杜光輝, 史鵬飛, 聶良鵬, 張 琳, 丁 麗, 呂玉虎, 張麗霞, 潘茲亮, 李 杰

(信陽市農(nóng)業(yè)科學院,河南信陽 464001)

河南省信陽市是我國優(yōu)質(zhì)弱筋小麥生產(chǎn)核心區(qū),是支撐我國蒸煮和烘培等相關(guān)食品的原料生產(chǎn)與加工優(yōu)勢區(qū)域。稻麥輪作是當?shù)刂匾N植模式,但化肥過度施用,不僅造成土壤板結(jié),制約土壤地力提升,嚴重影響稻茬麥的產(chǎn)量與品質(zhì),還會降低資源利用效率[1-2]。

有機肥富含豐富的有機質(zhì)及作物生長所需的礦物質(zhì),作為培肥土壤、提升地力的重要手段,受到廣泛關(guān)注[3-4]。一方面有機肥的施用可以改善土壤團聚體,緩解土壤板結(jié),增加土壤透氣性,提升土壤地力[5-6];另一方面有機肥是有機物料發(fā)酵而來,具有豐富的有益微生物和養(yǎng)分,對培肥土壤,提高肥料利用率,增加小麥產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響[7-8]。但有機肥氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量低、養(yǎng)分釋放慢,不能滿足作物對養(yǎng)分的需求,影響小麥的產(chǎn)量[9]。

有機肥替代氮肥能夠有效調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分供給,補充土壤有機質(zhì),促進小麥對礦質(zhì)元素的吸收積累,提升土壤地力及可持續(xù)性,是小麥提質(zhì)增效的有效措施[10-13]。但有機肥施用比例過大不僅會增加投入成本,還影響小麥產(chǎn)量,增加土壤氮的損失。本試驗旨在探索有機肥替代氮肥對小麥產(chǎn)量、品質(zhì)及養(yǎng)分積累的影響,為豫南弱筋麥種植區(qū)的有機肥替代氮肥技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點位于河南省息縣宏升糧食制品有限責任公司生產(chǎn)基地(32°15′N,114°09′E),該地地處淮河以北,地勢平整,灌溉方便,旱澇保收。供試土壤為壤土,試驗前耕層(0～20 cm)土壤pH 值 7.58,有機質(zhì)含量19.3 g/kg,全氮含量1.06 g/kg,堿解氮含量 87.5 mg/kg,全磷含量0.40 g/kg,有效磷含量 7.65 mg/kg,全鉀含量15.68 g/kg,速效鉀含量 117.3 mg/kg。

1.2 試驗材料

試驗選用小麥品種為揚麥13,經(jīng)檢測供試有機肥總氮含量1.51%,總磷含量3.32%,總鉀含量0.36%。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)計5個處理,分別是不施肥(CK)處理、常規(guī)施肥(T1)處理、化肥優(yōu)化施肥(T2)處理、有機肥替代15%氮肥(有機肥以氮計算,T3)處理、有機肥替代30%氮肥(T4)處理,每個處理設(shè)3次重復(fù),采用隨機區(qū)組排列。小區(qū)面積為20 m2(4 m×5 m),各小區(qū)間隔30 cm,并進行開溝。試驗于2021年10月20日進行播種,2022年5月23日收獲,播種量為225 kg/hm2,每個小區(qū)種16行,行距25 cm。小麥按照N、P2O5、K2O的含量分別為210、126、105 kg/hm2施肥。磷肥(過磷酸鈣,P2O5含量12%)、鉀肥(氯化鉀,K2O含量 60%)及有機肥全部作基肥施用;氮肥(尿素,N含量46%)常規(guī)施肥全部作基肥施用,優(yōu)化施肥及其他處理按基肥70%、返青肥30%的比例施用。

1.4 樣品采集與分析

在2022年收獲期,根據(jù)5點對角線法采集小麥地上部植株,每個點采集3株小麥。將小麥分為籽粒和秸稈2個部分,清洗自然風干后分別稱質(zhì)量,粉碎過篩,做好標記,裝袋保存,留待后續(xù)測定。

小麥籽粒測定蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、全氮、全鉀和全磷的含量。小麥秸稈測定全氮、全鉀和全磷的含量。小麥產(chǎn)量按實打?qū)嵤沼嬎恪?/p>

1.5 計算公式與統(tǒng)計方法

小麥氮積累量=小麥干物質(zhì)量×小麥氮含量/1 000,kg/hm2;氮肥利用率=(施氮區(qū)作物吸氮量-不施氮區(qū)作物吸氮量)/(施氮量+有機肥氮含量)×100%;氮偏生產(chǎn)力=施氮處理產(chǎn)量/施氮量,kg/kg;氮農(nóng)學效率=(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-對照產(chǎn)量)/氮肥施用量,kg/kg。

所有試驗數(shù)據(jù)均采用SAS 9.4 、 Microsoft Excel 2013 、Graph Pad Prism 5.0進行處理分析及繪圖。并通過Duncan’s多重比較驗證0.05水平上的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對小麥地上部干物質(zhì)量的影響

不同處理對小麥地上部干物質(zhì)量的影響如圖1所示,與CK相比,所有施肥處理均顯著增加了小麥籽粒、秸稈及地上部干物質(zhì)量。從圖1-a可以看出,不同處理籽粒干物質(zhì)量在5.575～7.720 t/hm2之間,T3處理產(chǎn)量最高;與T1處理相比,T2、T3、T4處理均能顯著增加小麥籽粒干物質(zhì)量,增幅分別為3.66%、8.66%、4.93%;與T2、T4處理相比,T3處理能顯著增加小麥籽粒干物質(zhì)量。從圖1-b可知,小麥秸稈干物質(zhì)量在4.945～6.875 t/hm2之間,且優(yōu)化施肥處理的干物質(zhì)量最高;與T1處理相比,T2、T3和T4處理均能提高小麥秸稈產(chǎn)量,但只有T2處理差異顯著,增幅分別為13.45%、6.44%和5.78%。從圖1-c可以看出,不同處理小麥地上部干物質(zhì)量在10.520～14.240 t/hm2之間,與T1處理相比,優(yōu)化施肥處理及2個有機肥替代氮肥處理均顯著提高了地上部干物質(zhì)量,增幅分別為8.99%、8.46%、6.12%。

2.2 不同試驗處理對小麥品質(zhì)的影響

由表1可知,有機肥部分替代氮肥能夠顯著增加小麥籽粒中蛋白質(zhì)和淀粉的含量。與T1、T2處理相比,T3和T4處理可以顯著增加小麥籽粒的蛋白質(zhì)含量,T3處理增幅為5.15%、3.55%,T4處理增幅5.88%、4.26%;施化肥處理與對照無顯著差異。有機肥替代15%氮肥處理的小麥籽粒中淀粉含量最高,與常規(guī)施肥和不施肥處理相比差異均達到顯著水平。與T1、T2處理相比,T3和T4處理顯著提高了麥粒的淀粉含量,T3處理增幅為24.63%、19.85%,T4處理增幅為19.54%、14.95%。施肥處理對小麥籽粒中脂肪含量影響較小,有機肥替代15%氮肥處理的小麥籽粒中脂肪含量依舊最高。

表1 不同處理對小麥品質(zhì)的影響

2.3 不同試驗處理對小麥籽粒養(yǎng)分積累的影響

不同處理對小麥籽粒養(yǎng)分積累的影響如圖2所示,與CK相比,所有施肥處理均顯著增加了小麥籽粒氮、磷、鉀養(yǎng)分的積累。從圖2-a可以看出,不同處理小麥籽粒氮積累量均存在差異,與T1處理相比,T2、T3和T4處理均顯著增加了小麥籽粒氮積累量,增幅分別為20.17%、19.92%、10.72%;T3、T4處理氮積累量均低于T2處理,且T4處理與T2處理差異達到顯著水平,T4處理降幅為8.54%。從圖2-b可以看出,T4處理小麥籽粒磷積累量最大,但與T2、T3處理差異不顯著;與T1處理相比,優(yōu)化施肥處理和2個有機肥替代氮肥處理均顯著增加了小麥籽粒氮積累量,增幅為9.75%～18.31%。不同處理小麥籽粒鉀積累量變化如圖2-c所示,與T1處理相比,T2、T3、T4處理均顯著增加了籽粒鉀積累量,增幅為14.36%～29.24%;與T2處理相比,T3、T4處理籽粒鉀積累量均顯著增加,增幅分別為13.01%、8.18%。

2.4 不同處理對小麥秸稈養(yǎng)分積累的影響

不同處理小麥秸稈養(yǎng)分積累量如圖3所示,小麥秸稈的鉀積累量高于氮和磷的積累量,所有施肥處理均顯著提高了小麥秸稈的養(yǎng)分積累量。從圖 3-a 可以看出,優(yōu)化施肥處理秸稈氮積累量顯著高于有機肥替代氮肥處理,與T3、T4處理相比,T2處理的增幅分別為8.82%、16.08%;與T1處理相比,T2、T3和T4處理顯著增加了小麥秸稈氮積累量,增幅分別為29.11%、18.64%、11.23%。從圖3-b可以看出,施肥處理顯著增加了小麥秸稈中磷積累量且存在顯著差異,4個施肥處理秸稈中磷積累量表現(xiàn)為T4處理>T3處理>T2處理>T1處理,與T1處理相比,T2、T3和T4處理小麥秸稈磷積累量分別增加82.21%、99.27%和109.19%。不同處理小麥秸稈鉀積累量如圖3-c所示,T4處理的小麥秸稈中鉀的積累量最高,達到134.47 kg/hm2,且隨著有機肥替代氮肥比例增加,小麥秸稈中鉀含量逐漸增加;與T1處理相比,T2、T3和T4處理顯著增加了小麥秸稈的鉀積累量,增幅為21.96%～36.27%。

2.5 不同處理對氮肥利用效率的影響

氮肥利用率、氮偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學效率是當前評價氮肥利用效率的常用指標,其數(shù)值越大表示作物對氮素的利用效率越高。由表2可知,與T1處理相比,T3和T4處理的氮肥利用率、氮偏生產(chǎn)力及氮農(nóng)學效率均顯著提高,T2、T3和T4處理小麥的氮肥利用率分別增加了91.03%、84.78%和51.04%,氮偏生產(chǎn)力分別增加了3.67%、8.66%和4.94%,氮農(nóng)學效率分別增加了16.87%、40.05%和22.77%;與T2處理相比,T3和T4處理小麥的氮肥利用率分別降低3.27%和20.93%,氮偏生產(chǎn)力分別增加了4.82%和1.23%,氮農(nóng)學效率分別增加了19.84%和5.05%。

表2 不同處理對氮肥利用率的影響

3 討論

作物產(chǎn)量是衡量不同施肥處理效果的重要指標。高菊生等通過開展有機無機配施長期定位試驗表明,有機無機配施能夠顯著提高水稻地上部干物質(zhì)量,促進水稻持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[14];Azam 等通過開展小麥玉米輪作試驗發(fā)現(xiàn)有機氮替代25%化學氮肥時小麥產(chǎn)量達到最高[15]。本研究結(jié)果表明,稻茬麥種植模式下,有機肥替代15%氮肥(T3)時小麥籽粒干物質(zhì)量最高,且增加氮肥替代量后,小麥籽粒干物質(zhì)量呈現(xiàn)下降趨勢,這可能是由于有機肥盡管含有充足的養(yǎng)分,但是其釋放非常緩慢不利于作物吸收。本試驗與田亨達等用有機肥替代30%氮肥效果最好的研究結(jié)果[16]存在一定差異,可能是因為本試驗首年進行,有機肥長期培肥效果未能得到完全體現(xiàn)。T2、T4處理的籽粒干物質(zhì)量無顯著性差異,一方面可能是因為試驗田塊前期土壤肥力水平較大,本試驗為第1年試驗,受土壤肥力狀況影響較大,造成小麥產(chǎn)量無顯著性差異;另一方面可能是因為有機肥富含豐富的有機質(zhì)及磷、鉀養(yǎng)分,但肥效長、養(yǎng)分釋放慢,T4處理相對T2處理增加了有機質(zhì)及磷、鉀肥供應(yīng)量,對小麥生長有一定促進作用,而氮養(yǎng)分釋放較慢又對小麥生長造成一定影響,從而出現(xiàn)T2、T4處理無顯著性差異的現(xiàn)象。綜上所述,有機肥替代15%氮肥能夠顯著增加小麥的產(chǎn)量。

蛋白質(zhì)、淀粉和脂肪是小麥品質(zhì)的重要成分。施用有機肥料并不能顯著改善小麥籽粒中脂肪的含量,但可以顯著增加蛋白質(zhì)和淀粉的含量。綜上分析,說明有機肥替代氮肥能夠改善小麥籽粒的品質(zhì),這可能是因為有機肥中富含微量元素和有機質(zhì),能夠改善土壤理化性狀,促進小麥葉片的光合作用,進而促進了蛋白質(zhì)和淀粉在籽粒中的累積[17]。

小麥籽粒與秸稈養(yǎng)分積累量能夠直觀反映出干物質(zhì)的生產(chǎn)與分配,小麥對養(yǎng)分的吸收利用及轉(zhuǎn)運,會直接或間接影響小麥產(chǎn)量[18]。本研究結(jié)果表明,施肥或有機肥替代氮肥均能顯著增加小麥籽粒與秸稈養(yǎng)分積累量。肥料的施用能夠提高土壤養(yǎng)分含量,促進小麥對養(yǎng)分的吸收利用,增加小麥對養(yǎng)分的吸收利用,提高小麥籽粒與秸稈的養(yǎng)分積累。與常規(guī)施肥相比,優(yōu)化施肥及有機肥替代氮肥處理均能顯著提高小麥籽粒與秸稈中養(yǎng)分的積累量,且增加幅度較大。一方面可能是因為常規(guī)施肥造成小麥前期旺長,越冬期受凍害影響嚴重,隨著生育期延長,化肥肥效短流失嚴重,造成返青、拔節(jié)期肥效不足,嚴重影響了小麥籽粒與秸稈干物質(zhì)量,進而影響小麥養(yǎng)分吸收與積累[19]。從圖2-a與圖3-a可以看出,小麥籽粒與秸稈氮積累量均表現(xiàn)為優(yōu)化施肥處理高于有機肥替代處理,且隨著有機肥替代比例的增加出現(xiàn)氮積累量降低的現(xiàn)象;磷與鉀的積累量總體表現(xiàn)為有機肥替代氮肥處理高于優(yōu)化施肥處理。有機肥肥效長、養(yǎng)分釋放較慢,可能是因為有機肥替代氮肥處理氮肥供應(yīng)在小麥生育期存在供給不足現(xiàn)象;而有機肥富含磷、鉀肥,提高了土壤中磷、鉀含量,且有機肥富含有益微生物,能夠活化土壤惰性磷與鉀,促進小麥對磷、鉀肥的吸收利用[20-21]。

氮肥利用率、氮偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學效率是判斷農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展的重要參考指標,也是合理施用氮肥,控制氮肥流失,降低氮肥造成的點面源污染的重要依據(jù)[22-23]。本研究發(fā)現(xiàn),有機肥替代氮肥能夠提升小麥地上部氮磷鉀養(yǎng)分的積累,提高氮肥利用效率、氮偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學效率。可能是有機肥的適當施用改善了作物生長環(huán)境,調(diào)節(jié)土壤碳氮比,持續(xù)為土壤提供氮素供應(yīng),促進氮素循環(huán),降低氮肥流失。有機肥養(yǎng)分釋放慢,施用后能夠為土壤持續(xù)供氮,為小麥生長提供充足養(yǎng)分,顯著提高氮肥利用率、氮偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學效率[24]。

4 結(jié)論

在信陽市弱筋小麥種植區(qū),有機替代15%氮肥能夠?qū)崿F(xiàn)小麥增產(chǎn),且小麥產(chǎn)量達到7.720 t/hm2,促進小麥籽粒與秸稈氮、磷、鉀養(yǎng)分的積累,提高弱筋小麥籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪的含量,進而提升小麥產(chǎn)量與品質(zhì);有機替代15%氮肥能夠提高氮肥利用效率、氮偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學效率,有效減少氮肥的流失,降低化肥點面源污染,具有明顯的環(huán)境生態(tài)效益。綜合分析表明,有機替代15%氮肥能夠滿足豫南地區(qū)弱筋小麥生長需要的同時實現(xiàn)綠色有機生產(chǎn)。