有機肥氮替代部分化肥氮對冬小麥產量及氮素利用的影響

劉學彤 黃少輝 邢素麗 楊云馬 賈良良 王洪信 王桂鋒 楊軍方

摘要：為探究適宜河北省低平原區冬小麥生產中有機肥氮替代化肥氮的最佳替代率，采用田間試驗研究不同比例有機肥氮替代化肥氮對冬小麥產量、養分吸收及氮素利用的影響。結果表明：在推薦施氮量240 kg/hm時，有機肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）處理的冬小麥產量最高，達6 145.7 kg/hm，有機肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）處理的冬小麥產量為5 918.8 kg/hm，均與單施化肥OPT處理無顯著差異;在有機肥氮處理中，隨有機肥氮比例的增加，小麥產量逐漸降低。OPT-15%M處理在整個生育期土壤無機氮含量較OPT處理低5.2%～13.9%，但較其余有機肥氮替代處理仍能維持較高水平，可以保證小麥對氮素的需求。OPT-15%M處理的小麥吸氮量為211.5 kg/hm，與OPT處理幾乎無差異，OPT-30%M處理的小麥吸氮量為203.6 kg/hm，與FP處理幾乎無差異，且OPT-15%M處理和OPT-30%M處理的冬小麥氮肥農學效率、氮肥偏生產力、氮肥利用率均高于FP處理，表現較好。綜上，在河北省低平原中低產田區，在施氮量為240 kg/hm時，有機肥氮替代15%～30%的化肥氮適宜該區冬小麥生產，可以在整個生育期有效調控土壤養分供應，滿足作物不同時期養分需求，可在保持產量穩步提升的基礎上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

關鍵詞：有機肥氮;化肥氮;冬小麥產量;氮素利用;替代率

中圖分類號：S158.3 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2022）11-0071-05

收稿日期：2021-08-03

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2017YFD0201707）;河北省農林科學院創新工程（編號：2021-4-6-3）;河北省農林科學院農業資源環境研究所創新團隊項目。

作者簡介：劉學彤（1991—），女，河北平山人，碩士，助理研究員，主要從事作物養分資源管理與土壤肥力培育等研究。E-mail：liuxuetong349@163.com。

通信作者：楊軍方，副研究員，主要從事農田養分管理與施肥技術等研究。E-mail：linsky4316@163.com。

氮素是作物生長最重要的元素之一，隨著人口的增長，氮肥需求也在增加，據統計，全世界約有48%的人口依賴肥料投入生產糧食，其中化肥氮對糧食增產的貢獻達到30%～50%，氮肥為全世界的糧食安全做出了重大貢獻。我國是目前化肥施用量最大的國家，施用過量的化肥同時也會導致嚴重的資源效率下降和生態環境問題，氮肥施用是目前我國化肥面源污染的主要風險。我國總化肥施用在1994年由環境安全轉為低度風險，其中氮單質化肥施用已在1988年由環境安全轉為低度風險狀態，并呈上升趨勢，到2014年化學氮肥風險指數為0.54，原農業部提出，力爭到2020年實現“化肥零增長目標”，因此氮肥減施成為必然趨勢。目前有機無機肥料配施的有機氮替代模式成為氮肥減施的重要措施之一，其能改善土壤氮素供應過程，使土壤養分平穩釋放，減少農田氮磷養分流失，具有培肥土壤、防止土壤酸化和鹽漬化、提高產量和經濟效益等諸多作用，是解決我國農業生產和生態環境保護的辦法與途徑之一。2015年農業部印發的《耕地質量保護與提升行動方案》中明確指出“到2020年，畜禽糞便養分還田率達到60%、提高10百分點，農作物秸稈養分還田率達到60%以上、提高25百分點以上”，有力推動了有機肥行業的發展。

已有的大量研究均表明有機肥和無機肥配施可提高作物產量及氮肥利用率。趙征宇等研究發現有機氮與無機氮比例為3∶2時番茄增產效果較好;陶磊等在北疆綠洲滴灌棉田的研究表明常規施肥減量20%～40%配施3 000、6 000 kg/hm有機肥不會導致棉花減產;劉紅江等研究表明50%有機肥處理在確保水稻高產的同時，可減少農田地表徑流水體總氮流失量和流失率。目前多數研究主要集中于有機肥與無機肥配施對棉花、番茄等經濟作物的增產增效，而對中低產田區冬小麥有機肥替代潛力的研究甚少。本研究主要以畜禽糞便為有機肥源，研究推薦施氮條件下，不同比例有機氮替代化肥氮對冬小麥養分吸收、產量及氮素利用的影響，在保證穩產的前提下，明確有機氮替代化肥氮的適宜比例，為河北省低平原區中低產田冬小麥生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

田間試驗于2018年10月至2019年6月在河北省衡水市冀州區沃源農場進行，該區地處河北省平原區（37.57°N，115.57°E），海拔21.5～26.5 m，屬大陸性暖溫帶半干旱季風氣候，年平均氣溫 12.7～13.3℃，年均降水量500～600 mm，降水季節性分布不均。該區域的種植制度為冬小麥/夏玉米一年兩熟制。供試土壤屬于中壤質潮土，試驗前0～20 cm 土層基礎理化性狀為：有機質含量 15.3 g/kg，全氮含量1.05 g/kg，有效磷含量 12.54 mg/kg，速效鉀含量 117.5 mg/kg，pH值8.37。供試作物為小麥，品種為石農086。

1.2 試驗設計

試驗在等磷、鉀的基礎上，設置不同比例有機肥氮替代化肥氮，共6個處理：對照（CK），不施氮肥;農民常規施肥習慣（FP）;推薦施肥（OPT）;推薦施肥基礎上有機肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）;推薦施肥基礎上有機肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）;推薦施肥基礎上有機肥氮替代45%化肥氮（OPT-45%M）。每個處理3次重復，小區面積48 m（8 m×6 m）。各處理養分施用量見表1，其中，化肥氮為尿素（N 46%），磷肥為重鈣（PO 43%），鉀肥為氯化鉀（KO 60%），有機肥為牛糞。磷、鉀肥在播種前作為基肥隨整地全部底施;FP和OPT處理尿素基肥追肥各半，其中基肥隨整地施入，追肥在拔節期追施;含有機肥的處理，氮基肥追肥各半，其中有機肥均在播種前作為基肥隨整地全部底施，剩余部分氮用尿素補齊，追肥尿素在拔節期追施。其他管理同一般田間管理。

1.3 樣品采集

土壤樣品的采集：在小麥生長的返青、拔節、揚花、灌漿、成熟期， 每個小區用土鉆取3個點的0～20 cm土層土壤樣品，充分混合，然后將采集到的新鮮土壤樣品帶回實驗室放入4℃以下冰箱儲存。用1 mol/L KCl溶液浸提，AA3流動分析儀測定土壤無機氮的含量。

植株樣品的采集：在小麥成熟期，每個小區隨機取2個1 m的樣點收獲取樣，然后將籽粒和秸稈風干后稱量，用于計算每個小區的單位面積籽粒產量和秸稈量。每個小區取1個1 m雙行的植株樣品，帶回實驗室進行處理，將樣品按秸稈和籽粒分開稱取干質量后粉碎，用于籽粒和秸稈的N、P、K含量分析。全N含量用HSO-HO消化-凱氏法測定，全P含量用HSO-HO消化-鉬銻抗比色法測定，全K含量用HSO-HO消化-火焰分光光度法測定。

1.4 數據處理

利用Excel 2007分析軟件進行各處理作物吸氮量、氮肥利用率、氮肥農學效率以及氮肥偏生產力等的計算，采用SPSS 17.0進行統計分析。以上參數的計算公式如下：

作物吸氮量（kg/hm）=植株含氮量（%）×地上部生物量（kg/hm）;

氮肥利用率（%）=[施氮處理作物的地上部吸氮量（kg/hm）-對照處理作物的地上部吸氮量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）×100%;

氮肥農學效率（kg/kg）=[施氮處理作物產量（kg/hm）-對照處理作物產量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）;

氮肥偏生產力（kg/kg）=施氮處理作物產量（kg/hm）/施氮量（kg/hm）。

2 結果與分析

2.1 有機氮替代部分化肥氮對冬小麥產量及其構成因素的影響

由表2可知，本研究中，施用氮肥可以顯著提高冬小麥產量。與不施氮肥（CK）相比，各施氮肥處理可使冬小麥產量增加20.9%～29.2%，其中，OPT-15%M處理產量最高，達6 145.7 kg/hm;OPT-45%M處理產量最低，為5 750.6 kg/hm，二者之間差異顯著（P<0.05）。在推薦施氮基礎上，隨有機氮替代比例的增加冬小麥產量呈下降趨勢，其中OPT-15%M處理冬小麥產量略高于OPT處理，二者之間無顯著性差異;OPT-30%M處理的冬小麥產量為5 918.8 kg/hm，與OPT-15%M處理和OPT處理均無顯著性差異;而OPT-45%M處理冬小麥產量與OPT處理無顯著性差異，但顯著低于OPT-15%M處理。從產量和化肥減施角度來看，在推薦施氮量基礎上有機氮替代15%～30%化肥氮既能減少化肥投入，又能保持較高的產量水平，因此該區域有機氮替代化肥氮的適宜比例為15%～30%。

從冬小麥產量構成因子來看，施用氮肥主要是增加了小麥群體數量和穗粒數。在推薦施氮基礎上，有機氮替代各處理隨替代比例的增加冬小麥群體數量和穗粒數呈下降趨勢，但與OPT處理沒有顯著差異。各處理千粒質量無顯著差異。表明該區域氮肥減施，有機氮部分替代具有可行性。

2.2 有機氮替代部分化肥氮對土壤供氮特征的影響

有機氮替代部分化肥氮小麥各生育期土壤無機氮含量變化見圖1。不同施肥處理土壤無機氮含量變化趨勢相同，各處理土壤無機氮含量均隨小麥生育期的延長呈下降趨勢，且各施用氮肥處理的土壤無機氮含量均大于CK處理。與農民常規施肥處理（FP）和推薦施肥處理（OPT）相比，氮肥有機替代各處理在小麥各生育期土壤無機氮含量均低于前兩者，尤其是OPT-30%M和OPT-45%M在返青期分別比OPT處理低28.3%和38.9%，在拔節期分別比OPT處理低22.5%和32.2%，且在返青期和拔節期降幅較大，不利于群體構建和穗粒數增加;而FP處理在返青期、拔節期土壤無機氮含量過高，容易造成前期生長過旺，群體大，后期易倒伏現象。到生育后期（灌漿成熟期），各施氮肥處理土壤無機氮含量較接近，且明顯高于CK處理。氮肥有機替代15%（OPT-15%M）處理在整個生育期土壤無機氮含量較OPT處理低5.2%～13.9%，但較其余有機替代處理仍能維持較高水平，尤其在生長后期（灌漿期），與OPT處理差異較小，可以保證小麥灌漿對氮素的需求，因此，該區域冬小麥生產中，有機氮替代15%的化肥氮在整個生育期可以滿足土壤供氮能力。

2.3 有機氮替代部分化肥氮對冬小麥氮肥利用率的影響

有機氮替代部分化肥氮冬小麥氮肥利用率見表3。施氮處理的小麥地上部吸氮量均大于CK，增幅為31.7%～40.4%，這表明施氮肥可以提高小麥地上部氮素吸收。其中，OPT-15%M處理的小麥地上部吸氮量最大，為211.5 kg/hm，其次是OPT處理;OPT-45%M處理的冬小麥地上部吸氮量較低，為198.4 kg/hm，較OPT-15%M處理低6.2%。OPT-15%M處理的小麥地上部吸氮量可以達到和OPT處理相近的效果，OPT-30%M處理雖然低于前兩者，但也可以達到和FP處理相近的效果，綜合考慮，在推薦施肥基礎上有機氮替代15%～30%化肥氮對促進該區域的冬小麥地上部氮素吸收是可行的。

各施氮肥處理的小麥氮肥農學效率為4.0～5.8 kg/kg，其中OPT-15%M處理最高，其次是OPT處理，為5.4 kg/kg;而OPT-45%M處理和FP處理較低，分別為4.1 kg/kg和4.0 kg/kg。表明有機肥的施用在一定合理的替代比例范圍內才能提高氮肥的籽粒產出量。各處理的氮肥偏生產力為19.9～25.6 kg/kg，最高為OPT-15%M處理，其次為OPT處理（25.2 kg/kg），二者幾乎無差異;最小為FP處理（19.9 kg/kg）。氮肥利用率為19.0%～25.4%，最高為OPT-15%M處理，其次為OPT處理（24.8%），最小為FP處理。FP處理的氮肥農學效率、氮肥偏生產力以及氮肥利用率均較低，表明較高的施氮量并沒有帶來較高的產量和效益，在該區域氮肥減施是必然結果。OPT-45%M處理的吸氮量、氮肥農學效率和氮肥利用率也均表現為較低，主要是因為產量較低，這也表明有機氮替代化肥氮過高同樣不利于小麥產量的提高;而有機氮替代15%化肥氮處理氮肥利用效率表現較好，在增加氮素吸收量、提高氮肥利用率方面是可行的。

3 討論與結論

有機無機肥料配合施用能夠使肥效緩而長，不僅能減少化肥氮的損失，同時能有效協調養分供應，為作物提供足夠的氮素營養，及時滿足作物生長對養分的需求，增加作物產量。眾多研究表明，不同比例有機肥無機肥配施對作物產量的影響不同。陳志龍等在蘇南地區黃棕壤上的研究表明有機肥氮替代25%化肥氮對小麥產量及氮肥利用率的提高效果較好。楊曉梅等在華北褐土上的研究發現，35%和50%的有機肥氮替代率在提高冬小麥產量和氮肥利用率方面效果較佳。李豐豐等研究表明，90%的傳統測土配方施肥量+有機肥（2 250 kg/hm）模式下稻茬小麥產量及氮肥利用率均較好。有機無機肥配施比例因地區、土壤類型、土壤基礎地力水平、耕作模式、有機肥養分含量等有差異。本研究中，在河北省中低產田區施氮量為240 kg/hm時，有機肥料氮替代率15%能夠獲得高產，但本試驗年限較短，只代表短期效應。鄭鳳霞等利用4年的定位試驗表明，在施氮量為180 kg/hm時，尿素和牛糞的比例為1∶1（即有機肥氮替代率50%）可降低氨揮發損失，提高籽粒產量，可實現冬小麥高產與肥料高效協同。而本研究中，施氮量為240 kg/hm時，有機肥氮替代率45%的處理已經出現了明顯的產量下降，這一方面是因為該區域屬于河北省中低產田區，土壤肥力較低，不能為作物提供充足的養分需求;另一方面可能與有機肥施用年限有關，本試驗年限較短，有機肥肥效緩慢，有機肥施入后對土壤質量的提升是一個緩慢的過程，有研究表明，有機肥施入土壤后大約5～8年時間土壤有機質含量達到一個最高點，然后保持穩定。

眾多研究表明，大量施用氮肥會造成土壤氮素殘留累積，且氮肥施用量越高，會使土壤的硝態氮累積增多，增加硝酸鹽向深層淋溶污染風險。本研究中，FP和OPT處理在收獲后表層土壤無機氮含量比含有機肥處理的略高，這可能是化肥與有機肥綜合作用的結果。一方面FP和OPT處理速效氮肥施用量高，土壤速效氮殘留高;另一方面有機無機肥配施可以增加土壤微生物活性，調控土壤氮素的固持和釋放，同時也可以抑制土壤氨揮發，減少氮素損失。從整個生育期土壤無機氮的變化特征來看，隨著生育期的推進，各處理耕層土壤無機氮含量逐漸下降，且各施氮處理土壤無機氮含量隨有機肥氮所占比例的增大而降低，這與井永蘋等的研究結果一致，同時他們發現有機無機肥配施可以減少硝態氮向深層土壤的遷移，降低深層土壤硝態氮淋失風險。

目前，我國生產中普遍存在化肥施用量高，肥料利用率低等現象，2015年農業部提出了到2020年“化肥使用量零增長目標”，因此合理施用化肥，提高肥料利用率是關鍵之一，而采用有機肥氮替代化肥氮的方法是降低農田氮肥投入、增加養分利用、提高肥料利用率的一種有效措施。本研究中，OPT-15%M處理的氮肥利用率為25.4%，高于OPT處理（24.8%），且氮肥農學效率和氮肥偏生產力均較高，產量也較其他有機肥處理高;OPT-30%M處理的氮肥利用率為22.1%，高于FP處理（19.0%），產量也與OPT和FP處理無顯著差異。因此，在化肥減施的大背景下，既要保持產量穩步提升，又要減少化肥施用量的投入，降低環境污染風險，有機肥氮替代15%～30%化肥氮是最佳選擇。

河北低平原中低產田區在施氮量為 240 kg/hm 時，有機肥氮替代15%～30%的化肥氮適宜該區冬小麥生產，可以在整個生育期有效調控土壤養分供應，滿足作物不同時期養分需求，在保持產量穩步提升的基礎上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

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