有机肥替代部分化学氮肥对南疆超晚播冬小麦产量、氮磷吸收利用及土壤肥力的影响

赖 宁， 耿庆龙， 信会男， 李永福， 李 娜， 范贵强， 陈署晃

(1.新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所，新疆乌鲁木齐 830091； 2.新疆农业科学院农业遥感中心，新疆乌鲁木齐 830091；3.新疆农业科学院粮食作物研究所，新疆乌鲁木齐 830091)

南疆是新疆维吾尔自治区重要的棉花优势产区，种植面积大，长期连作会导致连作障碍发生，对棉田生态环境造成一定负面影响[1]。棉花收获后种植冬小麦是棉田重要的倒茬方式，由于南疆棉花在10月中下旬才收获完毕，棉花茬小麦只能在10月下旬至11月上中旬播种，较适期播种(9月中下旬至10月上旬)晚近30 d。相关研究表明，超晚冬播小麦具有节水的优点[2]，这对于缓解南疆水资源短缺具有重要意义，然而超晚播冬小麦易出现出苗率低而不稳、苗弱、根系发育和分蘖差[3]，影响产量。采取一定的栽培措施，以弥补晚播对小麦个体、群体生长的负面影响，对提高超晚播小麦产量，保障粮食安全具有重要意义。

有机肥替代部分化肥是化肥减量增效的主要手段之一，有机肥施入后，可以活化土壤养分[4-6]、改善土壤微生物群落结构[7]、提高养分供应能力、培肥地力[6]。相关研究表明，有机肥替代化肥比例在20%～30%时，显著提高了作物的生物量和产量，对促进养分吸收利用、提高肥料利用效率和土壤肥力具有积极作用[8-11]。前人的研究主要集中在正常适期播种和雨养农业，但针对超晚播，特别是新疆干旱区绿洲灌溉农业下超晚播冬小麦有机肥替代部分化学氮肥的研究较少，成果未见报道。本研究通过设置不同有机肥替代部分化学氮肥比例田间小区试验，研究不同有机肥替代部分化学氮肥比例对南疆超晚播冬小麦产量、氮磷养分吸收利用及土壤肥力的影响，明确南疆超晚播冬小麦有机肥替代部分化学氮肥的适宜比例，以期为提高南疆超晚播冬小麦产量，保障粮食安全，实现化肥减量增效和提升耕地地力提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验于2020—2021年在新疆农业科学院泽普县小麦育种家基地(77°18′21″E，38°14′18″N)进行，试验地四季分明，气候干燥，日照时间长，年平均降水量为49 mm，蒸发量为228 mm，无霜期214 d，年平均气温为11.4 ℃，属典型的温带大陆性干旱气候。试验地前茬为棉花，土壤类型为潮土，0～20 cm土层土壤pH值为8.27，耕层盐分含量为 1.46 g/kg，有机质含量为10.98 g/kg，全氮含量为 0.64 g/kg，速效磷含量为12.58 mg/kg，速效钾含量为282 mg/kg。

1.2 试验设计

施肥水平为N 240 kg/hm2，P2O5138 kg/hm2，K2O 42 kg/hm2，试验设置4个处理：单施化肥(CF)、有机肥替代20%氮肥(NMF1)、有机肥替代40%氮肥(NMF2)、有机替代60%氮肥(NMF3)。每个处理重复3次，随机排列，小区面积为12 m×10 m=120 m2。氮肥为尿素，磷肥为重过磷酸钙，钾肥为硫酸钾，有机肥为商品有机肥(N、P2O5、K2O比例为8 ∶1 ∶1，有机质含量≥ 45%，由新疆慧尔农业集团股份有限公司生产)。20%的氮肥、全部的磷肥和钾肥作基肥施用(有机肥替代处理中全部的有机肥基施，基肥中磷肥和钾肥用量需扣除有机肥中P2O5、K2O等养分)，剩余的氮肥作追肥随水滴施，其中返青期、拔节期、孕穗期、扬花期和灌浆期的施氮比例分别为20%、25%、15%、15%、5%。

供试冬小麦品种为当地主栽品种新冬20号，播种量为375 kg/hm2，于2020年10月29日播种，于2021年6月19日收获。全生育期总灌溉量为 4 050 m3/hm2，其中出苗水450 m3/hm2，冬灌 900 m3/hm2，返青期、拔节期、孕穗期、扬花期、灌浆期和乳熟期各滴水1次，每次450 m3/hm2，滴灌带布置为1管4行(4行小麦1条滴灌带，行距为 15 cm)。其他管理与大田生产相同，无明显病虫草害。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 植株测产取样与测试分析 在小麦成熟期各试验小区取具有代表性2 m2(1 m×2 m)样方测产，调查割方产量、地上部生物量、总茎数、有效穗数、千粒质量、容重，最终产量按照籽粒标准含水量12.5%折算；同时取10株小麦植株样品，按茎、叶、籽粒、颖壳分装，带回实验室放入烘箱中105 ℃杀青30 min，75 ℃烘24 h至恒质量，测试分析全氮、全磷和全钾含量。

植株全氮、全磷、全钾含量分别采用凯氏定氮法、钼锑抗比色法、火焰光度计法测定。

1.3.2 土壤取样与测试分析 在小麦测产取样的同时，进行土壤取样。取样分3层：0～10、10～20、20～30 cm。剔除根系、残膜、石块等，实验室内自然风干后，研磨过筛，测试分析其有机质、全氮、碱解氮、速效磷、速效钾含量。

采用重铬酸钾外加热氧化法测定土壤有机质含量，采用凯氏蒸馏法测定全氮含量，采用碱解扩散法测定碱解氮含量，采用钼锑抗比色法测定速效磷含量，采用火焰光度法测定速效钾含量。

1.3.3 相关指标计算 地上部氮(磷)素积累量=茎干物质量×茎含氮(磷)量+叶干物质量×叶含氮(磷)量+颖壳干物质量×颖壳含氮(磷)量+籽粒干物质量×籽粒含氮(磷)量；

氮(磷)肥偏生产力(PFPNP)=试验小区产量/施氮(磷)肥量×100%。

1.3.4 数据分析 采用Microsoft Excel 2007和SPSS 20软件进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 有机替代对晚播冬小麦产量及产量构成的影响

由表1可知，有机肥替代部分化学氮肥促进了晚播冬小麦穗数的增加，有机肥替代处理穗数均高于单施化肥处理，其中NMF2处理显著高于CF、NMF1、NMF3处理，CF、NMF1、NMF3处理间穗数差异不显著，NMF1、NMF2、NMF3处理分别较CF处理增加2.90%、20.09%、6.98%；从穗粒数来看，随着有机替代比例的增加，穗粒数呈减少趋势，NMF1处理穗粒数最大，显著高于NMF3处理，但与CF、NMF2处理差异不显著，NMF1处理穗粒数较CF处理提高了4.87%；各处理间千粒质量差异不显著，NMF3处理最大，NMF1处理次之；从产量上看，随着有机替代比例的增加，产量呈减少趋势，NMF1处理最大，显著高于其他处理，较CF处理增产6.54%；生物量也随着有机替代比例的增加而降低，NMF1处理最大，显著高于NMF3处理，与CF、NMF2处理差异不显著，较CF处理生物量提高了7.21%。

表1 不同比例有机替代处理下小麦产量及产量构成因素

2.2 有机替代对晚播冬小麦氮磷养分吸收积累与分配的影响

由表2可知，有机肥替代部分化学氮肥有助于提高晚播冬小麦对氮素的吸收积累。从籽粒氮素积累量来看，有机替代处理高于单施化肥处理，NMF1处理最大，显著高于CF处理，与NMF2、NMF3处理差异不显著，NMF1处理籽粒氮素积累量较CF处理提高了11.57%。各处理间茎和叶氮素积累量差异不显著，均以NMF1处理最大，茎和叶氮素积累量分别较CF处理提高了15.40%、12.14%。不同处理间超晚冬播小麦颖壳氮素积累量差异不显著，表现为CF>NMF3>NMF1>NMF2处理。从总氮素积累量来看，有机替代处理高于单施化肥处理，NMF1处理最大，显著高于CF处理，CF处理与NMF2、NMF3处理差异不显著，NMF1处理总氮素积累量较CF处理提高了9.88%。

表2 不同比例有机替代处理下小麦成熟期各器官氮素吸收积累与分配

由表3可知，有机肥替代部分化学氮肥有助于提高晚播冬小麦对磷素的吸收积累。从籽粒磷素积累量来看，NMF1处理最大，NMF2处理次之，均显著高于CF处理，但与NMF3处理差异不显著，NMF1、NMF2处理籽粒磷素积累量分别较CF处理提高了33.80%、25.41%。从茎磷素积累量来看，NMF1处理最大，NMF2处理次之，均显著高于CF处理，与NMF3处理差异不显著，NMF1、NMF2处理茎磷素积累量分别较CF处理提高了130.62%、76.08%。各处理间叶和颖壳磷素积累量差异不显著，NMF1处理最大，叶和颖壳磷素积累量分别较CF处理提高了40.60%和22.38%。从总磷素积累量来看，有机替代高于单施化肥处理，NMF1处理最大，NMF2处理次之，两者均显著高于CF处理，CF与NMF3处理差异不显著，NMF1、NMF2处理的总磷素积累量分别较CF提高了37.91%、27.42%。

2.3 有机替代对晚播冬小麦氮磷利用效率的影响

由图1可知，有机肥替代20%化学氮肥有助于提高超晚播冬小麦的氮肥偏生产力(PFPN)和磷肥偏生产力(PFPP)。从氮肥偏生产力来看，NMF1处理最大，显著高于其他处理，CF与NMF2处理差异不显著，但显著高于NMF3处理， NMF1处理氮肥偏生产力较CF处理提高了6.54%。从磷肥偏生产力来看，NMF1处理最大，显著高于NMF2、NMF3处理，与CF处理差异不显著，NMF1处理磷肥偏生产力较CF处理提高了6.54%。

表3 不同比例有机替代处理下小麦成熟期各器官磷素积累与分配

2.4 有机替代对土壤肥力因素的影响

土壤肥力是影响作物产量的重要因素，衡量土壤肥力高低的指标主要有土壤有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量[12]。由表4可知，在0～10 cm土层中，NMF3处理土壤有机质含量最高，NMF1处理次之，NMF3处理显著高于CF处理，与NMF1、NMF2处理差异不显著，NMF1、NMF2、NMF3处理分别较CF处理提高了9.23%、8.55%、11.95%；各处理间0～10 cm土壤全氮、碱解氮和速效磷含量差异不显著，均表现为NMF1处理最高，NMF2处理次之，CF处理最小，NMF1、NMF2、NMF3处理0～10 cm 土壤全氮含量分别较CF处理提高了15.15%、12.12%、9.09%，碱解氮含量分别较CF提高了21.69%、8.03%、1.94%，速效磷含量分别较CF提高了28.16%、16.69%、15.43%；各处理间 0～10 cm土壤速效钾含量差异不显著，CF处理最高，NMF1处理次之，NMF3处理最小，NMF1与CF处理土壤速效钾含量相当。

在10～20 cm土层，土壤有机质含量以NMF3处理最高，NMF1处理次之，NMF3处理显著高于CF处理，与NMF1、NMF2处理差异不显著，NMF1、NMF2和NMF3处理分别较CF处理提高15.99%、12.90%、29.00%。各处理间10～20 cm土壤全氮含量差异不显著，CF处理最高，NMF1处理次之，NMF2和NMF3处理最小。土壤碱解氮含量表现为CF>NMF1>NMF2>NMF3处理，CF处理显著高于NMF3处理，但与NMF1、NMF2处理差异不显著。各处理间10～20 cm土壤速效磷含量差异不显著，NMF1处理最高，CF处理次之，NMF3处理最小，NMF1处理土壤速效磷处理较CF处理提高了6.11%。各处理间10～20 cm土壤速效钾含量差异不显著，表现为CF>NMF2>NMF1>NMF3处理。

在20～30 cm土层，土壤有机质含量在各处理间差异不显著，表现为NMF1>NMF3>CF>NMF2处理，NMF1、NMF3处理分别较CF处理提高7.24%和3.85%。各处理间20～30 cm土壤全氮含量差异不显著，表现为CF>NMF1>NMF2>NMF3处理。各处理间20～30 cm土壤碱解氮含量表现为CF>NMF1>NMF3>NMF2处理，有机替代处理间差异不显著，CF处理显著高于NMF2、NMF3处理。各处理间20～30 cm土壤速效磷含量表现为NMF1>CF>NMF2>NMF3，CF与NMF1处理间差异不显著，均显著高于NMF2和NMF3处理。各处理间 20～30 cm土壤速效钾含量表现为CF>NMF1>NMF2=NMF3，CF处理显著高于有机替代处理，有机替代处理间差异不显著。

3 讨论与结论

有机肥与化肥配合施用可以改善土壤微生物的活性，改善土壤供应，提高养分的释放能力，为小麦等作物生长提供良好的养分环境，可延缓叶片衰老，提高养分吸收利用，实现增产增效[13]。试验结果表明，有机肥替代20%化肥氮肥时，较单施化肥，穗数增加了2.90%，穗粒数增加了4.87%，产量提高了6.54%，同时生物量提高了7.21%， 随着替代比例的增加，穗粒数、产量和生物量呈现减小趋势，这与以往的研究结果基本一致，李永华等的研究表明，有机肥施入可延缓叶片衰老，延长灌浆持续期，促进小麦养分吸收利用，提高产量，当有机替代比例为15%和30%时，小麦分别增产8%和5%[14]。

表4 不同处理超晚冬播小麦麦田土壤养分含量

申长卫等的研究表明，适宜的有机肥替代化学氮肥比例，对提高小麦生育期的吸氮强度和籽粒中的氮素分配率，促进对养分吸收利用具有积极作用，替代比例为20%较适宜[11]。本研究发现，与单施化肥相比，有机替代比例为20%时，超晚播冬小麦籽粒、茎、叶和地上部的氮磷积累量均高于单施化肥处理，这与前人的研究结果一致。籽粒、茎、叶、和地上部吸氮量分别较单施化肥提高11.57%、15.40%、12.14%和9.88%，籽粒、茎、叶、和地上部吸磷量分别较单施化肥提高33.80%、130.62%、40.60%和37.91%。

有机肥替代部分化学氮肥可以优化改善化肥管理，是提高肥料利用率的有效措施[15]。孟琳等的研究表明，与单施化肥相比，有机替代显著提高了水稻对氮素的利用率和农学效率[16]。魏文良等通过长期定位试验和文献计量研究了有机肥替代部分化肥对我国小麦、玉米、水稻产量、氮肥利用效率的影响，结果表明，有机替代相比单施化肥产量平均提高了18.2%，氮肥偏生产力提高了32.5%[17]。鲁伟丹等的研究表明，与单施化肥相比，有机肥替代18%～24%化学氮肥提高了小麦氮磷肥料偏生产力[18]。本研究结果表明，有机替代比例为20%时，氮肥偏生产力和磷肥偏生产力分别较单施化肥提高了6.54%和7.21%，这与前人的研究结果基本一致。有机替代降低了土壤pH值，改善了土壤团粒结构，活化了土壤养分，促进了作物对养分的吸收利用[15，19]，进而提高了肥料的利用效率。

有机肥施用对提高土壤肥力具有积极作用[20-24]。Yang等的长期定位试验结果表明，与单施化肥相比，有机肥施用后，土壤全氮含量提高 46%～55%，且随有机替代比例增加而增加[25]。季佳鹏等的研究表明，与单施化肥相比，有机肥替代20%化肥，0～20 cm土层土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾含量分别提高了13.00%～15.20%、12.20%～18.50%、16.70%～34.20%、7.75%～18.50%[26]。本试验结果表明，与单施化肥相比，有机肥替代部分化学氮肥0～10 cm土层土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效磷含量都有不同程度的提高，有机质含量提高了8.55%～11.95%，全氮含量提高了9.09%～15.15%，碱解氮含量提高了1.94%～21.69%，速效磷含量提高了15.43%～28.16%，这与季佳鹏等的结论基本一致。本试验中各处理间土壤速效钾含量差异不显著，这可能与研究区土壤速效钾含量高及灌溉水为微咸水有关。

在本试验条件下，南疆超晚冬小麦有机肥替代部分化学氮肥适宜比例应为20%，此条件下小麦产量提高了6.54%，生物量提高了7.21%，氮、磷吸收积累量分别提高9.88%、37.91%，氮、磷偏生产力均提高6.54%，同时0～10 cm土层土壤中有机质、全氮、碱解氮和速效磷含量分别提高了9.23%、15.15%、21.69%和28.16%。