有機肥替代部分化學氮肥對南疆超晚播冬小麥產量、氮磷吸收利用及土壤肥力的影響

賴 寧， 耿慶龍， 信會男， 李永福， 李 娜， 范貴強， 陳署晃

(1.新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所，新疆烏魯木齊 830091； 2.新疆農業科學院農業遙感中心，新疆烏魯木齊 830091；3.新疆農業科學院糧食作物研究所，新疆烏魯木齊 830091)

南疆是新疆維吾爾自治區重要的棉花優勢產區，種植面積大，長期連作會導致連作障礙發生，對棉田生態環境造成一定負面影響[1]。棉花收獲后種植冬小麥是棉田重要的倒茬方式，由于南疆棉花在10月中下旬才收獲完畢，棉花茬小麥只能在10月下旬至11月上中旬播種，較適期播種(9月中下旬至10月上旬)晚近30 d。相關研究表明，超晚冬播小麥具有節水的優點[2]，這對于緩解南疆水資源短缺具有重要意義，然而超晚播冬小麥易出現出苗率低而不穩、苗弱、根系發育和分蘗差[3]，影響產量。采取一定的栽培措施，以彌補晚播對小麥個體、群體生長的負面影響，對提高超晚播小麥產量，保障糧食安全具有重要意義。

有機肥替代部分化肥是化肥減量增效的主要手段之一，有機肥施入后，可以活化土壤養分[4-6]、改善土壤微生物群落結構[7]、提高養分供應能力、培肥地力[6]。相關研究表明，有機肥替代化肥比例在20%～30%時，顯著提高了作物的生物量和產量，對促進養分吸收利用、提高肥料利用效率和土壤肥力具有積極作用[8-11]。前人的研究主要集中在正常適期播種和雨養農業，但針對超晚播，特別是新疆干旱區綠洲灌溉農業下超晚播冬小麥有機肥替代部分化學氮肥的研究較少，成果未見報道。本研究通過設置不同有機肥替代部分化學氮肥比例田間小區試驗，研究不同有機肥替代部分化學氮肥比例對南疆超晚播冬小麥產量、氮磷養分吸收利用及土壤肥力的影響，明確南疆超晚播冬小麥有機肥替代部分化學氮肥的適宜比例，以期為提高南疆超晚播冬小麥產量，保障糧食安全，實現化肥減量增效和提升耕地地力提供科學參考。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗于2020—2021年在新疆農業科學院澤普縣小麥育種家基地(77°18′21″E，38°14′18″N)進行，試驗地四季分明，氣候干燥，日照時間長，年平均降水量為49 mm，蒸發量為228 mm，無霜期214 d，年平均氣溫為11.4 ℃，屬典型的溫帶大陸性干旱氣候。試驗地前茬為棉花，土壤類型為潮土，0～20 cm土層土壤pH值為8.27，耕層鹽分含量為 1.46 g/kg，有機質含量為10.98 g/kg，全氮含量為 0.64 g/kg，速效磷含量為12.58 mg/kg，速效鉀含量為282 mg/kg。

1.2 試驗設計

施肥水平為N 240 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，K2O 42 kg/hm2，試驗設置4個處理：單施化肥(CF)、有機肥替代20%氮肥(NMF1)、有機肥替代40%氮肥(NMF2)、有機替代60%氮肥(NMF3)。每個處理重復3次，隨機排列，小區面積為12 m×10 m=120 m2。氮肥為尿素，磷肥為重過磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀，有機肥為商品有機肥(N、P2O5、K2O比例為8 ∶1 ∶1，有機質含量≥ 45%，由新疆慧爾農業集團股份有限公司生產)。20%的氮肥、全部的磷肥和鉀肥作基肥施用(有機肥替代處理中全部的有機肥基施，基肥中磷肥和鉀肥用量需扣除有機肥中P2O5、K2O等養分)，剩余的氮肥作追肥隨水滴施，其中返青期、拔節期、孕穗期、揚花期和灌漿期的施氮比例分別為20%、25%、15%、15%、5%。

供試冬小麥品種為當地主栽品種新冬20號，播種量為375 kg/hm2，于2020年10月29日播種，于2021年6月19日收獲。全生育期總灌溉量為 4 050 m3/hm2，其中出苗水450 m3/hm2，冬灌 900 m3/hm2，返青期、拔節期、孕穗期、揚花期、灌漿期和乳熟期各滴水1次，每次450 m3/hm2，滴灌帶布置為1管4行(4行小麥1條滴灌帶，行距為 15 cm)。其他管理與大田生產相同，無明顯病蟲草害。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 植株測產取樣與測試分析 在小麥成熟期各試驗小區取具有代表性2 m2(1 m×2 m)樣方測產，調查割方產量、地上部生物量、總莖數、有效穗數、千粒質量、容重，最終產量按照籽粒標準含水量12.5%折算；同時取10株小麥植株樣品，按莖、葉、籽粒、穎殼分裝，帶回實驗室放入烘箱中105 ℃殺青30 min，75 ℃烘24 h至恒質量，測試分析全氮、全磷和全鉀含量。

植株全氮、全磷、全鉀含量分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法、火焰光度計法測定。

1.3.2 土壤取樣與測試分析 在小麥測產取樣的同時，進行土壤取樣。取樣分3層：0～10、10～20、20～30 cm。剔除根系、殘膜、石塊等，實驗室內自然風干后，研磨過篩，測試分析其有機質、全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀含量。

采用重鉻酸鉀外加熱氧化法測定土壤有機質含量，采用凱氏蒸餾法測定全氮含量，采用堿解擴散法測定堿解氮含量，采用鉬銻抗比色法測定速效磷含量，采用火焰光度法測定速效鉀含量。

1.3.3 相關指標計算 地上部氮(磷)素積累量=莖干物質量×莖含氮(磷)量+葉干物質量×葉含氮(磷)量+穎殼干物質量×穎殼含氮(磷)量+籽粒干物質量×籽粒含氮(磷)量；

氮(磷)肥偏生產力(PFPNP)=試驗小區產量/施氮(磷)肥量×100%。

1.3.4 數據分析 采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20軟件進行數據處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 有機替代對晚播冬小麥產量及產量構成的影響

由表1可知，有機肥替代部分化學氮肥促進了晚播冬小麥穗數的增加，有機肥替代處理穗數均高于單施化肥處理，其中NMF2處理顯著高于CF、NMF1、NMF3處理，CF、NMF1、NMF3處理間穗數差異不顯著，NMF1、NMF2、NMF3處理分別較CF處理增加2.90%、20.09%、6.98%；從穗粒數來看，隨著有機替代比例的增加，穗粒數呈減少趨勢，NMF1處理穗粒數最大，顯著高于NMF3處理，但與CF、NMF2處理差異不顯著，NMF1處理穗粒數較CF處理提高了4.87%；各處理間千粒質量差異不顯著，NMF3處理最大，NMF1處理次之；從產量上看，隨著有機替代比例的增加，產量呈減少趨勢，NMF1處理最大，顯著高于其他處理，較CF處理增產6.54%；生物量也隨著有機替代比例的增加而降低，NMF1處理最大，顯著高于NMF3處理，與CF、NMF2處理差異不顯著，較CF處理生物量提高了7.21%。

表1 不同比例有機替代處理下小麥產量及產量構成因素

2.2 有機替代對晚播冬小麥氮磷養分吸收積累與分配的影響

由表2可知，有機肥替代部分化學氮肥有助于提高晚播冬小麥對氮素的吸收積累。從籽粒氮素積累量來看，有機替代處理高于單施化肥處理，NMF1處理最大，顯著高于CF處理，與NMF2、NMF3處理差異不顯著，NMF1處理籽粒氮素積累量較CF處理提高了11.57%。各處理間莖和葉氮素積累量差異不顯著，均以NMF1處理最大，莖和葉氮素積累量分別較CF處理提高了15.40%、12.14%。不同處理間超晚冬播小麥穎殼氮素積累量差異不顯著，表現為CF>NMF3>NMF1>NMF2處理。從總氮素積累量來看，有機替代處理高于單施化肥處理，NMF1處理最大，顯著高于CF處理，CF處理與NMF2、NMF3處理差異不顯著，NMF1處理總氮素積累量較CF處理提高了9.88%。

表2 不同比例有機替代處理下小麥成熟期各器官氮素吸收積累與分配

由表3可知，有機肥替代部分化學氮肥有助于提高晚播冬小麥對磷素的吸收積累。從籽粒磷素積累量來看，NMF1處理最大，NMF2處理次之，均顯著高于CF處理，但與NMF3處理差異不顯著，NMF1、NMF2處理籽粒磷素積累量分別較CF處理提高了33.80%、25.41%。從莖磷素積累量來看，NMF1處理最大，NMF2處理次之，均顯著高于CF處理，與NMF3處理差異不顯著，NMF1、NMF2處理莖磷素積累量分別較CF處理提高了130.62%、76.08%。各處理間葉和穎殼磷素積累量差異不顯著，NMF1處理最大，葉和穎殼磷素積累量分別較CF處理提高了40.60%和22.38%。從總磷素積累量來看，有機替代高于單施化肥處理，NMF1處理最大，NMF2處理次之，兩者均顯著高于CF處理，CF與NMF3處理差異不顯著，NMF1、NMF2處理的總磷素積累量分別較CF提高了37.91%、27.42%。

2.3 有機替代對晚播冬小麥氮磷利用效率的影響

由圖1可知，有機肥替代20%化學氮肥有助于提高超晚播冬小麥的氮肥偏生產力(PFPN)和磷肥偏生產力(PFPP)。從氮肥偏生產力來看，NMF1處理最大，顯著高于其他處理，CF與NMF2處理差異不顯著，但顯著高于NMF3處理， NMF1處理氮肥偏生產力較CF處理提高了6.54%。從磷肥偏生產力來看，NMF1處理最大，顯著高于NMF2、NMF3處理，與CF處理差異不顯著，NMF1處理磷肥偏生產力較CF處理提高了6.54%。

表3 不同比例有機替代處理下小麥成熟期各器官磷素積累與分配

2.4 有機替代對土壤肥力因素的影響

土壤肥力是影響作物產量的重要因素，衡量土壤肥力高低的指標主要有土壤有機質、全氮、堿解氮、有效磷和速效鉀含量[12]。由表4可知，在0～10 cm土層中，NMF3處理土壤有機質含量最高，NMF1處理次之，NMF3處理顯著高于CF處理，與NMF1、NMF2處理差異不顯著，NMF1、NMF2、NMF3處理分別較CF處理提高了9.23%、8.55%、11.95%；各處理間0～10 cm土壤全氮、堿解氮和速效磷含量差異不顯著，均表現為NMF1處理最高，NMF2處理次之，CF處理最小，NMF1、NMF2、NMF3處理0～10 cm 土壤全氮含量分別較CF處理提高了15.15%、12.12%、9.09%，堿解氮含量分別較CF提高了21.69%、8.03%、1.94%，速效磷含量分別較CF提高了28.16%、16.69%、15.43%；各處理間 0～10 cm土壤速效鉀含量差異不顯著，CF處理最高，NMF1處理次之，NMF3處理最小，NMF1與CF處理土壤速效鉀含量相當。

在10～20 cm土層，土壤有機質含量以NMF3處理最高，NMF1處理次之，NMF3處理顯著高于CF處理，與NMF1、NMF2處理差異不顯著，NMF1、NMF2和NMF3處理分別較CF處理提高15.99%、12.90%、29.00%。各處理間10～20 cm土壤全氮含量差異不顯著，CF處理最高，NMF1處理次之，NMF2和NMF3處理最小。土壤堿解氮含量表現為CF>NMF1>NMF2>NMF3處理，CF處理顯著高于NMF3處理，但與NMF1、NMF2處理差異不顯著。各處理間10～20 cm土壤速效磷含量差異不顯著，NMF1處理最高，CF處理次之，NMF3處理最小，NMF1處理土壤速效磷處理較CF處理提高了6.11%。各處理間10～20 cm土壤速效鉀含量差異不顯著，表現為CF>NMF2>NMF1>NMF3處理。

在20～30 cm土層，土壤有機質含量在各處理間差異不顯著，表現為NMF1>NMF3>CF>NMF2處理，NMF1、NMF3處理分別較CF處理提高7.24%和3.85%。各處理間20～30 cm土壤全氮含量差異不顯著，表現為CF>NMF1>NMF2>NMF3處理。各處理間20～30 cm土壤堿解氮含量表現為CF>NMF1>NMF3>NMF2處理，有機替代處理間差異不顯著，CF處理顯著高于NMF2、NMF3處理。各處理間20～30 cm土壤速效磷含量表現為NMF1>CF>NMF2>NMF3，CF與NMF1處理間差異不顯著，均顯著高于NMF2和NMF3處理。各處理間 20～30 cm土壤速效鉀含量表現為CF>NMF1>NMF2=NMF3，CF處理顯著高于有機替代處理，有機替代處理間差異不顯著。

3 討論與結論

有機肥與化肥配合施用可以改善土壤微生物的活性，改善土壤供應，提高養分的釋放能力，為小麥等作物生長提供良好的養分環境，可延緩葉片衰老，提高養分吸收利用，實現增產增效[13]。試驗結果表明，有機肥替代20%化肥氮肥時，較單施化肥，穗數增加了2.90%，穗粒數增加了4.87%，產量提高了6.54%，同時生物量提高了7.21%， 隨著替代比例的增加，穗粒數、產量和生物量呈現減小趨勢，這與以往的研究結果基本一致，李永華等的研究表明，有機肥施入可延緩葉片衰老，延長灌漿持續期，促進小麥養分吸收利用，提高產量，當有機替代比例為15%和30%時，小麥分別增產8%和5%[14]。

表4 不同處理超晚冬播小麥麥田土壤養分含量

申長衛等的研究表明，適宜的有機肥替代化學氮肥比例，對提高小麥生育期的吸氮強度和籽粒中的氮素分配率，促進對養分吸收利用具有積極作用，替代比例為20%較適宜[11]。本研究發現，與單施化肥相比，有機替代比例為20%時，超晚播冬小麥籽粒、莖、葉和地上部的氮磷積累量均高于單施化肥處理，這與前人的研究結果一致。籽粒、莖、葉、和地上部吸氮量分別較單施化肥提高11.57%、15.40%、12.14%和9.88%，籽粒、莖、葉、和地上部吸磷量分別較單施化肥提高33.80%、130.62%、40.60%和37.91%。

有機肥替代部分化學氮肥可以優化改善化肥管理，是提高肥料利用率的有效措施[15]。孟琳等的研究表明，與單施化肥相比，有機替代顯著提高了水稻對氮素的利用率和農學效率[16]。魏文良等通過長期定位試驗和文獻計量研究了有機肥替代部分化肥對我國小麥、玉米、水稻產量、氮肥利用效率的影響，結果表明，有機替代相比單施化肥產量平均提高了18.2%，氮肥偏生產力提高了32.5%[17]。魯偉丹等的研究表明，與單施化肥相比，有機肥替代18%～24%化學氮肥提高了小麥氮磷肥料偏生產力[18]。本研究結果表明，有機替代比例為20%時，氮肥偏生產力和磷肥偏生產力分別較單施化肥提高了6.54%和7.21%，這與前人的研究結果基本一致。有機替代降低了土壤pH值，改善了土壤團粒結構，活化了土壤養分，促進了作物對養分的吸收利用[15，19]，進而提高了肥料的利用效率。

有機肥施用對提高土壤肥力具有積極作用[20-24]。Yang等的長期定位試驗結果表明，與單施化肥相比，有機肥施用后，土壤全氮含量提高 46%～55%，且隨有機替代比例增加而增加[25]。季佳鵬等的研究表明，與單施化肥相比，有機肥替代20%化肥，0～20 cm土層土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別提高了13.00%～15.20%、12.20%～18.50%、16.70%～34.20%、7.75%～18.50%[26]。本試驗結果表明，與單施化肥相比，有機肥替代部分化學氮肥0～10 cm土層土壤中有機質、全氮、堿解氮和速效磷含量都有不同程度的提高，有機質含量提高了8.55%～11.95%，全氮含量提高了9.09%～15.15%，堿解氮含量提高了1.94%～21.69%，速效磷含量提高了15.43%～28.16%，這與季佳鵬等的結論基本一致。本試驗中各處理間土壤速效鉀含量差異不顯著，這可能與研究區土壤速效鉀含量高及灌溉水為微咸水有關。

在本試驗條件下，南疆超晚冬小麥有機肥替代部分化學氮肥適宜比例應為20%，此條件下小麥產量提高了6.54%，生物量提高了7.21%，氮、磷吸收積累量分別提高9.88%、37.91%，氮、磷偏生產力均提高6.54%，同時0～10 cm土層土壤中有機質、全氮、堿解氮和速效磷含量分別提高了9.23%、15.15%、21.69%和28.16%。