有机氮替代部分无机氮对砂姜黑土冬小麦产量及氮肥利用率的影响

李太魁 寇长林 郭战玲 张香凝

摘要：以百农207为试验材料，在氮磷钾用量一致的基础上，研究有机肥和无机化肥配施比例对冬小麦产量、土壤有机质和养分含量、氮素利用率的影响。结果表明，纯无机化肥和有机肥无机肥配施均能提高土壤有机质和养分含量，与对照相比，纯无机化肥处理土壤耕层有机质含量增加10.83%，有机肥无机肥配施增加11.81%～26.97%，土壤有效磷与速效钾含量变化趋势与有机质含量变化趋势基本一致。有机肥无机肥配施小麦产量比不施肥的增产幅度为3591%～46.58%，比常规施肥增产幅度为5.85%～1416%，其中以有机肥氮替代60%无机肥氮（60%OM）处理产量最高，年产量达8 434 kg/hm2，40%OM处理次之。相对于常规施肥处理较高的氮肥利用率（36.13%），40%OM和60%OM处理氮肥利用率分别高达46.64%、47.88%，高于常规施肥处理，氮素表观损失量分别为7031、59.70 kg/hm2，低于常规施肥处理（126.18 kg/hm2）。说明在等氮量条件下，以40% 和60% 有机肥氮替代无机肥氮不但提高土壤有机质和养分含量、作物产量和氮肥利用率，还可以降低氮素表观损失量，获得较高的经济和环境效益。因此，有机肥替代部分无机化肥是河南省砂姜黑土区冬小麦的推荐施肥措施。

关键词：有机肥;砂姜黑土;冬小麦;产量;氮肥利用率

中图分类号：S512.1+10.6 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0097-05

化肥是现代农业生产的重要物质基础，也是农业增产的重要保证，伴随农产品产量提高的同时，化肥用量一直在不断增加，尤其是氮肥占化肥用量的比例在不断上升，这已引发了严重的环境问题，如土壤板结、土壤酸化、地下水污染等[1]。有机肥含有大量作物生长所需的营养元素，一直用于改善土壤肥力和提高土壤固碳能力，无论是单施有机肥还是有机肥、无机肥配施，均能有效地减轻硝酸盐污染，改善土壤肥力并提高作物产量。但有机肥养分释放速度慢，若单施有机肥作物产量往往难以达到预期。因此，合理将有机肥和无机肥配施是众多学者关注的热点之一。大量的研究结论较为一致，大都认为有机肥、无机肥配施能提高作物的产量和氮肥利用率。刘明钟等研究表明，有机肥无机肥配施能明显提高小麦产量[4]。也有研究认为，有机肥无机肥配施不仅增加了粮食产量，还降低了土壤容重，提高了土壤速效养分的含量[5]。这些研究在指出有机肥无机肥配施增加粮食产量的同时，很少研究有機肥无机肥混合的比例。有机肥无机肥混合施用的最适配比，及其对作物的产量和土壤环境产生的影响没有更多的理论依据，也成了制约有机肥无机肥配施方向发展的关键科学问题。

砂姜黑土是我国黄淮海平原的主要耕作土壤，面积约为370万hm2，是我国主要中低产田土壤类型之一。砂姜黑土区低产的主要原因是土壤质地黏重，养分失调，有机质含量低，肥料利用率低，严重影响了作物的正常生长[6]。有机肥能提高土壤肥力和粮食产量，且研究区有机肥资源丰富，但并没有得到充分利用，因此在砂姜黑土区研究有机肥替代化肥具有重要意义。鉴于此，本试验通过田间试验，研究等氮条件下有机肥料氮替代部分无机肥料氮对小麦产量和土壤环境的影响，探索有机肥替代无机肥的最佳比例，以期为合理施肥及在小麦生产上的推广和应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点位于河南省驻马店市西平县二郎乡张尧村，属于典型的砂姜黑土区，位于河南省中南部，属大陆性季风型湿润气候，年平均气温为14.8 ℃，年平均降水量为852 mm。小麦—玉米轮作是该县典型的种植方式。试验地0～20 cm耕层土壤基础养分：全氮含量为1.03 g/kg，有效磷含量为13.06 mg/kg，速效钾含量为125.60 mg/kg，有机质含量为15.68 g/kg，pH值为7.18。

1.2 试验设计

定位试验于2012年10月开始，采用田间小区处理，面积为45 m2（5 m×9 m），3次重复，随机排布。共设6个处理：不施肥（CK）、常规施氮磷钾肥（常规）、有机肥氮替代20%无机肥氮（20%OM）、有机肥氮替代40%无机肥氮（40%OM）、有机肥氮替代60%无机肥氮（60%OM）、有机肥氮替代80%无机肥氮（80%OM）。总施氮量为纯氮 225 kg/hm2，P2O5施用量为60 kg/hm2，K2O施用量为60 kg/hm2。供试有机肥为干鸡粪，由西平县金刚有机肥厂提供，N、P2O5、K2O含量分别为124%、1.36%、2.24%，含水量为1462%。氮肥、磷肥、钾肥分别采用尿素、过磷酸钙和氯化钾，其中40%的氮肥在整地时作为底肥施入，其余60%在拔节期追施，有机肥、磷肥、钾肥全部作底肥一次性施入，田间管理同当地农民习惯，且各处理保持一致。小麦品种采用百农207。

1.3 样品采集与测定

由于田间试验刚开始时误差较大，本试验于2014年10月6日小麦播种前和2015年6月5日小麦收获后，即定位试验的第3个轮作周期采集土壤样品，每个小区用土钻随机选取3个样点，按20 cm间隔采集0～100 cm土层的土样，去除样品中的秸秆、石块等杂物，每个小区的同一土层混匀成为各小区的土壤样品。土壤铵态氮、硝态氮含量用分光光度法测定，全氮含量用凯氏定氮法测定，有效磷含量用钼锑抗比色法测定，速效钾含量用火焰光度法测定，有机质含量用重铬酸钾外加热法测定[7]。

在小麦收获期，每个小区选取6 m2收获测产，并选取1 m双行整株收获对穗粒数、总穗数、千粒质量等进行调查分析。

1.4 计算公式及统计方法

氮肥利用效率=（施氮区作物吸收氮素总量-不施氮区作物吸收氮素总量）/氮肥投入量×100%;

氮肥农学利用效率（kg/kg）=（施氮区作物籽粒产量-不施氮区产量）/氮肥施入量;

土壤最初无机氮量（kg/hm2）=土层厚度（cm）×土壤容重（g/cm3）×土壤无机氮含量（mg/kg）×10。

氮素矿化量与表观损失量参照刘学军等的方法[8]来计算，假定施肥处理的土壤矿化量和对照（CK）相同，即氮素矿化量=无氮区地上部分氮积累量+无氮区土壤残留无机氮量-无氮区土壤最初无机氮量。氮肥表观损失量=氮肥投入量-作物吸收氮肥量-土壤中残留无机态氮量。

试验数据采用Excel 2007和SPSS 13.0 软件进行处理与统计分析，采用最小显著性差异（LSD）法进行多重比较分析（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1有机肥替代不同比例无机肥对耕层（0～20 cm）土壤养分含量的影响

如表1所示，与对照（CK）相比，常规施肥和有机肥无机肥配施均显著提高了砂姜黑土0～20 cm土层土壤养分含量，总体上土壤养分含量随有机肥施用量增加而增加。有机肥替代不同比例无机肥处理的土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别增加了 11.81%～26.97%、8.25%～24.74%、20.57%～27.49%、10.23%～16.31%。常规施肥的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量分别比对照增加了10.83%、12.37%、12.70%、9.27%，常规施肥不如有机肥无机肥配施效果显著。从表中数据还可以看出，总体上有机肥替代60%～80%无机肥处理各项土壤指标最佳。

2.2 有机肥替代不同比例无机肥对小麦产量及其构成要素的影响

小麦产量的三要素由穗粒数、有效穗数及千粒质量构成。从表2可以看出，有机肥无机肥配施明显提高了小麦产量，其中以60%OM处理小麦产量最高，40%OM处理次之，分别比对照增加了2 680、2 263 kg/hm2，增产率分别为46.58%、39.33%。常规施肥处理比对照增产28.39%，产量显著低于有机肥无机肥配施处理。进一步从产量构成要素分析，各处理之间穗粒数和有效穗数无显著性差异，各处理主要是千粒质量的不同而引起籽粒产量的差异。

2.3 有机肥替代不同比例无机肥对小麦吸氮量及氮肥利用率的影响

小麦吸氮量、氮肥利用率与施肥方式密切相关。由表3可以看出，与常规施肥相比，40%OM和60%OM处理显著提高了籽粒吸氮量、秸秆吸氮量、总吸氮量、氮肥利用率及氮肥农学利用效率。不同施肥处理的氮肥利用率表现为60%OM>40%OM>常规施肥>20%OM>80%OM，氮肥农学利用效率表现为60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常规施肥。40%OM与60%OM处理间差异不显著。

2.4 有机肥替代不同比例无机肥对小麦生育期氮平衡的影响

本试验起始无机氮积累量对应0～100 cm深度土壤。从表4可以看出，小麦收获后，常规施肥土壤无机氮残留量最高，达263.55 kg/ hm2;40%OM和60%OM处理的氮肥表观损失量分别为70.31、5970 kg/hm2，常规施肥处理的氮肥表观损失量最高，为126.18 kg/hm2。由此可见，不合理的施肥很容易使残留的无机氮通过淋溶或者挥发从土壤-作物体系中损失，造成对地下水和大气环境的污染。

2.5 有机肥替代不同比例无机肥情况下的经济效益分析

从表5可以看出，与对照相比，农民常规施肥使小麦经济效益提高了15.89%，有机肥替代部分无机肥使小麦经济效益提高了7.12%～22.51%，有机肥替代60%无机肥经济效益最高，替代80%无机肥经济效益最低，本试验条件下，与农民常规施肥相比，有机肥料比例过高反而会降低经济效益，替代率在60%时经济效益最佳。

3 结论与讨论

3.1 有机肥替代不同比例无机肥对土壤养分含量的影响

有机质是土壤中营养元素的重要来源，其含量是评价农田土壤肥力的重要指标之一[9]。试验结果表明，与常规施肥相比，有机肥无机肥配施明显提高了土壤有机质含量，主要是由于有机肥的施用将大量有机质带入土壤，且单施化肥土壤有机质矿化损失高于配施有机肥。土壤有效磷浓度与有机肥用量存在一定的正相关关系，这是因为有机肥中含有活性较高的有机磷组分，有利于有机磷向无机磷转化，在一定程度上保证了土壤有效磷的稳定供给[12]。另外，杨丽娟等认为土壤中无机颗粒能通过铁、铝桥键与有机物质结合，降低了铁、铝离子与磷的吸附，因此提高了磷的活性[13]。有机肥含有多种速效养分，因此配施有机肥土壤全氮、速效钾含量也相应增加，这与其他学者的研究结果一致。

3.2 有机肥替代不同比例无机肥对小麦产量及氮肥利用效率的影响

作物的产量与土壤养分的供应过程密切相关。本试验研究表明，不同施肥处理小麦籽粒产量表现为60%OM>40%OM>20%OM>80%OM>常规施肥>CK，表明有機肥氮替代60%无机氮能够明显增加小麦产量。原因可能是有机肥无机肥配施能改善土壤养分供应过程，使土壤养分平稳释放。有机肥料氮替代60%无机氮不仅能使土壤养分含量维持在较高水平，且为作物的后期生长所需养分提供了保证，综合提高了小麦产量构成要素，为最终获得较高的产量和经济效益奠定了基础[17]。张营武等研究表明，有机肥替代50%无机肥施用能使豫北沙壤土区小麦显著增产[2]，本试验的结果与之基本一致。众多研究表明，有机肥替代部分无机肥能够显著提高作物氮素积累量和氮素利用效率[18]。本试验发现，有机肥无机肥配施处理小麦的总吸氮量和氮肥利用率明显比常规施肥高，尤其是60%OM和40%OM这2个处理，明显高于其他处理，这与杨晓梅等的研究结果[19]基本一致。张发明等认为，有机肥含有较多的活性微生物，这些微生物有2个重要作用：一是能活化土壤中难以被作物吸收利用的氮素，二是可以将作物生长前期较多的矿物质氮储存起来，待后期氮素相对缺乏时释放出来供作物生长，延长氮素在土壤中的循环时间，提高作物对氮素的吸收和利用[20]。刘益仁等研究认为，有机肥施用量过高或单施无机肥会使前期微生物固持的氮素不足，从而导致中后期释放的氮素养分过少，不能充分满足作物后期快速生长阶段对养分的需求;因此作物的产量、氮素积累量和氮肥利用率都明显低于合理的有机肥无机肥配施处理[21]。

3.3 有机肥替代不同比例无机肥对小麦生育期氮平衡的影响

目前，较多的研究者关注有机肥无机肥配施下的氮肥利用率、氮素平衡问题[22]，但有关有机氮替代无机氮的比例对土壤氮素平衡方面的研究较少。本试验研究结果表明，常规施肥明显增加了土壤无机氮残留量，不同施肥处理氮素表观损失量表现为常规施肥>80%OM>20%OM>40%OM>60%OM，表明有机肥无机肥配施降低了氮素的损失量，但有机肥的施用并不是越多越好，过多施用会增加氮素损失的风险，其中替代60%无机化肥效果最佳。杨晓梅等研究表明，有机肥替代50%比例的无机化肥在华北褐土区氮素损失最低[19]，本试验的结果与之基本一致。原因可能是这一比例配施可以更好地调节C/N，较多的氮素可通过微生物同化作用被暂时固定到微生物体内，因此减少了通过挥发、反硝化和淋失等途径造成的氮素损失。有机肥替代不同比例无机化肥造成氮素损失差异，这一现象具有重要意义，砂姜黑土农田耕作条件下，农民随意施用有机肥，这一方面增加了投入成本，降低了经济效益，另一方面增加了氮素损失，同时降低了肥料利用率，造成资源的巨大浪费。本试验结果对指导农民科学施肥、优化土壤氮素供应、提高氮肥利用效率、保护农业生态环境等都具有重要意义。

综上所述，有机肥无机肥配施对于提高土壤有机质和养分含量的效果优于常规施肥，有机肥无机肥配施中，以40%OM和60%OM处理的小麦产量和经济效益最高。与常规施肥相比，有机肥无机肥配施都不同程度提高了秸秆吸氮量、总吸氮量、氮肥利用率及氮肥农学利用效率，降低了氮肥表观损失量，其中40%OM和60%OM处理效果较为明显。因此，有机肥替代40%～60%的无机化肥可作为河南省砂姜黑土区冬小麦的推荐施肥措施。

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