有机肥替代化肥对旱地小麦产量和养分利用效率的影响及其经济环境效应

张奇茹, 谢英荷，2，3, 李廷亮,2,3, 刘凯, 姜丽伟, 曹静, 邵靖琳

有机肥替代化肥对旱地小麦产量和养分利用效率的影响及其经济环境效应

张奇茹1, 谢英荷1，2，3, 李廷亮1,2,3, 刘凯1, 姜丽伟1, 曹静1, 邵靖琳1

（1山西农业大学资源与环境学院，山西太谷 030801；2山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西太谷 030801；3山西农业大学山西省土壤肥料研究生教育创新中心，山西太谷 030801)

【】通过5年连续监测有机肥、生物有机肥替代化肥对旱地小麦产量、养分利用、经济及土壤环境的影响，以期为旱地小麦科学高效生产提供施肥依据。于2013—2018年在山西省洪洞县旱地麦田试验区，通过农户施肥（FP）、测控施肥（OF）、有机肥替代化肥（OFM）和生物有机肥替代化肥（OFB）4个处理，分析有机肥替代化肥对黄土旱塬冬小麦产量构成，经济效益，养分吸收转移特征，肥料利用效率，土壤环境等的影响。（1）与FP处理相比，OFM、OFB处理5年平均减施化肥氮素35%，籽粒产量显著提高17.2%—21.4%、纯收入显著提高44.3%—54.7%；与OF处理相比，OFM、OFB处理5年平均替代化肥氮素40%，增加了公顷穗数和千粒重，籽粒产量显著提高6.0%—9.8%，纯收入显著提高12.9%—21.0%。（2）OFM、OFB处理与OF处理相比,籽粒氮含量显著提高9.6%—12.8%，磷含量显著提高12.5%—17.9%；籽粒氮、磷、钾的花前营养器官转移量与花后土壤吸收量均有所提高，特别是促进了籽粒中氮、磷素的花后土壤吸收量，分别显著提高了48.8%—50.5%，70.5%—76.2%。（3）与OF处理相比，OFM处理的钾肥农学效率和偏生产力显著提高33.9%和6.2%。OFB处理的氮、磷肥的表观回收率显著提高48.6%和65.5%，氮、钾肥的农学效率显著提高71.3%和51.3%，偏生产力显著提高20.3%和10.0%。（4）经过5年的有机肥、生物有机肥替代化肥处理，土壤肥力（有机质, 全氮, 有效磷, 速效钾）有所提高，表层土壤硝态氮残留显著减少9.6%—23.0%，且2 m土层硝态氮无明显淋溶现象。有机肥、生物有机肥替代化肥可以提高小麦籽粒对氮、磷、钾的吸收，促进氮、磷素的花后土壤吸收，提高肥料的利用效率，显著降低土壤硝态氮残留量，有助于提升土壤肥力，最终获得较高的经济和环境效益，是旱地麦田高效持续生产和发展绿色农业的一项重要措施。

旱地小麦；有机替代；产量效率；环境效应

0 引言

【研究意义】小麦是我国主要粮食作物，种植面积占粮食种植面积的22%，其中70%为旱地小麦，产量占小麦总产20%以上[1]。化肥对小麦的影响举足轻重，但现阶段化肥施用存在严重不合理现象，主要表现为重施化肥、氮肥过量和不足并存，造成环境污染，影响人体健康[2]。近年来，通过有机肥替代部分化肥，在不减产甚至增产的前提下减少化肥的施用，这是我国深入开展化肥零增长行动，加快推进绿色农业发展的重要措施[3]。有机肥（尤其是畜禽粪便）与生物有机肥是目前研究较多的有机肥料，在提升土壤肥力方面有各自的优势[4]。明确不同有机肥替代化肥条件下的小麦产量，养分吸收转运，土壤环境等情况，为黄土高原小麦生产合理高效施肥提供依据，对农业环境的改善具有促进作用。【前人研究进展】有机肥能提高作物产量，肥料利用率及土壤肥力，降低土壤硝态氮残留。刘金华[5]研究表明等氮条件下，商品有机肥替代化肥处理能提高小麦株高和产量。杨修一等[6]研究表明有机肥替代化肥氮素，配合控释尿素施用，可显著增加土壤总碳和铵态氮含量。沈冰涛等[7]研究表明与单施化肥处理相比，有机肥替代化肥能提高小麦产量和土壤养分及部分酶活性。赵聪等[8]研究表明，有机肥配施低量无机肥既能提高土壤肥力, 又能缓解硝态氮在土壤剖面中的累积和淋溶。吕凤莲等[9]研究表明，有机肥替代75%化肥氮可以提高作物产量和氮效率，增加年经济效益，同时有效减少土壤硝态氮的残留量。Marcote等[10]研究表明，增施有机肥料和微生物肥料有利于改善土壤理化性质和微生物区系。宋震震等[11]研究发现，长期施用有机肥能显著增加土壤微生物碳和氮，能提高土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性。宋松等[12]研究表明生物有机肥可以改善土壤团粒结构，根系环境和土壤酶活性，提高作物吸收养分能力。韩晓增等[13]研究发现，长期施用有机肥能使土壤pH稳定在一个适宜作物生长的范围。【本研究切入点】黄土高原是典型的旱作麦田区，过量施肥导致养分损失严重。以往的相关研究大多集中在施肥对产量等的影响，本项研究在测控施肥即“1 m土层硝态氮监控施氮肥，0—40 cm土层磷、钾衡量施肥”基础上，分别用有机肥、生物有机肥替代部分化肥，研究长期有机替代后养分利用转移及土壤环境效应等。【拟解决的关键问题】本研究依托旱地小麦水肥高效长期定位试验区，每年在测控定量减施氮肥的基础上，以有机肥和生物有机肥替代部分化肥，试验进行5年，研究其对小麦产量及其构成，籽粒氮、磷、钾含量，养分的转移吸收，肥料利用效率及土壤环境等的影响，以便为当地麦田生产的科学环境友好施肥管理以及绿色农业发展提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2013—2018年在山西省洪洞县刘家垣镇旱地麦田产区进行，试验区处于山西省中南部，气候干燥，降水量少。此地区年均日照时间在2 450 h左右，年均平均气温为12℃以下，一年的有效积温约3 327℃，平均年降水量460—500 mm，每年的降水主要集中在7、8、9月份，是一个典型的雨养旱地农业区。试验土壤类型为石灰性褐土，土壤质地为中壤，播前表层土壤各养分含量为：有机质15.3 g·kg-1，全氮0.8 g·kg-1，硝态氮8.1 mg·kg-1，有效磷11.7 mg·kg-1，速效钾205.4 mg·kg-1，pH7.6，容重1.2 g·cm-3。种植小麦为晋麦47。

1.2 试验设计

试验设置4个处理，4次重复，采用随机区组设计，小区面积0.012 hm2。4个处理均为垄膜沟播种植模式，处理1（FP）为农户施肥，按照当地农户经验施肥；处理2（OF）为测控施化肥，即“1 m土层硝态氮监控施氮肥，0—40 cm土层磷、钾衡量施肥”技术；处理3（OFM）是以有机肥替代处理2部分化肥、处理4（OFB）是以生物有机肥替代处理2部分化肥。处理2、3、4遵循N、P、K等养分量施肥，偏差养分利用尿素、过磷酸钙、氯化钾补齐。各处理均设置空白对照。试验中所施氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O516%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%），处理3的有机肥为腐熟的鸡粪，养分含量（N 1.4%、P2O52.7%、K2O 1.6%），处理4的生物有机肥由山西农业大学资源环境学院微生物实验室提供，以处理3中鸡粪为基质，添加菌种培养制成有机肥，菌种包括：固氮菌、溶磷菌。每年于小麦播前测定土壤养分含量，根据养分含量确定施肥量，5年的各处理施肥量见表1。

所有肥料均作为底肥，在小麦播种前均匀撒入相应小区，小麦播量为150 kg·hm-2。5年的播种均在9月底至10月初进行，收获在6月初进行。每年6月中旬至9月中旬为夏闲期。

表1 2013—2018年试验区各处理养分用量

1.3 样品的采集及测定方法

1.3.1 样品采集 冬小麦播前、收获时采集0—2 m土层的土样，每20 cm为一层。测定2 m土层硝态氮，0—40 cm土层有效磷、速效钾含量。

在冬小麦开花期、收获期采集植株样品，用于各器官氮素含量测定；在收获期各小区收获 3 m×20 m样方，脱粒计产，并选取代表性 3个1 m长的小麦样段，调查穗数、穗粒数及千粒重。

1.3.2 样品测定方法

（1）植株氮、磷、钾含量。统一用H2SO4-H2O2法消煮，植株的氮、磷、钾含量分别用半微量开氏法，蒸馏定氮；钒钼黄比色法；火焰光度计法测定。

（2）土壤硝态氮测定：CaCl2浸提，流动分析仪测定。

（3）土壤有效磷测定：0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼蓝比色法测定。

（4）土壤速效钾测定：采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

（5）土壤全氮的测定：开氏蒸馏法。

（6）土壤有机质测定：采用容量法重铬酸钾氧化-油浴外加热法。

（7）土壤pH的测定：水土比1﹕1，pH计测定。

1.3.3 计算方法

花前营养器官氮（磷、钾）素转移量（kg·hm-2）= 花期地上部氮（磷、钾）素积累量（kg·hm-2）-成熟期地上部营养器官氮（磷、钾）素积累量（kg·hm-2）；

花后土壤氮（磷、钾）素吸收量（kg·hm-2）= 籽粒氮（磷、钾）素积累量（kg·hm-2）-花前营养器官氮（磷、钾）素转移量（kg·hm-2）；

氮（磷、钾）肥表观回收率（%）=[施氮（磷、钾）区地上部吸氮量（kg·hm-2）]-对照区地上部吸氮（磷、钾）量（kg·hm-2）]/施氮（磷、钾）量（kg·hm-2）×100；

氮（磷、钾）肥农学效率（kg·kg-1）=[施氮（磷、钾）区产量-不施氮区产量]/施氮（磷、钾）量（kg·hm-2）；

氮（磷、钾）肥偏生产力（kg·kg-1）=施氮（磷、钾）区的籽粒产量（kg·hm-2）/施氮（磷、钾）量（kg·hm-2）。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 2010整理作图，SPSS进行方差分析，多重比较采用 LSD 法，差异显著水平为 0.05。

2 结果

2.1 有机肥替代化肥对小麦产量构成及效益的影响

与FP处理相比，OFM、OFB处理5年平均减施化肥氮素35%，年均籽粒产量显著提高17.2%— 21.4%，年均生物产量显著提高17.5%—19.9%。年均纯收入显著提高44.3%—54.7%。与OF处理相比，OFM、OFB处理在等养分投入的前提下，5年平均替代化肥氮素40%，年均籽粒产量显著提高6.0%— 9.8%，年均生物产量提高5.9%—8.1%；年均纯收入显著提高12.9%—21.0%（表2）。

从产量构成看，本试验籽粒产量与公顷穗数、穗粒数及千粒重的相关性分别为0.862**、0.309、0.672*，表明冬小麦产量形成主要取决于公顷穗数，其次是千粒重。OFM、OFB处理的公顷穗数和千粒重的平均值均高于OF处理，说明有机肥、生物有机肥替代化肥主要通过提高公顷穗数和千粒重提高小麦产量，从而提高农民收入。

2.2 有机肥替代化肥对小麦籽粒氮磷钾含量的影响

OFM、OFB处理与FP处理相比，籽粒氮含量平均显著提高9.6%—12.8%，磷含量显著提高15.4%—20.9%，钾含量显著提高13.2%—18.3%（表3）；OFM、OFB处理与OF处理相比，籽粒氮含量显著提高9.6%—12.8%，磷含量显著提高12.5%—17.9%，钾素提高5.9%—10.7%，但差异不显著。OFB处理的籽粒氮、磷、钾含量虽高于OFM处理，但差异不显著。说明有机肥、生物有机肥替代化肥可以促进籽粒对氮、磷、钾的吸收积累。

2.3 有机肥替代化肥对小麦养分转移利用的影响

4个处理的籽粒氮、磷素花前营养器官转移量均高于花后土壤吸收量，钾素花后土壤吸收量高于花前营养器官转移量（表4）。从氮素来看，OFM、OFB处理与FP处理相比，花前转移量平均显著提高29.0%—39.5%，花后吸收量显著提高52.7%—54.4%；与OF处理相比，花前转移量平均提高9.1%—18.0%，花后吸收量显著提高48.8%—50.5%。从磷素来看，OFM、OFB处理的花前转移量比FP处理提高19.8%—29.3%，比OF处理提高2.7%—10.8%，花后吸收量比FP处理显著提高72.9%—78.6%，比OF处理显著提高70.5%—76.2%。从钾素来看，OFM、OFB处理比FP处理花前转移量平均提高23.3%—45.9%，花后吸收量提高40.3%—42.9%；比OF处理花前转移量平均提高20.2%—42.4%，花后吸收量提高13.6%—15.8%，差异均不显著。有机肥替代化肥后，籽粒氮、磷、钾素的花前营养器官转移量、花后土壤吸收量均提高，并且氮、磷素的花后土壤吸收为显著提高。说明有机肥、生物有机肥替代化肥处理可以提高籽粒氮、磷、钾整体的转移吸收量，特别是促进了氮、磷素的花后土壤吸收量。

2.4 有机肥替代化肥对肥料利用效率的影响

OFM、OFB处理与FP处理相比，氮肥的平均表观回收率、农学效率、偏生产力分别显著提高126.0%—163.7%、149.6%—186.0%、90.3%—97.1%，磷肥的分别提高47.5%—65.3%、50.0%—72.1%、12.9%—16.9%，与FP处理相比，差异未达显著水平（表5）。OFB处理与OF处理相比，氮、磷肥的表观回收率显著提高48.6%、65.5%，氮、钾肥的农学效率显著提高71.3%、51.3%，偏生产力显著提高20.3%、10.0%，磷肥的农学效率和偏生产力均有一定程度提高，但差异未达显著水平。OFM处理与OF处理相比，氮、磷、钾肥料利用率也均有提高，其中钾肥的农学效率和偏生产力显著提高33.9%和6.2%。表明有机肥、生物有机肥替代化肥对肥料表观回收率，农学效率，偏生产力均有不同程度的提高作用，即提高了地上部及籽粒对氮、磷、钾的吸收利用程度，从而促进了产量的增加。其中生物有机肥替代后的效果更优于有机肥。

表2 2013—2018年各处理小麦产量构成及效益

同一年份同列数据后不同小写字母表示在 0.05 水平差异显著。下同

Values followed by different small letters within a column in the same year indicate significant differences at the 0.05 level. The same as below

2.5 有机肥替代化肥对土壤肥力及环境的影响

表6为2018年各处理收获后表层（0—20 cm）土壤肥力状况，OFB处理的有机质含量比FP、OF处理显著提高4.8%—6.3%，比OFM处理提高1.3%，但差异不显著。有效磷含量与有机质规律一致，OFB处理比FP、OF处理显著提高41.3%—87.5%，比OFM处理提高24.2%，但差异不显著。速效钾含量OFB处理比FP、OF处理显著提高17.8%—37.2%，OFM与OFB处理间差异不显著。表6可以看出，OFM、OFB处理比FP、OF处理的pH降低1.3%—2.5%，但处理间差异不显著。说明长期施用有机肥和生物有机肥对土壤pH无改善调节作用。

同时由表6可以看出，土壤表层硝态氮贮量，OFM、OFB处理比FP处理显著降低36.5%—45.8%，比OF处理显著降低9.6%—23.0%；图1是2013年播前和2018年收获时不同处理2 m土层硝态氮累积状况。由图1可以看出，2018年收获时，各处理硝态氮在0—40 cm土层均有较高累积，其中FP处理累积量最高。同时FP处理2 m土层硝态氮累积量也达到了347.2 kg·hm-2，显著高于其他各处理，比2013年播前提高了123.0%，并且在1—2 m土层有明显的淋溶累积。而OFM、OFB处理的2 m土层硝态氮累积量较FP处理降低67.0%—69.1%，较OF处理降低2.5%—4.0%，较2013年播前降低21.7%—26.7%。表明通过有机肥、生物菌肥替代化肥能促进小麦对氮素的吸收，减少了土壤硝态氮残留，降低了土壤退化和环境影响的风险。

FP处理不施钾肥，所以无钾肥利用效率

FP treatment didn't apply potassium fertilizer, so haven't potassium fertilizer utilization efficiency

表6 2018年各处理收获期表层土壤肥力及硝态氮残留状况

图1 有机肥替代化肥下2 m土层硝态氮残留特征

3 讨论

3.1 有机肥替代化肥对小麦产量的影响

有机肥替代化肥能提高作物产量。本试验中有机肥、生物有机肥5年平均替代化肥氮素40%，籽粒产量显著提高6.0%—9.8%；与前人研究结果基本一致。赵军等[14]研究表明，猪粪替代无机肥提高了小麦产量；吕凤莲等[9]研究表明，有机肥替代75%化肥氮可以提高小麦-玉米轮作作物产量和经济效益。孟琳等[15]研究表明，有机肥料氮替代化肥氮提高了稻谷产量。王斌等[16]的研究也表明生物有机肥的配施与减量优化平衡施肥在稳产的同时进一步提高氮素利用率，能节约成本，提高产量。有机肥替代化肥既发挥了化肥释放养分的速效性，也发挥了有机肥的缓释性[17]，有机和无机养分能协调平衡供应[18]，避免前期旺长和后期早衰，有机肥中丰富的有机质和微生物，能改善土壤结构[19]，促进小麦整个生育期吸收养分[20]，实现增产的目的。本试验中FP处理的施氮量最高，属于过量施肥，产量最低，说明过量施肥不会提高产量，与马臣等[21]的研究结果一致，可能因为氮肥过量，但是磷、钾肥不平衡，不满足作物需求，导致籽粒产量最低。

本试验表明籽粒产量与公顷穗数相关性最大，其次是千粒重，本试验“有机替代”处理的公顷穗数和千粒重均提高。李廷亮等[22]的研究也表明，公顷穗数和千粒重对小麦产量贡献最大。黄婷苗等[23]和昝亚玲等[24]的研究表明公顷穗数的增加是小麦增产的主要原因。因为有机肥替代化肥可以改善小麦生育中后期的营养条件，促进幼穗分化[25]，促进灌浆期干物质向籽粒转移[26]，提高成穗数和千粒重，为产量提高奠定基础。上述结果说明，有机肥、生物有机肥替代化肥可以通过提高公顷穗数和千粒重增加产量，增加收入，适合在旱地推广。

3.2 有机肥替代化肥对麦田籽粒养分吸收转移及肥料利用率的影响

本试验结果表明冬小麦籽粒中的氮、磷、钾一部分来源于花前营养器官转移，一部分来源于花后土壤吸收，与高洪军等[27]和王德梅等[28]研究结果一致。有机肥替代化肥后，籽粒氮、磷含量显著提高，与前人研究结果一致，谢军等[29]与梁靖越[30]研究均表明，有机肥替代化肥能促进氮素由茎叶向穗部积累，从而提高籽粒氮素积累量。刘彦伶等[31]研究表明，施用有机肥有利于促进干物质和磷素的积累及其向籽粒的转运。从5年的试验结果来看，“有机替代”后籽粒氮、磷、钾素的花前转移、花后吸收均提高，主要促进了氮、磷素的花后土壤吸收。因为化肥主要在作物前期发挥作用，而后期有机肥释放养分速率高于化肥[32]，所以“有机替代”有利于籽粒整个生育期的氮、磷、钾素积累。刘彦伶等[31]研究表明有机无机配施可促进花后籽粒对磷素的吸收。杨宁等[32]研究表明，花前累积在营养器官中的氮、磷养分是成熟期籽粒氮、磷的重要来源，花后的氮、磷养分累积才是造成成熟期籽粒氮、磷吸收差异的重要原因。本研究得出相似的结论，因为氮、磷肥的合理配施，适当延缓小麦后期衰老，促进氮、磷素的积累及其向籽粒的转运，并且有机肥在小麦生长后期发挥较大作用，促进花后有更多的氮、磷进入籽粒，这是氮、磷素花后吸收提高的重要原因。

本试验有机肥、生物有机肥替代化肥后的氮、磷、钾肥的表观回收率、农学效率、偏生产力均有所提高，生物有机肥替代后的肥料利用效率最高，FP处理施肥不平衡，且产量最低，从而导致其肥料利用效率均最低。周江明等[33]和任科宇[34]等研究均表明，施用有机肥可以显著提高作物的氮肥利用率，并且任科宇的研究表明，在有机质含量较低、降雨量较少的西北地区配施有机肥后氮肥利用率的提高幅度最大。谢勇等[35]研究表明，有机无机配施的氮、磷肥料利用率最高。本试验结果与前人研究结果一致，有机肥替代化肥处理可以提高小麦养分吸收转移及产量，相应地提高了氮、磷、钾肥的表观回收率、农学效率和偏生产力。生物有机肥含有比有机肥更丰富的微生物，更能促进土壤活性，提高作物吸收养分，从而提高肥料利用效率，而本试验中生物有机肥替代后的养分转移量，产量均为最高。所以氮、磷、钾平衡施肥及有机替代，能促进养分花前、花后的转移吸收，从而提高籽粒养分含量，提高肥料利用效率。

3.3 有机肥替代化肥对土壤肥力及环境的影响

本试验中有机肥、生物有机肥替代化肥后，表层土壤有机质，全氮、有效磷、速效钾含量均有所提高。温延臣等[36]研究表明，有机肥部分替代化肥能提高土壤有机碳和全氮含量。祝英等[37]研究表明，有机肥替代化肥能改善土壤微生物数量，有利于土壤养分的储存和供应强度。本试验结果与前人研究结果一致。因为有机肥加入提高了土壤有机质含量，养分和碳氮比的提高增加了土壤微生物的活性，微生物作用于土壤释放的有机质也在土壤中积累[38]，使得土壤有机质含量得以提高。大量微生物和腐殖质进入土壤，降低无机磷的固定并促进无机磷的溶解，减少磷、钾固持[39]，从而释放磷、钾养分。有机肥与化肥配施既能快速提高土壤中有效氮的含量，又能长久保存土壤氮素[40]，低温、少雨的地区有机肥可以更好地发挥其保温保水性，更利于激发土壤中微生物的活性，促进作物对养分的吸收[41]。有机肥、生物有机肥替代后的pH略有降低。胡诚等[42]研究发现，随着有机肥施用量的增加，土壤pH值降低，逐渐接近中性。柯蓓等[43]研究表明有机肥替代部分化肥能稳定土壤pH。本研究结果与前人研究结果不太一致。可能是因为本试验时间较短，或者其他原因，有待进一步研究。

本试验中有机肥替代化肥后的土壤表层和2 m土层硝态氮储量均有显著降低，且2 m土层硝态氮无明显淋溶现象。吕凤莲等[9]和马臣等[21]研究均表明，有机肥替代化肥能减少硝态氮残留。有机替代后土壤硝态氮聚集在表层，降低了硝态氮向下层淋溶的风险。有机肥的添加改善了土壤理化性质，增加了土壤团聚化程度，提高微生物活性，更多的氮被利用，从而降低无机氮的残留[44]。因此有机肥、生物有机肥替代化肥可以促进作物吸收养分，增加土壤养分含量，降低土壤硝态氮的残留，对降低环境污染具有重要意义。

4 结论

在测控施肥基础上，有机肥、生物有机肥替代化肥，促进了营养元素的转移、吸收量，特别是促进了氮、磷素的花后土壤吸收量，分别达到48.8%—50.5%，70.5%—76.2%，籽粒氮、磷含量平均分别显著提高11.5%、15.2%。由于公顷穗数和千粒重的提高，平均籽粒产量显著提高了6.0%—9.8%，平均纯收入提高12.9%—21.0%；使得氮、磷、钾肥料表观回收率，农学效率，偏生产力均有不同程度提高，同时促进了土壤肥力的提升，土壤表层硝态氮贮量显著降低了9.6%—23.0%，土壤pH降低1.3%—2.5%，获得了明显的经济和环境效益，因此有机替代是实现旱地麦田高效安全持续生产以及发展绿色农业的科学施肥技术。

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Effects of Organic Fertilizers Replacing Chemical Fertilizers on Yield, Nutrient Use Efficiency, Economic and Environmental Benefits of Dryland Wheat

ZHANG QiRu1, XIE YingHe1, 2, 3, LI TingLiang1, 2, 3, LIU Kai1, JIANG LiWei1, CAO Jing1, SHAO JingLin1

(1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;3Shanxi Provincial Soil and Fertilizer Postgraduate Education Innovation Center, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi)

【】In order to provide the fertilization basis for scientific and efficient production of dryland wheat, the effects of organic fertilizer and biological organic fertilizer replacing chemical fertilizer on wheat yield, nutrient utilization, economy and soil environment were monitored continuously for 5 years.【】From 2013 to 2018 in the dryland wheat field area of Hongtong County, Shanxi Province, there were four different fertilization patterns, including farmer pattern (FP), optimized fertilizers pattern (OF), optimized fertilizers+organic fertilizers pattern (OFM), and optimized fertilizers+biological organic fertilizers pattern (OFB), which were used to analyze the effects on the yield composition, economic benefits, nutrient absorption and transfer characteristics, fertilizer use efficiency, and soil environment of dry wheat in the Loess Plateau.【】(1) Compared with the FP treatment, the average nitrogen fertilizer application was reduced by 35%, and the grain yield was significantly increased by 17.2%-21.4%, and net income was significantly increased by 44.3%-54.7% under OFM and OFB treatments, respectively; compared with the OF treatment, the average nitrogen substitution rate of OFM and OFB in five years was 40%, the spike number per hectare and 1000 grain weight were increased, and the grain yield was significantly increased by 6.0%-9.8%, and net income was significantly increased by 12.9%-21.0% under OFM and OFB treatments, respectively. (2) Compared with OF treatment, the contents of nitrogen in grain was significantly increased by 9.6%-12.8%, and the contents of phosphorus in grain was significantly increased by 12.5%-17.9% under OFM and OFB treatments, respectively; the transport amount at pre-anthesis of nitrogen, phosphorus and potassium of grain and the soil absorption after bloom were also increased, especially the soil absorption of nitrogen and phosphorus after anthesis was significantly increased by 48.8%-50.5% and 70.5%-76.2% under OFM and OFB treatments, respectively.(3) Compared with the OF treatment, the agronomic efficiency and partial productivity of potassium fertilizer under OFM treatment were significantly increased by 33.9% and 6.2%, respectively. The results showed that the apparent recovery rate of nitrogen and phosphorus fertilizer was increased by 48.6% and 65.5%, the agronomic efficiency of nitrogen and potassium fertilizer up by 71.3% and 51.3%, respectively, and the partial productivity was increased by 20.3% and 10.0%, respectively.(4)Organic fertilizers and biological organic fertilizers instead of chemical fertilizer increased soil fertility (organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available potassium contents), nitrate nitrogen residue in soil surface was significantly decreased by 9.6%-23.0%, and there was no obvious leaching phenomenon of nitrate nitrogen in 2 m soil layer after 5 years.【】Instead of chemical fertilizer, organic fertilizers and biological organic fertilizers could improve the absorption of nitrogen, phosphorus and potassium in wheat grain, promote the absorption of nitrogen and phosphorus in soil after anthesis, improve the utilization efficiency of fertilizer, and significantly reduce the residue of nitrate nitrogen in soil, and alleviate soil alkalization, which was helpful to improve soil fertility and ultimately obtain higher economic and environmental benefits. Therefore, it was an important measure for the efficient and sustainable production of dryland wheat fields and the development of green agriculture.

dryland wheat; organic fertilizer replacing chemical fertilizer; yield efficiency; environmental effects

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.012

2020-06-15；

2020-09-16

国家重点研发计划项目（2018YFD0200401）、国家公益性行业（农业）科研专项（201503124）

张奇茹，E-mail：1575938795@qq.com。通信作者谢英荷，E-mail：xieyinghe@163.com

（责任编辑 李云霞）