监控施肥配施有机肥对渭北旱地小麦产量及养分吸收利用的影响

蔡慧芳，李紫燕，史 雷，张统帅，王书停，郝红玉，翟丙年，王朝辉

（西北农林科技大学资源环境学院/农业部西北植物营养与农业环境重点实验室，陕西杨凌 712100）

渭北旱地是我国西北地区重要的粮食产地，也是旱地小麦的集中区域。长期以来，渭北旱地冬小麦在水分胁迫下一直存在产量低而不稳的问题，由于施用化肥能够促进小麦增产，农户为了追求高产，使麦田氮肥过量投入的现象日益严重[1]，这不仅造成了环境污染，还使肥料利用率降低[2]。自化肥零增长战略提出以来，有机替代技术已成为减少化肥用量的重要措施，并在提高肥料利用率、改善作物品质和改良土壤方面发挥着重要作用[3]。近年来，测土配方施肥技术发展迅速，并在我国大部分地区都加以应用[4]，但由于取样、不同区域间的地力差异和作物生长情况的限制，会造成推荐的施肥量不精确，从而引发收获期土壤养分残留等问题[5]。曹寒冰等[6]对渭北旱地冬小麦1 m 土层硝态氮进行监控施氮，并优化磷钾衡量监控施肥技术；黄明等[5]又随后提出基于收获期土壤有效氮磷钾测试、作物养分需求和土壤硝态氮安全阈值的优化施肥技术，在指导科学施肥方面都发挥着重要作用。因此，研究长期测土监控施肥技术以及监控施肥下有机无机肥配施在减肥增效方面的作用具有重要意义。

目前，我国每年都会产生大量的作物秸秆和畜禽粪便等农业废弃物资源，由于资源利用率低，不仅会造成浪费，还会引发农业面源污染问题[7]。因此，在化肥减量施用的同时充分利用废弃有机资源，对提高耕地质量和促进农业绿色发展具有重要意义[8]。商品有机肥是一种经过发酵腐熟的有机物料，具有改善土壤肥力、提供作物营养和提高作物品质的功能[9]。生物炭是一种由生物质废弃物热裂解生产的有机物料，具有提高土壤质量、保持土壤养分的作用，但由于影响生物炭效应的因素有很多，如生物炭来源、裂解温度、生物炭性质、土壤类型、作物和施肥等，使其对作物的产量效应并不全是积极的作用，也有抑制作用[10]。因此，研究在监控施肥下有机无机肥配施后能否给渭北旱地麦田带来减肥增效的作用效果，且监控施肥下配施生物炭这种施肥措施能否在渭北旱地麦田适合被长期实施，是目前值得关注的问题。

为解决农业废弃物去向，提高肥料利用率，并且在维持小麦稳产的前提下，探寻出适合该地区科学的减氮施肥方法和种植模式，是目前急需解决的问题。本试验通过研究监控施肥下有机无机肥配施对渭北旱地冬小麦的产量及养分吸收利用的影响，探讨在监控施肥下有机无机肥配施所产生的产量效应，旨在为渭北旱地麦田科学施肥提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试冬小麦品种为洛旱6 号，在当地购买。

1.2 试验地概况

试验于2020 年9 月16 日 至2021 年6 月22 日在陕西省咸阳市永寿县御驾宫镇御中村（34°73′N，108°20′E）进行。试验区属于暖温带半湿润大陆性季风气候，年均温8.1 ℃，年平均日照时数2 166.2 h，无霜期158～191 d。试验区供试土壤类型为塿土。大田试验开始于2018 年9 月，2018 年播前耕层土壤全氮为0.62 g/kg，pH 值为8.4，有机质为12.7 g/kg，速效磷为18.5 mg/kg，速效钾为110.2 mg/kg。2018—2021 年的平均降雨量为540 mm，本试验期间夏闲期降雨量为278.1 mm，生育期降雨量为141.9 mm，如图1 所示。

图1 2020—2021 年永寿县降雨量Fig.1 Rainfall in Yongshou county from 2020 to 2021

1.3 试验设计

试验采用随机区组设计，共设4 个施肥处理，分别为农户施肥（FM，为对照）、监控施肥（OM）、监控施肥+有机肥（OM+M）、监控施肥+生物炭（OM+B）。各施肥措施下的养分用量如表1 所示。每个处理设置3次重复，小区面积为35 m2（5 m×7 m）。

表1 各施肥措施下的养分用量Tab.1 Nutrient dosage under each fertilization measure

氮、磷、钾肥分别采用尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O514%）、硫酸钾（K2O 50%），商品有机肥由蘑菇渣制备，生物炭由小麦秸秆制备，商品有机肥和生物炭的基本性质分别为：有机碳185.92、440.40 g/kg，全氮13.72、11.65 g/kg，全 磷10.21、7.41 g/kg，全 钾15.52、95.42 g/kg。所有肥料在播前均作为基肥一次性均匀施入，后期不追肥。小麦播种量为150 kg/hm2，整个生育期雨养无灌溉，小麦收获后田间休闲，田间管理与当地农户一致。

1.4 测定项目及方法

在小麦腊熟期末，每个处理小区均取2 个1 m双行的小麦样品，先将各处理的植物样品剪去根部，分为籽粒、颖壳和茎叶3 个部分样品，将各部分样品烘干并粉碎后，再采用H2SO4-H2O2消煮植物样，最后对消煮液分别使用连续流动分析仪、钼锑抗比色法、火焰光度计法测定全氮、全磷、全钾含量。

在小麦完熟期，每个处理小区均取7 m2（1 m×7 m）的样方样品，分别进行考种，测定各处理的产量及其构成因素（穗数、穗粒数、千粒质量）。

1.5 数据分析

试验用Microsoft Excel 2007 处理数据，并用SPSS 26.0 软件进行统计分析，采用最小显著差数法（LSD 法）检验0.05 水平上的差异性。

2 结果与分析

2.1 监控施肥下有机无机肥配施对渭北旱地冬小麦产量及其构成因素的影响

从表2 可以看出，监控施肥在较农户施肥减氮25.0%和平衡施用磷钾肥的情况下，产量及其构成因素和收获指数均无显著差异，可以保证冬小麦稳产；监控施肥+生物炭与农户施肥相比，产量显著降低12.57%（P＜0.05），不能保证冬小麦稳产。在产量构成要素中，各处理间小麦穗数差异不显著，所以,产量差异主要是由穗粒数和千粒质量造成，其中,监控施肥+有机肥与农户施肥相比，千粒质量显著提高8.96%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与农户施肥相比，千粒质量显著提高16.27%，穗粒数显著降低18.65%（P＜0.05）。监控施肥+有机肥与监控施肥+生物炭相比，收获指数显著提高14.15%（P＜0.05）。结果表明，与农户施肥相比，监控施肥能够在减氮处理和平衡施用磷钾肥的情况下保证稳产，而监控施肥+生物炭不能保证稳产。监控施肥+有机肥较监控施肥+生物炭能显著提高产量收获指数。

表2 各施肥措施对小麦产量及其构成因素的影响Tab.2 The effect of each fertilization measure on wheat yield and components

2.2 监控施肥下有机无机肥配施对渭北旱地冬小麦地上部养分含量及养分吸收利用的影响

由表3 可知，监控施肥与农户施肥相比，籽粒含氮量、籽粒吸氮量和地上部吸氮量均因施肥量的降低而显著降低，氮收获指数二者间差异不显著。监控施肥+生物炭与农户施肥、监控施肥、监控施肥+有机肥相比，氮收获指数分别显著提高4.45%、4.91%、5.33%（P＜0.05）。监控施肥+生物炭与监控施肥相比，籽粒含氮量与地上部吸氮量分别显著降低11.54%和17.57%（P＜0.05）。结果表明，监控施肥+生物炭与其他处理相比，能显著提高氮收获指数。监控施肥＋生物炭与监控施肥相比，能显著降低地上部吸氮量。

表3 各施肥措施对小麦氮素吸收利用的影响Tab.3 The effect of each fertilization measure on the nitrogen absorption and utilization of wheat

从表4 可以看出，监控施肥与农户施肥相比，籽粒含磷量、籽粒吸磷量和地上部吸磷量均因施肥量的降低而显著降低。监控施肥和监控施肥+有机肥与农户施肥相比，磷收获指数分别显著降低13.86%、19.37%（P＜0.05）。监控施肥+有机肥与监控施肥相比，地上部吸磷量显著增加31.58%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与监控施肥相比，籽粒含磷量、籽粒吸磷量和地上部吸磷量分别显著增加45.54%、41.71%和30.58%（P＜0.05）。结果表明，农户施肥处理下的磷收获指数显著高于监控施肥和监控施肥+有机肥处理。与监控施肥相比，监控施肥+有机肥和监控施肥+生物炭均能显著提高地上部吸磷量。

表4 各施肥措施对小麦磷素吸收利用的影响Tab.4 The effect of each fertilization measure on the phosphate absorption and utilization of wheat

由表5 可知，监控施肥+生物炭与农户施肥相比，钾收获指数显著降低22.72%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与监控施肥相比，钾收获指数显著降低26.30%（P＜0.05）。监控施肥的地上部吸钾量显著低于其他处理，其中，监控施肥+有机肥与监控施肥相比，地上部吸钾量显著增加21.99%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与监控施肥相比，地上部吸钾量显著增加40.62%（P＜0.05）。结果表明，监控施肥+生物炭处理下的钾收获指数显著低于农户施肥和监控施肥处理。与监控施肥相比，监控施肥+有机肥和监控施肥+生物炭均能显著提高地上部吸钾量。

表5 各施肥措施对小麦钾素吸收利用的影响Tab.5 The effect of each fertilization measure on the potassium absorption and utilization of wheat

2.3 监控施肥下有机无机肥配施对渭北旱地冬小麦养分利用效率的影响

由表6 可知，农户施肥处理下的氮肥偏生产力显著低于其他处理，其中，监控施肥与农户施肥相比，氮肥偏生产力显著提高19.16%（P＜0.05）；监控施肥+有机肥与农户施肥相比，氮肥偏生产力显著提高23.02%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与农户施肥相比，氮肥偏生产力显著提高16.56%（P＜0.05）。农户施肥处理下的氮素生理效率显著低于其他处理，其中，监控施肥与农户施肥相比，氮素生理效率显著提高7.05%（P＜0.05）；监控施肥+有机肥与农户施肥相比，氮素生理效率显著提高9.66%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与农户施肥相比，氮素生理效率显著提高26.93%（P＜0.05）。结果表明，与农户施肥相比，监控施肥、监控施肥+有机肥和监控施肥+生物炭均能显著提高氮肥偏生产力和氮素生理效率，其中，监控施肥+有机肥提高氮肥偏生产力的效果最优，监控施肥+生物炭提高氮素生理效率的效果最优。

表6 各施肥措施对小麦氮素利用效率的影响Tab.6 The effects of each fertilization measure on nitrogen use efficiency of wheat kg/kg

由表7 可知，农户施肥处理下的磷肥偏生产力显著低于其他处理，其中，监控施肥与农户施肥相比，磷肥偏生产力显著提高51.35%（P＜0.05）；监控施肥+有机肥与农户施肥相比，磷肥偏生产力显著提高56.25%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与农户施肥相比，磷肥偏生产力显著提高48.04%（P＜0.05）。监控施肥与农户施肥相比，磷素生理效率显著提高26.21%（P＜0.05）。结果表明，与农户施肥相比，监控施肥、监控施肥+有机肥和监控施肥+生物炭均能显著提高磷肥偏生产力，其中，监控施肥+有机肥提高磷肥偏生产力的效果最优。与农户施肥相比，监控施肥能显著提高磷素生理效率。

表7 各施肥措施对小麦磷素利用效率的影响Tab.7 The effects of each fertilization measure on phosphorus use efficiency of wheat kg/kg

由表8 可知，各处理下的钾肥偏生产力由大到小依次为：监控施肥+有机肥（160.28 kg/kg）＞监控施肥（155.26 kg/kg）＞监控施肥+生物炭（151.86 kg/kg），三者间差异不显著。监控施肥+生物炭与农户施肥相比，钾素生理效率显著降低22.59%（P＜0.05）；监控施肥+生物炭与监控施肥相比，钾素生理效率显著降低30.38%（P＜0.05）；监控施肥＋生物炭与监控施肥+有机肥相比，钾素生理效率显著降低18.36%（P＜0.05）。结果表明，与农户施肥、监控施肥和监控施肥+有机肥相比，监控施肥+生物炭能显著降低钾素生理效率。

表8 各施肥措施对小麦钾素利用效率的影响Tab.8 The effects of each fertilization measure on potassium use efficiency of wheat kg/kg

3 结论与讨论

有研究发现，在一定范围内减施氮肥对冬小麦的产量无显著影响[11-12]，主要是由于在减氮基础上平衡施用磷钾肥，养分出现了协同效应，使减施氮肥不会造成显著差异[13]。本研究也表明，监控施肥较农户施肥处理在减少施氮量的同时补充了钾肥，并与磷肥衡量施用之后，二者产量差异不显著，说明可以达到稳产效果。此外，监控施肥与农户施肥相比能显著提高氮、磷肥偏生产力及氮、磷素生理效率。由此可见，实施监控施肥技术不仅能使渭北旱地冬小麦稳产，还能提高肥料利用率[14]。

本研究表明，监控施肥+有机肥与监控施肥相比，有提高穗数和千粒质量的趋势，增产主要与穗数和千粒质量有关，这与前人相关研究结果一致[15]。此外，监控施肥+有机肥与监控施肥相比，地上部吸氮量有增加趋势，且能显著增加地上部吸磷、钾量。主要是因为有机肥中的养分全面，会使土壤中的氮、磷、钾等养分达到均衡状态，有利于土壤养分库的积累，从而增加氮素的固定和促进作物对氮素的吸收[16]。相关研究发现，有机肥与施氮量为150 kg/hm2左右的氮肥配施可达到最利于有机肥和土壤氮素释放的碳氮比，因此，能促进作物对磷钾养分的吸收[17]。

本研究表明，监控施肥+生物炭在较农户施肥减氮25%和10 t/hm2生物炭配施的情况下，小麦产量显著降低，不能达到稳产效果。相关研究发现，化肥配施生物炭对作物的增产效应往往具有一定的不确定性[18]。王文军等[19]在施氮量为225 kg/hm2水平下和30 t/hm2的生物炭配施，通过减少10%的氮肥，小麦可以稳产以及略有增产，而在氮肥减量达到20%时，小麦产量略有下降，在氮肥减量达到30%以上时，小麦产量显著下降。本研究表明，监控施肥+生物炭与监控施肥相比，能显著降低地上部吸氮量，可能是由于土壤的碳氮比和生物炭中易降解的脂肪炭的含量会随生物炭的施用而升高，使微生物的固氮作用加强，导致土壤中可供小麦根系吸收的氮素降低[20]。此外，本试验供试土壤呈碱性，且在2 a 的基础上进行，连续3 a 的生物炭的输入造成了土壤pH 值的进一步升高，而土壤碱性过高则会抑制土壤酶和微生物的活性，降低土壤养分的有效性，也会影响植物吸收利用养分，从而导致减产[21]。然而，监控施肥+生物炭与监控施肥相比，能显著增加地上部吸磷、钾量，主要是因为生物质中的P 和K 在热裂解过程中绝大部分都被保存在了生物炭中，并且养分有较高的有效性[22]。因此，生物炭的最佳增产作用需要考虑到生物炭的性质、土壤类型及施肥状况等因素，要想将生物炭应用于减肥增效工作，生物炭与化肥配施的增效作用机制仍需要长期深入研究。

该区相关研究表明，渭北旱地麦区的籽粒产量和夏闲期、生育期的降雨量呈显著抛物线相关，这说明当施肥量未受到影响时，旱地籽粒产量还主要受降雨量影响[23]，降雨量的年际变化也是引起小麦产量波动的主要原因[24]，本试验小麦夏闲期降雨量为278.1 mm，而生育期降雨量仅为141.9 mm，所以，各处理下所产生的产量效应还应结合降雨量、年际效应和测土监控施肥方法综合分析。

综上所述，监控施肥与农户施肥相比能够在保证稳产的前提下提高肥料利用率，且在监控施肥+有机肥处理下的减肥增效作用最优，可以在渭北旱地生产实践中推广应用。