化肥有机替代对河南冬小麦氮素利用效率的影响

杜君，刘杰，杨占平*，孙克刚，和爱玲，张运红，杨焕焕

(1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所 河南省农业生态与环境重点实验室，河南 郑州 450002；2.北京农学院 植物科学技术学院，北京 102206)

施肥对作物的产量有重大的影响，而化肥是现代农业生产投入中的重要因素[1-2]。据FAO统计，化肥对粮食产量的贡献率达50%左右[3]。近年来我国化肥施用量每年增长2.8%，2014年我国化肥施用量达358 kg·hm-2，是世界平均水平的3.9倍。化肥用量的不断提高和盲目施用，不仅导致氮肥利用率下降，而且还导致土壤酸化、土壤板结和土壤污染等一系列与土壤质量及农业环境质量有关的问题日益凸现[4-8]。同时，随着畜禽规模养殖业的快速发展，畜禽养殖污染成为我国农业面源污染的主要来源[9-13]。据统计，我国每年产生约38亿t畜禽粪便，大量集中产生的畜禽养殖污染，给生态环境造成了严重破坏。推进畜禽粪污等农业废弃物资源化利用，研究农田施肥有机替代化肥，合理增施有机肥，既可将畜禽粪便和作物秸秆变废为宝，又能改善土壤结构与理化性质，提高作物产量和品质[14-17]。

对于小麦氮素积累与运转以及氮肥利用率，前人已从肥料种类和氮肥运筹等方面进行了大量研究[18-19]。如研究发现，随施氮量的增加，小麦营养器官的氮素运转率显著提高，但过量施用氮肥则不利于小麦干物质累积和氮肥利用率的提高[20-21]。对于有机替代化肥对小麦氮素利用效率的影响研究报道较少，还需进一步系统研究和综合评价。本研究通过有机替代化肥，研究冬小麦对氮肥的表观利用率、残留和损失量的影响，旨为探讨研究区更适宜的有机替代化肥比例，为促进氮肥高效利用提供支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验于2017年10月至2018年6月在河南省新乡县翟坡镇进行。土壤属中壤质潮土，容重 1.30 g·cm-3，pH 7.5，有机质 16.5 g·kg-1，全氮 1.02 g·kg-1，有效磷18.3 mg·kg-1，速效钾262 mg·kg-1。

供试肥料尿素(N，46.2%)，过磷酸钙(P2O5，12%)，氯化钾(K2O，60%)，普通复合肥(N，P2O5，K2O含量分别为25%，13%，7%)，炭基有机肥(有机质46%，N含量1.5%)，腐植酸有机肥(腐植酸含量≥30%，N含量2.3%)和生物有机肥(有机质≥45%，N含量1.8%，有效活菌数≥0.2亿·g-1)。供试小麦品种为新麦26。

1.2 处理设计

在施氮量为180 kg·hm-2水平下设置不施氮对照(CK)，普通复合肥全量，腐植酸有机肥+有机替代20%，炭基有机肥+有机替代20%和生物有机肥+有机替代20%等5个处理。小区面积20 m2(4 m×5 m)，重复3次，随机区组排列。氮肥基追比为6∶4，在小麦返青期追肥。磷肥(P2O5)90 kg·hm-2和钾肥(K2O)60 kg·hm-2全部作基肥施入。其他田间管理按常规措施进行。

1.3 采样与测定方法

小麦成熟后，每小区选取1 m2小麦全部收割，脱粒后分别计产。按常规分析方法测定秸秆和籽粒中的全氮含量。籽粒和秸秆样品用硫酸-过氧化氢消煮，用凯氏定氮法测氮含量。

氮肥表观利用率(U利用)以肥力差法表示：

U利用=N-NCK；

式中N为施肥处理植株全氮，NCK为对照处理植株全氮。

氮肥表观残留率(R残留)以0～100 cm土壤累积残留氮表示：

U残留=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

式中N后为收获后土壤总氮，N前为种植前土壤总氮，NCK后为收获后对照处理土壤总氮，NCK前为种植前对照处理土壤总氮。

V损失=N后-N前-(NCK后-NCK前)；

氮肥表观气态损失率(G损失率)和氮肥表观气态损失量(G损失量)：

G损失率=1-利用率-残留率-淋溶损失率；

G损失率=G损失率×施氮量。

2 结果与分析

2.1 氮肥利用效率

表1表明，在相同施氮水平下，氮肥表观利用率，腐殖酸有机肥处理最高，比普通化肥全量处理提高24.3%，其次是微生物有机肥处理，比普通化肥全量处理提高了12.2%，而炭基有机肥处理与微生物有机肥处理之间无显著差异，且炭基有机肥处理与普通化肥处理之间差异也不显著；氮肥农学效率3个有机替代处理也均高于普通化肥全量处理，但3个处理间差异不显著；氮肥偏生产力3个有机替代处理均与普通化肥全量处理无显著差异。氮肥生理利用率3个有机替代处理均显著低于普通化肥全量处理，其中，炭基肥有机替代处理最高，为36.86 kg·kg-1。

表1 不同施肥处理氮肥利用率表现

2.2 氮肥表观残留率

从表2来看，在相同施氮量下有机替代20%的3个有机肥处理，其氮肥表观残留量均显著高于普通复合肥全量处理，其中，炭基有机肥处理最高，比普通化肥全量处理提高27.4%；其次是腐殖酸有机肥处理和微生物有机肥处理，分别比普通化肥全量处理提高20.5%和15.8%。结果表明施用有机肥可显著提高土壤中的氮肥残留量，能较施用无机肥表现出更好的后茬效应。

表2 不同施肥处理氮肥表观残留表现

2.3 氮肥表观淋溶损失率

从表3来看，3个有机肥处理的氮肥表观淋溶损失量均显著低于普通化肥全量处理，其中，炭基有机肥处理最低，为32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量处理降低23.3%；其次是腐殖酸有机肥处理和微生物有机肥处理，分别为34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量处理分别降低18.0%和13.2%。这说明在有机替代20%条件下，能显著降低氮肥表观淋溶损失量，平均降低13.2%～23.3%。

表3 不同施肥处理氮肥表观淋溶损失表现

2.4 氮肥表观气态损失率

从表4结果分析，有机替代20%的3个处理，其氮肥表观气态损失量均显著低于普通复合肥全量处理。其中，腐植酸有机肥处理最低，气态损失量为16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量处理降低51.6%；其次是炭基有机肥处理和微生物有机肥处理，分别为23.06和24.80 kg·hm-2，分别降低33.9%和28.9%。这说明在有机替代20%条件下，能显著降低氮肥表观气态损失量，平均降低28.9%～51.6%。

表4 不同施肥处理氮肥表观气态损失表现

3 小结与讨论

在相同施氮水平下，与普通化肥全量处理相比，3个有机替代处理的氮肥表观利用率显著提高，其中，腐殖酸有机肥替代处理最高，比对照处理提高24.3%，其次是微生物有机肥替代处理，氮肥农学效率也均显著高于普通化肥全量处理；氮肥偏生产力均与普通化肥全量处理无显著差异；氮肥生理利用率均显著低于普通化肥全量处理，其中，炭基肥有机肥替代处理较高，为36.86 kg·kg-1。

有机替代20%处理能显著提高氮肥表观残留量。3个有机肥处理的氮肥表观残留量均显著高于普通复合肥全量处理，其中，炭基有机肥处理最高，比普通化肥全量处理提高27.4%，其次是腐殖酸有机肥处理和微生物有机肥处理，分别比普通化肥全量处理提高20.5%和15.8%。有机替代能显著降低氮肥表观淋溶损失量。3个有机肥处理的氮肥表观淋溶损失量均显著低于普通复合肥全量处理，其中，炭基有机肥处理最低，为32.58 kg·hm-2，比普通化肥全量处理降低23.3%；其次是腐殖酸有机肥处理和微生物有机肥处理，分别为34.84和36.89 kg·hm-2，比普通化肥全量处理分别降低18.0%和13.2%。有机替代能显著降低氮肥表观气态损失量。3个有机肥处理的氮肥表观气态损失量均显著低于普通化肥处理，其中，腐植酸有机肥处理最低，为16.88 kg·hm-2，比普通化肥全量处理降低51.6%；其次是炭基有机肥处理和微生物有机肥处理，分别为23.06和24.80 kg·hm-2，比普通化肥全量处理分别降低33.9%和28.9%。

当前我国化肥施用普遍存在施用量过大、盲目施肥及施肥量不均衡、施用结构不均衡和施肥方式不完善等突出问题，导致化肥利用效率普遍较低以及生态环境负荷增加。肥料利用率的提高是决定化肥增产效果的主要因素，一般认为，施肥量越大，肥料利用率越小。前人研究[22-23]也表明，随着施氮量增加氮肥利用率反而递减，在低施氮水平下单施尿素可有效提高肥料利用率，而在高氮水平下单施化肥其利用率会降低。由于有机肥的特性，单施有机肥其表观肥料利用率最低。化肥有机替代就是用有机肥替代一部分化肥用量，这不仅可提高化肥利用率、减少土壤养分固定，更重要的是可提高土壤肥力、减少化肥的环境负荷[24]。本研究所选的3种有机肥部分替代化肥不但能显著提高氮肥表观利用率，还提高了氮肥表观残留量。前人研究[25-27]表明，氮素可存留于土壤中，对后季作物贡献较大，可一定程度上提高肥料利用率。有研究表明化肥配施有机肥处理的淋溶损失量低于单施化肥处理[28-29]，这也与本研究结果相符。

本研究结果表明，单施化肥处理以及有机替代20%的3个有机肥处理，其氮肥表观利用率为30.4%～37.8%，平均33.7%。残留于土壤中的肥料氮占施氮量的26.6%～36.7%，平均32.1%。损失途径中淋溶损失占施氮量的18.1%～23.6%，平均20.4%；气态损失占肥料施氮量的9.4%～19.4%，平均13.8%。分析可知，氮肥施入土壤后，能被当季作物利用的仅占1/3，而以各种途径损失以及残留于土壤的量占2/3，这也与前人研究结果相似[30]。另有研究表明[31]，肥料施入土壤中大约会有30%～50%经土壤淋溶进入地下水而损失，本研究结果较此研究低。