生物有機肥替代化肥對小麥產量和品質以及土壤質量的影響

李偉欣，黃鯤，柴同海，李銀平，師學靜，唐磊，邢明振

（根力多生物科技股份有限公司，河北 威縣 054700）

小麥（Triticum aestivumL.） 是我國主要糧食作物之一，小麥高產穩產對保證我國糧食安全具有重要意義[1]。據聯合國糧農組織數據，我國小麥產量水平與歐盟平均水平接近，但化肥用量為歐盟的2.5～2.6 倍，超過國際公認安全線2 倍左右，且化肥當季利用率遠低于發達國家[2，3]。施用化學肥料為我國作物增產起到了重要作用，但過量施用不僅不會帶來持續性增產，還會造成土壤板結、土壤養分利用率降低、地下水污染等[4～6]。研究表明，施用有機肥可以改善土壤理化性質，緩解過量施用化肥導致的土壤養分流失和養分利用率低等問題[7，8]。但有機肥養分釋放緩慢，單獨施用不能滿足當季作物的高產需求。用有機肥替代部分化肥，能夠同時利用化肥的速效性和有機肥的持久性，達到既緩解養分流失，又滿足當季作物高產需求的目的。

有機肥與化肥如何合理配施才能實現提高小麥產量和品質且又改善土壤肥力，是長期以來人們關注的焦點。王家寶等[9]研究表明，用生物有機肥替代17%～34%的化肥較單施化肥處理對小麥有增產效果，增產率為11.3%～11.8%。在小麥—玉米一年兩熟輪作體系中，有機無機肥料配施能促進作物對養分的吸收，提高肥料利用效率，顯著增加糧食產量，且降低土壤無機氮的殘留量[10，11]。在油菜上，利用生物有機肥料替代24%～34%的化肥較單施化肥處理增產20.8%～31.2%[12]。高菊生等[13]研究了長期有機無機肥配施對水稻土壤有效養分含量的影響，結果表明，施用有機肥較單施化肥處理能夠顯著提高土壤堿解氮含量。但是，有機肥的施用量并非越高越好，不同地區、不同土壤肥力水平下，適宜不同作物的有機肥替代比例不同[14，15]。前人有關有機肥替代化肥的研究中試驗長度多為1 a，而采用長期定位試驗的研究較少，且鮮有關注有機肥替代化肥對子粒品質的影響。長期定位試驗具有時間的長期性、氣候的重復性、數據的連續性等特點，既可揭示土壤肥料效益的演變，以及肥效規律和土壤質量的變化，又可彌補短期大田試驗因氣候、病蟲害等外界環境因素造成的結果局限性[16～18]。基于此，采用長期定位施肥試驗，通過監測不同用量有機肥替代化肥對小麥產量和品質以及土壤肥力的影響，明確有機肥替代化肥的適宜比例，旨為小麥生產上合理減施化肥、增產提質增效以及土壤養分調理提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017～2021 年在河北省黑龍港地區的威縣進行。土壤類型為潮土，質地為沙壤土。選擇該區種植面積較大的小麥—玉米一年兩熟種植模式進行試驗。試驗區基礎土壤養分含量為有機質7.08 g/kg、堿解氮46.52 mg/kg、有效磷25.31 mg/kg、速效鉀166.78 mg/kg，pH 值7.81。

1.2 試驗材料

小麥品種為山農24 號。施用肥料有摻混肥（化肥）、有機無機復混肥和純發酵生物有機肥粉劑3 種，均由根力多生物科技股份有限公司生產并提供。其中，摻混肥的N、P2O5、K2O 含量分別為20%、20%和5%；有機無機復混肥的N、P2O5、K2O 含量分別為20%、20%和5%，有機質含量（以干基計） ≥8%，有效活菌數≥200 萬個/g；純發酵生物有機肥粉劑的有機質含量≥65%，有效活菌數≥2 億個/g。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設計 試驗施肥方式設普通施肥（100%化肥，摻混肥750 kg/hm2，T1）、有機肥替代20%化肥（有機無機復混肥600 kg/hm2，T2）、有機肥替代50%化肥（摻混肥375 kg/hm2+純發酵生物有機肥1 406.25 kg/hm2，T3）、有機肥替代全部化肥（100%有機肥，純發酵生物有機肥2 812.50 kg/hm2，T4）4 個處理。小區面積600 m2，采用隨機區組排列，3 次重復。各小區之間用80～100 cm 的地埂隔開，以防串肥。

玉米秸稈還田后造墑，小麥適期足墑播種，不同施肥方式處理的肥料均作為基肥在小麥播種前結合整地均勻撒施。小麥生育期共灌水3 次，其中返青期結合灌水追施尿素300 kg/hm2，拔節期結合灌水追施尿素150 kg/hm2。其他田間管理措施同常規。

1.3.2 測定項目與方法

1.3.2.1 小麥產量性狀和子粒品質。小麥收獲期，每小區均選擇2 個2.5 m2的樣方，將樣方內的小麥全部收獲，測定單位面積穗數、穗粒數、千粒重和產量。之后，將小麥子粒充分混合，從中選取1 kg 送檢，參照《食品中氨基酸的測定》 （GB 5009.124—2016）利用氨基酸自動分析儀測定氨基酸含量，參照《食品中蛋白質的測定》 （GB 5009.5—2016）利用凱氏定氮法測定蛋白質含量。

1.3.2.2 土壤養分含量。每年小麥收獲后，各小區均采用隨機五點法取樣，每個樣點均采集0～20 cm 土層的混合土樣約500 g，置于通風陰涼處風干后粉粹、過篩（孔徑2.5 mm），備用，測定土壤養分含量。其中，堿解氮含量測定采用堿解擴散法；速效磷含量測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法；速效鉀含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法；有機質含量測定采用重鉻酸鉀容量法[19]。

1.3.3 數據處理與分析 指標值均取試驗年度的平均值。利用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進行數據處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 生物有機肥替代化肥對小麥產量性狀和子粒品質的影響

2.1.1 產量及其構成因素 生物有機肥替代化肥處理的單位面積穗數為486.18 萬～536.80 萬個/hm2，指標值的增減因替代比例的不同而異，其中T2處理的指標值較T1處理增多8.92%且差異達到了顯著水平，而其他2 個處理較T1處理差異均不顯著；穗粒數為28.43～30.94 粒，指標值的增減因替代比例的不同而異，但不同替代比例處理間及其與T1處理間的差異均不顯著，其中T2處理的指標值最大；千粒重為41.90～43.15 g，均＞T1處理，其中T2處理最大、T4處理次之，二者效果顯著，指標值分別較T1處理提高4.05%和2.51%；最終，小麥產量隨著替代比例的增大而逐漸降低，指標值為5 893.58～7 116.07 kg/hm2，但均＞T1處理，增產率為1.95%～23.1%，其中T2處理的產量最高且與其他處理差異均達到了顯著水平（表1）。表明生物有機肥替代化肥較單施化肥可提高小麥產量，其中T2處理效果最好，能夠有效提高單位面積穗數和千粒重，增產顯著。

表1 生物有機肥替代化肥對小麥產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on wheat yield and yield components

2.1.2 子粒品質

2.1.2.1 蛋白質含量。生物有機肥替代化肥處理的小麥子粒蛋白質含量為11.13%～13.03%，均顯著＜T1處理，降幅為5.1%～19.0%；指標值隨著生物有機肥替代比例的增大而逐漸降低，且不同替代比例處理的差異達到了顯著水平，其中T3與T4處理差異不顯著，但二者均顯著＜T1處理（表2）。表明生物有機肥替代化肥較單施化肥不利于子粒蛋白質含量的提高，其中T2處理下效果相對較好。

表2 生物有機肥替代化肥對小麥子粒蛋白質含量的影響Table 2 Effects of replacing chemical fertilizers with bioorganic fertilizers on the protein content of wheat grains

2.1.2.2 氨基酸含量。生物有機肥替代化肥處理對小麥子粒16 種氨基酸含量以及氨基酸總含量的影響效果因替代比例的不同而異（表3）。隨著生物有機肥替代化肥比例的增大，天冬氨酸、蘇氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、繳氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、組氨酸和精氨酸含量呈先升高后降低的變化，指標值均以T2處理最大；絲氨酸、谷氨酸和酪氨酸含量呈逐漸降低趨勢，生物有機肥替代條件下指標值均以T2處理最大；蛋氨酸含量呈逐漸升高趨勢；最終，T2、T3、T4處理的子粒氨基酸總含量分別為13.03%、12.67%和12.54%，除T2處理較T1處理（12.77%） 提高0.26 百分點外，其他2 個處理均＜T1處理。表明適宜比例的生物有機肥替代化肥才有利于子粒氨基酸含量的提高，其中T2處理效果最好。

表3 生物有機肥替代化肥對小麥子粒16 種氨基酸含量的影響Table 3 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on the content of 16 amino acids in wheat grains （%）

2.2 生物有機肥替代化肥對土壤養分含量的影響

生物有機肥替代化肥處理對土壤各養分平均含量的影響效果因替代比例的不同而異（表4）。隨著生物有機肥替代化肥比例的增大，土壤堿解氮含量呈先升高后降低的變化，除T4處理外，其他處理的指標值均＞T1處理，其中T3處理明顯較高，而T2與T1處理差異不顯著；速效磷和速效鉀含量均呈逐漸降低的變化，且不同替代比例處理的差異均達到了顯著水平，其中T2處理的指標值分別較T1處理增加了27.92%和4.48%且差異均達到了顯著水平，而其他2 個處理的指標值均顯著＜T1處理；有機質含量均顯著＞T1處理，且指標值隨著替代比例的增大而明顯提高。總體來看，T2處理提高土壤肥力效果最好。

表4 生物有機肥替代化肥處理對4 a 土壤養分平均含量的影響Table 4 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on average content of soil nutrients in 4 years

從不同年份的土壤肥力（表5）變化看，隨著施用生物有機肥年限的增加，土壤堿解氮和有機質含量上升，土壤速效磷和速效鉀含量下降。2021 年與2018 年相比，土壤堿解氮、有機質含量分別提高了15.27%～75.57%和13.56%～43.96%，其中T2處理提高有機質含量效果最好；土壤速效磷、速效鉀含量分別降低了24.77%～67.10%和7.80%～26.97%，其中T2處理的速效磷降幅最小。表明用有機肥替代部分化肥有利于土壤堿解氮和有機質含量的提高，且有機質含量隨著有機肥施用年份的增加而提高，總體來看，T2處理效果較好。

表5 生物有機肥替代化肥處理對土壤養分含量的影響Table 5 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on soil nutrient content

3 結論與討論

化肥對于糧食作物增產起到了重要作用，但過度施用不僅會影響土壤綜合生產能力的提高，還會導致生態環境的惡化。因此，用有機肥替代部分化肥是減少化肥施用并保證糧食作物可持續生產的重要措施之一[20]。

本研究條件下，有機肥替代20%化肥處理的小麥單位面積穗數和千粒重顯著高于普通施肥，說明有機肥與化肥合理配施通過增加單位面積穗數和千粒重，從而實現小麥增產，這與張晶等[21]的研究結果一致。高伯行等[22]發現，有機氮替代20%～40%的無機氮時，小麥產量高于常規施肥。邢鵬飛等[23]利用豬糞有機肥替代化肥，結果顯示，有機肥替代30%的無機肥對小麥具有較好的增產作用。在本試驗中，除有機肥替代20%化肥外，有機肥替代50%和100%化肥時小麥產量與普通施肥均無顯著差異。說明用有機肥替代化肥時比例并不是越大增產效果就越好，應存在最佳替代比例。

有機肥部分替代化肥處理是提高作物養分利用效率和改善土壤的重要手段之一。本研究中，隨著生物有機肥替代化肥比例的增大，土壤有機質含量上升，而土壤中堿解氮、速效磷和速效鉀含量呈先升后降的趨勢變化；隨著施用生物有機肥年限的增加，土壤堿解氮和有機質含量上升，土壤速效磷和速效鉀含量下降。這與Du 等[24]和李燕青[25]有機肥與化肥配施對土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀含量均明顯增加的結論不一致，這可能與試驗設置的最大有機肥替代比例、長期定位試驗年限、基礎地力等因素不同有關。

小麥品質不僅與品種遺傳特性、栽培條件和管理措施等有關，還與土壤理化性質有關。不同比例的有機肥與化肥配施對冬小麥品質的改善作用不同；提高作物栽培技術，如增加有機肥用量、改進施肥措施，均為提高品質的有效途徑[26，27]。本研究結果顯示，生物有機肥替代化肥不利于小麥子粒品質的提高，且小麥品質隨著替代比例的增大呈降低趨勢，主要是因為有機肥養分釋放緩慢，當季施用比例越高，越不利于滿足作物高產優質對當季養分的需求。

本研究通過長期定位試驗，研究了生物有機肥替代化肥對小麥產量和品質以及土壤質量的影響，結果表明，生物有機肥部分替代化肥處理可以提高子粒產量和土壤肥力，但不利于提高品質，其中用生物有機肥替代20%的化肥時可以在實現高產穩產的同時，實現較優的子粒品質，提高土壤肥力。因而，小麥生產上，用生物有機肥替代20%的化肥較為可行。