有機氮替代部分無機氮對砂姜黑土冬小麥產量及氮肥利用率的影響

李太魁 寇長林 郭戰玲 張香凝

摘要：以百農207為試驗材料，在氮磷鉀用量一致的基礎上，研究有機肥和無機化肥配施比例對冬小麥產量、土壤有機質和養分含量、氮素利用率的影響。結果表明，純無機化肥和有機肥無機肥配施均能提高土壤有機質和養分含量，與對照相比，純無機化肥處理土壤耕層有機質含量增加10.83%，有機肥無機肥配施增加11.81%～26.97%，土壤有效磷與速效鉀含量變化趨勢與有機質含量變化趨勢基本一致。有機肥無機肥配施小麥產量比不施肥的增產幅度為3591%～46.58%，比常規施肥增產幅度為5.85%～1416%，其中以有機肥氮替代60%無機肥氮（60%OM）處理產量最高，年產量達8 434 kg/hm2，40%OM處理次之。相對于常規施肥處理較高的氮肥利用率（36.13%），40%OM和60%OM處理氮肥利用率分別高達46.64%、47.88%，高于常規施肥處理，氮素表觀損失量分別為7031、59.70 kg/hm2，低于常規施肥處理（126.18 kg/hm2）。說明在等氮量條件下，以40% 和60% 有機肥氮替代無機肥氮不但提高土壤有機質和養分含量、作物產量和氮肥利用率，還可以降低氮素表觀損失量，獲得較高的經濟和環境效益。因此，有機肥替代部分無機化肥是河南省砂姜黑土區冬小麥的推薦施肥措施。

關鍵詞：有機肥;砂姜黑土;冬小麥;產量;氮肥利用率

中圖分類號：S512.1+10.6 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）05-0097-05

化肥是現代農業生產的重要物質基礎，也是農業增產的重要保證，伴隨農產品產量提高的同時，化肥用量一直在不斷增加，尤其是氮肥占化肥用量的比例在不斷上升，這已引發了嚴重的環境問題，如土壤板結、土壤酸化、地下水污染等[1]。有機肥含有大量作物生長所需的營養元素，一直用于改善土壤肥力和提高土壤固碳能力，無論是單施有機肥還是有機肥、無機肥配施，均能有效地減輕硝酸鹽污染，改善土壤肥力并提高作物產量。但有機肥養分釋放速度慢，若單施有機肥作物產量往往難以達到預期。因此，合理將有機肥和無機肥配施是眾多學者關注的熱點之一。大量的研究結論較為一致，大都認為有機肥、無機肥配施能提高作物的產量和氮肥利用率。劉明鐘等研究表明，有機肥無機肥配施能明顯提高小麥產量[4]。也有研究認為，有機肥無機肥配施不僅增加了糧食產量，還降低了土壤容重，提高了土壤速效養分的含量[5]。這些研究在指出有機肥無機肥配施增加糧食產量的同時，很少研究有機肥無機肥混合的比例。有機肥無機肥混合施用的最適配比，及其對作物的產量和土壤環境產生的影響沒有更多的理論依據，也成了制約有機肥無機肥配施方向發展的關鍵科學問題。

砂姜黑土是我國黃淮海平原的主要耕作土壤，面積約為370萬hm2，是我國主要中低產田土壤類型之一。砂姜黑土區低產的主要原因是土壤質地黏重，養分失調，有機質含量低，肥料利用率低，嚴重影響了作物的正常生長[6]。有機肥能提高土壤肥力和糧食產量，且研究區有機肥資源豐富，但并沒有得到充分利用，因此在砂姜黑土區研究有機肥替代化肥具有重要意義。鑒于此，本試驗通過田間試驗，研究等氮條件下有機肥料氮替代部分無機肥料氮對小麥產量和土壤環境的影響，探索有機肥替代無機肥的最佳比例，以期為合理施肥及在小麥生產上的推廣和應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗地點位于河南省駐馬店市西平縣二郎鄉張堯村，屬于典型的砂姜黑土區，位于河南省中南部，屬大陸性季風型濕潤氣候，年平均氣溫為14.8 ℃，年平均降水量為852 mm。小麥—玉米輪作是該縣典型的種植方式。試驗地0～20 cm耕層土壤基礎養分：全氮含量為1.03 g/kg，有效磷含量為13.06 mg/kg，速效鉀含量為125.60 mg/kg，有機質含量為15.68 g/kg，pH值為7.18。

1.2 試驗設計

定位試驗于2012年10月開始，采用田間小區處理，面積為45 m2（5 m×9 m），3次重復，隨機排布。共設6個處理：不施肥（CK）、常規施氮磷鉀肥（常規）、有機肥氮替代20%無機肥氮（20%OM）、有機肥氮替代40%無機肥氮（40%OM）、有機肥氮替代60%無機肥氮（60%OM）、有機肥氮替代80%無機肥氮（80%OM）。總施氮量為純氮 225 kg/hm2，P2O5施用量為60 kg/hm2，K2O施用量為60 kg/hm2。供試有機肥為干雞糞，由西平縣金剛有機肥廠提供，N、P2O5、K2O含量分別為124%、1.36%、2.24%，含水量為1462%。氮肥、磷肥、鉀肥分別采用尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，其中40%的氮肥在整地時作為底肥施入，其余60%在拔節期追施，有機肥、磷肥、鉀肥全部作底肥一次性施入，田間管理同當地農民習慣，且各處理保持一致。小麥品種采用百農207。

1.3 樣品采集與測定

由于田間試驗剛開始時誤差較大，本試驗于2014年10月6日小麥播種前和2015年6月5日小麥收獲后，即定位試驗的第3個輪作周期采集土壤樣品，每個小區用土鉆隨機選取3個樣點，按20 cm間隔采集0～100 cm土層的土樣，去除樣品中的秸稈、石塊等雜物，每個小區的同一土層混勻成為各小區的土壤樣品。土壤銨態氮、硝態氮含量用分光光度法測定，全氮含量用凱氏定氮法測定，有效磷含量用鉬銻抗比色法測定，速效鉀含量用火焰光度法測定，有機質含量用重鉻酸鉀外加熱法測定[7]。

在小麥收獲期，每個小區選取6 m2收獲測產，并選取1 m雙行整株收獲對穗粒數、總穗數、千粒質量等進行調查分析。

1.4 計算公式及統計方法

氮肥利用效率=（施氮區作物吸收氮素總量-不施氮區作物吸收氮素總量）/氮肥投入量×100%;

氮肥農學利用效率（kg/kg）=（施氮區作物籽粒產量-不施氮區產量）/氮肥施入量;

土壤最初無機氮量（kg/hm2）=土層厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤無機氮含量（mg/kg）×10。

氮素礦化量與表觀損失量參照劉學軍等的方法[8]來計算，假定施肥處理的土壤礦化量和對照（CK）相同，即氮素礦化量=無氮區地上部分氮積累量+無氮區土壤殘留無機氮量-無氮區土壤最初無機氮量。氮肥表觀損失量=氮肥投入量-作物吸收氮肥量-土壤中殘留無機態氮量。

試驗數據采用Excel 2007和SPSS 13.0 軟件進行處理與統計分析，采用最小顯著性差異（LSD）法進行多重比較分析（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1有機肥替代不同比例無機肥對耕層（0～20 cm）土壤養分含量的影響

如表1所示，與對照（CK）相比，常規施肥和有機肥無機肥配施均顯著提高了砂姜黑土0～20 cm土層土壤養分含量，總體上土壤養分含量隨有機肥施用量增加而增加。有機肥替代不同比例無機肥處理的土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀含量分別增加了 11.81%～26.97%、8.25%～24.74%、20.57%～27.49%、10.23%～16.31%。常規施肥的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量分別比對照增加了10.83%、12.37%、12.70%、9.27%，常規施肥不如有機肥無機肥配施效果顯著。從表中數據還可以看出，總體上有機肥替代60%～80%無機肥處理各項土壤指標最佳。

2.2 有機肥替代不同比例無機肥對小麥產量及其構成要素的影響

小麥產量的三要素由穗粒數、有效穗數及千粒質量構成。從表2可以看出，有機肥無機肥配施明顯提高了小麥產量，其中以60%OM處理小麥產量最高，40%OM處理次之，分別比對照增加了2 680、2 263 kg/hm2，增產率分別為46.58%、39.33%。常規施肥處理比對照增產28.39%，產量顯著低于有機肥無機肥配施處理。進一步從產量構成要素分析，各處理之間穗粒數和有效穗數無顯著性差異，各處理主要是千粒質量的不同而引起籽粒產量的差異。

2.3 有機肥替代不同比例無機肥對小麥吸氮量及氮肥利用率的影響

小麥吸氮量、氮肥利用率與施肥方式密切相關。由表3可以看出，與常規施肥相比，40%OM和60%OM處理顯著提高了籽粒吸氮量、秸稈吸氮量、總吸氮量、氮肥利用率及氮肥農學利用效率。不同施肥處理的氮肥利用率表現為60%OM>40%OM>常規施肥>20%OM>80%OM，氮肥農學利用效率表現為60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常規施肥。40%OM與60%OM處理間差異不顯著。

2.4 有機肥替代不同比例無機肥對小麥生育期氮平衡的影響

本試驗起始無機氮積累量對應0～100 cm深度土壤。從表4可以看出，小麥收獲后，常規施肥土壤無機氮殘留量最高，達263.55 kg/ hm2;40%OM和60%OM處理的氮肥表觀損失量分別為70.31、5970 kg/hm2，常規施肥處理的氮肥表觀損失量最高，為126.18 kg/hm2。由此可見，不合理的施肥很容易使殘留的無機氮通過淋溶或者揮發從土壤-作物體系中損失，造成對地下水和大氣環境的污染。

2.5 有機肥替代不同比例無機肥情況下的經濟效益分析

從表5可以看出，與對照相比，農民常規施肥使小麥經濟效益提高了15.89%，有機肥替代部分無機肥使小麥經濟效益提高了7.12%～22.51%，有機肥替代60%無機肥經濟效益最高，替代80%無機肥經濟效益最低，本試驗條件下，與農民常規施肥相比，有機肥料比例過高反而會降低經濟效益，替代率在60%時經濟效益最佳。

3 結論與討論

3.1 有機肥替代不同比例無機肥對土壤養分含量的影響

有機質是土壤中營養元素的重要來源，其含量是評價農田土壤肥力的重要指標之一[9]。試驗結果表明，與常規施肥相比，有機肥無機肥配施明顯提高了土壤有機質含量，主要是由于有機肥的施用將大量有機質帶入土壤，且單施化肥土壤有機質礦化損失高于配施有機肥。土壤有效磷濃度與有機肥用量存在一定的正相關關系，這是因為有機肥中含有活性較高的有機磷組分，有利于有機磷向無機磷轉化，在一定程度上保證了土壤有效磷的穩定供給[12]。另外，楊麗娟等認為土壤中無機顆粒能通過鐵、鋁橋鍵與有機物質結合，降低了鐵、鋁離子與磷的吸附，因此提高了磷的活性[13]。有機肥含有多種速效養分，因此配施有機肥土壤全氮、速效鉀含量也相應增加，這與其他學者的研究結果一致。

3.2 有機肥替代不同比例無機肥對小麥產量及氮肥利用效率的影響

作物的產量與土壤養分的供應過程密切相關。本試驗研究表明，不同施肥處理小麥籽粒產量表現為60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常規施肥>CK，表明有機肥氮替代60%無機氮能夠明顯增加小麥產量。原因可能是有機肥無機肥配施能改善土壤養分供應過程，使土壤養分平穩釋放。有機肥料氮替代60%無機氮不僅能使土壤養分含量維持在較高水平，且為作物的后期生長所需養分提供了保證，綜合提高了小麥產量構成要素，為最終獲得較高的產量和經濟效益奠定了基礎[17]。張營武等研究表明，有機肥替代50%無機肥施用能使豫北沙壤土區小麥顯著增產[2]，本試驗的結果與之基本一致。眾多研究表明，有機肥替代部分無機肥能夠顯著提高作物氮素積累量和氮素利用效率[18]。本試驗發現，有機肥無機肥配施處理小麥的總吸氮量和氮肥利用率明顯比常規施肥高，尤其是60%OM和40%OM這2個處理，明顯高于其他處理，這與楊曉梅等的研究結果[19]基本一致。張發明等認為，有機肥含有較多的活性微生物，這些微生物有2個重要作用：一是能活化土壤中難以被作物吸收利用的氮素，二是可以將作物生長前期較多的礦物質氮儲存起來，待后期氮素相對缺乏時釋放出來供作物生長，延長氮素在土壤中的循環時間，提高作物對氮素的吸收和利用[20]。劉益仁等研究認為，有機肥施用量過高或單施無機肥會使前期微生物固持的氮素不足，從而導致中后期釋放的氮素養分過少，不能充分滿足作物后期快速生長階段對養分的需求;因此作物的產量、氮素積累量和氮肥利用率都明顯低于合理的有機肥無機肥配施處理[21]。

3.3 有機肥替代不同比例無機肥對小麥生育期氮平衡的影響

目前，較多的研究者關注有機肥無機肥配施下的氮肥利用率、氮素平衡問題[22]，但有關有機氮替代無機氮的比例對土壤氮素平衡方面的研究較少。本試驗研究結果表明，常規施肥明顯增加了土壤無機氮殘留量，不同施肥處理氮素表觀損失量表現為常規施肥>80%OM>20%OM>40%OM>60%OM，表明有機肥無機肥配施降低了氮素的損失量，但有機肥的施用并不是越多越好，過多施用會增加氮素損失的風險，其中替代60%無機化肥效果最佳。楊曉梅等研究表明，有機肥替代50%比例的無機化肥在華北褐土區氮素損失最低[19]，本試驗的結果與之基本一致。原因可能是這一比例配施可以更好地調節C/N，較多的氮素可通過微生物同化作用被暫時固定到微生物體內，因此減少了通過揮發、反硝化和淋失等途徑造成的氮素損失。有機肥替代不同比例無機化肥造成氮素損失差異，這一現象具有重要意義，砂姜黑土農田耕作條件下，農民隨意施用有機肥，這一方面增加了投入成本，降低了經濟效益，另一方面增加了氮素損失，同時降低了肥料利用率，造成資源的巨大浪費。本試驗結果對指導農民科學施肥、優化土壤氮素供應、提高氮肥利用效率、保護農業生態環境等都具有重要意義。

綜上所述，有機肥無機肥配施對于提高土壤有機質和養分含量的效果優于常規施肥，有機肥無機肥配施中，以40%OM和60%OM處理的小麥產量和經濟效益最高。與常規施肥相比，有機肥無機肥配施都不同程度提高了秸稈吸氮量、總吸氮量、氮肥利用率及氮肥農學利用效率，降低了氮肥表觀損失量，其中40%OM和60%OM處理效果較為明顯。因此，有機肥替代40%～60%的無機化肥可作為河南省砂姜黑土區冬小麥的推薦施肥措施。

參考文獻：

[1]張永春，汪吉東，沈明星，等. 長期不同施肥對太湖地區典型土壤酸化的影響. 土壤學報，2010，47（3）：465-472.

[2]張營武，熊淑萍，馬新明，等. 不同氮源配施對豫北高產小麥花后氮代謝及土壤硝態氮的影響. 麥類作物學報，2011，31（2）：252-256.

[3]王興龍，莫太相，邱傳志，等. 減氮配施有機肥對土壤碳庫及玉米產量的影響. 生態環境學報，2017，26（8）：1342-1348.

[4]劉明鐘，張愛君，魏 猛，等. 長期施肥對潮土有機碳含量及小麥產量的影響. 江蘇農業科學，2018，46（24）：88-91.

[5]Guo L Y，Wu G L，Li Y，et al. Effects of cattle manure compost combined with chemical fertilizer on topsoil organic matter，bulk density and earthworm activity in a wheat-maize rotation system in Eastern China. Soil and Tillage Research，2016，156：140-147.

[6]薛豫宛，李太魁，張玉亭，等. 砂姜黑土農田土壤障礙因子消減技術淺析. 河南農業科學，2013，42（10）：66-69.

[7]魯如坤. 土壤農業化學分析方法. 北京：中國農業科技出版社，2000.

[8]劉學軍，趙紫娟，巨曉棠，等. 基施氮肥對冬小麥產量、氮肥利用率及氮平衡的影響. 生態學報，2002，22（7）：1122-1128.

[9]寧川川，王建武，蔡昆爭. 有機肥對土壤肥力和土壤環境質量的影響研究進展. 生態環境學報，2016，25（1）：175-181.

[10]馬忠明，王 平，陳 娟，等. 適量有機肥與氮肥配施方可提高河西綠洲土壤肥力及作物生產效益. 植物營養與肥料學報，2016，22（5）：1298-1309.

[11]Wei W L，Yan Y，Cao J，et al. Effects of combined application of organic amendments and fertilizers on crop yield and soil organic matter：an integrated analysis of long-term experiments. Agriculture，Ecosystem & Environment，2016，225：86-92.

[12]朱曉暉，杜曉玉，張維理. 有機肥種類對土壤有效磷累積量的影響及其流失風險. 中國土壤與肥料，2013（5）：14-18.

[13]楊麗娟，李天來，周崇峻. 塑料大棚內長期施肥對菜田土壤磷素組成及其含量影響. 水土保持學報，2009，23（5）：205-208.

[14]Hartl W，Putz B，Erhart E. Influence of rates and timing of biowaste compost application on rye yield and soil nitrate levels. European Journal of Soil Biology，2003，39（3）：129-139.

[15]Lazcano C，Gómez-brandón M，Revilla P，et al. Short-term effects of organic and inorganic fertilizers on soil microbial community structure and function. Biology and Fertility of Soils，2013，49（6）：723-733.

[16]Yang X Y，Ren W D，Sun B H，et al. Effects of contrasting soil management regimes on total and labile soil organic carbon fractions in a loess soil in China. Geoderma，2012，177/178：49-56.

[17]張昊青，于昕陽，翟丙年，等. 渭北旱地麥田配施有機肥減量施氮的作用效果. 農業環境科學學報，2017，36（1）：124-133.

[18]劉紅江，蔣華偉，孫國峰，等. 有機無機肥不同配施比例對水稻氮素吸收利用率的影響. 中國土壤與肥料，2017（5）：61-66.

[19]楊曉梅，李桂花，李貴春，等. 有機無機配施比例對華北褐土冬小麥產量與氮肥利用率的影響. 中國土壤與肥料，2014（4）：48-52.

[20]張發明，毛昆明，劉宏斌，等. 不同量有機肥與化肥配施對水稻氮素吸收利用的影響. 云南農業大學學報，2011，26（5）：694-699.

[21]劉益仁，李 想，郁 杰，等. 有機無機肥配施提高麥-稻輪作系統中水稻氮肥利用率的機制. 應用生態學報，2012，23（1）：81-86.

[22]張 宇，樊小雪，徐 剛，等. 不同氮肥與有機肥配施對蒜產量及品質的影響. 江蘇農業科學，2019，47（5）：114-117.

[23]井大煒，邢尚軍. 雞糞與化肥不同配比對楊樹苗根際土壤酶和微生物量碳、氮變化的影響. 植物營養與肥料學報，2013，19（2）：455-461.

[24]梁 浩，胡克林，李保國. 不同施肥管理模式下農田氮素淋失及水氮利用效率模擬分析. 農業環境科學學報，2015，34（7）：1317-1325.