有机肥替代化肥对旱地小麦水氮利用及经济效益的影响

　　摘要：针对黄土高原旱地小麦化肥过量投入且经济效益低的问题，探究等养分原则下投入有机肥替代部分化肥对旱地小麦水、氮利用及经济效益的影响。通过2013—2016年的田间试验，研究农户施肥(PF)、监控施肥(MF)、有机无机肥配施(MCF)、生物有机肥无机肥配施(BCF)4种施肥措施对旱地冬小麦水分利用率、氮素利用率、产量形成及经济效益的影响。结果表明，无机肥配施有机肥和生物有机肥提高了土壤贮水能力，同时显著提高水分生产效率，较PF处理平均增长13.8%。

　　化肥配施有机肥或生物有机肥显著提高了氮素利用效率，其中，BCF处理的氮素表观回收率、氮肥偏生产力和氮农学效率较PF处理分别提高了135.4%，143.4%和156.2%;由于氮、磷、钾肥的合理配施，MF处理的氮素利用率也有显著提高;有机无机肥配施提高了旱地冬小麦的籽粒产量和生物产量，其中，BCF处理显著提高了旱地冬小麦的公顷穗数和千粒质量，较PF处理分别提高22.4%和3.8%，进而增产22.1%。

　　连续3a有机肥替代部分化肥降低了冬小麦生产成本，同时提高了产量收入，年均纯收入达6341元/hm2，较农户模式平均增收52.2%。总体上，在监控定量施肥基础上，生物有机肥替代部分化肥可更好地提高旱地麦田水分生产效率和氮素利用率，同时可合理地构建小麦群体，促进产量形成，提高经济效益，其是适宜黄土旱塬麦区高产高效的施肥措施。

　　关键词：旱地小麦;有机肥替代;水氮利用;经济效益

　　小麦是我国第三大粮食作物，2017年播种面积达2450.8万hm2，总产量1.34亿t[1]。施肥是粮食增产的最主要途径，化肥对粮食单产的贡献率可达50%左右[2]。2006—2015年，我国小麦种植面积增长了5.1%，而总产量却有24.6%的增幅[3]。化肥为我国小麦产量的增加起到了关键作用，然而长期化肥单施和过量施用对土壤结构和生态安全造成了巨大的威胁。化肥的不合理施用不仅造成了土壤理化性质恶化、硝酸盐淋溶、水体富营养化等一系列问题[4-6]，同时化肥损失量巨大，肥料利用率和经济效益显著降低[7-8]。

　　因此，探究合理的施肥措施对提升旱地麦田土壤质量和促进农业可持续发展具有重要意义。有机肥尤其是畜禽粪便是我国主要的有机肥料资源，约占总有机肥料的80%左右[9]，每年的产生量约为38亿t，但综合利用率仅为60%，不仅造成资源的严重浪费，还成为环境污染源之一[10]。生物有机肥是在传统有机肥的基础上，添加多种有益微生物菌剂，不但可以改善土壤理化性质，还可以提高作物的抗逆性[11-12]。

　　然而，仅靠有机肥难以维持土壤—作物间的养分平衡，大量研究表明，单施有机肥或绿肥条件下，作物普遍减产，其中禾谷类作物减产幅度较大，在20%～25%[13-14]。因此，将有机肥与化肥配合施用，以较小的环境代价换取更多的农作物产量是我国农业近年来发展的主要方向。合理的有机肥、生物有机肥与化肥的配施，不仅可以减肥增效，提高化肥利用效率，还可以改善土壤微生物群落，减轻病虫害的发生[15-16]。水分和养分是制约旱地小麦生长发育最主要的2个因子。配施有机肥能增加耕层土壤>0.25mm团聚体含量，从而降低土壤容重，增加毛管孔隙度，提高土壤贮水能力[17-18]。

　　有机肥中的养分释放缓慢，氮素多以NH4+或氨基酸的形式存在，可直接参与植物养分循环，无需消耗糖类和有机酸等光合作用产物，且降低了硝酸盐淋失风险[19]。当化学氮素施入土壤后，作物根系会与微生物产生氮素竞争现象，而有机肥的投入会提高土壤微生物活性，从而将大量氮素固持，在微生物死亡后释放供作物吸收利用，从而减少了氮的积累与淋溶[20]。

　　小麦水氮利用对有机肥的响应研究发现，有机肥替代部分化肥优化了冠层氮素分配，从而提高了叶片光合速率和光合氮素效率，且在干旱条件下提高了水分利用效率[21]。关于有机肥对小麦水氮调控的研究已有诸多报道，但由于劳动力、生产成本等问题，农民对配施有机肥的认可度还不高。本研究通过连续定位试验系统分析了化肥配施有机肥、生物有机肥对旱地小麦产量、水氮利用效率和经济效益的影响，旨在为我国旱地麦田培肥增产及农业可持续发展提供理论依据。

　　1材料和方法

　　1.1试验地概况

　　于2013—2016年进行大田试验。试验区位于黄土高原晋南旱塬地区，温带大陆季风性气候，年均温12.6℃，有效积温3300℃左右，年均降水量约500mm，主要集中在7—9月。供试土壤为石灰性褐土。

　　1.2试验设计

　　试验共设4个处理，分别为农户施肥(PF)、监控施肥(MF)、有机无机肥配施(MCF)、生物有机肥无机肥配施(BCF)。PF处理采用当地农民习惯施肥量;MF处理依据“1m硝态氮监控，磷钾衡量施肥原则”施肥[22];MCF处理在监控施肥的基础上，依据等养分供应原则，减少化肥施用量并配施有机肥;BCF处理在监控施肥的基础上，依据等养分供应原则，减少化肥施用量并配施生物有机肥。

　　各处理种植方式均为垄膜沟播，即在垄上覆膜(垄宽35cm)，沟内播种(沟宽30cm)，每垄2行。每个处理4次重复，随机区组排列，小区面积520m2。各处理具体施肥量列于表2。所施氮肥为尿素(含N46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O511%)，钾肥为氯化钾(含K2O60%)，有机肥为腐熟鸡粪(养分含量为N1.68%，P2O52.45%，K2O1.36%)，生物有机肥为鸡粪与菌液以质量比1∶9比例混合而成(菌液含拉恩式菌、假单胞菌1和假单胞菌2，活菌数≥0.5×107cfu/g)，由山西农业大学资源环境学院微生物实验室提供。

　　所有肥料在播前均匀翻耕入土。冬小麦在每年9月30日至10月1日播种，6月7—11日收获，按当地农民习惯进行管理。分别于每年的收获期在各小区随机采集地上部小麦植株样品10株;以20cm为一层，采集小麦播前与收获后0～200cm各层混合土样，每个小区3个点。

　　1.3测定项目及方法

　　小麦收获期，在各小区随机收获30m(215m×2m)的小麦，脱粒计算产量。从苗期开始，每个小区选3个1m长样点进行标记，收获后测算公顷穗数、穗粒数和千粒质量等指标。土壤含水量的测定采用烘干法[23];土壤硝态氮采用CaCl2浸提，AA3(AutoAnalyzer3)型流动分析仪测定[23];植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮法，AA3(AutoAnalyzer3)型流动分析仪测定[23]。土壤贮水量(mm)=土层厚度(cm)×土壤含水量(%)×土壤容重/10(1)其中，0～20，20～40，40～60，60～80cm土壤容重分别为1.21，1.35，1.35，1.30g/cm3;80～200cm土层容重均以1.36g/cm3计[24]。耗水量(mm)=播前0～200cm土壤贮水量-收获时0～200cm土壤贮水量+生育期有效降水量[25](2)水分生产效率(kg/(hm·2mm))=小麦籽粒产量/耗水量[25]

　　(3)氮素表观回收率=(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)氮肥偏生产力(kg/kg)=施氮后小麦产量/施氮量[25](5)氮农学效率(kg/kg)=(施氮后小麦产量-未施氮小麦产量)/施氮量[25](6)氮生理效率(kg/kg)=施氮后小麦产量/施氮后作物地上部分吸氮量[25](7)氮收获指数=籽粒中氮积累量/成熟期地上部分总吸氮量×100%[25](8)

　　1.4数据分析

　　运用Excel2010和SPSS22.0软件进行试验数据处理和统计分析，采用LSD法(P<0.05)进行分析比较。

　　2结果与分析

　　2.1不同施肥措施对旱地小麦水分利用率的影响

　　3a小麦生育期0～200cm土壤耗水量在223.2～388.1mm，其中，BCF处理显著高于PF处理和MF处理，平均增幅为6.0%～6.7%。与单施化肥处理相比，MCF和BCF处理在小麦收获后土壤贮水量无显著差异，而播前贮水量却显著高于PF处理。对于水分生产效率，MCF与BCF处理显著高于PF处理，平均增幅13.8%。此外，在生育期降水量较少的年份(2014—2015年)水分生产效率最高，平均为19.1kg/(hm2·mm)。

　　2.2不同施肥措施对旱地小麦氮素利用率的影响

　　各处理的氮素表观回收率在11.52%～58.15%，其中，无机肥配施有机肥和生物有机肥处理显著高于PF和MF处理，较PF处理平均高101.5%～135.4%，较MF处理平均高11.4%～30.1%。MF、MFC、BFC处理的氮肥偏生产力和氮农学效率均显著高于PF处理，氮肥偏生产力平均增幅120.2%～143.4%，氮农学效率平均增幅71.8%～156.2%，其中均以BFC处理最高。

　　MF处理的氮素表观回收率、氮肥偏生产力和氮农学效率均显著高于PF处理。各处理的氮生理效率和氮收获指数无显著差异，平均为38.4kg/kg和78.4%，单施化肥处理总体高于化肥配施有机肥处理。此外，水分生产效率与氮素利用率的相关性分析表明，水分生产效率与氮肥偏生产力相关系数为0.85，呈极显著正相关(P<0.01)。

　　3讨论

　　水分是旱作区小麦产量的主要限制因子。相关研究表明，干旱地区有机肥配施化肥会提高土壤耗水量，加剧土壤干燥化程度[26-27]。本研究发现，配施有机肥或生物有机肥后，土壤耗水量明显增加，以化肥配施生物有机肥处理最为显著，增幅达6.0%～6.7%，与前人研究结果[28-29]一致。虽然配施有机肥或生物有机肥提高了土壤耗水量，但本研究下小麦收获后各处理0～200cm土壤贮水量无显著差异，而播前土壤贮水量却显著增加，可能是因为外源有机质的投入改善了土壤的团聚体结构，增加了土壤孔隙度和蓄水能力，减少了夏闲期集中降水的淋失，为小麦生育期贮存了较多的水。

　　本研究发现，化肥配施有机肥或生物有机肥显著增加了水分生产效率，平均增长了13.8%，这可能是因为施用生物有机肥改善了土壤结构，构建了水、肥高效利用体系，促进了小麦的生长发育，提高了冬小麦生育后期的叶面积指数，减少了棵间土壤的无效蒸发，将水分消耗方式由土面蒸发转换为作物蒸腾;此外，施用有机肥也可促进小麦根系生长，有利于对土壤深层水的利用。旱地小麦水分利用率存在年际差异性，且与降水量密切相关[30]。本研究发现，在小麦生育期降水较少的年份(2014—2015年)，水分生产效率最高，平均为19.1kg/(hm2·mm)。

　　陆增根等[31]研究表明，在干旱条件下，适度的水分亏缺会降低作物蒸腾速率，但光合速率不会显著下降，复水后的光合作用补偿效应会促进光合产物向籽粒的转运，从而提高作物产量。2014—2015年度整个小麦生育期，降水主要集中在4—5月，苗期较低的降水量减少了水分的无效蒸发;在需水量巨大的拔节和灌浆期，大量集中的降水产生复水效应，促进籽粒产量的形成，从而提高了水分生产效率。

　　4结论

　　本研究结果表明，化肥配施有机肥或生物有机肥可显著提高旱地小麦水分生产效率，平均增幅13.8%，且在干旱年份效果更佳。水分生产效率和氮肥偏生产力存在显著正相关关系，有机无机肥配施显著增加了氮素表观回收率、氮肥偏生产力和氮农学效率，其中，均以化肥配施生物有机肥处理最高，较农户模式分别提高135%，143%和156%。化肥配施生物有机肥显著提高了旱地冬小麦的公顷穗数和千粒质量，从而使产量提高22.1%。

　　有机无机肥配施降低了旱地冬小麦的生产成本，增加了产量收入，从而使纯收入显著增加，平均增幅达52.2%。综合考虑水、氮利用及产量和经济效益，在黄土旱地麦田，生物有机肥替代部分化肥是实现旱地小麦水肥高效利用及产量稳定增长的有效途径。

　　参考文献：

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　　[2]王激清，马文奇，江荣风，等.养分资源综合管理与中国粮食安全[J].资源科学，2008，30(3)：415-422.

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　　[5]ZHAORF，CHENXP，ZHANGFS，etal.Fertilizationandnitrogenbalanceinawheat-maizerotationsysteminnorthChina[J].AgronomyJournal，2006，98(4)：938.

　　农业方向刊物：《山西农业科学》(月刊)创刊于1961年，由山西省农业科学院主办。主要刊载生物技术、遗传育种、耕作栽培、生理生化、资源与环境、植物保护、贮藏加工、畜牧兽医等学科的研究报告、学术论文及综合述评等。