不同有機養分替代化肥對小麥產量、氮肥利用率及土壤肥力的影響

肖倩，武升，劉瑩，曹遲，廖霞，馬友華

（農田生態保育與污染防控安徽省重點實驗室，安徽農業大學資源與環境學院，合肥 230036）

自20世紀50年代以來，化肥因肥效迅速、增產顯著、施用方便等特點迅速成為農業生產的主導肥源[1]。我國化肥施用量占世界31%，每公頃化肥用量是世界平均用量的4 倍，超出國際公認安全線2 倍左右[2]。安徽省作為全國重要小麥種植基地及小麥外調重點省份之一，在確保糧食生產的同時，化肥大量投入是該地區農業生產的顯著特點。據統計，安徽省化肥施用量從2001 年的2.62×106t 增加至2020 年的2.90×106t，單位面積作物化肥施用量高達349.8 kg·hm-2，超出定額標準5.8%[3]。過量施用化肥不僅對作物增產效果不顯著，而且還會導致土壤酸化、肥力降低、環境污染等問題[4]。

近年來，隨著畜禽養殖業專業化、規?；?、集約化的迅速發展，農業面源污染問題日益突出。截至2016年底，我國畜禽糞便排泄量達到2.38×109t，約為工業廢棄物年排放量的2.4 倍[5]。2020 年巢湖流域全年生豬、蛋禽、肉禽、牛和羊的規模養殖比例已經分別達到37.44%、16.27%、37.80%、2.51%和5.98%，畜禽糞便排泄量達1.08×109kg[6]。畜禽糞便大量排放造成耕地負擔日益嚴重，已成為我國農業面源污染的主要來源。據統計，我國每年約產生200億t養殖廢水，其中80%以上的養殖場污水未經處理直接排放。未經處理的污水攜帶有大量的病原微生物和重金屬，造成水體污染、土壤污染、空氣污染，嚴重威脅人類健康[7-8]。

畜禽糞便含有豐富的有機物質和作物生長所需的N、P、K 及中微量元素，經過無害化處理，可轉換為優質肥料、飼料或能源。然而，與化肥相比，有機肥養分含量低、肥效緩慢，單獨施用不能滿足作物生長需求。根據科學施肥原則，從源頭減少化肥用量，將畜禽糞便廢棄物肥料化，作為有機養分與化肥配合施入農田，進行循環利用是建立綠色農業發展的主要途徑。大量研究結果表明，有機肥與無機肥配施在促進作物高產穩產、培肥土壤、改善農田生態環境等方面效果顯著[9-10]。張然等[11]研究認為有機無機肥配施較單施化肥能顯著增加冬小麥產量，5 a 內產量平均提高13%，同時可以降低0～40 cm 土壤容重。趙吉霞等[12]對云南紅壤坡耕地的研究發現，有機肥等氮替代30%化肥處理的玉米籽粒產量和秸稈產量達到最高。王秋君等[13]發現豬糞、菜籽和中藥渣3 種堆肥具有“緩釋劑”和“增效劑”的作用，其可通過陽離子交換作用與化肥形成有機無機復合體，使得小麥的氮素利用率顯著增加。長期配施有機肥還能降低土壤容重并增加土壤有效養分，增強土壤肥力[14]。

有機肥與無機肥配合施用對作物和土壤的影響，取決于有機肥種類、替代比例、土壤質地、耕作制度、氣候因素以及試驗周期等因素。因此，在特定地區開展不同有機肥種類與無機肥配施最佳比例的研究，對于培肥土壤、提高氮肥利用率具有重要意義。本研究采用沼液、堆肥和商品有機肥3種有機肥與化肥配施，設計15%、30%和50%3種等氮替代比例，探究化肥減氮配施有機肥對小麥產量、氮肥利用率及土壤肥力的影響，明確巢湖流域稻麥輪作土壤有機無機配施在小麥上的最適種類和最佳比例，探索適宜皖中地區的合理培肥模式，以期為高效綠色生產提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況

試驗地點位于安徽省合肥市廬江縣郭河鎮廣寒村（31°29′06″N，117°12′15″E），該地屬于亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫為15.9 ℃，平均降水量為1 262.9 mm，年均蒸發量為1 648.9 mm，年均日照時數為1 794.3 h，年無霜期為301 d。

1.1.2 供試土壤

供試土壤類型為河流沖積物發育的潮土，土壤質地為壤土（砂粒53%、黏粒11%、粉粒36%），前茬作物為水稻，0～20 cm 土壤基本理化性質如下：土壤容重為0.96 g·cm-3，pH 值為5.77，有機質含量為25.14 g·kg-1，全氮1.56 g·kg-1，銨態氮14.50 mg·kg-1，硝態氮3.48 mg·kg-1，水解性氮141.00 mg·kg-1，有效磷46.37 mg·kg-1，速效鉀126.73 mg·kg-1。

1.1.3 供試肥料

供試化肥為尿素（N≥46.4%）、過磷酸鈣（P2O5≥44%）和氯化鉀（K2O≥60%）。供試有機肥包括沼液、堆肥、商品有機肥。沼液原料由豬糞尿發酵得到，堆肥原料由豬糞在好氧條件下堆制得到，均由安徽省合肥市廬江縣姚和坤養殖場提供；商品有機肥以雞糞、鴨糞和秸稈為主料，以蘑菇菌棒為輔料，通過好氧堆肥，后續添加有益菌劑二次發酵而成，由安徽祥豐肥業有限公司提供。供試有機肥具體性質列于表1。

表1 供試有機肥養分含量Table 1 Nutrient content of the tested organic fertilizers

1.1.4 供試小麥品種

供試小麥品種為揚麥25，生育期為202 d 左右，行距25 cm，播種量為337 kg·hm-2。

1.2 試驗設計

試驗設置8 個處理：不施肥（CK）、常規施肥（CN）、優化減量施肥（ON）、優化減量配施15%沼液氮（ONL-15%）、優化減量配施30%沼液氮（ONL-30%）、優化減量配施50%沼液氮（ONL-50%）、優化減量配施30%堆肥氮（ONC-30%）、優化減量配施30%商品有機肥氮（ONS-30%）。CN 處理為當地農戶習慣施肥量，ON 處理在常規施肥的基礎上減少8.3%的氮肥投入和22.2%的鉀肥投入，各配施處理以ON處理氮肥施用量為參照，以等氮施用為基礎，依據替代比例及沼液、堆肥和商品有機肥氮含量確定其用量。每個處理3 次重復，小區面積為30 m2（5 m×6 m），采用隨機區組設計排列。各處理養分施用量列于表2。尿素分為基肥和追肥兩次施入（基肥60%+追肥40%），沼液、堆肥和商品有機肥作為基肥施用，施肥方式為人工撒施，2021 年11 月17 日施入基肥后翻耕土壤，翻耕深度為15 cm，磷肥和鉀肥以過磷酸鈣和氯化鉀補足；2022 年2 月28 日追肥，追肥方式為人工撒施后澆水。其他田間管理措施與當地常規措施保持一致。小麥生長期為2021 年11 月17 日至2022年5月27日。

表2 不同處理施肥類型和施肥量Table 2 Fertilizer type and amount of different treatments

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品采集與測定

本試驗于2021 年10 月13 日小麥播種前和2022年5月27日小麥收獲后采集土壤樣品，每個小區采用五點法采集0～20 cm 耕層土樣，各點土樣充分混勻后作為一個土壤樣品，土樣于4 ℃下進行低溫保存。pH值采用電位法測定（土水比1∶2.5）；有機質含量采用重鉻酸鉀外加熱法測定；全氮含量采用凱氏定氮法測定；銨態氮、硝態氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提，過濾后在流動分析儀上測定；水解性氮含量采用堿解擴散法測定；有效磷含量采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量用火焰光度法測定。

1.3.2 植株樣品采集與測定

于小麥成熟期進行收獲測產，收獲前每個小區取1個1 m 雙行的小麥植株樣品測定小麥株高、穗粒數、千粒質量，脫粒后將樣品按秸稈和籽粒分開粉碎后用于籽粒和秸稈的養分含量分析，全氮含量用H2SO4-H2O2消化-凱氏法測定。

1.3.3 小麥產量測定

小麥成熟后，每個小區實行單打、單收、單計產，分別收集每個小區的籽粒和秸稈稱質量，并取部分具有代表性的樣品于60 ℃烘干至恒質量后計算含水量，按烘干質量換算成小麥籽粒產量和地上部生物量。

1.4 計算公式

植株地上部吸氮量（kg·hm-2）=籽粒產量（kg·hm-2）×籽粒含氮量（%）+秸稈產量（kg·hm-2）×秸稈含氮量（%）

氮肥利用率=［施肥處理作物地上部吸氮量（kg·hm-2）－對照處理作物地上部吸氮量（kg·hm-2）］/施肥量（kg·hm-2）×100%氮肥利用率是指施入的氮肥被作物吸收利用的百分率，施氮量中包含化肥和有機肥的氮量。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 進行數據計算，SPSS 17.0 進行處理之間單因素方差分析（LSD），P＜0.05 為差異顯著，Origin 8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對小麥籽粒產量和秸稈產量及產量構成的影響

不同施肥處理下小麥籽粒產量與秸稈產量的變化規律基本一致（表3）。施肥處理小麥籽粒產量為3 543.88～5 244.74 kg·hm-2，秸稈產量為2 705.00～3 701.21 kg·hm-2，與CK相比，各施肥處理顯著增加小麥籽粒產量和秸稈產量，增幅分別為30.17%～92.65%和37.14%～87.65%；其中，ONL-15%處理下的小麥籽粒產量和秸稈產量均達到最大值，分別為5 244.74 kg·hm-2和3 701.21 kg·hm-2。與CN 處理相比，沼液氮替代處理中，ONL-15%和ONL-30%處理能增加小麥籽粒產量和秸稈產量，增幅分別為16.18%、12.85%和2.03%、6.30%，ONL-50%處理對小麥秸稈產量無顯著影響，但降低了小麥籽粒產量，降幅為1.83%。在優化減量施肥的基礎上，隨著沼液氮替代比例的增加，小麥籽粒和秸稈產量呈現降低的趨勢（ONL-15%＞ONL-30%＞ONL-50%）。其中，與ON 處理相比，ONL-15%處理顯著增加小麥籽粒產量和秸稈產量，增幅分別為14.08%和11.46%，ONL-30%處理對小麥籽粒產量和秸稈產量無顯著影響，而ONL-50%處理顯著降低小麥籽粒產量，降幅為3.61%。當有機肥替代30%化肥氮時，ONC-30%和ONS-30%處理顯著降低小麥籽粒產量，籽粒產量較CN 處理分別降低18.89% 和21.50%，較ON處理分別降低20.35%和22.92%；ONL-30%處理對小麥的增產效果顯著，較ONC-30%和ONS-30%相比，小麥籽粒產量分別增加25.79%和29.97%，秸稈產量分別增加28.88%和16.93%。

表3 不同施肥處理對小麥株高、產量及產量構成的影響Table 3 Effects of different fertilization practices on plant height，yield and the yield components of wheat

小麥株高及產量組成指標的影響結果顯示（表3），與CN相比，ON處理能顯著增加小麥千粒質量，增幅為4.94%，但對小麥株高和穗粒數無顯著影響。隨沼液氮替代比例的增加，小麥株高和千粒質量呈逐漸下降趨勢。ONL-15%處理小麥株高、穗粒數和千粒質量均達到最大值，但與ON 處理之間無顯著差異。當有機氮替代比例相同時，與ON 處理相比，ONL-30%處理增加小麥株高和穗粒數，增幅分別為1.75%和8.87%，而ONC-30%和ONS-30%處理小麥穗粒數分別降低6.03%和1.06%，千粒質量分別降低12.16%和11.11%。

2.2 不同處理對小麥氮吸收量和氮肥利用率的影響

不同處理小麥氮吸收量和利用率的結果顯示（圖1），CN 處理的小麥籽粒和秸稈氮吸收量分別為66.82 kg·hm-2和9.72 kg·hm-2，ON 處理對小麥籽粒和秸稈氮吸收量無顯著影響。在3 個沼液氮替代化肥氮處理中，小麥籽粒和秸稈氮吸收量隨配施比例的增加呈現遞減的趨勢，最大值為ONL-15%處理。與ON 處理相比，ONL-15%和ONL-30%處理小麥籽粒氮吸收量分別增加20.29%和3.59%，ONL-50%處理則降低小麥秸稈氮吸收量，降幅為17.93%。在30%有機氮替代比例下，與CN 處理相比，ONC-30%和ONS-30%處理顯著降低小麥籽粒氮吸收量，降幅分別為23.30%和25.75%，但對小麥秸稈氮吸收量無顯著影響。ONL-30%處理顯著增加小麥籽粒氮吸收量，與ONC-30%和ONS-30%處理相比，分別增加36.60%和41.11%。施肥處理小麥氮肥利用率為10.17%～36.46%。與CN 處理相比，ON 處理顯著增加氮肥利用率，增幅為19.79%。在各有機氮替代處理中，ONL-15%處理氮肥利用率最高，ONL-30%處理次之，較ON 處理分別顯著提高65.35%和24.39%。與ON 處理相比，ONC-30%和ONS-30%處理氮肥利用率顯著降低，降幅分別為50.77%和53.89%。

圖1 不同施肥處理對小麥氮吸收量和氮肥利用率的影響Figure 1 Effects of different fertilization practices on wheat N uptake and N use efficiency

2.3 不同處理對土壤理化性質的影響

由表4 可知，有機肥與化肥配施處理降低了土壤容重，與ON 處理相比降幅為1.08%～5.78%。CN 和ON 處理的土壤pH 值分別為4.83 和4.81，而有機肥與化肥配施各處理的土壤pH 值為5.17～5.38，與CN 處理相比，有機肥與化肥配施處理的土壤pH 值提高了0.34～0.55 個單位。有機肥配施化肥能增加土壤有機質含量，與CN 處理相比，增幅為4.35%～28.05%，且隨有機肥替代比例的增加而增加。與CN 處理相比，ONL-15%處理增加了土壤有機質、有效磷和速效鉀含量；ONC-30%處理土壤全氮（表5）和有效磷含量最高，分別為1.42 g·kg-1和17.37 mg·kg-1，較ON 處理顯著增加。除ONS-30%處理外，其余有機氮替代處理的土壤速效鉀含量較ON 顯著增加28.87%～44.85%。

表4 不同施肥處理對土壤理化性質的影響Table 4 Effects of different fertilization practices on soil physical and chemical properties

表5 不同施肥處理對土壤氮素含量的影響Table 5 Effects of different fertilization practices on soil nitrogen content

與CN 處理相比，有機肥替代化肥處理均增加土壤水解性氮含量，增幅為1.31%～27.20%。在沼液氮替代處理下，土壤水解性氮含量隨替代比例的增加而降低，其中ONL-15%處理水解性氮含量最高，為139.50 mg·kg-1，較ON處理相比顯著增加35.70%。當有機肥替代比例為30%時，ONC-30%處理水解性氮含量最高，為135.35 mg·kg-1，較ON 相比顯著增加31.66%，與ONS-30%處理相比顯著增加21.82%。ONL-15%處理土壤銨態氮含量較CN和ON處理分別增加8.95%和9.58%，各處理之間銨態氮含量無顯著差異。與CN 處理相比，ON 處理硝態氮含量降低26.57%，二者差異未達到顯著水平，但在優化減量施肥基礎上配施有機肥能顯著降低32.60%～65.91%的土壤硝態氮含量，且土壤硝態氮含量隨沼液氮替代比例的增加整體呈遞減趨勢。在30%有機氮替代比例下，ONS-30%處理土壤硝態氮含量最低，較CN 處理顯著降低65.91%。

3 討論

3.1 有機養分替代對小麥有效氮供應的影響

水解性氮含量能反映當季土壤氮素供應情況，呂真真等[15]通過28 a 長期定位試驗發現，配施有機肥能顯著提高土壤水解性氮含量，并且以70%比例配施處理的水解性氮含量最高。張琳等[16]研究認為雞糞與化肥配施后耕層土壤水解性氮含量顯著增加25.32%～131.54%。李彥等[17]的研究表明在等氮條件下配施有機肥，第3、5、20 年后水解性氮含量分別增加32%、36.81%、18.04%。本研究發現，有機養分替代處理均能增加土壤水解性氮含量，且隨替代比例的增加而降低。

本研究中，0～20 cm 土壤銨態氮含量均較低（＜12 mg·kg-1），各施肥處理對銨態氮含量影響較小。這與巨曉棠等[18]的研究結果相似，銨態氮在土壤中的累積量很小，不隨施氮量和施肥方式而發生顯著的變化。李樹山等[19]認為化肥氮的施用與土壤硝態氮含量的增加具有顯著正相關關系，單施化肥處理下有27%的硝態氮來自外源化肥氮的轉化，而在有機肥配施處理下僅有5%的硝態氮來自外源有機肥氮的轉化。馬臣等[20]的研究表明，化肥與有機肥配施使大量硝態氮固定在耕層，抑制其向深層累積和遷移。本研究中，小麥收獲季土壤硝態氮含量隨沼液氮替代比例的增加而減少，其原因可能是有機肥可以增加土壤團聚體和活性碳含量，增加對硝態氮的固持能力，并且施用有機肥后土壤C/N 升高，激發了土壤微生物活性使無機氮被固持，從而減少硝態氮的累積[21]。

3.2 有機養分替代對小麥氮肥利用率的影響

本研究中小麥氮肥利用率為10.17%～36.46%，低于陳志龍等[22]報道的17.20%～43.80%，可能是因為本試驗的施氮量（165 kg·hm-2）高于陳志龍等報道的120 kg·hm-2。耿維等[2]研究發現巢湖地區氮肥施用量為1.89×106t，是作物養分需求量的1.75 倍，過多的氮素隨徑流和揮發而損失，導致氮肥利用率降低。前人研究表明，有機肥與無機肥配合施用顯著提高作物肥料利用效率[23-25]。一方面有機肥氮素緩慢釋放使土壤具有更為持久的供氮能力。本研究中，有機肥與化肥配施處理顯著增加土壤有機質與全氮含量，促進植物對肥料氮吸收，增加氮肥利用率。王站付等[26]研究發現單施化肥處理小麥干物質累積量和養分吸收量在前期較高，而減氮20%并配施有機肥處理有利于小麥全生育期對養分的吸收，成熟期氮素累積量顯著增加，同時提高氮肥利用率。另一方面，施用有機肥能增加土壤微生物數量與活性，更多的無機氮被微生物固定，不僅可以減少作物生育前期的氮素損失，還能在作物需肥量增加時將氮素釋放供作物吸收[27]。

但有機肥的替代比例并非越高越好，而是存在最適比例。劉亦丹等[28]發現有機肥氮替代75%化肥氮處理的氮肥利用率為53.3%，較單施化肥顯著提高9.4%。Abbasi 等[29]指出有機肥替代25%的化肥顯著促進小麥各器官的氮素吸收量，并增加25%的氮肥利用率。劉學彤等[25]的研究表明，在推薦施肥基礎上有機氮替代15%處理的氮肥利用率最高，這與本研究中15%沼液氮替代處理下氮肥利用率最佳的結果一致。原因可能是當沼液替代化肥比例過大時，小麥無效分蘗易增多，從而影響穗粒數和千粒質量，阻礙產量增加[30]。本研究中同一替代比例下不同有機肥處理的氮肥利用率表現出一定差異，以沼液氮替代處理的氮肥利用率最高，其原因可能是沼液中銨態氮占總氮量70%以上，且與其他固體有機肥相比濕度更大，施入土壤后既能減少氨揮發，還不利于硝化作用產生N2O，進而減少氮素損失[31]。

3.3 有機養分替代對小麥產量的影響

近年來，氮肥減量施用技術一直在不斷探索和改進，并在作物生產中得到廣泛應用。本研究中，與常規施肥相比，優化減量施肥處理的產量顯著增加，但后者氮素投入量卻減少15 kg·hm-2，表明在試驗地區小麥種植系統中存在氮肥投入過多現象，減氮潛力達8.33%。彭正萍等[24]研究認為，在農民習慣施氮（392 kg·hm-2）基礎上減少20%施氮量，不會顯著影響玉米產量，反而促進玉米氮素利用，減少氮素損失。

馮偉等[32]認為在基施沼液的基礎上追施尿素，可提高小麥產量，尤其以基施25%沼液氮+追施75%尿素氮處理的植株光合功能最強，籽粒產量最高。本研究中，沼液替代15%和30%化肥氮顯著增加小麥籽粒和秸稈產量，較常規施肥相比增幅達16.18%、12.85%和2.03%、6.30%。李瑞等[33]研究認為施氮量相同時，沼液與化肥配施能顯著提升土壤氮礦化勢、礦化速率和累積礦化量，增加土壤供氮能力。隨著沼液施用量的增加，土壤全氮、速效鉀和有機質的含量也增加[34]。本研究中，施用沼液顯著增加土壤水解性氮含量，促進小麥對氮素的吸收利用，降低硝態氮在土壤中的殘留，表明沼液與化肥配施可通過協調氮素供應進而增加作物產量。潘飛飛等[35]研究發現與純化肥處理相比，100%沼液處理的冬小麥地上部產量顯著降低。這與本研究結果相似，隨著沼液替代化肥比例的增加，小麥產量呈逐漸下降趨勢，其中沼液替代15%化肥處理所獲得的小麥產量最高。但當沼液替代比例為50%時，小麥產量顯著低于常規處理。王桂良等[30]發現沼液替代量較高時小麥基部節間長度顯著增加，不良氣候條件下易發生倒伏減產。同時，沼液施用過多可能會導致速效養分含量較低，植株生長不良，阻礙產量形成[36]。

有機無機配施制度中作物產量不僅受配施比例的影響，還與不同種類有機肥有關。孫國峰等[37]的研究表明，50%沼液配施化肥處理對小麥增產穩產效果優于堆肥。劉術新等[38]在茶葉上的研究結果表明，在施氮量相同的基礎上，沼液、堆肥及海產品殘渣有機肥均能提高茶葉品質，尤其以豬糞沼液效果顯著。本研究中，在30%有機氮替代比例下，沼液對小麥的增產效果優于堆肥和商品有機肥，主要原因是堆肥和商品有機肥中氮素釋放緩慢，不能滿足當季小麥的養分需求；而沼液中的速效養分可促進土壤有機氮的分解，其與化肥配施可以減少作物生育期內土壤氮素損失，因此不同有機肥在小麥產量指標上表現出顯著性差異。此外，有機肥與無機肥配施可以疏松土壤，增加土壤通氣性，降低土壤容重[15]。但孫澤強[39]研究發現土壤容重太低則會影響作物生長發育及產量形成，這與本研究結果一致。容重過小使土壤孔隙增加，雖然通氣性強，但土粒間黏結力弱，與根系無法直接接觸，使得養分與水分難以向植物運輸，影響幼苗生長和植物發育，進而導致產量降低[40]。

4 結論

（1）優化減量施肥處理較常規施肥處理可以在減少8.3%氮肥用量的條件下增加小麥籽粒產量和氮肥利用率，表明試驗地塊所在區域稻麥輪作下小麥施肥還具有一定的化肥減氮空間。

（2）15%沼液氮替代比例下小麥籽粒和秸稈產量均最高，有效促進小麥對氮磷養分的吸收和利用，有利于增加土壤養分含量，但50%沼液配施不利于小麥地上部干物質的積累和土壤肥力的提升。

（3）在養分相同條件下，與試驗所用堆肥和商品有機肥相比，沼液與化肥配施對增加小麥產量的效果較好；堆肥與化肥配施可以促進土壤全氮、水解性氮和有效磷的積累，商品有機肥與化肥配施可以緩解土壤酸化，增加土壤有機質含量。