李 皓，甄怡銘，張子旋，王艷群，付 帥，劉曉明，甄文超，門明新，彭正萍，

(1.河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，河北省農田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北 保定 071001；2.華北作物改良與調控國家重點實驗室，河北 保定 071001)

氮肥是作物生長所需氮素的重要來源，合理的氮肥施用是作物獲得較高目標產量的關鍵。過量施用氮肥不僅造成浪費，也造成農業(yè)面源污染。農業(yè)污染源是總氮、總磷的主要來源，其排放量分別占排放總量的57.2%和67.4%。華北平原作為我國重要的農業(yè)生產基地之一，小麥播種面積占全國51%，卻提供了超過58%的小麥產量。在實際生產中過度施用化肥雖然使個別地方作物產量增加，但增產潛力仍未充分發(fā)揮，氮肥投入增加、氮盈余較高、氮素利用效率低，養(yǎng)分投入不平衡，土壤性質遭受破壞等問題尤為突出。因此，對華北平原區(qū)進行科學合理氮肥施用方式的探索具有重要意義。

代新俊等研究發(fā)現，硝態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥的作物產量間沒有顯著差異，但酰胺態(tài)氮的氮素吸收效率和氮素生產效率較高。銨態(tài)氮肥處理的小麥產量和品質最差，酰胺態(tài)氮肥有利于改善籽粒蛋白質及面筋含量。追氮75～135 kg/hm時，隨施氮量增加，強筋和中筋小麥產量及蛋白質產量均顯著提高，各品種籽粒蛋白質及其組分含量、濕面筋、吸水率、面團形成時間和穩(wěn)定時間均顯著提高。楊明曉等報道，孕穗期追氮較其他時期(抽穗期、開花期)追氮可提高小麥籽粒產量、加工品質及地上部氮素吸收，同時優(yōu)化籽粒蛋白質組成。有資料報道，作物產量隨施氮量增加呈先增后降趨勢，作物當季氮肥利用率隨施氮量增加而降低。劉瑞等研究指出，隨氮肥用量提高，土壤剖面NO—N累積量明顯增加，其向土壤下層淋溶也趨于嚴重；當施氮量為180～240 kg/hm時，部分試驗點的土壤氮素出現盈余；施氮量為270～360 kg/hm時所有試驗點土壤氮素均明顯盈余。對于氮肥不同施用方式的研究已有報道，袁浩等研究發(fā)現，在輕壤質土壤上推薦氮肥基追比4∶6小麥產量、水分利用和氮肥生產效率均高于其他氮肥基追比處理；曹宏磊等研究發(fā)現，氮肥減量25%和添加生物炭在潮土和砂漿黑土上均在保證夏玉米產量的同時顯著減少NO—N淋溶。

目前華北平原麥區(qū)關于氮肥科學合理施用的研究主要集中在無機氮肥品種、氮肥施用時期、氮肥施用方式和氮肥施用量對麥田土壤理化性質的研究，關于有機物質與氮肥合理配施在不降低作物產量基礎上還能改善土壤理化和生物學性質的研究尚少。因此，本文針對華北平原區(qū)施氮量大、氮肥利用率低、施氮模式單一等問題，研究在農民習慣施氮肥基礎上減氮配施生物有機肥、生物炭等有機物質對生長期間土壤容重、有機質、NO—N、土壤微生物多樣性、小麥產量和氮素利用的影響，研究結果為華北地區(qū)小麥種植中合理施用氮肥、穩(wěn)步提升小麥產量、培育土壤、提升土壤可持續(xù)利用能力等提供重要科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本試驗于2019年10月至翌年6月在河北省邢臺市寧晉縣賈家口鎮(zhèn)白木村進行。研究地屬溫帶大陸性氣候，年平均氣溫12.8 ℃，無霜期198天，年均日照時間2 538.1 h，年均降水量449.1 mm。供試土壤屬輕壤質潮褐土，土壤基礎理化性狀見表1。供試小麥為“濟麥22”，供試肥料為控釋尿素(44%N)、過磷酸鈣(16% PO)、磷酸二銨(15%N、42% PO)、氯化鉀(60% KO)。生物有機肥(有益菌≥0.2億個/g，有機質≥40%)、生物炭(果木枝條炭化厭氧條件下600 ℃高溫熱解，全碳含量60.2%，全氮含量6.8 g/kg，全磷含量0.93 g/kg，全鉀含量10.4 g/kg)。

表1 供試土壤基礎理化性狀

1.2 試驗設計

試驗設5個處理，分別為不施氮肥(CK)、農民習慣施氮肥(FN)、減氮20%(80%FN)、減氮20%+生物有機肥(80%FN+OM)、減氮20%+生物炭(80%FN+BC)。肥料用量：FN為N 300 kg/hm，其他施氮肥處理的純N用量為FN減氮20%(240 kg/hm)，各處理均施用相同數量的PO135 kg/hm和KO 105 kg/hm，80%FN+OM的生物有機肥用量為450 kg/hm，80%FN+BC的生物炭用量為3 000 kg/hm；各施氮肥處理的氮肥基追比為4∶6。各處理40%氮肥和全部磷、鉀肥、有機肥和生物炭按照試驗方案設計用量撒施地表，使用旋耕機耕翻土壤深度為20 cm左右，剩余60%氮肥于拔節(jié)期追施。具體各處理施肥情況見表2。每個處理重復3次，隨機排列，共15個小區(qū)，面積為48 m(6 m×8 m)。小麥于2019年10月11日采用15 cm等行距播種，播種量225 kg/hm，其他管理措施同農戶常規(guī)管理，2020年6月5日收獲。

表2 試驗處理及其施肥情況

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集與測定 分別在小麥生長的挑旗、灌漿(花后15天)和成熟期采集土樣，使用環(huán)刀法測定0—20，20—40 cm土壤容重。取0—100 cm土樣，每20 cm一層，鮮土采用1 mol/L的KCl溶液浸提，用SmartChem 200全自動化學分析儀測定NO—N含量。取0—40 cm土樣風干后過1 mm篩，使用外加熱重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質。灌漿期采集0—20 cm新鮮土壤，委托北京百邁客生物科技有限公司進行微生物多樣性分析，基于IlluminaMiseq測序平臺，采用雙末端測序法(Paired-End)對細菌的16S rDNA基因的V3—V4區(qū)進行擴增及測序。

1.3.2 產量測定和氮肥農學效率計算 在小麥成熟期，每處理選取3組，每組割取2 m×6行小麥，將其全部脫粒，測定籽粒重及其含水量，按面積折算為含水量12.5%的小麥籽粒產量。

氮肥農學效率(kg/kg)=(施氮區(qū)小麥產量-無氮區(qū)小麥產量)/氮肥施用量(kg/hm)

1.4 數據處理

數據處理與分析用Excel 2010軟件進行數據計算和相關表格繪制，SPSS 21.0軟件進行相關統(tǒng)計分析，Origin 9.0軟件進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 減氮配施有機物質對土壤容重的影響

從圖1可以看出，隨著小麥生育期的推進，各處理土壤容重逐漸降低。0—20 cm，挑旗期各施氮處理中，80%FN的土壤容重最高，較其他處理提升1.72%～4.43%；灌漿期80%FN+OM的土壤容重下降幅度最大，分別較FN和80%FN下降1.49%和2.64%；成熟期80%FN+BC的容重最低，為1.46 g/cm，較其他施氮處理下降0.02～0.07 g/cm，80%FN+OM、80%FN+BC的土壤容重較80%FN下降3.83%～4.58%。20—40 cm土層，挑旗期80%FN土壤容重顯著高于80%FN+OM和80%FN+BC 4.19%和3.99%，但與FN差異不顯著；灌漿期各施氮處理土壤容重差異不顯著；成熟期80%FN+OM和80%FN+BC的土壤容重與FN相比分別下降2.39%和4.66%，與80%FN相比分別下降2.96%和5.34%。表明減氮配施有機物料能夠在降低氮肥用量的同時降低土壤容重，有利于改善土壤結構，增加土壤內空氣和水分的流通，同時在小麥關鍵生長時期，土壤容重0—20 cm均低于20—40 cm，這也有利于小麥前期的生長發(fā)育和后期土壤養(yǎng)分供應。

注：圖中不同字母表示同一生長期不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.2 減氮配施有機物質對土壤有機質含量的影響

土壤有機質是土壤肥力的重要指標之一，由圖2可知，在小麥關鍵生長時期，各施氮處理的土壤有機質含量均高于CK。挑旗期0—20 cm，80%FN+OM和80%FN+BC土壤有機質顯著提高，較80%FN分別提升13.63%和10.54%，較FN分別提升4.39%和7.31%；20—40 cm，80%FN+OM的土壤有機質含量最高為15.58 g/kg，較其他施氮處理提升14.83%～28.42%；灌漿期各處理間土壤有機質變化與挑旗期相似；成熟期0—20 cm，土壤有機質含量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN>CK，80%FN+OM的土壤有機質含量較其他施氮處理提升2.13%～13.56%，與FN和80%FN間差異顯著；20—40 cm，與FN相比，80%FN土壤有機質含量下降7.96%，而80%FN+OM和80%FN+BC分別提升9.35%和1.68%，80%FN+OM處理較其他施氮處理提升7.54%～18.81%。表明減少氮肥施用同時配施有機物質能夠提升土壤有機質含量，但生物有機肥提升效果更明顯。在全生育期內，80%FN的土壤有機質顯著低于FN。

圖2 減氮配施有機物質對小麥生長關鍵時期不同土層有機質含量的影響

2.3 減氮配施有機物質對土壤NO3--N含量的影響

從圖3可以看出，施用氮肥可有效增加土壤無機氮含量。挑旗期除FN外，其他施肥處理的土壤NO—N含量均先增再減，只有FN處理在0—80 cm內土壤NO—N不斷增加，說明該處理氮素由表層向下淋失。0—40 cm的80%FN+OM和80%FN+BC處理土壤NO—N較高，分別較80%FN處理在0—20，20—40 cm顯著提升52.70%～59.68%和40.10%～42.39%。灌漿期0—80 cm的土壤NO—N均以80%FN+OM處理較高，FN的土壤NO—N明顯降低1.99～18.37 mg/kg，表明80%FN+BC處理顯著提高土壤對NO—N的固持。成熟期各處理相比于灌漿期土壤NO—N含量降低，但FN各土層NO—N含量仍高于其他處理，尤其在20—40 cm較其他施氮肥處理高出7.88～14.13 mg/kg。表明在小麥成熟后，FN處理的土壤NO—N殘留仍較多。

圖3 減氮配施有機物質對土壤NO3-—N含量動態(tài)變化的影響

2.4 減氮配施有機物質對土壤微生物多樣性的影響

從表3可以看出，FN、80%FN、80%FN+OM、80%FN+BC的Alpha分析覆蓋率均高于99%，80%FN的OUT數量最低。以Chao1和ACE指數衡量物種豐度，Shannon和Simpson指數衡量物種多樣性。對各施氮肥處理進行細菌Alpha多樣性統(tǒng)計分析，4個指標均以80%FN最低。Chao1指數和Ace指數，FN顯著高于80%FN，但與80%FN+OM、80%FN+BC間差異不顯著；80%FN+OM、80%FN+BC較80%FN分別增加1.27%～2.04%和1.46%～2.33%。80%FN+OM、80%FN+BC的Shannon和Simpson指數均顯著大于80%FN處理，表明配施生物有機肥和生物炭能提升土壤微生物豐度和多樣性。

表3 土壤細菌群落Alpha多樣性指數

由圖4可知，各處理土壤的優(yōu)勢菌門種類均相同，其中變形菌門(Proteobacteria)所占比例最大，為33%以上，且處理間差異較小。其余依次為酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)等。土壤優(yōu)勢菌門種類沒有因施肥方式的改變而發(fā)生改變，但各菌群的豐度受到明顯影響，80%FN處理的土壤微生物均勻度較差，超過80%的微生物由變形菌門、酸桿菌門、放線菌門和芽單胞菌門組成，不利于微生物環(huán)境的穩(wěn)定。與80%FN相比，80%FN+OM、80%FN+BC處理的酸桿菌門分別降低44.82%和47.56%，芽單胞菌門分別降低43.50%和50.39%，而其他優(yōu)勢菌門的均勻度得到提高，從而提高土壤微生物環(huán)境的穩(wěn)定性。與FN相比，80%FN的微生物均勻度下降，但80%FN+OM、80%FN+BC處理的均勻度有所提升，表明單純減少氮肥施用對微生物環(huán)境不利，同時配施生物有機肥和生物炭等有機物料則可以避免破壞微生物環(huán)境，提高土壤的微生物多樣性。

圖4 減氮配施有機物質對土壤細菌群落組成及豐度的影響

2.5 減氮配施有機物質對小麥產量和氮肥農學效率的影響

從表4可以看出，各施氮處理間FN的有效穗數最高，較其他處理提升0.23%～4.30%；80%FN+BC的千粒重最高，較其他處理提升0.15%～2.45%，但二者差異均不顯著。80%FN+OM的穗粒數、產量和農學效率均為最高，分別較其他施氮肥處理提升1.48%～9.23%，1.09%～7.34%和2.78%～41.49%。表明減氮配施有機物質顯著提高小麥產量及其構成指標，提高氮素農學效率。80%FN雖然產量略低于FN，但氮肥農學效率有所提升，說明過量施用氮肥對產量沒有明顯的作用，同時還會造成氮素浪費。

表4 小麥產量性狀及氮肥農學效率

3 討 論

在小麥各生長關鍵期，80%FN+OM和80%FN+BC土壤容重均顯著降低，80%FN與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，較其他施氮肥處理降低0.78%～5.07%(圖1)，這與黃寅玲等報道的不施用氮肥和施用70%氮肥會導致土壤容重提升，施用85%和95%氮肥會降低土壤容重的趨勢一致。生物炭是一種高度芳香化且具有豐富碳源，有極強的穩(wěn)定性和抗生物化學降解能力，還田后快速提高土壤有機碳。陳心想等報道，施用生物炭顯著增加土壤有機碳，其增幅隨生物炭用量增加而增加。生物有機肥部分替代化肥也會顯著提高土壤有機質。本試驗中，80%FN+OM處理在各關鍵期的土壤有機質均最高，挑旗期較其他施氮肥處理在0—20，20—40 cm分別增加2.79%～13.63%和14.83%～28.42%(圖2)。這是由于該處理施用450 kg/hm生物有機肥，其本身含有40%以上的有機質，其次包含有益菌0.2億個/g以上，菌劑施入土壤后大量繁殖微生物，活化土壤養(yǎng)分，優(yōu)化土壤碳氮平衡，也可以提高土壤有機質含量。全生育期內，與FN比較，80%FN的土壤有機質顯著減少，Chao1、ACE、Shannon和Simpson指數也比較低，這是由于該處理施氮量較少，影響土壤碳氮比例，減弱土壤中微生物的繁殖和發(fā)育，降低前茬玉米秸稈腐熟程度，從而導致土壤有機質含量降低。所有處理的20—40 cm土壤容重與有機質有顯著線性負相關(>0.731)，即土壤有機質增加，土壤容重呈降低趨勢。

翁玲云等報道土壤NO—N累積量隨施氮量增加而上升。本試驗表明，各施氮處理土壤NO—N含量隨作物生育期延長，土壤NO—N含量逐漸減少，垂直方向上隨土壤深度增加NO—N含量呈先升再降趨勢。挑旗期，0—40 cm土層，80%FN+OM和80%FN+BC處理的土壤NO—N含量較高，顯著高于80%FN和FN處理，這有利于小麥吸收養(yǎng)分和根系生長發(fā)育；FN處理施氮量較大，導致氮素淋失嚴重，60—100 cm土壤硝態(tài)氮含量均最高。灌漿期0—80 cm土層均以80%FN+BC處理的土壤NO—N較優(yōu)，生物炭具有較大的比表面積，能更好地吸附固持土壤養(yǎng)分，從而提高土壤硝態(tài)氮含量。由于小麥生長過程中的養(yǎng)分吸收，成熟期各處理土壤硝態(tài)氮含量大幅度減少，但FN由于施氮量較大，此期氮素盈余較多(圖3)。

Chen等使用qPCR、T-RFLP以及DGGE技術研究發(fā)現，生物炭可降低土壤中真菌豐度，而增加細菌豐度；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、微生物群落的豐富度和功能多樣性，中量氮肥120 kg/hm施入土壤后土壤微生物群落豐度和Shannon指數最高。本研究表明，純N用量為240 kg/hm時，配施有機物料顯著提升細菌Alpha多樣性，提升有益菌門相對豐度，使優(yōu)勢菌門均勻度提高，從而使土壤微生物環(huán)境更穩(wěn)定(表3)，這與黃媛媛等報道的生物有機肥和化肥合理配施有效促進土壤中不同類型微生物生長，提升土壤微生物豐富度和多樣性的結果一致。本文通過配施生物有機肥和生物炭等有機物料的方式代替單純增施化肥，提高土壤優(yōu)勢菌門的均勻度和微生物多樣性(圖4)。

彭正萍等研究發(fā)現，與農民習慣施氮量比，適當減少氮肥施用量不會影響作物產量和氮素吸收量，而氮素利用率、氮肥生產效率、氮肥農學效率均得到提高；裴雪霞等研究表明，與單施化肥相比，增施豬糞減施化肥2年度平均增產1.9%～16.5%。證實小麥產量80%FN+OM>80%FN+BC>FN>80%FN，80%FN+OM較FN、80%FN分別提升4.81%和7.34%，但80%FN與FN之間產量相差不顯著，前者較后者提高氮肥農學效率(表4)，表明適量減少氮肥施用的同時配施有機物質能夠提升小麥產量和氮肥利用效率。通過土壤性質與小麥產量間的相關性分析表明，小麥產量與土壤容重呈顯著負相關(=0.778)，與土壤有機質呈極顯著正相關(=0.899)。

4 結 論

FN處理增加了小麥有效穗數，但對于產量提升的效果不明顯，且導致土壤NO—N淋溶增加和氮素利用率降低，不利于土壤持續(xù)利用。與FN相比，80%FN+OM和80%FN+BC均能降低土壤容重，提升土壤NO—N、有機質含量以及小麥產量，同時提高土壤微生物多樣性，而80%FN處理的小麥產量呈降低趨勢。綜合分析，80%FN+OM能夠降低土壤容重，提升土壤有機質和NO—N含量，同時增產效果最為明顯。因此，適量減氮配施生物有機肥是能夠在保障小麥產量的同時，提高土壤肥力的科學、綠色生態(tài)的氮肥施用模式。