有機養分替代對小麥產量、土壤肥力及麥田氮磷徑流流失的影響

郭 龍 駱 美 常珺楓 李 陳 周曉天 劉 瑩 武 升 馬友華

(安徽農業大學資源與環境學院/農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230036)

隨著農業和農村經濟的快速發展，化肥、農藥等農用化學品投入逐年增加。在農產品大幅度增產的同時，農業面源污染問題日益突出，嚴重制約農業和農村經濟的可持續發展[1]。化肥的過度使用會造成土壤退化，在降雨及灌溉的沖刷作用下，氮磷等污染物通過水循環進入周圍水體并導致水體富營養化[2]，成為制約我國農業發展的瓶頸之一[3-5]。據統計，我國化肥施用量是世界平均水平的3.9倍，但化肥對糧食增長的貢獻率卻從20世紀80年代的30%～40%降至目前的10%左右[6]。近年來，在農業綠色發展背景下，我國出臺了一系列化肥減量增效政策以推動化肥減施和有機替代，實現綠色高效施肥[7]。研究表明，有機肥可以提高土壤有機質含量[8-9]、作物產量并改善品質[10]。但有機肥存在養分低、肥效慢等問題，且長期單一施用有機肥不利于土壤環境的改善[11]。研究表明，而有機肥配施化肥可以緩解農田面源污染問題，平衡土壤養分并促進土壤微生物活性[12]，提高磷肥利用率[13]，進而達到作物產量增長、品質提升的效果。梁斌[14]研究認為有機肥與化肥配施可提供給土壤微生物充足碳氮源，改善土壤供氮特征，增加表層含氮量，減少養分流失，提高氮肥利用率。此外，李秀芬等[15]研究表明，化肥大量施用會導致70%氮磷流失，并經降雨和灌溉等匯入河流湖泊中。侯朋福等[16]在太湖地區開展了近3年田間徑流監測試驗，發現有機肥替代化肥相比于常規處理可使徑流水中氮素濃度降低19.18%。何石福等[17]研究認為10%有機養分替代降低了徑流水中42.4%～57.2%總氮和18.2%～39.2%可溶性氮的流失。但施用有機態、水溶態磷含量較多的糞肥時，在降雨較大或灌溉后磷素淋失的風險會顯著增加[18-19]，說明按照一定比例合理施用有機肥可以降低徑流氮的流失風險，但對磷的流失阻控作用效果不明顯。通過化肥減施和有機肥替代，不僅可以保證作物產量和提高肥料利用率[20]，而且可以改善由于養分過量投入造成的環境污染問題[21]。

目前，隨著我國畜禽養殖規模化和工農業的迅速發展，由畜禽糞便隨意堆放、秸稈菌渣隨意丟棄造成的資源浪費及農業面源污染已成為我國普遍關注的問題。為了減少化肥施用量，提高肥料利用率和緩解化肥對環境的污染，將畜禽糞便和工農業廢棄物肥料化，并作為有機肥進行農田回用是其資源化利用的主要途徑[22]。豬糞有機肥和秸稈有機肥具有改良土壤性狀、培肥地力[23]、提高養分供應能力[24]、增加作物產量[8]等重要作用。因此將有機肥替代部分化肥，兩者相結合有利于培肥土壤與作物增產，并可降低面源污染風險。當前關于有機肥替代化肥對作物產量、土壤肥力等方面影響的研究較多，但對于巢湖流域豬糞、秸稈有機肥對麥田土壤肥力及氮磷徑流流失影響的研究較少。為此本試驗在巢湖烔煬以豬糞有機肥和秸稈有機肥替代部分化肥開展定位監測，分析不同有機肥替代量和不同物料組合施肥條件下的作物產量與土壤肥力差異，探討不同施肥模式下農田氮磷流失特征和規律，以期為正確施用有機肥和合理施用化肥提供技術指導，也為控制巢湖農業面源污染和農業生產節本增效提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗區位于安徽省巢湖市烔煬鎮唐嘴村農田示范基地(117°40′59″E，31°39′43″N)，該地區屬于亞熱帶濕潤性季風氣候，年均降雨量1 215 mm。耕作制度為小麥-水稻輪作，土壤類型為水稻土，0～20 cm土層土壤基本理化性質如下：土壤pH值6.52，有機質含量18.75 g·kg-1，全氮含量1.02 g·kg-1，有效磷含量18.32 mg·kg-1，速效鉀含量100.01 mg·kg-1，堿解氮含量103.23 mg·kg-1，硝態氮含量10.98 mg·kg-1，銨態氮含量4.12 mg·kg-1。

1.2 試驗方案

試驗共設如下8個施肥處理(表1)：CK：不施肥(空白)；CF：全部施化肥，其中尿素、過磷酸鈣和氯化鉀施用量分別為521、601和137 kg·hm-2；M1：有機肥替代氮肥100%，豬糞有機肥10 982 kg·hm-2；M2：有機肥替代氮肥50%，豬糞有機肥5 491 kg·hm-2；M3：有機肥替代氮肥30%，豬糞有機肥3 293 kg·hm-2；F1：有機肥替代氮肥100%，秸稈有機肥9 616 kg·hm-2；F2：有機肥替代氮肥50%，秸稈有機肥4 806 kg·hm-2；F3：有機肥替代氮肥30%，秸稈有機肥2 886 kg·hm-2。

每個處理3次重復，共24個小區，隨機分布，每個小區面積均為30 m2。試驗以等氮施用為基礎，有機肥投入后氮、磷、鉀養分不足部分依次用尿素(N含量46%)、過磷酸鈣(P含量12%)和氯化鉀(K含量60%)補充。豬糞、秸稈有機肥分別由上海原本生物科技有限公司和安徽萊姆佳生物肥業有限公司提供，經測定，豬糞有機肥中氮、磷、鉀含量分別為2.19%、1.62%、1.92%，重金屬含量為鉛0.5 mg·kg-1、汞0.1 mg·kg-1、砷9.6 mg·kg-1、鎳6.0 mg·kg-1、鎘和鉻均未檢出；秸稈有機肥氮、磷、鉀含量分別為2.5%、1.3%、2.2%，重金屬含量為鉛30.8 mg·kg-1、鎘0.5 mg·kg-1、 砷 3.4 mg·kg-1、 鎳6.6 mg·kg-1、汞和鉻均未檢出，兩種有機肥均符合我國農業農村部的行業標準《NY 525-2021有機肥料》[25]。

供試小麥品種為揚麥16，由安徽皖農種業有限公司提供，種植時間為2020年11月8日—2021年5月21日，小麥田間管理按照當地種植管理方式，在翻耕前，豬糞、秸稈有機肥和磷、鉀肥作為基肥一次性施入，氮肥采用6∶4的施用方式(基肥60%+返青肥40%)，所有施用方式均為人工撒施，小麥整個生育期內無灌溉，2020年11月8日施入基肥之后翻耕土壤，然后撒入小麥種子，2021年1月19日返青肥追肥，5月21日小麥收獲。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 小麥產量 在小麥收獲期，隨機統計每個小區1 m2調查框內的小麥有效穗數和總共結實的穗粒數，并計算平均每株有效穗粒數(總共結實的穗粒數/有效穗數)，稱量1 000粒穗粒的重量計為千粒重，之后對各小區小麥進行單獨收割測產。小麥理論產量按以下公式計算：

小麥理論產量(kg·hm-2)=有效穗數(株·hm-2)×

穗粒數(個/株)×千粒重(g)×10-3。

1.3.2 土壤樣品采集及測定 2021年5月21日采用“X”形5點采樣法采集各小區0～20 cm的土壤樣

表1 不同處理施肥類型和施肥量Table 1 Fertilizer type and amount of different treatments /(kg·hm-2)

品。土壤pH值測定用水浸提(m水∶m土=2.5∶1)復合電極法，堿解氮含量測定采用堿解擴散法，全氮含量測定采用半微量凱氏定氮法，速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提—火焰光度計法，有機質含量測定采用重鉻酸鉀氧化容量法—外加熱法，有效磷含量測定采用碳酸氫鈉提取—鉬銻抗比色法，銨態氮含量測定采用靛酚藍比色法，硝態氮含量測定采用紫外分光光度法[26]。

1.3.3 地表徑流水收集及測定 試驗小區田埂用水泥澆筑堆砌，在每個小區一側修建徑流收集池共24個，尺寸為2 m×1.03 m×1.33 m，并在其底部開設一個控水閥出口，頂部加石棉瓦蓋。每次降雨產生徑流后收集徑流水，記錄徑流池內水文尺刻度，計算徑流量，并通過一次性塑料瓶采集徑流水，帶回安徽農業大學土壤生態質量與修改實驗室進行分析測定。其中，水樣全氮(total nitrogen,TN)含量測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，水樣全磷(total phosphorus,TP)含量測定采用鉬酸銨分光光度法，銨態氮(ammonium nitrogen,NH4+-N)含量測定采用納氏試劑分光光度法，硝態氮(nitrate nitrogen,NO3--N)含量測定采用紫外分光光度法，所有水樣指標測定儀器均為AA3連續流動分析儀(天津中通科技發展有限公司)[27-28]。

1.3.4 氮磷徑流流失量與肥料利用率 氮磷徑流流失量與肥料利用率分別按以下公式計算：

式中，P為氮磷徑流流失量(kg·hm-2)；Ci為徑流中氮磷濃度(mg·L-1)；Vi為徑流流失體積(m3·hm-2)。

肥料利用率=

×100%。

1.4 數據處理

運用Excel 2010、SPSS 17.0軟件對數據進行統計分析，使用單因素方差分析進行顯著性檢驗(P<0.05)，并使用最小顯著差異法(least significant difference,LSD)和Duncan法進行均值比較。

2 結果與分析

2.1 有機養分替代對小麥產量的影響

由表2可知，與CF處理相比，M1、F1處理小麥產量顯著降低了24.49%、25.44%，且隨著有機肥替代化肥比例的升高，小麥產量均呈現下降趨勢(M3>M2>M1，F3>F2>F1)。小麥產量構成因素表現為：與CF處理相比，M1、F1處理下小麥有效穗數和穗粒數均顯著降低，說明小麥有效穗數和穗粒數在一定程度上影響著小麥產量。

2.2 有機養分替代對麥田氮磷徑流流失的影響

圖2為有機養分替代后小麥整個生育時期TN、TP流失變化特征。總氮流失濃度為0.30～15.00 mg·L-1，

表2 有機養分替代對小麥產量的影響Table 2 The effect of organic nutrient replacement on wheat yield

圖1 有機養分替代后小麥整個生育時期流失變化特征Fig.1 Characteristics of and loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

流失量為0.18～9.90 kg·hm-2。小麥整個生育時期總氮流失特征表現為2020年11月27日各處理下總氮流失均最高，結合施肥情況分析，主要是因為剛施入基肥，有較多的養分未被吸收而以徑流的方式排出農田。隨著小麥生育期的推進，徑流中總氮流失逐漸下降，而在2021年3月21日總氮流失略有上升，這可能是由于小麥生育中后期對養分需求減少，同時降雨較多導致降雨帶入的養分未被吸收利用而隨徑流排出，之后有一段時間迅速下降，可能是小麥生育后期對養分吸收變多而導致養分徑流流失迅速降低。與CF處理相比，有機肥替代化肥處理均降低了總氮徑流流失濃度，其中M1、F1處理降低最明顯，且秸稈有機肥降低效果優于豬糞有機肥。TP流失濃度為0.09～1.35 mg·L-1， 流失量為0.02～0.92 kg·hm-2。在小麥整個生育時期，總磷流失濃度及流失量均表現為先下降后趨于穩定。此外，TN流失量與TP流失量在小麥整個生育時期規律一致，均在生育后期略有上升后趨于穩定。

圖2 有機養分替代后小麥整個生育時期TN、TP流失變化特征Fig.2 Characteristics of TN and TP loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

由表3可知，TN流失量范圍為21.90～33.66 kg·hm-2， 與CF處理相比，不同比例有機肥替代化肥處理TN流失量減少了8.44%～25.94%。NH4+-N、NO3--N流失量范圍分別為2.47～3.89 kg·hm-2、5.28～9.86 kg·hm-2，與CF處理相比，不同比例有機肥替代化肥處理NO3--N流失量減少了5.38%～43.10%。TP流失量范圍為0.60～2.00 kg·hm-2，與CF處理相比，M1、F1處理TP流失量分別升高了44.93%、24.64%。

表3 有機養分替代對麥田氮磷徑流流失量的影響Table 3 Effect of organic nutrient replacement on the runoff loss of nitrogen and phosphorus in wheat field /(kg·hm-2)

表4 有機養分替代對小麥養分吸收及肥料利用率的影響Table 4 Effects of organic nutrient replacement on wheat nutrient absorption and fertilizer utilization

2.3 有機養分替代對小麥養分吸收及肥料利用率的影響

由表4可知，小麥N吸收量為72.26～156.43 kg·hm-2， 其中M3處理N吸收量最高，為156.43 kg·hm-2， F2處理次之，為154.04 kg·hm-2，與CF處理相比分別增加2.12%、0.56%。施肥處理N肥利用率為17%～35%，其中M3處理N肥利用率最高，為35%。小麥P吸收量為10.25～24.06 kg·hm-2，其中M2處理P吸收量最高，為24.06 kg·hm-2，F2處理次之，為24.00 kg·hm-2，與CF處理相比分別增加了10.32%、10.04%。施肥處理P肥利用率為5%～19%，其中M3、F2處理下P肥利用率最高，均為19%，且M1、F1處理N、P肥利用率與其他同類型施肥處理相比均顯著降低。

2.4 有機養分替代對麥田土壤肥力的影響

由表5可知，與CF處理相比，有機肥替代化肥土壤pH值提高了0.08～0.30，說明有機肥替代化肥能減緩土壤酸化，且隨著有機肥替代比例升高，土壤肥力呈現上升趨勢。不同施肥條件下土壤有機質含量為21.89～23.16 g·kg-1，全氮含量為1.18～1.26 g·kg-1， 與CF處理相比，M1處理下麥田有機質、有效磷、堿解氮、速效鉀含量分別顯著提高了5.80%、40.71%、17.43%、16.22%。不同施肥處理下硝態氮、銨態氮含量分別為13.23～18.29 mg·kg-1、4.92～7.82 mg·kg-1，可見，有機肥替代化肥在一定程度上均提高了土壤硝態氮、銨態氮含量，且麥田中硝態氮含量均高于銨態氮。

表5 有機養分替代對麥田土壤肥力的影響Table 5 The effect of organic nutrient replacement on wheat field soil fertility

3 討論

王家寶等[29]研究發現生物有機肥替代17%～34%的化肥有利于小麥增產，較單施化肥處理增幅為11.3%～11.8%，這與本試驗中30%豬糞有機肥替代化肥能明顯提高小麥產量的結果一致。裴雪霞等[30]認為有機肥替代30%氮肥有利于養分向籽粒運轉及籽粒對氮養分的吸收利用，可以維持小麥產量，過高替代比例則會引起小麥貪青晚熟。本試驗中，兩種有機養分替代下，豬糞有機肥對小麥增產效果優于秸稈有機肥，原因可能是秸稈有機肥中氮素礦化較慢引起小麥生長過程中供氮不足，導致小麥產量相對較低。

農田氮磷徑流流失不僅受降雨強度[31]、時間[32]及肥料類型等因素影響，還受土壤物理性質如質地、孔隙、剖面構造等影響。降雨強度直接影響農田地表徑流養分流失，鄔燕虹等[33]認為徑流中各形態氮素流失量隨降雨強度增大而增大，呈現較為明顯的正相關關系。寧建鳳等[34]研究表明，相比單施化肥處理，有機肥替代化肥的TN、NO3--N和NH4+-N流失量分別降低了53.4%、58.2%和56.0%。陳秋會等[35]研究認為有機肥替代化肥TN流失量均低于化肥處理，其中100%有機肥替代降幅最大，且TN流失濃度與流失量一致，這與本研究中有機養分替代處理有助于降低全氮徑流流失濃度、流失量，且與常規施肥處理相比，在100%有機養分替代處理下全氮徑流流失降低幅度最大的結果一致。此外，100%較50%和30%有機肥替代化肥處理TP流失濃度、流失量均增加，這主要是因為本研究以等氮量替代為基礎，當有機肥比例超過50%時，有機肥磷素投入量增加，磷素不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，因此總磷流失量大幅增加。在氮素流失形態上，本研究中硝態氮流失濃度、流失量均高于銨態氮，可能是麥季耕層土壤具有較強的硝化作用，使得硝態氮大量累積在表層，而硝態氮則易流失，從而造成麥季徑流水中硝態氮流失量較高[36]。

謝軍等[37]通過8年的長期定位試驗指出，有機肥替代化肥可提高玉米對氮的利用效率。周江明[38]研究有機肥化肥配施對水稻氮素積累量的影響，指出總氮素累積量在20%有機肥替代化肥處理下最高，此時回收利用量最高。陳大超等[39]指出有機肥處理與單施化肥處理相比，葉片中全磷和全鉀含量顯著提高。朱代強[40]和李水祥等[41]也得到了類似的研究結果。這與本研究中30%～50%豬糞有機養分替代處理下氮磷肥利用率較高的結果一致，由此說明，有機肥替代化肥技術整體上能提高肥料利用率，改善作物的養分吸收水平。

本研究發現有機肥可以緩解土壤酸化，這與毛妍婷等[42]的研究一致。原因在于有機肥在土壤溶液中離解為氫離子，具有較強的交換能力，并與鉀、鈉、銨等一價陽離子作用生成能溶于水的弱酸鹽類，使這些元素在土壤中不易流失，當外界的酸性或堿性物質施入土壤時，有機肥能夠在一定程度上維持土壤溶液的酸堿度不變。另外，研究表明有機肥能提供豐富的氮貯量，進而保持土壤氮素的有效性[43]。這與本研究施用有機肥提高了土壤有機質含量的結果一致。此外，不同的有機肥對土壤養分釋放的影響不同，因此，在實際生產中，施用有機肥時要注意各種有機肥特征，在有機肥替代部分化肥施用過程中，應根據有機肥的類型和養分含量，合理配施氮磷肥，以保證氮、磷養分的均衡投入。

4 結論

本研究發現，30%豬糞有機養分替代處理下小麥產量最高，而在100%有機養分替代處理下小麥產量與其他施肥處理相比均顯著降低；有機養分替代化肥有助于降低麥田總氮徑流流失量，其中在100%有機養分替代處理下總氮徑流流失量最低，而總磷徑流流失量最高；30%～50%豬糞有機養分替代下小麥氮磷肥利用率較高，而在100%有機養分替代處理下氮磷肥利用率與其他施肥處理相比均顯著降低。此外，有機養分替代能夠緩解土壤酸化，使土壤pH值維持穩定。綜合生產實際，30%～50%豬糞有機養分替代在降低麥田氮徑流流失量且維持較低磷徑流流失量前提下有助于提高土壤肥力和肥料利用率，同時也能提高小麥產量、品質，增加其經濟效益。