减氮配施有机物质对麦田土壤性质和小麦产量的影响

李 皓，甄怡铭，张子旋，王艳群，付 帅，刘晓明，甄文超，门明新，彭正萍，

(1.河北农业大学资源与环境科学学院，河北省农田生态环境重点实验室，河北 保定 071001；2.华北作物改良与调控国家重点实验室，河北 保定 071001)

氮肥是作物生长所需氮素的重要来源，合理的氮肥施用是作物获得较高目标产量的关键。过量施用氮肥不仅造成浪费，也造成农业面源污染。农业污染源是总氮、总磷的主要来源，其排放量分别占排放总量的57.2%和67.4%。华北平原作为我国重要的农业生产基地之一，小麦播种面积占全国51%，却提供了超过58%的小麦产量。在实际生产中过度施用化肥虽然使个别地方作物产量增加，但增产潜力仍未充分发挥，氮肥投入增加、氮盈余较高、氮素利用效率低，养分投入不平衡，土壤性质遭受破坏等问题尤为突出。因此，对华北平原区进行科学合理氮肥施用方式的探索具有重要意义。

代新俊等研究发现，硝态氮肥和酰胺态氮肥的作物产量间没有显著差异，但酰胺态氮的氮素吸收效率和氮素生产效率较高。铵态氮肥处理的小麦产量和品质最差，酰胺态氮肥有利于改善籽粒蛋白质及面筋含量。追氮75～135 kg/hm时，随施氮量增加，强筋和中筋小麦产量及蛋白质产量均显著提高，各品种籽粒蛋白质及其组分含量、湿面筋、吸水率、面团形成时间和稳定时间均显著提高。杨明晓等报道，孕穗期追氮较其他时期(抽穗期、开花期)追氮可提高小麦籽粒产量、加工品质及地上部氮素吸收，同时优化籽粒蛋白质组成。有资料报道，作物产量随施氮量增加呈先增后降趋势，作物当季氮肥利用率随施氮量增加而降低。刘瑞等研究指出，随氮肥用量提高，土壤剖面NO—N累积量明显增加，其向土壤下层淋溶也趋于严重；当施氮量为180～240 kg/hm时，部分试验点的土壤氮素出现盈余；施氮量为270～360 kg/hm时所有试验点土壤氮素均明显盈余。对于氮肥不同施用方式的研究已有报道，袁浩等研究发现，在轻壤质土壤上推荐氮肥基追比4∶6小麦产量、水分利用和氮肥生产效率均高于其他氮肥基追比处理；曹宏磊等研究发现，氮肥减量25%和添加生物炭在潮土和砂浆黑土上均在保证夏玉米产量的同时显著减少NO—N淋溶。

目前华北平原麦区关于氮肥科学合理施用的研究主要集中在无机氮肥品种、氮肥施用时期、氮肥施用方式和氮肥施用量对麦田土壤理化性质的研究，关于有机物质与氮肥合理配施在不降低作物产量基础上还能改善土壤理化和生物学性质的研究尚少。因此，本文针对华北平原区施氮量大、氮肥利用率低、施氮模式单一等问题，研究在农民习惯施氮肥基础上减氮配施生物有机肥、生物炭等有机物质对生长期间土壤容重、有机质、NO—N、土壤微生物多样性、小麦产量和氮素利用的影响，研究结果为华北地区小麦种植中合理施用氮肥、稳步提升小麦产量、培育土壤、提升土壤可持续利用能力等提供重要科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019年10月至翌年6月在河北省邢台市宁晋县贾家口镇白木村进行。研究地属温带大陆性气候，年平均气温12.8 ℃，无霜期198天，年均日照时间2 538.1 h，年均降水量449.1 mm。供试土壤属轻壤质潮褐土，土壤基础理化性状见表1。供试小麦为“济麦22”，供试肥料为控释尿素(44%N)、过磷酸钙(16% PO)、磷酸二铵(15%N、42% PO)、氯化钾(60% KO)。生物有机肥(有益菌≥0.2亿个/g，有机质≥40%)、生物炭(果木枝条炭化厌氧条件下600 ℃高温热解，全碳含量60.2%，全氮含量6.8 g/kg，全磷含量0.93 g/kg，全钾含量10.4 g/kg)。

表1 供试土壤基础理化性状

1.2 试验设计

试验设5个处理，分别为不施氮肥(CK)、农民习惯施氮肥(FN)、减氮20%(80%FN)、减氮20%+生物有机肥(80%FN+OM)、减氮20%+生物炭(80%FN+BC)。肥料用量：FN为N 300 kg/hm，其他施氮肥处理的纯N用量为FN减氮20%(240 kg/hm)，各处理均施用相同数量的PO135 kg/hm和KO 105 kg/hm，80%FN+OM的生物有机肥用量为450 kg/hm，80%FN+BC的生物炭用量为3 000 kg/hm；各施氮肥处理的氮肥基追比为4∶6。各处理40%氮肥和全部磷、钾肥、有机肥和生物炭按照试验方案设计用量撒施地表，使用旋耕机耕翻土壤深度为20 cm左右，剩余60%氮肥于拔节期追施。具体各处理施肥情况见表2。每个处理重复3次，随机排列，共15个小区，面积为48 m(6 m×8 m)。小麦于2019年10月11日采用15 cm等行距播种，播种量225 kg/hm，其他管理措施同农户常规管理，2020年6月5日收获。

表2 试验处理及其施肥情况

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤样品采集与测定 分别在小麦生长的挑旗、灌浆(花后15天)和成熟期采集土样，使用环刀法测定0—20，20—40 cm土壤容重。取0—100 cm土样，每20 cm一层，鲜土采用1 mol/L的KCl溶液浸提，用SmartChem 200全自动化学分析仪测定NO—N含量。取0—40 cm土样风干后过1 mm筛，使用外加热重铬酸钾容量法测定土壤有机质。灌浆期采集0—20 cm新鲜土壤，委托北京百迈客生物科技有限公司进行微生物多样性分析，基于IlluminaMiseq测序平台，采用双末端测序法(Paired-End)对细菌的16S rDNA基因的V3—V4区进行扩增及测序。

1.3.2 产量测定和氮肥农学效率计算 在小麦成熟期，每处理选取3组，每组割取2 m×6行小麦，将其全部脱粒，测定籽粒重及其含水量，按面积折算为含水量12.5%的小麦籽粒产量。

氮肥农学效率(kg/kg)=(施氮区小麦产量-无氮区小麦产量)/氮肥施用量(kg/hm)

1.4 数据处理

数据处理与分析用Excel 2010软件进行数据计算和相关表格绘制，SPSS 21.0软件进行相关统计分析，Origin 9.0软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 减氮配施有机物质对土壤容重的影响

从图1可以看出，随着小麦生育期的推进，各处理土壤容重逐渐降低。0—20 cm，挑旗期各施氮处理中，80%FN的土壤容重最高，较其他处理提升1.72%～4.43%；灌浆期80%FN+OM的土壤容重下降幅度最大，分别较FN和80%FN下降1.49%和2.64%；成熟期80%FN+BC的容重最低，为1.46 g/cm，较其他施氮处理下降0.02～0.07 g/cm，80%FN+OM、80%FN+BC的土壤容重较80%FN下降3.83%～4.58%。20—40 cm土层，挑旗期80%FN土壤容重显著高于80%FN+OM和80%FN+BC 4.19%和3.99%，但与FN差异不显著；灌浆期各施氮处理土壤容重差异不显著；成熟期80%FN+OM和80%FN+BC的土壤容重与FN相比分别下降2.39%和4.66%，与80%FN相比分别下降2.96%和5.34%。表明减氮配施有机物料能够在降低氮肥用量的同时降低土壤容重，有利于改善土壤结构，增加土壤内空气和水分的流通，同时在小麦关键生长时期，土壤容重0—20 cm均低于20—40 cm，这也有利于小麦前期的生长发育和后期土壤养分供应。

注：图中不同字母表示同一生长期不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 减氮配施有机物质对土壤有机质含量的影响

土壤有机质是土壤肥力的重要指标之一，由图2可知，在小麦关键生长时期，各施氮处理的土壤有机质含量均高于CK。挑旗期0—20 cm，80%FN+OM和80%FN+BC土壤有机质显著提高，较80%FN分别提升13.63%和10.54%，较FN分别提升4.39%和7.31%；20—40 cm，80%FN+OM的土壤有机质含量最高为15.58 g/kg，较其他施氮处理提升14.83%～28.42%；灌浆期各处理间土壤有机质变化与挑旗期相似；成熟期0—20 cm，土壤有机质含量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN>CK，80%FN+OM的土壤有机质含量较其他施氮处理提升2.13%～13.56%，与FN和80%FN间差异显著；20—40 cm，与FN相比，80%FN土壤有机质含量下降7.96%，而80%FN+OM和80%FN+BC分别提升9.35%和1.68%，80%FN+OM处理较其他施氮处理提升7.54%～18.81%。表明减少氮肥施用同时配施有机物质能够提升土壤有机质含量，但生物有机肥提升效果更明显。在全生育期内，80%FN的土壤有机质显著低于FN。

图2 减氮配施有机物质对小麦生长关键时期不同土层有机质含量的影响

2.3 减氮配施有机物质对土壤NO3--N含量的影响

从图3可以看出，施用氮肥可有效增加土壤无机氮含量。挑旗期除FN外，其他施肥处理的土壤NO—N含量均先增再减，只有FN处理在0—80 cm内土壤NO—N不断增加，说明该处理氮素由表层向下淋失。0—40 cm的80%FN+OM和80%FN+BC处理土壤NO—N较高，分别较80%FN处理在0—20，20—40 cm显著提升52.70%～59.68%和40.10%～42.39%。灌浆期0—80 cm的土壤NO—N均以80%FN+OM处理较高，FN的土壤NO—N明显降低1.99～18.37 mg/kg，表明80%FN+BC处理显著提高土壤对NO—N的固持。成熟期各处理相比于灌浆期土壤NO—N含量降低，但FN各土层NO—N含量仍高于其他处理，尤其在20—40 cm较其他施氮肥处理高出7.88～14.13 mg/kg。表明在小麦成熟后，FN处理的土壤NO—N残留仍较多。

图3 减氮配施有机物质对土壤NO3-—N含量动态变化的影响

2.4 减氮配施有机物质对土壤微生物多样性的影响

从表3可以看出，FN、80%FN、80%FN+OM、80%FN+BC的Alpha分析覆盖率均高于99%，80%FN的OUT数量最低。以Chao1和ACE指数衡量物种丰度，Shannon和Simpson指数衡量物种多样性。对各施氮肥处理进行细菌Alpha多样性统计分析，4个指标均以80%FN最低。Chao1指数和Ace指数，FN显著高于80%FN，但与80%FN+OM、80%FN+BC间差异不显著；80%FN+OM、80%FN+BC较80%FN分别增加1.27%～2.04%和1.46%～2.33%。80%FN+OM、80%FN+BC的Shannon和Simpson指数均显著大于80%FN处理，表明配施生物有机肥和生物炭能提升土壤微生物丰度和多样性。

表3 土壤细菌群落Alpha多样性指数

由图4可知，各处理土壤的优势菌门种类均相同，其中变形菌门(Proteobacteria)所占比例最大，为33%以上，且处理间差异较小。其余依次为酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)等。土壤优势菌门种类没有因施肥方式的改变而发生改变，但各菌群的丰度受到明显影响，80%FN处理的土壤微生物均匀度较差，超过80%的微生物由变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门组成，不利于微生物环境的稳定。与80%FN相比，80%FN+OM、80%FN+BC处理的酸杆菌门分别降低44.82%和47.56%，芽单胞菌门分别降低43.50%和50.39%，而其他优势菌门的均匀度得到提高，从而提高土壤微生物环境的稳定性。与FN相比，80%FN的微生物均匀度下降，但80%FN+OM、80%FN+BC处理的均匀度有所提升，表明单纯减少氮肥施用对微生物环境不利，同时配施生物有机肥和生物炭等有机物料则可以避免破坏微生物环境，提高土壤的微生物多样性。

图4 减氮配施有机物质对土壤细菌群落组成及丰度的影响

2.5 减氮配施有机物质对小麦产量和氮肥农学效率的影响

从表4可以看出，各施氮处理间FN的有效穗数最高，较其他处理提升0.23%～4.30%；80%FN+BC的千粒重最高，较其他处理提升0.15%～2.45%，但二者差异均不显著。80%FN+OM的穗粒数、产量和农学效率均为最高，分别较其他施氮肥处理提升1.48%～9.23%，1.09%～7.34%和2.78%～41.49%。表明减氮配施有机物质显著提高小麦产量及其构成指标，提高氮素农学效率。80%FN虽然产量略低于FN，但氮肥农学效率有所提升，说明过量施用氮肥对产量没有明显的作用，同时还会造成氮素浪费。

表4 小麦产量性状及氮肥农学效率

3 讨 论

在小麦各生长关键期，80%FN+OM和80%FN+BC土壤容重均显著降低，80%FN与FN比土壤容重略有增加。成熟期，0—40 cm的土壤容重均以80%FN+BC最低，较其他施氮肥处理降低0.78%～5.07%(图1)，这与黄寅玲等报道的不施用氮肥和施用70%氮肥会导致土壤容重提升，施用85%和95%氮肥会降低土壤容重的趋势一致。生物炭是一种高度芳香化且具有丰富碳源，有极强的稳定性和抗生物化学降解能力，还田后快速提高土壤有机碳。陈心想等报道，施用生物炭显著增加土壤有机碳，其增幅随生物炭用量增加而增加。生物有机肥部分替代化肥也会显著提高土壤有机质。本试验中，80%FN+OM处理在各关键期的土壤有机质均最高，挑旗期较其他施氮肥处理在0—20，20—40 cm分别增加2.79%～13.63%和14.83%～28.42%(图2)。这是由于该处理施用450 kg/hm生物有机肥，其本身含有40%以上的有机质，其次包含有益菌0.2亿个/g以上，菌剂施入土壤后大量繁殖微生物，活化土壤养分，优化土壤碳氮平衡，也可以提高土壤有机质含量。全生育期内，与FN比较，80%FN的土壤有机质显著减少，Chao1、ACE、Shannon和Simpson指数也比较低，这是由于该处理施氮量较少，影响土壤碳氮比例，减弱土壤中微生物的繁殖和发育，降低前茬玉米秸秆腐熟程度，从而导致土壤有机质含量降低。所有处理的20—40 cm土壤容重与有机质有显著线性负相关(>0.731)，即土壤有机质增加，土壤容重呈降低趋势。

翁玲云等报道土壤NO—N累积量随施氮量增加而上升。本试验表明，各施氮处理土壤NO—N含量随作物生育期延长，土壤NO—N含量逐渐减少，垂直方向上随土壤深度增加NO—N含量呈先升再降趋势。挑旗期，0—40 cm土层，80%FN+OM和80%FN+BC处理的土壤NO—N含量较高，显著高于80%FN和FN处理，这有利于小麦吸收养分和根系生长发育；FN处理施氮量较大，导致氮素淋失严重，60—100 cm土壤硝态氮含量均最高。灌浆期0—80 cm土层均以80%FN+BC处理的土壤NO—N较优，生物炭具有较大的比表面积，能更好地吸附固持土壤养分，从而提高土壤硝态氮含量。由于小麦生长过程中的养分吸收，成熟期各处理土壤硝态氮含量大幅度减少，但FN由于施氮量较大，此期氮素盈余较多(图3)。

Chen等使用qPCR、T-RFLP以及DGGE技术研究发现，生物炭可降低土壤中真菌丰度，而增加细菌丰度；夏雪等研究表明，施用氮肥提高土壤微生物群落碳源利用率、微生物群落的丰富度和功能多样性，中量氮肥120 kg/hm施入土壤后土壤微生物群落丰度和Shannon指数最高。本研究表明，纯N用量为240 kg/hm时，配施有机物料显著提升细菌Alpha多样性，提升有益菌门相对丰度，使优势菌门均匀度提高，从而使土壤微生物环境更稳定(表3)，这与黄媛媛等报道的生物有机肥和化肥合理配施有效促进土壤中不同类型微生物生长，提升土壤微生物丰富度和多样性的结果一致。本文通过配施生物有机肥和生物炭等有机物料的方式代替单纯增施化肥，提高土壤优势菌门的均匀度和微生物多样性(图4)。

彭正萍等研究发现，与农民习惯施氮量比，适当减少氮肥施用量不会影响作物产量和氮素吸收量，而氮素利用率、氮肥生产效率、氮肥农学效率均得到提高；裴雪霞等研究表明，与单施化肥相比，增施猪粪减施化肥2年度平均增产1.9%～16.5%。证实小麦产量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN，80%FN+OM较FN、80%FN分别提升4.81%和7.34%，但80%FN与FN之间产量相差不显著，前者较后者提高氮肥农学效率(表4)，表明适量减少氮肥施用的同时配施有机物质能够提升小麦产量和氮肥利用效率。通过土壤性质与小麦产量间的相关性分析表明，小麦产量与土壤容重呈显著负相关(=0.778)，与土壤有机质呈极显著正相关(=0.899)。

4 结 论

FN处理增加了小麦有效穗数，但对于产量提升的效果不明显，且导致土壤NO—N淋溶增加和氮素利用率降低，不利于土壤持续利用。与FN相比，80%FN+OM和80%FN+BC均能降低土壤容重，提升土壤NO—N、有机质含量以及小麦产量，同时提高土壤微生物多样性，而80%FN处理的小麦产量呈降低趋势。综合分析，80%FN+OM能够降低土壤容重，提升土壤有机质和NO—N含量，同时增产效果最为明显。因此，适量减氮配施生物有机肥是能够在保障小麦产量的同时，提高土壤肥力的科学、绿色生态的氮肥施用模式。