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有机肥氮替代20%化肥氮提高豫北冬小麦氮肥利用率和土壤肥力

申长卫 袁敬平 李新华 张帅垒 任秀娟 王菲 刘星 张影 欧行奇 陈锡岭

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有机肥氮替代20%化肥氮提高豫北冬小麦氮肥利用率和土壤肥力

    作者简介: 申长卫 E-mail:changweishen@163.com;
    通讯作者: 陈锡岭, E-mail:chenxiling456@126.com
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0201700);新乡市重大科技专项项目(ZD18007);河南科技学院高层次人才引进启动项目(2017034)。

Improving winter wheat N utilization efficiency and soil fertility through replacement of chemical N by 20% organic manure

    Corresponding author: CHEN Xi-ling, E-mail:chenxiling456@126.com
  • 摘要:   【目的】  探究有机肥氮替代不同比例化肥氮对冬小麦产量和土壤肥力的影响,为豫北冬小麦筛选适宜有机肥替代比例、提高氮素利用率以及小麦产量提升提供参考。  【方法】  在2018和2019年以小麦新品种百农207为供试材料进行大田试验,试验设置不施氮肥处理 (T1)、常规施氮肥处理 (T2) 和3种有机肥氮替代化肥氮比例 (20%、30%和40%,依次表示为T3、T4、T5)。分析比较成熟期不同处理下小麦产量、产量构成要素、各器官的氮素积累量与分配比例、氮肥利用率以及土壤肥力指标的变化。  【结果】  2018和2019年的产量结果表明,相比T2处理,有机肥氮替代化肥氮比例为20% (T3) 处理能实现小麦产量的稳产增产。2019年T3处理比T2处理小麦产量显著增加16.59%,随着有机肥氮替代化肥氮比例增加,小麦增产效应降低。2019年在T3处理下,植株氮素总积累量比T2处理显著提高25.71%,T3处理相比T2处理籽粒的氮素积累量两年分别显著提高14.45%和22.20%。2019年T3处理氮素偏生产力、氮素回收率和氮肥农学效率都显著高于T2处理。连续两年施用有机肥处理对土壤中全氮含量影响不大,但相比T1和T2处理,2018和2019年在T3处理下土壤有效磷、铵态氮和硝态氮含量显著提高。通过产量与其他因素的相关分析可知,小麦产量与植株氮素总积累量、籽粒氮素积累量、小麦穗数呈极显著正相关,而穗数与土壤养分中的NH4+-N含量和NO3-N含量均呈极显著正相关。  【结论】  在氮施用量为300 kg/hm2时,通过连续两年有机肥与化肥配施可改善土壤肥力水平。本试验条件下,有机肥氮替代化肥氮的比例为总施氮量 20%时,能显著增加籽粒氮素积累量,提高小麦氮素利用效率和产量,实现豫北冬小麦稳产和高产。
  • 图 1  2018和2019年两季小麦产量及其构成要素、不同部位氮素积累量及耕层土壤养分含量的相关分析

    Figure 1.  Correlation analysis of wheat yield and yield components, N accumulation in different parts and soil nutrient content in plough layer in 2018 and 2019

    表 1  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下的小麦产量及其构成要素

    Table 1.  Yield and its components of wheat under the different proportion of organic manure N replacing chemical fertilizer N

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    穗数 (× 104/hm2)
    Spike number
    穗粒数
    Grain number per spike
    产量 (kg/hm2)
    Yield
    2018T1 43.15 ± 0.81 a 445.1 ± 25.46 c 43.80 ± 1.68 a 7980 ± 204 b
    T2 40.59 ± 0.31 b 530.3 ± 20.46 b 43.25 ± 0.95 a 9008 ± 495 a
    T3 40.18 ± 0.72 b 605.5 ± 34.86 a 41.67 ± 0.70 a 9598 ± 812 a
    T4 40.00 ± 1.01 b 592.8 ± 31.96 ab 41.29 ± 3.90 a 10035 ± 1134 a
    T5 40.91 ± 0.66 b 438.2 ± 39.68 c 39.82 ± 1.73 b 6994 ± 1083 b
    2019T1 47.76 ± 0.90 a 409.8 ± 21.10 b 42.12 ± 1.83 a 8165 ± 509 c
    T2 47.76 ± 0.60 a 456.7 ± 39.97 ab 41.81 ± 1.50 a 8700 ± 122 bc
    T3 47.77 ± 1.82 a 492.7 ± 51.11 a 43.41 ± 1.77 a 10144 ± 309 a
    T4 47.83 ± 2.37 a 514.7 ± 25.07 a 38.01 ± 1.98 b 9087 ± 261 b
    T5 49.12 ± 0.57 a 443.9 ± 37.61 b 40.59 ± 1.09 ab 8726 ± 577 bc
    注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments for the same year (P < 0.05).
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    表 2  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下小麦成熟期各器官氮素积累量和分配比例

    Table 2.  Accumulation and distribution of N in various organs of wheat at mature stage under different proportions of organic manure N replacing chemical fertilizer N

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    总积累量 (kg/hm2)
    Total accumulation
    叶片 + 叶鞘 Leaf + blade sheath茎秆 + 穗轴 Stem + cob颖壳 Glume籽粒 Grain
    (kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)
    2018T1171.78 ± 14.02 b 15.38 ± 2.13 b8.50 ± 0.73 b6.44 ± 0.71 c3.75 ± 0.31 b30.42 ± 3.15 b17.74 ± 1.51 a121.55 ± 8.45 c70.83 ± 1.35 bc
    T2244.44 ± 7.98 a 20.01 ± 3.21 a9.26 ± 0.71 ab10.47 ± 0.99 b4.28 ± 0.37 ab38.32 ± 3.08 a15.71 ± 1.54 a170.65 ± 11.78 b69.76 ± 3.26 c
    T3253.88 ± 9.71 a 18.34 ± 2.75 ab7.87 ± 0.32 c10.99 ± 0.98 b4.32 ± 0.22 ab32.71 ± 2.98 ab11.27 ± 2.09 b195.81 ± 6.28 a77.20 ± 3.11 a
    T4239.00 ± 14.90 a 21.44 ± 1.24 a10.05 ± 1.14 a13.95 ± 1.05 a5.85 ± 0.43 a21.86 ± 2.59 c9.12 ± 0.60 bc181.33 ± 16.55 ab75.74 ± 2.38 ab
    T5154.73 ± 12.05 b 17.23 ± 1.62 b9.73 ± 1.05 ab7.37 ± 1.81 c4.71 ± 0.77 ab12.12 ± 0.48 d7.89 ± 0.76 c120.96 ± 6.60 c78.33 ± 2.63 a
    2019T1133.67 ± 9.98 c 4.90 ± 0.47 b3.65 ± 0.57 a3.90 ± 1.50 b2.97 ± 1.34 a4.28 ± 0.55 c3.21 ± 0.43 b120.59 ± 10.15 c90.17 ± 0.78 ab
    T2201.40 ± 25.29 b 5.71 ± 0.61 a2.56 ± 0.25 ab5.66 ± 1.13 b2.61 ± 0.57 a7.30 ± 2.80 b3.21 ± 0.59 b183.63 ± 22.90 b91.61 ± 0.57 a
    T3253.17 ± 20.75 a 6.01 ± 0.51 a2.37 ± 0.19 b9.32 ± 2.67 a3.67 ± 1.00 a13.45 ± 1.11 a5.31 ± 0.20 a224.39 ± 18.27 a88.64 ± 0.97 b
    T4219.54 ± 17.81 ab 4.50 ± 0.58 b2.07 ± 0.37 b5.10 ± 0.07 b2.33 ± 0.16 a12.78 ± 1.73 a5.82 ± 0.64 a197.16 ± 17.20 ab89.78 ± 0.98 ab
    T5198.86 ± 29.01 b 5.03 ± 0.40 b2.56 ± 0.39 ab4.48 ± 1.69 b2.24 ± 0.71 a13.38 ± 3.84 a6.65 ± 1.26 a175.98 ± 24.62 b88.55 ± 0.73 b
    注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments for the same year (P < 0.05).
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    表 3  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理的小麦氮素利用效率

    Table 3.  The related indicators of N use efficiency of wheat under different proportions of organic manure N replacing chemical fertilizer N

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    施氮量
    N rate
    (kg/hm2)
    氮收获指数
    NHI
    氮生理效率
    NPE
    (kg/kg)
    氮偏生产力
    NPFP
    (kg/kg)
    氮回收效率
    NRE
    (%)
    氮农学效率
    NAE
    (kg/kg)
    2018T1 0 0.71 ± 0.01 bc 46.76 ± 3.79 a
    T23000.70 ± 0.03 c36.89 ± 1.23 c30.03 ± 1.35 a24.22 ± 2.66 a3.43 ± 1.35 b
    T33000.77 ± 0.03 a37.86 ± 1.41 bc31.99 ± 2.47 a25.06 ± 2.55 a6.73 ± 1.40 a
    T43000.76 ± 0.02 ab42.15 ± 2.71 ab32.73 ± 3.02 a22.41 ± 1.97 a4.04 ± 0.78 b
    T53000.78 ± 0.03 a45.47 ± 3.36 a23.31 ± 2.84 b
    2019T1 00.90 ± 0.01 ab61.93 ± 4.55 a
    T23000.92 ± 0.01 a42.37 ± 2.70 b30.20 ± 0.86 b22.58 ± 1.88 c2.98 ± 0.86 b
    T33000.89 ± 0.01 bc40.24 ± 3.15 b33.81 ± 0.84 a39.83 ± 1.65 a6.59 ± 0.84 a
    T43000.90 ± 0.01 abc41.58 ± 3.47 b30.32 ± 0.73 b28.62 ± 1.85 b3.61 ± 0.13 b
    T53000.89 ± 0.01 bc45.11 ± 3.41 b30.41 ± 0.93 b21.73 ± 1.89 c3.20 ± 0.93 b
    注(Note):NHI—N harvest index; NPE—N physiological efficiency; NPFP—N partial factor productivity; NRE—N recovery efficiency; NAE—N agronomic efficiency; T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).
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    表 4  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下麦田土壤养分含量

    Table 4.  Changes of soil nutrients in wheat fields under the different proportions of organic fertilizer N replacing chemical fertilizer N

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    pH 有机质
    SOM
    (%)
    全氮
    Total N
    (%)
    速效磷
    Available P
    (mg/kg)
    速效钾
    Available K
    (mg/kg)
    铵态氮
    NH4+-N
    (mg/kg)
    硝态氮
    NO3-N
    (mg/kg)
    2018T18.85 ± 0.04 a 13.29 ± 0.80 a 0.089 ± 0.006 a 12.42 ± 1.23 c 122.51 ± 14.17 a 1.54 ± 0.18 c 3.13 ± 0.15 c
    T28.76 ± 0.03 a 13.95 ± 0.82 a 0.076 ± 0.002 b 16.47 ± 1.32 b 99.91 ± 2.75 bc 2.11 ± 0.15 b 3.86 ± 0.26 b
    T38.61 ± 0.05 b 13.88 ± 1.40 a 0.077 ± 0.009 b 20.83 ± 2.96 a 106.90 ± 6.70 b 3.14 ± 0.49 a 5.18 ± 0.67 a
    T48.81 ± 0.07 a 14.43 ± 1.70 a 0.085 ± 0.006 ab 17.21 ± 0.80 ab 92.80 ± 1.99 c 3.75 ± 0.42 a 5.73 ± 0.61 a
    T58.83 ± 0.05 a 14.92 ± 1.25 a 0.077 ± 0.005 b 16.93 ± 0.11 b 104.70 ± 7.95 b 2.63 ± 0.23 b 2.77 ± 0.50 c
    2019T18.64 ± 0.15 bc 12.62 ± 0.48 d 0.079 ± 0.011 a 10.15 ± 0.30 d 131.01 ± 2.92 bc 0.64 ± 0.11 c 1.55 ± 0.16 c
    T28.51 ± 0.06 c 14.18 ± 0.62 c 0.087 ± 0.011 a 15.02 ± 2.45 c 130.59 ± 6.36 bc 1.51 ± 0.11 b 1.76 ± 0.28 bc
    T38.78 ± 0.05 ab 14.86 ± 0.55 abc 0.077 ± 0.008 a 21.15 ± 1.72 a 152.96 ± 3.24 a 2.14 ± 0.32 a 2.43 ± 0.20 a
    T48.85 ± 0.04 a 15.08 ± 0.22 ab 0.075 ± 0.009 a 17.51 ± 0.60 b 141.52 ± 11.99 b 1.88 ± 0.15 ab 2.03 ± 0.11 ab
    T58.69 ± 0.11 ab 15.51 ± 0.25 a 0.074 ± 0.003 a 16.30 ± 1.39 b 124.71 ± 11.47 c 1.56 ± 0.28 b 1.68 ± 0.17 bc
    注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic fertilizer N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic fertilizer N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic fertilizer N; 同列数据后不同字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among the treatments (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-16
  • 网络出版日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2020-08-31

有机肥氮替代20%化肥氮提高豫北冬小麦氮肥利用率和土壤肥力

    作者简介:申长卫 E-mail:changweishen@163.com
    通讯作者: 陈锡岭, chenxiling456@126.com
  • 1. 河南科技学院资源与环境学院,河南新乡 453003
  • 2. 河南科技学院园艺园林学院,河南新乡 453003
  • 3. 新乡市农乐种业有限公司,河南新乡 453003
  • 4. 河南科技学院生命科技学院,河南新乡 453003
  • 基金项目: 国家重点研发计划(2017YFD0201700);新乡市重大科技专项项目(ZD18007);河南科技学院高层次人才引进启动项目(2017034)。
  • 摘要:   【目的】  探究有机肥氮替代不同比例化肥氮对冬小麦产量和土壤肥力的影响,为豫北冬小麦筛选适宜有机肥替代比例、提高氮素利用率以及小麦产量提升提供参考。  【方法】  在2018和2019年以小麦新品种百农207为供试材料进行大田试验,试验设置不施氮肥处理 (T1)、常规施氮肥处理 (T2) 和3种有机肥氮替代化肥氮比例 (20%、30%和40%,依次表示为T3、T4、T5)。分析比较成熟期不同处理下小麦产量、产量构成要素、各器官的氮素积累量与分配比例、氮肥利用率以及土壤肥力指标的变化。  【结果】  2018和2019年的产量结果表明,相比T2处理,有机肥氮替代化肥氮比例为20% (T3) 处理能实现小麦产量的稳产增产。2019年T3处理比T2处理小麦产量显著增加16.59%,随着有机肥氮替代化肥氮比例增加,小麦增产效应降低。2019年在T3处理下,植株氮素总积累量比T2处理显著提高25.71%,T3处理相比T2处理籽粒的氮素积累量两年分别显著提高14.45%和22.20%。2019年T3处理氮素偏生产力、氮素回收率和氮肥农学效率都显著高于T2处理。连续两年施用有机肥处理对土壤中全氮含量影响不大,但相比T1和T2处理,2018和2019年在T3处理下土壤有效磷、铵态氮和硝态氮含量显著提高。通过产量与其他因素的相关分析可知,小麦产量与植株氮素总积累量、籽粒氮素积累量、小麦穗数呈极显著正相关,而穗数与土壤养分中的NH4+-N含量和NO3-N含量均呈极显著正相关。  【结论】  在氮施用量为300 kg/hm2时,通过连续两年有机肥与化肥配施可改善土壤肥力水平。本试验条件下,有机肥氮替代化肥氮的比例为总施氮量 20%时,能显著增加籽粒氮素积累量,提高小麦氮素利用效率和产量,实现豫北冬小麦稳产和高产。

    English Abstract

    • 黄淮海地区是我国重要的小麦种植区,随着国家农业供给侧结构性改革的不断深入,河南省启动“四优四化”科技支撑行动计划,其中将发展优质小麦摆在首位[1]。目前,我国每年对优质强筋小麦需求量在150亿kg以上,国内优质强筋小麦生产量严重不足,同时长期以来持续大量使用化肥 (尤其是氮肥) 也导致该地区氮肥肥效过低[2]。氮肥的过量施用,会降低氮肥利用率,增加生产成本,还会对环境产生极大危害[3-4]。因此,如何通过优化化肥使用量和调整施肥结构,改变农民长期过量施用化学氮肥的传统观念显得十分必要。

      合理施用有机肥是促进作物增产、保证粮食安全的重要措施之一。有机肥与无机肥配合施用对作物和土壤的影响程度因替代比例、土壤类型和肥力、作物种类、气候因素以及试验年限而存在差异[5-6]。如郑仁兵等[7]发现有机肥替代20%化学氮肥,使水稻的产量和综合效益达到最高。张丹[8]发现施用有机肥替代20%化学氮肥可在稳定稻麦产量的情况下,明显地提高稻麦两季的氮肥利用率。谢军等[9]研究发现,施用有机肥替代部分化学氮肥,促进了氮素的吸收及向籽粒的转运,进而提高了玉米的产量和氮肥利用率。欧杨虹等[10]发现有机肥在一定范围内部分替代化肥氮,可提高水稻产量和氮肥利用效率。高洪军[11]研究表明,在适宜氮用量下用农家肥氮替代70%化肥氮,或秸秆氮替代30%化肥氮处理能减少化肥氮投入,提高氮肥利用效率。此外,化学氮肥的滥用导致土壤酸化,在过去的20年内中国农田土壤pH平均下降0.5个单位[12]。有研究表明,使用有机肥替代化肥能有效防止土壤酸化[13],提高土壤中全氮、有效磷、速效钾含量,显著提高蔗糖酶和过氧化氢酶活性[14]。因此,在不同区域或不同作物系统中,通过优化有机肥替代化肥的比例能实现作物的高产高效,而施肥结构调整初期有机肥替代化肥的效应值得进一步探讨。长期以来豫北地区主要以化肥氮为主要施氮类型,有机肥施用较少,为进一步明确豫北优质冬小麦种植区有机肥氮替代化肥氮的最佳比例,本试验研究了有机肥氮替代化肥氮的不同比例对小麦产量和氮素分配的影响,对比两季小麦氮肥利用效率和土壤肥力的差异,试图为豫北冬小麦种植区减少化肥用量、合理施用有机肥,有效提高优质小麦产量提供指导。

      • 本试验于2017—2019年连续两季进行小麦的种植,种植制度为冬小麦–夏玉米一年两熟,通常小麦在每年的10月中旬播种,第二年6月初收获。试验地点在新乡市新乡县七里营镇校博种业有限公司的试验基地 (北纬35°15′,东经 113°82′)。该试验区属于典型的暖温带大陆性半干旱季风型气候,四季分明。该地区年平均气温为14.0℃,年均降水量为617.8 mm,且主要集中于7—9月份,主导风向为东北风,年无霜期211.7天,日照2382 h。试验地土壤为潮土,属于黄河冲积物,其中初始耕层 (0—20 cm) 土壤有机质含量13.28 g/kg、全氮1.19 g/kg、有效磷16.31 mg/kg、速效钾146.18 mg/kg、土壤pH 8.12。

      • 试验共设置5个施氮处理:不施氮肥处理 (T1)、常规施氮肥处理 (T2)、有机肥氮替代20%化肥氮 (T3)、有机肥氮替代30%化肥氮 (T4)、有机肥氮替代40%化肥氮 (T5)。农民习惯施肥的比例为 (N∶P2O5∶K2O为 20∶9∶4),除T1处理外,各处理施氮量 (纯氮) 均为300 kg/hm2,P2O5总用量为135 kg/hm2,K2O总用量为60 kg/hm2。氮肥的60%作为基施在播前撒施,剩余的40%在拔节期结合降雨追施,化肥氮以尿素 (纯N 46%) 为肥源。有机肥为商品有机肥 (有效活菌数 ≥ 0.2亿/g、有机质40%、N 2.0%、P2O5 1.5%、K2O 1.5%),购自江苏田娘农业科技有限公司。以氮肥用量为基准计算磷、钾肥施用量,部分处理中磷和钾肥不足时用单一化肥补充。磷和钾肥分别以过磷酸钙 (P2O5 12%) 和氯化钾 (K2O 60%) 作为肥源。有机肥、部分氮肥、磷和钾肥作为基肥一次性施入。每个处理3次重复,15个小区随机排列,小区长90 m,宽2.4 m,小区面积216 m2;每个处理间隔1 m,周围设1 m保护行。供试小麦品种为百农207。小麦播种行距为15 cm,基本苗3.0 × 106株/hm2。采用统一整地、打药和灌溉管理。

      • 在小麦成熟期 (6月初) 时,在每个小区按5点法用土钻采集耕层 (0—20 cm) 土样,剔除石砾和植物残根等杂物。混合后,密封带回实验室,经过风干研磨过筛后用于土壤理化指标的测定。土壤pH采用 (水土比2.5∶1) pH计电位法测定;土壤全氮用硫酸混合加速剂—流动分析仪法测定;土壤有效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾用醋酸铵浸提—火焰光度法测定;土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定[14]

      • 小麦收获时,每个试验小区随机选取3个1 m × 2 m的代表性样方,将地上部分小麦全部收获,并挂牌区分,带回实验室按小区分开单独脱粒考种。人工脱粒后晒干称重记产,同时记录每个小区小麦的生物量、株行距和总株数、穗粒数和千粒重,产量 (kg/hm2) = 667 m2穗数 (万) × 穗粒数 (粒) × 千粒重 (g) × 10–6 × 15。

      • 从收获的每个小区中随机选取代表性植株10株,将其叶片、叶鞘、茎秆、籽粒、穗轴和颖壳分离,装入密封袋,于烘箱中105℃杀青30 min,后转至80℃烘干至恒重,同时记录各个部位的鲜重、干重和含水量。烘干样品进行粉碎后,采用H2SO4−H2O2消化,使用德国生产的AA3连续流动分析仪测定各个部位氮素含量,再根据各个部位生物量计算各个部位氮素积累量和氮素分配率。

      • 植株氮素积累量 (kg/hm2) = 单株干物质量 × 每公顷穗数 × 植株含氮量;

        氮素收获指数 (NHI) = 籽粒氮素积累量/植株氮素积累量;

        氮素生理利用效率 (NPE,kg/kg) = 籽粒产量/植株地上部分氮素积累量;

        氮素回收效率 (NRE,%) = (施氮区植株氮素积累量 − 不施氮区植株氮素积累量) /施氮量 × 100;

        氮素偏生产力 (PFPN,kg/kg) = 施氮区产量/施氮量;

        氮肥农学效率 (NAE,kg/kg) = (施氮区籽粒产量 − 不施氮区籽粒产量) /施氮量

      • 采用Excel 2010软件进行数据计算,并运用R语言的ggplot2包进行Pearson相关性分析,其他图表用Excel 2010和Origin 8.5制作。采用SPSS 18.0软件进行处理之间单因素方差分析 (LSD),P < 0.05为差异显著。

      • 表1可知,随着有机肥氮替代化肥氮比例的提高,小麦穗数和产量都呈先增加后降低的趋势。其中,2018年穗数最高值为T3处理,比不施氮肥处理 (T1处理) 和常规施氮肥处理 (T2处理) 分别显著提高36.03%和14.17%,T5处理比T3处理穗数显著降低27.63%;而2019年穗数最高值为T4处理,相比T1处理显著提高25.62%,与T2处理相比差异不显著,T5处理相比T3处理穗数显著降低13.78%。与T1处理相比,2018年在T2、T3、T4和T5处理下小麦千粒重显著降低,但2019年各处理之间差异不显著。与T1处理相比,2018年T2、T3和T4处理穗粒数差异不显著,T5处理穗粒数显著降低9.09%;2019年T2、T3和T5处理穗粒数与T1处理差异不显著,但T4处理穗粒数相比T1处理显著降低9.76%。2018年产量最高值为T4处理,相比T1处理显著增产25.75%,相比T2和T3处理产量差异不显著,T5处理相比T4处理产量显著减产30.30%;2019年产量最高值出现在T3处理,相比T1和T2处理分别显著增产19.50%和16.59%,T4和T5处理相比T3处理分别显著减产10.41%和13.97%,说明在等氮水平条件下,随着有机肥氮替代化肥氮比例的提高,冬小麦产量先增后减,整体来看有机肥氮替代化肥氮比例为20%左右时,小麦产量可实现稳产高产。

        表 1  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下的小麦产量及其构成要素

        Table 1.  Yield and its components of wheat under the different proportion of organic manure N replacing chemical fertilizer N

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        穗数 (× 104/hm2)
        Spike number
        穗粒数
        Grain number per spike
        产量 (kg/hm2)
        Yield
        2018T1 43.15 ± 0.81 a 445.1 ± 25.46 c 43.80 ± 1.68 a 7980 ± 204 b
        T2 40.59 ± 0.31 b 530.3 ± 20.46 b 43.25 ± 0.95 a 9008 ± 495 a
        T3 40.18 ± 0.72 b 605.5 ± 34.86 a 41.67 ± 0.70 a 9598 ± 812 a
        T4 40.00 ± 1.01 b 592.8 ± 31.96 ab 41.29 ± 3.90 a 10035 ± 1134 a
        T5 40.91 ± 0.66 b 438.2 ± 39.68 c 39.82 ± 1.73 b 6994 ± 1083 b
        2019T1 47.76 ± 0.90 a 409.8 ± 21.10 b 42.12 ± 1.83 a 8165 ± 509 c
        T2 47.76 ± 0.60 a 456.7 ± 39.97 ab 41.81 ± 1.50 a 8700 ± 122 bc
        T3 47.77 ± 1.82 a 492.7 ± 51.11 a 43.41 ± 1.77 a 10144 ± 309 a
        T4 47.83 ± 2.37 a 514.7 ± 25.07 a 38.01 ± 1.98 b 9087 ± 261 b
        T5 49.12 ± 0.57 a 443.9 ± 37.61 b 40.59 ± 1.09 ab 8726 ± 577 bc
        注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments for the same year (P < 0.05).
      • 表2可知,随着有机肥氮替代化肥氮比例的提高,小麦植株氮素总积累量连续两年都呈先增加后降低的趋势。其中,相比T1处理,2018年在T2、T3和T4处理下小麦植株氮素总积累量分别显著提高42.30%、47.79%和39.13%,在T5处理下小麦植株氮素总积累量与T1处理差异不显著。2019年小麦植株氮素总积累量最高值为T3处理,相比T1和T2处理小麦植株氮素总积累量分别显著提高89.40%和25.71%,T4处理与T3处理小麦植株氮素总积累量差异不显著,T5处理比T3处理小麦植株氮素总积累量显著降低21.45%。说明随着有机肥氮替代化肥氮比例的提高,小麦植株氮素总积累量呈先增后降的趋势。

        表 2  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下小麦成熟期各器官氮素积累量和分配比例

        Table 2.  Accumulation and distribution of N in various organs of wheat at mature stage under different proportions of organic manure N replacing chemical fertilizer N

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        总积累量 (kg/hm2)
        Total accumulation
        叶片 + 叶鞘 Leaf + blade sheath茎秆 + 穗轴 Stem + cob颖壳 Glume籽粒 Grain
        (kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)(kg/hm2)(%)
        2018T1171.78 ± 14.02 b 15.38 ± 2.13 b8.50 ± 0.73 b6.44 ± 0.71 c3.75 ± 0.31 b30.42 ± 3.15 b17.74 ± 1.51 a121.55 ± 8.45 c70.83 ± 1.35 bc
        T2244.44 ± 7.98 a 20.01 ± 3.21 a9.26 ± 0.71 ab10.47 ± 0.99 b4.28 ± 0.37 ab38.32 ± 3.08 a15.71 ± 1.54 a170.65 ± 11.78 b69.76 ± 3.26 c
        T3253.88 ± 9.71 a 18.34 ± 2.75 ab7.87 ± 0.32 c10.99 ± 0.98 b4.32 ± 0.22 ab32.71 ± 2.98 ab11.27 ± 2.09 b195.81 ± 6.28 a77.20 ± 3.11 a
        T4239.00 ± 14.90 a 21.44 ± 1.24 a10.05 ± 1.14 a13.95 ± 1.05 a5.85 ± 0.43 a21.86 ± 2.59 c9.12 ± 0.60 bc181.33 ± 16.55 ab75.74 ± 2.38 ab
        T5154.73 ± 12.05 b 17.23 ± 1.62 b9.73 ± 1.05 ab7.37 ± 1.81 c4.71 ± 0.77 ab12.12 ± 0.48 d7.89 ± 0.76 c120.96 ± 6.60 c78.33 ± 2.63 a
        2019T1133.67 ± 9.98 c 4.90 ± 0.47 b3.65 ± 0.57 a3.90 ± 1.50 b2.97 ± 1.34 a4.28 ± 0.55 c3.21 ± 0.43 b120.59 ± 10.15 c90.17 ± 0.78 ab
        T2201.40 ± 25.29 b 5.71 ± 0.61 a2.56 ± 0.25 ab5.66 ± 1.13 b2.61 ± 0.57 a7.30 ± 2.80 b3.21 ± 0.59 b183.63 ± 22.90 b91.61 ± 0.57 a
        T3253.17 ± 20.75 a 6.01 ± 0.51 a2.37 ± 0.19 b9.32 ± 2.67 a3.67 ± 1.00 a13.45 ± 1.11 a5.31 ± 0.20 a224.39 ± 18.27 a88.64 ± 0.97 b
        T4219.54 ± 17.81 ab 4.50 ± 0.58 b2.07 ± 0.37 b5.10 ± 0.07 b2.33 ± 0.16 a12.78 ± 1.73 a5.82 ± 0.64 a197.16 ± 17.20 ab89.78 ± 0.98 ab
        T5198.86 ± 29.01 b 5.03 ± 0.40 b2.56 ± 0.39 ab4.48 ± 1.69 b2.24 ± 0.71 a13.38 ± 3.84 a6.65 ± 1.26 a175.98 ± 24.62 b88.55 ± 0.73 b
        注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments for the same year (P < 0.05).

        相比T1处理,2018年T2和T4处理的叶片和叶鞘氮素积累量分别显著提高30.10%和39.40%,T3和T5处理与T1处理叶片和叶鞘氮素积累量差异不显著;2019年叶片和叶鞘氮素积累量以T3处理最高,但与T2处理差异不显著,相比T1处理显著增加22.65%,相比T4和T5处理叶片和叶鞘氮素积累量分别显著增加33.56%和19.48%。2018和2019年,随着有机肥氮替代化肥氮比例的提高,茎秆和穗轴氮素积累量以及籽粒氮素总积累量与小麦氮素总积累量变化趋势基本一致,都呈先增加后降低的趋势,其中籽粒氮素积累量在各器官氮素分配比例中占主要地位。相比T1处理,2018年T2、T3和T4处理茎秆 + 穗轴氮素积累量分别显著提高62.58%、70.65%和116.61%,T5处理茎秆 + 穗轴氮素积累量与T1处理差异不显著;2019年,T3处理下茎秆 + 穗轴氮素积累量最高,相比T1和T2处理分别显著提高138.97%和64.66%,相比T4和T5处理分别显著提高82.75%和105.36%,但氮素分配比例在各处理间差异不显著。相比T1处理,T2、T3、T4和T5处理两年的籽粒氮素积累量平均值分别增加46.31%、73.54%、56.31%和22.63%,连续两年T3处理相比T2处理籽粒的氮素积累量分别显著提高14.45%和22.20%。2018年T1和T2处理籽粒氮素分配比例差异不显著,T3、T4和T5处理籽粒氮素分配比例显著高于T2处理,分别显著提高10.67%、8.57%和12.28%。相比T1处理,2018年T2处理颖壳的氮素积累量显著提高25.97%,T3处理与T1处理颖壳的氮素积累量差异不显著,但T4和T5处理颖壳的氮素积累量和氮素分配比例都显著低于T1处理和T2处理;2019年在T3、T4和T5处理下籽粒氮素分配比例差异不显著,但T3和T5处理籽粒氮素分配比例相比T2处理显著降低3.24%和3.34%;而T3、T4和T5处理颖壳的氮素积累量和氮素分配比例都显著高于T1和T2处理。总体来看,两年数据表明相比不施氮处理和常规施氮肥处理,有机肥氮替代化肥氮比例为20%处理能显著增加小麦籽粒中氮素积累量。

      • 表3可知,2018和2019年两季小麦氮素利用相关5个指标在不同处理下变化趋势有所不同。氮素收获指数 (NHI) 为成熟期籽粒中氮素积累量与植株氮素积累量的比值,反映了氮素在籽粒中的分配比例。2019年各处理氮素收获指数整体高于2018年的氮素收获指数。2018年不同比例有机肥氮替代化肥氮的处理都显著高于单施化肥处理。相比T2处理,2018年在T3、T4和T5处理下植物氮素收获指数分别显著提高10.00%、8.57%和11.43%。2019年在T1和T2处理下植物氮素收获指数差异不显著,T3、T4和T5处理之间植物氮素收获指数也差异不显著,在T2处理下植物氮素收获指数比T3处理显著提高3.26%。

        表 3  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理的小麦氮素利用效率

        Table 3.  The related indicators of N use efficiency of wheat under different proportions of organic manure N replacing chemical fertilizer N

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        施氮量
        N rate
        (kg/hm2)
        氮收获指数
        NHI
        氮生理效率
        NPE
        (kg/kg)
        氮偏生产力
        NPFP
        (kg/kg)
        氮回收效率
        NRE
        (%)
        氮农学效率
        NAE
        (kg/kg)
        2018T1 0 0.71 ± 0.01 bc 46.76 ± 3.79 a
        T23000.70 ± 0.03 c36.89 ± 1.23 c30.03 ± 1.35 a24.22 ± 2.66 a3.43 ± 1.35 b
        T33000.77 ± 0.03 a37.86 ± 1.41 bc31.99 ± 2.47 a25.06 ± 2.55 a6.73 ± 1.40 a
        T43000.76 ± 0.02 ab42.15 ± 2.71 ab32.73 ± 3.02 a22.41 ± 1.97 a4.04 ± 0.78 b
        T53000.78 ± 0.03 a45.47 ± 3.36 a23.31 ± 2.84 b
        2019T1 00.90 ± 0.01 ab61.93 ± 4.55 a
        T23000.92 ± 0.01 a42.37 ± 2.70 b30.20 ± 0.86 b22.58 ± 1.88 c2.98 ± 0.86 b
        T33000.89 ± 0.01 bc40.24 ± 3.15 b33.81 ± 0.84 a39.83 ± 1.65 a6.59 ± 0.84 a
        T43000.90 ± 0.01 abc41.58 ± 3.47 b30.32 ± 0.73 b28.62 ± 1.85 b3.61 ± 0.13 b
        T53000.89 ± 0.01 bc45.11 ± 3.41 b30.41 ± 0.93 b21.73 ± 1.89 c3.20 ± 0.93 b
        注(Note):NHI—N harvest index; NPE—N physiological efficiency; NPFP—N partial factor productivity; NRE—N recovery efficiency; NAE—N agronomic efficiency; T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic manure N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic manure N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic manure N; 同列数据后不同字母表示同年不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among treatments (P < 0.05).

        由相比T1处理,2018年在T2和T3处理处理下氮素生理利用效率分别显著降低21.11%和19.03%,T4和T5处理下氮素生理利用效率与T1处理差异不显著。T5处理下氮素生理利用效率相比T2和T3处理分别显著提高18.87%和16.74%。2019年在T2、T3、T4和T5处理下氮素生理利用效率差异不显著,相比T1处理氮素生理利用效率分别降低31.58%、35.02%、32.86%和27.16%。

        2018年在T2、T3和T4处理下氮素偏生产力差异不显著,但相比T5处理,3个处理氮素偏生产力分别显著提高22.38%、27.13%和28.78%;2019年T3处理氮素偏生产力最高,相比T2、T4和T5处理分别显著提高10.68%、10.32%和10.06%,T2、T4和T5处理氮素偏生产力差异不显著。

        2018年T2、T3和T4处理氮素回收效率差异不显著。2019年在T2~T5处理下氮素回收效率随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加呈先增加后降低的趋势。T3处理氮素回收效率最高,相比T2、T4和T5处理氮素回收效率分别显著提高76.40%、39.17%和83.29%。T4处理氮素回收效率比T2处理显著提高26.75%。而T5和T2处理下氮素回收效率差异不显著。

        氮肥农学效率与氮素回收率变化趋势相似,有机肥氮替代化肥氮比例在20%时氮肥农学效率达到最大。2018年T3处理氮肥农学效率相比T2和T4处理分别显著提高96.21%和66.58%,T4和T2处理氮肥农学效率差异不显著;2019年T3处理氮肥农学效率值最高,相比T2、T4和T5处理氮肥农学效率分别显著提高121.14%、82.55%和105.94%。从连续两年数据来看T3处理能显著提高小麦氮素利用效率。

      • 土壤肥力的高低是影响农作物产量的重要因素之一。土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾、铵态氮和硝态氮含量均为衡量土壤肥力的指标。由表4可知,2018和2019年不同处理土壤pH变化不一致。2018年T3处理pH最低,另外几个处理差异不显著;2019年T1和T2处理pH差异不显著,T3~T5处理下pH值相比T2处理显著提高。2018年各处理间的有机质含量差异不显著;2019年不施氮肥 (T1) 处理和单施化肥氮 (T2) 处理的有机质含量低于3种施用有机肥氮的处理,其中,相比T1处理,T2、T3、T4和T5处理下有机质含量分别显著提高12.36%、17.75%、19.49%和22.90%;T4和T5处理下有机质含量相比T2处理分别显著提高6.35%和9.38%。连续种植两季小麦后在T2~T5处理下 (除T1外) 土壤全氮含量差异不显著。2018和2019年T1处理土壤速效磷含量最低,随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加, 速效磷含量呈先增加后降低的趋势。相比TI处理,2018年在T2、T3、T4和T5处理下速效磷含量分别显著增加32.61%、67.715%、38.57%和36.31%,T3处理下速效磷含量相比T2处理显著增加26.47%,T4和T5处理下速效磷含量与T2处理差异不显著;2019年速效磷含量最高值为T3处理,相比T1和T2处理速效磷含量分别显著增加108.37%和40.81%,相比T4和T5处理速效磷含量的平均值显著增加25.11%。2018年土壤速效钾含量在各处理间变幅较大,但2019年随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加速效钾含量呈先增加后降低的趋势,其中T3处理下速效钾含量最高。相比T2处理,T3处理速效钾含量显著提高17.13%,T4和T5处理速效钾含量与T2处理差异不显著。随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加,2018和2019年铵态氮和硝态氮含量都呈先增加后降低趋势。2018年T3和T4处理铵态氮和硝态氮含量显著高于其他处理,T5处理硝态氮含量相比T2处理显著降低28.24%。2019年在T3处理下铵态氮和硝态氮含量相比T1处理分别显著提高234.38%和56.77%,相比T2处理分别显著提高41.72%和27.57%,T5处理铵态氮和硝态氮含量相比T2处理差异不显著。综合来看,相比不施氮肥和常规施氮肥处理,连续两年施用有机肥氮替代20%化肥氮处理后能显著提高土壤中的速效磷、NH4+-N含量和NO3-N含量。

        表 4  不同比例有机肥氮替代化肥氮处理下麦田土壤养分含量

        Table 4.  Changes of soil nutrients in wheat fields under the different proportions of organic fertilizer N replacing chemical fertilizer N

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        pH 有机质
        SOM
        (%)
        全氮
        Total N
        (%)
        速效磷
        Available P
        (mg/kg)
        速效钾
        Available K
        (mg/kg)
        铵态氮
        NH4+-N
        (mg/kg)
        硝态氮
        NO3-N
        (mg/kg)
        2018T18.85 ± 0.04 a 13.29 ± 0.80 a 0.089 ± 0.006 a 12.42 ± 1.23 c 122.51 ± 14.17 a 1.54 ± 0.18 c 3.13 ± 0.15 c
        T28.76 ± 0.03 a 13.95 ± 0.82 a 0.076 ± 0.002 b 16.47 ± 1.32 b 99.91 ± 2.75 bc 2.11 ± 0.15 b 3.86 ± 0.26 b
        T38.61 ± 0.05 b 13.88 ± 1.40 a 0.077 ± 0.009 b 20.83 ± 2.96 a 106.90 ± 6.70 b 3.14 ± 0.49 a 5.18 ± 0.67 a
        T48.81 ± 0.07 a 14.43 ± 1.70 a 0.085 ± 0.006 ab 17.21 ± 0.80 ab 92.80 ± 1.99 c 3.75 ± 0.42 a 5.73 ± 0.61 a
        T58.83 ± 0.05 a 14.92 ± 1.25 a 0.077 ± 0.005 b 16.93 ± 0.11 b 104.70 ± 7.95 b 2.63 ± 0.23 b 2.77 ± 0.50 c
        2019T18.64 ± 0.15 bc 12.62 ± 0.48 d 0.079 ± 0.011 a 10.15 ± 0.30 d 131.01 ± 2.92 bc 0.64 ± 0.11 c 1.55 ± 0.16 c
        T28.51 ± 0.06 c 14.18 ± 0.62 c 0.087 ± 0.011 a 15.02 ± 2.45 c 130.59 ± 6.36 bc 1.51 ± 0.11 b 1.76 ± 0.28 bc
        T38.78 ± 0.05 ab 14.86 ± 0.55 abc 0.077 ± 0.008 a 21.15 ± 1.72 a 152.96 ± 3.24 a 2.14 ± 0.32 a 2.43 ± 0.20 a
        T48.85 ± 0.04 a 15.08 ± 0.22 ab 0.075 ± 0.009 a 17.51 ± 0.60 b 141.52 ± 11.99 b 1.88 ± 0.15 ab 2.03 ± 0.11 ab
        T58.69 ± 0.11 ab 15.51 ± 0.25 a 0.074 ± 0.003 a 16.30 ± 1.39 b 124.71 ± 11.47 c 1.56 ± 0.28 b 1.68 ± 0.17 bc
        注(Note):T1—不施氮肥处理 No N fertilizer treatment; T2—常规施氮肥处理 Conventional N fertilizer treatment; T3—有机肥氮替代 20% 化肥氮 Containing 20% organic fertilizer N; T4—有机肥氮替代 30% 化肥氮 Containing 30% organic fertilizer N; T5—有机肥氮替代 40% 化肥氮 Containing 40% organic fertilizer N; 同列数据后不同字母表示不同处理间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column indicate significant difference among the treatments (P < 0.05).
      • 通过对2018—2019年两年中产量构成三要素 (千粒重、穗数和穗粒数)、小麦不同部位 (叶片 + 叶鞘、茎秆 + 穗轴、颖壳和籽粒) 的氮素积累量、植株总氮积累量、土壤pH、有机质含量、全氮含量、有效磷含量、速效钾含量、铵态氮含量和硝态氮含量与对应的小麦产量进行相关性分析,结果 (图1) 表明,小麦产量与产量构成三要素中的穗数呈显著正相关 (0.73),与植株总氮积累量和籽粒氮素积累量呈极显著正相关 (0.87和0.86),与土壤养分指标值中的速效磷含量呈正相关,但未达到显著相关,说明小麦产量与小麦成穗数和植株氮素积累量 (尤其是籽粒氮素积累量) 关系密切。小麦的千粒重与叶片氮素积累量呈极显著负相关 (–0.94),与茎秆氮素积累量和颖壳氮素积累量分别呈极显著 (–0.77) 和显著 (–0.71) 负相关,与土壤速效钾含量呈极显著正相关 (0.87),而与铵态氮含量呈显著负相关 (–0.74)。小麦的穗数与植株总氮积累量、茎秆氮素积累量和叶片氮素积累量分别呈极显著 (0.83)、极显著 (0.84) 和显著 (0.64) 正相关,与铵态氮含量、硝态氮含量及速效磷含量分别呈极显著 (0.82)、极显著 (0.86) 和显著 (0.66) 正相关。小麦的穗粒数和土壤pH及其他指标之间均未达到显著相关水平。

        图  1  2018和2019年两季小麦产量及其构成要素、不同部位氮素积累量及耕层土壤养分含量的相关分析

        Figure 1.  Correlation analysis of wheat yield and yield components, N accumulation in different parts and soil nutrient content in plough layer in 2018 and 2019

      • 从连续两年冬小麦产量来看,与常规施氮肥处理 (T2) 相比,施用有机肥料替代20%化肥氮能显著增加小麦的产量,而当有机肥料替代40%化肥氮时会出现减产的现象。Lü等[5]研究表明,在有机肥替代75%化肥氮下可以提高小麦产量,当全部氮由有机肥提供时会出现减产,这说明在用有机肥替代化肥氮时,需要注意有机肥与化肥的配施比例,即当有机肥比例过高时,会对作物生产不利,造成减产[16]。张晶等[17]的研究表明,有机肥与适量化肥配施可以增加成穗数,并可以改善光合特性,延长灌浆持续期,增加千粒重实现增产,这与本研究结果较一致。主要原因是有机肥替代化肥使小麦生殖生长期提前,可显著提高小麦成穗数,千粒重也随施肥量的增加而稳步提高,但提高幅度有限。由于受到穗密度的影响,穗粒数的变化规律不太明显[18],有机肥替代化肥处理下单株穗数、穗粒数和有效穗相比常规施肥显著增加,同时也显著提高了有效分蘖数。因此,在一定产量水平下,提高单位面积穗数是提高小麦产量的关键[19]。同时产量与产量构成三因素 (千粒重、成穗数和穗粒数) 相关性分析也表明穗数是百农207产量增加的重要因子。此外,在等氮条件下,有机肥料替代40%化肥氮导致有机营养释放缓慢,土壤中铵态氮和硝态氮含量较低 (表4),而小麦在生育中、后期对氮素需求增加,不能满足生长需求从而使产量显著下降,这与前人的研究结果[20]一致。因此,连续两季的施肥试验证明豫北优质麦区施用有机肥替代部分化肥的措施是可行的,当有机肥氮替代化肥氮比例为20%时,小麦能维持较高的成穗数,保证小麦的稳产高产。

      • 小麦在不同生育期的氮吸收和积累量是不同的,各个器官氮素的吸收和积累量随着生长中心的转移而变化,尤其是在成熟期营养器官的氮素积累量呈下降趋势,而籽粒成为氮素积累的中心[21]。蔡瑞国等[22]研究发现小麦最大的氮素“源”器官是叶,籽粒中的氮分配和积累量在成熟期最大,茎鞘中最低。有研究表明,小麦成熟期氮素在籽粒中的分配率最高在80%以上,而籽粒中积累的氮素有68.0%~73.3%来自于营养器官中氮素的再分配[23]。适量施氮能提高小麦各生育阶段的吸氮强度和籽粒中的氮素分配率,有机肥与化肥配施能提高冬小麦植株氮素积累量[24],并能显著提高籽粒氮素含量[25-26]。本研究发现,成熟期冬小麦籽粒中氮素积累量和分配比例显著高于其他器官氮素积累量和分配比例,这与前人研究结果一致。在等氮施肥条件下,2019年有机肥氮替代化肥氮比例在20%时,植株总氮积累量和籽粒中的氮素积累量显著高于习惯施肥。吴成龙等[27]运用15N标记技术也证明有机无机肥配施比单施有机肥或无机肥都能增加冬小麦营养器官和生殖器官籽粒的氮素累积量。小麦优质高产与优化作物干物质的积累与分配规律是密不可分的[28-30]。有机肥与化肥配施可优化水肥条件,有利于作物全生育期的干物质积累量增加,并促进茎叶干物质由茎秆向籽粒转运[26]。而2019年随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加,植株总氮积累量和籽粒中的氮素积累量逐渐降低,这与小麦穗数呈正相关相一致。此外,在较高有机肥替代化肥比例下,有机肥含量较高,但有机质矿化缓慢,养分难以释放[31],会导致有机肥所矿化的氮素低于植物对有效态氮的吸收,引起有效态氮吸收不足,最终转运到籽粒中的氮素累积量较低[32]

      • 氮肥利用率低是我国作物生产的突出问题,可以通过氮肥回收利用率、农学效率、氮肥偏生产力以及生理效率等多个指标来衡量氮素效率[33]。Dobermann[34]认为粮食作物氮肥回收利用率为30%~50%,氮肥农学效率为10~30 kg/kg,氮肥偏生产力为40~70 kg/kg,氮肥生理效率为30~60 kg/kg较为适宜。本研究中只有氮肥偏生产力在适宜范围之内,其他指标都偏低,说明该区域现有施肥体系下,氮磷钾施肥存在不均衡或者施肥量过高,需要进一步优化施肥结构。有研究表明在一定施氮量时,减施化肥氮增施有机肥可显著提高小麦的肥料利用效率,但施用的有机肥替代化肥氮的比例并非越高越好,而是存在最佳比例[35-36]。李丰丰等[37]的研究表明,在有机肥替代20%化学氮肥时,小麦的氮肥农学利用效率最高。杨晓梅等[38]研究表明,35%有机氮和50%有机氮处理相比单施无机氮处理分别显著提高小麦氮肥利用率47.9%和53.0%。本研究发现2019年随着有机肥氮替代化肥氮比例的增加,氮肥效率呈现先增加后降低的趋势,在有机肥氮替代化肥氮比例为20%时,小麦的氮肥利用效率最高。这一结果与Lü等[5]的研究结果基本一致。施用有机肥能改善土壤的物理、化学以及生物学性质,促进根系生长,有利于作物对氮素的吸收和利用[39-40],进而提高作物产量,最终提高氮效率。

      • 土壤是一个复杂的生态系统,土壤理化性质是反映土壤肥力的重要指标[41]。大量研究表明施用有机肥可以显著提高土壤肥力[42-43]。本研究发现连续两年施用不同比例有机肥氮替代化肥氮后,土壤中有机质、有效磷、速效钾、铵态氮和硝态氮含量都有不同程度地提高。Lü等[5]研究发现有机肥处理相比单施化肥土壤全氮含量增加9%~22%,且土壤全氮含量随着有机氮替代比例的增加而增大,此外,Yang等[44]通过陕西杨凌20年的长期定位试验研究表明,施用有机肥比施用化肥土壤全氮的含量显著提高46%~55%,而且随有机氮投入比例增加而增加。本研究发现连续两年施用有机肥处理相比习惯施肥处理土壤全氮含量差异不显著,这与前述结论不一致,可能是由于试验年限较短,还需要进行长期定位试验。本研究发现T3和T4处理下土壤中铵态氮和硝态氮含量高于常规施氮肥处理,T5处理下土壤中铵态氮和硝态氮含量约等于或低于常规施氮肥处理。这一结果与前人报道结果[45-46]基本一致。一方面,有机肥施入土壤,可通过增加土壤微生物和土壤酶的数量和活性,促进氮肥水解和硝化,改变土壤氮素矿化和生物固持的方向和强度[47];此外,有机肥本身所含的各种有机物质也可以吸附土壤中NH4+,抑制NH4+的硝化[48]。祝英等[49]发现,在玉米上采用有机肥替代30%化肥有利于土壤养分转化和土壤氮素的补充。本研究也发现土壤含量中NH4+-N和NO3-N含量与产量呈正相关关系,说明化肥氮配施一定有机肥有利于土壤有效态氮的增加,促进小麦根系对氮素的吸收,有利于植株总氮的积累量。

      • 在豫北优质小麦种植区土壤和气候条件下,在保证总氮量不增加的前提下,以有机肥氮替代20%的化肥氮能保证冬小麦稳产高产,若有机肥氮占的比例超过20%会影响小麦的氮素营养,导致生殖生长提前,降低小麦植株对氮的积累和最终产量。连续两年施用有机肥氮替代20%化肥氮明显提高了土壤中的有效磷、NH4+-N和NO3-N含量,显著增加籽粒中氮素积累量,从而提高小麦氮素利用效率。

    参考文献 (49)

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