华北冬小麦-夏玉米系统有机态氮替代的产量及肥料效应

何翠翠,李贵春,尹昌斌*

(1.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081;2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京 100081)

为了满足我国的“粮食安全”，增加氮肥投入是提高粮食产量的主要途径之一[1]。联合国粮农组织(FAO)数据统计，化肥的增产作用占到农作物产量的30%～50%[2]；据中国化肥试验网统计，化肥对粮食产量的贡献率为40.8%[3]。我国已经成为世界上消费化肥态氮最多的国家，并且这种消费量还将会进一步增加[4]。化肥态氮虽然肥效快，但是养分损失较快，特别是在出现强降雨或者连续降雨的情况下[5]。此外，农田中氮素的损失又极易引起环境污染[1,6]。有机肥含有大量的植物生长所需的养分[7]，施用有机肥可以有效降低土壤氮的淋溶，主要是由于有机肥矿化过程中固持了矿质态氮，减少了易淋溶的硝态氮含量[8]。因此如果有机肥得不到合理的利用，会使得这一重要养分资源转变为重要污染源[9]。许多国内外学者提出有机无机肥料配施的施肥管理措施[10-13]，研究表明，这种施肥方式能够降低氮素的损失[14]，还能提高氮素的利用率[15]。现阶段，关于有机无机肥料配施的研究多关注于这种施肥方式对农作物产量或者品质的影响，对有机无机肥料配施的方法探究比较少，且较多关注于有机无机肥料比例问题，忽略了结合农业生产实际情况来进一步完善有机肥料配施方法。同时，关于有机无机肥料配施的肥效研究多关注于当季作物，对后茬作物或者整个种植体系的关注较少。

华北平原是我国的粮食主产区之一，是典型的一年两熟区，便于研究有机肥料后效。有研究得出，华北平原猪粪的一年分解率大概在60%～70%之间[7]，所以，以两季作物的粮食产量来研究有机无机肥料配施的肥效是科学的。当地的主要种植模式是冬小麦-夏玉米轮作体系。在有机无机肥料配施的施肥管理措施优化过程中，考虑冬小麦生育期约240～280 d，生育期较长，结合有机肥见效慢的特点，本研究选取冬小麦种植(秋播)前基肥进行有机态氮替代化肥态氮。而在冬小麦追肥时，依然使用见效快的化肥态氮。而夏玉米生育期较短，约为100 d，有机肥见效较慢，为了保证夏玉米正常生长，不对夏玉米进行有机态氮替代。冻溶作用显著加速土壤有机态氮的矿化过程[16]，秋施有机肥经过冬季的冻溶作用，可以释放出更多的养分，为本研究提供了科学依据。

本研究对冬小麦-夏玉米轮作系统中秋施基肥进行有机态氮替代化肥态氮措施，其它时期的氮肥种类依然选择化肥态氮。研究秋施基肥有机态氮替代这种施肥方式对冬小麦、夏玉米和全年总粮食产量的影响，对氮肥肥料利用率的影响，以及对土壤碳、氮含量的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于我国的粮食主产区华北平原的河北省徐水县农业部行业科研专项实验站(37.8°N,114.7°E,海拔50.1 m)。该试验地所属区域的气候类型为暖温带半湿润半干旱季风气候，年平均气温12.2 ℃，年平均降水量536.8 mm。该试验地的土壤类型为石灰性潮褐土，试验地种植类型为冬小麦-夏玉米轮作系统。

1.2 试验设计

试验开始时间为2010年6月，供试土壤耕层土壤容重1.27 g/cm3，pH值7.80，有机质含量17.1 g/kg，全氮含量1.01 g/kg，全磷含量0.83 g/kg，全钾含量18.11 g/kg。试验小区面积为20 m2(5 m×4 m)，小区之间用40 cm的PVC板隔开(地上20 cm，地下20 cm)。试验共设12个处理，3个重复，共计36个小区，试验小区的排列方式为随机区组。本研究主要选取了其中的5个处理(表1):CK处理，不施肥对照处理；M0C100处理，单施化肥，零有机肥替代；M20C80处理，20%有机肥替代化肥氮，80%化肥氮；M50C50处理，50%有机肥替代化肥氮；M100C0处理，100%有机肥替代化肥氮。

表1 不同处理施肥情况 (N kg/hm2)

注：干牛粪的有机质含量是397.5 g/kg，氮、磷、钾含量分别是26.42、6.48、16.79 g/kg。基肥的氮、磷、钾含量均为15%的复合肥，追肥的化肥种类为尿素。

1.3 样品采集与分析

土壤样品采集时间为每年的夏玉米收获后，采集方法采用原状土壤块(20 cm深×20 cm长×10 cm宽)采集，每个小区用五点法采集，即采集5个这样的原状土壤块，然后轻轻地掰碎大的土块，混匀，用四分法分出来一个土壤样品供筛分工作。将采集好的土壤样品直接转移至田块旁边的实验室进行室温风干，过筛，以供后续试验测定。

产量采集：小麦产量采用5个单位面积的样方产量的平均值，玉米产量采用3个2 m2的样方产量，换算成每公顷产量。

1.4 计算公式与统计分析

本研究中所用的计算公式[17-19]如下：

增产量=肥料处理产量-对照处理产量

增产率=(肥料处理产量-对照处理产量)/对照处理产量×100%

基础地力贡献率=对照处理产量/肥料处理产量×100%

氮肥贡献率=(氮肥处理产量-对照处理产量)/氮肥处理产量×100%

氮肥偏生产力(kg/kg)=氮肥处理产量/氮肥量

氮肥农学效率(kg/kg)=(氮肥处理产量-对照处理产量)/氮肥量

本研究采用SPSS 18.0统计软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 有机态氮替代化肥态氮对冬小麦-夏玉米粮食产量的影响

冬小麦和夏玉米的粮食产量从2012年6月开始测定(图1、表2)。秋施基肥不同比例有机态氮替代化肥态氮对冬小麦、夏玉米以及全年粮食总产量的影响不同。2012～2015年，施肥处理(包括化肥单施处理和有机态氮替代处理)与对照处理相比，冬小麦、夏玉米以及全年粮食总产量均有了极显著水平的提高。与对照处理相比，施肥处理(包括化肥单施处理和有机态氮替代处理)冬小麦产量增加较高，增产量为3 983.3～5 013.3 kg/hm2，增产率为150%～218%，有机态氮替代化肥态氮处理与零有机态氮替代处理(M0C100)之间冬小麦产量差异没有达到显著水平。

与对照处理相比，施肥处理(包括化肥单施处理和有机态氮替代处理)夏玉米增产量相对低于冬小麦，为1 916.7～5 463.3 kg/hm2，增产率为43%～135%。与零有机态氮替代处理(M0C100)相比，少量有机态氮替代化肥态氮处理(M20C80)夏玉米产量略有降低，且差异不显著；半量有机态氮替代化肥态氮处理(M50C50)夏玉米产量有所增高，但差异没有达到显著水平；全量有机态氮替代化肥态氮处理(M100C0)夏玉米产量有明显增高，且差异达到极显著水平。

图1 不同施肥处理下冬小麦、夏玉米及全年粮食总产量

注：不同大、小写字母分别表示不同处理粮食产量在1%、5%水平上差异显著。

与对照处理相比，施肥处理(包括化肥单施处理和有机态氮替代处理)冬小麦和夏玉米总产量增加5 983.3～10 176.7 kg/hm2，周年粮食总增产率处在冬小麦和夏玉米之间，为85%～159%。对于全年粮食总产量来讲，随着试验年限的增加，只有全量有机态氮替代化肥态氮(M100C0)粮食产量显著高于其他施肥处理。

表2 不同施肥处理下冬小麦、夏玉米及全年总产量的氮肥增产率 (%)

注：不同小写字母表示不同处理氮肥增产率在5%水平上差异显著。

2.2 有机态氮替代下氮肥贡献率、氮肥偏生产力以及氮肥农学效率

氮肥贡献率即氮肥对作物产量的贡献率，把不施肥对照处理(CK)的产量视为基础地力对产量的贡献，因施氮肥而增加的粮食产量即为氮肥对产量的贡献[18]。2012～2015年试验期间(表3)，不同施肥处理下，冬小麦的基础地力贡献率最低，为31%～40%，相反，氮肥贡献率最高，其范围是60%～69%。夏玉米的基础地力贡献率最高，为43%～70%，而氮肥贡献率最低，为30%～57%。对于全年粮食总产量来讲，基础地力贡献率为49%～55%，氮肥对全年粮食产量的贡献率与基础地力贡献率相近，为45%～61%。

表3 不同施肥处理下冬小麦、夏玉米的氮肥贡献率 (%)

注：不同小写字母表示不同处理氮肥贡献率在5%水平上差异显著。

随着试验进行，在施肥量没有增加的情况下，氮肥对冬小麦-夏玉米轮作系统粮食产量的贡献率逐年提高，冬小麦的氮肥贡献率由最初的60%～65%提高到2015年的66%～69%，夏玉米的氮肥贡献率增加量相对更高一些，由最初的30%～38%提高到2015年的43%～57%。

氮肥贡献率可以反映投入氮肥的生产能力，而氮肥偏生产力和氮肥农学效率可以更具体地反映单位质量的氮肥的粮食产量和粮食增产情况。氮肥偏生产力表示施用的每千克氮肥生产的经济收获物总量，反映单位施肥量在当地环境下生产作物产量的能力。氮肥农学效率表示施用每千克氮肥所生产的经济收获物，反映了单位氮肥量增加作物产量的能力[20]，指作物施氮肥后增加的产量与施氮肥量的比值[18-19]。

对于冬小麦来讲，氮肥偏生产力为33～38 kg/kg，秋施基肥有机替代的施肥措施没有降低氮肥的偏生产力，反而略有增加，只是差异没有达到显著水平。夏玉米的氮素偏生产力高于冬小麦，在32～48 kg/kg，且随着试验年限的增加，秋施基肥有机态氮替代的优势越明显，2014年秋施基肥全有机态氮替代的氮肥偏生产力比零有机替代处理高13 kg/kg。

表4 不同施肥处理下冬小麦、夏玉米氮肥偏生产力 (kg/kg)

注：不同小写字母表示不同处理氮肥偏生产力在5%水平上差异显著。

在冬小麦-夏玉米轮作系统中，氮素农学效率对冬小麦、夏玉米的影响与氮素偏生产力不同。在氮素偏生产力中，夏玉米高于冬小麦，而在氮素农学效率方面则表现出冬小麦高于夏玉米的趋势。不同施肥处理下冬小麦的氮肥农学效率差异不明显，而夏玉米的氮肥农学效率的差异较大，秋施基肥有机态氮替代处理的氮肥农学效率高于零有机态氮替代处理，且随着有机态氮素替代的比例增加氮肥农学效率逐渐提高。

表5 不同施肥处理下冬小麦、夏玉米氮肥农学效率 (kg/kg)

注：不同小写字母表示不同处理氮肥农学效率在5%水平上差异显著。

2.3 有机态氮替代对土壤pH值、有机质和氮养分的影响

在农田管理措施中，施肥因素是影响土壤理化性状的重要因素。经过5年的施肥处理，秋施基肥有机态氮替代化肥态氮，土壤的酸碱性状、有机质和养分含量发生了变化。与不施肥的对照处理相比，所有的施肥处理pH值均有不同程度的降低，其中M50C50与M100C0处理的pH值下降不显著，M0C100与M20C80处理的pH值下降显著，M0C100处理的pH值最低，为8.10。

表6 不同施肥处理下土壤pH值、有机质及养分含量

注：不同小写字母表示不同施肥处理指标在5%水平上差异显著。

所有的施肥处理(包括零有机态氮替代，少量有机态氮替代，半量有机态氮替代以及全量有机态氮替代)与不施肥对照处理(CK)相比，除M0C100处理与CK处理的全氮含量差异不显著外，其他处理的土壤有机质含量及全氮含量均有了很大的提高，达到显著差异水平，且土壤有机质与土壤全氮含量随着有机态氮替代量的增加呈现出升高的趋势。

3 讨论

有研究学者指出产量主要受养分投入量多少的影响，至于养分是以何种状态进入到农田生态系统，是有机态还是无机态影响不大[21]，本研究与其结果不同。在等氮处理的前提下，有机无机肥料配施可提高冬小麦-夏玉米轮作系统的粮食产量。王小明等[22]的研究就证明了这一点，其结果显示，有机无机施氮模式能提高冬小麦和夏玉米子粒产量，同时还能够提高氮肥利用率，其原因是，有机无机肥料配施能协调养分平衡供应，有机肥肥效长，能够提高土壤肥力，作为作物的储备养分库，化肥见效快，能够及时补充作物生长所需要的养分，进而满足作物整个生育期的养分需求，提高作物产量，同时还能够适当减少化肥用量[9，23]，提高养分利用率[24]。本研究在前人有机无机肥料配施的基础上，结合生产实际，针对秋施基肥进行了有机态氮替代化肥态氮的试验研究，研究结果表明，在秋施基肥不同比例有机态氮替代情况下，当季作物(冬小麦)的粮食产量不仅没有降低，反而得到了小幅提高。秋施基肥有机态氮替代影响了后茬作物粮食产量[25]，后茬作物(夏玉米)的粮食产量有了显著提高，其中，全有机态氮替代处理的夏玉米产量最高。

秋施基肥有机态氮替代不仅能够提高冬小麦-夏玉米轮作系统的粮食产量，同时还提高了肥料利用率。结果显示，秋施基肥有机态氮替代处理的冬小麦肥料增产率最高，其范围是156%～218%；全有机态氮替代处理的夏玉米肥料增产率最高，为63%～133%，随着试验年限的增加，夏玉米的增产率逐年增长，同时肥料贡献率也在逐年提高，全有机态氮替代处理的肥料贡献率由最初的38%增加到2015年的57%。肥料偏生产力是一个表征肥料经济效益的指标，不同施肥处理的冬小麦肥料偏生产力差异不明显，主要集中在33～37 kg/kg；不同施肥处理的夏玉米肥料偏生产力差异显著，有机态氮替代优势明显，2014年数据结果表明，全有机态氮替代处理的夏玉米偏生产力为48 kg/kg，比零有机态氮替代处理高出13 kg/kg。

在秋施基肥有机态氮替代措施下，土壤肥力水平的提高是提高粮食产量和肥料利用率的根本原因。在养分水平上，秋施基肥有机态氮替代显著提高了土壤有机质、全氮的含量；在土壤环境方面，秋施基肥有机态氮替代减缓了因施化肥带来的土壤pH值的降低。

4 结论

本研究在冬小麦-夏玉米轮作系统中，采用秋施基肥不同比例有机态氮替代化肥态氮，5年来，与零有机态氮处理相比，不同比例的有机态氮替代处理的冬小麦产量没有降低，反而略有升高，但差异不显著；夏玉米产量变化明显，全有机态氮替代处理夏玉米产量最高，2015年数据表明，全有机态氮替代处理比零有机态替代处理夏玉米产量高2 000 kg/hm2。在肥料利用率方面，全有机态氮替代处理的夏玉米偏生产力为48 kg/kg，比零有机态氮替代处理高13 kg/kg，随着试验年限的增加，夏玉米的肥料贡献率、肥料偏生产力和肥料农学效率逐年增加。在土壤肥力水平方面，秋施基肥有机态氮替代技术提高了土壤的养分含量，并能减缓土壤酸化的进程。

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