减量施肥模式对稻麦轮作体系中小麦产量和养分利用效率的影响

熊又升 熊汉锋 郭衍龙 王海生 刘 威严与向 谢媛园 周剑雄 杨立军

（1湖北省农业科学院植保土肥研究所，430064，湖北武汉；2鄂州职业大学；436000，湖北鄂州；3鄂州市农业科学技术研究所；436000，湖北鄂州；4武汉市农业检测中心，430023，湖北武汉）

我国粮食连续增产的背后是中国化肥施用量的逐年增高，尤其是氮肥的施用量大幅度提升，过量施用化肥导致肥料利用率偏低[1-2]，不仅造成巨大的经济损失，而且造成了严重的环境污染，危害农产品品质[3-4]，不利于农业可持续发展[5]。因此，大力推进化肥减量提效，积极探索产出高效、资源节约及环境友好的现代农业发展之路是推进农业绿色发展的重要措施。减量施肥正是在此背景下发展起来的养分管理技术，即在保证作物产量稳定的前提下，减少肥料投入，以提高肥料利用率和降低环境污染。研究表明，在水稻－小麦[6]和小麦－玉米[7]等轮作体系中，适量减肥并没有引起产量显著变化，且改善了作物品质，提高了肥料利用率和经济效益，降低了养分的环境损失和污染，达到节肥增效的目的。

冬小麦－中稻轮作制是我国长江中下游地区主要的粮食作物种植制度，该耕作制度比较突出的问题是土壤养分不平衡、肥料利用率低且肥料损失大。因此，研究减量施肥模式对长江中下游稻麦轮作制作物产量和养分利用效率的影响，对于提高农田生产力和保护生态环境等方面具有重要意义。

配施肥料增效剂是减少肥料用量和提高肥料利用率的有效手段之一。不同种类肥料增效剂在玉米[8]、棉花[9]和水稻[10]等作物上的应用已有报道。施用肥料增效剂可以减少肥料用量，简化施肥方式，降低施肥成本，减轻化肥污染，保护环境[11-12]。受气候条件和土壤肥力等因素影响，减量施肥效果可能存在很大的区域性差异。为探究不同减量施肥模式在稻麦轮作制生产中的效果，本研究在湖北省鄂州市开展3年定位稻－麦轮作减量施肥田间试验，研究有机肥替代化肥以及配合施用氮增效剂、磷素活化剂等不同减量施肥模式措施对小麦产量及氮、磷、钾养分吸收利用的影响，为长江中下游稻麦轮作区高产、低耗、增效提供理论和技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况及供试材料

试验于2017年11月至2020年10月在湖北省鄂州市路口农场进行，该区域属亚热带季风性气候，年均气温17℃，年均日照时数2003.7h，年均降水量1282.8mm，无霜期273d。供试土壤为湖积物母质发育的潮土，土壤质地为壤土。试验前土壤基本理化性状为pH 5.76，有机质10.06g/kg，全氮0.90g/kg，全磷0.70g/kg，全钾17.47g/kg，碱解氮70.86mg/kg，速效磷 4.35mg/kg，速效钾 55.6mg/kg。

供试肥料为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P2O512%）和氯化钾（含K2O 60%），供试有机肥含氮（N）1.08%、磷（P2O5）0.30%、钾（K2O）4.20%。供试小麦品种为郑麦9023。

1.2 试验设计

设置6个处理，分别为不施肥对照（T1，CK）、当地常规施肥（T2）、有机肥与化肥配施（T3）、在T3基础上减化肥N 20%+氮增效剂（T4）、在T3基础上减化肥P 20%+磷素活化剂（T5）和在T3基础上减化肥N 20%、P 20%+氮增效剂+磷素活化剂（T6）。常规施肥处理的氮、磷和钾用量分别为180、105和120kg/hm2，其中氮肥按基追比7:3分2次施用，磷肥和钾肥作基肥一次性施入。前作水稻常规施肥处理的氮、磷和钾用量分别为210、105和135kg/hm2。各处理施肥情况见表1。

表1 稻麦轮作试验条件下小麦施肥情况Table 1 Different fertilizer application models for rice-wheat cropping experiment kg/hm2

供试有机肥为湖北省鄂州市广丰生态农业开发有限公司生产，氮增效剂为沈阳中科新型肥料有限公司生产，磷素活化剂为山东苏柯汉生物工程股份有限公司生产。

每个处理设3次重复，随机区组排列，小区面积30m2。小区间筑土埂，高30cm，宽20cm。小麦分别于2017年11月4日、2018年10月26日和2019年10月24日播种，分别于2018年5月19日、2019年5月21日和2020年5月19日收获。播种量为150kg/hm2。其他田间管理同当地常规。

1.3 样品采集与分析

试验开始前取耕层土样，采用常规方法测定土壤养分状况。每个小区单打单收，在田间直接测定产量，取样品1kg，烘干后计算含水量，再通过含水量折算出小区实际产量。籽粒和秸秆样品装袋放入烘箱中，于80℃烘干至恒重，称干重，粉碎过筛后采用浓H2SO4-H2O2消煮，利用流动注射分析仪测定氮和磷含量，采用火焰光度计测定钾含量[13]。

1.4 计算公式

氮、磷和钾相关指标计算方法[14]：植株氮（磷、钾）素总吸收量（total uptake amount，kg/hm2）=植株各器官干重之和×氮（磷、钾）含量，氮（磷、钾）肥偏生产力（partial factor productivity，PFP，kg/kg）=施氮（磷、钾）作物产量/施氮（磷、钾）量，氮（磷、钾）素吸收效率（uptake efficiency，UPE，kg/kg）=植株氮（磷、钾）素总吸收量/施氮（磷、钾）量，氮（磷、钾）素利用效率（use efficiency，UE，kg/kg）=籽粒产量/植株氮（磷、钾）素总吸收量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2013软件对试验数据进行计算和处理，利用SAS 8.1进行统计分析，采用LSD法检验处理间P＜0.05水平的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同减量施肥模式对小麦产量和经济效益的影响

由图1可知，与CK相比，3年施肥处理的小麦产量均显著增加，但各施肥处理间无显著差异。2018年T2处理产量最高，各减量施肥处理产量均略低于常规施肥处理，但无显著差异，减量施肥处理（T4、T5和T6）间差异也不明显。2019年T4处理产量最高，比T2处理高16.75%，T5和T6处理产量比T2处理分别高8.2%和14.84%。T4和T6处理产量显著高于T2处理。2020年T5处理产量最高，比T2处理高3.48%。各减量施肥处理产量均略高于T2处理，但无显著差异，各减量施肥处理间产量差异也不明显。

图1 2018-2020年稻麦轮作条件下不同处理对小麦产量的影响Fig.1 Effects of different treatments on wheat yield in rice-wheat cropping system in 2018-2020

表2结果表明，2018年T2处理产投比最高。2019和2020年T4处理产投比最高，分别比T2处理高19.40%和4.31%。T4处理产投比3年平均值最高，比T2处理高3.96%。2019年T3处理产投比略高于T2处理。2018-2020年，T5处理产投比较T2处理分别低63.34%、53.43%和55.98%，平均低59.21%，T6处理较T2处理分别低59.79%、49.25%和55.50%，平均低56.24%。T5和T6处理的产投比无论是年度还是3年平均值都明显低于T4处理。

表2 2018-2020年不同施肥模式经济效益分析Table 2 Economic benefit analysis of different fertilization modes in 2018-2020

2.2 不同减量施肥模式对小麦氮素吸收与利用的影响

由图2可知，2018年T4处理的氮素总吸收量显著高于其他处理，比T2处理高13.37%。2019和2020年T5处理的氮素总吸收量最高，较T2处理分别提高了9.22%和20.70%。2020年T4处理的氮素总吸收量显著高于T2处理。2018和2020年T4和T6处理的氮素吸收效率显著高于T2处理，2019年T5和T6处理的氮素吸收效率显著高于T2处理。2018年T5、T6处理的氮素利用效率显著高于T2处理。2018和2020年T4处理的氮素利用效率和氮素偏生产力均显著高于T2处理，而T3与T2处理间的氮素总吸收量、氮素吸收效率、氮素利用效率和氮肥偏生产力均无显著差异。上述结果说明，T4和T6处理有利于增强小麦对氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素利用效率；T3处理对小麦氮素的吸收与利用均无显著影响。

图2 2018-2020年稻麦轮作条件下不同处理对小麦氮素吸收与利用的影响Fig.2 Effects of different treatments on nitrogen uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.3 不同减量施肥模式对小麦磷素吸收与利用的影响

由图3可知，与T1处理相比，各施肥处理均显著增加了小麦地上部磷素总吸收量。2018年T4处理的小麦地上部磷素总吸收量比T2处理提高了11.75%。2019年T5和T6处理均增加了小麦地上部磷素总吸收量。3年试验中，T5处理的磷素吸收效率较T2处理分别显著增加30.00%、46.67%和21.43%。2019年T6处理的磷素吸收效率显著高于T2处理，增幅为40.00%。2018年、2019年T5和T6处理磷素偏生产力均显著高于T2处理，2020年T6处理显著高于T2处理。3年试验中，T6处理磷素偏生产力比T2处理分别增加10.88%、43.43%和20.78%，T5较T2处理分别高22.37%、52.06%和12.18%。上述结果说明，T5处理可以明显提高小麦磷素总吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生产力，T6处理可明显提高小麦的磷素偏生产力，而T3和T4处理对小麦磷素的偏生产力、吸收效率和利用效率均无显著影响。

图3 2018-2020年稻麦轮作条件下不同处理对小麦磷素吸收与利用的影响Fig.3 Effects of different treatments on phosphorus uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

2.4 不同减量施肥模式对小麦钾素吸收与利用的影响

由图4可知，各施肥处理小麦的地上部钾素总吸收量显著高于T1处理，2018年T3处理显著高于T2处理。2019年T5处理钾素总吸收量显著高于T2处理，增幅为18.18%。2020年各减量施肥处理钾素总吸收量低于T2处理。2018年T3和T5处理钾素吸收效率较T2处理分别显著增加38.70%和10.98%，2019年T5处理显著高于T2处理。3年试验中，T6处理的钾素利用效率较T2处理分别显著增加7.38%、8.39%和12.97%，2018年和2019年T4处理较T2处理分别高4.69%和7.67%。2019年各减量施肥处理（T4、T5、T6）钾素偏生产力较T2处理分别高9.59%、21.64%和14.75%。2018年和2020年各减量施肥处理钾肥偏生产力低于T2处理。2019年和2020年，T3处理钾肥偏生产力均最低。

图4 2018-2020年稻麦轮作条件下不同处理对小麦钾素吸收与利用的影响Fig.4 Effects of different treatments on potassium uptake and utilization of wheat in rice-wheat cropping system in 2018-2020

3 讨论

研究表明，与单施化肥相比，有机肥与化肥配施作物产量不降低或增加[15]，有机肥替代20%氮肥可以保障小麦产量[16]。本研究结果表明，不同减量施肥模式对小麦产量没有明显影响。2018年小麦各减量施肥处理产量均略低于常规施肥处理。这可能是因为本试验地为休闲地，秋冬季施用有机肥没有明显的效果。2019年和2020年配合氮增效剂的减量施肥处理产量均略高于常规施肥处理，但差异不明显。有机肥替代处理产量均略低于常规施肥处理，差异不显著。总体上来看，肥料增效剂有一定的效果，肥料用量减少20%后，小麦产量降低不明显。马力等[17]研究数十年期间稻麦轮作区作物产量的稳定性表明，小麦产量年际间的波动较大。本研究小麦产量年际间的波动较大，可能是因为氮肥的施用降低了稻田生态系统的稳定性，特别是在旱作条件下。不同减量施肥模式的经济效益分析表明，减少一定量的氮肥、增施氮增效剂具有较高的产投比。增施磷素活化剂的处理产投比较低。这是因为磷素活化剂用量较大，而且价格较高，其投入成本高出肥料投入。

养分吸收量是衡量作物生长状况的重要参数，施肥可以不同程度地影响植株体内的养分浓度。田秀英等[18]研究发现，尿素全量配施氮增效剂能显著提高氮素的农学效率、生理效率和氮素利用率。易琼等[19]研究表明，减氮20%～30%处理稻、麦产量并没有降低，而氮肥当季利用率、氮素农学利用率和氮肥偏生产力提高了。本研究结果表明，配合氮增效剂的减量施肥处理有利于增强小麦对氮素的吸收能力，提高氮素吸收效率和氮素的利用效率，其原因可能是肥料增效剂可改变水分子的结构和能态，提高了其活性，在水不断被植物吸收的过程中可携带大量的营养元素进入植物体内。同时，增施肥料增效剂能提高肥料利用率，可能与肥料增效剂中含有腐殖酸、有机酸及锌、硼和镁等微量元素有关。这些元素能综合吸附肥料中的养分，起到控释和缓释的作用。

磷在植物体中的含量仅次于氮和钾，植物对磷的吸收和利用受各种因素影响。皓达肥料增效剂可促进萝卜和大白菜吸收养分，提高萝卜[20]和大白菜[21]的氮、磷、钾养分效力系数。本研究结果表明，配合磷素活化剂的减量施肥处理可以明显提高小麦磷素总吸收量、磷素吸收效率和磷肥偏生产力，与本课题组前期的研究[22]结果一致。其原因可能是增效剂有刺激作物生长和促进养分吸收的效果，又能降低磷在土壤中的退化，促进作物根系生长，综合调控作物对营养元素的吸收利用，从而提高肥料利用率。

作物对钾肥的需求量较高，正常情况下作物对钾的吸收大于对磷的吸收，与氮的吸收量相近[23]。许猛等[9]研究表明，增效剂可促进棉株地上部氮、磷、钾养分的积累及棉株对化肥中养分的利用，体现在化肥利用率的提高方面。本研究结果表明，配合增效剂的减量施肥处理可明显提高钾素利用效率和钾肥偏生产力，与杨勇等[24]在水稻上的应用效果相似，也与本课题组前期的研究[22]结果一致。

4 结论

在常规化肥条件下减20%肥料配合氮增效剂、磷素活化剂对稻麦轮作体系中小麦产量没有明显影响。减N 20%配合氮增效剂比常规施肥产投比高4.31%～19.4%，减P 20%配合磷素活化剂比常规施肥产投比低53.43%～63.34%。减N 20%配合氮增效剂处理的氮素吸收效率、氮素利用效率和钾素利用效率分别提高9.22%～20.70%、7.01%～28.67%和4.69%～7.67%。减P 20%配合磷素活化剂处理的小麦磷素的总吸收量、吸收效率、偏生产力和利用效率分别提高15.53%、21.43%～46.67%、12.18%～52.06%和3.77%～4.52%。减N、P各20%配合氮增效剂、磷素活化剂处理的氮素吸收效率、磷素偏生产力和钾素利用效率分别提高5.67%～19.40%、10.88%～43.43%和7.38%～12.97%。