小麥玉米輪作體系中有機無機肥料配比對小麥養分利用和土壤肥力的影響

摘要：為了篩選小麥玉米輪作體系中小麥最佳有機肥無機肥配比方案，采取定位研究方法，設計了不施肥（T1）、100%有機肥（T2）、75%有機肥+25%化肥（T3）、50%有機肥+50%化肥（T4）、25%有機肥+75%化肥（T5）和100%化肥（T6）共6個試驗處理，進行不同處理下小麥養分利用、籽粒產量、土壤養分的比較分析。研究結果表明，施用有機肥降低了莖葉和籽粒的N養分濃度，增加了莖葉和籽粒的P、K養分濃度，提高了土壤pH值和土壤有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀的含量；有機無機肥料配合施用通過顯著提高單位面積穗數和小幅度增加千粒重實現籽粒產量的顯著提高；適宜的有機無機配比利于提高養分積累量和肥料表觀回收率；與100%化肥相比，T3的莖葉N養分濃度降低6.7%，莖葉P養分濃度提高37.8%，籽粒P、K養分濃度分別提高7.6%和11.9%，籽粒N、P、K養分積累量分別提高5.4%、15.0%和19.0%，N、K養分收獲指數分別提高3.6%和12.5%，氮磷鉀養分表觀回收率分別提高6.3%、136.9%和14.6%，土壤養分提升明顯，小麥籽粒產量提高6.74%。因此推薦75%有機肥+25%化肥作為小麥玉米周年輪作體系中小麥最佳施肥方案。

關鍵詞：小麥玉米輪作；有機無機肥料配比；養分濃度；養分積累；土壤養分

中圖分類號：S158.5；S344.1；S512.1+10.6" 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）13-0054-06

20世紀80—90年代，農村家家養牲口，為農田耕種管收提供必要的畜力，同時也實現了秸稈過腹還田為小麥生產提供有機肥料。隨著農業機械化的發展，大中小型農機逐漸替代了牛馬等畜力。同時隨著耕種管收全程機械化的逐步實現，牲畜養殖由家庭分散養殖轉向企業規模化養殖，農戶也就失去了牲畜糞便等有機肥自有來源。從養殖場購買和運輸牲畜糞增加了投入成本和實施難度，因此農戶便選擇了只靠單施化肥補充土壤養分的施肥方式。長期單施化肥易造成土壤板結而透氣保水能力降低，pH值下降而逐漸酸化，土壤有機質含量下降而保肥供肥能力變差，最終導致養分利用率降低、作物抗病能力減弱、作物產量降低、耕地質量下降［1-3］。

增加有機肥的投入是解決土壤有機質降低、耕地質量下降的主要技術途徑。長期施用有機肥能夠顯著增加土壤有機質和速效養分含量，持續提高土壤養分庫容量，提高土壤脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶的活性［4-9］。有關有機肥替代化肥對肥料養分利用、土壤肥力和作物產量影響的研究較多，但部分研究試驗時限較短，如僅進行了1～2年，有機肥在較短時間內對土壤有機質、作物產量表現不出顯著的提升作用，但能有效改善土壤的物理性狀，降低土壤容重，提高毛細管孔隙度［10-18］；只有進行較長年限的定位研究，實現土壤養分投入和產出接近平衡時的研究結果才更具有現實指導意義。部分研究采用商品有機肥進行，忽視了生產成本較高問題，采用腐熟有機肥能夠降低生產投入成本［10-11，14-18，］；部分研究是氮素有機替代，不是氮磷鉀全部替代，忽略了替代有機肥中磷鉀養分的作用［11，16-18］；在等量養分條件下，進行氮磷鉀3種養分替代，研究結果才能更系統全面。研究單季作物的較多，而研究小麥玉米輪作模式下有機肥替代施用的較少。不同土壤類型、氣候條件、土壤肥力、耕作制度、實施年限條件下，有機肥替代化肥比例存在顯著差異，有機肥替代20%、30%、50%、70%、75%化肥等多個比例均有研究推薦［10，12，15，17，19-26］。

牛糞是黃淮海地區一種肥源數量較大、施用成本較低的有機肥，且有機質含量較高，重金屬超標風險低。夏玉米采用免耕搶茬種肥同播施用復合肥，有機肥和作為底肥的化肥作為冬小麥的基肥在耕翻前施用，符合黃淮海小麥玉米輪作區的耕作實際和肥料施用習慣。因此本研究尊重當地施肥習慣，小麥玉米輪作中，小麥季施用牛糞，等量養分條件下設計不同有機肥和無機肥配比，玉米季使用化肥的施肥模式，研究不同有機無機肥配比對作物養分利用、土壤養分、作物產量的影響，篩選并推薦最佳施肥方式，以期為有機肥替代化肥、化肥減量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設在青島市農業科學研究院作物試驗場，屬于溫帶半濕潤季風氣候，且具有明顯的海洋性氣候特點，年均氣溫 12.7 ℃，年降水量620 mm。土壤類型為棕壤土，土壤各養分含量為有機質1.98%、堿解氮98.2 mg/kg、有效磷46.7 mg/kg、速效鉀112.0 mg/kg。前茬為小麥玉米輪作種植。

1.2 試驗設計

采用大區定位試驗，大區寬7.2 m，長32.0 m，面積230.4 m2。小麥季設空白（T1）、100%有機肥（T2）、75%有機肥+25%化肥（T3）、50%有機肥+50%化肥（T4）、25%有機肥+75%化肥（T5）和100%化肥（T6）共6個處理，總施氮量為210 kg/hm2，以100%有機肥確定磷肥和鉀肥總施用量。磷肥和鉀肥作為基肥施用，T3、T4的化肥N在小麥起身期追施，T5和T6的50%化肥N追施，剩余化肥N基施。玉米季T1不施肥，T2～T6基肥施用氮磷鉀養分含量均為15%的復合肥，用量為750 kg/hm2，大喇叭口期開溝追施尿素（含N量46%）225 kg/hm2。試驗從2019年10月種植小麥開始，本研究數據為2021—2022年小麥試驗結果。

試驗所用有機肥為腐熟好的牛糞，有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為58.3%、2.457%、0.890%和2.799%。磷肥為P2O5含量為12%的過磷酸鈣，硫酸鉀為K2O含量為50%的農用硫酸鉀。小麥品種為青農2號，玉米品種為登海605。澆水采用微噴帶灌溉，其他管理措施同大田。

1.3 測定項目及方法

在苗期，每個處理選擇出苗整齊均勻的3點，標記定位2 m長6行小麥，于成熟期調查單位面積穗數、穗粒數，收獲地上部分后脫粒分成莖葉和籽粒2個部分，烘干稱重，然后取樣測試莖葉和籽粒的全氮、全磷、全鉀含量。每個處理隨機選3點收獲小麥10 m2脫粒計產，測定千粒重。小麥收獲后，每個處理隨機選3點取0～20 cm土壤，測試土壤pH值和有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量。莖葉和籽粒全氮、全磷和全鉀含量分別采用自動定氮儀法、硫酸-過氧化氫消化-鉬銻抗比色法、硫酸-過氧化氫消煮-火焰光度計法測定，土壤pH值和有機質、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別采用電位法、重鉻酸鉀-硫酸法、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法和乙酸銨浸提-火焰光度計法測定。

養分收獲指數（NHI）=籽粒養分積累量/（籽粒養分積累量+莖葉養分積累量）×100%。

養分表觀回收率（NRE）=（施肥區地上部養分吸收量-不施肥區地上部養分吸收量）/養分使用量×100%。

1.4 數據統計與分析

數據處理采用WPS Office軟件計算和作圖，采用DPS軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理小麥養分濃度的比較

由表1可知，施用有機肥處理中，莖葉N、P養分濃度隨有機肥比例增加呈先增后降趨勢。除T4外，其他處理的莖葉N養分濃度均顯著低于T6，其中T2、T3和T5分別比T6低20.2%、6.7%和12.4%；T2、T3和T4的莖葉P養分濃度分別比T6高11.0%、37.8%和20.7%，而T5比T6低18.3%。T2和T4的莖葉K養分濃度顯著高于T6，T3、T5與T6無顯著差異。

籽粒N養分濃度隨有機肥比例增加而降低，其中T2顯著低于T6，3個有機無機結合處理與T6差異不顯著。籽粒P養分濃度隨有機肥比例升高而升高，T2和T3顯著高于T6，T4與T6無顯著差異，而T5顯著低于T6。籽粒K養分濃度隨有機肥比例升高呈先增后降趨勢，以T3最高，比T6高11.9%，T2、T4與T6無顯著差異，而T5顯著低于T6。

2.2 不同處理小麥養分積累和利用的比較

2.2.1 莖葉養分積累量

由表2可知，施用有機肥處理中，莖葉中N、P累積量隨有機肥比例增加而呈先增后降的趨勢。施用有機肥處理的莖葉N積累量均顯著低于T6，降幅為6.8%～23.4%，其中T2和T5降幅較大，分別達到23.4%和21.3%。T2、T3和T4的莖葉P、K積累量高于T6，其中莖葉P積累量增幅分別為7.9%、38.4%和12.4%，莖葉K積累量增幅分別為7.8%、3.4%和7.2%，而T5的莖葉P、K積累量顯著低于T6，降幅分別為27.0%、9.9%。T5養分積累量的降低是由于成熟期莖葉干重降低和N、P養分濃度降低形成的結果。

2.2.2 籽粒養分積累量

由表2可知，籽粒中N、P、K積累量隨有機肥比例增加均呈先增后降趨勢，但峰值最高的處理不同。T3、T4和T5的籽粒N積累量顯著高于T6，增幅均在5.4%以上且三者之間無顯著差異，而T2比T6低2.9%。籽粒P積累量以T3為最高，T2、T3和T4均顯著高于T6，增幅分別為8.2%、15.0%和7.6%，T5與T6無顯著差異。籽粒K積累量也以T3為最高，T3和T4顯著高于T6，增幅分別為19.0%和9.5%，T2、T5與T6無顯著差異。

2.2.3 養分收獲指數

因為籽粒N積累量的減幅小于莖葉N的減幅，所以T2的N養分收獲指數顯著高于T6。T3、T4、T5的N養分收獲指數顯著高于T6，是因為籽粒N積累量增加和莖葉N積累量降低雙重作用疊加形成的結果（表2）。T3的P養分收獲指數顯著低于T6，是籽粒P養分積累量增幅低于莖葉P養分積累量增幅的結果。T3的K養分收獲指數顯著高于T6，是籽粒K養分積累量增幅高于莖葉K養分積累量增幅的結果。由于籽粒養分的減幅低于莖葉的減幅，提高了T5的P、K養分收獲指數（表2）。

2.2.4 養分表觀回收率

由表3可知，T3、T4的氮肥表觀回收率稍高于T6但無顯著差異，而T2、T5分別比T6降低了13.8% 和4.0%。T2、T3、T4的磷肥表觀回收率分別比T6增加了10.4%、25.6%和11.0%，而T5比T6降低了10.2%。T2、T3、T4的鉀肥表觀回收率分別比T6增加了10.7%、8.5%和11.4%，而T5比T6降低了12.7%。表明較高有機肥比例利于提高肥料養分回收率，增加了養分利用效率。

2.3 不同處理土壤肥力的比較

由表4可知，隨有機肥比例的增加，土壤pH值、有機質含量、有效P含量呈明顯升高趨勢。施肥處理中，T6的土壤pH值和有機質含量、堿解氮含量、有效P含量、速效K含量均為最低。施肥處理的土壤堿解氮含量比T6高12.2%～31.0%，速效K含量分別比T6高 17.3%～34.6%。隨有機肥比例的增加，土壤有效P含量呈顯著直線性增加（y＾=0.377 2x+36.95，r2=0.997。其中，y＾為土壤速有效P含量，mg/kg；x為有機肥比例，%）。綜合表明，增加有機肥比例利于降低土壤酸化程度，顯著提高土壤綜合肥力指標。

2.4 不同處理小麥產量及其因素構成的比較

由表5可知，施肥處理中，T2的穗長顯著小于T6，其他有機無機結合處理與T6無顯著差異。隨著有機肥比例的增加，單穗可育小穗數、單穗小穗總數、單位面積穗數、穗粒數呈先升后降的趨勢，但峰值最高的處理并不相同。其中單穗可育小穗數、單穗小穗總數以T4、T5最多，顯著多于T6處理。穗粒數以T5為最多，雖然與T6無顯著差異，但顯著高于其他施肥處理，T2的穗粒數最少。

單位面積穗數以T3為最高，其中T3、T4、T5分別比T6增加13.0%、9.7%和6.8%。單位面積粒數以T3、T4、T5 3個有機無機結合處理為最高，均顯著高于T6和T2，分別比T6高9.2%、8.5%和9.2%。隨有機肥比例的增加，千粒重有逐漸升高的趨勢，但增幅較小，施肥處理中以T2為最高，其中T2、T3、T4分別比T6高2.2、1.2、1.2 g，增幅分別為5.4%、3.0%和3.0%。小麥籽粒產量以3個有機無機結合處理最高，T3、T4和T5分別比T6增產6.7%、6.7%和6.0%，T2與T6差異不顯著。T2千粒重的增加彌補了單位面積粒數的降低，T3和T4增產主要是單位面積穗數增加的貢獻，其次是千粒重的增加，T5的增產主要是單位面積穗數增加的貢獻。

3 討論與結論

3.1 有機無機肥料配比對小麥養分利用的影響

高量氮肥供應會抑制小麥莖稈中木質素的合成，造成抗倒伏指數降低［27］。磷鉀元素可以加速秸稈細胞壁木質化和硅脂化進程，增加莖腔厚度，提高莖稈韌性，增強植株抗倒伏能力和抗病蟲能力；磷鉀元素的提高利于保障小麥生育后期葉片合成葉綠素的能力，減緩植株衰老進程，提升小麥抗干熱風能力，促進小麥籽粒充足灌漿和干物質積累，提高籽粒產量和品質。本研究中，與100%化肥處理相比，施用有機肥處理的莖葉N養分濃度不同程度地降低，莖葉、籽粒的P、K養分濃度均有不同程度的提高（T5除外）。由此表明，有機肥比例較高時（≥50%）利于提高莖稈強度，增強小麥抗倒伏、抗病能力，減緩衰老進程，延長灌漿期。

楊曉梅等研究表明，35%有機氮、50%有機氮處理相比單施無機氮處理分別顯著提高小麥氮肥利用率 47.9%和 53.0%［23］。李豐豐等研究表明，在有機肥替代 20%化學氮肥時，小麥的氮肥農學利用效率最高［20］。50%有機肥替代化肥可有效提高小麥玉米輪作條件下磷素利用率［24，28］。呂鳳蓮等研究表明，在高肥力條件下75%有機氮可以提高氮效率［12］。在本研究中，施用有機肥處理的N收獲指數均顯著高于100%化肥處理，表明施用有機肥利于提高N素在籽粒中的分配比例，提高植株抗性，提高籽粒品質。50%和75%有機替代顯著提高了氮肥表觀回收率，有機肥比例大于等于50%時，磷鉀肥的表觀回收率顯著提高，而25%有機替代的氮磷鉀表觀回收率均低于100%化肥處理，這可能與輪作制度、土壤類型、土壤肥力、氣候條件以及試驗年限等因素有關［12，29］。本研究明確，適量有機肥比例可以提高肥料利用效率，這一點與以往研究結論一致。

3.2 有機無機肥料配比對土壤肥力指標的影響

使用有機肥提高化肥能夠防止土壤酸化，提高土壤全氮、有效磷和速效鉀含量［1，30］。申長衛等連續2年試驗表明，土壤有機質、有效磷和速效鉀含量均有不同程度的提高，但全氮含量無顯著差異［11］。高飛等研究表明，在低肥力條件下，隨著有機肥替代比例的增加，小麥玉米輪作體系中土壤全氮及速效鉀含量呈降低趨勢，而土壤磷素及堿解氮含量逐漸升高［14］。本研究中土壤pH值、有機質含量和有效磷含量隨有機肥比例增加而顯著提高，其中有效磷含量與有機肥比例呈顯著線性正相關，施用有機肥處理的堿解氮和有效磷含量顯著高于100%化肥處理，這與前人研究結果［31］基本一致。

3.3 有機無機肥料配比對小麥產量及其構成的影響

張晶等研究表明，有機肥適量配施化肥可增加成穗數，并可改善光合作用，延長灌漿期，增加千粒重，實現增產，但千粒重增加有限［2，11］，這與本研究結果基本一致。本研究中3個有機無機結合處理單穗小穗數增加，單位面積穗數顯著增加，形成單位面積粒數顯著高于100%化肥處理，加上千粒重小幅度的提高，最終實現了籽粒產量的增加，其中單位面積穗數的增加是籽粒增產的主要貢獻因素。與100%化肥相比，100%有機肥千粒重的顯著提高彌補了穗粒數的顯著降低，最終小麥籽粒產量并沒有降低。

較短時間（小于3年）或土壤肥力較低條件下，有機肥替代比例20%～30%時能保證或提高小麥產量，有機肥比例增加時會減少穗數，從而造成減產［11，14，16，19，21，32］；時間較長（大于等于3年）或高肥力條件下，有機肥替代比例50%～75%更能實現增產穩產［12，24-27，33-34］。本研究基礎地力水平較高，且經過3年有機肥持續投入，利于提高土壤總有機碳和各組分活性有機碳含量，提高土壤酸性磷酸酶、纖維素酶、脲酶、蔗糖酶活性，有機養分礦化度逐步提高［35］；從小麥玉米輪作體系整體來看，小麥季施用有機肥和玉米季施用化肥也是一種有機無機肥料配合施用的模式，兩者之間也存在著周年有機無機養分互補、交互的作用，利于提高土壤養分的固持、礦化、釋放，增強土壤保肥供肥能力，提高養分利用效率。因此，在小麥玉米輪作模式下，有機無機肥料配合施用利于提高小麥籽粒產量。

本研究中T3莖葉P養分濃度、籽粒的P、K養分濃度、籽粒N、P、K養分積累量和N、K養分收獲指數顯著高于T6，氮磷鉀養分表觀回收率均高于T6，土壤養分提升明顯，植株抗性增強，小麥產量提高顯著，因此推薦75%有機肥+25%化肥作為小麥玉米周年輪作體系中小麥最佳施肥方案。

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