生物有机肥替代化肥对小麦产量和品质以及土壤质量的影响

李伟欣，黄鲲，柴同海，李银平，师学静，唐磊，邢明振

（根力多生物科技股份有限公司，河北 威县 054700）

小麦（Triticum aestivumL.） 是我国主要粮食作物之一，小麦高产稳产对保证我国粮食安全具有重要意义[1]。据联合国粮农组织数据，我国小麦产量水平与欧盟平均水平接近，但化肥用量为欧盟的2.5～2.6 倍，超过国际公认安全线2 倍左右，且化肥当季利用率远低于发达国家[2，3]。施用化学肥料为我国作物增产起到了重要作用，但过量施用不仅不会带来持续性增产，还会造成土壤板结、土壤养分利用率降低、地下水污染等[4～6]。研究表明，施用有机肥可以改善土壤理化性质，缓解过量施用化肥导致的土壤养分流失和养分利用率低等问题[7，8]。但有机肥养分释放缓慢，单独施用不能满足当季作物的高产需求。用有机肥替代部分化肥，能够同时利用化肥的速效性和有机肥的持久性，达到既缓解养分流失，又满足当季作物高产需求的目的。

有机肥与化肥如何合理配施才能实现提高小麦产量和品质且又改善土壤肥力，是长期以来人们关注的焦点。王家宝等[9]研究表明，用生物有机肥替代17%～34%的化肥较单施化肥处理对小麦有增产效果，增产率为11.3%～11.8%。在小麦—玉米一年两熟轮作体系中，有机无机肥料配施能促进作物对养分的吸收，提高肥料利用效率，显著增加粮食产量，且降低土壤无机氮的残留量[10，11]。在油菜上，利用生物有机肥料替代24%～34%的化肥较单施化肥处理增产20.8%～31.2%[12]。高菊生等[13]研究了长期有机无机肥配施对水稻土壤有效养分含量的影响，结果表明，施用有机肥较单施化肥处理能够显著提高土壤碱解氮含量。但是，有机肥的施用量并非越高越好，不同地区、不同土壤肥力水平下，适宜不同作物的有机肥替代比例不同[14，15]。前人有关有机肥替代化肥的研究中试验长度多为1 a，而采用长期定位试验的研究较少，且鲜有关注有机肥替代化肥对子粒品质的影响。长期定位试验具有时间的长期性、气候的重复性、数据的连续性等特点，既可揭示土壤肥料效益的演变，以及肥效规律和土壤质量的变化，又可弥补短期大田试验因气候、病虫害等外界环境因素造成的结果局限性[16～18]。基于此，采用长期定位施肥试验，通过监测不同用量有机肥替代化肥对小麦产量和品质以及土壤肥力的影响，明确有机肥替代化肥的适宜比例，旨为小麦生产上合理减施化肥、增产提质增效以及土壤养分调理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017～2021 年在河北省黑龙港地区的威县进行。土壤类型为潮土，质地为沙壤土。选择该区种植面积较大的小麦—玉米一年两熟种植模式进行试验。试验区基础土壤养分含量为有机质7.08 g/kg、碱解氮46.52 mg/kg、有效磷25.31 mg/kg、速效钾166.78 mg/kg，pH 值7.81。

1.2 试验材料

小麦品种为山农24 号。施用肥料有掺混肥（化肥）、有机无机复混肥和纯发酵生物有机肥粉剂3 种，均由根力多生物科技股份有限公司生产并提供。其中，掺混肥的N、P2O5、K2O 含量分别为20%、20%和5%；有机无机复混肥的N、P2O5、K2O 含量分别为20%、20%和5%，有机质含量（以干基计） ≥8%，有效活菌数≥200 万个/g；纯发酵生物有机肥粉剂的有机质含量≥65%，有效活菌数≥2 亿个/g。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 试验施肥方式设普通施肥（100%化肥，掺混肥750 kg/hm2，T1）、有机肥替代20%化肥（有机无机复混肥600 kg/hm2，T2）、有机肥替代50%化肥（掺混肥375 kg/hm2+纯发酵生物有机肥1 406.25 kg/hm2，T3）、有机肥替代全部化肥（100%有机肥，纯发酵生物有机肥2 812.50 kg/hm2，T4）4 个处理。小区面积600 m2，采用随机区组排列，3 次重复。各小区之间用80～100 cm 的地埂隔开，以防串肥。

玉米秸秆还田后造墒，小麦适期足墒播种，不同施肥方式处理的肥料均作为基肥在小麦播种前结合整地均匀撒施。小麦生育期共灌水3 次，其中返青期结合灌水追施尿素300 kg/hm2，拔节期结合灌水追施尿素150 kg/hm2。其他田间管理措施同常规。

1.3.2 测定项目与方法

1.3.2.1 小麦产量性状和子粒品质。小麦收获期，每小区均选择2 个2.5 m2的样方，将样方内的小麦全部收获，测定单位面积穗数、穗粒数、千粒重和产量。之后，将小麦子粒充分混合，从中选取1 kg 送检，参照《食品中氨基酸的测定》 （GB 5009.124—2016）利用氨基酸自动分析仪测定氨基酸含量，参照《食品中蛋白质的测定》 （GB 5009.5—2016）利用凯氏定氮法测定蛋白质含量。

1.3.2.2 土壤养分含量。每年小麦收获后，各小区均采用随机五点法取样，每个样点均采集0～20 cm 土层的混合土样约500 g，置于通风阴凉处风干后粉粹、过筛（孔径2.5 mm），备用，测定土壤养分含量。其中，碱解氮含量测定采用碱解扩散法；速效磷含量测定采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法；速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法；有机质含量测定采用重铬酸钾容量法[19]。

1.3.3 数据处理与分析 指标值均取试验年度的平均值。利用Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 生物有机肥替代化肥对小麦产量性状和子粒品质的影响

2.1.1 产量及其构成因素 生物有机肥替代化肥处理的单位面积穗数为486.18 万～536.80 万个/hm2，指标值的增减因替代比例的不同而异，其中T2处理的指标值较T1处理增多8.92%且差异达到了显著水平，而其他2 个处理较T1处理差异均不显著；穗粒数为28.43～30.94 粒，指标值的增减因替代比例的不同而异，但不同替代比例处理间及其与T1处理间的差异均不显著，其中T2处理的指标值最大；千粒重为41.90～43.15 g，均＞T1处理，其中T2处理最大、T4处理次之，二者效果显著，指标值分别较T1处理提高4.05%和2.51%；最终，小麦产量随着替代比例的增大而逐渐降低，指标值为5 893.58～7 116.07 kg/hm2，但均＞T1处理，增产率为1.95%～23.1%，其中T2处理的产量最高且与其他处理差异均达到了显著水平（表1）。表明生物有机肥替代化肥较单施化肥可提高小麦产量，其中T2处理效果最好，能够有效提高单位面积穗数和千粒重，增产显著。

表1 生物有机肥替代化肥对小麦产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on wheat yield and yield components

2.1.2 子粒品质

2.1.2.1 蛋白质含量。生物有机肥替代化肥处理的小麦子粒蛋白质含量为11.13%～13.03%，均显著＜T1处理，降幅为5.1%～19.0%；指标值随着生物有机肥替代比例的增大而逐渐降低，且不同替代比例处理的差异达到了显著水平，其中T3与T4处理差异不显著，但二者均显著＜T1处理（表2）。表明生物有机肥替代化肥较单施化肥不利于子粒蛋白质含量的提高，其中T2处理下效果相对较好。

表2 生物有机肥替代化肥对小麦子粒蛋白质含量的影响Table 2 Effects of replacing chemical fertilizers with bioorganic fertilizers on the protein content of wheat grains

2.1.2.2 氨基酸含量。生物有机肥替代化肥处理对小麦子粒16 种氨基酸含量以及氨基酸总含量的影响效果因替代比例的不同而异（表3）。随着生物有机肥替代化肥比例的增大，天冬氨酸、苏氨酸、脯氨酸、甘氨酸、丙氨酸、缴氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸和精氨酸含量呈先升高后降低的变化，指标值均以T2处理最大；丝氨酸、谷氨酸和酪氨酸含量呈逐渐降低趋势，生物有机肥替代条件下指标值均以T2处理最大；蛋氨酸含量呈逐渐升高趋势；最终，T2、T3、T4处理的子粒氨基酸总含量分别为13.03%、12.67%和12.54%，除T2处理较T1处理（12.77%） 提高0.26 百分点外，其他2 个处理均＜T1处理。表明适宜比例的生物有机肥替代化肥才有利于子粒氨基酸含量的提高，其中T2处理效果最好。

表3 生物有机肥替代化肥对小麦子粒16 种氨基酸含量的影响Table 3 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on the content of 16 amino acids in wheat grains （%）

2.2 生物有机肥替代化肥对土壤养分含量的影响

生物有机肥替代化肥处理对土壤各养分平均含量的影响效果因替代比例的不同而异（表4）。随着生物有机肥替代化肥比例的增大，土壤碱解氮含量呈先升高后降低的变化，除T4处理外，其他处理的指标值均＞T1处理，其中T3处理明显较高，而T2与T1处理差异不显著；速效磷和速效钾含量均呈逐渐降低的变化，且不同替代比例处理的差异均达到了显著水平，其中T2处理的指标值分别较T1处理增加了27.92%和4.48%且差异均达到了显著水平，而其他2 个处理的指标值均显著＜T1处理；有机质含量均显著＞T1处理，且指标值随着替代比例的增大而明显提高。总体来看，T2处理提高土壤肥力效果最好。

表4 生物有机肥替代化肥处理对4 a 土壤养分平均含量的影响Table 4 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on average content of soil nutrients in 4 years

从不同年份的土壤肥力（表5）变化看，随着施用生物有机肥年限的增加，土壤碱解氮和有机质含量上升，土壤速效磷和速效钾含量下降。2021 年与2018 年相比，土壤碱解氮、有机质含量分别提高了15.27%～75.57%和13.56%～43.96%，其中T2处理提高有机质含量效果最好；土壤速效磷、速效钾含量分别降低了24.77%～67.10%和7.80%～26.97%，其中T2处理的速效磷降幅最小。表明用有机肥替代部分化肥有利于土壤碱解氮和有机质含量的提高，且有机质含量随着有机肥施用年份的增加而提高，总体来看，T2处理效果较好。

表5 生物有机肥替代化肥处理对土壤养分含量的影响Table 5 Effects of replacing chemical fertilizers with bio-organic fertilizers on soil nutrient content

3 结论与讨论

化肥对于粮食作物增产起到了重要作用，但过度施用不仅会影响土壤综合生产能力的提高，还会导致生态环境的恶化。因此，用有机肥替代部分化肥是减少化肥施用并保证粮食作物可持续生产的重要措施之一[20]。

本研究条件下，有机肥替代20%化肥处理的小麦单位面积穗数和千粒重显著高于普通施肥，说明有机肥与化肥合理配施通过增加单位面积穗数和千粒重，从而实现小麦增产，这与张晶等[21]的研究结果一致。高伯行等[22]发现，有机氮替代20%～40%的无机氮时，小麦产量高于常规施肥。邢鹏飞等[23]利用猪粪有机肥替代化肥，结果显示，有机肥替代30%的无机肥对小麦具有较好的增产作用。在本试验中，除有机肥替代20%化肥外，有机肥替代50%和100%化肥时小麦产量与普通施肥均无显著差异。说明用有机肥替代化肥时比例并不是越大增产效果就越好，应存在最佳替代比例。

有机肥部分替代化肥处理是提高作物养分利用效率和改善土壤的重要手段之一。本研究中，随着生物有机肥替代化肥比例的增大，土壤有机质含量上升，而土壤中碱解氮、速效磷和速效钾含量呈先升后降的趋势变化；随着施用生物有机肥年限的增加，土壤碱解氮和有机质含量上升，土壤速效磷和速效钾含量下降。这与Du 等[24]和李燕青[25]有机肥与化肥配施对土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾含量均明显增加的结论不一致，这可能与试验设置的最大有机肥替代比例、长期定位试验年限、基础地力等因素不同有关。

小麦品质不仅与品种遗传特性、栽培条件和管理措施等有关，还与土壤理化性质有关。不同比例的有机肥与化肥配施对冬小麦品质的改善作用不同；提高作物栽培技术，如增加有机肥用量、改进施肥措施，均为提高品质的有效途径[26，27]。本研究结果显示，生物有机肥替代化肥不利于小麦子粒品质的提高，且小麦品质随着替代比例的增大呈降低趋势，主要是因为有机肥养分释放缓慢，当季施用比例越高，越不利于满足作物高产优质对当季养分的需求。

本研究通过长期定位试验，研究了生物有机肥替代化肥对小麦产量和品质以及土壤质量的影响，结果表明，生物有机肥部分替代化肥处理可以提高子粒产量和土壤肥力，但不利于提高品质，其中用生物有机肥替代20%的化肥时可以在实现高产稳产的同时，实现较优的子粒品质，提高土壤肥力。因而，小麦生产上，用生物有机肥替代20%的化肥较为可行。