長期有機無機肥配施對冬小麥籽粒產量及氨揮發損失的影響

鄭鳳霞，董樹亭，劉鵬，張吉旺，趙斌

長期有機無機肥配施對冬小麥籽粒產量及氨揮發損失的影響

鄭鳳霞，董樹亭*，劉鵬*，張吉旺，趙斌

（山東農業大學農學院/作物生物學國家重點實驗室，山東泰安 271018）

【目的】黃淮海地區作為華北平原重要的農業生產區，氮肥投入量大、利用率低的現象較為普遍，氮肥損失和農業面源污染嚴重。本研究在長期肥料定位試驗基礎上，連續多年監測不同施肥處理下冬小麥田氮素揮發損失量及其規律，探討減少黃淮海地區麥田氨揮發的有效施肥方式，為提高冬小麥產量及肥料利用效率提供科學依據。 【方法】2011～2015 年利用水肥滲漏研究池進行試驗，以石麥 15 (SM15) 為材料，以不施氮肥(CK) 為對照處理，在同等施氮量下設置單施尿素 (U)、單施牛糞 (M) 和尿素牛糞 1∶1 配施 (U + M) 3 種氮肥配比處理，隨機區組設計。采用通氣法連續 4 年原位監測不同施肥處理下小麥氨揮發損失量、小麥籽粒產量及氮肥利用率。 【結果】2011～2015 年氨揮發損失量年際間變化較大，最大變幅可達 19.69 kg/hm2，年際間施肥后氨揮發速率變化規律趨勢相似。不同施肥處理對土壤氨揮發有顯著影響，冬小麥季氨揮發主要發生在施肥后15 d 內，拔節期追肥的氨揮發速率顯著高于播種期施用基肥。四年間氨揮發損失量平均達 7.26～42.40 kg/hm2，與不施氮肥相比，施氮處理的氨揮發損失量升高 1.40～4.84 倍，表明施用氮肥顯著促進土壤氨揮發；施氮處理的氮肥損失率以 U 處理最高，達到 19.5%，M 處理最低，為 5.7%，U + M 處理為 12.3%，介于兩處理之間，U + M 處理和 M 處理的氮肥損失率較 U 處理四年平均分別降低了 37.0% 和 71.1%，表明單施有機肥或有機無機肥配施可顯著抑制氨揮發損失。2011～2015 年各施肥處理冬小麥產量均以 U + M 處理最高，達 9461.5 kg/hm2，較U 和 M 處理分別增產 6.8% 和 9.1%。各處理的冬小麥籽粒吸氮量、地上部吸氮量同樣以 U + M 處理最大，較 U和 M 處理分別提高 7.1%、12.6% 和 5.4%、12.9%。U + M 處理的氮肥利用率在四年均最高，達 41.96%，較 U和 M 處理分別提高 16.5%～19.6% 和 38.6%～58.7%。 【結論】綜合籽粒產量及氮素利用效率，有機無機肥配施比單施化肥能顯著降低氨揮發損失，提高籽粒產量和氮肥利用率，有利于實現冬小麥高產與肥料高效的協同，可作為黃淮海區域小麥生產中的增產增效的優化施肥方式。

有機無機配施；冬小麥；氨揮發；籽粒產量

黃淮海地區作為華北平原重要的農業生產區，種植方式以冬小麥/夏玉米一年兩熟制為主，為了追求高產農戶往往施用較多化肥，小麥生產過程中氮肥過量施用的現象已相當嚴重[1–2]，而氮肥利用率卻僅有 20%～40%[3]，未被作物吸收利用的氮素則通過氨揮發、淋洗等途徑損失到環境中，由于土壤呈堿性，使氨揮發成為氮肥主要的氣態損失途徑[4–5]，達到施氮量的 9%～40%[6–8]。通過氨揮發進入大氣的氮素可隨降水等方式回歸農田和自然生態系統，造成土體及水體系統富營養化，影響生物多樣性[9–10]。因此，探索降低土壤氨揮發、減少氮肥損失、控制面源污染的有效農藝措施是實現冬小麥可持續發展亟需解決的關鍵問題。

我國有機肥源豐富，每年畜禽糞便資源量可達26.1 × 108t[11]。這些有機肥可就地取材，直接還田，既可解決有機肥堆放問題，又可減少對環境的污染。有機無機肥配施可以使化肥與有機肥在養分供應上優勢互補，在提升土壤肥力、增加作物產量、提升肥料利用率等方面效果顯著[12–15]，是合理利用資源、減少化肥用量、保持作物高產高效的施肥方式。前人關于有機無機肥配施對土壤氨揮發損失的研究已有很多[16–19]，但多以 1～2 年短期監測為背景，對田間氨揮發的長期原位監測較少，氨揮發還易受環境條件影響，其損失量的年際間變化趨勢及差別不明確。本研究在定位施肥試驗的基礎上，連續 4 年對黃淮海地區冬小麥有機無機肥配合施用下的氨揮發進行原位監測，研究有機無機肥配施對冬小麥田氨揮發損失、產量和氮肥利用率的影響，旨在為通過合理施肥以協同提高冬小麥產量和氮肥利用率、減肥減排提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于 2011～2015 年在山東農業大學黃淮海玉米技術創新中心大型水肥滲漏研究池 (36°09′ N，117°09′ E) 進行。所在區域年平均氣溫 12.8℃，7 月份氣溫最高，平均 26.4℃，1 月份最低，平均 –2.6℃。年平均降水 697 mm，夏季降水較多，占 65%，冬季較少，僅占 3.6%。無霜期 195 d。種植制度為冬小麥–夏玉米一年兩熟制。

水肥滲漏研究池 (2.5 m × 2.5 m × 2.0 m) 由混凝土砌成，每個池子相互獨立，底部密封且設有排水口。池子由下往上依次填 15 cm 粗砂、5 cm 細砂和180 cm 土壤，土壤取自附近農田，同層土壤混勻后填入，按照當地習慣種植玉米和小麥預試三年之后開始本研究定位試驗。2011～2015 年播種前滲漏池0—20 cm 土層土壤化學性質見表 1。

1.2 試驗設計

供試冬小麥品種為石麥 15 (SM15)，種植密度為240 × 104株/hm2，每個小區種植 12 行，行距 20 cm。設置 4 個不同施肥方式：不施氮肥 (CK)、單施尿素(U)、單施牛糞 (M) 和尿素牛糞 1∶1 配施 (U + M)。隨機區組設計，每個處理設 3 次重復，共 12 個小區。氮肥類型為普通尿素和腐熟的牛糞，尿素中含氮量為 46.0%，過磷酸鈣中 P2O5含量 11.2%，硫酸鉀中 K2O 含量為 51.1%，每年施入的有機肥料養分含量通過測定得出，具體見表 2。施氮處理的氮水平均為純 N 180 kg/hm2。各處理的磷鉀肥施用量保持相同，均為 P2O5150 kg/hm2和 K2O 150 kg/hm2。若牛糞處理不足 150 kg/hm2，則用過磷酸鈣和硫酸鉀補齊，若單施牛糞處理中的 P2O5或 K2O 量超過 150 kg/hm2，則其他處理用過磷酸鈣和硫酸鉀補充至牛糞處理的量。2011～2015 年具體施肥量見表 3。牛糞 (濕基)、過磷酸鈣、硫酸鉀一次性基施，尿素分基肥和拔節追肥施用，基施和追施 1∶1。施肥方式為基肥播前撒施在地表，翻耕埋入土后播種并立即灌水；追肥在小麥拔節期開溝施用覆蓋后灌水。2011～2014 年均于 10 月 10 日播種，田間管理同小麥高產田。

表1 播種前滲漏池 0—20 cm 土層土壤化學性質Table1 Soil chemical properties in 0–20 cm soil layer of the experiment field before sowing

表2 不同生長季有機肥水分、養分含量 (%)Table2 Water and nutrient contents in organic fertilizers in different growing seasons

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤氨揮發測定 土壤氨揮發的收集及測定參照王朝輝等的通氣法[20]。施入氮肥后，第一周每天收集一次樣品，第二周每隔 2～3 d 收集一次，之后每隔 5～7 d 收集一次，直到氨揮發速率 (AVR) 降到接近于零并穩定，該過程最多持續 30 d。

田間土壤的氨揮發速率計算公式：

NH3-N [kg/(hm2·d)] = [M/(A × D)]/100

式中：M 為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量(NH3-N, mg)；A 為收集裝置的截面積 (m2)；D 為每次連續收集的時間 (d)。

氨揮發累積量 = ∑(氨揮發速率 × 每次連續收集的時間)

氨揮發肥料損失率 = (施肥處理氨揮發累積量 –不施肥處理氨揮發累積量)/施肥量 × 100%

1.3.2 土樣測定 用直徑 2 cm 的土鉆，多點采集0—20 cm 耕層土壤，形成混合土樣。用烘干法測定土壤含水量。pH 值采用 pH 計測定；土壤有機質用水合熱重鉻酸鉀氧化—比色法測定；土壤全氮用凱氏定氮法測定；土壤全磷采用濃硫酸加熱消煮—鉬酸銨比色法測定；土壤速效鉀采用 1 mol/L 醋酸銨溶液浸提—FP6410 型火焰光度計測定[21]。

1.3.3 植株樣品測定 成熟期在每個小區取 30～40株長勢均勻、具有代表性的小麥植株，按莖、葉、穗軸 + 穎殼和籽粒分樣，105℃ 下殺青 30 min，75℃ 烘干至恒重，稱干重。小麥植株干樣研磨過篩后經濃H2SO4–H2O2聯合消煮，消煮液中的植株全氮含量用AA3 型連續流動分析儀 (SEAL Analytical，Germany)測定。

冬小麥成熟期每個小區中部 1 m2收獲測產，脫粒并經自然風干后稱重，折算成公頃產量。收獲時計數穗數和穗粒數，在脫粒后風干的籽粒中隨機取樣測定千粒重，重復 3 次。

表3 不同施肥處理的具體施肥量 (kg/hm2)Table3 Application amounts of the fertilizers for different nitrogen treatments

1.4 計算方法及統計分析

氮肥利用效率指標根據韓寶文等[22]的計算方法：氮肥利用率 = (施氮區地上部吸氮量 – 不施氮區地上部吸氮量)/施氮量 × 100%；氮素收獲指數=籽粒氮素積累量/植株氮素積累量。

所有試驗數據采用 Excel 2003 軟件計算，用SPSS 20.0 軟件進行單因素方差分析，用 LSD 法比較處理間在 P = 0.05 水平上的差異顯著性，利用 Sigma Plot 10.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對冬小麥季施肥后土壤氨揮發速率的影響

2011～2015 年施用氮肥后冬小麥田間氨揮發速率趨勢一致 (圖 1)，在施用基肥、播種小麥并立即灌水的情況下，各施肥處理均有明顯的氨揮發。在最開始的 7 d，各施肥處理的氨揮發速率較高且呈現不規則變化，之后速率逐漸降低。施氮處理在一周內均出現兩個峰值，最大峰出現在施肥后 4～5 d，U處理與 U + M 處理最高，分別達 2.23～2.74 kg/(hm2·d) 和 1.91～2.31 kg/(hm2·d)，M 處理最低，降低至 1.47～2.14 kg/(hm2·d)，U + M 和 M 處理較 U處理分別降低 14.3%～15.7% 和 21.9%～34.1%。第14 d 后與 CK 無顯著差異，20 d 后氨揮發速率接近于 0。

與小麥基肥有所不同，追肥并灌溉后氨揮發速率在 1～2 d 即達到峰值，U 處理仍為最高 [2.52～2.85 kg/(hm2·d)]，其次為 U + M 處理 [1.58～2.32 kg/(hm2·d)]，M 處理的氨揮發速率由于基肥施入的牛糞緩慢釋放氮素而維持在一個較低水平，與 CK 處理無顯著差異。

2.2 不同施肥處理對冬小麥季施肥后土壤氨揮發損失總量的影響

表4 表明，2011～2015 年，冬小麥生育期內田間氨揮發損失量變化較大，最大變幅可達 19.69 kg/hm2，這可能與不同年份氣溫等環境因素不同有關。各處理四年的氨揮發損失量平均達 7.26～42.40 kg/hm2，氮肥損失率最高可達 19.52%，是黃淮海平原主要的氮素損失途徑。各施肥處理的氨揮發損失總量表現為 U > U + M > M > CK。U 處理四年平均損失量為 42.40 kg/hm2，較 U + M 和 M 處理分別高 44.3% 和 143.4%；施氮量相等的條件下，氨揮發的氮肥損失率表現為 U > U + M > M，與 U 處理相比，U + M 和 M 處理的氨揮發氮肥損失率分別降低了 37.0% 和 71.1%。由表 4 還可看出，在基肥和追肥施氮量相同 (U 處理) 的情況下，追肥時期發生的氨揮發損失顯著高于基肥，占全生育期內氨揮發總量的 53.5%。

2.3 不同施肥處理對冬小麥產量及產量構成因素的影響

施氮肥能有效提高冬小麥籽粒產量 (表 5)，U + M、U 和 M 處理分別比對照增產 73.9%、62.7% 和59.4%，各施肥處理小麥產量均以 U + M 處理最高，達到 9 175.3～9 781.6 kg/hm2，較 U 和 M 處理分別提高 6.8% 和 9.1%，U 和 M 處理間差異不顯著。從產量構成因素分析，有機無機肥配施顯著影響冬小麥產量構成因素，四年的數據均顯示 U + M 處理和 U處理可獲得較高的公頃穗數和穗粒數，其次為 M 處理，CK 處理最低；而千粒重則表現為 CK 和 M 處理較大，其次為 U + M 處理，U 處理最小。綜合分析，公頃穗數和穗粒數對提高產量的貢獻較大，有機無機配施處理下構成產量的各因素均達較高水平，最終其產量最高。

2.4 不同施肥處理對冬小麥氮素利用效率的影響

由表 6 可以看出，增施氮肥可以顯著增加冬小麥籽粒吸氮量和地上部吸氮總量，與對照處理相比，施氮處理小麥籽粒吸氮量增加 33.04～51.19 kg/hm2，地上部總吸氮量提高 32.7%～49.9%。在施用等量氮肥情況下，U + M 處理的籽粒吸氮量顯著高于 U 和M 處理，增幅分別達到 7.1% 和 12.6%，在 2011～2015 年 U 處理顯著高于 M 處理。各處理的地上部總吸氮量與籽粒吸氮量趨勢一致。氮素收獲指表現為CK > M > U + M > U，處理間差異不顯著。氮肥利用率以 U + M 處理最高，達 40.5%～45.0%，四年平均較 U 和 M 處理分別提高 18.2% 和 52.5%。表明有機無機肥配施可加強冬小麥對氮肥的吸收利用，提高氮肥的有效利用率。

3 討論

有機肥與無機肥配施，既能使作物高產，又能培肥地力，是實現作物高產高效和促進農業可持續發展的一種有效措施。前人在 1～2 年試驗的基礎上得出，有機肥與無機肥配合施用能有效降低氨揮發損失[24–26]。劉紅梅等[4]于 2006～2007 年進行大田試驗，結果表明，華北平原東北部小麥季累計氨揮發量在 5.35～8.92 kg/hm2，且不同施氮水平下的氨揮發損失均以有機無機肥配施較低。本研究連續 4 年的數據均表明，在施氮量 180 kg/hm2的條件下，冬小麥田的氨揮發損失量可達 13.09～52.84 kg/hm2，不同年份間波動幅度最大可達 19.69 kg/hm2。有機無機肥配施能有效降低氨揮發損失，其氨揮發損失量較尿素處理降低 13.02 kg/hm2。究其原因，主要是尿素與有機肥施入土壤后發生的反應不同，尿素在土壤脲酶的作用下被水解成 NH4HCO3，NH4HCO3迅速轉化為 NH4+-N，為氨揮發提供較多底物，使尿素處理的氨揮發速率高于其他處理；而有機肥施入土壤后，經過礦化作用將各種形態的有機氮轉化為 NH4+-N。NH4+-N 一部分被作物吸收利用，一部分被土壤吸附，剩余部分則大多在土壤 pH 偏堿性的條件下以氨的形式揮發出來[27]。有機無機肥配施之所以能降低土壤氨揮發，原因是有機肥中的有機質在分解過程中大量有機酸被釋放同時形成腐殖質，抑制了尿素水解過程中土壤酸堿度的升高，從而顯著抑制土壤氨揮發[28]。

圖1 2011～2015 年施肥后土壤氨揮發速率Fig. 1 Ammonia volatilization rate after the fertilization in 2011–2015

表4 2011～2015 年冬小麥季基施和追施氮肥后土壤氨揮發累積量、損失率及其占所施氮肥的百分比Table4 Cumulative ammonia volatilization, loss rate and their proportion in the applied nitrogen fertilizer after the basal and top dressing in 2011–2015

合理的有機無機肥配施可以起到顯著的增產作用，張建軍等[29]在黃土旱塬地研究了有機肥對冬小麥產量的影響，結果表明，氮磷化肥配施生物有機肥較單施化肥增產 17.5%，氮肥配施普通農家肥較單施化肥處理產量提高 3.4%。于昕陽等[30]研究表明，有機無機肥配施與相同施氮量下的單施無機肥處理相比，冬小麥產量提升 1.2%～12.7%。本研究結果同樣表明，有機無機肥配施能夠顯著提高冬小麥產量，各施肥處理在四個生長季均表現為有機無機肥配施處理產量最高，較對照增產幅度達到 73.9%，較單施化肥增產 6.8%。這是由于有機無機肥料配合施用，可以調控土壤氮素的固持和釋放，協調土壤氮素供應[31]，使肥效相互促進，還可以提高冬小麥群體光合速率[32]，增加光合產物的積累。因此，有機無機肥料配施較單施有機肥或單施化肥的增產效果更優。

表5 不同施肥處理下冬小麥產量及產量構成因素 (2011～2015)Table5 Yield and yield components of winter wheat under different fertilizer treatments in 2011–2015

有機無機肥配合施用有利于作物氮肥利用率的提高[33–34]。劉益仁等[35]研究表明有機無機肥配施顯著提高了水稻的氮肥利用率，其主要機制為配施促進了土壤微生物的繁殖，協調了土壤氮素釋放與作物氮素吸收進程的同步性，較好地滿足了水稻生長發育對氮素養分的需求。吳迪等[35]的研究表明，配施有機肥可促進玉米對氮肥的吸收利用，有利于氮素由營養器官向生殖器官的轉運，減少氮素損失，從而顯著提高氮肥利用率。本研究中有機無機肥配施也提高了冬小麥的氮肥利用率。與單施化肥相比，有機無機肥配施處理的氮肥利用率較單施化肥四年平均提高了 18.2%，主要原因，一是增加了冬小麥對氮素的吸收利用，提高了籽粒的氮素積累量，較單施化肥提高 5.6%～8.3%，二是減少了氮肥的損失，氨揮發作為黃淮海麥區主要的氮肥損失方式，降低氨揮發是提高氮肥利用率的有效途徑。

4 結論

長期田間原位監測結果表明，在施氮量為 180 kg/hm2的條件下，不同年份間氨揮發損失波動較大，土壤氨揮發肥料損失率可達 4.5%～22.0%，是黃淮海區域小麥/玉米輪作下的主要氮肥損失形式。有機無機肥 1∶1 配施下可以顯著提高冬小麥籽粒產量、吸氮量和氮肥利用率，同時降低氨揮發損失。追肥施用期的氨揮發損失高于基肥施用期，優化追肥的施用對減少氨揮發也起到積極作用。在本試驗條件下，綜合考慮冬小麥高產、氮素高效利用，化肥與有機肥 1∶1 配施可作為黃淮海區域小麥的綠色增產增效施肥方式，值得倡導與推廣。

表6 不同施肥處理下冬小麥吸氮量及氮肥利用效率 (2011～2015)Table6 Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of winter wheat under different fertilizer treatments in 2011–2015

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Effects of combined application of manure and chemical fertilizers on ammonia volatilization loss and yield of winter wheat

ZHENG Feng-xia, DONG Shu-ting*, LIU Peng*, ZHANG Ji-wang, ZHAO Bin
( College of Agronomy, Shandong Agricultural University/State Key Laboratory of Crop Biology, Tai’an, Shandong 271018, China )

【Objectives】The Huang Huai-Hai Plain (HHP) is an important agricultural production area in North China Plain. The excessive application of nitrogen fertilizers and low nitrogen use efficiency are very common, and nitrogen fertilizer loss and agricultural non-point source pollution are serious. To deal with these problems, the amount of ammonia volatilization loss and its regularity in winter wheat fields under different fertilization treatments were monitored continuously for many years using along-term fertilization experiment. The purpose ofthis study aimed to reduce the ammonia volatilization of the HHP, and then provide ascientific basis for improving yield of winter wheat and efficiency of fertilizers based on the long-term fertilizer experiment.【Methods】The experiment was conducted using lysimeters in 2011–2015 and the tested winter wheat cultivar was SM15. The venting method was used to monitor ammonia volatilization under four fertilization modes (organic manure, M; half organic manure plus half chemical Nfertilizer, U + M; urea, U and no N fertilizer, CK) in awinter wheat and summer maize rotation in the North China Plain. 【Results】The amount of ammonia volatilization varied greatly from 2011 to 2015, with the maximum value of 19.69 kg/hm2. The trend of ammonia volatilization rate after the fertilization was similar. The ammonia volatilization in winter wheat mainly occurred within 15 days after the fertilization, and the rate of ammonia volatilization after applying topdressing fertilizer at the jointing stage was significantly higher than that at the seeding stage. The flux of ammonia volatilization was dramatically influenced by fertilizer types and their combination. The amount of ammonia volatilization was 7.26–42.40 kg/hm2. The ammonia volatilization loss amounts of the Nfertilizer treatments were increased by 1.40–4.84 times compared with the no Nfertilizer, which indicated that the application of nitrogen fertilizer could significantly promote the ammonia volatilization in the soil. The rate of N loss was the highest in the Utreatment, reaching to 19.5%, that of the Mtreatment was the lowest, reducing to 5.7%, and that of the U+ M treatment was in amiddle position which was 12.3%. The rates of nitrogen fertilizer loss in the U+ M treatment and the Mtreatment were decreased by 37.0% and 71.1% for four years compared with the Utreatment, respectively, which indicated that the combined application of organic manure and nitrogen fertilizer could significantly inhibit ammonia volatilization. The yield of winter wheat of the U+ M treatment was 9461.5 kg/hm2, which was 6.8% and 9.1% higher than those of the Uand Mtreatments, respectively. The nitrogen uptake by grain and absorption of nitrogen in aboveground part of the U+ M treatment were also greater, which were 7.1%, 12.6% and 5.4%, 12.9% higher than the Uand Mtreatments, respectively. The nitrogen use efficiency of the U+ M treatment was the highest in four years, reaching to 41.96%, which was increased by 16.5%–19.6% and 38.6%–58.7% compared with the Uand Mtreatments, respectively. 【Conclusions】Integrating the grain yield and nitrogen use efficiency, the combined application of organic manure and chemical fertilizers could significantly reduce ammonia volatilization loss and increase grain yield and nitrogen use efficiency, and could achieve synergistic effect of high yield and fertilizer efficiency. Therefore, it can be used as an optimum fertilization method for wheat production in Huang-Huai-Hai region.

organic manure and chemical fertilizers; wheat; ammonia volatilization; grain yield

2016–11–15 接受日期：2017–02–08

國家自然科學基金項目（31071358，30871476）；國家 “十二五” 科技支撐計劃（2013BAD07B06-2）；國家現代農業產業技術體系建設項目（CARS-02-20）；公益性行業（農業）科研專項（HY20121203100，HY1203096）；山東省財政支持農業重大應用技術創新課題（2014）資助。

鄭鳳霞（1991—），女，山東萊蕪人，碩士研究生，主要從事小麥高產與施肥研究。E-mail：zhengfengxia1991@163.com

* 通信作者 Tel：0538-8245838，E-mail：stdong@sdau.edu.cn；Tel：0538-8241485，E-mail：liupengsdau@126.com