有机无机复混肥对小麦生长、土壤养分和重金属含量的影响

鲁 帅,罗晓刚,刘全伟,张 屹,孟洋昊,李 洁,张景来,*

(1.中国人民大学 环境学院, 北京 100872; 2.江西晟健肥业有限公司, 江西 九江 332600; 3.中国科学院 合肥智能机械研究所,安徽 合肥 230031)

化肥作为农作物最主要的营养来源之一,为我国粮食产量提高做出过重要贡献。1978—2006年,化肥使用对粮食增产的贡献率超过56%[1]。人们为了追求粮食高产,不断提高化肥用量,根据国家统计局数据,我国农业的化肥投入量(折纯用量)从1978年的884万t增加到2015年的6 022.6万t,此后虽有所下降,但仍超过5 600万t,化肥投入强度远远超过世界平均水平[2]。与高强度的化肥投入形成鲜明对比的是较低的化肥利用率,我国化肥的整体利用率不高,氮肥为20%～45%,磷肥仅为10%～25%[3]。长期不合理的施肥习惯也带来了一系列的环境问题,比如土壤板结、土壤肥力下降、土壤酸化等土壤环境问题,而土壤酸化能够增加土壤中重金属元素的活性[4],加剧土壤重金属污染,此外,大量未被利用的氮磷等营养元素随地表径流进入江河湖泊,造成水体富营养化,影响人们的用水安全[5]。因此,改变我国的肥料使用结构,减少化肥用量已经成为农业发展中亟待解决的问题。

施用有机肥能够改良土壤结构、增强土壤肥力,减少化肥使用带来的各类环境问题[6]。为了促使我国农业向绿色农业、生态农业转变,中央和各地政府已经采取了一系列的措施来控制化肥用量、提高有机肥在农业生产中的投入。但单独施用有机肥也存在一定的缺陷,比如用量大、肥效慢、产量不高等,因此,有机肥和化肥配施,既能够克服各自的缺点,又能发挥化肥速效、有机肥长效,以及改善土壤的作用,成为农业领域的关注热点。然而,目前的研究大多集中在化肥减量或有机肥施用对作物产量、营养品质和土壤养分的影响等方面,而对此过程中作物的食品安全问题,尤其是重金属含量变化却鲜有报道。为全面评估肥料施用对作物生长、品质和土壤环境等各方面的影响,本文研究了施用化肥和有机无机复混肥对河北冬小麦产量和土壤养分的影响,并进一步探究了此过程中土壤和农作物中重金属含量的变化,以期为有机无机复混肥在农业生产中的应用提供一定的理论依据和实践支持。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

试验于2020年10月至2021年6月在河北省石家庄市藁城区马庄试验站进行。试验站属于暖温带半湿润大陆性季风气候,年平均气温12.5 ℃,无霜期平均189 d,年平均降水量495 mm。供试农田种植模式为小麦玉米轮作,常年小麦产量7.5～9.0 t·hm-2、玉米产量8.25～9.75 t·hm-2。农田土壤为轻壤质潮褐土,土层深度0～20 cm,有机质18.5 g·kg-1,全氮1.3 g·kg-1,有效磷18.6 mg·kg-1,速效钾96 mg·kg-1,pH值8.04。

1.2 供试材料

供试小麦品种为邢麦6号,化肥为肥尔得牌小麦专用肥(氮∶磷∶钾=19∶21∶5,总养分含量45%),有机无机复混肥为江西晟健肥业有限公司生产的晟健有机无机复混肥,其中养分含量为:N 7.7%,P2O510.3%,K2O 8.5%,总养分含量26.5%,有机质含量33.4%。

1.3 试验设计

根据当地农民的施肥习惯,并参考其他文献中小麦的用肥量确定本次试验中化肥和有机无机复混肥的用量[7-8]。试验设6个处理组,每个处理3个重复。分别为: CK,不施肥对照; FP,习惯施肥,底施肥尔得小麦专用肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 40,底施晟健有机无机复混肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 60,底施晟健有机无机复混肥900 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 80,底施晟健有机无机复混肥1200 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 40+30,底施晟健肥料600 kg·hm-2,追施晟健肥料450 kg·hm-2。

施肥处理均采用底追结合方式,底肥均匀撒施于地表,旋耕、播种,追肥在小麦拔节期(2021年3月31日)灌溉前撒施。2020年10月13日施肥播种,2021年6月8日收获。小区规格8.0 m×6.5 m,每个处理重复3次。

1.4 测试项目与方法

分别于小麦种植前和收获后采集耕层土壤(0～20 cm)测定其理化性质,小麦成熟后测定其产量,同时采集植株样本测定籽粒和秸秆的N、P、K和重金属含量。

小麦产量测定:收获时每个小区选取具有代表性的样方2 m2,从茎基部割取后收入网袋中,自然风干后进行脱粒、称量,折算成作物产量。

小麦营养元素与重金属含量测定:将小麦籽粒和秸秆分别粉碎,经H2SO4-H2O2消煮处理,采用半微量凯氏定氮法测定氮含量,钼蓝比色法测定磷含量,火焰光度法测定钾和重金属含量[7]。

土壤理化性质测定:土壤pH值用酸度计进行测定;土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定;土壤无机氮含量以铵态氮和硝态氮之和计算,铵态氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚蓝比色法测定,硝态氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-离子色谱法测定,有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用1.0 mol·L-1醋酸铵浸提-火焰光度法测定,有机质含量采用重铬酸钾容量法测定,重金属含量采用王水-高氯酸消煮-原子吸收光谱法测定[9]。

1.5 数据统计与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2019软件整理,用SPSS Statistics 26软件进行相关统计分析,采用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦产量、养分含量和养分吸收的影响

2.1.1 小麦产量

如图1所示,与不施肥的CK相比,所有施肥处理组小麦产量均显著(P<0.05)提高,其中SJ80处理组小麦产量最高,为9.26 t·hm-2。相同用量的有机无机复混肥与化肥相比,小麦产量降低4.6%,但差异不显著,当有机无机复混肥用量提高到900 kg·hm-2时,小麦产量与化肥处理组相当。SJ80处理组小麦产量显著高于CK、SJ40和SJ40+30处理组,说明增加有机无机复混肥底施用量,能显著提高小麦产量,但在用量相同的情况下,化肥更有利于小麦产量的提高。

CK表示不施肥对照组;FP表示习惯施肥处理组,即底施小麦专用肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ40表示底施有机无机复混肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ60表示底施有机无机复混肥900 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ80表示底施有机无机复混肥1 200 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ 40+30表示底施有机无机复混肥600 kg·hm-2,追施有机无机复混肥450 kg·hm-2。柱上无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。CK denotes the no fertilizer control group; FP denotes the regular fertilizer group, 600 kg·hm-2 fertilizer for wheat as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ40 denotes the group that 600 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ60 denotes the group that 900 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ 80 denotes the group that 1 200 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ40+30 denotes the group that 600 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 450 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the topdressing. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.图1 不同施肥处理对小麦产量的影响Fig.1 Effects of different fertilizer treatments on wheat yield

2.1.2 不同施肥处理对小麦养分含量和养分吸收的影响

不同施肥处理对小麦籽粒和秸秆中养分含量均具有一定影响,但影响程度不同。如图2所示,小麦籽粒氮含量以FP处理组最高,显著高于SJ40+30处理组。根据小麦蛋白质折算系数(以5.7计)[10],计算得到CK、FP、SJ40、SJ60、SJ80、SJ40+30处理组小麦蛋白质含量分别为13.1%、13.9%、13.4%、13.5%、13.4%、12.6%。与化肥处理组相比,有机无机复混肥的使用降低了小麦籽粒中蛋白质含量,等底肥用量处理时降低了3.3%,而底追全部用有机无机复混肥与常规施肥相比,小麦蛋白质降低了9.1%,差异达显著水平。小麦秸秆中氮含量也是FP处理组最高,与CK相比提高了15.2%,差异达显著水平。随着底施有机无机复混肥用量的提高,小麦秸秆中氮含量有增高的趋势,但差异未达显著水平。小麦籽粒和秸秆中磷含量均以SJ40+30处理组最高,但各处理组秸秆中磷含量差异不显著,说明追施

图2 不同施肥处理对小麦籽粒和秸秆元素含量的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on elemental content of wheat seeds and straw

有机无机复混肥更有利于小麦籽粒对磷素的吸收和累积,而秸秆的吸收则不明显。施肥对小麦籽粒和秸秆钾含量均有一定的影响,且对秸秆的影响程度大于对籽粒的影响程度。SJ40+30处理组比CK小麦籽粒钾含量提高了12.5%,差异达显著水平,其余各组间差异不显著;就秸秆而言,所有施肥处理组秸秆的钾含量均显著高于CK。追施450 kg·hm-2有机无机复混肥与追施225 kg·hm-2尿素相比,小麦秸秆中钾含量提高12.9%,达显著水平,相应籽粒钾含量提高7.1%,未达显著水平。

施用肥料能够显著提高小麦地上部分氮、磷、钾的吸收量,如图3所示,所有施肥处理组地上部分氮、磷吸收量均显著高于CK对照组,且以SJ80处理组最高,其氮、磷吸收量分别为319.5 kg·hm-2和30.6 kg·hm-2,就小麦钾吸收量而言,SJ40+30处理组最高,为244.5 kg·hm-2,由此可以看出,小麦地上部分对N的吸收最高,其次是K,对P的吸收最低,结合小麦各元素含量,其籽粒中3种元素含量顺序为N>K>P,而秸秆中3种元素含量为K>N>P,可以推测,3种大量元素中N对于小麦生长和产量影响最大,其次是K,最后是P。底肥用量相同时,施用有机无机复混肥与化肥相比,小麦地上部分氮、磷、钾的吸收量均降低,说明速效养分含量高的化肥更容易被小麦吸收。追施450 kg·hm-2有机无机复混肥与追施225 kg·hm-2尿素相比,小麦磷和钾的吸收量均显著增加,增长幅度分别为14.7%和25.4%,而氮吸收量则无明显差异。说明复混肥中的磷和钾在追施后能够有效地被小麦吸收利用,而由于追施的尿素中氮元素含量与复混肥相当,其氮吸收量差别不大。结合小麦籽粒和秸秆中营养元素含量、地上部分吸收量和肥料施用情况可以看出,小麦对氮和钾的需求量较高,对磷需求则较低。

图3 小麦地上部分营养元素吸收量Fig.3 Nutrient uptake in above-ground parts of wheat

2.2 不同施肥处理对土壤pH值和养分含量的影响

由表1可知,施肥对土壤pH值无显著影响,施肥处理显著提高了土壤无机氮含量,其中SJ80处理组最高,达到38.3 mg·kg-1,比CK提高了136.4%,相同用量有机无机复混肥与化肥相比,土壤无机氮降低了10.5%,单独使用有机无机复混肥对于土壤无机氮含量具有一定的提高,但提高幅度仅为11.7%,并未达到显著水平。表明单独施用有机无机复混肥会影响土壤无机氮含量,导致土壤氮素供应不足,因此还需要配合氮肥施用。各施肥处理组对土壤中有效磷和速效钾含量均具有一定的提高,但在试验范围内提高幅度都不大,未达到显著水平。其含量均以SJ80处理组最高,分别为23.8 mg·kg-1和108.7 mg·kg-1。施用有机无机复混肥能显著提高土壤有机质含量,其中SJ40+30处理组最高,达到22.1 g·kg-1,SJ60、SJ80和SJ40+30处理组土壤有机质含量均显著高于CK,与CK相比分别提高13.1%、20.2%和20.8%,在施用量相同情况下,有机无机复混肥处理组比化肥处理组土壤有机质提高3.6%。随着有机无机复混肥用量的增加,土壤有机质含量呈现显著增加趋势。综上可以看出,与化肥相比,施用有机无机复混肥能提高土壤有机质含量,但会降低土壤无机氮和有效磷含量;因此,其长期使用有利于土壤性质的改善,但在短期的速效养分氮、磷供应上存在一定的缺陷,为保证农作物产量,宜与氮肥、磷肥配合使用。

表1 不同施肥处理对土壤pH及养分含量的影响Table 1 Effect of different fertilization treatments on soil pH and nutrient content

2.3 不同施肥处理对小麦及土壤重金属含量的影响

由图4可以看出:施用有机无机复混肥对小麦中Cd和Pb具有较为明显的影响,能够降低小麦籽粒中Cd含量,SJ40、SJ60处理组小麦籽粒Cd含量均显著低于CK,分别降低了28.8%、25.0%;相同肥料用量情况下与化肥相比,小麦籽粒Cd含量降低31.5%,达显著水平;施用有机无机复混肥也能够降低小麦秸秆Cd含量,与相同用量化肥相比,降低了14.8%,但未达显著水平;就Pb含量而言,有机无机复混肥处理组与CK相比,小麦籽粒中Pb含量降低17.7%～30.3%,秸秆中Pb含量降低26.7%～39.7%,与化肥处理组相比,小麦籽粒中Pb含量降低20.5%～32.6%、小麦秸秆中Pb含量降低36.1%～48.1%,均达显著水平;随着有机无机复混肥用量的增加,秸秆和籽粒中Cd、Pb含量有增加趋势,但未达显著水平;施用有机无机复混肥对小麦籽粒和秸秆中As含量,以及秸秆中Hg含量无显著影响,各组间仅有较小区别。通过对比分析小麦籽粒和秸秆中重金属含量可以发现,重金属含量在秸秆中普遍高于籽粒,说明其更容易富集在秸秆中。不同重金属在小麦中的含量存在一定差异,小麦秸秆中重金属含量表现为Pb>As>Cd>Hg,籽粒中也表现出相同的趋势,说明小麦对重金属的富集能力为Pb>As>Cd>Hg。

图4 小麦籽粒和秸秆中重金属含量Fig.4 Heavy metal content in seed and straw of wheat

如图5所示,施用有机无机复混肥对土壤中有效态重金属具有一定的影响。当施用量相同时,有机无机复混肥处理组比常规化肥处理组土壤中有效态Cd降低18.8%,当施用量增加到900 kg·hm-2时,仍比化肥处理组低16.7%,差异达显著水平。此外,有机无机复混肥的施用降低了土壤中有效态Hg含量,但差异不显著,对土壤有效态Pb和As含量影响不大。由此可以看出,有机无机复混肥的施用降低了土壤中有效态重金属的含量,但对于不同重金属的影响存在一定的差异,其中对Cd的影响最大。

图5 土壤中重金属含量Fig.5 Heavy metal content in soil

3 讨论

有机肥养分含量全面均衡,能够提高土壤肥力,改善土壤理化性质,提高土壤中微生物的活性和生物多样性[11-12],长期施用有利于土壤条件和农作物品质的改善,但与常规化肥相比,有机肥养分含量低且肥效缓慢,难以及时满足作物生长所需的营养元素[13]。毛伟等[14]研究了不同土壤肥力条件下有机氮替代化学氮对小麦产量的影响,发现有机氮完全替代化学氮显著降低了小麦产量和小麦有效穗数,低肥力土壤中有机氮替代20%～30%化学氮和高、中肥力土壤中有机氮替代10%～30%的化学氮对小麦产量没有显著影响。本研究发现,在底肥用量相同的情况下,与化肥相比,有机无机复混肥的施用造成小麦减产394.5 kg·hm-2,减产幅度达4.6%,说明有机肥在速效养分方面难以满足作物生长过程中的需求,其应用在农业生产中还存在着一定的局限性。而化肥速效养分含量高,能够有效弥补有机肥存在的缺陷,提高作物产量。因此,有机肥与化肥合理配施,能够在保证作物产量的情况下减少化肥用量。除产量外,作物营养成分含量和营养利用效率也是农业生产中关注的问题。本研究发现,3种大量元素中N对于小麦生长和产量影响最大,其次是K,最后是P,这与前人的研究结果一致[15-16]。N是植物生长必需的大量元素,也是需求量最高的元素,能够参与植物体内氨基酸和蛋白质的合成;此外,N还是核酸、叶绿素,以及一些植物激素的组成部分,广泛参与植物体内的多种生理过程[17-18]。本研究中化肥处理组小麦籽粒和秸秆中N含量最高,显著高于CK,比其他有机无机复混肥处理组也略高,说明无机氮是小麦最主要的氮素利用形式。施用的肥料中无机氮含量越高,小麦地上部分吸收的N就越多,其籽粒和秸秆中N含量也就越高。而有机无机复混肥由于其无机氮含量相对较低,因此与相同用量化肥处理组相比,无论是地上部分N吸收量还是小麦中的N含量都更低。K是植物体内含量最高的金属元素,成熟期植物的K主要集中在茎秆中[19],K能够增加小麦的茎秆强度,有利于机械组织的生成,从而提高小麦的抗倒伏能力[20],这与本研究中的秸秆K含量最高现象相一致。小麦生长所需K的主要来源就是肥料,因而随着肥料中K含量的提高,小麦秸秆和籽粒中K的含量也会增加。

施肥略微降低了土壤pH值,显著提高了土壤中无机氮和有机质含量,对有效磷和速效钾含量也有一定的提升,但影响不显著。高飞等[21]在研究低地力条件下有机肥部分替代化肥对小麦玉米轮作体系中作物产量和土壤性状的影响时也发现,施肥降低了土壤pH值,其变化范围为8.13～8.35,pH值降低可能是肥料中无机氮引起的[22]。土壤中无机氮含量不高,而小麦生长需要大量的氮素,因此氮肥成为小麦最重要的营养来源,施用化肥能够显著提高土壤中无机氮含量,满足小麦的生长需求,而有机无机复混肥由于其氮素含量较低,因此在相同用量情况下土壤中无机氮含量不如化肥高,但随着用量增加,土壤中无机氮含量也相应提高。有机质投入和作物残体是土壤有机质的重要来源[23],土壤有机质含量随有机无机复混肥用量的增加呈现升高趋势,这与之前的研究结果一致[24-25]。土壤中有效磷和速效钾含量虽然在施肥处理后有所提高,但并不明显,因此可以考虑减少磷肥和钾肥的施用量,既能够降低农业生产成本,还可以减少其过量使用所带来的环境风险。

本研究发现,小麦秸秆中重金属含量普遍高于籽粒,这与小麦不同器官对重金属的富集能力差异有关。Tong等[26]研究了拉萨地区重金属在土壤-作物系统中的行为,发现小麦不同器官中Cd和Pb的含量顺序为根>叶>茎>籽粒,即籽粒中重金属含量低于植物其他部位。这种现象产生的原因可能是重金属在植物体内存在一定的转运障碍,这种机制可以阻止对种子无用或有害的微量元素在其中的积累,从而起到保护后代的作用。本研究中,施用化肥使得土壤中有效态重金属含量轻微上升,小麦籽粒和秸秆中重金属含量也略高于对照,这可能是由于化肥施用引起的土壤pH值降低所导致的。土壤pH值是影响重金属有效态和植物吸收的重要因素[26],Lin等[27]在研究有机质对重金属离子的吸附时发现,当pH值从6增加到9时,有机质对Cd2+的吸附率从10%提高到99%。Zhang等[28]在研究中国南部农田中6种重金属的行为时发现,高土壤pH值有利于重金属的吸附和沉降,而低pH值则会减弱重金属与土壤的联系。由此可见,在一定范围内,土壤pH值越低,重金属的有效性就越高,从而越容易被植物吸收,进一步会引起植物中重金属含量的上升。有机无机复混肥的施用则显著降低了小麦籽粒中Cd和Pb,以及秸秆中Pb的含量,这可能与肥料中的有机质和微生物有关。虽然施用有机无机复混肥的土壤pH值也有所降低,但其中有机质含量高,有机质能够通过吸附、络合、螯合等方式与重金属相互作用,还可以通过增加土壤阳离子交换量来降低水溶态和可交换态重金属含量,从而降低其生物有效性[29]。此外,本次试验中所用的有机无机复混肥中含有一些有益微生物,经鉴定其中包含大量芽孢杆菌。有研究表明,芽孢杆菌能够产生多糖和糖蛋白,与Cd、Pb形成络合物,产生沉淀从而降低其活性[29],因此土壤中有效态Cd和Pb含量有所下降,进而导致小麦籽粒和秸秆中Cd和Pb含量的降低。施用有机无机复混肥对籽粒和秸秆中As和Hg含量影响不大,这可能与不同重金属在土壤中的性质,以及小麦对不同重金属吸收代谢能力的差异等因素有关;此外,土壤类型、植物抗性机制等也会影响植物对重金属的积累[30];因此,4种重金属在相同施肥处理下表现出不同的变化趋势。

综上所述,在底肥用量相同的情况下,有机无机复混肥的使用降低了河北冬小麦的产量、养分吸收量,以及土壤中无机氮和有效磷含量,提高了土壤有机质和速效钾含量。随着有机无机复混肥用量的增加,小麦产量逐渐提高,最高达到9.26 t·hm-2。有机无机复混肥的使用还显著降低了小麦籽粒Cd、Pb含量,以及小麦秸秆中Pb的含量。本研究表明,合理配施化肥和生物有机肥,不仅能够减少化肥用量,提高作物产量,还可以改善土壤理化性质,降低土壤重金属对农作物的危害,有利于农业生产的绿色和可持续发展。

致谢:感谢河北省农林科学院农业资源环境研究所杨云马教授在实验过程中的支持和帮助!