有機肥替代化肥對小麥產量、品質及氮素效率的影響

呂麗華，姚海坡，曹志敏，張經廷，姚艷榮，賈秀領

(農業部華北地區作物栽培科學觀測實驗站，河北省作物栽培生理與綠色生產重點實驗室，河北省農林科學院 糧油作物研究所，河北 石家莊 050035)

目前，氮肥超量施用帶來了一系列的問題，包括氮肥效率逐漸下降、溫室氣體過度排放[1]、農田生態環境污染、土壤質量惡化、農產品品質降低[2-3]等負面影響。有研究表明，增施有機肥、減施化肥可改善土壤肥力狀況及生態環境，從而提高作物對養分的吸收利用，促進作物增產[4-7]。因此，有機肥替代氮肥管理越來越受到人們的重視[8-10]。研究表明，有機與無機肥配施一方面可增加小麥產量[11-13]；另一方面可使小麥蛋白質含量增加，籽粒品質明顯改善[14]；同時可改善土壤的物理化學性狀，促進根系發育，提高氮肥回收效率[15-17]。有機肥與化肥配施對土壤培肥、作物產量、籽粒品質等方面的研究已有很多報道，但不同來源的有機肥養分含量差異大，有機肥替代比例不能一概而論。

針對上述問題，本研究通過有機肥(牛糞)對氮肥的養分替代量，明確有機肥替代氮肥的替代比例以及不同替代比例下小麥產量、品質和氮肥吸收利用的特點，以期為有機肥替代氮肥減量增效技術提供技術依據，并為小麥綠色優質高效生產提供技術支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年10月至2020年6月連續2 a在河北省永年區博遠農場(114.72 E，37.93 N)進行，土壤類型為偏黏土，肥力較高。試驗地0～20 cm耕層土壤養分含量有機質22.5 g/kg，全氮0.88 g/kg，全磷0.5 g/kg，有效磷22.8 mg/kg，有效鉀247.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

供試小麥品種濟麥44。試驗采用完全隨機試驗設計，3次重復，小區面積36 m2，15 cm等行距播種，基本苗440萬株/hm2。試驗共設5個有機肥和氮肥配合處理：T1.高氮處理，采用當地農戶高施氮模式，純N 300 kg/hm2；T2.節氮處理，純N 150 kg/hm2；T3.20%替代率處理，用有機肥替代T2的20%化學氮肥用量處理；T4.40%替代率處理，用有機肥替代T2的40%化學氮肥用量處理；T5.60%替代率處理，用有機肥替代T2的60%化學氮肥用量處理。所有處理磷、鉀用量相同，P2O590 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，具體施肥量見表1。所有有機肥均作為基肥施用，有機肥由牛糞制成，含有45%的有機質、2.48%的純N、0.27%的P2O5和0.96%的K2O；化學肥料為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O546%)、氯化鉀(K2O 60%)。灌水方式采用畦灌，小麥生育期灌溉2次，分別為拔節水和開花水，單次灌水量75 mm。小麥10月8—10日播種，6月6—8日收獲。其他田間管理一致。

表1 不同施肥處理有機肥和化肥用量Tab.1 Amount of organic fertilizer and chemical fertilizer in different fertilization treatments kg/hm2

1.3 測定指標及方法

1.3.1 產量及產量構成 成熟期每個小區人工收割5.4 m2(1.8 m×3.0 m)，籽粒自然風干后脫粒稱質量，用谷物水分測定儀測定籽粒含水量，最終折算為含水量13%的標準產量。收割前每小區收獲1.11 m雙行內所有植株，統計穗數，折合為單位面積穗數；隨機取40穗統計穗粒數；脫粒、風干后稱千粒質量，重復5次，同時測定含水量，折算為13%含水量的標準千粒質量。

1.3.2 品質指標的測定 籽粒風干后存放60 d，然后進行品質指標的測定。利用面筋儀(Glutomatic 2100，瑞典，波通公司)依據GB/T 5506.2—2008測定濕面筋含量。采用BAU-A型沉淀儀依據AACC-56-61A方法測定沉淀值。采用德國Brabender公司生產的810106002型電子粉質儀依據GB/T 14614—2006方法測定面團形成時間、穩定時間。采用德國Brabender公司86003302型拉伸儀依據GB/T 14615—2006方法測定最大拉伸阻力。

1.3.3 氮肥效率相關指標 成熟期每個小區收獲1 m雙行小麥，去根，植株分成籽粒和莖葉分別裝袋，80 ℃烘干至恒質量，分別測定各部位干質量。然后將樣品粉碎，采用半微量凱氏定氮法測定含氮量，并計算植株和籽粒吸氮量。

氮肥效率(Nitrogen fertilizer efficiency，NFE，kg/kg)=籽粒產量/當季施氮量

①

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency，NUPE，kg/kg)=植株氮素累積量/施氮量

②

氮素利用效率(Nitrogen utilization efficiency，NUTE，kg/kg)=籽粒產量/植株氮素累積量

③

氮收獲指數(Nitrogen harvest index，NHI)=籽粒中氮量/植物吸氮量×100%

④

1.3.5 土壤養分 土壤有機質含量測定采用重鉻酸鉀法-外加熱法，堿解氮含量測定采用擴散滴定法，全氮含量測定采用濃硫酸消煮-半微量開氏法，速效磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

1.4 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2007軟件處理數據和繪圖，采用SPSS 22.0軟件進行統計分析，用最小顯著性差異法(LSD)檢驗差異的顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥替代比例對小麥產量及產量構成的影響

在第1年預試驗的基礎上，開展第2季的正式試驗。由表2可知，有機肥替代20%化肥(T3)和替代40%化肥(T4)處理產量較高，較高氮處理(T1)分別高5.6%和4.9%，而較節氮處理(T2)分別高4.6%和4.0%，較60%替代率處理(T5)分別高6.2%和5.4%。由產量構成因素分析可知，有機肥替代氮肥主要是通過增加穗粒數來提高小麥產量，與高氮處理和節氮處理比較，穗粒數增加3.6～5.6粒。60%替代率與高氮處理產量相當，但其產量顯著低于20%和40%替代率處理，主要由于穗粒數和千粒質量明顯較低?？梢?，有機肥替代氮肥比例過高，當季氮肥肥效釋放緩慢，產量未必較高。不同處理間千粒質量差異不顯著，而經濟系數存在顯著差異，表現為有機肥替代氮肥處理經濟系數顯著較高，高3.4%～9.9%。結果表明，與節氮處理相比，有機肥替代20%和40%的化肥，通過提高穗粒數，可顯著提高產量(P<0.05)。

表2 不同處理下小麥產量及產量構成因素Tab.2 Yield and yield components of wheat under different treatments

2.2 不同有機肥替代比例對小麥籽粒品質的影響

面筋是小麥粉中所特有的一種膠體混合蛋白質，數值大了較好；沉淀指數越大，表示面筋多、形成的沉淀物多。由表3可見，14%濕基濕面筋含量和沉淀值表現為節氮處理和有機肥替代氮肥的3個處理較高，但不同處理間差異未達顯著水平。穩定時間主要用來表示面粉形成面團時耐受機械攪拌的能力，穩定時間越長，說明面粉韌性越好。本試驗結果表明，節氮處理和有機肥替代氮肥的3個處理小麥籽粒穩定時間顯著較長(P<0.05)，較高氮處理長2.2～2.7 min。拉伸面積與面包的體積大小有關，拉伸阻力表示面團筋力的大小。本試驗結果表明，60%替代率處理拉伸面積顯著較小(P<0.05)，較其他處理低10.5～17.5 cm2，而其他施肥處理拉伸面積差異不顯著；最大拉伸阻力為節氮處理和20%和40%替代率處理明顯較高，較其他處理高28.0～75.5 EU，而前三者處理間差異不顯著?？梢?，有機肥和化肥配施或節氮處理能顯著提高籽粒品質。

表3 不同處理籽粒品質性狀Tab.3 Grain quality characters under different treatments

2.3 不同有機肥替代比例對氮素吸收利用效率的影響

化肥主要在作物前期發揮作用，而有機肥主要在后期發揮作用，所以“有機替代”有利于籽粒的氮積累。籽粒吸氮量為20%，40%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較其他處理高6.2%～10.7%，而其他處理差異不顯著；其次是高氮和節氮處理較高，且二者籽粒吸氮量相當。氮肥效率指單位施氮量生產的籽粒產量，為20%，40%替代率處理顯著較高，較60%替代率和節氮處理高5.4%～6.9%，而較高氮處理高107.8%～109.3%。氮素吸收效率為單位施氮量的植株氮素吸收量，本研究氮素吸收效率為節氮處理最高，其次是20%和40%替代率處理較高，再次是60%替代率處理較高，但四者差異未達顯著水平，但顯著高于高氮處理(P<0.05)，四者分別高94.4%，92.0%，92.9%和81.7%。氮素利用效率為單位植株氮素積累量生產的籽粒產量，為20%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較高氮和節氮處理高8.5%～9.3%，較40%和60%替代率處理高4.9%～6.1%，而后4個處理間差異不顯著。氮收獲指數為單位植株吸氮量轉移到籽粒中的氮量，為20%替代率處理顯著較高(P<0.05)，較高氮和節氮處理高8.3%～11.3%，較40%和60%替代率處理高5.4%～10.4%，其次是40%替代率和節氮處理較高，較其他處理高2.0%～5.6%(表4)?？梢?，有機肥替代20%氮肥處理各項氮吸收利用指標較優，可為推薦的替代比例。

表4 不同處理下小麥氮素吸收利用效率Tab.4 Nitrogen uptake and utilization under different treatments

2.4 不同有機肥替代比例對土壤硝態氮含量的影響

由圖1可見，在0～20 cm耕層土壤中，硝態氮含量大小表現為T5>T1>T4>T3>T2，60%替代率處理硝態氮含量最高，較節氮處理高88.9%，較替代率20%和40%的處理分別高36.4%和32.5%，而與高氮處理土壤硝態氮含量差異不顯著；而替代率20%和40%的處理較節氮處理高38.5%～42.5%。不同施氮量比較，高氮處理較節氮處理土壤硝態氮含量增加84.6%。20～40 cm土壤中規律不同，硝態氮含量大小表現為T1>T2>T5>T4>T3，為高氮處理土壤硝態氮含量最高，較節氮處理高16.4%；相同施氮量下各處理比較，節氮處理硝態氮含量最高，較替代率60%的處理高9.2%，但二者差異不顯著，二者較替代率20%的處理硝態氮含量分別高81.7%，26.8%，較替代率40%的處理分別高71.4%，16.1%?？梢?，有機肥替代氮肥能增加0～20 cm淺層土壤硝態氮的積累，使土壤硝態氮出現表聚現象，從而增加對氮素的吸收利用，一定程度減少深層土壤硝態氮滲漏，降低了硝態氮向下層淋溶的風險。

不同小寫字母表示處理間在0.05水平差異顯著。Different small letters show significant difference at the 0.05 probability levels in different treatments.

3 結論與討論

關于有機肥替代化肥的最佳替代率的報道較多，但結果并不一致。有學者認為，75%有機肥與25%的化肥配比效果顯著[3，9]，冬小麥粗蛋白含量較對照提高1.29倍[3]，經濟效益也明顯提高[9]；闞建鸞等[18]認為，30%替代率小麥產量和氮肥回收效率最高；Singh等[19]研究結果顯示，25%的替代率產量增加，并且品質也得到一定的改善；張奇茹等[11]認為，40%的替代率籽粒產量顯著提高。研究結果不一的主要原因可能為區域、地力、有機肥種類及試驗連續年份不同。本研究在第1年預試驗的基礎上而開展的正式試驗，連續2 a進行施肥處理，結果表明，20%替代率處理小麥產量和品質最佳，顯著改善0～40 cm土壤硝態氮含量，提高小麥籽粒對氮素吸收利用，最終獲得較高的產量和環境效益。

以往研究表明，有機肥替代化肥比例合適能協調生育期養分供應[1，20]，避免前期旺長和后期早衰[21-22]，促進幼穗分化[23]，提高穗粒數，促進灌漿期干物質向籽粒轉移[24]，提高千粒質量，獲得比單施化肥更高的產量；并在一定程度上改善作物品質。有研究認為，有機肥用量越大，其干濕面筋含量越高，籽粒面團形成時間和面團穩定時間也得到明顯改善[3]。本研究結果表明，有機肥20%和40%替代氮肥小麥產量最高，較其他處理提高4.0%～6.2%，產量較高主要由于其穗粒數較單施化肥處理增加了3.6～5.6粒。籽粒品質指標則表現為節氮處理、20%和40%替代率處理較高，主要為拉伸面積、最大拉伸阻力和穩定時間較高；結果還表明，高氮處理和60%替代率處理產量并無優勢，后者產量低主要原因為有機肥大量替代了速效氮肥，短期內有機肥肥效無法完全發揮，從而影響小麥氮素吸收利用，而影響到產量的提高。

“有機替代”有利于作物整個生育期籽粒氮素的積累[22]，“有機替代”能促進花前養分的轉移、花后養分的吸收，從而提高籽粒養分含量，提高肥料利用效率[11，25]，其中氮肥的表觀回收率、農學效率、偏生產力均有所提高。本研究結果表明，20%和40%替代率能顯著提高籽粒氮素積累、氮肥效率和氮素吸收效率，其中籽粒吸氮量和氮肥效率較其他處理分別提高6.2%～10.7%和 5.4%～109.3%，氮素吸收效率較高氮處理提高92.0%～92.9%。20%替代率還能顯著提高氮素利用效率和氮收獲指數，較其他處理分別提高4.9%～9.3%和5.4%～11.3%，尤其較農民高氮處理和60%替代率處理顯著提高。

以往研究表明，有機肥替代化肥可改善土壤理化性質，減少硝態氮在土壤中的殘留，促進氮的吸收利用[3，5，11，26]，肥料種類及用量是影響土壤硝態氮殘留的重要因素。李廷亮等[27]研究表明，隨施氮量的增加土壤硝態氮殘留量也增加，孫波等[28]研究表明，與單施化肥相比，配施有機肥能夠降低土壤中硝態氮的殘留，尤其減少作物根區外的殘留量。本研究結果表明，有機肥替代氮肥后土壤硝態氮聚集在表層0～20 cm，各有機肥替代處理較節氮處理土壤硝態氮含量增加38.5%以上，從而增加對氮素的吸收利用，一定程度降低了硝態氮向下層淋溶的風險，從而減少過度使用化肥造成的環境污染。而20～40 cm土層為高氮處理土壤硝態氮含量最高，較節氮處理高16.4%；相同施氮量下各處理比較，節氮處理和60%替代率處理硝態氮含量較高，較20%替代率處理高26.8%以上，較40%替代率處理高16.1%以上，說明有機肥替代氮肥可明顯降低20 cm以下土層硝態氮殘留量。

本研究表明，在兼顧產量、籽粒品質、環境效益因素下，連續2 a施肥條件下，有機肥替代20%氮肥處理效果最佳，能獲得比節氮處理和高氮處理更高的產量；一定程度上改善作物品質，并顯著改善0～40 cm土壤硝態氮含量，0～20 cm土層出現硝態氮“表聚現象”，而20～40 cm土層出現硝態氮含量降低的現象，提高小麥籽粒對氮素吸收利用，減少過度使用化肥造成的環境污染，最終獲得較高的產量和環境效益。該替代率是河北山前平原麥田高效持續生產和發展綠色農業的一項重要措施。