有机肥替代氮肥对小麦产量、品质及养分积累的影响

杜光辉, 史鹏飞, 聂良鹏, 张 琳, 丁 丽, 吕玉虎, 张丽霞, 潘兹亮, 李 杰

(信阳市农业科学院,河南信阳 464001)

河南省信阳市是我国优质弱筋小麦生产核心区,是支撑我国蒸煮和烘培等相关食品的原料生产与加工优势区域。稻麦轮作是当地重要种植模式,但化肥过度施用,不仅造成土壤板结,制约土壤地力提升,严重影响稻茬麦的产量与品质,还会降低资源利用效率[1-2]。

有机肥富含丰富的有机质及作物生长所需的矿物质,作为培肥土壤、提升地力的重要手段,受到广泛关注[3-4]。一方面有机肥的施用可以改善土壤团聚体,缓解土壤板结,增加土壤透气性,提升土壤地力[5-6];另一方面有机肥是有机物料发酵而来,具有丰富的有益微生物和养分,对培肥土壤,提高肥料利用率,增加小麦产量和品质有重要影响[7-8]。但有机肥氮(N)、磷(P)、钾(K)含量低、养分释放慢,不能满足作物对养分的需求,影响小麦的产量[9]。

有机肥替代氮肥能够有效调节土壤养分供给,补充土壤有机质,促进小麦对矿质元素的吸收积累,提升土壤地力及可持续性,是小麦提质增效的有效措施[10-13]。但有机肥施用比例过大不仅会增加投入成本,还影响小麦产量,增加土壤氮的损失。本试验旨在探索有机肥替代氮肥对小麦产量、品质及养分积累的影响,为豫南弱筋麦种植区的有机肥替代氮肥技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点位于河南省息县宏升粮食制品有限责任公司生产基地(32°15′N,114°09′E),该地地处淮河以北,地势平整,灌溉方便,旱涝保收。供试土壤为壤土,试验前耕层(0～20 cm)土壤pH 值 7.58,有机质含量19.3 g/kg,全氮含量1.06 g/kg,碱解氮含量 87.5 mg/kg,全磷含量0.40 g/kg,有效磷含量 7.65 mg/kg,全钾含量15.68 g/kg,速效钾含量 117.3 mg/kg。

1.2 试验材料

试验选用小麦品种为扬麦13,经检测供试有机肥总氮含量1.51%,总磷含量3.32%,总钾含量0.36%。

1.3 试验设计

本试验共设计5个处理,分别是不施肥(CK)处理、常规施肥(T1)处理、化肥优化施肥(T2)处理、有机肥替代15%氮肥(有机肥以氮计算,T3)处理、有机肥替代30%氮肥(T4)处理,每个处理设3次重复,采用随机区组排列。小区面积为20 m2(4 m×5 m),各小区间隔30 cm,并进行开沟。试验于2021年10月20日进行播种,2022年5月23日收获,播种量为225 kg/hm2,每个小区种16行,行距25 cm。小麦按照N、P2O5、K2O的含量分别为210、126、105 kg/hm2施肥。磷肥(过磷酸钙,P2O5含量12%)、钾肥(氯化钾,K2O含量 60%)及有机肥全部作基肥施用;氮肥(尿素,N含量46%)常规施肥全部作基肥施用,优化施肥及其他处理按基肥70%、返青肥30%的比例施用。

1.4 样品采集与分析

在2022年收获期,根据5点对角线法采集小麦地上部植株,每个点采集3株小麦。将小麦分为籽粒和秸秆2个部分,清洗自然风干后分别称质量,粉碎过筛,做好标记,装袋保存,留待后续测定。

小麦籽粒测定蛋白质、淀粉、脂肪、全氮、全钾和全磷的含量。小麦秸秆测定全氮、全钾和全磷的含量。小麦产量按实打实收计算。

1.5 计算公式与统计方法

小麦氮积累量=小麦干物质量×小麦氮含量/1 000,kg/hm2;氮肥利用率=(施氮区作物吸氮量-不施氮区作物吸氮量)/(施氮量+有机肥氮含量)×100%;氮偏生产力=施氮处理产量/施氮量,kg/kg;氮农学效率=(施氮区籽粒产量-对照产量)/氮肥施用量,kg/kg。

所有试验数据均采用SAS 9.4 、 Microsoft Excel 2013 、Graph Pad Prism 5.0进行处理分析及绘图。并通过Duncan’s多重比较验证0.05水平上的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 不同处理对小麦地上部干物质量的影响

不同处理对小麦地上部干物质量的影响如图1所示,与CK相比,所有施肥处理均显著增加了小麦籽粒、秸秆及地上部干物质量。从图1-a可以看出,不同处理籽粒干物质量在5.575～7.720 t/hm2之间,T3处理产量最高;与T1处理相比,T2、T3、T4处理均能显著增加小麦籽粒干物质量,增幅分别为3.66%、8.66%、4.93%;与T2、T4处理相比,T3处理能显著增加小麦籽粒干物质量。从图1-b可知,小麦秸秆干物质量在4.945～6.875 t/hm2之间,且优化施肥处理的干物质量最高;与T1处理相比,T2、T3和T4处理均能提高小麦秸秆产量,但只有T2处理差异显著,增幅分别为13.45%、6.44%和5.78%。从图1-c可以看出,不同处理小麦地上部干物质量在10.520～14.240 t/hm2之间,与T1处理相比,优化施肥处理及2个有机肥替代氮肥处理均显著提高了地上部干物质量,增幅分别为8.99%、8.46%、6.12%。

2.2 不同试验处理对小麦品质的影响

由表1可知,有机肥部分替代氮肥能够显著增加小麦籽粒中蛋白质和淀粉的含量。与T1、T2处理相比,T3和T4处理可以显著增加小麦籽粒的蛋白质含量,T3处理增幅为5.15%、3.55%,T4处理增幅5.88%、4.26%;施化肥处理与对照无显著差异。有机肥替代15%氮肥处理的小麦籽粒中淀粉含量最高,与常规施肥和不施肥处理相比差异均达到显著水平。与T1、T2处理相比,T3和T4处理显著提高了麦粒的淀粉含量,T3处理增幅为24.63%、19.85%,T4处理增幅为19.54%、14.95%。施肥处理对小麦籽粒中脂肪含量影响较小,有机肥替代15%氮肥处理的小麦籽粒中脂肪含量依旧最高。

表1 不同处理对小麦品质的影响

2.3 不同试验处理对小麦籽粒养分积累的影响

不同处理对小麦籽粒养分积累的影响如图2所示,与CK相比,所有施肥处理均显著增加了小麦籽粒氮、磷、钾养分的积累。从图2-a可以看出,不同处理小麦籽粒氮积累量均存在差异,与T1处理相比,T2、T3和T4处理均显著增加了小麦籽粒氮积累量,增幅分别为20.17%、19.92%、10.72%;T3、T4处理氮积累量均低于T2处理,且T4处理与T2处理差异达到显著水平,T4处理降幅为8.54%。从图2-b可以看出,T4处理小麦籽粒磷积累量最大,但与T2、T3处理差异不显著;与T1处理相比,优化施肥处理和2个有机肥替代氮肥处理均显著增加了小麦籽粒氮积累量,增幅为9.75%～18.31%。不同处理小麦籽粒钾积累量变化如图2-c所示,与T1处理相比,T2、T3、T4处理均显著增加了籽粒钾积累量,增幅为14.36%～29.24%;与T2处理相比,T3、T4处理籽粒钾积累量均显著增加,增幅分别为13.01%、8.18%。

2.4 不同处理对小麦秸秆养分积累的影响

不同处理小麦秸秆养分积累量如图3所示,小麦秸秆的钾积累量高于氮和磷的积累量,所有施肥处理均显著提高了小麦秸秆的养分积累量。从图 3-a 可以看出,优化施肥处理秸秆氮积累量显著高于有机肥替代氮肥处理,与T3、T4处理相比,T2处理的增幅分别为8.82%、16.08%;与T1处理相比,T2、T3和T4处理显著增加了小麦秸秆氮积累量,增幅分别为29.11%、18.64%、11.23%。从图3-b可以看出,施肥处理显著增加了小麦秸秆中磷积累量且存在显著差异,4个施肥处理秸秆中磷积累量表现为T4处理>T3处理>T2处理>T1处理,与T1处理相比,T2、T3和T4处理小麦秸秆磷积累量分别增加82.21%、99.27%和109.19%。不同处理小麦秸秆钾积累量如图3-c所示,T4处理的小麦秸秆中钾的积累量最高,达到134.47 kg/hm2,且随着有机肥替代氮肥比例增加,小麦秸秆中钾含量逐渐增加;与T1处理相比,T2、T3和T4处理显著增加了小麦秸秆的钾积累量,增幅为21.96%～36.27%。

2.5 不同处理对氮肥利用效率的影响

氮肥利用率、氮偏生产力和氮农学效率是当前评价氮肥利用效率的常用指标,其数值越大表示作物对氮素的利用效率越高。由表2可知,与T1处理相比,T3和T4处理的氮肥利用率、氮偏生产力及氮农学效率均显著提高,T2、T3和T4处理小麦的氮肥利用率分别增加了91.03%、84.78%和51.04%,氮偏生产力分别增加了3.67%、8.66%和4.94%,氮农学效率分别增加了16.87%、40.05%和22.77%;与T2处理相比,T3和T4处理小麦的氮肥利用率分别降低3.27%和20.93%,氮偏生产力分别增加了4.82%和1.23%,氮农学效率分别增加了19.84%和5.05%。

表2 不同处理对氮肥利用率的影响

3 讨论

作物产量是衡量不同施肥处理效果的重要指标。高菊生等通过开展有机无机配施长期定位试验表明,有机无机配施能够显著提高水稻地上部干物质量,促进水稻持续高产稳产[14];Azam 等通过开展小麦玉米轮作试验发现有机氮替代25%化学氮肥时小麦产量达到最高[15]。本研究结果表明,稻茬麦种植模式下,有机肥替代15%氮肥(T3)时小麦籽粒干物质量最高,且增加氮肥替代量后,小麦籽粒干物质量呈现下降趋势,这可能是由于有机肥尽管含有充足的养分,但是其释放非常缓慢不利于作物吸收。本试验与田亨达等用有机肥替代30%氮肥效果最好的研究结果[16]存在一定差异,可能是因为本试验首年进行,有机肥长期培肥效果未能得到完全体现。T2、T4处理的籽粒干物质量无显著性差异,一方面可能是因为试验田块前期土壤肥力水平较大,本试验为第1年试验,受土壤肥力状况影响较大,造成小麦产量无显著性差异;另一方面可能是因为有机肥富含丰富的有机质及磷、钾养分,但肥效长、养分释放慢,T4处理相对T2处理增加了有机质及磷、钾肥供应量,对小麦生长有一定促进作用,而氮养分释放较慢又对小麦生长造成一定影响,从而出现T2、T4处理无显著性差异的现象。综上所述,有机肥替代15%氮肥能够显著增加小麦的产量。

蛋白质、淀粉和脂肪是小麦品质的重要成分。施用有机肥料并不能显著改善小麦籽粒中脂肪的含量,但可以显著增加蛋白质和淀粉的含量。综上分析,说明有机肥替代氮肥能够改善小麦籽粒的品质,这可能是因为有机肥中富含微量元素和有机质,能够改善土壤理化性状,促进小麦叶片的光合作用,进而促进了蛋白质和淀粉在籽粒中的累积[17]。

小麦籽粒与秸秆养分积累量能够直观反映出干物质的生产与分配,小麦对养分的吸收利用及转运,会直接或间接影响小麦产量[18]。本研究结果表明,施肥或有机肥替代氮肥均能显著增加小麦籽粒与秸秆养分积累量。肥料的施用能够提高土壤养分含量,促进小麦对养分的吸收利用,增加小麦对养分的吸收利用,提高小麦籽粒与秸秆的养分积累。与常规施肥相比,优化施肥及有机肥替代氮肥处理均能显著提高小麦籽粒与秸秆中养分的积累量,且增加幅度较大。一方面可能是因为常规施肥造成小麦前期旺长,越冬期受冻害影响严重,随着生育期延长,化肥肥效短流失严重,造成返青、拔节期肥效不足,严重影响了小麦籽粒与秸秆干物质量,进而影响小麦养分吸收与积累[19]。从图2-a与图3-a可以看出,小麦籽粒与秸秆氮积累量均表现为优化施肥处理高于有机肥替代处理,且随着有机肥替代比例的增加出现氮积累量降低的现象;磷与钾的积累量总体表现为有机肥替代氮肥处理高于优化施肥处理。有机肥肥效长、养分释放较慢,可能是因为有机肥替代氮肥处理氮肥供应在小麦生育期存在供给不足现象;而有机肥富含磷、钾肥,提高了土壤中磷、钾含量,且有机肥富含有益微生物,能够活化土壤惰性磷与钾,促进小麦对磷、钾肥的吸收利用[20-21]。

氮肥利用率、氮偏生产力和氮农学效率是判断农田可持续发展的重要参考指标,也是合理施用氮肥,控制氮肥流失,降低氮肥造成的点面源污染的重要依据[22-23]。本研究发现,有机肥替代氮肥能够提升小麦地上部氮磷钾养分的积累,提高氮肥利用效率、氮偏生产力和氮农学效率。可能是有机肥的适当施用改善了作物生长环境,调节土壤碳氮比,持续为土壤提供氮素供应,促进氮素循环,降低氮肥流失。有机肥养分释放慢,施用后能够为土壤持续供氮,为小麦生长提供充足养分,显著提高氮肥利用率、氮偏生产力和氮农学效率[24]。

4 结论

在信阳市弱筋小麦种植区,有机替代15%氮肥能够实现小麦增产,且小麦产量达到7.720 t/hm2,促进小麦籽粒与秸秆氮、磷、钾养分的积累,提高弱筋小麦籽粒蛋白质、淀粉、脂肪的含量,进而提升小麦产量与品质;有机替代15%氮肥能够提高氮肥利用效率、氮偏生产力和氮农学效率,有效减少氮肥的流失,降低化肥点面源污染,具有明显的环境生态效益。综合分析表明,有机替代15%氮肥能够满足豫南地区弱筋小麦生长需要的同时实现绿色有机生产。