別過20目和100目篩，按常規農化分析方法［14］測定土壤理化性質：土壤有機碳采用鉻酸氧化法；土壤全氮采用H2SO4-混合催化劑消解—凱氏定氮法；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻比色法；速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度計法；土壤和去離子水按1∶2.5浸提后，用pH計（PB-10，賽多利斯，德國）測定土壤pH。

1.4 數據分析

用Excel 2016進行數據處理，Origin 9.2軟件進行作圖。采用SAS 9.2［15］的廣義線性模型（Generalized linear model）過程進行單因素方差分析。根據下列公式分別計算小麥籽粒與秸稈中養分吸收量指標：

吸氮量（kg·hm-2）= 氮含量（g·kg-1）×干物質量（kg·hm-2）/ 1 000

吸磷量（kg·hm-2）= 磷含量（g·kg-1）×干物質量（kg·hm-2）/ 1 000

吸鉀量（kg·hm-2）= 鉀含量（g·kg-1）×干物質量（kg·hm-2）/ 1 000

2 結 果

2.1 植物源有機氮替代率對小麥籽粒產量的影響

圖1表明，與單施化肥相比，有機氮替代率在20%和40%，小麥4 a累積產量最高（P＜0.05）；60%有機氮替代率下與單施尿素處理相當；有機氮替代率大于等于80%時，累積產量低于單施尿素處理（P＜0.05）。試驗第1年，與單施化肥相比，小麥籽粒產量隨有機氮替代率的增加而逐漸下降，呈顯著線性負相關關系（P ＜ 0.05）。試驗第2～4年，小麥籽粒產量隨著有機氮替代率的增加呈先增后降趨勢，呈顯著一元二次曲線關系（P ＜0.05），且處理間差異逐漸縮小（圖2）。

圖1 有機肥和尿素不同配施比例下小麥4 a累積產量Fig. 1 Cumulative wheat yield of the four-year experiment relative to compost substitution rate

2.2 植物源有機氮替代率對小麥養分吸收的影響

成熟期籽粒氮濃度隨著有機氮替代率的增加而下降：當有機氮替代率大于等于40%時，籽粒氮濃度下降了15.1%～17.9%（P＜0.05）；有機氮替代率大于等于60%時，秸稈氮濃度下降了17.1%～27.9%（P＜0.05，圖3A）。與單施化肥相比，各有機氮替代率下均顯著提高了籽粒的磷鉀濃度，籽粒磷濃度提高了17.2%～38.5%（P＜0.05），籽粒鉀濃度提高了7.3%～16.8%（P＜0.05，圖3B和圖3C）。有機肥與化肥配施處理下秸稈磷鉀濃度與單施化肥處理相當，但單施有機肥下秸稈磷鉀濃度顯著高于單施化肥處理（P＜0.05，圖3B和圖3C）。

成熟期籽粒吸氮量隨著有機氮替代率的增加而下降：當有機氮替代率大于等于60%時，籽粒氮吸收量下降了20.2%～35.8%（P＜0.05），秸稈吸氮量降低了16.7%～43.8%（P＜0.05，圖4A）。小麥籽粒磷、鉀吸收量基本隨著有機氮替代率的增加呈先增后降的趨勢；與單施化肥相比，單施有機肥顯著提高秸稈吸磷量，秸稈吸鉀量各處理間無顯著差異（圖4B和圖4C）。

圖2 各年份有機肥和尿素不同配施比例與小麥籽粒產量的關系Fig. 2 Relationships between wheat grain yield of the experiment and compost substitution rate relative to year

圖3 有機氮不同替代率下小麥籽粒和秸稈氮磷鉀濃度（2014—2016）Fig. 3 NPK concentration in wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

圖4 有機氮不同替代率下小麥籽粒和秸稈氮磷鉀吸收量（2014—2016）Fig. 4 NPK uptake by wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

2.3 植物源有機氮替代率對小麥土壤養分的影響

連續4 a不同比例植物源有機氮替代下，土壤表層全氮含量、有效磷鉀含量和土壤pH均隨著有機氮替代率的增加而增加（表2）。與單一施用化肥處理相比，有機肥替代率大于等于60%時，表層土壤全氮含量提高了20.3%～46.3%（P＜0.05），有效磷含量提高了1.9倍～4.2倍（P＜0.05）；各有機氮替代下表層土壤速效鉀較單施化肥處理提高了0.5倍～3.8倍（P＜0.05）。有機氮替代率大于等于40%時，土壤pH則較單施化肥處理提高了0.4～0.8個單位。

表2 有機氮不同替代率下土壤全氮、有效磷、速效鉀含量和土壤pH（2016，0～20 cm）Table 2 Contents of soil total nitrogen, available P, readily available K and pH relative to compost substitution rate (2016, 0～20 cm)

3 討 論

利用水生植物凈化富營養化水體是一種解決水體污染的有效途徑，然而水生植物殘體再利用障礙已成為該技術推廣難題之一。本研究利用伊樂藻堆肥與化學氮肥配施，探索水生植物源有機肥高效利用模式，為水生植物殘體資源化利用提供理論依據和技術支撐。本文連續4 a研究結果表明：水生植物源有機氮替代率為20%和40%時，小麥累積產量較單施化學氮肥提高了14.0%和13.5%（P＜0.05）。有機氮替代率60%下小麥累積產量則與單施化肥處理相當；當有機氮替代率進一步提高時，小麥產量則顯著降低（圖1）。且有機氮不同替代率下的小麥產量差異隨著試驗年份的累積而逐漸縮?。▓D2）。國內外關于有機肥適宜替代率的研究結果并不相同，但多數研究者認為有機肥所占比例并非越高越好，而是存在最佳比例，這與本文植物源有機肥試驗結果基本表現一致。如邢鵬飛等［16］在華北農田棕壤4 a試驗結果表明，豬糞有機肥替代率為30%，連續4 a小麥產量均與單施化肥相當，有機肥替代率為50%，兩年小麥產量出現降低。呂鳳蓮等［17］在陜西關中塿土2 a試驗結果表明，小麥產量隨著有機肥替代率的增加表現為先增后降的趨勢，但是當有機肥替代率在75%時，小麥產量最高。侯紅乾等［18］在湖南紅壤雙季稻系統25 a試驗表明，30%有機肥替代下開始即能迅速增產，但增產趨勢隨時間的延續先增加再減小，70%有機肥替代處理一開始增產幅度較小，甚至低于化肥處理，但隨著時間的延續增產幅度明顯增加。然而，在環太湖地區稻田配施水生植物有機肥研究表明，試驗第1年僅單施有機肥下水稻產量顯著低于單施化肥，有機氮其他替代率下水稻產量均未受影響；連續施用4 a后全量有機肥下水稻產量也與單施化肥處理相當［13］。研究結果的差異不僅是土壤基礎肥力水平和試驗持續時間差異性造成，還與試驗地點的氣候等環境因素相關［17］。有機肥自身的速效養分含量有限，需要通過微生物礦化分解來釋放養分，而土壤水分和溫度等環境因素又直接影響微生物的生物量和活力等［19］。環太湖地區是水稻高產區，小麥種植季氣候、溫度和水分等完全不同于水稻季，可能引起了有機肥中速效養分釋放較慢，加劇微生物與作物競爭速效養分，進而影響產量［13,19-20］。水生植物有機肥與化肥不同配比下，肥料及土壤養分釋放規律與環境水熱因素的相關性今后需進一步研究。

植株體內氮素水平是決定作物生長和產量形成的關鍵營養元素［21］。當有機氮替代率達到40%后，小麥籽粒和秸稈氮濃度均顯著下降（圖3A），當有機氮替代率達到60%后，小麥籽粒和秸稈吸氮量較單施化肥分別下降了20.2%～35.8%和16.7%～43.8%（P＜0.05，圖4A），間接表明了有機氮替代率過高下小麥生長季內出現氮素不足，進而影響了產量形成。但同時當有機氮替代率達到60%后，耕層土壤全氮含量顯著提高（表2），有機肥與化肥配施對于提高土壤氮素含量具有重要意義，既能快速提高土壤中有效氮的含量，又能長久保存土壤氮素［22］。馬力等［23］研究表明，長期施肥使表層土壤氮素累積量明顯增加，施有機肥處理的0～20 cm 土層含氮量普遍高于施化肥處理。值得注意的是，配施水生植物源有機肥還提高了小麥籽粒的磷、鉀濃度，并隨著有機氮替代率的提高而增加（圖3B和3C）。農田施用曬干水葫蘆可顯著提高水稻各生育期植株磷濃度和氮磷鉀吸收量［24-25］，這與本研究中伊樂藻堆肥試驗結果一致。因此，配施水生植物有機肥還可減少農田化學磷鉀肥的施用。從土壤有效磷鉀養分變化來看，連續4 a配施水生植物有機肥后，表層土壤中有效磷鉀含量均較單施化肥提高，并隨著有機氮替代率的增加而增加（表2）。作為植物源有機肥，水生植物有機肥不僅具有動物源有機肥普遍的優勢，且長期在水體中富集了大量磷鉀等中微量元素［12-13］。另一方面，連續施入有機肥可提高土壤有機質含量，有效提高作物根際土壤有益微生物種群數量和土壤酶活性［26］。大量微生物和腐殖質進入土壤，降低無機磷的固定并促進無機磷的溶解，減少磷鉀固持，從而釋放有效養分［27-28］。這對于目前太湖農區土壤普遍缺鉀及農田磷肥施用過量的問題具有重要意義，同時也需綜合考慮過量有機肥配施后徑流損失等污染問題。此外，長期大量施用化肥也是造成農田土壤酸化的重要原因之一［3］，本研究中隨著有機肥配施量的增加，土壤pH提高，其中，當有機氮替代率達到40%后，土壤pH較單施化肥顯著提高了0.4～0.8個單位（表2），可見配施水生植物有機肥對緩解農田土壤酸化也具有重要意義。

綜上，配施適宜比例的水生植物有機肥不僅能有效維持小麥產量，提高小麥籽粒磷鉀吸收量及土壤氮磷鉀養分含量，還可緩解土壤酸化，從而在持續增產和增強土壤功能方面發揮重要作用，是資源循環利用的有效措施。隨著農業集約化程度提高，農業資源廢棄物的利用技術不斷更新，水生植物有機肥的產業化應用有較大潛力成為有機肥利用的重要方向之一。

4 結 論

水生植物源有機肥替代20%～40%無機肥即能得到較高的產量，有機肥替代超過60%無機肥更能保持土壤肥力。既維持較高作物產量、作物養分利用率和土壤肥力，同時可減少磷鉀肥施用，水生植物源有機氮替代40%無機肥較適宜。今后尚需考慮有機肥不同替代率下農田養分徑流損失等環境問題，以優化水生植物有機肥施用技術。