有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆氮素利用率及产量的影响

黄 凯 邢雅玲 贺永斌 李鹏程 李 晶

（定西市农业科学研究院 甘肃定西 743000）

氮是植物生长发育所必需的大量营养元素之一,同时也是植物细胞原生质的重要组成成分,是组成氨基酸、蛋白质的必需化学元素,是核酸、叶绿素及多种酶、维生素、植物激素的组成成分，对植物生命活动起重要的调节作用[1]。试验证明，氮素对作物增产具有显著的效果，人们为了追求高产和高收入，不断加大氮肥的施用量，引起资源的过度消耗和环境污染。间作具有较高的资源利用效率，但比较耗水，在小麦间作玉米的研究中，每公顷可增产3.75 t[2]，玉米间作大豆的研究中，玉米具有较高的吸氮量[3]。因此，研究禾豆间作中氮肥供应和提高氮素利用率具有重要意义。相关研究表明，合理的间套作可以增产30%～50%。甘肃沿黄灌区小麦玉米间作籽粒产量分别比单作小麦、玉米提高16.97%和12.11%[4]。施肥后即进行适宜灌溉或雨前表施可提高氮素利用率。旱地小麦田中将含水量调整为促进作物生长与减少氮淋溶的适宜范围可明显提高氮素利用率。有机肥与无机肥配施、氮肥与磷、钾肥等配施均可提高氮素利用率[5]。朱兆良等的研究认为,肥料的适当深施,特别是粒肥深施,是目前减少氮素损失、提高氮素利用率最有效且较稳定的一种方法[6]。另外,叶面肥的使用作为辅助手段对提高氮素利用率也有效果。有关研究表明,氮肥增效剂如脲酶抑制剂（UI）、硝化抑制剂（NI）等调节了氮肥形态的转化从而提高了氮素利用率[7]。虽然我国在氮素利用率和多熟种植方面取得了很好的成绩[8]，但是，用有机肥代替部分化肥进行合理的间、套、轮作等措施提高氮素利用率的研究还鲜有报道。豆科与禾本科间作，豆科植物能够利用根瘤菌固定大气中的氮，豆科植物还能向禾本科植物转移氮，禾本科作物则通过竞争吸收土壤有效氮，使其维持在一个相对较低的水平，减轻豆科植物的“氮阻遏”，促进豆科作物的固氮[9]。豆科与禾本科间作，可以减少化肥氮的施入，既节省成本又减少了氮的消耗。本研究通过调整有机肥替代部分化肥的试验，探索有机肥替代化肥量的不同程度对冬小麦间作豌豆氮素利用率及产量的影响，确定高氮利用机制，探讨一种冬小麦间作豌豆种植中有机肥与化肥的最优配置方式，以提高作物产量。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年9月至2021年7月在定西市农业科学研究院试验基地进行。当地海拔1 920 m，年均气温6.4℃，大于10℃积温为2 239.1℃，年降雨量400 mm左右，年蒸发量为1 531 mm。土壤类型为黄绵土，土层深厚，肥力均匀，贮水性能良好，土壤肥力中等。播前耕作层土壤有机质含量为17.30 g/kg，含水量15.8%，水解氮、速效磷、速效钾含量分别为85.20 mg/kg、44.65 mg/kg和248.60 mg/kg。

1.2 试验材料

试验选用的冬小麦品种为陇中5号，其生育期为272～280 d，属中晚熟品种；豌豆为定豌8号，其生育期100～110 d，为中晚熟品种，有抗旱、抗倒伏、抗根腐病的特点。化肥为尿素和过磷酸钙。有机肥为甘肃绿能公司瑞奇有限公司生产的绿能有机肥，为黑褐色颗粒状，有机质含量≥30%，N+P2O5+K2O≥4%，腐植酸含量≥15%，有效活菌总数≥0.5×108个/g。

1.3 试验设计

本试验采用带状种植，总带宽240 cm，冬小麦带宽110 cm，豌豆带宽100 cm，冬小麦边行与豌豆边行的间距为30 cm。冬小麦于2020年9月22日播种，密度为375万株/hm2，用3行播种机露地种植6行，行距22 cm；豌豆采用露地沟播，3月25日播种，行距为20 cm，种植6行，播种量为225 kg/hm2，每小区种植2个间作单元。试验采用两因素随机区组设计，施用常规化肥量为因素A，设置3个水平：A1为当地高产栽培施肥量（N 240 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 210 kg/hm2），A2、A3的氮素养分分别在A1基础上减量15%和30%，磷肥、钾肥用量同A1。生物有机肥施用量为因素B，设2个水平，B1：配施生物有机肥600 kg/hm2，B2：配施生物有机物为0。以不施氮为对照1（CK1），不施肥为对照2（CK2）。小区面积为38.4 m2（4.8 m×8.0 m）。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 生长指标的测定各生育期冬小麦每小区随机取20株，豌豆每小区随机取20株，测定各生育期株高和叶面积。株高用米尺进行测定，冬小麦叶面积采用长宽系数法测定，豌豆叶面积采用称量法测定。

1.4.2 干物质的测定各生育期冬小麦每小区随机取20株，豌豆每小区随机取20株，在105℃烘箱中烘15～30 min杀青，再在80℃恒温下继续烘干12 h，直到恒重，用电子天平称量，测定其干物重。

1.4.3 植株养分的测定各生育期冬小麦每小区随机取20株，豌豆每小区随机取20株，用H2SO4-H2O进行消煮，凯式定氮法测定其氮含量。

1.4.4 土壤养分的测定土壤有机质用重铬酸钾容量法测定；土壤全氮用半微量凯氏法测定；土壤全磷用酸溶法测定；速效氮用1 mol/L的KCl提取，用德国产（AA3）连续流动分析仪测定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3提取，钼锑钪法测定；速效钾用1 mol/L NH4OAc提取，火焰光度法测定。

1.4.5 产量的测定在作物完全成熟时，豌豆每个小区随机取30株考种，测定株高、分枝数、单株荚数、每荚粒数、百粒重、生物量等；冬小麦每个小区随机选取30株考种，测定株高、穗长、穗粒数、千粒重、容重等。收获时每个小区两作物全打全收进行计产。

1.5 相关指标的计算

作物吸氮量=∑作物各器官干物质重×该器官氮含量。

氮素利用率（NUE）=（作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量）/施氮量×100%[11-12]。

1.6 数据处理方法

采用Excel 2013软件进行数据整理和作图,并使用SPSS统计软件对各处理数据进行方差分析和最小显著性检验（LSR法）。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆植株吸氮量的影响

由图1可知，在配施有机肥的情况下，不同化肥施用量的冬小麦处理在整个生育期植株吸氮量表现为A1>A2>A3，在冬小麦苗期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了4.9%和9.4%；在冬小麦拔节期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了5.3%和14.0%；在冬小麦开花期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了3.9%和4.9%；在冬小麦灌浆期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了7.4%和9.9%；在冬小麦成熟期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了5.7%和11.1%。在不配施有机肥的情况下，不同化肥施用量的冬小麦处理在整个生育期植株吸氮量表现为A1>A2>A3,在冬小麦灌浆期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了7.2%和10.6%；在冬小麦成熟期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了3.6%和13.28%。在相同化肥施用量的情况下，是否配施有机肥的不同处理植株吸氮量表现为B1>B2，处理间差异显著，表明配施有机肥可以提高冬小麦吸氮量。

图1 不同处理对各生育期冬小麦吸氮量的影响

由图2可知，在配施有机肥的情况下，不同化肥施用量的豌豆处理在整个生育期植株吸氮量表现为A1>A2>A3，在豌豆苗期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了6.3%和8.6%；在豌豆分枝期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了7.7%和12.0%；在豌豆结荚期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了2.3%和3.4%；在豌豆成熟期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了4.4%和15.2%。在不配施有机肥的情况下，不同化肥施用量的豌豆处理在整个生育期植株吸氮量表现为A1>A2>A3,在豌豆苗期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了2.7%和4.8%；在豌豆结荚期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了1.3%和3.5%；在豌豆成熟期，A1的植株吸氮量分别比A2和A3提高了0.9%和12.23%。在相同化肥施用量的情况下，是否配施有机肥的不同处理植株吸氮量表现为B1>B2，处理间差异显著，表明配施有机肥可以提高豌豆吸氮量。

图2 不同处理对各生育期豌豆吸氮量的影响

2.2 有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆植株氮素利用率的影响

由表1可知，在配施有机肥的条件下，不同常规化肥施用量处理的复合群体对氮素利用率表现为A3>A2>A1，A3较A1提高了12.98%，处理之间差异显著，A2较A1提高了2.33%；豌豆对氮素利用率表现为A2>A3>A1，处理间差异不显著，A2较A3提高4.16%，A2较A1提高了7.07%；冬小麦对氮素利用率表现为A3>A2>A1，A3较A1、A2处理差异显著，A3较A1提高17.36%，A3较A2提高了10.37%。在不配施有机肥的条件下，不同常规化肥施用量处理的复合群体对氮素利用率表现为A2>A3>A1，A3比A1提高了11.31%，A2比A1提高了12.36%，A1与A2、A3处理间差异显著；豌豆对氮素利用率表现为A2>A3>A1，各处理间差异显著，A2较A3提高了6.85%，A2较A1提高了15.49%；冬小麦对氮素利用率表现为A3>A2>A1，A3与A2处理间差异不显著，与A1存在显著差异，A3较A2提高了1.52%，A3较A1提高了11.77%，A2较A1提高了10.10%。在配施不同量常规化肥的条件下，复合群体和冬小麦、豌豆各对氮素利用率均表现为B1>B2，即对复合群体施用生物有机肥能够提高作物对氮素利用率。

表1 不同处理对冬小麦间作豌豆氮素利用率的影响

2.3 有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆产量及产量构成的影响

2.3.1 有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆产量的影响由表2可知，在配施有机肥的条件下，不同处理的冬小麦和豌豆经济产量及生物产量均表现为A1>A2>A3。A1与A2相比，冬小麦的经济产量和生物产量之间均存在显著差异，分别增产6.65%和7.32%，豌豆经济产量和生物产量之间差异不显著差。A2与A3相比，冬小麦经济产量之间存在显著差异，增产7.67%，生物产量间差异不显著，豌豆经济产量和生物产量间均存在显著性差异，分别增产11.40%和11.03%。A1B1处理与常规施肥（A1B2）相比，冬小麦和豌豆产量分别增产3.69%和12.71%。在相同的常规化肥水平下，配施有机肥的处理冬小麦和豌豆的经济产量及生物产量均大于不配施有机肥处理的产量。A1B1的豌豆和冬小麦的经济产量和生物产量均为最高，并且与其他处理差异显著，与常规施肥（A1B2）相比，冬小麦和豌豆的经济混合产量和生物混合产量均增加5.22%和6.76%。这说明在当地高产栽培施肥水平上配施有机肥可以进一步提高作物产量。

表2 不同处理对冬小麦间作豌豆体系混合产量的影响（单位：kg/hm2）

在化肥氮素减量15%配施有机肥处理下，与常规施肥（A1B2）相比，A2B1较A1B2豌豆经济产量和生物产量分别增产9.42%和10.32%，这说明在间作体系中，常规化肥减量15%并配施有机肥与单纯施常规化肥相比，有利于提高豌豆产量，并可能成为替代常规化肥的一种方式，对于替代成功的可行性还需要进一步研究。

2.3.2 有机肥替代部分化肥对冬小麦间作豌豆冬小麦产量构成的影响由表3可知，在配施有机肥的条件下，不同常规化肥施用量的处理株高表现为A1>A3>A2，A1与A2、A3处理间差异显著，株高分别为98.3 cm、87.6 cm和88.6 cm；穗长表现为A1>A2>A3，A1与A2之间差异不显著，但与A3处理间差异显著；穗粒数A1与A2和A3之间差异不显著，平均穗粒数分别为51.2粒、48.6粒和48.3粒；千粒重和容重A1、A2和A3之间差异均不显著，千粒重分别为53.5 g、51.7 g和50.2 g，容重分别为785.6 g/L、778.7 g/L和770.6 g/L。

表3 不同处理对冬小麦间作豌豆体系冬小麦产量构成的影响

在不配施生物有机肥的条件下，不同常规化肥施用量对株高影响不显著，不同处理的穗长、穗粒数、千粒重、容重均表现为A1>A2>A3，穗长、穗粒数、千粒重和容重各处理之间差异均不显著。在常规化肥施用量相同的情况下，配施生物有机肥对株高、穗长、穗粒数、千粒重和容重的影响均表现为B1>B2，B1与B2处理间各指标均存在显著性差异。在施用常规化肥减量15%的条件下，株高B1与B2处理间差异不显著，其余各指标B1与B2处理间存在显著性差异；在常规化肥减量30%的条件下，穗粒数和千粒重B1与B2处理间存在显著性差异。

常规化肥施用量（A1B2）与常规化肥减量15%配施有机肥（A2B1）相比，株高差异不显著，穗长、穗粒数、千粒重和容重均表现为A1B2>A2B1，处理之间差异显著。

3 讨论与结论

减少化肥施用量，提高其利用效率和经济效益已成为当代农业研究的一个热门课题。从氮素转化利用的角度来看,有机肥实际上是某种意义上的氮素缓释肥料[13]，有机肥氮部分替代无机氮可以先将肥料中的一部分氮暂时转变成土壤氮库中的有机态氮，减少氮素流失;待后期作物需要时逐渐释放，供作物生长利用,从而提高氮肥的利用率,具有供肥均衡持久的特点。大量研究表明[14-15]，分期施氮肥能够提高水稻产量、吸氮量和氮素利用率。这一结论与冬小麦间作豌豆的研究中配施有机肥处理的吸氮量和氮素利用率显著提高相似。

在相同的常规化肥水平下，配施有机肥处理的冬小麦和豌豆的经济产量及生物产量均大于不配施有机肥处理的产量。这一结论与孙文涛等[16]的研究结果相似。常规化肥且配施有机肥处理（A1B1）的豌豆和冬小麦的经济产量和生物产量均为最高，分别高于常规施肥（A1B2）5.22%和6.76%，较常规化肥减量15%且配施有机肥处理（A2B1）提高了5.97%和6.64%。即常规化肥且配施有机肥处理（A1B1）对作物产量的提高效果最好。

常规施肥处理（A1B2）豌豆的经济产量和生物产量小于常规化肥减量15%且配施有机肥处理（A2B1），说明在间作体系中，与单纯施常规化肥（A1B2）相比，常规化肥减量15%并配施有机肥（A2B1）更有利于提高豌豆产量。因此在当前施肥水平和技术配套条件下，配施有机肥且化肥减量15%左右是一种比较安全的减投增效、有利于可持续发展的措施。