有机养分替代对小麦产量、土壤肥力及麦田氮磷径流流失的影响

郭 龙 骆 美 常珺枫 李 陈 周晓天 刘 莹 武 升 马友华

(安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室，安徽 合肥 230036)

随着农业和农村经济的快速发展，化肥、农药等农用化学品投入逐年增加。在农产品大幅度增产的同时，农业面源污染问题日益突出，严重制约农业和农村经济的可持续发展[1]。化肥的过度使用会造成土壤退化，在降雨及灌溉的冲刷作用下，氮磷等污染物通过水循环进入周围水体并导致水体富营养化[2]，成为制约我国农业发展的瓶颈之一[3-5]。据统计，我国化肥施用量是世界平均水平的3.9倍，但化肥对粮食增长的贡献率却从20世纪80年代的30%～40%降至目前的10%左右[6]。近年来，在农业绿色发展背景下，我国出台了一系列化肥减量增效政策以推动化肥减施和有机替代，实现绿色高效施肥[7]。研究表明，有机肥可以提高土壤有机质含量[8-9]、作物产量并改善品质[10]。但有机肥存在养分低、肥效慢等问题，且长期单一施用有机肥不利于土壤环境的改善[11]。研究表明，而有机肥配施化肥可以缓解农田面源污染问题，平衡土壤养分并促进土壤微生物活性[12]，提高磷肥利用率[13]，进而达到作物产量增长、品质提升的效果。梁斌[14]研究认为有机肥与化肥配施可提供给土壤微生物充足碳氮源，改善土壤供氮特征，增加表层含氮量，减少养分流失，提高氮肥利用率。此外，李秀芬等[15]研究表明，化肥大量施用会导致70%氮磷流失，并经降雨和灌溉等汇入河流湖泊中。侯朋福等[16]在太湖地区开展了近3年田间径流监测试验，发现有机肥替代化肥相比于常规处理可使径流水中氮素浓度降低19.18%。何石福等[17]研究认为10%有机养分替代降低了径流水中42.4%～57.2%总氮和18.2%～39.2%可溶性氮的流失。但施用有机态、水溶态磷含量较多的粪肥时，在降雨较大或灌溉后磷素淋失的风险会显著增加[18-19]，说明按照一定比例合理施用有机肥可以降低径流氮的流失风险，但对磷的流失阻控作用效果不明显。通过化肥减施和有机肥替代，不仅可以保证作物产量和提高肥料利用率[20]，而且可以改善由于养分过量投入造成的环境污染问题[21]。

目前，随着我国畜禽养殖规模化和工农业的迅速发展，由畜禽粪便随意堆放、秸秆菌渣随意丢弃造成的资源浪费及农业面源污染已成为我国普遍关注的问题。为了减少化肥施用量，提高肥料利用率和缓解化肥对环境的污染，将畜禽粪便和工农业废弃物肥料化，并作为有机肥进行农田回用是其资源化利用的主要途径[22]。猪粪有机肥和秸秆有机肥具有改良土壤性状、培肥地力[23]、提高养分供应能力[24]、增加作物产量[8]等重要作用。因此将有机肥替代部分化肥，两者相结合有利于培肥土壤与作物增产，并可降低面源污染风险。当前关于有机肥替代化肥对作物产量、土壤肥力等方面影响的研究较多，但对于巢湖流域猪粪、秸秆有机肥对麦田土壤肥力及氮磷径流流失影响的研究较少。为此本试验在巢湖烔炀以猪粪有机肥和秸秆有机肥替代部分化肥开展定位监测，分析不同有机肥替代量和不同物料组合施肥条件下的作物产量与土壤肥力差异，探讨不同施肥模式下农田氮磷流失特征和规律，以期为正确施用有机肥和合理施用化肥提供技术指导，也为控制巢湖农业面源污染和农业生产节本增效提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于安徽省巢湖市烔炀镇唐嘴村农田示范基地(117°40′59″E，31°39′43″N)，该地区属于亚热带湿润性季风气候，年均降雨量1 215 mm。耕作制度为小麦-水稻轮作，土壤类型为水稻土，0～20 cm土层土壤基本理化性质如下：土壤pH值6.52，有机质含量18.75 g·kg-1，全氮含量1.02 g·kg-1，有效磷含量18.32 mg·kg-1，速效钾含量100.01 mg·kg-1，碱解氮含量103.23 mg·kg-1，硝态氮含量10.98 mg·kg-1，铵态氮含量4.12 mg·kg-1。

1.2 试验方案

试验共设如下8个施肥处理(表1)：CK：不施肥(空白)；CF：全部施化肥，其中尿素、过磷酸钙和氯化钾施用量分别为521、601和137 kg·hm-2；M1：有机肥替代氮肥100%，猪粪有机肥10 982 kg·hm-2；M2：有机肥替代氮肥50%，猪粪有机肥5 491 kg·hm-2；M3：有机肥替代氮肥30%，猪粪有机肥3 293 kg·hm-2；F1：有机肥替代氮肥100%，秸秆有机肥9 616 kg·hm-2；F2：有机肥替代氮肥50%，秸秆有机肥4 806 kg·hm-2；F3：有机肥替代氮肥30%，秸秆有机肥2 886 kg·hm-2。

每个处理3次重复，共24个小区，随机分布，每个小区面积均为30 m2。试验以等氮施用为基础，有机肥投入后氮、磷、钾养分不足部分依次用尿素(N含量46%)、过磷酸钙(P含量12%)和氯化钾(K含量60%)补充。猪粪、秸秆有机肥分别由上海原本生物科技有限公司和安徽莱姆佳生物肥业有限公司提供，经测定，猪粪有机肥中氮、磷、钾含量分别为2.19%、1.62%、1.92%，重金属含量为铅0.5 mg·kg-1、汞0.1 mg·kg-1、砷9.6 mg·kg-1、镍6.0 mg·kg-1、镉和铬均未检出；秸秆有机肥氮、磷、钾含量分别为2.5%、1.3%、2.2%，重金属含量为铅30.8 mg·kg-1、镉0.5 mg·kg-1、 砷 3.4 mg·kg-1、 镍6.6 mg·kg-1、汞和铬均未检出，两种有机肥均符合我国农业农村部的行业标准《NY 525-2021有机肥料》[25]。

供试小麦品种为扬麦16，由安徽皖农种业有限公司提供，种植时间为2020年11月8日—2021年5月21日，小麦田间管理按照当地种植管理方式，在翻耕前，猪粪、秸秆有机肥和磷、钾肥作为基肥一次性施入，氮肥采用6∶4的施用方式(基肥60%+返青肥40%)，所有施用方式均为人工撒施，小麦整个生育期内无灌溉，2020年11月8日施入基肥之后翻耕土壤，然后撒入小麦种子，2021年1月19日返青肥追肥，5月21日小麦收获。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦产量 在小麦收获期，随机统计每个小区1 m2调查框内的小麦有效穗数和总共结实的穗粒数，并计算平均每株有效穗粒数(总共结实的穗粒数/有效穗数)，称量1 000粒穗粒的重量计为千粒重，之后对各小区小麦进行单独收割测产。小麦理论产量按以下公式计算：

小麦理论产量(kg·hm-2)=有效穗数(株·hm-2)×

穗粒数(个/株)×千粒重(g)×10-3。

1.3.2 土壤样品采集及测定 2021年5月21日采用“X”形5点采样法采集各小区0～20 cm的土壤样

表1 不同处理施肥类型和施肥量Table 1 Fertilizer type and amount of different treatments /(kg·hm-2)

品。土壤pH值测定用水浸提(m水∶m土=2.5∶1)复合电极法，碱解氮含量测定采用碱解扩散法，全氮含量测定采用半微量凯氏定氮法，速效钾含量测定采用乙酸铵浸提—火焰光度计法，有机质含量测定采用重铬酸钾氧化容量法—外加热法，有效磷含量测定采用碳酸氢钠提取—钼锑抗比色法，铵态氮含量测定采用靛酚蓝比色法，硝态氮含量测定采用紫外分光光度法[26]。

1.3.3 地表径流水收集及测定 试验小区田埂用水泥浇筑堆砌，在每个小区一侧修建径流收集池共24个，尺寸为2 m×1.03 m×1.33 m，并在其底部开设一个控水阀出口，顶部加石棉瓦盖。每次降雨产生径流后收集径流水，记录径流池内水文尺刻度，计算径流量，并通过一次性塑料瓶采集径流水，带回安徽农业大学土壤生态质量与修改实验室进行分析测定。其中，水样全氮(total nitrogen,TN)含量测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，水样全磷(total phosphorus,TP)含量测定采用钼酸铵分光光度法，铵态氮(ammonium nitrogen,NH4+-N)含量测定采用纳氏试剂分光光度法，硝态氮(nitrate nitrogen,NO3--N)含量测定采用紫外分光光度法，所有水样指标测定仪器均为AA3连续流动分析仪(天津中通科技发展有限公司)[27-28]。

1.3.4 氮磷径流流失量与肥料利用率 氮磷径流流失量与肥料利用率分别按以下公式计算：

式中，P为氮磷径流流失量(kg·hm-2)；Ci为径流中氮磷浓度(mg·L-1)；Vi为径流流失体积(m3·hm-2)。

肥料利用率=

×100%。

1.4 数据处理

运用Excel 2010、SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，使用单因素方差分析进行显著性检验(P<0.05)，并使用最小显著差异法(least significant difference,LSD)和Duncan法进行均值比较。

2 结果与分析

2.1 有机养分替代对小麦产量的影响

由表2可知，与CF处理相比，M1、F1处理小麦产量显著降低了24.49%、25.44%，且随着有机肥替代化肥比例的升高，小麦产量均呈现下降趋势(M3>M2>M1，F3>F2>F1)。小麦产量构成因素表现为：与CF处理相比，M1、F1处理下小麦有效穗数和穗粒数均显著降低，说明小麦有效穗数和穗粒数在一定程度上影响着小麦产量。

2.2 有机养分替代对麦田氮磷径流流失的影响

图2为有机养分替代后小麦整个生育时期TN、TP流失变化特征。总氮流失浓度为0.30～15.00 mg·L-1，

表2 有机养分替代对小麦产量的影响Table 2 The effect of organic nutrient replacement on wheat yield

图1 有机养分替代后小麦整个生育时期流失变化特征Fig.1 Characteristics of and loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

流失量为0.18～9.90 kg·hm-2。小麦整个生育时期总氮流失特征表现为2020年11月27日各处理下总氮流失均最高，结合施肥情况分析，主要是因为刚施入基肥，有较多的养分未被吸收而以径流的方式排出农田。随着小麦生育期的推进，径流中总氮流失逐渐下降，而在2021年3月21日总氮流失略有上升，这可能是由于小麦生育中后期对养分需求减少，同时降雨较多导致降雨带入的养分未被吸收利用而随径流排出，之后有一段时间迅速下降，可能是小麦生育后期对养分吸收变多而导致养分径流流失迅速降低。与CF处理相比，有机肥替代化肥处理均降低了总氮径流流失浓度，其中M1、F1处理降低最明显，且秸秆有机肥降低效果优于猪粪有机肥。TP流失浓度为0.09～1.35 mg·L-1， 流失量为0.02～0.92 kg·hm-2。在小麦整个生育时期，总磷流失浓度及流失量均表现为先下降后趋于稳定。此外，TN流失量与TP流失量在小麦整个生育时期规律一致，均在生育后期略有上升后趋于稳定。

图2 有机养分替代后小麦整个生育时期TN、TP流失变化特征Fig.2 Characteristics of TN and TP loss in wheat during the entire growth period after organic nutrient substitution

由表3可知，TN流失量范围为21.90～33.66 kg·hm-2， 与CF处理相比，不同比例有机肥替代化肥处理TN流失量减少了8.44%～25.94%。NH4+-N、NO3--N流失量范围分别为2.47～3.89 kg·hm-2、5.28～9.86 kg·hm-2，与CF处理相比，不同比例有机肥替代化肥处理NO3--N流失量减少了5.38%～43.10%。TP流失量范围为0.60～2.00 kg·hm-2，与CF处理相比，M1、F1处理TP流失量分别升高了44.93%、24.64%。

表3 有机养分替代对麦田氮磷径流流失量的影响Table 3 Effect of organic nutrient replacement on the runoff loss of nitrogen and phosphorus in wheat field /(kg·hm-2)

表4 有机养分替代对小麦养分吸收及肥料利用率的影响Table 4 Effects of organic nutrient replacement on wheat nutrient absorption and fertilizer utilization

2.3 有机养分替代对小麦养分吸收及肥料利用率的影响

由表4可知，小麦N吸收量为72.26～156.43 kg·hm-2， 其中M3处理N吸收量最高，为156.43 kg·hm-2， F2处理次之，为154.04 kg·hm-2，与CF处理相比分别增加2.12%、0.56%。施肥处理N肥利用率为17%～35%，其中M3处理N肥利用率最高，为35%。小麦P吸收量为10.25～24.06 kg·hm-2，其中M2处理P吸收量最高，为24.06 kg·hm-2，F2处理次之，为24.00 kg·hm-2，与CF处理相比分别增加了10.32%、10.04%。施肥处理P肥利用率为5%～19%，其中M3、F2处理下P肥利用率最高，均为19%，且M1、F1处理N、P肥利用率与其他同类型施肥处理相比均显著降低。

2.4 有机养分替代对麦田土壤肥力的影响

由表5可知，与CF处理相比，有机肥替代化肥土壤pH值提高了0.08～0.30，说明有机肥替代化肥能减缓土壤酸化，且随着有机肥替代比例升高，土壤肥力呈现上升趋势。不同施肥条件下土壤有机质含量为21.89～23.16 g·kg-1，全氮含量为1.18～1.26 g·kg-1， 与CF处理相比，M1处理下麦田有机质、有效磷、碱解氮、速效钾含量分别显著提高了5.80%、40.71%、17.43%、16.22%。不同施肥处理下硝态氮、铵态氮含量分别为13.23～18.29 mg·kg-1、4.92～7.82 mg·kg-1，可见，有机肥替代化肥在一定程度上均提高了土壤硝态氮、铵态氮含量，且麦田中硝态氮含量均高于铵态氮。

表5 有机养分替代对麦田土壤肥力的影响Table 5 The effect of organic nutrient replacement on wheat field soil fertility

3 讨论

王家宝等[29]研究发现生物有机肥替代17%～34%的化肥有利于小麦增产，较单施化肥处理增幅为11.3%～11.8%，这与本试验中30%猪粪有机肥替代化肥能明显提高小麦产量的结果一致。裴雪霞等[30]认为有机肥替代30%氮肥有利于养分向籽粒运转及籽粒对氮养分的吸收利用，可以维持小麦产量，过高替代比例则会引起小麦贪青晚熟。本试验中，两种有机养分替代下，猪粪有机肥对小麦增产效果优于秸秆有机肥，原因可能是秸秆有机肥中氮素矿化较慢引起小麦生长过程中供氮不足，导致小麦产量相对较低。

农田氮磷径流流失不仅受降雨强度[31]、时间[32]及肥料类型等因素影响，还受土壤物理性质如质地、孔隙、剖面构造等影响。降雨强度直接影响农田地表径流养分流失，邬燕虹等[33]认为径流中各形态氮素流失量随降雨强度增大而增大，呈现较为明显的正相关关系。宁建凤等[34]研究表明，相比单施化肥处理，有机肥替代化肥的TN、NO3--N和NH4+-N流失量分别降低了53.4%、58.2%和56.0%。陈秋会等[35]研究认为有机肥替代化肥TN流失量均低于化肥处理，其中100%有机肥替代降幅最大，且TN流失浓度与流失量一致，这与本研究中有机养分替代处理有助于降低全氮径流流失浓度、流失量，且与常规施肥处理相比，在100%有机养分替代处理下全氮径流流失降低幅度最大的结果一致。此外，100%较50%和30%有机肥替代化肥处理TP流失浓度、流失量均增加，这主要是因为本研究以等氮量替代为基础，当有机肥比例超过50%时，有机肥磷素投入量增加，磷素不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，因此总磷流失量大幅增加。在氮素流失形态上，本研究中硝态氮流失浓度、流失量均高于铵态氮，可能是麦季耕层土壤具有较强的硝化作用，使得硝态氮大量累积在表层，而硝态氮则易流失，从而造成麦季径流水中硝态氮流失量较高[36]。

谢军等[37]通过8年的长期定位试验指出，有机肥替代化肥可提高玉米对氮的利用效率。周江明[38]研究有机肥化肥配施对水稻氮素积累量的影响，指出总氮素累积量在20%有机肥替代化肥处理下最高，此时回收利用量最高。陈大超等[39]指出有机肥处理与单施化肥处理相比，叶片中全磷和全钾含量显著提高。朱代强[40]和李水祥等[41]也得到了类似的研究结果。这与本研究中30%～50%猪粪有机养分替代处理下氮磷肥利用率较高的结果一致，由此说明，有机肥替代化肥技术整体上能提高肥料利用率，改善作物的养分吸收水平。

本研究发现有机肥可以缓解土壤酸化，这与毛妍婷等[42]的研究一致。原因在于有机肥在土壤溶液中离解为氢离子，具有较强的交换能力，并与钾、钠、铵等一价阳离子作用生成能溶于水的弱酸盐类，使这些元素在土壤中不易流失，当外界的酸性或碱性物质施入土壤时，有机肥能够在一定程度上维持土壤溶液的酸碱度不变。另外，研究表明有机肥能提供丰富的氮贮量，进而保持土壤氮素的有效性[43]。这与本研究施用有机肥提高了土壤有机质含量的结果一致。此外，不同的有机肥对土壤养分释放的影响不同，因此，在实际生产中，施用有机肥时要注意各种有机肥特征，在有机肥替代部分化肥施用过程中，应根据有机肥的类型和养分含量，合理配施氮磷肥，以保证氮、磷养分的均衡投入。

4 结论

本研究发现，30%猪粪有机养分替代处理下小麦产量最高，而在100%有机养分替代处理下小麦产量与其他施肥处理相比均显著降低；有机养分替代化肥有助于降低麦田总氮径流流失量，其中在100%有机养分替代处理下总氮径流流失量最低，而总磷径流流失量最高；30%～50%猪粪有机养分替代下小麦氮磷肥利用率较高，而在100%有机养分替代处理下氮磷肥利用率与其他施肥处理相比均显著降低。此外，有机养分替代能够缓解土壤酸化，使土壤pH值维持稳定。综合生产实际，30%～50%猪粪有机养分替代在降低麦田氮径流流失量且维持较低磷径流流失量前提下有助于提高土壤肥力和肥料利用率，同时也能提高小麦产量、品质，增加其经济效益。