有机肥部分替代氮肥对优质麦生长、品质和氮效率的影响

崔永增,姚海坡,李 谦,姚艳荣,吕丽华,吴立勇,翟立超,贾秀领

(1.农业部华北地区作物栽培科学观测实验站,河北省作物栽培生理与绿色生产重点实验室,河北省农林科学院 粮油作物研究所,河北 石家庄 050035;2.宁晋县农业技术推广中心,河北 邢台 055550)

目前,绿色健康的食品备受大众的青睐,人们对农产品的品质提出了更高的要求。然而农业生产中长期过量使用化肥,特别是氮肥,导致农产品产量和品质不断下降[1],同时导致了一系列的环境问题,包括水污染[2]、氮损失[3-6]以及温室气体排放[7]。因此,超量施氮已经成为关乎生态环境以及人类健康的问题。为了解决这些问题,有必要对作物生产的氮肥管理进行优化[8]。有机肥通过提高土壤有机碳和氮含量,改善土壤结构,提高土壤稳定性[9],从而提高小麦产量和品质[10-13]。然而,有机肥一方面养分释放缓慢,不能及时满足作物生长发育的需要;另一方面价格偏高,增加了农民的生产成本。因此,近年来用有机肥部分替代化肥已经受到许多学者的重视,并被广泛应用于作物生产[14-16],该方法作为一种节本高效提质的施肥方法,促进了农业的可持续发展。

目前,关于有机肥部分替代化肥方面的研究大多集中于对环境的影响,包括改善了土壤物理和化学性质[17],调节了土壤生物特性[18-19],减少了氮排放[20]。关于有机肥部分替代化肥对小麦产量的影响报道也较多,但由于不同来源的有机肥料养分种类存在差异,因此,导致有机肥替代氮肥的比例对产量的影响结果并不一致;同时替代后对小麦产量提高的生理基础并无详细阐明;并且针对有机肥替代氮肥后由于其肥效的缓释性而不能及时满足春季作物生长发育对氮素需求的解决方法也鲜有报道。针对上述问题,本研究通过对有机肥部分替代氮肥比例以及替代氮肥后春季增喷液态氮肥对小麦产量、品质及氮效率影响的研究,一方面明确适宜本地区的有机肥替代比例,另一方面揭示有机肥部分替代氮肥后产量提高的生理基础,再一方面提出有机肥肥效缓释条件下如何补充速效氮的替代技术,以期为氮肥减量增效技术提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2020年10月—2022年6月连续2 a在河北省宁晋县河北省农林科学院试验基地(114°53′E,37°37′N)进行。试验地0～20 cm耕层土壤养分含量有机质20.51 g/kg,全氮0.54 g/kg,全磷0.76 g/kg,全钾9.77 g/kg,有效磷14.5 mg/kg,有效钾170.9 mg/kg。

1.2 试验设计

参试小麦品种为藁优5766。采用完全随机试验设计,小区面积60 m2,15 cm等行距播种,基本苗540万株/hm2,3次重复。试验共设置8个处理。T1:不施氮处理;T2:高效施氮处理(对照),氮素均来源于无机氮尿素;T3:20%替代率处理,用有机肥替代T2的20%化学氮肥用量;T4:40%替代率处理,用有机肥替代T2的40%化学氮肥用量;T5:60%替代率处理,用有机肥替代T2的60%化学氮肥用量;T6:80%替代率处理,用有机肥替代T2的80%化学氮肥用量;T7:100%替代率处理,用有机肥替代T2的100%化学氮肥用量;T8:100%替代率+液态氮处理,该处理用有机肥替代T2的100%化学氮肥用量,并于起身期(3月23日)喷施液态氮肥,折合纯氮2.6 kg/hm2,液态氮来源于绿速达(意大利萨蒂班化学公司),该液态氮含总氮350 g/L,其中尿素氮144 g/L,缓释氮206 g/L。T2～T7处理均施纯N 210 kg/hm2,T8处理施纯N 212.6 kg/hm2。所有处理磷、钾肥用量相同,P2O5120 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2,具体施肥用量见表1。有机肥均作为基肥施用,有机肥为牛粪,含有纯N 1.88%、P2O50.2%和K2O 0.92%;化学肥料为尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2O546%)、氯化钾(K2O 60%),其中磷和钾肥作为基肥一次性施入。灌水方式采用微喷灌,小麦生育期总灌水量125 mm,分3次灌溉,分别为返青期45 mm、拔节期35 mm、开花期45 mm。2个小麦季降水量分别为154.0,70.0 mm。小麦10月14—25日播种,6月12—14日收获,其他田间管理一致。

表1 不同施肥处理有机肥和化肥用量Tab.1 Amount of organic fertilizer and chemical fertilizer in different fertilization treatments kg/hm2

1.3 测定指标和方法

产量及产量构成:每个小区人工收割1.5 m×2.0 m = 3 m2,籽粒自然风干后脱粒称质量,折算为含水量13%的标准产量。成熟期每小区收获1.11 m双行的所有植株,计数穗数,折合为公顷穗数;随机取40穗计数穗粒数;脱粒、风干后称千粒质量,重复4次,折算为13%含水量的标准千粒质量。

单位面积粒数=每平方米穗数×穗粒数;

收获指数=籽粒产量/生物产量。

旗叶SPAD值:于起身期(3月30日)、拔节期(4月8日)、开花期(5月6日)和灌浆期(5月24日)采用手持式SPAD-502型叶绿素计测定上部展开叶的SPAD值,3次重复,每重复选10片叶,取平均值。

叶面积指数(LAI): 于起身期、拔节期、开花期和灌浆期取样,每小区取0.15 m2,选长势均匀的10株,测量叶长和叶宽,计算单株叶面积和LAI。叶面积=叶长× 叶宽×0.83;LAI=单株叶面积×单位土地面积内株数/单位土地面积。

品质指标的测定:采用SAN++型SKALAR连续流动分析仪测定氮含量,按氮含量的5.7倍换算蛋白质含量;采用Glutomatic 2100型面筋仪依据GB/T 5506.2—2008方法测定湿面筋含量;采用810106002型电子粉质仪依据GB/T14614—2019方法测定面团稳定时间;采用86003302型拉伸仪依据GB/T 14615—2006方法测定最大拉伸阻力、拉伸面积。

氮效率相关指标:成熟期每个小区收获1.11 m双行小麦,植株分成茎叶和籽粒分别装袋,80 ℃烘干至恒质量,测定各部位干质量。将样品粉碎,采用半微量凯氏定氮法测定各部位含氮量,并计算籽粒和植株吸氮量。

氮肥利用率(Nitrogen use efficiency,NUE),采用差减法算得,即:(作物施氮处理吸氮量-不施氮处理吸氮量)/施氮量×100;

氮肥效率(Nitrogen fertilizer efficiency,NFE,kg/kg)=籽粒产量/当季施氮量;

氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=植株氮素累积量/施氮量;

氮收获指数(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒吸氮量/植物吸氮量×100%。

土壤硝态氮含量:于小麦起身—拔节期(4月1日)、开花—灌浆期(5月15日)和成熟期(6月10日)取土,每小区3个样点,取土深度100 cm,每20 cm一层,装于自封袋中,立即冷冻。解冻后采用0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提,浸提液用流动分析仪(TRAACS-2000,BRAN+LUEBBE,德国)测定硝态氮含量。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007处理数据,在SAS v8e软件包中运行GLM(General Linear Model)程序进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对小麦产量及产量形成的影响

2.1.1 产量及产量构成因素 由于第1季冬小麦试验结果受基础地力影响较大,因此,该试验各项测定工作从第2季正式开展。由表2可见,T2对照(高效施氮)、T4(40%替代率)、T5(60%替代率)和T8(100%替代率+春季喷施液态氮)处理小麦产量较高,其次是T3处理(20%替代率),再次是T6处理,均显著高于T7(100%替代率)处理,六者较T7分别提高9.8%,7.6%,8.4%,10.2%,5.6%,4.2%;T1(不施氮)处理产量最低。说明有机肥替代率过高时(80%以上)小麦产量反而较低,而替代率小于60%对产量影响不显著;T8处理在100%替代率条件下,由于春季喷施少量的液态氮肥以补充速效营养,同样达到了较高的产量,其产量与仅施无机氮的高效施氮处理相当。通过对产量构成三因素分析可知,替代率小于60%条件下产量较高主要是通过增加单位面积穗粒数来实现,与80%和100%替代率处理比较,穗粒数分别增加5.5%,5.6%。千粒质量除不施氮处理外,其他7个处理间差异不显著。收获指数处理间差异也未达到显著水平。

以T3～T7处理施入的有机氮量为横坐标、产量为纵坐标进行拟合得到(图1),有机氮量与产量呈二次曲线关系,拟合效果达极显著水平(P<0.01)。根据拟合结果,在本试验条件下当有机肥替代率为48.1%,即有机纯氮量达101.0 kg/hm2产量可达最高值(10 487.5 kg/hm2);当减产幅度为1%,有机肥替代率分别为29.5%,66.7%。可见有机肥替代率在29.5%～66.7%均能得到较高的产量。

图1 有机氮施氮量与籽粒产量关系Fig.1 Relationship between organic nitrogen application and grain yield

2.1.2 叶面积指数 由图2不同肥料处理的叶面积指数(LAI)可见,在起身期(3月30日),T3和T8处理LAI较高,其次是T4处理,但三者间差异未达显著水平,三者较T2对照处理分别高9.3%,14.6%,8.0%;其次是T2对照、T5、T6、T7处理较高,较不施氮的T1处理分别高53.6%,57.7%,60.2%,58.2%。拔节期(4月8日),T2、T3和T8处理 LAI较高,较其他施氮处理平均值分别高19.6%,14.4%,15.9%,其次是T4和T5处理较高,较替代率较高的T6和T7处理平均值分别高14.0%,9.9%。开花期(5月6日),T3处理 LAI显著较高,较其他施氮处理平均值高13.4%,其次是T2、T4和T8处理,较替代率较高的其他施氮处理平均值分别高14.6%,12.1%,8.4%。灌浆中后期(5月24日),为T4处理LAI显著较高,T1不施氮处理显著较低,而其他施氮处理间LAI差异不显著,其中T4处理较其他处理平均值高19.1%。可见,多数时期高效施氮,20%,40%,100%替代率+液态氮处理LAI较高;并且起身和拔节期LAI变化趋势说明,3月23日喷施液态氮肥可明显促进叶片生长,而快速提高春季LAI,从而使喷施液态氮肥处理得到与高效施氮处理相当的LAI;而在生育中后期,有机氮的肥效缓慢释放,绿叶面积降幅较小,从而维持了较长的绿叶持续时间,有机肥替代氮肥各处理同样实现了与高效施氮处理相当的LAI,这可能是有机肥替代化肥后产量稳定的生理基础。

不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图3同。Different lowercase letters indicate significant difference(P<0.05).The same as Fig.3.

2.1.3 上部展叶SPAD值 由图3不同肥料处理上部展叶SPAD可见,起身期T3处理叶片SPAD值最高,其次是T2和T8处理,三者间差异未达显著水平,再次是T4、T5、T6和T7处理,SPAD值显著低于T3处理,T3处理较四者平均值高6.2%,不施氮处理SPAD显著较低。拔节期T2、T3、T4、T5和T8处理SPAD值显著较高,较其他施氮处理平均值分别高6.4%,7.9%,6.7%,8.4%,7.5%;其次是T6和T7处理,较不施氮处理分别高23.3%,26.8%。开花期T3、T4、T5和T8处理SPAD值较高,其次是T2和T6处理,各处理间差异未达显著水平,但较T7处理分别高6.1%,6.9%,6.1%,4.6%,3.0%,4.2%。灌浆中后期为T4、T5和T8处理SPAD值较高,较其他施氮处理平均值分别高2.3%,3.1%,3.4%,其次是T6和T7处理,但与前三者差异未达显著水平,再次是T2和T3处理。可见,有机肥部分替代氮肥可明显提高拔节以后叶片SPAD值,多数时期20%,40%,60%替代率和100%替代率+液态氮处理上部展叶SPAD值较高,且大多与高效施氮处理相当;3月23日喷施液态氮肥明显提高了叶片SPAD值,在起身期、拔节期和开花期该处理SPAD值与高效施氮处理相当,且灌浆中后期有机氮肥效缓慢释放,该处理SPAD高于高效施氮处理。

图3 不同肥料处理小麦上部展叶叶绿素相对含量Fig.3 SPAD of uppermost leaf for wheat under different fertilizer treatments

2.2 不同施肥处理对籽粒品质性状的影响

蛋白质含量为T1不施氮处理显著较低,其他处理间差异不显著。吸水率和湿面筋含量各处理间差异也不显著。稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力均为T4处理较高,其次是T7或者T8处理较高,而T1处理最小,前3个处理稳定时间较T2对照处理分别提高17.8%,10.0%,13.2%,拉伸面积较T2处理分别提高23.5%,15.1%,9.7%,最大拉伸阻力较T2处理分别提高9.1%,4.3%,3.4%;而T2和T3处理间差异不显著(表3)。可见,有机肥替代氮肥大多能提高籽粒品质,尤其是替代率大于40%时效果更明显。

表3 不同肥料处理籽粒品质性状Tab.3 Grain quality characters under different fertilizer treatments

2.3 不同施肥处理对氮素吸收与利用的影响

由表4可见,各施氮处理籽粒吸氮量显著高于不施氮处理,其中 T2、T4和T8处理籽粒吸氮量显著较高,较其他施氮处理平均值分别高6.9%,7.7%,9.9%;其次是T3和T6处理,再次为T5和T7处理较高,分别较不施氮处理提高22.5%,24.3%,15.0%,18.7%。氮肥利用率指单位施氮量下作物的吸氮量,为T8和T2处理显著较高,二者差异不显著,较其他施氮处理平均值分别高11.7,13.6百分点;其次是T4处理较高,再次是T6处理,二者差异显著,较利用率较低的其他施氮处理平均值分别高11.7,4.7百分点;其他几个有机肥替代处理氮肥利用率较低。

表4 不同肥料处理小麦氮效率Tab.4 Nitrogen efficiency under different fertilizer treatments

氮肥效率指单位施氮量生产的经济产量,为 T2、T5和T8处理较高,其次是T3、T4和T6处理,六者间差异未达显著水平,但显著高于T7处理,分别高9.7%,8.4%,8.9%,5.6%,7.6%,4.1%。氮素吸收效率为单位施氮量下植株氮素积累量,为T2和T8处理较高,其次是T4处理,三者差异不显著,较其他施氮处理平均值分别高9.3%,9.3%,6.7%;再次是T3、T6和T7处理较高。氮收获指数为植株吸氮量转移至籽粒中的氮量,为不施氮的T1处理显著较高,较其他施氮处理平均值高6.3%;其次是T3、T4、T5、T6和T8处理高于T2和T7处理,但各施氮处理间差异未达显著水平(P<0.05)。可见,高效施氮、40% 替代率和100%替代率+液态氮肥处理各项氮效率指标大多表现较优,可为推荐的施氮技术。

2.4 不同施肥处理对土壤硝态氮含量的影响

起身—拔节期(图4-A)和开花—灌浆期(图4-B)土壤硝态氮含量变化趋势大体一致,0～80 cm土层硝态氮含量大多表现为T8、T7>T6>T5>T4>T3≥T2>T1,起身—拔节期前六者较T2高效施氮处理分别提高192.1%,153.7%,136.4%,106.7%,66.2%,20.8%;开花—灌浆期前六者较T2高效施氮处理分别提高206.7%,194.9%,98.9%,65.0%,37.1%,11.1%。80～100 cm土壤硝态氮含量2个时期不同,起身—拔节期为T8、T7>T6>T2>T5>T4>T3>T1,前三者较T2处理分别提高13.5%,14.5%,5.4%。开花—灌浆期为T8>T4、T2>T6、T5>T7>T3>T1,T8处理较T2处理提高5.2%。成熟期(图4-C)随有机肥替代率升高各层土壤硝态氮含量大多也呈增加的趋势,0～60 cm土层该趋势尤为明显,硝态氮含量大多表现为T8>T7>T6>T5>T4、T3>T2>T1,前六者较T2高效施氮处理分别提高258.3%,214.0%,117.0%,69.1%,45.1%,18.5%;60～80 cm土壤硝态氮含量为T7>T8>T6>T4、T2>T5>T3>T1,前三者较T2处理分别提高53.9%,42.9%,19.1%;80～100 cm土壤硝态氮含量为T2>T8、T7>T6>T5、T4>T3>T1,中间6个有机肥替代处理较T2处理分别降低25.6%,27.3%,32.9%,37.4%,40.2%,44.1%。可见,有机肥替代氮肥能明显增加起身—灌浆期0～80 cm和成熟期0～60 cm土壤硝态氮含量,使土壤硝态氮更多地被固定在浅层而出现表聚现象,从而增加中后期小麦对氮素的吸收利用,替代率越高土壤硝态氮含量越高,主要原因可能为有机肥肥效较缓,养分释放较慢的缘故。有机肥替代氮肥能明显降低成熟期80～100 cm 土壤硝态氮的积累,说明有机肥替代氮肥一定程度减少深层土壤硝态氮渗漏,降低了硝态氮向下层淋溶的风险。

图4 不同施肥处理对土壤硝态氮含量的影响Fig.4 Soil nitrate nitrogen content in different treatments after wheat harvest

3 结论与讨论

3.1 冬小麦稳产优质高效的有机肥替代比例的选择

关于有机肥替代氮肥的研究,由于研究区域、有机肥种类、试验地肥力等基础条件的不同,其最佳替代率的研究结果不一。学者们分别得出25%[21-22],30%[23],40%[12],75%[24]的替代率小麦产量明显提高,籽粒品质得到一定程度改善[22],氮肥效率提高[1]的结论。本研究通过对T3～T7处理施入的有机氮量与产量进行拟合得到,29.5%～66.7%的替代率可维持较高冬小麦产量,尤其40%的替代率处理小麦产量、籽粒品质和氮效率表现较优,实现与对照高效施氮处理相当或更高的效果;其中该处理品质指标籽粒稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力较对照处理分别提高了17.8%,23.5%,9.1%,籽粒产量、籽粒吸氮量、氮肥效率和氮素吸收效率与对照相当,实现了较高的品质,保持了稳定的经济效益和生态效益。有机肥部分替代氮肥一方面满足了大众对绿色食品、高品质食品的要求;同时与更高替代率处理相比,有机肥部分替代氮肥一定程度降低了有机肥的投入,从而降低了生产成本,满足了农民对经济效益的要求。

3.2 有机肥替代氮肥产量调控的主要生理基础

关于有机肥部分替代氮肥而提高作物产量的机制,它可能与提高作物籽粒氮素的积累[12]土壤肥力[9]、养分可利用性[25-26]和氮肥利用效率[27]有关;但很少有研究从生理指标的角度来分析。在本研究中,29.5%～66.7%的替代率和100%替代率+液态氮处理小麦产量较高,主要原因之一可能是拔节期以后的光合性能(LAI和SPAD值)得到提高,尤其在生育中后期,有机氮的肥效得以缓慢释放,0～80 cm土壤速效氮得到逐步改善,小麦氮素积累量增加,绿叶面积降幅较小,叶片SPAD值保持较高,使得有机肥替代氮肥实现了与对照高效施氮处理相当的光合性能,这可能是有机肥替代化肥后产量稳定的主要生理基础。另外,100%替代率+液态氮处理由于3月23日喷施了液态氮肥,明显促进了叶片生长,使春季LAI快速提高,从而使该处理达到与对照处理相当的光合性能。

3.3 有机肥替代氮肥土壤硝态氮变化趋势

前人研究表明,有机肥替代氮肥可减少土壤中硝态氮的残留,促进氮的吸收与利用[3,12,21]。孙波等[28]研究表明,与单施化肥的对照相比,有机肥部分替代氮肥能够显著降低根区外土壤中硝态氮的残留量。本研究结果表明,有机肥替代氮肥明显增加起身—灌浆期0～80 cm和成熟期0～60 cm土壤硝态氮含量,使土壤硝态氮更多地被固定在浅层而出现表聚现象,从而增加中后期小麦对氮素的吸收利用,替代率越高土壤硝态氮含量越高,主要原因可能为有机肥肥效较缓,养分释放较慢的缘故。有机肥替代氮肥明显降低成熟期80～100 cm 土壤硝态氮含量,说明有机肥替代氮肥一定程度减少深层土壤硝态氮渗漏,降低了硝态氮向下层淋溶的风险。当然有机肥替代率过高,收获期0～60 cm土壤硝态氮残留较多,对后茬作物的影响效果以及逢雨季后对生态环境的影响程度还需进一步研究。

有机肥替代等量氮肥的29.5%～66.7%可维持较高的小麦产量,尤其40%的替代率条件下小麦产量、品质和氮效率与对照高效施氮处理(仅施化肥)相当或比对照更高。该条件下稳产提质高效的主要原因为:生育中后期0～80 cm土壤速效氮逐步改善,LAI和叶片SPAD值维持较高值。同时100%替代率+液态氮处理小麦产量、品质和氮效率指标也达到与对照处理相当或更好的效果。因此,从长期经济效益和生态效益的角度来看,40%的替代率可能是一种可行的施肥选择;当然仅从绿色可持续的角度来考虑,100%的替代率+春季喷施少液态氮肥也将是另一种可行的施肥选择。