不同土壤肥力下有机氮部分替代化学氮对小麦产量构成及土壤养分的影响

毛伟 曾洪玉 李文西 唐宝国 姚开文 陈明 赵海涛

摘要：探讨不同基础肥力条件下有机氮替代化学氮对小麦产量构成和土壤养分含量的影响，为减少化学氮肥施用和科学的小麦肥料运筹提供基础支撑。采用大田试验方法，以长江下游平原河网区习惯施肥为依据，在高、中、低肥力条件下采用不同比例的有机氮替代化学氮，以不施氮、磷、钾化肥和仅施用磷、钾化肥为对照，分析了不同有机氮替代率下小麦产量及产量构成、小麦植株氮、磷、钾含量以及土壤养分赋存特征。结果表明，1）同时施用氮、磷、钾化肥能够显著增加各肥力条件下小麦产量、小麦有效穗数、穗粒数及千粒质量以及土壤有效磷和有机质含量，显著增加高肥力土壤中速效钾含量以及中肥力土壤中速效钾、全氮含量，显著降低低肥力土壤的pH。仅施用磷、钾肥能够显著提升高肥力土壤中有效磷和速效钾含量以及中肥力土壤中有效磷含量。2）有机氮完全替代化学氮会显著降低小麦产量、小麦有效穗数。3）高、中肥力条件下有机氮替代10%～30%化学氮以及低肥力条件下有機氮替代20%～30%化学氮对小麦产量构成无显著影响。高、中、低肥力条件下有机氮替代10%～40%化学氮对土壤有效磷、速效钾、全氮和pH无显著影响，在中、低肥力条件下有机氮替代20%～50%化学氮能显著增加土壤有机质含量。可见，长江下游平原河网区麦田肥料运筹中，低肥力条件下有机氮替代20%～30%化学氮，高、中肥力条件下有机氮替代10%～30%化学氮较为适宜。

关键词：有机氮肥;化学氮肥;小麦;产量构成;土壤养分

中图分类号：S146文献标识码：A文章编号：1000-4440（2020）05-1189-08

Abstract：In order to provide basic support for reducing the application of chemical nitrogen （N） and scientific operation of wheat fertilizer， the effects of organic N replacing chemical N on wheat yield components and soil nutrient content under different basic fertility conditions were studied. The method of field experiment was adopted， and the conventional fertilization in the plain river network area of the lower reaches of the Yangtze River was used as the basis of fertilizer operation. Organic N was used to replace chemical N under the conditions of high， medium and low fertility. The yield and yield components of wheat， the contents of N， phosphorus （P） and potassium （K） in wheat plants and the characteristics of soil nutrients were analyzed. The results showed that the application of N， P and K fertilizers at the same time could significantly increase the yield of wheat， the effective panicle number， the grain number per panicle， the 1000-grain weight and the contents of soil available P and organic matter. This fertilization strategy also significantly increased the content of available K in high fertility soil and the contents of available K and total N in medium fertility soil， but significantly reduced the pH of low fertility soil. Only applying P and K fertilizers could significantly improve the contents of available P and K in high fertility soil， and the available P content in medium fertility soil. The total substitution of organic nitrogen for chemical N significantly reduced the wheat yield and effective panicle number. The substitution of 10%-30% chemical nitrogen by organic N under the conditions of high and medium fertility， and the substitution of 20%-30% chemical N by organic N under the condition of low fertility had no significant effect on wheat yield. The replacement of 10%-40% chemical N by organic N had no significant effect on available P， available K， total N and pH under the conditions of high， medium and low fertility， but the replacement of 20%-50% could significantly increase the content of soil organic matter under the conditions of medium and low fertility. In conclusion， under the condition of low fertility， it is more suitable to replace 20%-30% of chemical N with organic N in the wheat field of the plain and river network area in the lower reaches of the Yangtze River. Under the conditions of high and medium fertility， 10%-30% substitution is suitable.

不同肥力条件下，肥料运筹对小麦产量影响显著。由图1可知，与不施肥对照（N0P0K0M0）相比，土壤低肥力水平下农民习惯施肥（N10PKM0）处理能够显著增产2.75倍;土壤中肥力水肥水平下，N10PKM0处理能够显著增产2.54倍;高肥力水平下，N10PKM0处理能够显著增产2.57倍。可见，各肥力水平下农民习惯施肥处理均可显著增加小麦产量，土壤低肥力水平下施肥增产效果更明显。3种肥力水平下，仅施磷、钾肥（N0PKM0）处理小麦产量与N0P0K0M0处理差异均不显著，但显著小于N10PKM0处理。可见，在肥料运筹中，氮对小麦产量的影响比磷、钾更大。全部施用有机氮处理显著高于N0P0K0M0处理，但是显著低于N10PKM0处理;低、中、高肥力水平下N0PKM10处理小麦产量仅为N10PKM0处理小麦产量的61.6%、63.5%和62.6%，可见施用有机肥能够提升不同土壤肥力水平下小麦的产量，但提升效果弱于化学氮肥。低肥力和高肥力水平下，10%～30%有机氮替代化学氮处理的小麦产量与N10PKM0处理间差异不显著，但40%和50%有机氮替代化学氮处理的小麦产量显著低于N10PKM0处理;中肥力水平下，10%～40%有机氮替代化学氮处理的小麦产量与N10PKM0处理差异不显著，但50%有机氮替代化学氮处理的小麦产量显著低于N10PKM0处理。总体来看，在低、中、高肥力条件下种植小麦，10%～30%有机氮替代化学氮是可行的。

2.2有机氮替代化学氮对小麦产量构成的影响

施肥各处理增加了小麦有效穗数、每穗实粒数及千粒质量。由表4可知，与N0P0K0M0相比，高、中、低肥力水平下N0PKM0处理的有效穗数、穗粒数和千粒质量均有增加的趋势，但效果不显著。与N0P0K0M0相比，土壤低、中、高肥力水平下N10PKM0能够显著增加小麦有效穗数、穗粒数和千粒质量。可见，仅施用磷、钾肥对小麦产量构成因素无显著提升效果，施用氮、磷、钾肥料能够显著增加小麦的有效穗数、每穗粒数及千粒质量。表4还表明，低、中、高肥力下N0PKM10处理的有效穗数均显著小于N10PKM0处理，高肥力和低肥力条件下N0PKM10處理的穗粒数显著小于N10PKM0处理，不同肥力条件下有机氮完全替代化学氮对小麦千粒质量影响不显著。进一步分析可知，在高、中、低肥力条件下有机氮替代化学氮高达50%会显著降低小麦有效穗数、穗粒数和千粒质量，有机氮替代化学氮达到40%时显著降低穗粒数，20%～40%有机氮替代化学氮对小麦有效穗数无显著影响，10%～30%有机氮替代化学氮对小麦千粒质量无显著影响。综合来看，低肥力条件下，有机氮替代20%～30%化学氮对小麦产量构成无显著影响;高、中肥力条件下，有机氮替代10%～30%化学氮对小麦产量构成无显著影响。

2.3有机肥部分替代化肥对土壤养分含量的影响

由表5可知，仅施用磷、钾肥能够显著提升高肥力土壤中有效磷和速效钾含量，以及中肥力土壤中有效磷含量。同时施用氮、磷、钾肥料能够显著增加各肥力土壤中有效磷和有机质含量，显著增加高肥力土壤中速效钾含量、中肥力土壤中速效钾含量和全氮含量，显著降低低肥力土壤pH。表5还表明，有机氮完全替代化学氮主要影响土壤有效磷含量，对土壤速效钾含量、全氮含量和pH无显著影响。进一步分析可知，高肥力土壤中有机氮替代化学氮对土壤有机质含量无显著影响，中、低肥力土壤中有机氮替代化学氮达到20%时能显著增加土壤有机质含量。在低肥力土壤中有机氮替代50%化学氮能显著增加土壤有效磷含量。综合来看，低、中、高肥力土壤中，有机氮替代10%～40%化学氮对土壤有效磷、速效钾、全氮和pH无显著影响;在中、低肥力土壤中有机氮替代20%～50%化学氮能显著增加土壤有机质含量。

2.4相关性分析

不同肥力土壤中的小麦产量均受到小麦产量构成和土壤养分含量的影响。相关性分析结果（表6）表明，高、中、低肥力土壤中各处理小麦产量均与有效穗数、穗粒数和千粒质量呈正显著相关。各肥力土壤中，土壤速效钾和有机质含量与小麦产量显著正相关，中肥力土壤中全氮含量与小麦产量显著正相关。高、低肥力土壤中土壤pH与小麦产量显著负相关。相关性分析结果（表6）还表明，高肥力土壤中，小麦产量与籽粒和秸秆氮含量极显著正相关;中肥力土壤中，小麦产量与秸秆氮含量、籽粒和秸秆磷含量、秸秆钾含量显著正相关;低肥力土壤中，小麦产量与籽粒和秸秆氮含量、秸秆钾含量显著正相关。各肥力土壤中小麦植株氮吸收量与产量均极显著正相关。

3讨论

有机肥部分替代化肥能促进作物生长发育，提高产量，改善作物生长的土壤环境。有机氮可以替代化学氮，25%有机氮与75%化学氮配合处理水稻籽粒产量最高，同时氮肥利用率可达到48.6%[21]。江苏沿海地区商品有机肥替代30%～45%化学氮时小麦产量显著提高，但替代比例超过60%会造成小麦显著减产[22]。华北平原冬小麦-夏玉米轮作区三年定位研究结果表明，商品有机肥部分替代化肥施用后冬小麦和夏玉米平均产量水平与当地栽培条件下高产水平相当[23]。也有研究结果表明，汉中盆地水稻栽培中微生物有机肥替代20%化学氮肥有利于改善土壤微生物结构，能够比完全施用化学氮肥处理增产2.72%[18]。本研究结果表明，有机氮替代率20%～30%处理与全化学氮肥处理产量无显著差异，说明长江下游平原河网区小麦生产中有机氮替代20%～30%化学氮是可行的。

提高肥料利用率是实现化肥减量增效的重要途径之一，可通过提高作物产量和养分吸收量来提高肥料利用效率。有机氮替代50%化学氮能够提高玉米的氮素吸收量和氮素利用效率，同时能够促进氮素向玉米籽粒中转移，提高玉米籽粒产量[15]。有机氮替代25%化学氮能够提高水稻氮素吸收累积、水稻产量及氮肥利用率[21]。长期适宜的有机氮替代部分化学氮可有效调节氮素积累和转运，提高氮肥利用效率[24]。肥料三要素中氮素对小麦产量的影响最显著。化学氮肥和有机氮肥配合施用是提高肥料三要素，尤其是氮素吸收的重要原因。因为化肥配施有机肥能够改善土壤微生物区系，构建更为健康、有益于作物生长发育的土壤微生物生态系统。健康的土壤微生物能够更为有效调控化学氮，促进化学氮更好地被吸收、转化和利用。合理的有机肥与无机配施可以提高养分利用率，在减少化学氮肥用量的同时保证作物产量，降低氮素淋失风险[25]。土壤基础肥力显著影响作物产量。本研究结果表明，相同量肥料运筹下，高肥力条件下的小麦产量依次高于中肥力和低肥力条件下的小麦产量，施肥对低肥力条件下的小麦产量提升量高于高肥力条件下的小麦产量提升量。低肥力条件下肥料运筹中有机氮替代10%～20%化学氮的小麦相对增产效益高于高肥力条件下小麦相对增产效益，但是有机氮替代率达到30%～50%时呈相反特征。可见，基础地力影响有机氮替代无机氮的适宜比例。有机肥具有营养均衡，养分全面，提高土壤生物多样性和土壤生物学活性，改善土壤理化性质，提高土壤肥力等特性[26-28]，但有机肥养分含量低，肥效缓慢，不能及时满足作物生长所需[29]。本研究结果表明，有机氮100%替代化学氮会造成小麦减产，说明有机肥在作物肥料运筹中还是有局限性的一面，难以有效契合作物生长过程中对养分吸收的需要。化学肥料能够有效弥补有机肥的缺陷，提高作物产量。有研究结果表明，有机肥替代部分无机肥可提高土壤中全氮、有效磷、速效钾、有机质含量，改善土壤理化性状、提高作物产量[30-31]。

本研究結果表明，长江下游平原河网区麦田肥料运筹中，低肥力土壤条件下有机氮替代20%～30%化学氮，高肥力和中肥力土壤条件下有机氮替代10%～30%化学氮较为适宜。

参考文献：

[1]VASBIEVA M T. Effect of long-term application of organic and mineral fertilizers on the organic carbon content and nitrogen regime of soddy-podzolic soil [J]. Eurasian Soil Science， 2019， 52 （11）：1422-1428.

[2]REVILLINI D， WILSON G W T， MILLER R M， et al. Plant diversity and fertilizer management shape the belowground microbiome of native grass bioenergy feedstocks [J]. Frontiers in Plant Science， 2019 （10）： 1-18.

[3]王兴仁，张福锁，张卫峰. 我国粮食安全形势和肥料效应的时空转变——初论化肥对粮食安全的保障作用[J]. 磷肥与复肥， 2010， 25 （4）：1-4.

[4]侯萌瑶，张丽，王知文，等. 中国主要农作物化肥用量估算[J]. 农业资源与环境学报， 2017， 34 （4）：360-367.

[5]LOGRIECO A， BOTTALICO A， MULE G， et al. Epidemiology of toxigenic fungi and their associated mycotoxins for some mediterranean crops [J]. European Journal of Plant Pathology， 2003， 109 （7）：645-667.

[6]MLIIER J J， OWEN M L， ELLERT B H， et al. Influence of crop residues and nitrogen fertilizer on soil water repellency and soil hydrophobicity under long-term no-till [J]. Canadian Journal of Soil Science， 2019， 99 （3）：334-344.

[7]ELMI A A， MADRAMOOTOO C， EGEH M， et al. Water and fertilizer nitrogen management to minimize nitrate pollution from a cropped soil in southwestern Quebec， Canada [J]. Water Air & Soil Pollution， 2004， 151 （1/4）：117-134.

[8]HYANG Q， LI F S， WANG M X， et al. Photolysis behavior of herbicide propisochlor in water media and preliminary analysis of photoproducts under different light sources [J]. Journal of Environmental Science & Health Part B， 2006， 41 （3）：253-267.

[9]CHEN A P， SHEN X， SHEN J H. Effect of different proportion of organic fertilizer instead of chemical fertilizer on wheat yield [J]. Hubei Agricultural Sciences， 2019， 58 （7）： 32-34.

[10]LIANG B， HYANG K， FU Y L， et al. Effect of combined application of organic fertilizer and chemical fertilizer in different ratios on growth， yield and quality of fluecured tobacco [J]. Asian Agricultural Research， 2017， 9 （12）：43-46，51.

[11]YU Q G， MA J W， ZOU P， et al. Effects of combined application of organic and inorganic fertilizers plus nitrification inhibitor DMPP on nitrogen runoff loss in vegetable soils [J]. Environmental Science & Pollution Research， 2014， 22 （1）：472-481.

[12]MI W H， WU L H， MA Q X， et al. Combined application of organic materials and inorganic fertilizers improving rice yield and soil fertility of yellow clayey paddy soil [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32 （12）：103-108.

[13]GE G F， LI Z J， FAN F L， et al. Soil biological activity and their seasonal variations in response to long-term application of organic and inorganic fertilizers [J]. Plant & Soil， 2010， 326 （1/2）：31-44.

[14]BHATTACKARYYA R， KUNDU S， PRAKASH V， et al. Sustainability under combined application of mineral and organic fertilizers in a rainfed soybean-wheat system of the Indian Himalayas [J]. European Journal of Agronomy， 28 （1）：33-46.

[15]謝军，赵亚南，陈轩敬，等. 有机肥氮替代化肥氮提高玉米产量和氮素吸收利用效率[J]. 中国农业科学， 2016， 49 （20）：3934-3943.

[16]孟琳，张小莉，蒋小芳，等. 有机肥料氮替代部分无机氮对水稻产量的影响及替代率研究[J]. 植物营养与肥料学报， 2009， 15 （2）：290-296.

[17]谢军红，柴强，李玲玲，等. 有机氮替代无机氮对旱作全膜双垄沟播玉米产量和水氮利用效率的影响[J]. 应用生态学报， 2019， 30 （4）：124-131.

[18]崔月贞，吴玉红，郝兴顺，等. 不同有机氮替代部分无机氮对水稻产量及土壤微生物的影响[J]. 西北农业学报， 2019， 28 （10）：1689-1697.

[19]王一鸣，赖朝圆，张汉卿，等. 有机氮替代部分无机氮对香蕉生产和土壤性状的影响[J]. 土壤， 2019， 51 （5）：879-887.

[20]鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京：中国农业出版社， 2000.

[21]欧杨虹，徐阳春，沈其荣. 有机氮部分替代无机氮对水稻产量和氮素利用率的影响[J]. 江苏农业学报， 2009， 25 （1）：106-111.

[22]徐汉亿，周祥，孙进，等. 施用商品有机肥对沿海地区小麦产量及耕地质量的影响[J]. 大麦与谷类科学， 2019， 36 （6）：34-37.

[23]温延臣，张曰东，袁亮，等. 商品有机肥替代化肥对作物产量和土壤肥力的影响[J]. 中国农业科学， 2018， 51 （11）：2136-2142.

[24]高洪军，朱平，彭畅，等. 等氮条件下长期有机无机配施对春玉米的氮素吸收利用和土壤无机氮的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2015， 21 （2）：318-325.

[25]井永苹，李彦，薄录吉，等. 有机肥部分替代化肥对作物产量及土壤氮素迁移的影响[J]. 山东农业科学， 2019， 51 （7）：48-54.

[26]张奇，张振华，刘丽珠，等. 增施有机肥对黄泛冲积区贫瘠土壤养分和玉米产量的影响[J]. 江苏农业科学，2019，47（17）：271-276.

[27]贺丽群，张庆金，吴培栋，等. 有机肥与生物炭互作对城市底土肥力及生菜生长的影响[J]. 南方农业学报，2019， 50（8）：1701-1708.

[28]燕金锐， 律其鑫， 高增平， 等. 有机肥与生物炭对沙化土壤理化性质的影响[J]. 江苏农业科学，2019，47（9）：303-307.

[29]邹原东，范继红. 有机肥施用对土壤肥力影响的研究进展[J]. 中国农学通报， 2013， 29 （3）：12-16.

[30]邢鹏飞，高圣超，马鸣超，等. 有机肥替代部分无机肥对华北农田土壤理化特性、酶活性及作物产量的影响[J]. 中国土壤与肥料， 2016（3）：98-104.

[31]祝英，王治业，彭轶楠，等. 有机肥替代部分化肥对土壤肥力和微生物特征的影响[J]. 土壤通报， 2015， 46 （5）：1161-1167.

（责任编辑：陈海霞）