姜麗偉， 謝英荷，2，3， 李廷亮，2，3，4， 劉 凱， 張奇茹， 曹 靜， 邵靖琳

(1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境國家級實驗教學示范中心，山西 太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學山西省土壤肥料研究生教育創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801；4.黃土高原特色作物優(yōu)質高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心， 山西 太谷 030801)

20世紀80年代起全球化肥用量不斷增加，預計2030年將達到2.21億t。黃土旱塬是我國重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，冬小麥是該區(qū)主要的糧食作物，常年種植面積53萬hm以上，其產(chǎn)量約占全國小麥產(chǎn)量10%，在實際農(nóng)業(yè)種植中也存在大量盲目施肥的現(xiàn)象。針對當前化肥不合理施用對環(huán)境造成的潛在威脅，有機肥替代部分化肥將成為我國今后肥料施用的必然趨勢，其對土壤養(yǎng)分的影響成為近年來土壤學與植物營養(yǎng)學的研究熱點。

國內外很多學者研究表明，合理的替代比例具有促進作物的生長、改善產(chǎn)量構成、增加作物產(chǎn)量、提高土壤養(yǎng)分含量的效應。張丹發(fā)現(xiàn)，施用有機肥替代20%化學氮肥可在穩(wěn)定稻麥產(chǎn)量的情況下，明顯地提高稻麥兩季氮肥的利用率；于昕陽等通過連續(xù)3年定位試驗研究表明，合理的有機無機配比可以增加冬小麥地上部氮素吸收量和氮肥利用效率；謝軍紅等研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原半干旱區(qū)，干旱年份以50%和37.5%牛糞商品有機肥替代氮肥水平下，玉米籽粒產(chǎn)量和氮肥利用效率都顯著高于單施氮肥，而豐水年各替代水平處理與單施氮肥相比無顯著差異，表現(xiàn)為穩(wěn)產(chǎn)；謝軍等研究發(fā)現(xiàn)，施用有機肥替代部分化學氮肥，促進了氮素的吸收及向籽粒的轉運，進而提高了玉米的產(chǎn)量和氮肥利用率；也有研究表明，施用有機肥能夠提高土壤有機碳、氮含量。

綜上所述，前人的研究多集中于某一區(qū)域有機肥一種替代比例對作物產(chǎn)量與肥料利用率等方面，缺乏多種替代比例對土壤肥力效應等方面的比較分析，尤其是在黃土旱塬干旱貧瘠的土壤上，不同比例有機替代后對土壤中碳氮組分的系統(tǒng)影響缺乏研究。因此，本研究以典型黃土旱塬冬小麥種植區(qū)為試區(qū)，在當?shù)爻Ｒ?guī)施肥基礎上進行不同比例的有機替代，著重對土壤中活性、緩效和惰性有機碳、氮各組分進行詳細與深入研究，旨在為當?shù)匦←湹目茖W施肥、安全綠色持續(xù)生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2019—2020年在山西省洪洞縣劉家垣鎮(zhèn)東梁村(36°22′N，111°35′E)進行，該區(qū)位于山西省西南部，屬暖溫帶大陸性季風氣候，平均海拔648 m，年均氣溫12.6 ℃，有效積溫3 326.9 ℃，多年平均降水量493.3 mm，且年內分配不均勻，集中在7—9月，與冬小麥生育期嚴重錯位，為典型的黃土高原旱作農(nóng)業(yè)區(qū)。在試驗期間(2019—2020年)生育期降水198.2 mm，夏閑期降水293.3 mm。供試土壤為石灰性褐土，表土砂粒、黏粒、粉粒含量分別為67.7%，28.7%，3.6%，質地為中壤土。播前0—20 cm土壤理化性狀：容重1.21 g/cm，有機質、全氮、全磷、全鉀含量分別為10.4，0.7，0.1，40.2 g/kg，硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別為16.6，7.8，238.9 mg/kg，pH為7.9。

1.2 試驗設計

本試驗在等氮量條件下進行有機無機替代，試驗設置7個處理，分別為100%化肥N處理(HF)、10%腐殖酸N+90%化肥N(F1)、30%腐殖酸N+70%化肥N(F3)、50%腐殖酸N+50%化肥N(F5)、10%有機肥N+90%化肥N(Y1)、30%有機肥N+70%化肥N(Y3)、50%有機肥N+50%化肥N(Y5)。小區(qū)面積5.2 m×18.4 m，各處理重復4次，呈完全隨機排列。具體試驗方案見表1。供試氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(含PO11%)；有機肥為商品有機肥“地愛沃2號”，(N—P—K，9.10%—0.48%—1.24%，有機質46.00%)；腐殖酸為腐殖酸水溶肥粉劑(N—P—K，15.6%—0—4.95%)所有肥料在播前均勻翻耕入土。冬小麥供試品種為“臨豐3號”，播量150 kg/hm。種植方式為利用現(xiàn)代農(nóng)機進行壟膜溝播，2019年播種時間在10月20日，收獲時間在次年6月3日。冬小麥全生育期除自然降水外不灌溉，田間管理同當?shù)剞r(nóng)戶一致。

表1 試驗方案

1.3 樣品采集與測定

植物樣品采集：于小麥收獲期，隨機收獲每個小區(qū)中央3 m×10 m樣方小麥，單獨脫粒計產(chǎn)；每個小區(qū)選取具有代表性的3個1 m小麥樣段進行收獲，調查測定穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重等產(chǎn)量構成因素。

土壤樣品采集：于小麥收獲期每個小區(qū)多點取樣，采集0—20 cm土層土壤，每個小區(qū)3個點，用于土壤碳、氮組分的測定。

1.4 測定項目與方法

(1)小麥產(chǎn)量的測定：于小麥收獲期，隨機收獲每個小區(qū)中央3 m×10 m樣方小麥，單獨脫粒計產(chǎn)；每個小區(qū)選取具有代表性的3個1 m長度小麥樣段進行收獲，調查測定穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重等產(chǎn)量構成因素。

(2)土壤重組有機碳：將25 mL 1.8 g/cm的溴化鋅溶液加入到盛有過0.25 mm篩5 g土樣的離心管中振蕩離心3次，再用95%的乙醇振蕩離心3次，蒸餾水振蕩離心2次后，將盛有土樣的離心管置于60 ℃下烘48 h，最后土樣磨細過0.149 mm篩，用重鉻酸鉀容量—外加熱法測定。

(3)土壤輕組有機碳：采用土壤總有機碳和重組有機碳的差值法求得。

(4)土壤顆粒有機碳、水溶性有機碳、可溶性有機碳、易氧化有機碳、微生物量有機碳分別采用5 g/L的六偏磷酸鈉溶液法、蒸餾水浸提，TOC儀測定、1 mol/L KCL浸提，TOC測定、333 mmol/L KMnO浸提，分光光度計測定、氯仿熏蒸—KSO浸提，TOC儀測定其含量。

(5)土壤氮組分的測定：土壤重組有機氮、輕組有機氮、顆粒有機氮、可溶性有機氮、微生物量有機氮分別采用半微量開氏法測定、土壤總有機氮和重組有機氮的差值法求得、5 g/L (NaPO)溶液分散，半微量凱氏定氮法測定、5 mol/L的KSO浸提，TOC儀測定、氯仿熏蒸—KSO浸提，TOC儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019軟件整理試驗數(shù)據(jù)，SPSS 19.0軟件進行單變量方差分析，采用最小顯著差異法(least significant difference method，LSD)進行顯著性檢驗(<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同有機替代對冬小麥產(chǎn)量及其構成要素的影響

由表2可知，不同有機替代下的冬小麥籽粒產(chǎn)量較HF處理均有所提高，其中，Y5產(chǎn)量最高為4 935.2 kg/hm，顯著高于其他處理7.7%～18.2%，其次是F3、F5和Y3處理，產(chǎn)量均在4 510.7～4 582.5 kg/hm，分別較HF顯著提高9.7%，8.0%，9.2%；較F1顯著提高9.5%，7.7%，8.9%；較Y1顯著提高9.2%，7.5%，8.6%。而F1和Y1與HF，則無顯著差異，產(chǎn)量均在4 176.6～4 197.0 kg/ hm。不同有機替代處理下冬小麥生物產(chǎn)量變化趨勢與籽粒產(chǎn)量基本一致，F(xiàn)3與Y5分別較HF、F1、Y1顯著提高12.5%，11.9%，11.8%與13.1%，12.5%，12.4%。說明10%的有機替代下對冬小麥增產(chǎn)較全量化肥并無顯著作用，而30%～50%有機替代下可以達到顯著增產(chǎn)效果。

從產(chǎn)量構成要素來看，F(xiàn)3、F5與Y5的穗數(shù)相對HF分別顯著提高7.8%，4.7%，8.5%，Y5穗粒數(shù)也顯著高于農(nóng)戶18.8%，各處理最大值達到27.22粒/穗，千粒重各處理則表現(xiàn)為Y3顯著較Y5高出6.4%，但與其他處理無顯著差異。收獲指數(shù)各處理間也并無顯著性差異。由此可見，F(xiàn)3、F5通過提高穗數(shù)來達到增產(chǎn)的目的；而Y1、Y3和Y5則在提高穗數(shù)的前提下穗粒數(shù)也有顯著提高，且Y3與Y5替代下穗粒數(shù)提高效果最為顯著。

表2 不同處理小麥產(chǎn)量及其產(chǎn)量構成要素

2.2 不同有機替代對碳組分含量的影響

由表3可知，總有機碳含量有機替代后，除Y1外其他處理均比純化肥處理HF顯著提高56.7%～76.0%，Y3提高幅度最大?；钚杂袡C碳雖然在土壤中含量低，但運移迅速，可以直接被微生物利用，對土壤質量變化反應敏感，通常以物理、化學和生物學分類方法劃分為水溶性有機碳、可溶性有機碳、輕組有機碳、微生物有機碳和易氧化有機碳。Y5與Y3水溶性有機碳含量分別較HF顯著提高90.9%，54.5%。在所有處理中，Y5、Y3、F5可溶性有機碳含量較HF顯著提高21.1%～36.8%。F5和Y5土壤中易氧化有機碳含量較HF顯著高出52.3%，47.1%。

微生物量碳是比土壤有機碳更敏感的肥力指標，可用來指示土壤肥力的動態(tài)變化和反映土壤質量狀況。Y5與Y3處理較HF與F1分別顯著提高了21.7%～68.0%，且Y5提高幅度最大為68%與64.2%。除Y1外，其余各處理輕組有機碳含量較HF均顯著提高了81.3%～156.8%，Y3提高幅度達到了156.8%，F(xiàn)1、F3、F5和Y5分別較HF顯著提高99.6%，81.3%，119.3%和114.4%。

有機替代處理下顆粒有機碳均較HF有所提高，含量為3.30～3.98 g/kg，但其處理間無顯著差異。F3處理重組有機碳含量顯著高于F1與Y1，其他各處理間并無顯著性差異。

由此可見，在10%～50%有機替代條件下，可有效提高土壤總有機碳含量，同時，對活性有機碳含量的提高也有促進作用，30%～50%有機替代效果更為顯著。而各有機替代處理對顆粒有機碳含量和重組有機碳并無顯著影響。

表3 不同有機替代耕層土壤有機碳組分含量

2.3 不同有機替代對氮組分含量的影響

土壤活性有機氮在幾周或幾個月內可以迅速轉化，從而直接被植物、動物和微生物利用，主要包括可溶性有機氮、輕組有機氮和微生物機氮。由表4可知，F(xiàn)5可溶性有機氮含量顯著高于除F3、Y5外的其他各處理，比HF高46.7%，比F1、Y1、Y3分別提高38.1%，38.3%，41.4%；F3、Y5顯著高于化肥處理33.3%，27.8%，但與其他處理間差異不顯著。微生物有機氮表現(xiàn)為，Y3與Y5處理含量最高，分別較其他各處理顯著提高了63.6%～105.4%，分別比HF顯著提高79.8%，105.4%；F3、F5分別較HF有顯著提高25.6%，17.6%。輕組有機氮含量Y5分別較HF與Y1顯著提高95.5%，79.2%，其余各處理間無差異性顯著。

有機替代處理F3與F1土壤顆粒有機氮含量分別較HF與Y1顯著高出63.6%，50%和45.5%，33.3%。重組有機氮含量只有F3較HF與F1顯著提高28.6%，其他處理均差異不顯著。不同有機替代處理后，土壤全氮含量并無明顯差異，說明等氮量的有機替代對土壤全氮沒有明顯影響。

綜上，30%～50%的有機替代對可溶性有機氮、微生物有機氮和輕組有機氮的提高均有促進作用，F(xiàn)3對顆粒有機氮和重組有機氮的提高影響效果明顯，而其他各處理對二者影響并無明顯效果。

表4 不同有機替代耕層土壤有機氮組分含量

2.4 土壤碳氮組分與小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素間的相關分析

由表5可知，各碳、氮組分對籽粒產(chǎn)量的影響均為正相關關系。其中，水溶性有機碳、微生物有機氮和輕組有機氮均與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關；總有機碳、微生物有機碳、易氧化有機碳、輕組有機碳和可溶性有機氮與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關?？傆袡C碳和輕組有機碳與穗粒數(shù)呈極顯著正相關，水溶性有機碳微生物有機氮、輕組有機氮均與穗粒數(shù)呈顯著正相關；可溶性有機氮和輕組有機氮與穗數(shù)呈極顯著正相關，可溶性有機碳與穗數(shù)呈顯著正相關。重組有機碳與千粒重呈顯著負相關。

總有機碳與活性有機碳、氮組分對冬小麥產(chǎn)量提高有促進效果，土壤全氮含量對冬小麥的產(chǎn)量影響并不明顯。

不同的碳、氮組分通過促進不同的產(chǎn)量構成要素來達到增產(chǎn)的效果，且總有機碳、水溶性有機碳、輕組有機碳和微生物氮通過促進穗粒數(shù)的增加達到增產(chǎn)效果；可溶性有機碳、氮則通過提高穗數(shù)促進小麥增產(chǎn)；輕組有機氮對二者均有顯著影響。

表5 土壤碳、氮組分與小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素間相關分析(N=21)

3 討 論

3.1 不同有機替代下冬小麥產(chǎn)量

本研究表明，進行有機替代的處理籽粒產(chǎn)量均較全量化肥處理有不同程度提高，F(xiàn)3、F5、Y3和Y5分別較HF顯著增產(chǎn)9.7%，8.0%，9.2%，18.2%；其中，Y5產(chǎn)量最高為4 935.17 kg/hm，較其他處理顯著增產(chǎn)8.2%～18.2%。原因為作物的產(chǎn)量與土壤養(yǎng)分的供應過程密切相關?；史市Э?，能及時補充小麥生長發(fā)育所需的養(yǎng)分，有機肥作為作物的儲備養(yǎng)分庫營養(yǎng)元素豐富，但不能滿足作物生長前期的養(yǎng)分需求，而有機無機合理配施可以改善土壤性質，提高土壤肥力，協(xié)調肥料和土壤養(yǎng)分的供應強度，滿足作物整個生育期的養(yǎng)分需求，從而促進作物生長。適宜比例的有機無機肥替代有助于增加小麥花前有效分蘗數(shù)，延長冬小麥灌漿進程，使小麥在整個生育期具有較強的光合能力，增加成穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，進而獲得較高的籽粒產(chǎn)量，與前人研究結果一致。

3.2 不同有機替代下土壤碳組分含量

前人研究表明，有機肥施用能顯著增加土壤有機碳及活性有機碳的含量，本試驗結果表明，進行有機替代后耕層土壤可溶、水溶、易氧化、微生物、輕組和顆粒有機碳組分含量均有不同程度的增加?？扇苄杂袡C碳表現(xiàn)為F5與Y3含量均為0.23 g/kg，Y5含量最高為0.26 g/kg；易氧化有機碳F5與Y5顯著高于其他處理；水溶性有機碳、微生物有機碳和輕組有機碳均表現(xiàn)為，Y5分別顯著高于其他處理23.5%～90.9%，34.9%～102.3%和7.2%～68%；而顆粒有機碳與重組有機碳含量變化較HF均并不明顯。原因為施用有機肥帶來的有機碳源可以在土壤微生物的分解代謝和有機質腐解下釋放出更多的活性有機碳。岳會錦等研究表明，20%與40%的有機肥替代化肥處理下，土壤有機碳含量較全量化肥顯著提高11.4%，15.3%；余高等研究表明，50%有機氮替代化肥氮處理下，可提高土壤中有機碳、可溶性有機碳和易氧化有機碳含量，同時經(jīng)濟效益也達到最優(yōu)效果；徐明崗等在70%有機氮長期替代下研究結果得出，有機肥可直接增加土壤微生物可以利用的有機碳源，促進微生物生長，激發(fā)其活性，降低土壤有機質的氧化穩(wěn)定性，從而增加土壤易氧化有機碳含量；練成燕等研究表明，有機替代有助于提高土壤微生物量，微生物的死亡裂解可以提高土壤可溶性有機碳，均與本研究結果一致。

3.3 不同有機替代下土壤氮組分含量

土壤有機氮庫是土壤氮庫的主要存在形式，約占土壤氮庫的85%，是土壤氮素的主體和作物必需氮素的主要來源?？扇苄杂袡C氮、輕組有機氮以及微生物量氮是土壤活性氮庫的重要組成成分。

本研究與Yang等研究結果一致，土壤全氮在各處理間差異不顯著，但是隨有機替代比例的提升呈增加趨勢。活性有機氮組分有機替代均較HF有所提高，其中，F(xiàn)5可溶性有機氮含量顯著高于除F3、Y5外其他各處理38.1%～51.6%，是由于有機肥自身含有較多的可溶性有機氮，在促進作物生長的同時返還到土壤的殘留物增多。此外，進行有機替代后土壤微生物活性提高，從而可以降解更多的氮素。陳潔等通過20年的長期定位試驗研究結果也表明，有機替代處理可溶性有機氮含量較全量化肥處理平均增加20%。

劉益仁等研究表明，20%～30%豬糞替代化肥處理下，小麥收獲期土壤中微生物氮含量顯著高于全量化肥，與本試驗結果一致，收獲期土壤中微生物有機氮表現(xiàn)為Y3與Y5含量最高，顯著高于其他處理，較其他處理分別顯著高出66.1%～116.1%；其原因為施肥直接增加根系生物量及根系分泌物，促進了微生物的生長，有機肥不但增加了土壤養(yǎng)分，直接為微生物提供了充足的碳源，還通過同化作用將較多的氮素轉移到微生物體內被暫時固定，減少了氮素的損失。

宋震震等研究表明，50%有機替代處理下土壤中輕組有機氮含量較不替代處理顯著提高29.6%，本試驗結果也表明，有機替代可提高土壤中輕組有機氮含量，且Y5效果最好，分別較HF與Y1顯著提高95.5%，79.2%。顆粒有機氮組分表現(xiàn)為F5與F3分別較其他處理顯著高出9.9%～86.5%，12.5%～80%，與前人研究結果一致。

重組有機氮穩(wěn)定性強、不易被分解、難被作物吸收利用。本試驗結果表明，進行10%～50%的有機替代對土壤中重組有機氮組分含量并無顯著影響，雖然有機替代處理時，有機物料直接投入，會造成重組有機氮含量的升高，但其有機物料投入后促進微生物大量繁殖對重組有機氮進行分解礦化，導致其與全量化肥處理無顯著性差異。

3.4 碳、氮組分與小麥產(chǎn)量相關性

土壤有機碳、氮對作物產(chǎn)量等方面具有重要影響作用，有機物料的投入可直接提高土壤活性有機碳含量。水溶性有機碳、易氧化有機碳和輕組有機碳不僅為作物生長提供所需的養(yǎng)分，又為微生物代謝供給大量碳源，其含量直接影響土壤養(yǎng)分的有效性。有機碳經(jīng)微生物分解礦化后直接被作物吸收利用，同時，促進植物的根系發(fā)育，增加對土壤養(yǎng)分的吸收利用，從而達到增產(chǎn)效果。進行有機替代后，在作物生長發(fā)育所需速效氮前期由化肥提供，后期則由有機肥礦化分解提供，保證作物整個生育期的養(yǎng)分供應，其中，活性有機氮的作用尤為重要。張莉等連續(xù)3年進行玉米秸稈還田后，0—40 cm土壤中有機碳、可溶性有機碳均與小麥產(chǎn)量呈極顯著正相關；王利民等研究表明，茶葉產(chǎn)量與總有機碳、微生物有機碳存在密切的直線相關關系。本試驗也表明，有機替代可較全量化肥處理顯著提高土壤中活性有機碳、氮組分(表3和表4)，進行相關分析后可知，總有機碳及部分活性有機碳組分和活性有機氮組分與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈顯著正相關，其中，水溶性有機碳與冬小麥籽粒產(chǎn)量呈極顯著正相關。從產(chǎn)量構成來看，可溶性有機氮與穗數(shù)呈顯著正相關；微生物氮則與穗粒數(shù)呈顯著正相關；輕組有機氮對穗粒數(shù)與穗數(shù)呈極顯著正相關，此結果與胡乃娟等研究結果一致。

4 結 論

綜上所述，在黃土旱塬冬小麥種植區(qū)進行30%～50%的有機肥和腐殖酸替代化肥后，不但有顯著的增產(chǎn)效果，而且對土壤中水溶性有機碳、可溶性有機碳、輕組有機碳、微生物有機碳和氮等組分的含量均有顯著促進提升作用，且微生物有機氮、輕組有機氮、可溶性有機碳對小麥產(chǎn)量提高具有重要促進作用。其中，50%有機肥替代處理增產(chǎn)和培肥地力的效果更顯著，適宜在當?shù)赝茝V應用。