化肥有機替代對河南冬小麥氮素利用效率的影響

杜君，劉杰，楊占平*，孫克剛，和愛玲，張運紅，楊煥煥

(1.河南省農業科學院植物營養與資源環境研究所 河南省農業生態與環境重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.北京農學院 植物科學技術學院，北京 102206)

施肥對作物的產量有重大的影響，而化肥是現代農業生產投入中的重要因素[1-2]。據FAO統計，化肥對糧食產量的貢獻率達50%左右[3]。近年來我國化肥施用量每年增長2.8%，2014年我國化肥施用量達358 kg·hm-2，是世界平均水平的3.9倍?；视昧康牟粩嗵岣吆兔つ渴┯茫粌H導致氮肥利用率下降，而且還導致土壤酸化、土壤板結和土壤污染等一系列與土壤質量及農業環境質量有關的問題日益凸現[4-8]。同時，隨著畜禽規模養殖業的快速發展，畜禽養殖污染成為我國農業面源污染的主要來源[9-13]。據統計，我國每年產生約38億t畜禽糞便，大量集中產生的畜禽養殖污染，給生態環境造成了嚴重破壞。推進畜禽糞污等農業廢棄物資源化利用，研究農田施肥有機替代化肥，合理增施有機肥，既可將畜禽糞便和作物秸稈變廢為寶，又能改善土壤結構與理化性質，提高作物產量和品質[14-17]。

對于小麥氮素積累與運轉以及氮肥利用率，前人已從肥料種類和氮肥運籌等方面進行了大量研究[18-19]。如研究發現，隨施氮量的增加，小麥營養器官的氮素運轉率顯著提高，但過量施用氮肥則不利于小麥干物質累積和氮肥利用率的提高[20-21]。對于有機替代化肥對小麥氮素利用效率的影響研究報道較少，還需進一步系統研究和綜合評價。本研究通過有機替代化肥，研究冬小麥對氮肥的表觀利用率、殘留和損失量的影響，旨為探討研究區更適宜的有機替代化肥比例，為促進氮肥高效利用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗于2017年10月至2018年6月在河南省新鄉縣翟坡鎮進行。土壤屬中壤質潮土，容重 1.30 g·cm-3，pH 7.5，有機質 16.5 g·kg-1，全氮 1.02 g·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效鉀262 mg·kg-1。

供試肥料尿素(N，46.2%)，過磷酸鈣(P2O5，12%)，氯化鉀(K2O，60%)，普通復合肥(N，P2O5，K2O含量分別為25%，13%，7%)，炭基有機肥(有機質46%，N含量1.5%)，腐植酸有機肥(腐植酸含量≥30%，N含量2.3%)和生物有機肥(有機質≥45%，N含量1.8%，有效活菌數≥0.2億·g-1)。供試小麥品種為新麥26。

1.2 處理設計

在施氮量為180 kg·hm-2水平下設置不施氮對照(CK)，普通復合肥全量，腐植酸有機肥+有機替代20%，炭基有機肥+有機替代20%和生物有機肥+有機替代20%等5個處理。小區面積20 m2(4 m×5 m)，重復3次，隨機區組排列。氮肥基追比為6∶4，在小麥返青期追肥。磷肥(P2O5)90 kg·hm-2和鉀肥(K2O)60 kg·hm-2全部作基肥施入。其他田間管理按常規措施進行。

1.3 采樣與測定方法

小麥成熟后，每小區選取1 m2小麥全部收割，脫粒后分別計產。按常規分析方法測定秸稈和籽粒中的全氮含量。籽粒和秸稈樣品用硫酸-過氧化氫消煮，用凱氏定氮法測氮含量。

氮肥表觀利用率(U利用)以肥力差法表示：

U利用=N-NCK；

式中N為施肥處理植株全氮，NCK為對照處理植株全氮。

氮肥表觀殘留率(R殘留)以0～100 cm土壤累積殘留氮表示：

U殘留=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

式中N后為收獲后土壤總氮，N前為種植前土壤總氮，NCK后為收獲后對照處理土壤總氮，NCK前為種植前對照處理土壤總氮。

V損失=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

氮肥表觀氣態損失率(G損失率)和氮肥表觀氣態損失量(G損失量)：

G損失率=1-利用率-殘留率-淋溶損失率；

G損失率=G損失率×施氮量。

2 結果與分析

2.1 氮肥利用效率

表1表明，在相同施氮水平下，氮肥表觀利用率，腐殖酸有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高24.3%，其次是微生物有機肥處理，比普通化肥全量處理提高了12.2%，而炭基有機肥處理與微生物有機肥處理之間無顯著差異，且炭基有機肥處理與普通化肥處理之間差異也不顯著；氮肥農學效率3個有機替代處理也均高于普通化肥全量處理，但3個處理間差異不顯著；氮肥偏生產力3個有機替代處理均與普通化肥全量處理無顯著差異。氮肥生理利用率3個有機替代處理均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基肥有機替代處理最高，為36.86 kg·kg-1。

表1 不同施肥處理氮肥利用率表現

2.2 氮肥表觀殘留率

從表2來看，在相同施氮量下有機替代20%的3個有機肥處理，其氮肥表觀殘留量均顯著高于普通復合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高27.4%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別比普通化肥全量處理提高20.5%和15.8%。結果表明施用有機肥可顯著提高土壤中的氮肥殘留量，能較施用無機肥表現出更好的后茬效應。

表2 不同施肥處理氮肥表觀殘留表現

2.3 氮肥表觀淋溶損失率

從表3來看，3個有機肥處理的氮肥表觀淋溶損失量均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最低，為32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低23.3%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低18.0%和13.2%。這說明在有機替代20%條件下，能顯著降低氮肥表觀淋溶損失量，平均降低13.2%～23.3%。

表3 不同施肥處理氮肥表觀淋溶損失表現

2.4 氮肥表觀氣態損失率

從表4結果分析，有機替代20%的3個處理，其氮肥表觀氣態損失量均顯著低于普通復合肥全量處理。其中，腐植酸有機肥處理最低，氣態損失量為16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低51.6%；其次是炭基有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為23.06和24.80 kg·hm-2，分別降低33.9%和28.9%。這說明在有機替代20%條件下，能顯著降低氮肥表觀氣態損失量，平均降低28.9%～51.6%。

表4 不同施肥處理氮肥表觀氣態損失表現

3 小結與討論

在相同施氮水平下，與普通化肥全量處理相比，3個有機替代處理的氮肥表觀利用率顯著提高，其中，腐殖酸有機肥替代處理最高，比對照處理提高24.3%，其次是微生物有機肥替代處理，氮肥農學效率也均顯著高于普通化肥全量處理；氮肥偏生產力均與普通化肥全量處理無顯著差異；氮肥生理利用率均顯著低于普通化肥全量處理，其中，炭基肥有機肥替代處理較高，為36.86 kg·kg-1。

有機替代20%處理能顯著提高氮肥表觀殘留量。3個有機肥處理的氮肥表觀殘留量均顯著高于普通復合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最高，比普通化肥全量處理提高27.4%，其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別比普通化肥全量處理提高20.5%和15.8%。有機替代能顯著降低氮肥表觀淋溶損失量。3個有機肥處理的氮肥表觀淋溶損失量均顯著低于普通復合肥全量處理，其中，炭基有機肥處理最低，為32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低23.3%；其次是腐殖酸有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低18.0%和13.2%。有機替代能顯著降低氮肥表觀氣態損失量。3個有機肥處理的氮肥表觀氣態損失量均顯著低于普通化肥處理，其中，腐植酸有機肥處理最低，為16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量處理降低51.6%；其次是炭基有機肥處理和微生物有機肥處理，分別為23.06和24.80 kg·hm-2，比普通化肥全量處理分別降低33.9%和28.9%。

當前我國化肥施用普遍存在施用量過大、盲目施肥及施肥量不均衡、施用結構不均衡和施肥方式不完善等突出問題，導致化肥利用效率普遍較低以及生態環境負荷增加。肥料利用率的提高是決定化肥增產效果的主要因素，一般認為，施肥量越大，肥料利用率越小。前人研究[22-23]也表明，隨著施氮量增加氮肥利用率反而遞減，在低施氮水平下單施尿素可有效提高肥料利用率，而在高氮水平下單施化肥其利用率會降低。由于有機肥的特性，單施有機肥其表觀肥料利用率最低?；视袡C替代就是用有機肥替代一部分化肥用量，這不僅可提高化肥利用率、減少土壤養分固定，更重要的是可提高土壤肥力、減少化肥的環境負荷[24]。本研究所選的3種有機肥部分替代化肥不但能顯著提高氮肥表觀利用率，還提高了氮肥表觀殘留量。前人研究[25-27]表明，氮素可存留于土壤中，對后季作物貢獻較大，可一定程度上提高肥料利用率。有研究表明化肥配施有機肥處理的淋溶損失量低于單施化肥處理[28-29]，這也與本研究結果相符。

本研究結果表明，單施化肥處理以及有機替代20%的3個有機肥處理，其氮肥表觀利用率為30.4%～37.8%，平均33.7%。殘留于土壤中的肥料氮占施氮量的26.6%～36.7%，平均32.1%。損失途徑中淋溶損失占施氮量的18.1%～23.6%，平均20.4%；氣態損失占肥料施氮量的9.4%～19.4%，平均13.8%。分析可知，氮肥施入土壤后，能被當季作物利用的僅占1/3，而以各種途徑損失以及殘留于土壤的量占2/3，這也與前人研究結果相似[30]。另有研究表明[31]，肥料施入土壤中大約會有30%～50%經土壤淋溶進入地下水而損失，本研究結果較此研究低。