張奇茹, 謝英荷，2，3, 李廷亮,2,3, 劉凱, 姜麗偉, 曹靜, 邵靖琳

有機(jī)肥替代化肥對(duì)旱地小麥產(chǎn)量和養(yǎng)分利用效率的影響及其經(jīng)濟(jì)環(huán)境效應(yīng)

張奇茹1, 謝英荷1，2，3, 李廷亮1,2,3, 劉凱1, 姜麗偉1, 曹靜1, 邵靖琳1

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山西太谷 030801；2山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，山西太谷 030801；3山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西省土壤肥料研究生教育創(chuàng)新中心，山西太谷 030801)

【】通過(guò)5年連續(xù)監(jiān)測(cè)有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)旱地小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分利用、經(jīng)濟(jì)及土壤環(huán)境的影響，以期為旱地小麥科學(xué)高效生產(chǎn)提供施肥依據(jù)。于2013—2018年在山西省洪洞縣旱地麥田試驗(yàn)區(qū)，通過(guò)農(nóng)戶施肥（FP）、測(cè)控施肥（OF）、有機(jī)肥替代化肥（OFM）和生物有機(jī)肥替代化肥（OFB）4個(gè)處理，分析有機(jī)肥替代化肥對(duì)黃土旱塬冬小麥產(chǎn)量構(gòu)成，經(jīng)濟(jì)效益，養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)移特征，肥料利用效率，土壤環(huán)境等的影響。（1）與FP處理相比，OFM、OFB處理5年平均減施化肥氮素35%，籽粒產(chǎn)量顯著提高17.2%—21.4%、純收入顯著提高44.3%—54.7%；與OF處理相比，OFM、OFB處理5年平均替代化肥氮素40%，增加了公頃穗數(shù)和千粒重，籽粒產(chǎn)量顯著提高6.0%—9.8%，純收入顯著提高12.9%—21.0%。（2）OFM、OFB處理與OF處理相比,籽粒氮含量顯著提高9.6%—12.8%，磷含量顯著提高12.5%—17.9%；籽粒氮、磷、鉀的花前營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移量與花后土壤吸收量均有所提高，特別是促進(jìn)了籽粒中氮、磷素的花后土壤吸收量，分別顯著提高了48.8%—50.5%，70.5%—76.2%。（3）與OF處理相比，OFM處理的鉀肥農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力顯著提高33.9%和6.2%。OFB處理的氮、磷肥的表觀回收率顯著提高48.6%和65.5%，氮、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率顯著提高71.3%和51.3%，偏生產(chǎn)力顯著提高20.3%和10.0%。（4）經(jīng)過(guò)5年的有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥處理，土壤肥力（有機(jī)質(zhì), 全氮, 有效磷, 速效鉀）有所提高，表層土壤硝態(tài)氮?dú)埩麸@著減少9.6%—23.0%，且2 m土層硝態(tài)氮無(wú)明顯淋溶現(xiàn)象。有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥可以提高小麥籽粒對(duì)氮、磷、鉀的吸收，促進(jìn)氮、磷素的花后土壤吸收，提高肥料的利用效率，顯著降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?，有助于提升土壤肥力，最終獲得較高的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，是旱地麥田高效持續(xù)生產(chǎn)和發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要措施。

旱地小麥；有機(jī)替代；產(chǎn)量效率；環(huán)境效應(yīng)

0 引言

【研究意義】小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物，種植面積占糧食種植面積的22%，其中70%為旱地小麥，產(chǎn)量占小麥總產(chǎn)20%以上[1]。化肥對(duì)小麥的影響舉足輕重，但現(xiàn)階段化肥施用存在嚴(yán)重不合理現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為重施化肥、氮肥過(guò)量和不足并存，造成環(huán)境污染，影響人體健康[2]。近年來(lái)，通過(guò)有機(jī)肥替代部分化肥，在不減產(chǎn)甚至增產(chǎn)的前提下減少化肥的施用，這是我國(guó)深入開(kāi)展化肥零增長(zhǎng)行動(dòng)，加快推進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要措施[3]。有機(jī)肥（尤其是畜禽糞便）與生物有機(jī)肥是目前研究較多的有機(jī)肥料，在提升土壤肥力方面有各自的優(yōu)勢(shì)[4]。明確不同有機(jī)肥替代化肥條件下的小麥產(chǎn)量，養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)運(yùn)，土壤環(huán)境等情況，為黃土高原小麥生產(chǎn)合理高效施肥提供依據(jù)，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的改善具有促進(jìn)作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)肥能提高作物產(chǎn)量，肥料利用率及土壤肥力，降低土壤硝態(tài)氮?dú)埩?。劉金華[5]研究表明等氮條件下，商品有機(jī)肥替代化肥處理能提高小麥株高和產(chǎn)量。楊修一等[6]研究表明有機(jī)肥替代化肥氮素，配合控釋尿素施用，可顯著增加土壤總碳和銨態(tài)氮含量。沈冰濤等[7]研究表明與單施化肥處理相比，有機(jī)肥替代化肥能提高小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分及部分酶活性。趙聰?shù)萚8]研究表明，有機(jī)肥配施低量無(wú)機(jī)肥既能提高土壤肥力, 又能緩解硝態(tài)氮在土壤剖面中的累積和淋溶。呂鳳蓮等[9]研究表明，有機(jī)肥替代75%化肥氮可以提高作物產(chǎn)量和氮效率，增加年經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有效減少土壤硝態(tài)氮的殘留量。Marcote等[10]研究表明，增施有機(jī)肥料和微生物肥料有利于改善土壤理化性質(zhì)和微生物區(qū)系。宋震震等[11]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著增加土壤微生物碳和氮，能提高土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶的活性。宋松等[12]研究表明生物有機(jī)肥可以改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，根系環(huán)境和土壤酶活性，提高作物吸收養(yǎng)分能力。韓曉增等[13]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能使土壤pH穩(wěn)定在一個(gè)適宜作物生長(zhǎng)的范圍?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】黃土高原是典型的旱作麥田區(qū)，過(guò)量施肥導(dǎo)致養(yǎng)分損失嚴(yán)重。以往的相關(guān)研究大多集中在施肥對(duì)產(chǎn)量等的影響，本項(xiàng)研究在測(cè)控施肥即“1 m土層硝態(tài)氮監(jiān)控施氮肥，0—40 cm土層磷、鉀衡量施肥”基礎(chǔ)上，分別用有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代部分化肥，研究長(zhǎng)期有機(jī)替代后養(yǎng)分利用轉(zhuǎn)移及土壤環(huán)境效應(yīng)等?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究依托旱地小麥水肥高效長(zhǎng)期定位試驗(yàn)區(qū)，每年在測(cè)控定量減施氮肥的基礎(chǔ)上，以有機(jī)肥和生物有機(jī)肥替代部分化肥，試驗(yàn)進(jìn)行5年，研究其對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成，籽粒氮、磷、鉀含量，養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移吸收，肥料利用效率及土壤環(huán)境等的影響，以便為當(dāng)?shù)佧溙锷a(chǎn)的科學(xué)環(huán)境友好施肥管理以及綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2013—2018年在山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)旱地麥田產(chǎn)區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)處于山西省中南部，氣候干燥，降水量少。此地區(qū)年均日照時(shí)間在2 450 h左右，年均平均氣溫為12℃以下，一年的有效積溫約3 327℃，平均年降水量460—500 mm，每年的降水主要集中在7、8、9月份，是一個(gè)典型的雨養(yǎng)旱地農(nóng)業(yè)區(qū)。試驗(yàn)土壤類(lèi)型為石灰性褐土，土壤質(zhì)地為中壤，播前表層土壤各養(yǎng)分含量為：有機(jī)質(zhì)15.3 g·kg-1，全氮0.8 g·kg-1，硝態(tài)氮8.1 mg·kg-1，有效磷11.7 mg·kg-1，速效鉀205.4 mg·kg-1，pH7.6，容重1.2 g·cm-3。種植小麥為晉麥47。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，4次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積0.012 hm2。4個(gè)處理均為壟膜溝播種植模式，處理1（FP）為農(nóng)戶施肥，按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)施肥；處理2（OF）為測(cè)控施化肥，即“1 m土層硝態(tài)氮監(jiān)控施氮肥，0—40 cm土層磷、鉀衡量施肥”技術(shù)；處理3（OFM）是以有機(jī)肥替代處理2部分化肥、處理4（OFB）是以生物有機(jī)肥替代處理2部分化肥。處理2、3、4遵循N、P、K等養(yǎng)分量施肥，偏差養(yǎng)分利用尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀補(bǔ)齊。各處理均設(shè)置空白對(duì)照。試驗(yàn)中所施氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（含P2O516%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%），處理3的有機(jī)肥為腐熟的雞糞，養(yǎng)分含量（N 1.4%、P2O52.7%、K2O 1.6%），處理4的生物有機(jī)肥由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供，以處理3中雞糞為基質(zhì)，添加菌種培養(yǎng)制成有機(jī)肥，菌種包括：固氮菌、溶磷菌。每年于小麥播前測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，根據(jù)養(yǎng)分含量確定施肥量，5年的各處理施肥量見(jiàn)表1。

所有肥料均作為底肥，在小麥播種前均勻撒入相應(yīng)小區(qū)，小麥播量為150 kg·hm-2。5年的播種均在9月底至10月初進(jìn)行，收獲在6月初進(jìn)行。每年6月中旬至9月中旬為夏閑期。

表1 2013—2018年試驗(yàn)區(qū)各處理養(yǎng)分用量

1.3 樣品的采集及測(cè)定方法

1.3.1 樣品采集 冬小麥播前、收獲時(shí)采集0—2 m土層的土樣，每20 cm為一層。測(cè)定2 m土層硝態(tài)氮，0—40 cm土層有效磷、速效鉀含量。

在冬小麥開(kāi)花期、收獲期采集植株樣品，用于各器官氮素含量測(cè)定；在收獲期各小區(qū)收獲 3 m×20 m樣方，脫粒計(jì)產(chǎn)，并選取代表性 3個(gè)1 m長(zhǎng)的小麥樣段，調(diào)查穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重。

1.3.2 樣品測(cè)定方法

（1）植株氮、磷、鉀含量。統(tǒng)一用H2SO4-H2O2法消煮，植株的氮、磷、鉀含量分別用半微量開(kāi)氏法，蒸餾定氮；釩鉬黃比色法；火焰光度計(jì)法測(cè)定。

（2）土壤硝態(tài)氮測(cè)定：CaCl2浸提，流動(dòng)分析儀測(cè)定。

（3）土壤有效磷測(cè)定：0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

（4）土壤速效鉀測(cè)定：采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。

（5）土壤全氮的測(cè)定：開(kāi)氏蒸餾法。

（6）土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定：采用容量法重鉻酸鉀氧化-油浴外加熱法。

（7）土壤pH的測(cè)定：水土比1﹕1，pH計(jì)測(cè)定。

1.3.3 計(jì)算方法

花前營(yíng)養(yǎng)器官氮（磷、鉀）素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）= 花期地上部氮（磷、鉀）素積累量（kg·hm-2）-成熟期地上部營(yíng)養(yǎng)器官氮（磷、鉀）素積累量（kg·hm-2）；

花后土壤氮（磷、鉀）素吸收量（kg·hm-2）= 籽粒氮（磷、鉀）素積累量（kg·hm-2）-花前營(yíng)養(yǎng)器官氮（磷、鉀）素轉(zhuǎn)移量（kg·hm-2）；

氮（磷、鉀）肥表觀回收率（%）=[施氮（磷、鉀）區(qū)地上部吸氮量（kg·hm-2）]-對(duì)照區(qū)地上部吸氮（磷、鉀）量（kg·hm-2）]/施氮（磷、鉀）量（kg·hm-2）×100；

氮（磷、鉀）肥農(nóng)學(xué)效率（kg·kg-1）=[施氮（磷、鉀）區(qū)產(chǎn)量-不施氮區(qū)產(chǎn)量]/施氮（磷、鉀）量（kg·hm-2）；

氮（磷、鉀）肥偏生產(chǎn)力（kg·kg-1）=施氮（磷、鉀）區(qū)的籽粒產(chǎn)量（kg·hm-2）/施氮（磷、鉀）量（kg·hm-2）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010整理作圖，SPSS進(jìn)行方差分析，多重比較采用 LSD 法，差異顯著水平為 0.05。

2 結(jié)果

2.1 有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量構(gòu)成及效益的影響

與FP處理相比，OFM、OFB處理5年平均減施化肥氮素35%，年均籽粒產(chǎn)量顯著提高17.2%— 21.4%，年均生物產(chǎn)量顯著提高17.5%—19.9%。年均純收入顯著提高44.3%—54.7%。與OF處理相比，OFM、OFB處理在等養(yǎng)分投入的前提下，5年平均替代化肥氮素40%，年均籽粒產(chǎn)量顯著提高6.0%— 9.8%，年均生物產(chǎn)量提高5.9%—8.1%；年均純收入顯著提高12.9%—21.0%（表2）。

從產(chǎn)量構(gòu)成看，本試驗(yàn)籽粒產(chǎn)量與公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重的相關(guān)性分別為0.862**、0.309、0.672*，表明冬小麥產(chǎn)量形成主要取決于公頃穗數(shù)，其次是千粒重。OFM、OFB處理的公頃穗數(shù)和千粒重的平均值均高于OF處理，說(shuō)明有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥主要通過(guò)提高公頃穗數(shù)和千粒重提高小麥產(chǎn)量，從而提高農(nóng)民收入。

2.2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥籽粒氮磷鉀含量的影響

OFM、OFB處理與FP處理相比，籽粒氮含量平均顯著提高9.6%—12.8%，磷含量顯著提高15.4%—20.9%，鉀含量顯著提高13.2%—18.3%（表3）；OFM、OFB處理與OF處理相比，籽粒氮含量顯著提高9.6%—12.8%，磷含量顯著提高12.5%—17.9%，鉀素提高5.9%—10.7%，但差異不顯著。OFB處理的籽粒氮、磷、鉀含量雖高于OFM處理，但差異不顯著。說(shuō)明有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥可以促進(jìn)籽粒對(duì)氮、磷、鉀的吸收積累。

2.3 有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥養(yǎng)分轉(zhuǎn)移利用的影響

4個(gè)處理的籽粒氮、磷素花前營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移量均高于花后土壤吸收量，鉀素花后土壤吸收量高于花前營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移量（表4）。從氮素來(lái)看，OFM、OFB處理與FP處理相比，花前轉(zhuǎn)移量平均顯著提高29.0%—39.5%，花后吸收量顯著提高52.7%—54.4%；與OF處理相比，花前轉(zhuǎn)移量平均提高9.1%—18.0%，花后吸收量顯著提高48.8%—50.5%。從磷素來(lái)看，OFM、OFB處理的花前轉(zhuǎn)移量比FP處理提高19.8%—29.3%，比OF處理提高2.7%—10.8%，花后吸收量比FP處理顯著提高72.9%—78.6%，比OF處理顯著提高70.5%—76.2%。從鉀素來(lái)看，OFM、OFB處理比FP處理花前轉(zhuǎn)移量平均提高23.3%—45.9%，花后吸收量提高40.3%—42.9%；比OF處理花前轉(zhuǎn)移量平均提高20.2%—42.4%，花后吸收量提高13.6%—15.8%，差異均不顯著。有機(jī)肥替代化肥后，籽粒氮、磷、鉀素的花前營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移量、花后土壤吸收量均提高，并且氮、磷素的花后土壤吸收為顯著提高。說(shuō)明有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥處理可以提高籽粒氮、磷、鉀整體的轉(zhuǎn)移吸收量，特別是促進(jìn)了氮、磷素的花后土壤吸收量。

2.4 有機(jī)肥替代化肥對(duì)肥料利用效率的影響

OFM、OFB處理與FP處理相比，氮肥的平均表觀回收率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力分別顯著提高126.0%—163.7%、149.6%—186.0%、90.3%—97.1%，磷肥的分別提高47.5%—65.3%、50.0%—72.1%、12.9%—16.9%，與FP處理相比，差異未達(dá)顯著水平（表5）。OFB處理與OF處理相比，氮、磷肥的表觀回收率顯著提高48.6%、65.5%，氮、鉀肥的農(nóng)學(xué)效率顯著提高71.3%、51.3%，偏生產(chǎn)力顯著提高20.3%、10.0%，磷肥的農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力均有一定程度提高，但差異未達(dá)顯著水平。OFM處理與OF處理相比，氮、磷、鉀肥料利用率也均有提高，其中鉀肥的農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力顯著提高33.9%和6.2%。表明有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥對(duì)肥料表觀回收率，農(nóng)學(xué)效率，偏生產(chǎn)力均有不同程度的提高作用，即提高了地上部及籽粒對(duì)氮、磷、鉀的吸收利用程度，從而促進(jìn)了產(chǎn)量的增加。其中生物有機(jī)肥替代后的效果更優(yōu)于有機(jī)肥。

表2 2013—2018年各處理小麥產(chǎn)量構(gòu)成及效益

同一年份同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示在 0.05 水平差異顯著。下同

Values followed by different small letters within a column in the same year indicate significant differences at the 0.05 level. The same as below

2.5 有機(jī)肥替代化肥對(duì)土壤肥力及環(huán)境的影響

表6為2018年各處理收獲后表層（0—20 cm）土壤肥力狀況，OFB處理的有機(jī)質(zhì)含量比FP、OF處理顯著提高4.8%—6.3%，比OFM處理提高1.3%，但差異不顯著。有效磷含量與有機(jī)質(zhì)規(guī)律一致，OFB處理比FP、OF處理顯著提高41.3%—87.5%，比OFM處理提高24.2%，但差異不顯著。速效鉀含量OFB處理比FP、OF處理顯著提高17.8%—37.2%，OFM與OFB處理間差異不顯著。表6可以看出，OFM、OFB處理比FP、OF處理的pH降低1.3%—2.5%，但處理間差異不顯著。說(shuō)明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥和生物有機(jī)肥對(duì)土壤pH無(wú)改善調(diào)節(jié)作用。

同時(shí)由表6可以看出，土壤表層硝態(tài)氮貯量，OFM、OFB處理比FP處理顯著降低36.5%—45.8%，比OF處理顯著降低9.6%—23.0%；圖1是2013年播前和2018年收獲時(shí)不同處理2 m土層硝態(tài)氮累積狀況。由圖1可以看出，2018年收獲時(shí)，各處理硝態(tài)氮在0—40 cm土層均有較高累積，其中FP處理累積量最高。同時(shí)FP處理2 m土層硝態(tài)氮累積量也達(dá)到了347.2 kg·hm-2，顯著高于其他各處理，比2013年播前提高了123.0%，并且在1—2 m土層有明顯的淋溶累積。而OFM、OFB處理的2 m土層硝態(tài)氮累積量較FP處理降低67.0%—69.1%，較OF處理降低2.5%—4.0%，較2013年播前降低21.7%—26.7%。表明通過(guò)有機(jī)肥、生物菌肥替代化肥能促進(jìn)小麥對(duì)氮素的吸收，減少了土壤硝態(tài)氮?dú)埩簦档土送寥劳嘶铜h(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)。

FP處理不施鉀肥，所以無(wú)鉀肥利用效率

FP treatment didn't apply potassium fertilizer, so haven't potassium fertilizer utilization efficiency

表6 2018年各處理收獲期表層土壤肥力及硝態(tài)氮?dú)埩魻顩r

圖1 有機(jī)肥替代化肥下2 m土層硝態(tài)氮?dú)埩籼卣?/p>

3 討論

3.1 有機(jī)肥替代化肥對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

有機(jī)肥替代化肥能提高作物產(chǎn)量。本試驗(yàn)中有機(jī)肥、生物有機(jī)肥5年平均替代化肥氮素40%，籽粒產(chǎn)量顯著提高6.0%—9.8%；與前人研究結(jié)果基本一致。趙軍等[14]研究表明，豬糞替代無(wú)機(jī)肥提高了小麥產(chǎn)量；呂鳳蓮等[9]研究表明，有機(jī)肥替代75%化肥氮可以提高小麥-玉米輪作作物產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。孟琳等[15]研究表明，有機(jī)肥料氮替代化肥氮提高了稻谷產(chǎn)量。王斌等[16]的研究也表明生物有機(jī)肥的配施與減量?jī)?yōu)化平衡施肥在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)進(jìn)一步提高氮素利用率，能節(jié)約成本，提高產(chǎn)量。有機(jī)肥替代化肥既發(fā)揮了化肥釋放養(yǎng)分的速效性，也發(fā)揮了有機(jī)肥的緩釋性[17]，有機(jī)和無(wú)機(jī)養(yǎng)分能協(xié)調(diào)平衡供應(yīng)[18]，避免前期旺長(zhǎng)和后期早衰，有機(jī)肥中豐富的有機(jī)質(zhì)和微生物，能改善土壤結(jié)構(gòu)[19]，促進(jìn)小麥整個(gè)生育期吸收養(yǎng)分[20]，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目的。本試驗(yàn)中FP處理的施氮量最高，屬于過(guò)量施肥，產(chǎn)量最低，說(shuō)明過(guò)量施肥不會(huì)提高產(chǎn)量，與馬臣等[21]的研究結(jié)果一致，可能因?yàn)榈蔬^(guò)量，但是磷、鉀肥不平衡，不滿足作物需求，導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量最低。

本試驗(yàn)表明籽粒產(chǎn)量與公頃穗數(shù)相關(guān)性最大，其次是千粒重，本試驗(yàn)“有機(jī)替代”處理的公頃穗數(shù)和千粒重均提高。李廷亮等[22]的研究也表明，公頃穗數(shù)和千粒重對(duì)小麥產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大。黃婷苗等[23]和昝亞玲等[24]的研究表明公頃穗數(shù)的增加是小麥增產(chǎn)的主要原因。因?yàn)橛袡C(jī)肥替代化肥可以改善小麥生育中后期的營(yíng)養(yǎng)條件，促進(jìn)幼穗分化[25]，促進(jìn)灌漿期干物質(zhì)向籽粒轉(zhuǎn)移[26]，提高成穗數(shù)和千粒重，為產(chǎn)量提高奠定基礎(chǔ)。上述結(jié)果說(shuō)明，有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥可以通過(guò)提高公頃穗數(shù)和千粒重增加產(chǎn)量，增加收入，適合在旱地推廣。

3.2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)麥田籽粒養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)移及肥料利用率的影響

本試驗(yàn)結(jié)果表明冬小麥籽粒中的氮、磷、鉀一部分來(lái)源于花前營(yíng)養(yǎng)器官轉(zhuǎn)移，一部分來(lái)源于花后土壤吸收，與高洪軍等[27]和王德梅等[28]研究結(jié)果一致。有機(jī)肥替代化肥后，籽粒氮、磷含量顯著提高，與前人研究結(jié)果一致，謝軍等[29]與梁靖越[30]研究均表明，有機(jī)肥替代化肥能促進(jìn)氮素由莖葉向穗部積累，從而提高籽粒氮素積累量。劉彥伶等[31]研究表明，施用有機(jī)肥有利于促進(jìn)干物質(zhì)和磷素的積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)。從5年的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，“有機(jī)替代”后籽粒氮、磷、鉀素的花前轉(zhuǎn)移、花后吸收均提高，主要促進(jìn)了氮、磷素的花后土壤吸收。因?yàn)榛手饕谧魑锴捌诎l(fā)揮作用，而后期有機(jī)肥釋放養(yǎng)分速率高于化肥[32]，所以“有機(jī)替代”有利于籽粒整個(gè)生育期的氮、磷、鉀素積累。劉彥伶等[31]研究表明有機(jī)無(wú)機(jī)配施可促進(jìn)花后籽粒對(duì)磷素的吸收。楊寧等[32]研究表明，花前累積在營(yíng)養(yǎng)器官中的氮、磷養(yǎng)分是成熟期籽粒氮、磷的重要來(lái)源，花后的氮、磷養(yǎng)分累積才是造成成熟期籽粒氮、磷吸收差異的重要原因。本研究得出相似的結(jié)論，因?yàn)榈?、磷肥的合理配施，適當(dāng)延緩小麥后期衰老，促進(jìn)氮、磷素的積累及其向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，并且有機(jī)肥在小麥生長(zhǎng)后期發(fā)揮較大作用，促進(jìn)花后有更多的氮、磷進(jìn)入籽粒，這是氮、磷素花后吸收提高的重要原因。

本試驗(yàn)有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥后的氮、磷、鉀肥的表觀回收率、農(nóng)學(xué)效率、偏生產(chǎn)力均有所提高，生物有機(jī)肥替代后的肥料利用效率最高，F(xiàn)P處理施肥不平衡，且產(chǎn)量最低，從而導(dǎo)致其肥料利用效率均最低。周江明等[33]和任科宇[34]等研究均表明，施用有機(jī)肥可以顯著提高作物的氮肥利用率，并且任科宇的研究表明，在有機(jī)質(zhì)含量較低、降雨量較少的西北地區(qū)配施有機(jī)肥后氮肥利用率的提高幅度最大。謝勇等[35]研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)配施的氮、磷肥料利用率最高。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果一致，有機(jī)肥替代化肥處理可以提高小麥養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)移及產(chǎn)量，相應(yīng)地提高了氮、磷、鉀肥的表觀回收率、農(nóng)學(xué)效率和偏生產(chǎn)力。生物有機(jī)肥含有比有機(jī)肥更豐富的微生物，更能促進(jìn)土壤活性，提高作物吸收養(yǎng)分，從而提高肥料利用效率，而本試驗(yàn)中生物有機(jī)肥替代后的養(yǎng)分轉(zhuǎn)移量，產(chǎn)量均為最高。所以氮、磷、鉀平衡施肥及有機(jī)替代，能促進(jìn)養(yǎng)分花前、花后的轉(zhuǎn)移吸收，從而提高籽粒養(yǎng)分含量，提高肥料利用效率。

3.3 有機(jī)肥替代化肥對(duì)土壤肥力及環(huán)境的影響

本試驗(yàn)中有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥后，表層土壤有機(jī)質(zhì)，全氮、有效磷、速效鉀含量均有所提高。溫延臣等[36]研究表明，有機(jī)肥部分替代化肥能提高土壤有機(jī)碳和全氮含量。祝英等[37]研究表明，有機(jī)肥替代化肥能改善土壤微生物數(shù)量，有利于土壤養(yǎng)分的儲(chǔ)存和供應(yīng)強(qiáng)度。本試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)果一致。因?yàn)橛袡C(jī)肥加入提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量，養(yǎng)分和碳氮比的提高增加了土壤微生物的活性，微生物作用于土壤釋放的有機(jī)質(zhì)也在土壤中積累[38]，使得土壤有機(jī)質(zhì)含量得以提高。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[39]，從而釋放磷、鉀養(yǎng)分。有機(jī)肥與化肥配施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[40]，低溫、少雨的地區(qū)有機(jī)肥可以更好地發(fā)揮其保溫保水性，更利于激發(fā)土壤中微生物的活性，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收[41]。有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代后的pH略有降低。胡誠(chéng)等[42]研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)肥施用量的增加，土壤pH值降低，逐漸接近中性?？螺淼萚43]研究表明有機(jī)肥替代部分化肥能穩(wěn)定土壤pH。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果不太一致?？赡苁且?yàn)楸驹囼?yàn)時(shí)間較短，或者其他原因，有待進(jìn)一步研究。

本試驗(yàn)中有機(jī)肥替代化肥后的土壤表層和2 m土層硝態(tài)氮儲(chǔ)量均有顯著降低，且2 m土層硝態(tài)氮無(wú)明顯淋溶現(xiàn)象。呂鳳蓮等[9]和馬臣等[21]研究均表明，有機(jī)肥替代化肥能減少硝態(tài)氮?dú)埩?。有機(jī)替代后土壤硝態(tài)氮聚集在表層，降低了硝態(tài)氮向下層淋溶的風(fēng)險(xiǎn)。有機(jī)肥的添加改善了土壤理化性質(zhì)，增加了土壤團(tuán)聚化程度，提高微生物活性，更多的氮被利用，從而降低無(wú)機(jī)氮的殘留[44]。因此有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥可以促進(jìn)作物吸收養(yǎng)分，增加土壤養(yǎng)分含量，降低土壤硝態(tài)氮的殘留，對(duì)降低環(huán)境污染具有重要意義。

4 結(jié)論

在測(cè)控施肥基礎(chǔ)上，有機(jī)肥、生物有機(jī)肥替代化肥，促進(jìn)了營(yíng)養(yǎng)元素的轉(zhuǎn)移、吸收量，特別是促進(jìn)了氮、磷素的花后土壤吸收量，分別達(dá)到48.8%—50.5%，70.5%—76.2%，籽粒氮、磷含量平均分別顯著提高11.5%、15.2%。由于公頃穗數(shù)和千粒重的提高，平均籽粒產(chǎn)量顯著提高了6.0%—9.8%，平均純收入提高12.9%—21.0%；使得氮、磷、鉀肥料表觀回收率，農(nóng)學(xué)效率，偏生產(chǎn)力均有不同程度提高，同時(shí)促進(jìn)了土壤肥力的提升，土壤表層硝態(tài)氮貯量顯著降低了9.6%—23.0%，土壤pH降低1.3%—2.5%，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，因此有機(jī)替代是實(shí)現(xiàn)旱地麥田高效安全持續(xù)生產(chǎn)以及發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的科學(xué)施肥技術(shù)。

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Effects of Organic Fertilizers Replacing Chemical Fertilizers on Yield, Nutrient Use Efficiency, Economic and Environmental Benefits of Dryland Wheat

ZHANG QiRu1, XIE YingHe1, 2, 3, LI TingLiang1, 2, 3, LIU Kai1, JIANG LiWei1, CAO Jing1, SHAO JingLin1

(1College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;2National Experimental Teaching Demonstration Center of Agricultural Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi;3Shanxi Provincial Soil and Fertilizer Postgraduate Education Innovation Center, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi)

【】In order to provide the fertilization basis for scientific and efficient production of dryland wheat, the effects of organic fertilizer and biological organic fertilizer replacing chemical fertilizer on wheat yield, nutrient utilization, economy and soil environment were monitored continuously for 5 years.【】From 2013 to 2018 in the dryland wheat field area of Hongtong County, Shanxi Province, there were four different fertilization patterns, including farmer pattern (FP), optimized fertilizers pattern (OF), optimized fertilizers+organic fertilizers pattern (OFM), and optimized fertilizers+biological organic fertilizers pattern (OFB), which were used to analyze the effects on the yield composition, economic benefits, nutrient absorption and transfer characteristics, fertilizer use efficiency, and soil environment of dry wheat in the Loess Plateau.【】(1) Compared with the FP treatment, the average nitrogen fertilizer application was reduced by 35%, and the grain yield was significantly increased by 17.2%-21.4%, and net income was significantly increased by 44.3%-54.7% under OFM and OFB treatments, respectively; compared with the OF treatment, the average nitrogen substitution rate of OFM and OFB in five years was 40%, the spike number per hectare and 1000 grain weight were increased, and the grain yield was significantly increased by 6.0%-9.8%, and net income was significantly increased by 12.9%-21.0% under OFM and OFB treatments, respectively. (2) Compared with OF treatment, the contents of nitrogen in grain was significantly increased by 9.6%-12.8%, and the contents of phosphorus in grain was significantly increased by 12.5%-17.9% under OFM and OFB treatments, respectively; the transport amount at pre-anthesis of nitrogen, phosphorus and potassium of grain and the soil absorption after bloom were also increased, especially the soil absorption of nitrogen and phosphorus after anthesis was significantly increased by 48.8%-50.5% and 70.5%-76.2% under OFM and OFB treatments, respectively.(3) Compared with the OF treatment, the agronomic efficiency and partial productivity of potassium fertilizer under OFM treatment were significantly increased by 33.9% and 6.2%, respectively. The results showed that the apparent recovery rate of nitrogen and phosphorus fertilizer was increased by 48.6% and 65.5%, the agronomic efficiency of nitrogen and potassium fertilizer up by 71.3% and 51.3%, respectively, and the partial productivity was increased by 20.3% and 10.0%, respectively.(4)Organic fertilizers and biological organic fertilizers instead of chemical fertilizer increased soil fertility (organic matter, total nitrogen, available phosphorus, available potassium contents), nitrate nitrogen residue in soil surface was significantly decreased by 9.6%-23.0%, and there was no obvious leaching phenomenon of nitrate nitrogen in 2 m soil layer after 5 years.【】Instead of chemical fertilizer, organic fertilizers and biological organic fertilizers could improve the absorption of nitrogen, phosphorus and potassium in wheat grain, promote the absorption of nitrogen and phosphorus in soil after anthesis, improve the utilization efficiency of fertilizer, and significantly reduce the residue of nitrate nitrogen in soil, and alleviate soil alkalization, which was helpful to improve soil fertility and ultimately obtain higher economic and environmental benefits. Therefore, it was an important measure for the efficient and sustainable production of dryland wheat fields and the development of green agriculture.

dryland wheat; organic fertilizer replacing chemical fertilizer; yield efficiency; environmental effects

10.3864/j.issn.0578-1752.2020.23.012

2020-06-15；

2020-09-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0200401）、國(guó)家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201503124）

張奇茹，E-mail：1575938795@qq.com。通信作者謝英荷，E-mail：xieyinghe@163.com

（責(zé)任編輯 李云霞）