有机肥氮替代部分化肥氮对冬小麦产量及氮素利用的影响

刘学彤 黄少辉 邢素丽 杨云马 贾良良 王洪信 王桂锋 杨军方

摘要：为探究适宜河北省低平原区冬小麦生产中有机肥氮替代化肥氮的最佳替代率，采用田间试验研究不同比例有机肥氮替代化肥氮对冬小麦产量、养分吸收及氮素利用的影响。结果表明：在推荐施氮量240 kg/hm时，有机肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）处理的冬小麦产量最高，达6 145.7 kg/hm，有机肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）处理的冬小麦产量为5 918.8 kg/hm，均与单施化肥OPT处理无显著差异;在有机肥氮处理中，随有机肥氮比例的增加，小麦产量逐渐降低。OPT-15%M处理在整个生育期土壤无机氮含量较OPT处理低5.2%～13.9%，但较其余有机肥氮替代处理仍能维持较高水平，可以保证小麦对氮素的需求。OPT-15%M处理的小麦吸氮量为211.5 kg/hm，与OPT处理几乎无差异，OPT-30%M处理的小麦吸氮量为203.6 kg/hm，与FP处理几乎无差异，且OPT-15%M处理和OPT-30%M处理的冬小麦氮肥农学效率、氮肥偏生产力、氮肥利用率均高于FP处理，表现较好。综上，在河北省低平原中低产田区，在施氮量为240 kg/hm时，有机肥氮替代15%～30%的化肥氮适宜该区冬小麦生产，可以在整个生育期有效调控土壤养分供应，满足作物不同时期养分需求，可在保持产量稳步提升的基础上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

关键词：有机肥氮;化肥氮;冬小麦产量;氮素利用;替代率

中图分类号：S158.3 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2022）11-0071-05

收稿日期：2021-08-03

基金项目：国家重点研发计划（编号：2017YFD0201707）;河北省农林科学院创新工程（编号：2021-4-6-3）;河北省农林科学院农业资源环境研究所创新团队项目。

作者简介：刘学彤（1991—），女，河北平山人，硕士，助理研究员，主要从事作物养分资源管理与土壤肥力培育等研究。E-mail：liuxuetong349@163.com。

通信作者：杨军方，副研究员，主要从事农田养分管理与施肥技术等研究。E-mail：linsky4316@163.com。

氮素是作物生长最重要的元素之一，随着人口的增长，氮肥需求也在增加，据统计，全世界约有48%的人口依赖肥料投入生产粮食，其中化肥氮对粮食增产的贡献达到30%～50%，氮肥为全世界的粮食安全做出了重大贡献。我国是目前化肥施用量最大的国家，施用过量的化肥同时也会导致严重的资源效率下降和生态环境问题，氮肥施用是目前我国化肥面源污染的主要风险。我国总化肥施用在1994年由环境安全转为低度风险，其中氮单质化肥施用已在1988年由环境安全转为低度风险状态，并呈上升趋势，到2014年化学氮肥风险指数为0.54，原农业部提出，力争到2020年实现“化肥零增长目标”，因此氮肥减施成为必然趋势。目前有机无机肥料配施的有机氮替代模式成为氮肥减施的重要措施之一，其能改善土壤氮素供应过程，使土壤养分平稳释放，减少农田氮磷养分流失，具有培肥土壤、防止土壤酸化和盐渍化、提高产量和经济效益等诸多作用，是解决我国农业生产和生态环境保护的办法与途径之一。2015年农业部印发的《耕地质量保护与提升行动方案》中明确指出“到2020年，畜禽粪便养分还田率达到60%、提高10百分点，农作物秸秆养分还田率达到60%以上、提高25百分点以上”，有力推动了有机肥行业的发展。

已有的大量研究均表明有机肥和无机肥配施可提高作物产量及氮肥利用率。赵征宇等研究发现有机氮与无机氮比例为3∶2时番茄增产效果较好;陶磊等在北疆绿洲滴灌棉田的研究表明常规施肥减量20%～40%配施3 000、6 000 kg/hm有机肥不会导致棉花减产;刘红江等研究表明50%有机肥处理在确保水稻高产的同时，可减少农田地表径流水体总氮流失量和流失率。目前多数研究主要集中于有机肥与无机肥配施对棉花、番茄等经济作物的增产增效，而对中低产田区冬小麦有机肥替代潜力的研究甚少。本研究主要以畜禽粪便为有机肥源，研究推荐施氮条件下，不同比例有机氮替代化肥氮对冬小麦养分吸收、产量及氮素利用的影响，在保证稳产的前提下，明确有机氮替代化肥氮的适宜比例，为河北省低平原区中低產田冬小麦生产提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2018年10月至2019年6月在河北省衡水市冀州区沃源农场进行，该区地处河北省平原区（37.57°N，115.57°E），海拔21.5～26.5 m，属大陆性暖温带半干旱季风气候，年平均气温 12.7～13.3℃，年均降水量500～600 mm，降水季节性分布不均。该区域的种植制度为冬小麦/夏玉米一年两熟制。供试土壤属于中壤质潮土，试验前0～20 cm 土层基础理化性状为：有机质含量 15.3 g/kg，全氮含量1.05 g/kg，有效磷含量 12.54 mg/kg，速效钾含量 117.5 mg/kg，pH值8.37。供试作物为小麦，品种为石农086。

1.2 试验设计

试验在等磷、钾的基础上，设置不同比例有机肥氮替代化肥氮，共6个处理：对照（CK），不施氮肥;农民常规施肥习惯（FP）;推荐施肥（OPT）;推荐施肥基础上有机肥氮替代15%化肥氮（OPT-15%M）;推荐施肥基础上有机肥氮替代30%化肥氮（OPT-30%M）;推荐施肥基础上有机肥氮替代45%化肥氮（OPT-45%M）。每个处理3次重复，小区面积48 m（8 m×6 m）。各处理养分施用量见表1，其中，化肥氮为尿素（N 46%），磷肥为重钙（PO 43%），钾肥为氯化钾（KO 60%），有机肥为牛粪。磷、钾肥在播种前作为基肥随整地全部底施;FP和OPT处理尿素基肥追肥各半，其中基肥随整地施入，追肥在拔节期追施;含有机肥的处理，氮基肥追肥各半，其中有机肥均在播种前作为基肥随整地全部底施，剩余部分氮用尿素补齐，追肥尿素在拔节期追施。其他管理同一般田间管理。

1.3 样品采集

土壤样品的采集：在小麦生长的返青、拔节、扬花、灌浆、成熟期， 每个小区用土钻取3个点的0～20 cm土层土壤样品，充分混合，然后将采集到的新鲜土壤样品带回实验室放入4℃以下冰箱储存。用1 mol/L KCl溶液浸提，AA3流动分析仪测定土壤无机氮的含量。

植株样品的采集：在小麦成熟期，每个小区随机取2个1 m的样点收获取样，然后将籽粒和秸秆风干后称量，用于计算每个小区的单位面积籽粒产量和秸秆量。每个小区取1个1 m双行的植株样品，带回实验室进行处理，将样品按秸秆和籽粒分开称取干质量后粉碎，用于籽粒和秸秆的N、P、K含量分析。全N含量用HSO-HO消化-凯氏法测定，全P含量用HSO-HO消化-钼锑抗比色法测定，全K含量用HSO-HO消化-火焰分光光度法测定。

1.4 数据处理

利用Excel 2007分析软件进行各处理作物吸氮量、氮肥利用率、氮肥农学效率以及氮肥偏生产力等的计算，采用SPSS 17.0进行统计分析。以上参数的计算公式如下：

作物吸氮量（kg/hm）=植株含氮量（%）×地上部生物量（kg/hm）;

氮肥利用率（%）=[施氮处理作物的地上部吸氮量（kg/hm）-对照处理作物的地上部吸氮量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）×100%;

氮肥农学效率（kg/kg）=[施氮处理作物产量（kg/hm）-對照处理作物产量（kg/hm）]/施氮量（kg/hm）;

氮肥偏生产力（kg/kg）=施氮处理作物产量（kg/hm）/施氮量（kg/hm）。

2 结果与分析

2.1 有机氮替代部分化肥氮对冬小麦产量及其构成因素的影响

由表2可知，本研究中，施用氮肥可以显著提高冬小麦产量。与不施氮肥（CK）相比，各施氮肥处理可使冬小麦产量增加20.9%～29.2%，其中，OPT-15%M处理产量最高，达6 145.7 kg/hm;OPT-45%M处理产量最低，为5 750.6 kg/hm，二者之间差异显著（P<0.05）。在推荐施氮基础上，随有机氮替代比例的增加冬小麦产量呈下降趋势，其中OPT-15%M处理冬小麦产量略高于OPT处理，二者之间无显著性差异;OPT-30%M处理的冬小麦产量为5 918.8 kg/hm，与OPT-15%M处理和OPT处理均无显著性差异;而OPT-45%M处理冬小麦产量与OPT处理无显著性差异，但显著低于OPT-15%M处理。从产量和化肥减施角度来看，在推荐施氮量基础上有机氮替代15%～30%化肥氮既能减少化肥投入，又能保持较高的产量水平，因此该区域有机氮替代化肥氮的适宜比例为15%～30%。

从冬小麦产量构成因子来看，施用氮肥主要是增加了小麦群体数量和穗粒数。在推荐施氮基础上，有机氮替代各处理随替代比例的增加冬小麦群体数量和穗粒数呈下降趋势，但与OPT处理没有显著差异。各处理千粒质量无显著差异。表明该区域氮肥减施，有机氮部分替代具有可行性。

2.2 有机氮替代部分化肥氮对土壤供氮特征的影响

有机氮替代部分化肥氮小麦各生育期土壤无机氮含量变化见图1。不同施肥处理土壤无机氮含量变化趋势相同，各处理土壤无机氮含量均随小麦生育期的延长呈下降趋势，且各施用氮肥处理的土壤无机氮含量均大于CK处理。与农民常规施肥处理（FP）和推荐施肥处理（OPT）相比，氮肥有机替代各处理在小麦各生育期土壤无机氮含量均低于前两者，尤其是OPT-30%M和OPT-45%M在返青期分别比OPT处理低28.3%和38.9%，在拔节期分别比OPT处理低22.5%和32.2%，且在返青期和拔节期降幅较大，不利于群体构建和穗粒数增加;而FP处理在返青期、拔节期土壤无机氮含量过高，容易造成前期生长过旺，群体大，后期易倒伏现象。到生育后期（灌浆成熟期），各施氮肥处理土壤无机氮含量较接近，且明显高于CK处理。氮肥有机替代15%（OPT-15%M）处理在整个生育期土壤无机氮含量较OPT处理低5.2%～13.9%，但较其余有机替代处理仍能维持较高水平，尤其在生长后期（灌浆期），与OPT处理差异较小，可以保证小麦灌浆对氮素的需求，因此，该区域冬小麦生产中，有机氮替代15%的化肥氮在整个生育期可以满足土壤供氮能力。

2.3 有机氮替代部分化肥氮对冬小麦氮肥利用率的影响

有机氮替代部分化肥氮冬小麦氮肥利用率见表3。施氮处理的小麦地上部吸氮量均大于CK，增幅为31.7%～40.4%，这表明施氮肥可以提高小麦地上部氮素吸收。其中，OPT-15%M处理的小麦地上部吸氮量最大，为211.5 kg/hm，其次是OPT处理;OPT-45%M处理的冬小麦地上部吸氮量较低，为198.4 kg/hm，较OPT-15%M处理低6.2%。OPT-15%M处理的小麦地上部吸氮量可以达到和OPT处理相近的效果，OPT-30%M处理虽然低于前两者，但也可以达到和FP处理相近的效果，综合考虑，在推荐施肥基础上有机氮替代15%～30%化肥氮对促进该区域的冬小麦地上部氮素吸收是可行的。

各施氮肥处理的小麦氮肥农学效率为4.0～5.8 kg/kg，其中OPT-15%M处理最高，其次是OPT处理，为5.4 kg/kg;而OPT-45%M处理和FP处理较低，分别为4.1 kg/kg和4.0 kg/kg。表明有机肥的施用在一定合理的替代比例范围内才能提高氮肥的籽粒产出量。各处理的氮肥偏生产力为19.9～25.6 kg/kg，最高为OPT-15%M处理，其次为OPT处理（25.2 kg/kg），二者几乎无差异;最小为FP处理（19.9 kg/kg）。氮肥利用率为19.0%～25.4%，最高为OPT-15%M处理，其次为OPT处理（24.8%），最小为FP处理。FP处理的氮肥农学效率、氮肥偏生产力以及氮肥利用率均较低，表明较高的施氮量并没有带来较高的产量和效益，在该区域氮肥减施是必然结果。OPT-45%M处理的吸氮量、氮肥农学效率和氮肥利用率也均表现为较低，主要是因为产量较低，这也表明有机氮替代化肥氮过高同样不利于小麦产量的提高;而有机氮替代15%化肥氮处理氮肥利用效率表现较好，在增加氮素吸收量、提高氮肥利用率方面是可行的。

3 讨论与结论

有机无机肥料配合施用能够使肥效缓而长，不仅能减少化肥氮的损失，同时能有效协调养分供应，为作物提供足够的氮素营养，及时满足作物生长对养分的需求，增加作物产量。众多研究表明，不同比例有机肥无机肥配施对作物产量的影响不同。陈志龙等在苏南地区黄棕壤上的研究表明有机肥氮替代25%化肥氮对小麦产量及氮肥利用率的提高效果较好。杨晓梅等在华北褐土上的研究发现，35%和50%的有机肥氮替代率在提高冬小麦产量和氮肥利用率方面效果较佳。李丰丰等研究表明，90%的传统测土配方施肥量+有机肥（2 250 kg/hm）模式下稻茬小麦产量及氮肥利用率均较好。有机无机肥配施比例因地区、土壤类型、土壤基础地力水平、耕作模式、有機肥养分含量等有差异。本研究中，在河北省中低产田区施氮量为240 kg/hm时，有机肥料氮替代率15%能够获得高产，但本试验年限较短，只代表短期效应。郑凤霞等利用4年的定位试验表明，在施氮量为180 kg/hm时，尿素和牛粪的比例为1∶1（即有机肥氮替代率50%）可降低氨挥发损失，提高籽粒产量，可实现冬小麦高产与肥料高效协同。而本研究中，施氮量为240 kg/hm时，有机肥氮替代率45%的处理已经出现了明显的产量下降，这一方面是因为该区域属于河北省中低产田区，土壤肥力较低，不能为作物提供充足的养分需求;另一方面可能与有机肥施用年限有关，本试验年限较短，有机肥肥效缓慢，有机肥施入后对土壤质量的提升是一个缓慢的过程，有研究表明，有机肥施入土壤后大约5～8年时间土壤有机质含量达到一个最高点，然后保持稳定。

众多研究表明，大量施用氮肥会造成土壤氮素残留累积，且氮肥施用量越高，会使土壤的硝态氮累积增多，增加硝酸盐向深层淋溶污染风险。本研究中，FP和OPT处理在收获后表层土壤无机氮含量比含有机肥处理的略高，这可能是化肥与有机肥综合作用的结果。一方面FP和OPT处理速效氮肥施用量高，土壤速效氮残留高;另一方面有机无机肥配施可以增加土壤微生物活性，调控土壤氮素的固持和释放，同时也可以抑制土壤氨挥发，减少氮素损失。从整个生育期土壤无机氮的变化特征来看，随着生育期的推进，各处理耕层土壤无机氮含量逐渐下降，且各施氮处理土壤无机氮含量随有机肥氮所占比例的增大而降低，这与井永苹等的研究结果一致，同时他们发现有机无机肥配施可以减少硝态氮向深层土壤的迁移，降低深层土壤硝态氮淋失风险。

目前，我国生产中普遍存在化肥施用量高，肥料利用率低等现象，2015年农业部提出了到2020年“化肥使用量零增长目标”，因此合理施用化肥，提高肥料利用率是关键之一，而采用有机肥氮替代化肥氮的方法是降低农田氮肥投入、增加养分利用、提高肥料利用率的一种有效措施。本研究中，OPT-15%M处理的氮肥利用率为25.4%，高于OPT处理（24.8%），且氮肥农学效率和氮肥偏生产力均较高，产量也较其他有机肥处理高;OPT-30%M处理的氮肥利用率为22.1%，高于FP处理（19.0%），产量也与OPT和FP处理无显著差异。因此，在化肥减施的大背景下，既要保持产量稳步提升，又要减少化肥施用量的投入，降低环境污染风险，有机肥氮替代15%～30%化肥氮是最佳选择。

河北低平原中低产田区在施氮量为 240 kg/hm 时，有机肥氮替代15%～30%的化肥氮适宜该区冬小麦生产，可以在整个生育期有效调控土壤养分供应，满足作物不同时期养分需求，在保持产量稳步提升的基础上降低化肥用量，提高氮肥利用效率。

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