有機肥替代化肥對旱地小麥水氮利用及經濟效益的影響

李 順，李廷亮，2，何 冰，焦 歡，李 彥，呂卓呈，張晉豐

（1.山西農業大學資源環境學院，山西太谷030801；2.山西農業大學農業資源與環境國家級實驗教學示范中心，山西太谷030801）

小麥是我國第三大糧食作物，2017 年播種面積達2 450.8 萬hm2，總產量1.34 億t[1]。施肥是糧食增產的最主要途徑，化肥對糧食單產的貢獻率可達50%左右[2]。2006—2015 年，我國小麥種植面積增長了5.1%，而總產量卻有24.6%的增幅[3]。化肥為我國小麥產量的增加起到了關鍵作用，然而長期化肥單施和過量施用對土壤結構和生態安全造成了巨大的威脅。化肥的不合理施用不僅造成了土壤理化性質惡化、硝酸鹽淋溶、水體富營養化等一系列問題[4-6]，同時化肥損失量巨大，肥料利用率和經濟效益顯著降低[7-8]。因此，探究合理的施肥措施對提升旱地麥田土壤質量和促進農業可持續發展具有重要意義。

有機肥尤其是畜禽糞便是我國主要的有機肥料資源，約占總有機肥料的80%左右[9]，每年的產生量約為38 億t，但綜合利用率僅為60%，不僅造成資源的嚴重浪費，還成為環境污染源之一[10]。生物有機肥是在傳統有機肥的基礎上，添加多種有益微生物菌劑，不但可以改善土壤理化性質，還可以提高作物的抗逆性[11-12]。然而，僅靠有機肥難以維持土壤—作物間的養分平衡，大量研究表明，單施有機肥或綠肥條件下，作物普遍減產，其中禾谷類作物減產幅度較大，在20%～25%[13-14]。因此，將有機肥與化肥配合施用，以較小的環境代價換取更多的農作物產量是我國農業近年來發展的主要方向。合理的有機肥、生物有機肥與化肥的配施，不僅可以減肥增效，提高化肥利用效率，還可以改善土壤微生物群落，減輕病蟲害的發生[15-16]。

水分和養分是制約旱地小麥生長發育最主要的2 個因子。配施有機肥能增加耕層土壤＞0.25 mm團聚體含量，從而降低土壤容重，增加毛管孔隙度，提高土壤貯水能力[17-18]。有機肥中的養分釋放緩慢，氮素多以NH4+或氨基酸的形式存在，可直接參與植物養分循環，無需消耗糖類和有機酸等光合作用產物，且降低了硝酸鹽淋失風險[19]。當化學氮素施入土壤后，作物根系會與微生物產生氮素競爭現象，而有機肥的投入會提高土壤微生物活性，從而將大量氮素固持，在微生物死亡后釋放供作物吸收利用，從而減少了氮的積累與淋溶[20]。小麥水氮利用對有機肥的響應研究發現，有機肥替代部分化肥優化了冠層氮素分配，從而提高了葉片光合速率和光合氮素效率，且在干旱條件下提高了水分利用效率[21]。關于有機肥對小麥水氮調控的研究已有諸多報道，但由于勞動力、生產成本等問題，農民對配施有機肥的認可度還不高。

本研究通過連續定位試驗系統分析了化肥配施有機肥、生物有機肥對旱地小麥產量、水氮利用效率和經濟效益的影響，旨在為我國旱地麥田培肥增產及農業可持續發展提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

于2013—2016 年進行大田試驗。試驗區位于黃土高原晉南旱塬地區，溫帶大陸季風性氣候，年均溫12.6 ℃，有效積溫3 300 ℃左右，年均降水量約500 mm，主要集中在7—9 月。供試土壤為石灰性褐土，具體理化性質列于表1。試驗期降水量如圖1 所示。

1.2 試驗設計

試驗共設4 個處理，分別為農戶施肥（PF）、監控施肥（MF）、有機無機肥配施（MCF）、生物有機肥無機肥配施（BCF）。PF 處理采用當地農民習慣施肥量；MF 處理依據“1 m 硝態氮監控，磷鉀衡量施肥原則”施肥[22]；MCF 處理在監控施肥的基礎上，依據等養分供應原則，減少化肥施用量并配施有機肥；BCF 處理在監控施肥的基礎上，依據等養分供應原則，減少化肥施用量并配施生物有機肥。各處理種植方式均為壟膜溝播，即在壟上覆膜（壟寬35 cm），溝內播種（溝寬30 cm），每壟2 行。每個處理4 次重復，隨機區組排列，小區面積520 m2。各處理具體施肥量列于表2。

所施氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O511%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），有機肥為腐熟雞糞（養分含量為N 1.68%，P2O52.45%，K2O 1.36%），生物有機肥為雞糞與菌液以質量比1∶9 比例混合而成（菌液含拉恩式菌、假單胞菌1和假單胞菌2，活菌數≥0.5×107cfu/g），由山西農業大學資源環境學院微生物實驗室提供。所有肥料在播前均勻翻耕入土。冬小麥在每年9 月30 日至10 月1 日播種，6 月7—11 日收獲，按當地農民習慣進行管理。分別于每年的收獲期在各小區隨機采集地上部小麥植株樣品10 株；以20 cm 為一層，采集小麥播前與收獲后0～200 cm 各層混合土樣，每個小區3 個點。

表2 2013—2016 年各處理施肥量 kg/hm2

1.3 測定項目及方法

小麥收獲期，在各小區隨機收獲30 m2（15 m×2 m）的小麥，脫粒計算產量。

從苗期開始，每個小區選3 個1 m 長樣點進行標記，收獲后測算公頃穗數、穗粒數和千粒質量等指標。

土壤含水量的測定采用烘干法[23]；土壤硝態氮采用CaCl2浸提，AA3（Auto Analyzer3）型流動分析儀測定[23]；植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮法，AA3（Auto Analyzer3）型流動分析儀測定[23]。

土壤貯水量（mm）＝土層厚度（cm）×土壤含水量（%）×土壤容重/10 （1）

其中，0～20，20～40，40～60，60～80 cm 土壤容重分別為1.21，1.35，1.35，1.30 g/cm3；80～200 cm土層容重均以1.36 g/cm3計[24]。

耗水量（mm）＝播前0～200 cm 土壤貯水量-收獲時0～200 cm 土壤貯水量+生育期有效降水量[25]（2）

水分生產效率（kg/（hm2·mm））＝小麥籽粒產量/耗水量[25]（3）

氮素表觀回收率＝（施氮后作物地上部分吸氮量-未施氮作物地上部分吸氮量）/施氮量×100%[25]（4）

氮肥偏生產力（kg/kg）＝施氮后小麥產量/施氮量[25]（5）

氮農學效率（kg/kg）＝（施氮后小麥產量-未施氮小麥產量）/施氮量[25]（6）

氮生理效率（kg/kg）＝施氮后小麥產量/施氮后作物地上部分吸氮量[25]（7）

氮收獲指數＝籽粒中氮積累量/成熟期地上部分總吸氮量×100%[25]（8）

1.4 數據分析

運用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進行試驗數據處理和統計分析，采用LSD 法（P＜0.05）進行分析比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施對旱地小麥水分利用率的影響

表3 為連續3 a 化肥配施有機肥和生物有機肥的水分利用情況。由表3 可知，3 a 小麥生育期0～200 cm 土壤耗水量在223.2～388.1 mm，其中，BCF處理顯著高于PF 處理和MF 處理，平均增幅為6.0%～6.7%。與單施化肥處理相比，MCF 和BCF 處理在小麥收獲后土壤貯水量無顯著差異，而播前貯水量卻顯著高于PF 處理。對于水分生產效率，MCF與BCF 處理顯著高于PF 處理，平均增幅13.8%。此外，在生育期降水量較少的年份（2014—2015 年）水分生產效率最高，平均為19.1 kg/（hm2·mm）。

表3 無機肥配施有機肥和生物有機肥對晉南旱地冬小麥水分利用率的影響

2.2 不同施肥措施對旱地小麥氮素利用率的影響

由表4 可知，各處理的氮素表觀回收率在11.52%～58.15%，其中，無機肥配施有機肥和生物有機肥處理顯著高于PF 和MF 處理，較PF 處理平均高101.5%～135.4%，較MF 處理平均高11.4%～30.1%。MF、MFC、BFC 處理的氮肥偏生產力和氮農學效率均顯著高于PF 處理，氮肥偏生產力平均增幅120.2%～143.4%，氮農學效率平均增幅71.8%～156.2%，其中均以BFC 處理最高。MF 處理的氮素表觀回收率、氮肥偏生產力和氮農學效率均顯著高于PF 處理。各處理的氮生理效率和氮收獲指數無顯著差異，平均為38.4 kg/kg 和78.4%，單施化肥處理總體高于化肥配施有機肥處理。此外，水分生產效率與氮素利用率的相關性分析表明，水分生產效率與氮肥偏生產力相關系數為0.85，呈極顯著正相關（P＜0.01）。

表4 無機肥配施有機肥和生物有機肥對晉南旱地冬小麥氮素利用率的影響

2.3 不同施肥措施對旱地小麥產量及產量構成因素的影響

由表5 可知，小麥的籽粒產量和生物產量總體趨勢一致，均以BCF 處理顯著高于單施化肥處理，較MF 處理分別高9.1%，6.1%，較PF 處理分別高22.1%，25.2%。MCF 處理的籽粒產量和生物產量低于BCF 處理，但差異不顯著。對于小麥產量構成，MF、MCF、BCF 處理的公頃穗數和千粒質量均顯著高于PF 處理，公頃穗數平均增幅12.2%～22.4%，其中，BCF 處理顯著高于MF、MCF 處理；千粒質量平均增幅2.9%～3.8%，3 個處理間差異不顯著。各處理收獲指數總體無顯著差異，平均為45%。

表5 無機肥配施有機肥和生物有機肥對晉南旱地冬小麥產量及產量構成因素的影響

2.4 不同施肥措施對旱地小麥經濟效益的影響

由表6 可知，各處理年均純收入由高到低為BCF＞MCF＞MF＞PF。其中，配施有機肥或生物有機肥處理的經濟效益顯著高于單施化肥處理，3 a平均凈收益達6 341 元/hm2，較MF 和PF 處理分別高16.9%和52.2%。與PF 處理相比，各處理均在2015—2016 年的純收入增幅最高，為73.8%～102.7%，說明旱地麥田有機無機肥配施在低產年份更有利于收入的增加。BCF 處理的經濟效益略高于MCF 處理，但二者間差異不顯著。

表6 無機肥配施有機肥和生物有機肥對晉南旱地冬小麥經濟效益的影響 元/hm2

3 討論

水分是旱作區小麥產量的主要限制因子。相關研究表明，干旱地區有機肥配施化肥會提高土壤耗水量，加劇土壤干燥化程度[26-27]。本研究發現，配施有機肥或生物有機肥后，土壤耗水量明顯增加，以化肥配施生物有機肥處理最為顯著，增幅達6.0%～6.7%，與前人研究結果[28-29]一致。雖然配施有機肥或生物有機肥提高了土壤耗水量，但本研究下小麥收獲后各處理0～200 cm 土壤貯水量無顯著差異，而播前土壤貯水量卻顯著增加，可能是因為外源有機質的投入改善了土壤的團聚體結構，增加了土壤孔隙度和蓄水能力，減少了夏閑期集中降水的淋失，為小麥生育期貯存了較多的水。本研究發現，化肥配施有機肥或生物有機肥顯著增加了水分生產效率，平均增長了13.8%，這可能是因為施用生物有機肥改善了土壤結構，構建了水、肥高效利用體系，促進了小麥的生長發育，提高了冬小麥生育后期的葉面積指數，減少了棵間土壤的無效蒸發，將水分消耗方式由土面蒸發轉換為作物蒸騰；此外，施用有機肥也可促進小麥根系生長，有利于對土壤深層水的利用。旱地小麥水分利用率存在年際差異性，且與降水量密切相關[30]。本研究發現，在小麥生育期降水較少的年份（2014—2015 年），水分生產效率最高，平均為19.1 kg/（hm2·mm）。陸增根等[31]研究表明，在干旱條件下，適度的水分虧缺會降低作物蒸騰速率，但光合速率不會顯著下降，復水后的光合作用補償效應會促進光合產物向籽粒的轉運，從而提高作物產量。2014—2015 年度整個小麥生育期，降水主要集中在4—5 月，苗期較低的降水量減少了水分的無效蒸發；在需水量巨大的拔節和灌漿期，大量集中的降水產生復水效應，促進籽粒產量的形成，從而提高了水分生產效率。

肥料利用率是衡量施肥效果的主要指標，通過對氮肥回收率、氮肥偏生產力、氮肥農學效率和氮肥生理效率的綜合分析能夠較為準確地反映小麥對氮肥的吸收和利用狀況[26]。我國小麥的氮肥利用率變異范圍為10.8%～44.4%[32-33]，平均為32%，遠低于國外氮肥的平均利用率[34]。本研究中化肥配施有機肥或生物有機肥顯著提高了旱地冬小麥的氮肥表觀回收率、氮肥偏生產力和氮肥農學效率，較監控施肥和農戶模式分別平均提高了11.4%～30.1%和101.5%～135.4%，6.8%～10.5%和135.1%～143.4%，30.0%～49.1%和123.4%～156.2%。氮生理效率是指作物地上部每吸收單位氮素所獲得的籽粒產量，本試驗中不同處理下氮素生理效率差異不顯著，平均值為38.4 kg/kg。氮收獲指數是籽粒中氮素占地上部整株植物中氮素的比例，反映了植物向籽粒分配氮的能力，本研究中小麥地上部吸收的氮素中平均78.4%的氮轉移到了籽粒中，不同處理下氮收獲指數無顯著差異。總體來說，化肥配施有機肥或生物有機肥顯著提高了氮肥利用效率，其中，以BCF 處理最為明顯，說明在旱地麥區施用生物有機肥替代部分化肥是提高氮肥利用率的有效措施。此外，較農戶模式，監控施肥處理的氮肥利用率也有顯著提升，這可能是因為合理的氮、磷、鉀化肥配施提高了肥料的正交互作用，減少了化肥的無效損失，從而提高了肥料利用率。對水、氮利用率的相關性分析發現，水分利用效率和氮肥偏生產力呈極顯著正相關，相關系數為0.85**，說明在旱地麥區，水、氮2 個因子互相影響、共同作用，有機無機肥配施后，土壤結構得到改善，使得作物耗水量增加，而耗水量的增加會提高氮素利用效率，促進小麥生長發育，從而提高旱地小麥產量。

本研究中，化肥配施有機肥和生物有機肥顯著增加了小麥的籽粒產量和生物產量，其中，BCF 處理增幅最大，較PF 處理籽粒產量平均增長了22.1%，較MCF 處理也有3.6%的增長。通過對比不同有機肥對土壤養分及微生物活性的研究發現[35]，與傳統有機肥相比，生物有機肥表現出一定的優勢，小麥產量提高了3.4%～27.8%，本研究結果與其相符。對于產量構成而言，化肥配施有機肥和生物有機肥增加了冬小麥的公頃穗數和千粒質量，其中，BCF處理較農戶模式分別提高了22.4%和3.8%，而各處理穗粒數無顯著差異，說明化肥配施有機肥的增產效應主要作用于小麥的公頃穗數和千粒質量。

不同施肥措施對小麥經濟效益的分析表明，化肥配施有機肥或生物有機肥后經濟收益顯著增加，3 a 平均純收入6 341 元/hm2，較監控施肥和農戶模式分別高16.9%和52.2%。其中，有機無機配施處理主要是減少了無機化肥的成本，增加了有機肥的支出，但單施化肥的總體成本要高于有機無機肥配施，且配施有機肥后產量收入有明顯提升，所以，導致化肥配施有機肥和生物有機肥處理的經濟效益顯著提高。但本研究中的生物有機肥菌劑是由山西農業大學資源環境學院微生物實驗室提供，在實際農業生產中應考慮生物有機肥成本。

4 結論

本研究結果表明，化肥配施有機肥或生物有機肥可顯著提高旱地小麥水分生產效率，平均增幅13.8%，且在干旱年份效果更佳。水分生產效率和氮肥偏生產力存在顯著正相關關系，有機無機肥配施顯著增加了氮素表觀回收率、氮肥偏生產力和氮農學效率，其中，均以化肥配施生物有機肥處理最高，較農戶模式分別提高135%，143%和156%。化肥配施生物有機肥顯著提高了旱地冬小麥的公頃穗數和千粒質量，從而使產量提高22.1%。有機無機肥配施降低了旱地冬小麥的生產成本，增加了產量收入，從而使純收入顯著增加，平均增幅達52.2%。綜合考慮水、氮利用及產量和經濟效益，在黃土旱地麥田，生物有機肥替代部分化肥是實現旱地小麥水肥高效利用及產量穩定增長的有效途徑。