減量施肥模式對稻麥輪作體系中小麥產量和養分利用效率的影響

熊又升 熊漢鋒 郭衍龍 王海生 劉 威嚴與向 謝媛園 周劍雄 楊立軍

（1湖北省農業科學院植保土肥研究所，430064，湖北武漢；2鄂州職業大學；436000，湖北鄂州；3鄂州市農業科學技術研究所；436000，湖北鄂州；4武漢市農業檢測中心，430023，湖北武漢）

我國糧食連續增產的背后是中國化肥施用量的逐年增高，尤其是氮肥的施用量大幅度提升，過量施用化肥導致肥料利用率偏低[1-2]，不僅造成巨大的經濟損失，而且造成了嚴重的環境污染，危害農產品品質[3-4]，不利于農業可持續發展[5]。因此，大力推進化肥減量提效，積極探索產出高效、資源節約及環境友好的現代農業發展之路是推進農業綠色發展的重要措施。減量施肥正是在此背景下發展起來的養分管理技術，即在保證作物產量穩定的前提下，減少肥料投入，以提高肥料利用率和降低環境污染。研究表明，在水稻－小麥[6]和小麥－玉米[7]等輪作體系中，適量減肥并沒有引起產量顯著變化，且改善了作物品質，提高了肥料利用率和經濟效益，降低了養分的環境損失和污染，達到節肥增效的目的。

冬小麥－中稻輪作制是我國長江中下游地區主要的糧食作物種植制度，該耕作制度比較突出的問題是土壤養分不平衡、肥料利用率低且肥料損失大。因此，研究減量施肥模式對長江中下游稻麥輪作制作物產量和養分利用效率的影響，對于提高農田生產力和保護生態環境等方面具有重要意義。

配施肥料增效劑是減少肥料用量和提高肥料利用率的有效手段之一。不同種類肥料增效劑在玉米[8]、棉花[9]和水稻[10]等作物上的應用已有報道。施用肥料增效劑可以減少肥料用量，簡化施肥方式，降低施肥成本，減輕化肥污染，保護環境[11-12]。受氣候條件和土壤肥力等因素影響，減量施肥效果可能存在很大的區域性差異。為探究不同減量施肥模式在稻麥輪作制生產中的效果，本研究在湖北省鄂州市開展3年定位稻－麥輪作減量施肥田間試驗，研究有機肥替代化肥以及配合施用氮增效劑、磷素活化劑等不同減量施肥模式措施對小麥產量及氮、磷、鉀養分吸收利用的影響，為長江中下游稻麥輪作區高產、低耗、增效提供理論和技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及供試材料

試驗于2017年11月至2020年10月在湖北省鄂州市路口農場進行，該區域屬亞熱帶季風性氣候，年均氣溫17℃，年均日照時數2003.7h，年均降水量1282.8mm，無霜期273d。供試土壤為湖積物母質發育的潮土，土壤質地為壤土。試驗前土壤基本理化性狀為pH 5.76，有機質10.06g/kg，全氮0.90g/kg，全磷0.70g/kg，全鉀17.47g/kg，堿解氮70.86mg/kg，速效磷 4.35mg/kg，速效鉀 55.6mg/kg。

供試肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%），供試有機肥含氮（N）1.08%、磷（P2O5）0.30%、鉀（K2O）4.20%。供試小麥品種為鄭麥9023。

1.2 試驗設計

設置6個處理，分別為不施肥對照（T1，CK）、當地常規施肥（T2）、有機肥與化肥配施（T3）、在T3基礎上減化肥N 20%+氮增效劑（T4）、在T3基礎上減化肥P 20%+磷素活化劑（T5）和在T3基礎上減化肥N 20%、P 20%+氮增效劑+磷素活化劑（T6）。常規施肥處理的氮、磷和鉀用量分別為180、105和120kg/hm2，其中氮肥按基追比7:3分2次施用，磷肥和鉀肥作基肥一次性施入。前作水稻常規施肥處理的氮、磷和鉀用量分別為210、105和135kg/hm2。各處理施肥情況見表1。

表1 稻麥輪作試驗條件下小麥施肥情況Table 1 Different fertilizer application models for rice-wheat cropping experiment kg/hm2

供試有機肥為湖北省鄂州市廣豐生態農業開發有限公司生產，氮增效劑為沈陽中科新型肥料有限公司生產，磷素活化劑為山東蘇柯漢生物工程股份有限公司生產。

每個處理設3次重復，隨機區組排列，小區面積30m2。小區間筑土埂，高30cm，寬20cm。小麥分別于2017年11月4日、2018年10月26日和2019年10月24日播種，分別于2018年5月19日、2019年5月21日和2020年5月19日收獲。播種量為150kg/hm2。其他田間管理同當地常規。

1.3 樣品采集與分析

試驗開始前取耕層土樣，采用常規方法測定土壤養分狀況。每個小區單打單收，在田間直接測定產量，取樣品1kg，烘干后計算含水量，再通過含水量折算出小區實際產量。籽粒和秸稈樣品裝袋放入烘箱中，于80℃烘干至恒重，稱干重，粉碎過篩后采用濃H2SO4-H2O2消煮，利用流動注射分析儀測定氮和磷含量，采用火焰光度計測定鉀含量[13]。

1.4 計算公式

氮、磷和鉀相關指標計算方法[14]：植株氮（磷、鉀）素總吸收量（total uptake amount，kg/hm2）=植株各器官干重之和×氮（磷、鉀）含量，氮（磷、鉀）肥偏生產力（partial factor productivity，PFP，kg/kg）=施氮（磷、鉀）作物產量/施氮（磷、鉀）量，氮（磷、鉀）素吸收效率（uptake efficiency，UPE，kg/kg）=植株氮（磷、鉀）素總吸收量/施氮（磷、鉀）量，氮（磷、鉀）素利用效率（use efficiency，UE，kg/kg）=籽粒產量/植株氮（磷、鉀）素總吸收量。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2013軟件對試驗數據進行計算和處理，利用SAS 8.1進行統計分析，采用LSD法檢驗處理間P＜0.05水平的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同減量施肥模式對小麥產量和經濟效益的影響

由圖1可知，與CK相比，3年施肥處理的小麥產量均顯著增加，但各施肥處理間無顯著差異。2018年T2處理產量最高，各減量施肥處理產量均略低于常規施肥處理，但無顯著差異，減量施肥處理（T4、T5和T6）間差異也不明顯。2019年T4處理產量最高，比T2處理高16.75%，T5和T6處理產量比T2處理分別高8.2%和14.84%。T4和T6處理產量顯著高于T2處理。2020年T5處理產量最高，比T2處理高3.48%。各減量施肥處理產量均略高于T2處理，但無顯著差異，各減量施肥處理間產量差異也不明顯。

圖1 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對小麥產量的影響Fig.1 Effects of different treatments on wheat yield in rice-wheat cropping system in 2018-2020

表2結果表明，2018年T2處理產投比最高。2019和2020年T4處理產投比最高，分別比T2處理高19.40%和4.31%。T4處理產投比3年平均值最高，比T2處理高3.96%。2019年T3處理產投比略高于T2處理。2018-2020年，T5處理產投比較T2處理分別低63.34%、53.43%和55.98%，平均低59.21%，T6處理較T2處理分別低59.79%、49.25%和55.50%，平均低56.24%。T5和T6處理的產投比無論是年度還是3年平均值都明顯低于T4處理。

表2 2018-2020年不同施肥模式經濟效益分析Table 2 Economic benefit analysis of different fertilization modes in 2018-2020

2.2 不同減量施肥模式對小麥氮素吸收與利用的影響

由圖2可知，2018年T4處理的氮素總吸收量顯著高于其他處理，比T2處理高13.37%。2019和2020年T5處理的氮素總吸收量最高，較T2處理分別提高了9.22%和20.70%。2020年T4處理的氮素總吸收量顯著高于T2處理。2018和2020年T4和T6處理的氮素吸收效率顯著高于T2處理，2019年T5和T6處理的氮素吸收效率顯著高于T2處理。2018年T5、T6處理的氮素利用效率顯著高于T2處理。2018和2020年T4處理的氮素利用效率和氮素偏生產力均顯著高于T2處理，而T3與T2處理間的氮素總吸收量、氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥偏生產力均無顯著差異。上述結果說明，T4和T6處理有利于增強小麥對氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素利用效率；T3處理對小麥氮素的吸收與利用均無顯著影響。

圖2 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對小麥氮素吸收與利用的影響Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.3 不同減量施肥模式對小麥磷素吸收與利用的影響

由圖3可知，與T1處理相比，各施肥處理均顯著增加了小麥地上部磷素總吸收量。2018年T4處理的小麥地上部磷素總吸收量比T2處理提高了11.75%。2019年T5和T6處理均增加了小麥地上部磷素總吸收量。3年試驗中，T5處理的磷素吸收效率較T2處理分別顯著增加30.00%、46.67%和21.43%。2019年T6處理的磷素吸收效率顯著高于T2處理，增幅為40.00%。2018年、2019年T5和T6處理磷素偏生產力均顯著高于T2處理，2020年T6處理顯著高于T2處理。3年試驗中，T6處理磷素偏生產力比T2處理分別增加10.88%、43.43%和20.78%，T5較T2處理分別高22.37%、52.06%和12.18%。上述結果說明，T5處理可以明顯提高小麥磷素總吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生產力，T6處理可明顯提高小麥的磷素偏生產力，而T3和T4處理對小麥磷素的偏生產力、吸收效率和利用效率均無顯著影響。

圖3 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對小麥磷素吸收與利用的影響Fig.3 Effects of different treatments on phosphorus uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.4 不同減量施肥模式對小麥鉀素吸收與利用的影響

由圖4可知，各施肥處理小麥的地上部鉀素總吸收量顯著高于T1處理，2018年T3處理顯著高于T2處理。2019年T5處理鉀素總吸收量顯著高于T2處理，增幅為18.18%。2020年各減量施肥處理鉀素總吸收量低于T2處理。2018年T3和T5處理鉀素吸收效率較T2處理分別顯著增加38.70%和10.98%，2019年T5處理顯著高于T2處理。3年試驗中，T6處理的鉀素利用效率較T2處理分別顯著增加7.38%、8.39%和12.97%，2018年和2019年T4處理較T2處理分別高4.69%和7.67%。2019年各減量施肥處理（T4、T5、T6）鉀素偏生產力較T2處理分別高9.59%、21.64%和14.75%。2018年和2020年各減量施肥處理鉀肥偏生產力低于T2處理。2019年和2020年，T3處理鉀肥偏生產力均最低。

圖4 2018-2020年稻麥輪作條件下不同處理對小麥鉀素吸收與利用的影響Fig.4 Effects of different treatments on potassium uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

3 討論

研究表明，與單施化肥相比，有機肥與化肥配施作物產量不降低或增加[15]，有機肥替代20%氮肥可以保障小麥產量[16]。本研究結果表明，不同減量施肥模式對小麥產量沒有明顯影響。2018年小麥各減量施肥處理產量均略低于常規施肥處理。這可能是因為本試驗地為休閑地，秋冬季施用有機肥沒有明顯的效果。2019年和2020年配合氮增效劑的減量施肥處理產量均略高于常規施肥處理，但差異不明顯。有機肥替代處理產量均略低于常規施肥處理，差異不顯著?？傮w上來看，肥料增效劑有一定的效果，肥料用量減少20%后，小麥產量降低不明顯。馬力等[17]研究數十年期間稻麥輪作區作物產量的穩定性表明，小麥產量年際間的波動較大。本研究小麥產量年際間的波動較大，可能是因為氮肥的施用降低了稻田生態系統的穩定性，特別是在旱作條件下。不同減量施肥模式的經濟效益分析表明，減少一定量的氮肥、增施氮增效劑具有較高的產投比。增施磷素活化劑的處理產投比較低。這是因為磷素活化劑用量較大，而且價格較高，其投入成本高出肥料投入。

養分吸收量是衡量作物生長狀況的重要參數，施肥可以不同程度地影響植株體內的養分濃度。田秀英等[18]研究發現，尿素全量配施氮增效劑能顯著提高氮素的農學效率、生理效率和氮素利用率。易瓊等[19]研究表明，減氮20%～30%處理稻、麥產量并沒有降低，而氮肥當季利用率、氮素農學利用率和氮肥偏生產力提高了。本研究結果表明，配合氮增效劑的減量施肥處理有利于增強小麥對氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素的利用效率，其原因可能是肥料增效劑可改變水分子的結構和能態，提高了其活性，在水不斷被植物吸收的過程中可攜帶大量的營養元素進入植物體內。同時，增施肥料增效劑能提高肥料利用率，可能與肥料增效劑中含有腐殖酸、有機酸及鋅、硼和鎂等微量元素有關。這些元素能綜合吸附肥料中的養分，起到控釋和緩釋的作用。

磷在植物體中的含量僅次于氮和鉀，植物對磷的吸收和利用受各種因素影響。皓達肥料增效劑可促進蘿卜和大白菜吸收養分，提高蘿卜[20]和大白菜[21]的氮、磷、鉀養分效力系數。本研究結果表明，配合磷素活化劑的減量施肥處理可以明顯提高小麥磷素總吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生產力，與本課題組前期的研究[22]結果一致。其原因可能是增效劑有刺激作物生長和促進養分吸收的效果，又能降低磷在土壤中的退化，促進作物根系生長，綜合調控作物對營養元素的吸收利用，從而提高肥料利用率。

作物對鉀肥的需求量較高，正常情況下作物對鉀的吸收大于對磷的吸收，與氮的吸收量相近[23]。許猛等[9]研究表明，增效劑可促進棉株地上部氮、磷、鉀養分的積累及棉株對化肥中養分的利用，體現在化肥利用率的提高方面。本研究結果表明，配合增效劑的減量施肥處理可明顯提高鉀素利用效率和鉀肥偏生產力，與楊勇等[24]在水稻上的應用效果相似，也與本課題組前期的研究[22]結果一致。

4 結論

在常規化肥條件下減20%肥料配合氮增效劑、磷素活化劑對稻麥輪作體系中小麥產量沒有明顯影響。減N 20%配合氮增效劑比常規施肥產投比高4.31%～19.4%，減P 20%配合磷素活化劑比常規施肥產投比低53.43%～63.34%。減N 20%配合氮增效劑處理的氮素吸收效率、氮素利用效率和鉀素利用效率分別提高9.22%～20.70%、7.01%～28.67%和4.69%～7.67%。減P 20%配合磷素活化劑處理的小麥磷素的總吸收量、吸收效率、偏生產力和利用效率分別提高15.53%、21.43%～46.67%、12.18%～52.06%和3.77%～4.52%。減N、P各20%配合氮增效劑、磷素活化劑處理的氮素吸收效率、磷素偏生產力和鉀素利用效率分別提高5.67%～19.40%、10.88%～43.43%和7.38%～12.97%。