基于土壤有机质含量推荐的旱地冬小麦施氮量研究

蒋龙刚，黄明,3，宋庆赟，苑爱静，李嘉华，邱炜红,2，王朝辉,2

（1西北农林科技大学资源环境学院/农业农村部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌712100；2西北农林科技大学/旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西杨凌712100；3河南科技大学农学院，河南洛阳 471023）

0 引言

【研究意义】中国耕地面积辽阔，不同地区因气候、作物类型、耕作方式、土地利用方式、施肥等的不同导致土壤肥力水平差异较大[1]。同时，农户施肥量较推荐用量普遍偏高[2-3]，导致大量养分在土壤中残留，如硝态氮和速效磷含量增加[4-7]。在此情况下，若不通过测土直接推荐施肥可能导致施肥量与冬小麦实际需求偏差较大。因此，近来年诞生多种基于测土进行推荐氮肥施用量的方法[8-10]，如土壤 Nmin法是基于土壤0—90 cm剖面无机氮含量[11]；土壤肥力指标法是基于田间试验建立土壤养分等级以及作物的产量反应[12]；实时氮素推荐施肥技术是基于作物不同生育时期的氮素需求量与土壤供氮能力之差[13]；旱地小麦监控施肥技术是收获或播前1 m土层硝态氮含量与土壤硝态氮安全阈值来进行计算施氮量[14-15]。这些推荐施肥方法在农业生产中都起到了降低化肥施用量、稳产、增产及增效的作用，具有一定的适用性及科学指导意义[13,16]。然而，目前基于测土施肥的方法均需取样和测试土壤样品，且需要每年进行测定，造成工作量大且费用较高，难以被农户广泛接纳和应用[17]。因此，建立一个基于土壤中稳定指标（如有机质），且能至少在 2—3年内进行氮肥用量推荐的方法尤为必要。【前人研究进展】研究表明，土壤中氮素的80%—97%是以有机氮的形式存在于土壤有机质中[18-19]，作物吸收的氮素至少 50%以上来源于土壤有机质的矿化[20-21]，且已有大量研究表明土壤氮素供应能力与土壤有机质含量呈显著正相关[22-23]。基于已有文献数据统计，我们发现土壤有机质年矿化量与土壤有机质呈显著正相关关系（图 2）。因此，土壤有机质含量可有效反应土壤供氮水平，基于土壤有机质含量进行推荐氮肥施用量具有一定的可行性。目前，国内外已有基于有机质含量推荐施氮量的相关报道，如印度，BENBI等[23]基于6年长期试验建立了基于土壤有机质含量与土壤供氮能力相关程度进行推荐施氮量，然而该研究区域土壤有机质含量范围为4—16 g·kg-1，且70%以上的土壤有机质小于10 g·kg-1，低于我国土壤有机质平均含量（24.6 g·kg-1）[24]，因此该方法并不适用于我国。在华北平原，CUI等[25]基于不施氮处理的表观氮矿化量和土壤播前无机氮含量推荐施氮量。然而施氮处理与不施氮处理表观矿化量差异较大[26]，且该方法还需测定土壤播前无机氮含量，造成测试成本较高。姜丽娜等[27]基于多年多点氮肥效应试验，并通过回归分析确定经济施氮量和土壤有机质之间的函数模型，构建了浙江省油菜测土施氮指标体系。然而该研究仅考虑土壤有机质供氮水平与施氮量之间的关系，并未考虑作物不同目标产量下需氮量的差异。【本研究切入点】以上基于土壤有机质推荐施氮量方法均未在田间进行试验验证，能否用于生产实践还有待检验。目前国内还缺乏一套完善的基于土壤有机质推荐的作物施氮方法。该方法应考虑维持或提高土壤肥力水平，对于低有机质含量的土壤，应防止有机质矿化速率过快造成土壤肥力水平下降[28]；而对于高有机质含量的土壤，施肥时应考虑有机质自身的矿化，避免造成土壤残留硝态氮的增加（图3），加剧环境风险。【拟解决的关键问题】本研究以低有机质含量土壤维持或提高土壤肥力、高有机质土壤降低环境风险为目的，在渭北旱塬六县设置基于土壤有机质和目标产量推荐氮肥用量试验，通过与农户习惯施肥相比较，验证基于土壤有机质推荐氮肥施用量的科学性和合理性，为旱地小麦合理施用氮肥提供方法。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2014年9月至2017年9月，连续3年在西北旱地小麦种植区陕西渭北旱塬六县（彬县底店镇，凤翔县田家庄镇，合阳县和家庄镇，蒲城县桥陵镇、罕井镇，耀州县石柱镇，永寿县监军镇）进行，其中凤翔与耀州试验点由于农户土地流转在试验第3年更换试验地，其余4个试验点试验期间没有更换试验地。渭北旱塬位于黄土高原中部，海拔600—1 300 m，东经 106°40′—110°36′，北纬 34°29′—35°36′，总面积约300×104hm2，年降水量平均为500—600 mm，年际间波动剧烈且年内分布不均，60%以上降水集中在7、8、9月。该地区冬小麦为一年一熟，每年9月中旬至10月初播种，下一年6月初至下旬收获，夏季休闲。试验期间各试验点的休闲季和生长季降水如图 1所示。试验开始前各试验点土壤基础理化性状及0—100 cm土层硝态氮积累量如表1所示。

1.2 试验设计

试验设置2个处理，即农户习惯施肥（FP）与基于收获期土壤有机质测试的推荐施肥（OFP）。FP处理中，施肥量为当地农户习惯施用量，即在小麦播种前随机走访各试验地点所在村30个农户，调查其小麦施肥量，以农户平均氮、磷、钾施肥量作为该试验点肥料用量。OFP处理施氮量是根据冬小麦目标产量、0—20 cm土层有机质含量参数，应用“有机质推荐施肥法”计算氮肥用量。其原理如下：

通过中国知网、Web of Science中英文数据库检索国内外近40年公开发表关于有机质矿化的文献，并对检索的文献进行筛选，筛选标准如下：（1）必须为田间有机质矿化试验；（2）种植作物为小麦。经过筛选，共有19篇文献，38个样本数据。基于目前关于有机质矿化的文献数据汇总发现（图 2），土壤有机质年矿化量与土壤有机质含量显著正相关。从拟合方程可看出，当土壤有机质为10 g·kg-1时，土壤有机质年矿化量为35.4 kg·hm-2；当土壤有机质为 20 g·kg-1时，土壤有机质年矿化量为72.4 kg·hm-2。农户施肥时若不考虑土壤自身的矿化量，可能会造成化肥施用过量和硝酸盐残留。本课题组前期大量的农户调研发现，随着表层土壤有机质含量的增加，收获期1 m土层硝酸盐残留量逐渐增加（图 3）。因此，当土壤有机质含量高时应适当降低氮肥施用量，而当土壤有机质含量低时，为提高土壤肥力水平应适当增加氮肥施用量。文献资料表明[24,29]，陕西省80%以上耕地的土壤有机质含量介于 8—20 g·kg-1，且平均含量为 14 g·kg-1，所以将土壤有机质含量介于12—16 g·kg-1规定为中等水平，并建立土壤有机质丰缺指标（表 2）。在有机质中等水平时，施氮的目标是将土壤有机质含量维持在中等水平并获得较高产量，因此将施氮系数定为1.0，当土壤有机质含量高于中等水平时，施氮系数降低，反之增高，然后根据表2建立0—20 cm土层有机质含量和氮施肥量计算系数之间的回归方程，使施氮系数连续化，而后结合目标产量需氮量，建立基于 0—20 cm土层有机质含量的氮肥推荐施用方法，即：

图1 试验期间各地点夏闲期与生长期的降水量Fig. 1 Precipitation during the growing season of wheat and fallow season during the experimental years from 2014 to 2017

表1 各试验地点开始前土壤的基本理化性状和0—100 cm土层硝态氮累积量Table 1 Properties of the soil and nitrate in 0-100 cm soil sampled at wheat harvest when the experiments were initiated

图2 0—20 cm土层有机质含量与土壤一年氮矿化量的关系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）=目标产量需氮量（kg N·hm-2）×施氮系数（Nf）

式中，目标产量为试验地块前3个正常年份小麦产量的平均值乘以系数1.10。目标产量需氮量＝目标产量（kg·hm-2）×28/1000，其中参数28为生产1 000 kg小麦籽粒氮需求量[30]。Nf是根据0—20 cm土层有机质含量（OM：Organic matter）与Nf的关系式求得：Nf=0.0004761634 OM2-0.0288784977 OM+1.3164638749。

OFP处理中的磷钾施肥量由磷钾恒量监控施肥方法确定[15,31-32]。

试验采用随机区组设计，小区面积为50—80 m2，3次重复。冬小麦品种为晋麦47、西农822、长旱58、洛旱6号等当地主栽品种，播种量为130—230 kg·hm-2。施用肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）、硫酸钾（含K2O 50%），均与表层土混匀基施。

1.3 取样与测定

图3 农户0—20 cm土层有机质含量与收获期1 m土层硝态氮残留量的关系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 土壤有机质丰缺指标及其优化施氮系数Table 2 Soil organic matter supply capacity indexes and their recommended N fertilization coefficients

1.3.1 土壤样品采集与测定 在试验开始前（试验地第一次播种前）以及试验期间收获时采集0—100 cm的土层，每20 cm为一层，其中0—40 cm土层取5个点，40—100 cm取3个点，同层土壤混合均匀，取500 g土样装入自封袋中，密封好后带回实验室。其中一部分鲜样用于测定土壤水分、硝铵态氮含量，另外一部分土样经风干并研磨分别过1 mm和0.15 mm的筛，保存、待测。

土壤水分含量采用烘干法测定，即称20 g左右土样放置105℃的烘箱24 h，经烘干后称重计算含水量；土壤硝态氮含量采用1 mol·L-1KCl浸提1 h后用AA3连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定；土壤有效磷采用 Olsen 法测定；土壤有效钾是用乙酸铵浸提、火焰光度计测定；土壤有机质含量采用外加热容量法测定[33]。

1.3.2 植物样品采集与测定 在小麦成熟期，分别在小区内随机选取4个1 m2样方收割小麦，作为记产样方样品，样品风干脱粒后进行称重，从中称50 g左右放入 65℃烘箱中烘干至恒重，测定含水量，进而计算小麦籽粒产量，以烘干重记。同时，在每个小区都采用“盲抽法”，随机采集100穗小麦植株，于根茎结合处剪掉根系，并将地上部分为穗和茎叶，然后分别装入对应网袋。穗风干后脱粒、考种。最后将地上部分为籽粒、颖壳和茎叶三部分，作为养分分析样品，经 65℃烘干后，称重。然后根据各部分质量组成比例计算收获指数、生物量、公顷穗数。籽粒、颖壳和茎叶用粉碎机粉碎后采用H2SO4-H2O2消煮，AA3连续流动分析仪（SEAL公司，德国）测定植株全氮含量。

1.4 数据计算

产量（kg·hm-2）＝样方产量（kg）/样方面积（m2）×10000；

生物量（kg·hm-2）=籽粒产量（kg·hm-2）/收获指数；

土壤硝态氮累积量（kg·hm-2）＝土层厚度（cm）×土壤容重（g·cm-3）×土壤硝态氮含量（mg·kg-1）/10；

氮收获指数（%）＝籽粒氮积累量（kg·hm-2）/地上部氮积累量（kg·hm-2）×100；

氮肥偏生产力（kg·kg-1）＝籽粒产量（kg·hm-2）/施氮量（kg·hm-2）；

经济效益（元/hm2）＝产值（元/hm2）－成本（元/hm2），其中：产值（元/hm2）＝小麦籽粒产量（kg·hm-2）×小麦市场价格（元/kg）；成本（元/hm2）＝施氮量（kg N·hm-2）×氮肥价格（元/kg）＋施磷量（kg P2O5·hm-2）×磷肥价格（元/kg）＋施钾量（kg K2O·hm-2）×钾肥价格（元/kg）＋机械播种（元/hm2）＋机械旋地（元/hm2）＋机械翻地（元/hm2）＋机械收割（元/hm2）＋播种量（kg·hm-2）×种子价格（元/kg）＋农药（元/kg）。其中，小麦市场价格平均为2.2元/kg，氮磷肥价格平均为4、5.2、9元/kg，机械播种费、旋地、翻地费、收割分别为300、450、450、525元/hm2，种子价格平均为4.2元/kg，农药费为150元/hm2。

1.5 数据分析

数据采用 Microsoft Excel软件进行处理，SAS（v8.2，SAS Institute Inc.）做方差分析（LSD法），显著性检验水平为P≤0.05。

2 结果

2.1 施肥量

3年结果表明（表 3），农户习惯（FP）施氮、磷和钾量在 3年间差异不大，各试验点施氮量介于140—241 kg N·hm-2，平均为 190 kg N·hm-2，施磷量介于 71—182 kg P2O5·hm-2，平均为 120 kg P2O5·hm-2，施钾量介于0—69 kg K2O·hm-2，平均为34 kg K2O·hm-2。基于土壤有机质推荐（OFP）施氮量介于101—211 kg N·hm-2，3年18点的平均施氮量为161 kg N·hm-2，与农户习惯施肥相比降低了15.3%。OFP处理各试验点（彬县、凤翔、合阳、蒲城、耀州、永寿）3年的平均施氮量较农户习惯施肥分别减少了34、2、34、31、40和30 kg N·hm-2。其中凤翔试验点OFP处理平均施氮量为208 kg N·hm-2，与农户习惯施氮量（210 kg N·hm-2）相近，原因可能与凤翔小麦目标产量较高且有机质含量较低有关。此外，基于有机质推荐施肥3年18点的平均施磷量和施钾量分别为 71 kg P2O5·hm-2和 31 kg K2O·hm-2，与农户习惯施肥相比分别降低40.8%、8.8%。

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

2.2 冬小麦产量、生物量及产量三要素

不同试验点之间冬小麦籽粒产量差异较大，如2016—2017小麦生长季，籽粒产量变化范围为1 759—6 364 kg·hm-2（FP）和 1 939—6 897 kg·hm-2（OFP），基于有机质推荐施肥3年18个试验点的平均产量为5 817 kg·hm-2，较农户习惯施肥（5 337 kg·hm-2）的产量显著提高9.0%（表4），2014—2017年3个生长季增幅分别为8.3%、9.7%、9.1%。冬小麦生物量的试验结果与产量相似（表4），OFP处理3年生物量平均为 13 419 kg·hm-2，较农户习惯施肥（12 086 kg·hm-2）显著提高了 11.0%，且不同试验点之间均达显著性差异。可见基于有机质推荐施肥不但可以降低氮肥用量，还能有效提高小麦籽粒产量。

表4 各试验地点2014—2017年的冬小麦产量与生物量Table 4 Winter wheat yield and biomass at different experimental sites during years of 2014-2017

基于有机质推荐施肥对冬小麦的穗数、千粒重影响显著（P＜0.05），而对穗粒数无显著影响（表5）。基于有机质推荐施肥下3年平均穗数和千粒重分别为511万穗/hm2和39.1 g，与农户习惯施肥相比均显著增加，其增幅分别为6.7%、2.9%。可见有机质推荐施肥是通过提高冬小麦的穗数与千粒重实现小麦增产的。

表5 各试验点2014—2017年冬小麦产量构成要素Table 5 Yield components of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

2.3 冬小麦氮吸收量、氮收获指数及氮肥偏生产力

与农户习惯施肥相比，基于有机质推荐施肥对冬小麦氮吸收量、氮肥偏生产力影响显著（P＜0.05），而对氮收获指数无显著影响（表6）。基于有机质推荐施肥3年氮吸收量平均为177.0 kg·hm-2，较农户习惯施肥（166.9 kg·hm-2）显著提高了6.1%。基于有机质推荐施肥的氮收获指数3年平均为74.3%，与农户习惯施肥相比无显著差异。基于有机质推荐施肥较农户习惯施肥可显著提高氮肥偏生产力，3年分别提高37.8%、27.0%、24.2%，平均增幅为30.3%。上述结果表明，基于有机质推荐施肥可以在提高小麦籽粒产量的基础上，同时提高小麦氮吸收量与氮肥偏生产力。

表6 各试验点2014—2017年冬小麦的氮吸收量、氮收获指数、氮肥偏生产力Table 6 N uptake, N harvest index, and N partial productivity of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

2.4 收获期0—100 cm土层硝态氮残留

收获期1 m土层硝态氮残留量计算结果表明（图4），基于有机质含量推荐施肥1 m土层硝态氮残留量3年平均为99 kg·hm-2，显著低于农户习惯施肥（138 kg·hm-2），3个生长季降幅分别为 28.3%、31.5%、25.9%。在各试验点（彬县、凤翔、合阳、蒲城、耀州、永寿），基于有机质推荐施肥收获期1 m土层硝态氮平均残留量与农户习惯施肥相比分别降低了38.3%、30.4%、15.5%、37.0%、19.1%、35.7%。除合阳、彬县试验点外，其余4个试验点两处理间1 m土层硝态氮残留量达显著性差异。可见，基于有机质推荐施肥有效降低了收获期土壤硝态氮残留量，从而降低氮素淋溶风险。

图4 各试验点2014—2017年收获期0—1 m土层硝态氮残留量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 经济效益

基于有机质推荐施肥可以显著增加经济效益（图5），3年平均收益为8 949元/hm2，较农户习惯施肥（7 498元/hm2）显著增加19.3%，且基于有机质推荐施肥 3年试验期间每年的平均收益均较农户施肥习惯显著增加，3年分别增加18.9%、19.2%、20.3%。不同试验点（彬县、凤翔、合阳、蒲城、耀州、永寿）的平均效益较农户习惯施肥分别增加16.4%、9.3%、37.7%、44.8%、16.4%、19.5%。说明基于有机质推荐施肥可以减少肥料投入、降低成本、提高农民的收入。

3 讨论

图5 各试验点2014—2017年冬小麦的经济效益Fig. 5 Economic benefits of winter wheat at different experimental sites during 2014-2017

合理的施氮量是保证小麦高产及环境友好的重要措施[15,34]。当前农民习惯施肥量却存在较高的环境风险，如造成土壤硝酸盐残留量较高[15,35]。主要原因一是农民为追求高产盲目且过量施用氮素化肥的现象非常普遍[2-3]；二是在施肥过程中未考虑土壤有机质自身的矿化。植物吸收的养分70%以上来自于土壤本身，包括土壤有机质的矿化和残留的化学氮肥[36]。我们前期基于文献数据汇总发现土壤有机质年矿化量与土壤有机质含量呈显著的线性相关（图2），当土壤有机质从10 g·kg-1增加到20 g·kg-1时，土壤有机质年矿化量由 34.7 kg·hm-2增加到 74.4 kg·hm-2。这说明土壤有机质矿化可以为农作物提供大量的氮素，施肥时不考虑这部分氮素的供应必然会增加收获期土壤硝酸盐的残留量。研究认为，为兼顾下一季作物高产与环境安全，在华北平原及欧洲地区小麦收获后0—90 cm土层硝态氮也应维持在90—100 kg·hm-2的范围内[37-38]，超过此范围会增加硝态氮的淋溶损失，造成资源浪费和环境风险[7,39]。我们统计结果发现当前农户小麦收获期 0—100 cm 土层硝态氮的含量为 10.0—437.5 kg·hm-2，其中 47.1%的农户超过了 100 kg·hm-2，且随着表层土壤有机质含量的增加而增加（图 3）。因此合理施氮量的确定应考虑土壤有机质的矿化量。

本研究基于土壤有机质含量进行推荐施氮量，3年田间试验验证结果表明，3年6县基于有机质推荐施肥施氮量平均为161 kg N·hm-2，较农户习惯施肥的施氮量降低 15.2%（表 3），且小麦产量较农户习惯施肥增产9.0%（表4），氮肥偏生产力较农户习惯施肥提高30.3%（表6），收获期1 m土层硝态氮残留量（99 kg·hm-2）较农户习惯施肥（138 kg·hm-2）降低28.3%（图4），农民的经济效益显著增加19.3%（图5）。这说明通过测定土壤有机质含量推荐施氮量可行可靠。同时，本试验在其中4个试验点（永寿、彬县、蒲城、合阳）的同一块田块进行了3年的定位试验，即基于第一年测定的土壤有机质含量连续进行了 3年的氮肥施用量推荐，3年内均达到了较好的减氮并增产效果。可见，由于土壤有机质相对较稳定，可以至少在 3年内只进行一次土壤表层有机质的测定而推荐氮肥施用量，这样就大大减少了测试工作量，利于推广。

渭北旱塬地区小麦收获后0—100 cm土层硝态氮残留量安全阈值为55 kg·hm-2[14-15]，而本研究中基于有机质含量推荐施氮处理大部分试验点小麦收获后的 1 m土体硝态氮残留量高于55 kg·hm-2，原因是基于土壤有机质推荐施氮方法时并未考虑播前土壤硝酸盐残留量。HUANG 等[40]研究表明基于上一季作物收获后或播前土壤硝酸盐残留量进行推荐施肥可显著降低硝酸盐残留量，且连续3年多点土壤硝酸盐残留量均低于55 kg·hm-2。因此，后期应结合1 m土层硝酸盐含量对基于土壤有机质含量推荐施氮方法进行优化。此外，本研究中合阳、蒲城和永寿3个试验点表现出小麦收获后1 m土体硝态氮残留量逐年增加的趋势（图4），原因可能主要是年际间冬小麦籽粒产量差异较大造成的，如蒲城试验点3年有机质推荐施肥籽粒产量分别为 6 139、2 309 和 1 939 kg·hm-2。该试验点在 2015—2016与2016—2017年试验期间夏闲期降雨量较低（图 1），导致冬小麦籽粒产量下降且远低于当年预测的目标产量。当预测的目标产量高于实际产量时，基于有机质含量推荐施肥方法计算出的氮肥用量则高于小麦实际氮素需求量，从而增加收获后土壤硝态氮残留量。已有大量研究表明，土壤播前水分蓄积量对旱地小麦产量具有重要影响[41-42]，CAO等[43]通过统计渭北旱塬六县52个试验点4年试验结果发现，可依据夏闲期的降雨量来预测下一年度小麦产量。因此，结合夏闲期降雨量预测目标产量，再根据目标产量和土壤有机质含量，可获得较为精准氮肥推荐用量。

4 结论

渭北旱塬连续3年田间试验结果表明，与农户习惯施肥相比，基于土壤有机质含量推荐施氮量可有效降低氮肥施用量，提高冬小麦产量、氮肥偏生产力和经济效益，且显著降低了1 m土层硝酸盐的残留量。这说明基于有机质含量推荐施氮的方法具有可行性。与其他氮肥推荐方法相比，基于土壤有机质含量推荐施氮量的方法简便、快速，且测定一次有机质含量可满足2—3年氮肥用量的推荐。可作为旱地冬小麦推荐施氮的方法用于实际生产。