有機肥替代氮肥對小麥產量、品質及養分積累的影響

杜光輝, 史鵬飛, 聶良鵬, 張 琳, 丁 麗, 呂玉虎, 張麗霞, 潘茲亮, 李 杰

(信陽市農業科學院,河南信陽 464001)

河南省信陽市是我國優質弱筋小麥生產核心區,是支撐我國蒸煮和烘培等相關食品的原料生產與加工優勢區域。稻麥輪作是當地重要種植模式,但化肥過度施用,不僅造成土壤板結,制約土壤地力提升,嚴重影響稻茬麥的產量與品質,還會降低資源利用效率[1-2]。

有機肥富含豐富的有機質及作物生長所需的礦物質,作為培肥土壤、提升地力的重要手段,受到廣泛關注[3-4]。一方面有機肥的施用可以改善土壤團聚體,緩解土壤板結,增加土壤透氣性,提升土壤地力[5-6];另一方面有機肥是有機物料發酵而來,具有豐富的有益微生物和養分,對培肥土壤,提高肥料利用率,增加小麥產量和品質有重要影響[7-8]。但有機肥氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量低、養分釋放慢,不能滿足作物對養分的需求,影響小麥的產量[9]。

有機肥替代氮肥能夠有效調節土壤養分供給,補充土壤有機質,促進小麥對礦質元素的吸收積累,提升土壤地力及可持續性,是小麥提質增效的有效措施[10-13]。但有機肥施用比例過大不僅會增加投入成本,還影響小麥產量,增加土壤氮的損失。本試驗旨在探索有機肥替代氮肥對小麥產量、品質及養分積累的影響,為豫南弱筋麥種植區的有機肥替代氮肥技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于河南省息縣宏升糧食制品有限責任公司生產基地(32°15′N,114°09′E),該地地處淮河以北,地勢平整,灌溉方便,旱澇保收。供試土壤為壤土,試驗前耕層(0～20 cm)土壤pH 值 7.58,有機質含量19.3 g/kg,全氮含量1.06 g/kg,堿解氮含量 87.5 mg/kg,全磷含量0.40 g/kg,有效磷含量 7.65 mg/kg,全鉀含量15.68 g/kg,速效鉀含量 117.3 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗選用小麥品種為揚麥13,經檢測供試有機肥總氮含量1.51%,總磷含量3.32%,總鉀含量0.36%。

1.3 試驗設計

本試驗共設計5個處理,分別是不施肥(CK)處理、常規施肥(T1)處理、化肥優化施肥(T2)處理、有機肥替代15%氮肥(有機肥以氮計算,T3)處理、有機肥替代30%氮肥(T4)處理,每個處理設3次重復,采用隨機區組排列。小區面積為20 m2(4 m×5 m),各小區間隔30 cm,并進行開溝。試驗于2021年10月20日進行播種,2022年5月23日收獲,播種量為225 kg/hm2,每個小區種16行,行距25 cm。小麥按照N、P2O5、K2O的含量分別為210、126、105 kg/hm2施肥。磷肥(過磷酸鈣,P2O5含量12%)、鉀肥(氯化鉀,K2O含量 60%)及有機肥全部作基肥施用;氮肥(尿素,N含量46%)常規施肥全部作基肥施用,優化施肥及其他處理按基肥70%、返青肥30%的比例施用。

1.4 樣品采集與分析

在2022年收獲期,根據5點對角線法采集小麥地上部植株,每個點采集3株小麥。將小麥分為籽粒和秸稈2個部分,清洗自然風干后分別稱質量,粉碎過篩,做好標記,裝袋保存,留待后續測定。

小麥籽粒測定蛋白質、淀粉、脂肪、全氮、全鉀和全磷的含量。小麥秸稈測定全氮、全鉀和全磷的含量。小麥產量按實打實收計算。

1.5 計算公式與統計方法

小麥氮積累量=小麥干物質量×小麥氮含量/1 000,kg/hm2;氮肥利用率=(施氮區作物吸氮量-不施氮區作物吸氮量)/(施氮量+有機肥氮含量)×100%;氮偏生產力=施氮處理產量/施氮量,kg/kg;氮農學效率=(施氮區籽粒產量-對照產量)/氮肥施用量,kg/kg。

所有試驗數據均采用SAS 9.4 、 Microsoft Excel 2013 、Graph Pad Prism 5.0進行處理分析及繪圖。并通過Duncan’s多重比較驗證0.05水平上的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小麥地上部干物質量的影響

不同處理對小麥地上部干物質量的影響如圖1所示,與CK相比,所有施肥處理均顯著增加了小麥籽粒、秸稈及地上部干物質量。從圖1-a可以看出,不同處理籽粒干物質量在5.575～7.720 t/hm2之間,T3處理產量最高;與T1處理相比,T2、T3、T4處理均能顯著增加小麥籽粒干物質量,增幅分別為3.66%、8.66%、4.93%;與T2、T4處理相比,T3處理能顯著增加小麥籽粒干物質量。從圖1-b可知,小麥秸稈干物質量在4.945～6.875 t/hm2之間,且優化施肥處理的干物質量最高;與T1處理相比,T2、T3和T4處理均能提高小麥秸稈產量,但只有T2處理差異顯著,增幅分別為13.45%、6.44%和5.78%。從圖1-c可以看出,不同處理小麥地上部干物質量在10.520～14.240 t/hm2之間,與T1處理相比,優化施肥處理及2個有機肥替代氮肥處理均顯著提高了地上部干物質量,增幅分別為8.99%、8.46%、6.12%。

2.2 不同試驗處理對小麥品質的影響

由表1可知,有機肥部分替代氮肥能夠顯著增加小麥籽粒中蛋白質和淀粉的含量。與T1、T2處理相比,T3和T4處理可以顯著增加小麥籽粒的蛋白質含量,T3處理增幅為5.15%、3.55%,T4處理增幅5.88%、4.26%;施化肥處理與對照無顯著差異。有機肥替代15%氮肥處理的小麥籽粒中淀粉含量最高,與常規施肥和不施肥處理相比差異均達到顯著水平。與T1、T2處理相比,T3和T4處理顯著提高了麥粒的淀粉含量,T3處理增幅為24.63%、19.85%,T4處理增幅為19.54%、14.95%。施肥處理對小麥籽粒中脂肪含量影響較小,有機肥替代15%氮肥處理的小麥籽粒中脂肪含量依舊最高。

表1 不同處理對小麥品質的影響

2.3 不同試驗處理對小麥籽粒養分積累的影響

不同處理對小麥籽粒養分積累的影響如圖2所示,與CK相比,所有施肥處理均顯著增加了小麥籽粒氮、磷、鉀養分的積累。從圖2-a可以看出,不同處理小麥籽粒氮積累量均存在差異,與T1處理相比,T2、T3和T4處理均顯著增加了小麥籽粒氮積累量,增幅分別為20.17%、19.92%、10.72%;T3、T4處理氮積累量均低于T2處理,且T4處理與T2處理差異達到顯著水平,T4處理降幅為8.54%。從圖2-b可以看出,T4處理小麥籽粒磷積累量最大,但與T2、T3處理差異不顯著;與T1處理相比,優化施肥處理和2個有機肥替代氮肥處理均顯著增加了小麥籽粒氮積累量,增幅為9.75%～18.31%。不同處理小麥籽粒鉀積累量變化如圖2-c所示,與T1處理相比,T2、T3、T4處理均顯著增加了籽粒鉀積累量,增幅為14.36%～29.24%;與T2處理相比,T3、T4處理籽粒鉀積累量均顯著增加,增幅分別為13.01%、8.18%。

2.4 不同處理對小麥秸稈養分積累的影響

不同處理小麥秸稈養分積累量如圖3所示,小麥秸稈的鉀積累量高于氮和磷的積累量,所有施肥處理均顯著提高了小麥秸稈的養分積累量。從圖 3-a 可以看出,優化施肥處理秸稈氮積累量顯著高于有機肥替代氮肥處理,與T3、T4處理相比,T2處理的增幅分別為8.82%、16.08%;與T1處理相比,T2、T3和T4處理顯著增加了小麥秸稈氮積累量,增幅分別為29.11%、18.64%、11.23%。從圖3-b可以看出,施肥處理顯著增加了小麥秸稈中磷積累量且存在顯著差異,4個施肥處理秸稈中磷積累量表現為T4處理>T3處理>T2處理>T1處理,與T1處理相比,T2、T3和T4處理小麥秸稈磷積累量分別增加82.21%、99.27%和109.19%。不同處理小麥秸稈鉀積累量如圖3-c所示,T4處理的小麥秸稈中鉀的積累量最高,達到134.47 kg/hm2,且隨著有機肥替代氮肥比例增加,小麥秸稈中鉀含量逐漸增加;與T1處理相比,T2、T3和T4處理顯著增加了小麥秸稈的鉀積累量,增幅為21.96%～36.27%。

2.5 不同處理對氮肥利用效率的影響

氮肥利用率、氮偏生產力和氮農學效率是當前評價氮肥利用效率的常用指標,其數值越大表示作物對氮素的利用效率越高。由表2可知,與T1處理相比,T3和T4處理的氮肥利用率、氮偏生產力及氮農學效率均顯著提高,T2、T3和T4處理小麥的氮肥利用率分別增加了91.03%、84.78%和51.04%,氮偏生產力分別增加了3.67%、8.66%和4.94%,氮農學效率分別增加了16.87%、40.05%和22.77%;與T2處理相比,T3和T4處理小麥的氮肥利用率分別降低3.27%和20.93%,氮偏生產力分別增加了4.82%和1.23%,氮農學效率分別增加了19.84%和5.05%。

表2 不同處理對氮肥利用率的影響

3 討論

作物產量是衡量不同施肥處理效果的重要指標。高菊生等通過開展有機無機配施長期定位試驗表明,有機無機配施能夠顯著提高水稻地上部干物質量,促進水稻持續高產穩產[14];Azam 等通過開展小麥玉米輪作試驗發現有機氮替代25%化學氮肥時小麥產量達到最高[15]。本研究結果表明,稻茬麥種植模式下,有機肥替代15%氮肥(T3)時小麥籽粒干物質量最高,且增加氮肥替代量后,小麥籽粒干物質量呈現下降趨勢,這可能是由于有機肥盡管含有充足的養分,但是其釋放非常緩慢不利于作物吸收。本試驗與田亨達等用有機肥替代30%氮肥效果最好的研究結果[16]存在一定差異,可能是因為本試驗首年進行,有機肥長期培肥效果未能得到完全體現。T2、T4處理的籽粒干物質量無顯著性差異,一方面可能是因為試驗田塊前期土壤肥力水平較大,本試驗為第1年試驗,受土壤肥力狀況影響較大,造成小麥產量無顯著性差異;另一方面可能是因為有機肥富含豐富的有機質及磷、鉀養分,但肥效長、養分釋放慢,T4處理相對T2處理增加了有機質及磷、鉀肥供應量,對小麥生長有一定促進作用,而氮養分釋放較慢又對小麥生長造成一定影響,從而出現T2、T4處理無顯著性差異的現象。綜上所述,有機肥替代15%氮肥能夠顯著增加小麥的產量。

蛋白質、淀粉和脂肪是小麥品質的重要成分。施用有機肥料并不能顯著改善小麥籽粒中脂肪的含量,但可以顯著增加蛋白質和淀粉的含量。綜上分析,說明有機肥替代氮肥能夠改善小麥籽粒的品質,這可能是因為有機肥中富含微量元素和有機質,能夠改善土壤理化性狀,促進小麥葉片的光合作用,進而促進了蛋白質和淀粉在籽粒中的累積[17]。

小麥籽粒與秸稈養分積累量能夠直觀反映出干物質的生產與分配,小麥對養分的吸收利用及轉運,會直接或間接影響小麥產量[18]。本研究結果表明,施肥或有機肥替代氮肥均能顯著增加小麥籽粒與秸稈養分積累量。肥料的施用能夠提高土壤養分含量,促進小麥對養分的吸收利用,增加小麥對養分的吸收利用,提高小麥籽粒與秸稈的養分積累。與常規施肥相比,優化施肥及有機肥替代氮肥處理均能顯著提高小麥籽粒與秸稈中養分的積累量,且增加幅度較大。一方面可能是因為常規施肥造成小麥前期旺長,越冬期受凍害影響嚴重,隨著生育期延長,化肥肥效短流失嚴重,造成返青、拔節期肥效不足,嚴重影響了小麥籽粒與秸稈干物質量,進而影響小麥養分吸收與積累[19]。從圖2-a與圖3-a可以看出,小麥籽粒與秸稈氮積累量均表現為優化施肥處理高于有機肥替代處理,且隨著有機肥替代比例的增加出現氮積累量降低的現象;磷與鉀的積累量總體表現為有機肥替代氮肥處理高于優化施肥處理。有機肥肥效長、養分釋放較慢,可能是因為有機肥替代氮肥處理氮肥供應在小麥生育期存在供給不足現象;而有機肥富含磷、鉀肥,提高了土壤中磷、鉀含量,且有機肥富含有益微生物,能夠活化土壤惰性磷與鉀,促進小麥對磷、鉀肥的吸收利用[20-21]。

氮肥利用率、氮偏生產力和氮農學效率是判斷農田可持續發展的重要參考指標,也是合理施用氮肥,控制氮肥流失,降低氮肥造成的點面源污染的重要依據[22-23]。本研究發現,有機肥替代氮肥能夠提升小麥地上部氮磷鉀養分的積累,提高氮肥利用效率、氮偏生產力和氮農學效率?？赡苁怯袡C肥的適當施用改善了作物生長環境,調節土壤碳氮比,持續為土壤提供氮素供應,促進氮素循環,降低氮肥流失。有機肥養分釋放慢,施用后能夠為土壤持續供氮,為小麥生長提供充足養分,顯著提高氮肥利用率、氮偏生產力和氮農學效率[24]。

4 結論

在信陽市弱筋小麥種植區,有機替代15%氮肥能夠實現小麥增產,且小麥產量達到7.720 t/hm2,促進小麥籽粒與秸稈氮、磷、鉀養分的積累,提高弱筋小麥籽粒蛋白質、淀粉、脂肪的含量,進而提升小麥產量與品質;有機替代15%氮肥能夠提高氮肥利用效率、氮偏生產力和氮農學效率,有效減少氮肥的流失,降低化肥點面源污染,具有明顯的環境生態效益。綜合分析表明,有機替代15%氮肥能夠滿足豫南地區弱筋小麥生長需要的同時實現綠色有機生產。