陶玥玥 王海候 金梅娟 施林林 董林林 陸長(zhǎng)嬰 沈明星

（江蘇太湖地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)部蘇州水稻土生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，江蘇蘇州 215155）

環(huán)太湖地區(qū)是我國(guó)重要的稻麥輪作區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)持續(xù)過(guò)量化學(xué)氮肥施用不僅造成該地區(qū)氮肥肥效過(guò)低，也帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題，如地下水硝酸鹽污染、地表水富營(yíng)養(yǎng)化和土壤酸化等［1-3］。有研究表明：麥季不同深度地下水硝態(tài)氮濃度遠(yuǎn)高于稻季［2］。麥季過(guò)量施用氮肥已越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注［1,4-5］。如何保證糧食產(chǎn)量合理穩(wěn)定增長(zhǎng)的同時(shí)，減少化肥過(guò)量施用帶來(lái)的不良影響，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［6］。配施一定數(shù)量有機(jī)肥不僅降低了化學(xué)氮肥施用量，提高了肥料利用率，還可增加土壤肥力［7-9］。Abbasi和Tahir［10］在巴基斯坦的研究發(fā)現(xiàn)：以有機(jī)肥代替25%的氮肥可以保證小麥穩(wěn)產(chǎn)，并利于氮素吸收。然而，有機(jī)肥替代化肥對(duì)作物和土壤的作用效應(yīng)因替代比例、作物系統(tǒng)、土壤質(zhì)地及肥力、氣候以及試驗(yàn)?zāi)晗薮嬖陲@著的差異［11］。目前大部分研究針對(duì)畜禽糞便源有機(jī)肥，較少針對(duì)水生植物源有機(jī)肥。

環(huán)太湖地區(qū)水體及集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生大量水生植物殘?bào)w，若后期處理不當(dāng)易造成二次污染，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境。作為水生植物殘?bào)w無(wú)害化的重要途徑，高溫堆肥發(fā)酵可消除其對(duì)環(huán)境的污染和生態(tài)的破壞，從而促進(jìn)生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展［12-13］。水生植物生長(zhǎng)過(guò)程中富集了大量植物生長(zhǎng)所需營(yíng)養(yǎng)元素，也是良好的有機(jī)肥源，其農(nóng)田施用可形成良好的物質(zhì)循環(huán)利用的生態(tài)種養(yǎng)結(jié)合模式，對(duì)于實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥施用量零增長(zhǎng)具有重要意義。水生植物堆肥替代部分化學(xué)氮肥可優(yōu)化水稻產(chǎn)量構(gòu)成，提高水稻籽粒產(chǎn)量與土壤有機(jī)碳含量［13］。然而，水生植物源有機(jī)肥與化肥配施在小麥旱地上的產(chǎn)量效應(yīng)、養(yǎng)分吸收及土壤養(yǎng)分變化的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道?；诖耍狙芯吭谛←溕L(zhǎng)季等氮量條件下，研究了水生植物源有機(jī)肥和尿素不同全氮配比對(duì)小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分指標(biāo)的影響，以期為環(huán)太湖地區(qū)小麥種植合理施用水生植物有機(jī)肥提供指導(dǎo)。本研究不僅對(duì)構(gòu)建環(huán)太湖地區(qū)水生植物有機(jī)肥施肥模式具有重要理論意義，而且對(duì)減少水生植物資源浪費(fèi)、緩解環(huán)境污染潛在風(fēng)險(xiǎn)有一定實(shí)際價(jià)值。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況與供試材料

試驗(yàn)地位于江蘇省蘇州市望亭鎮(zhèn)項(xiàng)路村（31°25′ N，120°26′ E），瀕臨太湖，屬于典型亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均溫度約15.7℃，年降水量約1 100 mm，年日照時(shí)數(shù)在2 000 h以上，年無(wú)霜期在230 d以上。土壤屬于太湖地區(qū)典型潴育型水稻土，土壤有機(jī)質(zhì)30.6 g·kg-1，全氮 1.76 g·kg-1，有效磷 6.43 mg·kg-1，速效鉀84.8 mg·kg-1，pH為6.3。

供試小麥品種為“揚(yáng)麥16”。小麥在11月人工條播，行距40 cm，按照262.5 ～ 300 kg·hm-2播種，次年5月底收獲。供試化肥為尿素（含N 46%）、鈣鎂磷肥（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）。供試有機(jī)肥采用水生植物伊樂(lè)藻（Elodea nuttallii）渣和水稻（Oryza sativa）秸稈，按鮮重4∶1混勻后高溫好氧發(fā)酵堆制而成。根據(jù)常規(guī)農(nóng)化分析方法［14］測(cè)定堆肥成品含水量和干基養(yǎng)分含量，試驗(yàn)期間麥季養(yǎng)分平均每季養(yǎng)分投入量如表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)有機(jī)氮（以下簡(jiǎn)寫(xiě)“M”）替代尿素氮（以下簡(jiǎn)寫(xiě)“U”）比例，試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)處理，分別為0%、20%、40%、60%、80%和100%，分別記為M0U100、M20U80、M40U60、M60U40、M80U20、M100U0。小麥生長(zhǎng)季總施氮量均為225 kg·hm-2，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為21 m2（7 m×3 m），各小區(qū)以埂隔開(kāi)，并用農(nóng)膜包被。單一化肥處理下尿素分3次施用，50%作基肥，25%作拔節(jié)肥，25%作穗肥；化學(xué)磷肥按P2O545 kg·hm-2一次性施入；化學(xué)鉀肥按K2O 75 kg·hm-2以基肥與穗肥比例1∶1施入。有機(jī)肥均作基肥一次性施用，且有機(jī)肥處理均不再施用化學(xué)磷鉀肥。

表1 各有機(jī)氮替代率下麥季平均養(yǎng)分投入量Table 1 Nutrient input during the wheat growing season relative to organic manure substitution rate

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

小麥成熟期每小區(qū)收割2 m2，帶回實(shí)驗(yàn)室曬干，揚(yáng)凈稱(chēng)小麥粒重。各小區(qū)隨機(jī)調(diào)查0.11 m2有效穗數(shù)，調(diào)查5個(gè)重復(fù)，并取代表性植株10穴用于測(cè)定產(chǎn)量構(gòu)成因子，包括有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。將成熟期植株樣品按秸稈和籽粒分開(kāi)，105℃下殺青20 min 后繼續(xù)在75℃烘至恒定質(zhì)量，分別測(cè)定籽粒和秸稈干物質(zhì)質(zhì)量。植株樣品經(jīng)專(zhuān)用粉碎機(jī)（FZ102，泰斯特，天津）粉碎后，過(guò)60目篩用于測(cè)定籽粒和秸稈氮、磷和鉀含量。植株養(yǎng)分分析方法［14］：經(jīng)H2SO4-H2O2消煮，采用凱氏定氮法測(cè)定氮素含量，采用鉬銻抗比色法測(cè)定磷含量，用火焰光度計(jì)法測(cè)定鉀含量，并分別計(jì)算植株籽粒和秸稈氮、磷和鉀的累積量。

2012年試驗(yàn)開(kāi)始前和2016年試驗(yàn)結(jié)束后采集0～20 cm深度土壤，用土鉆按“S”形采集土樣，各小區(qū)以5個(gè)點(diǎn)作1個(gè)混合樣品。帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干后，粉碎分別過(guò)20目和100目篩，按常規(guī)農(nóng)化分析方法［14］測(cè)定土壤理化性質(zhì)：土壤有機(jī)碳采用鉻酸氧化法；土壤全氮采用H2SO4-混合催化劑消解—?jiǎng)P氏定氮法；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻比色法；速效鉀采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度計(jì)法；土壤和去離子水按1∶2.5浸提后，用pH計(jì)（PB-10，賽多利斯，德國(guó)）測(cè)定土壤pH。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Origin 9.2軟件進(jìn)行作圖。采用SAS 9.2［15］的廣義線性模型（Generalized linear model）過(guò)程進(jìn)行單因素方差分析。根據(jù)下列公式分別計(jì)算小麥籽粒與秸稈中養(yǎng)分吸收量指標(biāo)：

吸氮量（kg·hm-2）= 氮含量（g·kg-1）×干物質(zhì)量（kg·hm-2）/ 1 000

吸磷量（kg·hm-2）= 磷含量（g·kg-1）×干物質(zhì)量（kg·hm-2）/ 1 000

吸鉀量（kg·hm-2）= 鉀含量（g·kg-1）×干物質(zhì)量（kg·hm-2）/ 1 000

2 結(jié) 果

2.1 植物源有機(jī)氮替代率對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響

圖1表明，與單施化肥相比，有機(jī)氮替代率在20%和40%，小麥4 a累積產(chǎn)量最高（P＜0.05）；60%有機(jī)氮替代率下與單施尿素處理相當(dāng)；有機(jī)氮替代率大于等于80%時(shí)，累積產(chǎn)量低于單施尿素處理（P＜0.05）。試驗(yàn)第1年，與單施化肥相比，小麥籽粒產(chǎn)量隨有機(jī)氮替代率的增加而逐漸下降，呈顯著線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（P ＜ 0.05）。試驗(yàn)第2～4年，小麥籽粒產(chǎn)量隨著有機(jī)氮替代率的增加呈先增后降趨勢(shì)，呈顯著一元二次曲線關(guān)系（P ＜0.05），且處理間差異逐漸縮?。▓D2）。

圖1 有機(jī)肥和尿素不同配施比例下小麥4 a累積產(chǎn)量Fig. 1 Cumulative wheat yield of the four-year experiment relative to compost substitution rate

2.2 植物源有機(jī)氮替代率對(duì)小麥養(yǎng)分吸收的影響

成熟期籽粒氮濃度隨著有機(jī)氮替代率的增加而下降：當(dāng)有機(jī)氮替代率大于等于40%時(shí)，籽粒氮濃度下降了15.1%～17.9%（P＜0.05）；有機(jī)氮替代率大于等于60%時(shí)，秸稈氮濃度下降了17.1%～27.9%（P＜0.05，圖3A）。與單施化肥相比，各有機(jī)氮替代率下均顯著提高了籽粒的磷鉀濃度，籽粒磷濃度提高了17.2%～38.5%（P＜0.05），籽粒鉀濃度提高了7.3%～16.8%（P＜0.05，圖3B和圖3C）。有機(jī)肥與化肥配施處理下秸稈磷鉀濃度與單施化肥處理相當(dāng)，但單施有機(jī)肥下秸稈磷鉀濃度顯著高于單施化肥處理（P＜0.05，圖3B和圖3C）。

成熟期籽粒吸氮量隨著有機(jī)氮替代率的增加而下降：當(dāng)有機(jī)氮替代率大于等于60%時(shí)，籽粒氮吸收量下降了20.2%～35.8%（P＜0.05），秸稈吸氮量降低了16.7%～43.8%（P＜0.05，圖4A）。小麥籽粒磷、鉀吸收量基本隨著有機(jī)氮替代率的增加呈先增后降的趨勢(shì)；與單施化肥相比，單施有機(jī)肥顯著提高秸稈吸磷量，秸稈吸鉀量各處理間無(wú)顯著差異（圖4B和圖4C）。

圖2 各年份有機(jī)肥和尿素不同配施比例與小麥籽粒產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 2 Relationships between wheat grain yield of the experiment and compost substitution rate relative to year

圖3 有機(jī)氮不同替代率下小麥籽粒和秸稈氮磷鉀濃度（2014—2016）Fig. 3 NPK concentration in wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

圖4 有機(jī)氮不同替代率下小麥籽粒和秸稈氮磷鉀吸收量（2014—2016）Fig. 4 NPK uptake by wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

2.3 植物源有機(jī)氮替代率對(duì)小麥土壤養(yǎng)分的影響

連續(xù)4 a不同比例植物源有機(jī)氮替代下，土壤表層全氮含量、有效磷鉀含量和土壤pH均隨著有機(jī)氮替代率的增加而增加（表2）。與單一施用化肥處理相比，有機(jī)肥替代率大于等于60%時(shí)，表層土壤全氮含量提高了20.3%～46.3%（P＜0.05），有效磷含量提高了1.9倍～4.2倍（P＜0.05）；各有機(jī)氮替代下表層土壤速效鉀較單施化肥處理提高了0.5倍～3.8倍（P＜0.05）。有機(jī)氮替代率大于等于40%時(shí)，土壤pH則較單施化肥處理提高了0.4～0.8個(gè)單位。

表2 有機(jī)氮不同替代率下土壤全氮、有效磷、速效鉀含量和土壤pH（2016，0～20 cm）Table 2 Contents of soil total nitrogen, available P, readily available K and pH relative to compost substitution rate (2016, 0～20 cm)

3 討 論

利用水生植物凈化富營(yíng)養(yǎng)化水體是一種解決水體污染的有效途徑，然而水生植物殘?bào)w再利用障礙已成為該技術(shù)推廣難題之一。本研究利用伊樂(lè)藻堆肥與化學(xué)氮肥配施，探索水生植物源有機(jī)肥高效利用模式，為水生植物殘?bào)w資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。本文連續(xù)4 a研究結(jié)果表明：水生植物源有機(jī)氮替代率為20%和40%時(shí)，小麥累積產(chǎn)量較單施化學(xué)氮肥提高了14.0%和13.5%（P＜0.05）。有機(jī)氮替代率60%下小麥累積產(chǎn)量則與單施化肥處理相當(dāng)；當(dāng)有機(jī)氮替代率進(jìn)一步提高時(shí)，小麥產(chǎn)量則顯著降低（圖1）。且有機(jī)氮不同替代率下的小麥產(chǎn)量差異隨著試驗(yàn)?zāi)攴莸睦鄯e而逐漸縮小（圖2）。國(guó)內(nèi)外關(guān)于有機(jī)肥適宜替代率的研究結(jié)果并不相同，但多數(shù)研究者認(rèn)為有機(jī)肥所占比例并非越高越好，而是存在最佳比例，這與本文植物源有機(jī)肥試驗(yàn)結(jié)果基本表現(xiàn)一致。如邢鵬飛等［16］在華北農(nóng)田棕壤4 a試驗(yàn)結(jié)果表明，豬糞有機(jī)肥替代率為30%，連續(xù)4 a小麥產(chǎn)量均與單施化肥相當(dāng)，有機(jī)肥替代率為50%，兩年小麥產(chǎn)量出現(xiàn)降低。呂鳳蓮等［17］在陜西關(guān)中塿土2 a試驗(yàn)結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量隨著有機(jī)肥替代率的增加表現(xiàn)為先增后降的趨勢(shì)，但是當(dāng)有機(jī)肥替代率在75%時(shí)，小麥產(chǎn)量最高。侯紅乾等［18］在湖南紅壤雙季稻系統(tǒng)25 a試驗(yàn)表明，30%有機(jī)肥替代下開(kāi)始即能迅速增產(chǎn)，但增產(chǎn)趨勢(shì)隨時(shí)間的延續(xù)先增加再減小，70%有機(jī)肥替代處理一開(kāi)始增產(chǎn)幅度較小，甚至低于化肥處理，但隨著時(shí)間的延續(xù)增產(chǎn)幅度明顯增加。然而，在環(huán)太湖地區(qū)稻田配施水生植物有機(jī)肥研究表明，試驗(yàn)第1年僅單施有機(jī)肥下水稻產(chǎn)量顯著低于單施化肥，有機(jī)氮其他替代率下水稻產(chǎn)量均未受影響；連續(xù)施用4 a后全量有機(jī)肥下水稻產(chǎn)量也與單施化肥處理相當(dāng)［13］。研究結(jié)果的差異不僅是土壤基礎(chǔ)肥力水平和試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間差異性造成，還與試驗(yàn)地點(diǎn)的氣候等環(huán)境因素相關(guān)［17］。有機(jī)肥自身的速效養(yǎng)分含量有限，需要通過(guò)微生物礦化分解來(lái)釋放養(yǎng)分，而土壤水分和溫度等環(huán)境因素又直接影響微生物的生物量和活力等［19］。環(huán)太湖地區(qū)是水稻高產(chǎn)區(qū)，小麥種植季氣候、溫度和水分等完全不同于水稻季，可能引起了有機(jī)肥中速效養(yǎng)分釋放較慢，加劇微生物與作物競(jìng)爭(zhēng)速效養(yǎng)分，進(jìn)而影響產(chǎn)量［13,19-20］。水生植物有機(jī)肥與化肥不同配比下，肥料及土壤養(yǎng)分釋放規(guī)律與環(huán)境水熱因素的相關(guān)性今后需進(jìn)一步研究。

植株體內(nèi)氮素水平是決定作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)元素［21］。當(dāng)有機(jī)氮替代率達(dá)到40%后，小麥籽粒和秸稈氮濃度均顯著下降（圖3A），當(dāng)有機(jī)氮替代率達(dá)到60%后，小麥籽粒和秸稈吸氮量較單施化肥分別下降了20.2%～35.8%和16.7%～43.8%（P＜0.05，圖4A），間接表明了有機(jī)氮替代率過(guò)高下小麥生長(zhǎng)季內(nèi)出現(xiàn)氮素不足，進(jìn)而影響了產(chǎn)量形成。但同時(shí)當(dāng)有機(jī)氮替代率達(dá)到60%后，耕層土壤全氮含量顯著提高（表2），有機(jī)肥與化肥配施對(duì)于提高土壤氮素含量具有重要意義，既能快速提高土壤中有效氮的含量，又能長(zhǎng)久保存土壤氮素［22］。馬力等［23］研究表明，長(zhǎng)期施肥使表層土壤氮素累積量明顯增加，施有機(jī)肥處理的0～20 cm 土層含氮量普遍高于施化肥處理。值得注意的是，配施水生植物源有機(jī)肥還提高了小麥籽粒的磷、鉀濃度，并隨著有機(jī)氮替代率的提高而增加（圖3B和3C）。農(nóng)田施用曬干水葫蘆可顯著提高水稻各生育期植株磷濃度和氮磷鉀吸收量［24-25］，這與本研究中伊樂(lè)藻堆肥試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，配施水生植物有機(jī)肥還可減少農(nóng)田化學(xué)磷鉀肥的施用。從土壤有效磷鉀養(yǎng)分變化來(lái)看，連續(xù)4 a配施水生植物有機(jī)肥后，表層土壤中有效磷鉀含量均較單施化肥提高，并隨著有機(jī)氮替代率的增加而增加（表2）。作為植物源有機(jī)肥，水生植物有機(jī)肥不僅具有動(dòng)物源有機(jī)肥普遍的優(yōu)勢(shì)，且長(zhǎng)期在水體中富集了大量磷鉀等中微量元素［12-13］。另一方面，連續(xù)施入有機(jī)肥可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，有效提高作物根際土壤有益微生物種群數(shù)量和土壤酶活性［26］。大量微生物和腐殖質(zhì)進(jìn)入土壤，降低無(wú)機(jī)磷的固定并促進(jìn)無(wú)機(jī)磷的溶解，減少磷鉀固持，從而釋放有效養(yǎng)分［27-28］。這對(duì)于目前太湖農(nóng)區(qū)土壤普遍缺鉀及農(nóng)田磷肥施用過(guò)量的問(wèn)題具有重要意義，同時(shí)也需綜合考慮過(guò)量有機(jī)肥配施后徑流損失等污染問(wèn)題。此外，長(zhǎng)期大量施用化肥也是造成農(nóng)田土壤酸化的重要原因之一［3］，本研究中隨著有機(jī)肥配施量的增加，土壤pH提高，其中，當(dāng)有機(jī)氮替代率達(dá)到40%后，土壤pH較單施化肥顯著提高了0.4～0.8個(gè)單位（表2），可見(jiàn)配施水生植物有機(jī)肥對(duì)緩解農(nóng)田土壤酸化也具有重要意義。

綜上，配施適宜比例的水生植物有機(jī)肥不僅能有效維持小麥產(chǎn)量，提高小麥籽粒磷鉀吸收量及土壤氮磷鉀養(yǎng)分含量，還可緩解土壤酸化，從而在持續(xù)增產(chǎn)和增強(qiáng)土壤功能方面發(fā)揮重要作用，是資源循環(huán)利用的有效措施。隨著農(nóng)業(yè)集約化程度提高，農(nóng)業(yè)資源廢棄物的利用技術(shù)不斷更新，水生植物有機(jī)肥的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用有較大潛力成為有機(jī)肥利用的重要方向之一。

4 結(jié) 論

水生植物源有機(jī)肥替代20%～40%無(wú)機(jī)肥即能得到較高的產(chǎn)量，有機(jī)肥替代超過(guò)60%無(wú)機(jī)肥更能保持土壤肥力。既維持較高作物產(chǎn)量、作物養(yǎng)分利用率和土壤肥力，同時(shí)可減少磷鉀肥施用，水生植物源有機(jī)氮替代40%無(wú)機(jī)肥較適宜。今后尚需考慮有機(jī)肥不同替代率下農(nóng)田養(yǎng)分徑流損失等環(huán)境問(wèn)題，以優(yōu)化水生植物有機(jī)肥施用技術(shù)。