肥料無機有機配施對稻茬小麥產量與肥料利用率的影響

李豐豐, 朱紅英，段建設，魏洪亮，李艷凡，王秀梅,滿建國

(1.華中農業大學植物科學技術學院/農業部作物生理生態與耕作重點實驗室， 湖北武漢 430070；2.襄陽市襄州區農業技術推廣中心， 湖北襄陽 441104)

增施化肥是獲得高產的重要途徑，但大量的化肥投入帶來了肥料利用率下降、經濟效益降低、環境污染加劇以及生態環境惡化等一系列問題[1]。據統計，當前我國氮肥生產量占世界總生產量的25%以上，而年消費量則達2 244萬t，占世界總消費量的27%以上。與此同時，不合理的施用方式進一步促使農民加大肥料投入，導致肥料利用率僅為發達國家的60%～70%[2-3]。有機肥作為一種綠色、生態的緩效肥料，富含N、P、K以及多種微量元素和氨基酸、核酸、維生素等多種有機營養成分[4]。施用有機肥可以培肥土壤，提高土壤有機質含量，改善土壤理化性狀，顯著提升土壤肥水保持性和通氣性，促進作物根系生長，有利于根系對水分、養分的吸收利用[5-6]。但長期單施有機肥料會使黑土速效磷含量下降23%以上，也不利于水稻高產穩產；晚稻移栽施肥后，有機肥料處理小區根系土壤呈深黑色，發育明顯不良，秧苗返青明顯延遲；此外還會加劇重金屬積累，危害糧食安全[7-8]。由此可見，無機肥或單施有機肥均不能持續有效地達到高產、高效、生態、綠色的生產目標，將化肥和有機肥合理配施，將有效均衡土壤養分，實現現代農業的可持續性發展。

前人對無機化肥與有機肥配施進行了大量研究。施用有機肥是作物增產、增加土壤有機質和改善土壤生物學性狀的有效措施[9]。無機、有機肥配施可以保證玉米有較高產量，5 年平均產量較單施無機化肥提高10.3%，并顯著降低了總氮淋失[10]。對茶葉生長和土壤養分的研究發現，70%有機肥+30%無機化肥處理的增產效果最顯著，且可以保持較高的土壤有機質、堿解氮、速效磷和速效鉀含量，這是在茶園推廣應用的最優方案[11]。在水稻上，無機、有機肥配施有利于中后期干物質累積和養分吸收，提高穗數和穗粒數，保證穩產高產[12]。以上研究表明，適量無機化肥和有機肥配施有利于作物高產穩產，并提高肥料利用效率，減少肥料損失和環境污染。

襄陽市是湖北省稻茬小麥主產區，常年小麥肥料施用量均在500 kg·hm-2以上，其中氮肥施用量超過260 kg·hm-2，但稻茬小麥產量和肥料利用率均較低。而關于合理的無機與有機肥配施比例及其對稻茬小麥產量和肥料利用效率影響的研究鮮見報道。本研究在襄陽市稻茬小麥高產區，設置不同施肥方式，探討了無機、有機肥配施對稻茬小麥產量、分蘗動態、肥料利用效率和經濟效益的影響，以期為該區域稻茬小麥高產高效生產提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2016-2017年小麥季在湖北省襄陽市襄州區現代農業示范園區(東經112°21′42.5″，北緯32°07′46.4″)進行。試驗地土壤類型屬于淹育型水稻土，淺白土田，耕作層厚30 cm，地力中等，有機質含量13.4 g·kg-1，堿解氮含量74.0 mg·kg-1，有效磷含量4.9 mg·kg-1，速效鉀含量76.2 mg·kg-1，pH為6.3。試驗以鄭麥9023為供試材料，前茬作物為水稻。

本試驗以肥料空白為對照(CK)，設置3種施肥模式處理，分別為傳統測土配方施肥模式(T1)，90%傳統測土配方施肥量+有機肥模式(T2)和80%傳統測土配方施肥量+有機肥模式(T3)，氮肥按底施∶拔節期追施=5∶1的方式分施，有機肥、磷肥和鉀肥均全部底施，同時施肥小區均底施3.0 kg·hm-2的大粒鋅。本試驗采用尿素(46% N)為氮源，過磷酸鈣(16% P2O5)為磷源，氯化鉀(60% K2O)為鉀源，其中有機肥中有機質≥40%，氮磷鉀總含量≥8%，有效活菌數≥2×108·g-1，水分≤30%，pH值5.5～8.0。每處理3次重復，小區規格為3 m×7 m。各處理施肥種類與施肥量如表1所示。

小麥于2016年10月20日播種，播量為225.0 kg·hm-2，條播，行距為25.0 cm，前茬水稻秸稈全量粉碎還田，播種后3 d進行灌溉以保證出苗，之后至成熟期不再灌溉。小麥全生育期及時防治病蟲草害，生育中后期及時排水以防止田間漬水。各處理小麥均于2017年5月22日收獲。

表1 各處理肥料種類和施肥量Table 1 Fertilizer type and application amount of each treatment kg·hm-2

1.2 測定指標與方法

1.2.1 小麥生育期群體動態調查

于小麥三葉期，在各小區分別選定0.5 m2具有代表性長勢均勻的植株，進行標記，并分別于小麥三葉期、分蘗中期(冬至)、分蘗盛期(立春返青)和開花期對標記區域的莖蘗數進行測定，計算各小區小麥群體大小。

1.2.2 小麥籽粒產量及其構成因子測定

于小麥成熟期，在各小區選取具有代表性的長勢均勻的6.0 m2植株，全部收獲后脫粒，曬干稱重，測定籽粒含水量，計算標準含水量(12.5%)下的籽粒產量和千粒重。同時在各小區選取連續30個單莖，調查穗粒數。

1.2.3 肥料利用效率計算

肥料農學利用效率=(施肥處理小麥籽粒產量-未施肥處理小麥籽粒產量)/施肥量

肥料偏生產力=施肥處理小麥籽粒產量/施肥量

1.2.4 肥料經濟效益分析

本區域6-7月份小麥平均單價為2.3元·kg-1，尿素、過磷酸鈣和氯化鉀的單價分別為2.0、0.6和3.6元·kg-1，有機肥單價為0.80元·kg-1。小麥收獲籽粒產量與單價構成各處理的實際收入，化肥和有機肥為實際投入，不考慮人工成本、種子、灌溉等投入，僅計算施肥處理與不施肥處理間的凈增收與產投比。

1.2.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2016進行數據整理，運用Statistix 8.0數據統計分析軟件對各處理進行單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗(α=0.05)，利用SigmaPlot 12.5進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式下小麥籽粒產量及其構成因素的差異

施肥處理的小麥籽粒產量、穗數和穗粒數均顯著高于未施肥處理(CK)，千粒重較高(表2)。在施肥處理中，T2處理的籽粒產量、穗數、穗粒數和千粒重最高，T1處理次之，T3處理最低，說明在傳統配方施肥的基礎上降低10%的化肥施用量，同時增施有機肥，有利于產量三要素的協同提高，從而獲得高產，若化肥施用量降低20%，穗粒數顯著降低，不利于產量的提高。

2.2 不同施肥模式下小麥群體動態的特點

施肥處理下小麥三葉期、冬至期、返青期和開花期的群體數量和單株有效分蘗數均顯著高于CK，但分蘗成穗率顯著降低。施肥處理間群體數量、單株有效分蘗數和分蘗成穗率均無顯著差異(表3)。與CK相比，T1、T2和T3處理的單株有效分蘗數分別提高51.6%、55.9%和53.8%，分蘗成穗率分別下降8.8、6.8和11.4個百分點。這說明增施化肥和有機肥可顯著促進小麥分蘗，提高有效分蘗數，盡管分蘗成穗率降低，但最終穗數保持較高水平。

2.3 不同施肥模式下小麥肥料利用效率的差異

T3處理的NPK肥農學利用效率和偏生產力以及N、P、K肥偏生產力均顯著高于T2處理，T1處理最低(圖1)。T3處理的NPK肥農學利用效率和偏生產力分別比T2處理高6.0%和8.4%，比T1處理分別高20.8%和22.4%。這說明降低化肥施用量，增施有機肥，可顯著提高小麥化學肥料利用效率。

表2 不同處理下小麥產量及其構成因素Table 2 Yield and its components of wheat under different fertilization treatments

同一列數據后不同字母表示差異達0.05顯著水平。下表同。

Different letters following data in same column mean significant differences at 0.05 level. The same in following tables.

表3 不同處理下小麥群體動態及分蘗成穗率Table 3 Population dynamics and tiller-earing percentage of wheat under different fertilization treatments

AENPK、PFPNPK、PFPN、PFPPK分別表示NPK三種肥料共同的農學利用效率、偏生產力、氮肥偏生產力和磷鉀肥偏生產力。圖柱上的不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。

AENPK, PFPNPK, PFPN, PFPPKwere the agronomy efficiency and partial factor productivity of the total fertilizer, partial factor productivity of N fertilizer, and partial factor productivity of P K fertilizer, respectively.Different letters on the columns mean significant difference among the treatments at 0.05 level.

圖1不同施肥處理化肥農學利用率和偏生產力

Fig.1Agronomyefficiency(AE)andpartialfactorproductivity(PFP)offertilizer

2.4 不同施肥模式下小麥經濟效益差異

與CK相比，T1、T2和T3處理新增產值分別為7 366.5、7 552.5和7 119.0元·hm-2，新增投入成本分別增加1 902.0、3 511.5和3 321.0元·hm-2(表4)。三個施肥處理下，T1處理的新增產投比和凈收益最高，分別為3.9和5 464.5元·hm-2。這說明配方施肥可有效提高小麥種植的經濟效益，繼續增施有機肥時，小麥的收益降低。

表4 不同施肥處理下小麥的經濟效益Table 4 Economic benefits of wheat under different fertilization treatments

3 討 論

研究表明，無機化肥肥效快，可以有效促進小麥生育前期分蘗，有機肥的緩效成分可以保證小麥生育后期的營養供應，適量化肥與有機肥配施可延緩小麥葉片衰老，顯著提高籽粒產量[13-16]。趙 雋等[14]研究表明，無機肥+有機肥配施處理產量比單施有機肥處理高3.5%～11.0%，較單施無機肥處理高3.9%～5.5%，無機肥+有機肥配施處理的單位面積穗數和穗粒數最高，但千粒重降低。劉洪江等[17]對有機無機肥不同配比下水稻產量的研究也表明，合理的有機無機肥配施主要通過增加了單位面積穗數和穗粒數提高了產量。張 晶等[18]研究認為，有機肥與適量化肥配施主要提高了單位面積穗數和千粒重，從而實現了高產。本研究發現，90%傳統測土配方施肥+有機肥處理的穗數、穗粒數和千粒重均高于單施無機化肥處理和80%傳統測土配方施肥+有機肥處理，說明在傳統配方施肥的基礎上降低10%的化肥施用量，同時增施有機肥，可協同提高了產量構成三要素，若化肥施用量降低20%，穗粒數顯著降低，不利于產量的提高。由此可見，有機肥與適量無機化肥配施可以有效提高單位面積穗數，保證較高的穗粒數，一定程度提高千粒重，最終實現高產水平。

一般認為，無機化肥既容易被作物吸收，但也容易流失[19-20]。研究發現，化肥配施有機肥可降低菜地氮素徑流流失量，且隨著有機肥配施量的增加，土壤氮素流失量逐漸下降[21]。關于無機肥與有機肥配施比例，張玉平等[22]認為，30%以下的有機肥與化肥配施有利于降低旱地氮磷徑流流失量。李 占等[23]對冬小麥的研究表明，氮素利用效率以25%有機肥+75%化肥處理較高，分別比100%有機肥、75%有機肥+25%化肥、50%有機肥+50%化肥和100%化肥高 87.4%、8.3%、8.6%和10.8%。要娟娟等[24]的試驗結果顯示，適量氮肥(120 kg·hm-2)+有機肥(600 kg·hm-2)的氮素吸收量和利用效率最高，分別為295 kg·hm-2和23.7%。本研究在傳統測土配方施肥的基礎上，對降低無機化肥、補增有機肥下小麥的肥料利用效率進行研究，結果發現，80%傳統測土配方施肥+有機肥處理的NPK肥農學利用效率和偏生產力分別為9.9和15.8 kg·kg-1，均顯著高于80%傳統測土配方施肥+有機肥處理和單施無機化肥處理，表明適當降低化肥施用量，增施有機肥，可顯著提高小麥肥料利用效率。由于本研究僅采用不施肥處理為對照，因此以各處理N、P和K肥的總量作為一種復混無機化肥，計算了三種元素共同作用下的肥料農學利用效率和偏生產力，所以計算的農學利用效率較低。我們將在今后的試驗中增加N肥空白、P肥空白和K肥空白處理，以反映各元素的實際農學利用效率。

本研究還對不同施肥處理的經濟效益進行了計算分析，經濟效益的計算涉及方面較多。本文僅從籽粒產量、單價、化肥成本和有機肥成本等四個方面，對各施肥處理的產值、相對于不施肥處理的新增產值、新增成本投入、新增產投比和新增凈收益進行了統計分析。結果表明，傳統配方施肥處理的公頃產值較不施肥處理增加7 366.5元，由于三個施肥處理的產量接近，因此其之間的產值亦相差較小，但由于有機肥成本相對較高，且有機肥施用量較大，因此增施有機肥處理的新增投入比單施用化肥處理高74.6%～84.6%，這也是增施有機肥處理的新增凈收益低于僅施用傳統配方肥料的原因，這與要娟娟等[24]的研究結果較為一致。但大量研究表明，有機、無機肥料長期配合施用能有效提高土壤有機質含量，能防止土壤有機質的過渡消耗，還可以更好地調節土壤氮素的釋放，增加土壤微生物量碳，降低土壤中的氮素淋溶和對地下水的污染[25-27]。因此，從生態環境方面來看，有機肥+無機化肥配施的效益遠遠高于僅施用化肥，我們將對此方面開展進一步的研究。

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