水肥一体化对小麦-水稻轮作体系作物养分的影响

贾倍倍,陈晓芳,2,袁自然,2,王家嘉,2,胡芹远,曹阿祥,叶 寅,2*

(1.安徽省农业科学院 土壤肥料研究所,安徽 合肥 230031;2.养分循环与资源环境安徽省重点实验室,安徽 合肥 230031;3.安徽省土壤肥料总站,安徽 合肥 230001)

水稻和小麦是我国主要的农作物。随着人口不断增加的压力，提高其产量成为不可忽视的任务。N、P、K作为水稻和小麦发育所必不可少的元素，在施肥过程中尤为重要。然而，作物生产过程中，人们容易陷入“施肥越高，产量越好”的误区，进而导致过量施肥现在普遍存在，向农田中投入过多肥料在造成肥料浪费的同时，土壤会出现酸化，地下水也会被污染[1]。目前，相较于世界的水稻氮肥平均施用量，我国的水稻氮肥平均施用量高出75%，为180 kg/hm2，但是，从氮肥农学利用率来看，我国的利用率不到发达国家的一半[2]。磷肥施用过多会使土壤中的锌与过量的磷作用，产生作物无法吸收的磷酸锌沉淀，进而作物出现明显缺锌现象。研究表明，因我国农业生产活动中投入的磷肥的利用率不高，通常只有5%～20%，导致大量磷素在土壤中积累，并通过地表径流和灌溉流失，造成面源污染[3]。过多钾肥使用则会造成明显的环境污染，削弱庄稼的生产能力。资料显示，土壤中能被植物直接吸收的速效钾含量一般不到土壤全钾含量的2%，针对土壤钾素亏缺，最直接有效的方法就是施用钾肥，但我国钾肥大部分依靠进口，成本较高[4]。在考虑农民种植的投入和作物的产出与效益后，制定合理的施肥方案，在减少化肥费用的同时最大限度地提高作物产量，增加经济效益，成为当下农业研究方向。

化肥给我国的粮食安全提供保障，但不能忽略的是环境却因化肥承受着越来越大的压力[5]，常见的有雾霾、水体富营养化、温室效应等[6]。因此，合理利用肥料资源，提高肥料利用率是平衡食物安全和环境保护的重大科技问题[7]。近些年，国家一直提倡走可持续发展道路，保护环境是直接有效的方式之一，金山银山，不如青山绿水。所以，建立科学的小麦水稻施肥技术体系，实现农田高产、高效和可持续发展成为现代农业研究热点[8]。

华东地区雨热比较丰富，但容易出现雨热同期，在冬季雨水相对较少，对作物生长不利，此时则需要人工灌溉来满足作物生长的基本需水量。水肥一体化技术是指借助压力灌溉系统，将可溶性固体肥料或液体肥料配成肥液与灌溉水一起，均匀、准确地输送到作物根部土壤的技术[9]。在前人的一些研究中，通过水肥一体化技术可以提高油菜产量和促进养分吸收，而且能减少油菜硝酸盐含量和土壤中硝态氮累积[10]；也可以显著改善玉米生育中后期的磷素营养并提高产量，提高石灰性土壤玉米对磷肥的吸收利用效率[11]；水肥一体化还可以显著提高生姜叶片色素含量和净光合速率，降低蒸腾速率，提高水分利用效率[12]。因此，本研究通过田间小区试验，探究在水肥一体化下对作物进行化肥减量实验，从而确定最适合作物生长的肥料配方，将保护环境和提高作物经济效益的目的同时达到。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年11月至2018年11月在安徽省芜湖市芜湖县陶辛镇三太村(31°14′ N,118°52′ E)实施小麦-水稻轮作模式。小麦品种为“宁麦13”，水稻品种为“Y两优17”。每个小区面积24 m2(6 m×4 m)，小区间设置50 cm保护行,试验小区单灌单排。

2017年试验开始前采集耕层(0～20 cm)土壤样品，其基本理化性状：全氮1.23 g/kg，pH值4.7、有机质36.2 g/kg、速效钾96 mg/kg、缓效钾278 mg/kg、有效磷12.4 mg/kg、碱解氮81 mg/kg。

1.2 试验设计

(1)小麦季：

处理A：不施肥料。

处理B：基肥+常规追肥。基肥：15-15-15复合肥750 kg/hm2。追肥：拔节期46.4%尿素145.5 kg/hm2。

处理C：基肥：尿素361.5 kg/hm2、过磷酸钙750 kg/hm2、氯化钾124.5 kg/hm2；追肥：拔节期46.4%尿素145.5 kg/hm2。

处理D：基肥：按照46.4%尿素181.5 kg/hm2、12%过磷酸钙500 kg/hm2、60%氯化钾72 kg/hm2；追肥：越冬期3.75 kg/hm2基酸水溶肥或黄腐酸水溶肥，返青期3.75 kg/hm2大量元素水溶肥，拔节期3.75 kg/hm2高氮大量元素水溶肥，孕穗期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或大量元素水溶肥，灌浆期1.5～2.25 kg/hm2磷酸二氢钾。

处理E和处理F施肥基肥总量分别为处理C的70%和50%，追肥方式及用量同处理D。

处理G、H、I的施肥方式为碳基复混肥+水溶肥追肥，施肥基肥总量分别为处理C的80%、70%、50%，追肥方式及用量同处理D。

(2)水稻季：

处理A：不施肥料。

处理B：基肥+常规追肥。基肥：15-15-15复合肥750 kg/hm2。追肥：拔节期1次，追施46.4%尿素114 kg/hm2。

处理C：基肥施用当地专用配方肥，追肥量与追肥方式按照当地习惯；基肥：按46.4%尿素227 kg/hm2、12%过磷酸钙626 kg/hm2、60%氯化钾90 kg/hm2。追肥：在越冬期和拔节期分2次施肥，施肥方式为撒施，每次施肥量为46.4%尿素114 kg/hm2、60%氯化钾30 kg/hm2。

处理D：基肥：按照当地专用配方肥施用量的80%。追肥：返青期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或黄腐酸水溶肥，分蘖期3.75 kg/hm2大量元素水溶肥，拔节期3.75 kg/hm2高钾大量元素水溶肥或磷酸二氢钾，孕穗期3.75 kg/hm2氨基酸水溶肥或大量元素水溶肥，抽穗期1.50～2.25 kg/hm2磷酸二氢钾，开花期3 kg/hm2大量元素水溶肥；

处理E和处理F的施肥方式都为配方施肥+水溶肥追肥，施肥基肥总量分别为处理C的70%、50%，追肥同处理D。

处理G、H、I的施肥方式为碳基复混肥(有机无机复混肥)+水溶肥追肥，施肥基肥总量分别为处理C的80%、70%、50%，追肥同处理D。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 千粒重和产量 在小麦水稻成熟期分区随机选取部分样品，在实验室烘干至恒重称量其不同处理的千粒重。在成熟期收获全部作物，自然风干后测量其产量。

1.3.2 植株样品测定 样品预处理：先用浓硫酸消煮植物样品，然后加入H2O2加速氧化过程，使得有机氮转化为NH4+-N，各种形态的磷、钾也释放出来，制得的待测液，可供N、P、K等元素的测定。全氮采用开氏法，全磷用钼锑抗比色法,全钾用火焰光度计法测定。

1.3.3 产投比 产投比=收入/肥料成本。

1.4 数据处理

采用Excel 2019和SPSS 20.0统计软件对数据进行分析处理，并用Duncan氏法在0.05显著水平上进行样本平均数的差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 水肥一体化下化肥减量对作物产量的影响

小麦产量随化肥减量变化见图1。处理A的产量与其他处理之间的产量存在显著差别，产量明显低于其他处理。处理B、C、D、E、F、G、H、I的产量较A分别提高了341.4%、348.1%、286.3%、231.8%、227.8%、351%、307.5%、230.6%。处理B的产量显著高于处理A，B与C、G的产量无明显差异，与E、F、H、I的产量差异显著。处理D较C的产量显著下降，E与D的产量相比也显著下降，但F的产量较E无显著变化。处理G、H、I的产量逐渐递减。结果表明：施用有机无机肥减量20%处理的产量最高，配方施肥减量处理的产量降低，但减量70%与50%差异不明显。有机无机肥减量70%和50%的产量明显降低。

图1 不同处理间的小麦产量

水稻产量随化肥减量变化见图2。处理A的产量显著低于其他处理。处理B、C、D、E的产量无显著差异。相较于C处理,处理D、E、F的产量分别降低0.7%、3.5%、10%，处理E和F差异显著。处理G、H、I的产量逐渐降低，但处理H和I之间的产量降低不明显。相较于处理G,处理H和I的产量分别降低10.8%、12.6%。结果表明，施用有机无机肥减量20%(处理G)的产量最高，配方施肥减量处理的产量也降低，但降低80%和70%处理的产量差异不显著。产量与有机无机肥施入量的处理呈正相关。

图2 不同处理间的水稻产量

2.2 水肥一体化下化肥减量对作物籽粒千粒重的影响

小麦千粒重随化肥减量变化见图3。处理A的千粒重最低，处理A、B、C之间的千粒重差异显著。化肥减量后，处理D、E、F的千粒重与处理C相比，分别降低4.4%、11.0%、12.2%。处理G、H、I之间的千粒重差异不显著，但随有机无机肥使用量减少，其千粒重也逐渐降低。由此可知，小麦千粒重与施肥量大体呈正相关。

图3 不同处理间的小麦千粒重

水稻千粒重随化肥减量变化见图4。处理A、D、E、F、G、H、I之间千粒重差异不显著，但它们与处理C、B之间差异显著，处理B、C之间的千粒重差异不显著。由此可知，减少化肥用量在一定程度上反而提高了水稻千粒重。

图4 不同处理间的水稻千粒重

2.3 水肥一体化下化肥减量对植株体内氮磷钾含量的影响

小麦水稻氮磷钾含量见表1、表2所示。小麦秸秆和籽粒全氮含量在不同处理间具有显著差异。小麦秸秆全氮含量中处理B与其他处理全氮含量均具有显著差异性，含氮量均显著高于其他处理。处理C与处理A之间全氮含量接近，不具有明显差异性，但其他处理的全氮含量显著低于处理C。处理A、D、E、F、G、H、I之间的全氮含量无显著差异。小麦籽粒的全氮含量中，处理B和C的全氮含量显著高于其他处理，处理A、D、E、F、G、H、I之间的全氮量接近。水稻秸秆和籽粒的全氮含量也存在显著性差异。水稻秸秆的全氮含量中，C与B的全氮含量显著高于其他处理。处理B与D、E、F、G差异性不显著，A、I、H之间的含氮量接近。水稻籽粒的全氮含量趋势与水稻秸秆的全氮含量类似，B、C的全氮量最高，且与其他处理有显著性差异，处理A的含氮量最低。

表1 小麦植株N、P、K含量 %

表2 水稻植株N、P、K含量 %

小麦和水稻秸秆全磷和籽粒全磷检测中，含量均无明显差异，结果表明：水肥一体化下化肥减量处理对作物体内全磷含量几乎没有影响。

不同处理之间水稻秸秆和籽粒，以及小麦籽粒中全钾含量无显著性差异，但小麦秸秆的全钾在不同处理之间有显著差异性，处理B、C的全钾含量显著高于其他处理，处理A、D、E、F、G、H、I之间的全钾含量无显著性差异。

2.4 水肥一体化下化肥减量经济效益分析

按照尿素2500元/t，45复合肥4000元/t，过磷酸钙2100元/t，氯化钾3600元/t，水稻配方肥(18-12-15)3500元/t，有机无机肥2300元/t，磷酸二氢钾22.5元/kg，大量元素水溶肥13元/kg，氨基酸水溶肥7.5元/kg。稻谷按市场价1.55元/kg，小麦按市场价1.2元/kg。

小麦经济效益如表3所示，处理A的小麦总收入最低，显著低于其他处理。G的总收入最高，与处理B、C无显著差异，但与其他处理存在显著差异，处理D、E、F的总收入因化肥减量而存在下降的趋势，同时，处理G、H、I之间的总收入也同样明显下降。在减去化肥投入，分析处理之间效益变化趋势，处理A的效益显著低于其他处理，处理G的效益最高与其他处理存在显著差异。相较于处理C,化肥减量80%的处理D和处理G，效益反而增加。常规施肥(处理B)和配方施肥(处理C)产投比最低，处理F产投比最高。处理D、E、F之间的效益虽然随化肥用量降低而降低，但产投比反而增加，处理G、H、I也有同样变化趋势。由此可见，适量减少化肥投入资金反而会获得更大的效益。

表3 化肥减量条件下小麦经济效益分析

水稻经济效益如表4所示，处理A的总收入显著低于其他处理。处理G总收入最高，与处理B、C、D不存在显著性差异，总体来说化肥减量处理D、E、F之间总收入降低，处理G、H、I也表现降低趋势。处理B的总收入最高，处理B、C、D、E、G之间无显著性差异，表明在配方施肥中化肥减量没有对经济效益造成显著影响。配方施肥减量(处理D、E、F)和有机无机肥减量(处理G、H、I)之间的效益随化肥用量的减少而大体呈现减少趋势，而产投比却趋势相反，在处理D、E、F中产投比与化肥用量呈负相关，处理G、H、I结果类似，其中处理F的产投比最高。

表4 化肥减量条件下水稻经济效益分析

3 结论与讨论

3.1 水肥一体化下化肥减量对作物产量和籽粒千粒重的影响

作物干物质积累是在养分吸收的基础上完成的，只有干物质和养分积累，作物器官才能分化，形成产量[13]。所以当土壤中养分不足以支撑作物生长时，必须依靠外力即人工施肥来保证作物正常生长发育，但是并非施肥越多，植物生长越好。雷钧杰等[14]试验表明，增施氮肥可以提高小麦体内干物质积累，增加产量，但是当施氮量过量时，产量反而会降低。郭丽等[1]的试验结论也验证了这一结论。对于小麦籽粒而言，适量施氮可以促进花后非结构性碳水化合物积累，为籽粒形成提供帮助，但过量施氮则效果相反[15]。关于化肥减量施用后对作物的影响研究报道较多，但更多的是在化肥减量的同时，再配施有机肥或生物肥的基础上研究其对作物的影响[16-20]。而本研究只研究化肥减量对作物的影响，结果表明，在增加施肥量时，小麦和水稻的产量都有明显提高，当化肥减量施用时，产量则呈下降趋势。但化肥减量20%，比不减量处理的产量略微增加。虽然在赵亚南等[21]研究中发现减量施肥没有对小麦产量造成显著影响，但显著提高了理论最大千粒重。这与本研究的结论略有出入，原因可能在于轮作作物不同，同时本研究是在水肥一体化条件下进行，这可能会对试验结果造成不同。

3.2 水肥一体化下化肥减量对植株体内氮磷钾含量的影响

郝科星等[22]在研究玉米和谷子轮作，氮磷钾使用对谷子产量品质的影响时表明氮肥是提高作物产量的决定性因素，磷肥和钾肥影响效果不如氮肥。小麦和水稻在氮素减量后，不可食部分氮磷钾的吸收量、可食部分氮的吸收量以及全株氮和钾的吸收量减小，增加了氮肥农学利用率和磷肥利用率[23-24]。本研究数据显示，在减量施肥条件下，作物体内磷钾含量无明显变化趋势，小麦水稻籽粒在化肥减量后，体内全氮含量不同程度的减少。

3.3 水肥一体化下化肥减量的经济效益分析

在玉米的种植中，滴灌化肥在减量40%基础上再添加适量有机肥，可提高玉米产量，提高净收益，且增大产投比[25]。在本研究中，对于小麦的D与G处理，虽然同样是化肥减量20%，但G处理施用叶面肥显著提高了小麦的总收入，增加小麦的效益，但因叶面肥价格比普通肥料价格稍高，故G处理的产投比较D处理低。但水肥一体化具有水肥利用效率高、农田和地下水污染少、节省劳力等优势，有利于农业的可持续发展现阶段[26]。故对于小麦，在不影响效益的前提下，采用水肥一体化的同时将化肥减量20%对于小麦种植最有利。对水稻而言，采用水肥一体化并不能显著提高其收入和效益，反而会降低产投比，但E处理在化肥减量30%时，产量并没有降低，显著增加了产投比。