小麦产量与土壤养分对水生植物源有机氮替代率的响应*

陶玥玥 王海候 金梅娟 施林林 董林林 陆长婴 沈明星

（江苏太湖地区农业科学研究所/农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏苏州 215155）

环太湖地区是我国重要的稻麦轮作区，长期以来持续过量化学氮肥施用不仅造成该地区氮肥肥效过低，也带来严重的环境污染问题，如地下水硝酸盐污染、地表水富营养化和土壤酸化等［1-3］。有研究表明：麦季不同深度地下水硝态氮浓度远高于稻季［2］。麦季过量施用氮肥已越来越多地受到人们的关注［1,4-5］。如何保证粮食产量合理稳定增长的同时，减少化肥过量施用带来的不良影响，具有重要的现实意义［6］。配施一定数量有机肥不仅降低了化学氮肥施用量，提高了肥料利用率，还可增加土壤肥力［7-9］。Abbasi和Tahir［10］在巴基斯坦的研究发现：以有机肥代替25%的氮肥可以保证小麦稳产，并利于氮素吸收。然而，有机肥替代化肥对作物和土壤的作用效应因替代比例、作物系统、土壤质地及肥力、气候以及试验年限存在显著的差异［11］。目前大部分研究针对畜禽粪便源有机肥，较少针对水生植物源有机肥。

环太湖地区水体及集约化水产养殖产生大量水生植物残体，若后期处理不当易造成二次污染，严重影响生态环境。作为水生植物残体无害化的重要途径，高温堆肥发酵可消除其对环境的污染和生态的破坏，从而促进生态协调发展［12-13］。水生植物生长过程中富集了大量植物生长所需营养元素，也是良好的有机肥源，其农田施用可形成良好的物质循环利用的生态种养结合模式，对于实现我国化肥施用量零增长具有重要意义。水生植物堆肥替代部分化学氮肥可优化水稻产量构成，提高水稻籽粒产量与土壤有机碳含量［13］。然而，水生植物源有机肥与化肥配施在小麦旱地上的产量效应、养分吸收及土壤养分变化的研究却鲜见报道。基于此，本研究在小麦生长季等氮量条件下，研究了水生植物源有机肥和尿素不同全氮配比对小麦产量和土壤养分指标的影响，以期为环太湖地区小麦种植合理施用水生植物有机肥提供指导。本研究不仅对构建环太湖地区水生植物有机肥施肥模式具有重要理论意义，而且对减少水生植物资源浪费、缓解环境污染潜在风险有一定实际价值。

1 材料与方法

1.1 试验概况与供试材料

试验地位于江苏省苏州市望亭镇项路村（31°25′ N，120°26′ E），濒临太湖，属于典型亚热带季风性湿润气候，年平均温度约15.7℃，年降水量约1 100 mm，年日照时数在2 000 h以上，年无霜期在230 d以上。土壤属于太湖地区典型潴育型水稻土，土壤有机质30.6 g·kg-1，全氮 1.76 g·kg-1，有效磷 6.43 mg·kg-1，速效钾84.8 mg·kg-1，pH为6.3。

供试小麦品种为“扬麦16”。小麦在11月人工条播，行距40 cm，按照262.5 ～ 300 kg·hm-2播种，次年5月底收获。供试化肥为尿素（含N 46%）、钙镁磷肥（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%）。供试有机肥采用水生植物伊乐藻（Elodea nuttallii）渣和水稻（Oryza sativa）秸秆，按鲜重4∶1混匀后高温好氧发酵堆制而成。根据常规农化分析方法［14］测定堆肥成品含水量和干基养分含量，试验期间麦季养分平均每季养分投入量如表1。

1.2 试验设计

根据有机氮（以下简写“M”）替代尿素氮（以下简写“U”）比例，试验共设6个处理，分别为0%、20%、40%、60%、80%和100%，分别记为M0U100、M20U80、M40U60、M60U40、M80U20、M100U0。小麦生长季总施氮量均为225 kg·hm-2，每个处理3次重复，随机区组排列，小区面积为21 m2（7 m×3 m），各小区以埂隔开，并用农膜包被。单一化肥处理下尿素分3次施用，50%作基肥，25%作拔节肥，25%作穗肥；化学磷肥按P2O545 kg·hm-2一次性施入；化学钾肥按K2O 75 kg·hm-2以基肥与穗肥比例1∶1施入。有机肥均作基肥一次性施用，且有机肥处理均不再施用化学磷钾肥。

表1 各有机氮替代率下麦季平均养分投入量Table 1 Nutrient input during the wheat growing season relative to organic manure substitution rate

1.3 测定指标与方法

小麦成熟期每小区收割2 m2，带回实验室晒干，扬净称小麦粒重。各小区随机调查0.11 m2有效穗数，调查5个重复，并取代表性植株10穴用于测定产量构成因子，包括有效穗数、穗粒数和千粒重。将成熟期植株样品按秸秆和籽粒分开，105℃下杀青20 min 后继续在75℃烘至恒定质量，分别测定籽粒和秸秆干物质质量。植株样品经专用粉碎机（FZ102，泰斯特，天津）粉碎后，过60目筛用于测定籽粒和秸秆氮、磷和钾含量。植株养分分析方法［14］：经H2SO4-H2O2消煮，采用凯氏定氮法测定氮素含量，采用钼锑抗比色法测定磷含量，用火焰光度计法测定钾含量，并分别计算植株籽粒和秸秆氮、磷和钾的累积量。

2012年试验开始前和2016年试验结束后采集0～20 cm深度土壤，用土钻按“S”形采集土样，各小区以5个点作1个混合样品。带回实验室自然风干后，粉碎分别过20目和100目筛，按常规农化分析方法［14］测定土壤理化性质：土壤有机碳采用铬酸氧化法；土壤全氮采用H2SO4-混合催化剂消解—凯氏定氮法；有效磷用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—钼锑比色法；速效钾采用1.0 mol·L-1NH4OAc浸提—火焰光度计法；土壤和去离子水按1∶2.5浸提后，用pH计（PB-10，赛多利斯，德国）测定土壤pH。

1.4 数据分析

用Excel 2016进行数据处理，Origin 9.2软件进行作图。采用SAS 9.2［15］的广义线性模型（Generalized linear model）过程进行单因素方差分析。根据下列公式分别计算小麦籽粒与秸秆中养分吸收量指标：

吸氮量（kg·hm-2）= 氮含量（g·kg-1）×干物质量（kg·hm-2）/ 1 000

吸磷量（kg·hm-2）= 磷含量（g·kg-1）×干物质量（kg·hm-2）/ 1 000

吸钾量（kg·hm-2）= 钾含量（g·kg-1）×干物质量（kg·hm-2）/ 1 000

2 结 果

2.1 植物源有机氮替代率对小麦籽粒产量的影响

图1表明，与单施化肥相比，有机氮替代率在20%和40%，小麦4 a累积产量最高（P＜0.05）；60%有机氮替代率下与单施尿素处理相当；有机氮替代率大于等于80%时，累积产量低于单施尿素处理（P＜0.05）。试验第1年，与单施化肥相比，小麦籽粒产量随有机氮替代率的增加而逐渐下降，呈显著线性负相关关系（P ＜ 0.05）。试验第2～4年，小麦籽粒产量随着有机氮替代率的增加呈先增后降趋势，呈显著一元二次曲线关系（P ＜0.05），且处理间差异逐渐缩小（图2）。

图1 有机肥和尿素不同配施比例下小麦4 a累积产量Fig. 1 Cumulative wheat yield of the four-year experiment relative to compost substitution rate

2.2 植物源有机氮替代率对小麦养分吸收的影响

成熟期籽粒氮浓度随着有机氮替代率的增加而下降：当有机氮替代率大于等于40%时，籽粒氮浓度下降了15.1%～17.9%（P＜0.05）；有机氮替代率大于等于60%时，秸秆氮浓度下降了17.1%～27.9%（P＜0.05，图3A）。与单施化肥相比，各有机氮替代率下均显著提高了籽粒的磷钾浓度，籽粒磷浓度提高了17.2%～38.5%（P＜0.05），籽粒钾浓度提高了7.3%～16.8%（P＜0.05，图3B和图3C）。有机肥与化肥配施处理下秸秆磷钾浓度与单施化肥处理相当，但单施有机肥下秸秆磷钾浓度显著高于单施化肥处理（P＜0.05，图3B和图3C）。

成熟期籽粒吸氮量随着有机氮替代率的增加而下降：当有机氮替代率大于等于60%时，籽粒氮吸收量下降了20.2%～35.8%（P＜0.05），秸秆吸氮量降低了16.7%～43.8%（P＜0.05，图4A）。小麦籽粒磷、钾吸收量基本随着有机氮替代率的增加呈先增后降的趋势；与单施化肥相比，单施有机肥显著提高秸秆吸磷量，秸秆吸钾量各处理间无显著差异（图4B和图4C）。

图2 各年份有机肥和尿素不同配施比例与小麦籽粒产量的关系Fig. 2 Relationships between wheat grain yield of the experiment and compost substitution rate relative to year

图3 有机氮不同替代率下小麦籽粒和秸秆氮磷钾浓度（2014—2016）Fig. 3 NPK concentration in wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

图4 有机氮不同替代率下小麦籽粒和秸秆氮磷钾吸收量（2014—2016）Fig. 4 NPK uptake by wheat grain and straw relative to compost substitution rate (2014-2016)

2.3 植物源有机氮替代率对小麦土壤养分的影响

连续4 a不同比例植物源有机氮替代下，土壤表层全氮含量、有效磷钾含量和土壤pH均随着有机氮替代率的增加而增加（表2）。与单一施用化肥处理相比，有机肥替代率大于等于60%时，表层土壤全氮含量提高了20.3%～46.3%（P＜0.05），有效磷含量提高了1.9倍～4.2倍（P＜0.05）；各有机氮替代下表层土壤速效钾较单施化肥处理提高了0.5倍～3.8倍（P＜0.05）。有机氮替代率大于等于40%时，土壤pH则较单施化肥处理提高了0.4～0.8个单位。

表2 有机氮不同替代率下土壤全氮、有效磷、速效钾含量和土壤pH（2016，0～20 cm）Table 2 Contents of soil total nitrogen, available P, readily available K and pH relative to compost substitution rate (2016, 0～20 cm)

3 讨 论

利用水生植物净化富营养化水体是一种解决水体污染的有效途径，然而水生植物残体再利用障碍已成为该技术推广难题之一。本研究利用伊乐藻堆肥与化学氮肥配施，探索水生植物源有机肥高效利用模式，为水生植物残体资源化利用提供理论依据和技术支撑。本文连续4 a研究结果表明：水生植物源有机氮替代率为20%和40%时，小麦累积产量较单施化学氮肥提高了14.0%和13.5%（P＜0.05）。有机氮替代率60%下小麦累积产量则与单施化肥处理相当；当有机氮替代率进一步提高时，小麦产量则显著降低（图1）。且有机氮不同替代率下的小麦产量差异随着试验年份的累积而逐渐缩小（图2）。国内外关于有机肥适宜替代率的研究结果并不相同，但多数研究者认为有机肥所占比例并非越高越好，而是存在最佳比例，这与本文植物源有机肥试验结果基本表现一致。如邢鹏飞等［16］在华北农田棕壤4 a试验结果表明，猪粪有机肥替代率为30%，连续4 a小麦产量均与单施化肥相当，有机肥替代率为50%，两年小麦产量出现降低。吕凤莲等［17］在陕西关中塿土2 a试验结果表明，小麦产量随着有机肥替代率的增加表现为先增后降的趋势，但是当有机肥替代率在75%时，小麦产量最高。侯红乾等［18］在湖南红壤双季稻系统25 a试验表明，30%有机肥替代下开始即能迅速增产，但增产趋势随时间的延续先增加再减小，70%有机肥替代处理一开始增产幅度较小，甚至低于化肥处理，但随着时间的延续增产幅度明显增加。然而，在环太湖地区稻田配施水生植物有机肥研究表明，试验第1年仅单施有机肥下水稻产量显著低于单施化肥，有机氮其他替代率下水稻产量均未受影响；连续施用4 a后全量有机肥下水稻产量也与单施化肥处理相当［13］。研究结果的差异不仅是土壤基础肥力水平和试验持续时间差异性造成，还与试验地点的气候等环境因素相关［17］。有机肥自身的速效养分含量有限，需要通过微生物矿化分解来释放养分，而土壤水分和温度等环境因素又直接影响微生物的生物量和活力等［19］。环太湖地区是水稻高产区，小麦种植季气候、温度和水分等完全不同于水稻季，可能引起了有机肥中速效养分释放较慢，加剧微生物与作物竞争速效养分，进而影响产量［13,19-20］。水生植物有机肥与化肥不同配比下，肥料及土壤养分释放规律与环境水热因素的相关性今后需进一步研究。

植株体内氮素水平是决定作物生长和产量形成的关键营养元素［21］。当有机氮替代率达到40%后，小麦籽粒和秸秆氮浓度均显著下降（图3A），当有机氮替代率达到60%后，小麦籽粒和秸秆吸氮量较单施化肥分别下降了20.2%～35.8%和16.7%～43.8%（P＜0.05，图4A），间接表明了有机氮替代率过高下小麦生长季内出现氮素不足，进而影响了产量形成。但同时当有机氮替代率达到60%后，耕层土壤全氮含量显著提高（表2），有机肥与化肥配施对于提高土壤氮素含量具有重要意义，既能快速提高土壤中有效氮的含量，又能长久保存土壤氮素［22］。马力等［23］研究表明，长期施肥使表层土壤氮素累积量明显增加，施有机肥处理的0～20 cm 土层含氮量普遍高于施化肥处理。值得注意的是，配施水生植物源有机肥还提高了小麦籽粒的磷、钾浓度，并随着有机氮替代率的提高而增加（图3B和3C）。农田施用晒干水葫芦可显著提高水稻各生育期植株磷浓度和氮磷钾吸收量［24-25］，这与本研究中伊乐藻堆肥试验结果一致。因此，配施水生植物有机肥还可减少农田化学磷钾肥的施用。从土壤有效磷钾养分变化来看，连续4 a配施水生植物有机肥后，表层土壤中有效磷钾含量均较单施化肥提高，并随着有机氮替代率的增加而增加（表2）。作为植物源有机肥，水生植物有机肥不仅具有动物源有机肥普遍的优势，且长期在水体中富集了大量磷钾等中微量元素［12-13］。另一方面，连续施入有机肥可提高土壤有机质含量，有效提高作物根际土壤有益微生物种群数量和土壤酶活性［26］。大量微生物和腐殖质进入土壤，降低无机磷的固定并促进无机磷的溶解，减少磷钾固持，从而释放有效养分［27-28］。这对于目前太湖农区土壤普遍缺钾及农田磷肥施用过量的问题具有重要意义，同时也需综合考虑过量有机肥配施后径流损失等污染问题。此外，长期大量施用化肥也是造成农田土壤酸化的重要原因之一［3］，本研究中随着有机肥配施量的增加，土壤pH提高，其中，当有机氮替代率达到40%后，土壤pH较单施化肥显著提高了0.4～0.8个单位（表2），可见配施水生植物有机肥对缓解农田土壤酸化也具有重要意义。

综上，配施适宜比例的水生植物有机肥不仅能有效维持小麦产量，提高小麦籽粒磷钾吸收量及土壤氮磷钾养分含量，还可缓解土壤酸化，从而在持续增产和增强土壤功能方面发挥重要作用，是资源循环利用的有效措施。随着农业集约化程度提高，农业资源废弃物的利用技术不断更新，水生植物有机肥的产业化应用有较大潜力成为有机肥利用的重要方向之一。

4 结 论

水生植物源有机肥替代20%～40%无机肥即能得到较高的产量，有机肥替代超过60%无机肥更能保持土壤肥力。既维持较高作物产量、作物养分利用率和土壤肥力，同时可减少磷钾肥施用，水生植物源有机氮替代40%无机肥较适宜。今后尚需考虑有机肥不同替代率下农田养分径流损失等环境问题，以优化水生植物有机肥施用技术。