基于土壤有機質含量推薦的旱地冬小麥施氮量研究

蔣龍剛，黃明,3，宋慶赟，苑愛靜，李嘉華，邱煒紅,2，王朝輝,2

（1西北農林科技大學資源環境學院/農業農村部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100；2西北農林科技大學/旱區作物逆境生物學國家重點實驗室，陜西楊凌712100；3河南科技大學農學院，河南洛陽 471023）

0 引言

【研究意義】中國耕地面積遼闊，不同地區因氣候、作物類型、耕作方式、土地利用方式、施肥等的不同導致土壤肥力水平差異較大[1]。同時，農戶施肥量較推薦用量普遍偏高[2-3]，導致大量養分在土壤中殘留，如硝態氮和速效磷含量增加[4-7]。在此情況下，若不通過測土直接推薦施肥可能導致施肥量與冬小麥實際需求偏差較大。因此，近來年誕生多種基于測土進行推薦氮肥施用量的方法[8-10]，如土壤 Nmin法是基于土壤0—90 cm剖面無機氮含量[11]；土壤肥力指標法是基于田間試驗建立土壤養分等級以及作物的產量反應[12]；實時氮素推薦施肥技術是基于作物不同生育時期的氮素需求量與土壤供氮能力之差[13]；旱地小麥監控施肥技術是收獲或播前1 m土層硝態氮含量與土壤硝態氮安全閾值來進行計算施氮量[14-15]。這些推薦施肥方法在農業生產中都起到了降低化肥施用量、穩產、增產及增效的作用，具有一定的適用性及科學指導意義[13,16]。然而，目前基于測土施肥的方法均需取樣和測試土壤樣品，且需要每年進行測定，造成工作量大且費用較高，難以被農戶廣泛接納和應用[17]。因此，建立一個基于土壤中穩定指標（如有機質），且能至少在 2—3年內進行氮肥用量推薦的方法尤為必要?！厩叭搜芯窟M展】研究表明，土壤中氮素的80%—97%是以有機氮的形式存在于土壤有機質中[18-19]，作物吸收的氮素至少 50%以上來源于土壤有機質的礦化[20-21]，且已有大量研究表明土壤氮素供應能力與土壤有機質含量呈顯著正相關[22-23]?；谝延形墨I數據統計，我們發現土壤有機質年礦化量與土壤有機質呈顯著正相關關系（圖 2）。因此，土壤有機質含量可有效反應土壤供氮水平，基于土壤有機質含量進行推薦氮肥施用量具有一定的可行性。目前，國內外已有基于有機質含量推薦施氮量的相關報道，如印度，BENBI等[23]基于6年長期試驗建立了基于土壤有機質含量與土壤供氮能力相關程度進行推薦施氮量，然而該研究區域土壤有機質含量范圍為4—16 g·kg-1，且70%以上的土壤有機質小于10 g·kg-1，低于我國土壤有機質平均含量（24.6 g·kg-1）[24]，因此該方法并不適用于我國。在華北平原，CUI等[25]基于不施氮處理的表觀氮礦化量和土壤播前無機氮含量推薦施氮量。然而施氮處理與不施氮處理表觀礦化量差異較大[26]，且該方法還需測定土壤播前無機氮含量，造成測試成本較高。姜麗娜等[27]基于多年多點氮肥效應試驗，并通過回歸分析確定經濟施氮量和土壤有機質之間的函數模型，構建了浙江省油菜測土施氮指標體系。然而該研究僅考慮土壤有機質供氮水平與施氮量之間的關系，并未考慮作物不同目標產量下需氮量的差異?！颈狙芯壳腥朦c】以上基于土壤有機質推薦施氮量方法均未在田間進行試驗驗證，能否用于生產實踐還有待檢驗。目前國內還缺乏一套完善的基于土壤有機質推薦的作物施氮方法。該方法應考慮維持或提高土壤肥力水平，對于低有機質含量的土壤，應防止有機質礦化速率過快造成土壤肥力水平下降[28]；而對于高有機質含量的土壤，施肥時應考慮有機質自身的礦化，避免造成土壤殘留硝態氮的增加（圖3），加劇環境風險。【擬解決的關鍵問題】本研究以低有機質含量土壤維持或提高土壤肥力、高有機質土壤降低環境風險為目的，在渭北旱塬六縣設置基于土壤有機質和目標產量推薦氮肥用量試驗，通過與農戶習慣施肥相比較，驗證基于土壤有機質推薦氮肥施用量的科學性和合理性，為旱地小麥合理施用氮肥提供方法。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014年9月至2017年9月，連續3年在西北旱地小麥種植區陜西渭北旱塬六縣（彬縣底店鎮，鳳翔縣田家莊鎮，合陽縣和家莊鎮，蒲城縣橋陵鎮、罕井鎮，耀州縣石柱鎮，永壽縣監軍鎮）進行，其中鳳翔與耀州試驗點由于農戶土地流轉在試驗第3年更換試驗地，其余4個試驗點試驗期間沒有更換試驗地。渭北旱塬位于黃土高原中部，海拔600—1 300 m，東經 106°40′—110°36′，北緯 34°29′—35°36′，總面積約300×104hm2，年降水量平均為500—600 mm，年際間波動劇烈且年內分布不均，60%以上降水集中在7、8、9月。該地區冬小麥為一年一熟，每年9月中旬至10月初播種，下一年6月初至下旬收獲，夏季休閑。試驗期間各試驗點的休閑季和生長季降水如圖 1所示。試驗開始前各試驗點土壤基礎理化性狀及0—100 cm土層硝態氮積累量如表1所示。

1.2 試驗設計

試驗設置2個處理，即農戶習慣施肥（FP）與基于收獲期土壤有機質測試的推薦施肥（OFP）。FP處理中，施肥量為當地農戶習慣施用量，即在小麥播種前隨機走訪各試驗地點所在村30個農戶，調查其小麥施肥量，以農戶平均氮、磷、鉀施肥量作為該試驗點肥料用量。OFP處理施氮量是根據冬小麥目標產量、0—20 cm土層有機質含量參數，應用“有機質推薦施肥法”計算氮肥用量。其原理如下：

通過中國知網、Web of Science中英文數據庫檢索國內外近40年公開發表關于有機質礦化的文獻，并對檢索的文獻進行篩選，篩選標準如下：（1）必須為田間有機質礦化試驗；（2）種植作物為小麥。經過篩選，共有19篇文獻，38個樣本數據?；谀壳瓣P于有機質礦化的文獻數據匯總發現（圖 2），土壤有機質年礦化量與土壤有機質含量顯著正相關。從擬合方程可看出，當土壤有機質為10 g·kg-1時，土壤有機質年礦化量為35.4 kg·hm-2；當土壤有機質為 20 g·kg-1時，土壤有機質年礦化量為72.4 kg·hm-2。農戶施肥時若不考慮土壤自身的礦化量，可能會造成化肥施用過量和硝酸鹽殘留。本課題組前期大量的農戶調研發現，隨著表層土壤有機質含量的增加，收獲期1 m土層硝酸鹽殘留量逐漸增加（圖 3）。因此，當土壤有機質含量高時應適當降低氮肥施用量，而當土壤有機質含量低時，為提高土壤肥力水平應適當增加氮肥施用量。文獻資料表明[24,29]，陜西省80%以上耕地的土壤有機質含量介于 8—20 g·kg-1，且平均含量為 14 g·kg-1，所以將土壤有機質含量介于12—16 g·kg-1規定為中等水平，并建立土壤有機質豐缺指標（表 2）。在有機質中等水平時，施氮的目標是將土壤有機質含量維持在中等水平并獲得較高產量，因此將施氮系數定為1.0，當土壤有機質含量高于中等水平時，施氮系數降低，反之增高，然后根據表2建立0—20 cm土層有機質含量和氮施肥量計算系數之間的回歸方程，使施氮系數連續化，而后結合目標產量需氮量，建立基于 0—20 cm土層有機質含量的氮肥推薦施用方法，即：

圖1 試驗期間各地點夏閑期與生長期的降水量Fig. 1 Precipitation during the growing season of wheat and fallow season during the experimental years from 2014 to 2017

表1 各試驗地點開始前土壤的基本理化性狀和0—100 cm土層硝態氮累積量Table 1 Properties of the soil and nitrate in 0-100 cm soil sampled at wheat harvest when the experiments were initiated

圖2 0—20 cm土層有機質含量與土壤一年氮礦化量的關系Fig. 2 Relationship between soil organic matter content in 0-20 cm soil layer and soil nitrogen mineralization in a year

施氮量（kg N·hm-2）=目標產量需氮量（kg N·hm-2）×施氮系數（Nf）

式中，目標產量為試驗地塊前3個正常年份小麥產量的平均值乘以系數1.10。目標產量需氮量＝目標產量（kg·hm-2）×28/1000，其中參數28為生產1 000 kg小麥籽粒氮需求量[30]。Nf是根據0—20 cm土層有機質含量（OM：Organic matter）與Nf的關系式求得：Nf=0.0004761634 OM2-0.0288784977 OM+1.3164638749。

OFP處理中的磷鉀施肥量由磷鉀恒量監控施肥方法確定[15,31-32]。

試驗采用隨機區組設計，小區面積為50—80 m2，3次重復。冬小麥品種為晉麥47、西農822、長旱58、洛旱6號等當地主栽品種，播種量為130—230 kg·hm-2。施用肥料為尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、硫酸鉀（含K2O 50%），均與表層土混勻基施。

1.3 取樣與測定

圖3 農戶0—20 cm土層有機質含量與收獲期1 m土層硝態氮殘留量的關系Fig. 3 Relationship between organic matter content in 0-20 cm soil layer of farmland and nitrate nitrogen residue in 1 m soil layer at harvest

表2 土壤有機質豐缺指標及其優化施氮系數Table 2 Soil organic matter supply capacity indexes and their recommended N fertilization coefficients

1.3.1 土壤樣品采集與測定 在試驗開始前（試驗地第一次播種前）以及試驗期間收獲時采集0—100 cm的土層，每20 cm為一層，其中0—40 cm土層取5個點，40—100 cm取3個點，同層土壤混合均勻，取500 g土樣裝入自封袋中，密封好后帶回實驗室。其中一部分鮮樣用于測定土壤水分、硝銨態氮含量，另外一部分土樣經風干并研磨分別過1 mm和0.15 mm的篩，保存、待測。

土壤水分含量采用烘干法測定，即稱20 g左右土樣放置105℃的烘箱24 h，經烘干后稱重計算含水量；土壤硝態氮含量采用1 mol·L-1KCl浸提1 h后用AA3連續流動分析儀（SEAL公司，德國）測定；土壤有效磷采用 Olsen 法測定；土壤有效鉀是用乙酸銨浸提、火焰光度計測定；土壤有機質含量采用外加熱容量法測定[33]。

1.3.2 植物樣品采集與測定 在小麥成熟期，分別在小區內隨機選取4個1 m2樣方收割小麥，作為記產樣方樣品，樣品風干脫粒后進行稱重，從中稱50 g左右放入 65℃烘箱中烘干至恒重，測定含水量，進而計算小麥籽粒產量，以烘干重記。同時，在每個小區都采用“盲抽法”，隨機采集100穗小麥植株，于根莖結合處剪掉根系，并將地上部分為穗和莖葉，然后分別裝入對應網袋。穗風干后脫粒、考種。最后將地上部分為籽粒、穎殼和莖葉三部分，作為養分分析樣品，經 65℃烘干后，稱重。然后根據各部分質量組成比例計算收獲指數、生物量、公頃穗數。籽粒、穎殼和莖葉用粉碎機粉碎后采用H2SO4-H2O2消煮，AA3連續流動分析儀（SEAL公司，德國）測定植株全氮含量。

1.4 數據計算

產量（kg·hm-2）＝樣方產量（kg）/樣方面積（m2）×10000；

生物量（kg·hm-2）=籽粒產量（kg·hm-2）/收獲指數；

土壤硝態氮累積量（kg·hm-2）＝土層厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝態氮含量（mg·kg-1）/10；

氮收獲指數（%）＝籽粒氮積累量（kg·hm-2）/地上部氮積累量（kg·hm-2）×100；

氮肥偏生產力（kg·kg-1）＝籽粒產量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）；

經濟效益（元/hm2）＝產值（元/hm2）－成本（元/hm2），其中：產值（元/hm2）＝小麥籽粒產量（kg·hm-2）×小麥市場價格（元/kg）；成本（元/hm2）＝施氮量（kg N·hm-2）×氮肥價格（元/kg）＋施磷量（kg P2O5·hm-2）×磷肥價格（元/kg）＋施鉀量（kg K2O·hm-2）×鉀肥價格（元/kg）＋機械播種（元/hm2）＋機械旋地（元/hm2）＋機械翻地（元/hm2）＋機械收割（元/hm2）＋播種量（kg·hm-2）×種子價格（元/kg）＋農藥（元/kg）。其中，小麥市場價格平均為2.2元/kg，氮磷肥價格平均為4、5.2、9元/kg，機械播種費、旋地、翻地費、收割分別為300、450、450、525元/hm2，種子價格平均為4.2元/kg，農藥費為150元/hm2。

1.5 數據分析

數據采用 Microsoft Excel軟件進行處理，SAS（v8.2，SAS Institute Inc.）做方差分析（LSD法），顯著性檢驗水平為P≤0.05。

2 結果

2.1 施肥量

3年結果表明（表 3），農戶習慣（FP）施氮、磷和鉀量在 3年間差異不大，各試驗點施氮量介于140—241 kg N·hm-2，平均為 190 kg N·hm-2，施磷量介于 71—182 kg P2O5·hm-2，平均為 120 kg P2O5·hm-2，施鉀量介于0—69 kg K2O·hm-2，平均為34 kg K2O·hm-2?；谕寥烙袡C質推薦（OFP）施氮量介于101—211 kg N·hm-2，3年18點的平均施氮量為161 kg N·hm-2，與農戶習慣施肥相比降低了15.3%。OFP處理各試驗點（彬縣、鳳翔、合陽、蒲城、耀州、永壽）3年的平均施氮量較農戶習慣施肥分別減少了34、2、34、31、40和30 kg N·hm-2。其中鳳翔試驗點OFP處理平均施氮量為208 kg N·hm-2，與農戶習慣施氮量（210 kg N·hm-2）相近，原因可能與鳳翔小麥目標產量較高且有機質含量較低有關。此外，基于有機質推薦施肥3年18點的平均施磷量和施鉀量分別為 71 kg P2O5·hm-2和 31 kg K2O·hm-2，與農戶習慣施肥相比分別降低40.8%、8.8%。

表3 2014—2017年不同處理施肥量Table 3 N, P and K fertilizer application rates in different treatments during 2014-2017

2.2 冬小麥產量、生物量及產量三要素

不同試驗點之間冬小麥籽粒產量差異較大，如2016—2017小麥生長季，籽粒產量變化范圍為1 759—6 364 kg·hm-2（FP）和 1 939—6 897 kg·hm-2（OFP），基于有機質推薦施肥3年18個試驗點的平均產量為5 817 kg·hm-2，較農戶習慣施肥（5 337 kg·hm-2）的產量顯著提高9.0%（表4），2014—2017年3個生長季增幅分別為8.3%、9.7%、9.1%。冬小麥生物量的試驗結果與產量相似（表4），OFP處理3年生物量平均為 13 419 kg·hm-2，較農戶習慣施肥（12 086 kg·hm-2）顯著提高了 11.0%，且不同試驗點之間均達顯著性差異?？梢娀谟袡C質推薦施肥不但可以降低氮肥用量，還能有效提高小麥籽粒產量。

表4 各試驗地點2014—2017年的冬小麥產量與生物量Table 4 Winter wheat yield and biomass at different experimental sites during years of 2014-2017

基于有機質推薦施肥對冬小麥的穗數、千粒重影響顯著（P＜0.05），而對穗粒數無顯著影響（表5）。基于有機質推薦施肥下3年平均穗數和千粒重分別為511萬穗/hm2和39.1 g，與農戶習慣施肥相比均顯著增加，其增幅分別為6.7%、2.9%?？梢娪袡C質推薦施肥是通過提高冬小麥的穗數與千粒重實現小麥增產的。

表5 各試驗點2014—2017年冬小麥產量構成要素Table 5 Yield components of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

2.3 冬小麥氮吸收量、氮收獲指數及氮肥偏生產力

與農戶習慣施肥相比，基于有機質推薦施肥對冬小麥氮吸收量、氮肥偏生產力影響顯著（P＜0.05），而對氮收獲指數無顯著影響（表6）。基于有機質推薦施肥3年氮吸收量平均為177.0 kg·hm-2，較農戶習慣施肥（166.9 kg·hm-2）顯著提高了6.1%?；谟袡C質推薦施肥的氮收獲指數3年平均為74.3%，與農戶習慣施肥相比無顯著差異?；谟袡C質推薦施肥較農戶習慣施肥可顯著提高氮肥偏生產力，3年分別提高37.8%、27.0%、24.2%，平均增幅為30.3%。上述結果表明，基于有機質推薦施肥可以在提高小麥籽粒產量的基礎上，同時提高小麥氮吸收量與氮肥偏生產力。

表6 各試驗點2014—2017年冬小麥的氮吸收量、氮收獲指數、氮肥偏生產力Table 6 N uptake, N harvest index, and N partial productivity of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

2.4 收獲期0—100 cm土層硝態氮殘留

收獲期1 m土層硝態氮殘留量計算結果表明（圖4），基于有機質含量推薦施肥1 m土層硝態氮殘留量3年平均為99 kg·hm-2，顯著低于農戶習慣施肥（138 kg·hm-2），3個生長季降幅分別為 28.3%、31.5%、25.9%。在各試驗點（彬縣、鳳翔、合陽、蒲城、耀州、永壽），基于有機質推薦施肥收獲期1 m土層硝態氮平均殘留量與農戶習慣施肥相比分別降低了38.3%、30.4%、15.5%、37.0%、19.1%、35.7%。除合陽、彬縣試驗點外，其余4個試驗點兩處理間1 m土層硝態氮殘留量達顯著性差異?？梢姡谟袡C質推薦施肥有效降低了收獲期土壤硝態氮殘留量，從而降低氮素淋溶風險。

圖4 各試驗點2014—2017年收獲期0—1 m土層硝態氮殘留量Fig. 4 Nitrate N residues in 0-1 m soil layers at harvest of winter wheat at different experimental sites during 2014 to 2017

2.5 經濟效益

基于有機質推薦施肥可以顯著增加經濟效益（圖5），3年平均收益為8 949元/hm2，較農戶習慣施肥（7 498元/hm2）顯著增加19.3%，且基于有機質推薦施肥 3年試驗期間每年的平均收益均較農戶施肥習慣顯著增加，3年分別增加18.9%、19.2%、20.3%。不同試驗點（彬縣、鳳翔、合陽、蒲城、耀州、永壽）的平均效益較農戶習慣施肥分別增加16.4%、9.3%、37.7%、44.8%、16.4%、19.5%。說明基于有機質推薦施肥可以減少肥料投入、降低成本、提高農民的收入。

3 討論

圖5 各試驗點2014—2017年冬小麥的經濟效益Fig. 5 Economic benefits of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

合理的施氮量是保證小麥高產及環境友好的重要措施[15,34]。當前農民習慣施肥量卻存在較高的環境風險，如造成土壤硝酸鹽殘留量較高[15,35]。主要原因一是農民為追求高產盲目且過量施用氮素化肥的現象非常普遍[2-3]；二是在施肥過程中未考慮土壤有機質自身的礦化。植物吸收的養分70%以上來自于土壤本身，包括土壤有機質的礦化和殘留的化學氮肥[36]。我們前期基于文獻數據匯總發現土壤有機質年礦化量與土壤有機質含量呈顯著的線性相關（圖2），當土壤有機質從10 g·kg-1增加到20 g·kg-1時，土壤有機質年礦化量由 34.7 kg·hm-2增加到 74.4 kg·hm-2。這說明土壤有機質礦化可以為農作物提供大量的氮素，施肥時不考慮這部分氮素的供應必然會增加收獲期土壤硝酸鹽的殘留量。研究認為，為兼顧下一季作物高產與環境安全，在華北平原及歐洲地區小麥收獲后0—90 cm土層硝態氮也應維持在90—100 kg·hm-2的范圍內[37-38]，超過此范圍會增加硝態氮的淋溶損失，造成資源浪費和環境風險[7,39]。我們統計結果發現當前農戶小麥收獲期 0—100 cm 土層硝態氮的含量為 10.0—437.5 kg·hm-2，其中 47.1%的農戶超過了 100 kg·hm-2，且隨著表層土壤有機質含量的增加而增加（圖 3）。因此合理施氮量的確定應考慮土壤有機質的礦化量。

本研究基于土壤有機質含量進行推薦施氮量，3年田間試驗驗證結果表明，3年6縣基于有機質推薦施肥施氮量平均為161 kg N·hm-2，較農戶習慣施肥的施氮量降低 15.2%（表 3），且小麥產量較農戶習慣施肥增產9.0%（表4），氮肥偏生產力較農戶習慣施肥提高30.3%（表6），收獲期1 m土層硝態氮殘留量（99 kg·hm-2）較農戶習慣施肥（138 kg·hm-2）降低28.3%（圖4），農民的經濟效益顯著增加19.3%（圖5）。這說明通過測定土壤有機質含量推薦施氮量可行可靠。同時，本試驗在其中4個試驗點（永壽、彬縣、蒲城、合陽）的同一塊田塊進行了3年的定位試驗，即基于第一年測定的土壤有機質含量連續進行了 3年的氮肥施用量推薦，3年內均達到了較好的減氮并增產效果?？梢?，由于土壤有機質相對較穩定，可以至少在 3年內只進行一次土壤表層有機質的測定而推薦氮肥施用量，這樣就大大減少了測試工作量，利于推廣。

渭北旱塬地區小麥收獲后0—100 cm土層硝態氮殘留量安全閾值為55 kg·hm-2[14-15]，而本研究中基于有機質含量推薦施氮處理大部分試驗點小麥收獲后的 1 m土體硝態氮殘留量高于55 kg·hm-2，原因是基于土壤有機質推薦施氮方法時并未考慮播前土壤硝酸鹽殘留量。HUANG 等[40]研究表明基于上一季作物收獲后或播前土壤硝酸鹽殘留量進行推薦施肥可顯著降低硝酸鹽殘留量，且連續3年多點土壤硝酸鹽殘留量均低于55 kg·hm-2。因此，后期應結合1 m土層硝酸鹽含量對基于土壤有機質含量推薦施氮方法進行優化。此外，本研究中合陽、蒲城和永壽3個試驗點表現出小麥收獲后1 m土體硝態氮殘留量逐年增加的趨勢（圖4），原因可能主要是年際間冬小麥籽粒產量差異較大造成的，如蒲城試驗點3年有機質推薦施肥籽粒產量分別為 6 139、2 309 和 1 939 kg·hm-2。該試驗點在 2015—2016與2016—2017年試驗期間夏閑期降雨量較低（圖 1），導致冬小麥籽粒產量下降且遠低于當年預測的目標產量。當預測的目標產量高于實際產量時，基于有機質含量推薦施肥方法計算出的氮肥用量則高于小麥實際氮素需求量，從而增加收獲后土壤硝態氮殘留量。已有大量研究表明，土壤播前水分蓄積量對旱地小麥產量具有重要影響[41-42]，CAO等[43]通過統計渭北旱塬六縣52個試驗點4年試驗結果發現，可依據夏閑期的降雨量來預測下一年度小麥產量。因此，結合夏閑期降雨量預測目標產量，再根據目標產量和土壤有機質含量，可獲得較為精準氮肥推薦用量。

4 結論

渭北旱塬連續3年田間試驗結果表明，與農戶習慣施肥相比，基于土壤有機質含量推薦施氮量可有效降低氮肥施用量，提高冬小麥產量、氮肥偏生產力和經濟效益，且顯著降低了1 m土層硝酸鹽的殘留量。這說明基于有機質含量推薦施氮的方法具有可行性。與其他氮肥推薦方法相比，基于土壤有機質含量推薦施氮量的方法簡便、快速，且測定一次有機質含量可滿足2—3年氮肥用量的推薦。可作為旱地冬小麥推薦施氮的方法用于實際生產。