有机肥替代部分化肥对冬小麦产量和土壤改良效应的影响

来源:用户上传      作者:李燕 朱国梁 张雪飞 董浩 魏建林 崔荣宗 李国生 郑福丽 谭德水

　　 摘要：以冬小麥品种潍麦8号为试材，以不施氮肥（PK）、优化施肥（OPT）为对照，设置有机肥氮替代5%化肥氮（T1）、有机肥氮替代10%化肥氮（T2）、有机肥氮替代20%化肥氮（T3）和有机肥氮替代30%化肥氮（T4）共6个处理，研究有机肥替代部分化肥对冬小麦产量及土壤肥力的影响，以探明合适的有机肥替代比例。结果表明：T2在所有处理中产量最高，较OPT增产5.0%;随有机肥替代部分化肥比例的增加，产量有降低趋势，T3和T4处理较OPT增产4.0%和0.2%;穗粒数和千粒重是主要增产要素。氮肥偏生产力、氮肥农学效率随替代比例增加都呈现先升高后降低趋势，以T2处理最高，分别为31.2、4.2 kg/kg。有机肥替代部分化肥能够提高土壤耕层养分含量，与OPT相比，T2、T3、T4处理土壤有效磷含量分别增加31.5、1.2、2.2 mg/kg;T1、T2处理速效钾含量分别增加37.7、68.0 mg/kg;T1、T2、T3、T4处理有机质含量分别增加1.5、2.6、0.9、1.0 g/kg，以T2增幅最大。本试验条件下，兼顾小麦产量与土壤肥力认为，以有机肥氮替代10%化肥氮（T2）效果最优。
　　关键词：有机肥替代部分化肥;冬小麦;产量;土壤肥力
　　中图分类号：S152.1+10.62  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2020）11-0031-05
　　Effects of Partial Replacement of Chemical Fertilizer with
　　Organic Fertilizer on Winter Wheat Yield and
　　Soil Improvement Efficiency
　　Li Yan1， Zhu Guoliang2， Zhang Xuefei3， Dong Hao2， Wei Jianlin1，
　　Cui Rongzong1， Li Guosheng1， Zheng Fuli1， Tan Deshui1
　　（1. Institute of Agricultural Resources and Environment， Shandong Academy
　　of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Wastes Matrix Utilization，
　　Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan 250100， China;
　　2. Taian Academy of Agricultural Sciences， Taian 271000， China;
　　3. Daiyue District Soil Fertilizer Workstation of Taian City， Taian 271000， China）
　　Abstract The effects of different proportions of organic fertilizer substitute for chemical fertilizer on winter wheat yield and soil fertility were studied through two years of field experiments with Weimai 8 as test material in order to find out the suitable proportion of organic fertilizer substitute for chemical fertilizer. Six treatments were set as no nitrogen application （PK）， optimized fertilization （OPT）， organic nitrogen instead of 5% chemical nitrogen （T1）， organic nitrogen instead of 10% chemical nitrogen （T2）， organic nitrogen instead of 20% chemical nitrogen （T3） and organic nitrogen instead of 30% chemical nitrogen （T4）. The results showed that the yield of T2 was the highest， and increased by 5.0% compared with OPT.With the proportion increase of organic fertilizer substitute for chemical fertilizer， wheat yield showed decreasing trend. The yields under T3 and T4 treatments increased by 4.0% and 0.2% compared to OPT， respectively. Grain number per spike and 1 000-grain weight were the major factors influencing yield increase. With the increase of substitution proportion， the nitrogen partial factor productivity and nitrogen agronomic use efficiency showed the trend of first increasing and then decreasing， and reached the highest under T2 treatment as 31.2 and 4.2 kg/kg respectively. Substitute organic fertilizer for part chemical fertilizer could increase the nutrient contents in topsoil. Compared with OPT， the available P content under T2， T3 and T4 treatment increased by 31.5， 1.2 and 2.2 mg/kg， respectively; the available K content under T1 and T2 treatments increased by 37.7 and 68.0 mg/kg respectively; the organic matter content under T1， T2， T3 and T4 treatments increased by 1.5， 2.6， 0.9 and 1.0 g/kg， and that of T2 treatment increased the highest. In this experiment conditions， taking wheat yield and soil fertility into account， the effect of organic fertilizer instead of 10% chemical fertilizer was the best. 　　Keywords Partial replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer; Winter wheat; Yield; Soil fertility
　　小麦是中国的主要粮食作物。山东省2019年冬小麦种植面积达356.2×104  hm2，总产量达206×108  kg。小麦生产中，化肥起效快、增产效果明显，受到广大农户的欢迎。但是长期单施化肥可使土壤含水量降低、酸化、板结、养分流失，造成环境污染[1]。面对这种情况，国内外学者的研究发现，施用有机肥可以大幅缓解过量施用化肥带来的环境污染问题，还能改良土壤，增加土壤有效养分，增强土壤保肥保水能力[2]。单施有机肥有利于土地的可持续利用，却存在增产效果低的弱点，因此目前多采取有机肥替代部分化肥的施肥方式。国内外的长期定位试验表明，有机肥和化肥配施能够显著提高作物产量和土壤质量[3， 4]，特别是土壤有机质含量[5-7]。施用有机肥能够提高土壤养分含量和酶活性[8]，并且影响土壤微生物的生物量、丰度、活性和群落结构[9，10]，增强保肥保水能力，促进土壤生态系统的恢复。
　　目前研究有机肥替代部分无机肥，对指导合理施肥、促进土壤可持续利用具有重要意义[11-14]，尤其是有机肥替代化肥的比例问题，替代太少效果不好、太多影响作物产量[15]，因此，其合适的替代比例是生产实践中亟需解决的问题。本试验以保证产量不减、污染不增为前提，研究有机肥替代部分化肥对冬小麦产量及土壤肥力的影响，以筛选出最优有机肥替代化肥比例，为冬小麦生产减肥增效提供理论依据和技术支撑。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况
　　试验于2017年10月到2019年6月在泰安市岱岳區大汶口镇送驾庄进行。土壤为潮褐土，基本理化性质见表1。
　　1.2 试验材料
　　供试冬小麦品种为潍麦8号。供试化肥：尿素（N 46.0%）、重过磷酸钙（P2O5 44.0%）和氯化钾（K2O 60.0%）。供试有机肥：烟台福祖联农有机肥（pH值8.2，有机质 64.3%，总N 2.2%，P2O5 3.7%，K2O 2.8%）。
　　1.3 试验设计
　　前茬作物为玉米，秸秆全量还田。全部有机肥、磷钾肥及50%氮肥混匀后基施，50%氮肥于小麦返青-拔节期追施。统一旋耕两遍耙耘后，两年度均于10月15日左右机播小麦，666.7m2播种18万苗，行距23 cm。小区面积 42 m2（长6 m，宽7 m）。
　　采用小麦-玉米周年轮作生产模式。小麦玉米两季整体肥料运筹，定位开展试验。小麦季施用有机肥和化肥，玉米季全部施用化肥。除不施氮处理外，小麦-玉米周年N、P、K用量相同，N、P、K用量以优化施肥（OPT）处理为设计基准。小麦季共设6个处理，见表2。为保证各处理N、P、K投入量一致，化肥P、K养分在玉米季补足。
　　1.4 田间取样及测定方法
　　于小麦拔节期、开花期和成熟期采样测定小麦植株干物质量。成熟期采集0～30 cm土样测其碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量，测定小麦茎叶与籽粒N、P、K含量。收获0.42 m2 （0.6 m×3行）样段，调查小麦群体穗数、穗粒数和千粒重。每小区收取4.2 m2（9行×2 m）测产。
　　氮肥利用率指标计算：
　　氮肥偏生产力（kg/kg）= 籽粒产量/施氮量;
　　氮肥农学利用效率（kg/kg）=（施氮处理产量-不施氮处理产量）/施氮量;
　　氮肥表观利用率（%）= （施氮区作物吸氮量-无氮区作物吸氮量）/施氮量×100。
　　1.5 数据处理
　　采用Microsoft Excel 2007进行数据整理和作图，采用SPSS 19.0软件进行差异显著性分析（P<0.05）。
　　2 结果与分析
　　2.1 有机肥替代部分化肥氮对冬小麦产量及其构成因素的影响
　　由表3可以看出，有机肥替代化肥能够提高小麦产量，随替代比例增加呈现先升后降趋势，以T2处理产量最高。与OPT相比，T2处理增产50%，T1、T3、T4分别增产2.8%、4.0%和0.2%。T2处理的穗粒数和千粒重均较高，与OPT 相比增加1.8粒和1.4 g。由此可见，小麦增产的主要因素是穗粒数和千粒重的增加。
　　根据有机肥替代比例和产量的关系，拟合出小麦产量（y）和有机肥替代比例（x）之间的一元二次方程，为：y=-1032x2+309.2x+476.7，R2=0.973。根据公式计算得出，有机肥替代比例为15%时小麦产量最高。
　　2.2 有机肥替代部分化肥氮对冬小麦籽粒和秸秆养分积累量的影响
　　图1显示，与PK相比，施氮处理籽粒和秸秆氮积累量均较多，施氮处理间籽粒氮积累量没有显著差异，OPT处理秸秆氮积累量显著高于PK和T1。OPT处理籽粒和秸秆的磷积累量均最多，666.7m2积累量分别达2.4 kg和1.5 kg。有机肥替代化肥氮多数处理籽粒和秸秆的钾积累量略高于OPT，其中T1处理积累量最多，分别达到3.3 kg和10.5 kg。由此可见，有机肥替代部分化肥氮在氮磷养分积累上效果不及化肥，但是在钾素积累上略胜一筹。
　　由表4可以看出，T1、T2、T3、T4处理的氮肥偏生产力、氮肥农学效率都高于OPT处理。随着有机肥替代化肥比例的增加，氮肥偏生产力、氮肥农学效率都呈现先升高后降低趋势，以T2处理最高，分别为31.2、4.2 kg/kg。充分说明有机肥替代部分化肥氮对小麦生产起到减肥增效作用。
　　2.3 有机肥替代部分化肥氮对土壤理化性质的影响
　　由表5可以看出，施氮后土壤碱解氮含量均不同程度升高，各处理间差异不显著。T2处理土壤有效磷和速效钾含量显著高于其它处理，分别比OPT增加31.5 mg/kg和68.0 mg/kg。T1、T2、T3、T4处理土壤有机质含量均提高，T2最多，比OPT增加2.6 g/kg。因此，有机肥替代10%化肥氮能较多地增加土壤养分含量，起到改良土壤的作用。 　　3 討论与结论
　　本研究中有机肥替代化肥氮比例为10%时增产效果最好，替代比例大于20%时则出现减产趋势。这说明有机肥的施用不是越多越好，只有制定合理的替代化肥比例，才能起到增产效果，否则还会减产[16，17]。根据有机肥替代化肥比例和产量拟合曲线得到的一元二次方程计算得出，有机肥替代化肥氮比例为15%时小麦产量最高。本研究发现，有机肥替代部分化肥氮对氮肥偏生产力、氮肥农学效率都有影响：随着有机肥替代化肥比例的增加，氮肥偏生产力、氮肥农学效率都呈现先升高后降低趋势，替代比例10%时两者数值达到最高。因此，实现小麦高产高效的生产目标，制定合理的有机肥替代化肥比例尤为重要。
　　有机肥替代化肥不但能减少化肥施用、增加作物产量，更主要的是能够提升土壤肥力，使农田生态能稳定绿色可持续发展[18]。适当的有机肥替代化肥比例可以提高土壤速效养分含量[19]。本研究也得到较为一致的结果，其中有机肥替代10%化肥氮处理的土壤有效磷和速效钾含量均提高，与OPT处理相比分别增加31.5 mg/kg和 68.0 mg/kg，可为下茬夏玉米生长提供更多可利用的养分。有机肥部分替代化肥能够提高土壤有机质含量，进而提高土壤团聚体含量和土壤孔隙度，为作物根系生长和养分吸收提供有利环境[20]。本研究中有机肥部分替代化肥氮各处理的土壤有机质含量均提高，替代10%化肥氮的T2处理其有机质含量提高2.6 g/kg，有利于农田土壤改良。
　　综上所述，本研究中有机肥替代10%化肥氮处理（T2）效果最佳，不但能增加小麦产量和养分利用效率，而且能够提升土壤肥力。
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