張昊青,于昕陽(yáng),翟丙年*,金忠宇,馬 臣,王朝輝

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

渭北旱地麥田配施有機(jī)肥減量施氮的作用效果

張昊青1,2,于昕陽(yáng)1,2,翟丙年1,2*,金忠宇1,2,馬 臣1,2,王朝輝1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營(yíng)養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

為了探討陜西渭北旱地冬小麥有機(jī)無(wú)機(jī)配施的減氮效應(yīng)及機(jī)理，于2011年10月至2014年6月在陜西省渭南市白水縣進(jìn)行了連續(xù)三年的田間小區(qū)定位試驗(yàn)，探究不同氮肥用量(0、75、150、225、300 kg N·hm-2)與有機(jī)肥(豬糞30 t·hm-2)配施對(duì)冬小麥產(chǎn)量、氮肥利用率(NUE)、土壤硝態(tài)氮?dú)埩艏巴寥鲤B(yǎng)分的影響，明確當(dāng)?shù)刈钸m宜的有機(jī)無(wú)機(jī)配施比例。結(jié)果表明：有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的產(chǎn)量、地上部吸氮量和NUE較單施化肥處理分別提高6.9%、29.3%和34.3%，且以有機(jī)肥與150 kg N·hm-2氮肥配施處理效果最佳；有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著改善0～20 cm土壤養(yǎng)分狀況，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量分別較單施化肥處理提高6.1%、8.2%、90.4%和94.8%，但當(dāng)施氮量大于150 kg N·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥顯著增加0～200 cm硝態(tài)氮?dú)埩袅?43.7～188.8 kg·hm-2)，加大硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)；有機(jī)肥分別與75、150 kg N·hm-2氮肥配施相比單獨(dú)施用150、225 kg N·hm-2氮肥處理在產(chǎn)量上無(wú)顯著差異，卻顯著提高了NUE(27.4%和45.3%)，并降低60 cm土層以下硝態(tài)氮含量。綜合上述研究結(jié)果，在渭北旱地冬小麥生產(chǎn)中，在有機(jī)肥(豬糞)30 t· hm-2的基礎(chǔ)上配施75～150 kg N·hm-2的氮肥(有機(jī)氮∶無(wú)機(jī)氮=1∶0.46～0.91)，可以保證小麥高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)，并降低氮素淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

旱地；冬小麥；有機(jī)肥；產(chǎn)量；氮肥利用率；硝態(tài)氮?dú)埩?；土壤有機(jī)質(zhì)

渭北旱塬是我國(guó)糧食主產(chǎn)區(qū)之一，也是以小麥生產(chǎn)為主的古老旱作區(qū)[1]。長(zhǎng)期以來(lái)，該地區(qū)冬小麥平均產(chǎn)量偏低，僅為3473 kg·hm-2，相比全國(guó)平均產(chǎn)量低26.3%，且年際間產(chǎn)量變化較大，整體呈現(xiàn)低而不穩(wěn)的態(tài)勢(shì)[2]。為追求高產(chǎn)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民形成了“高產(chǎn)就要多施肥”的施肥習(xí)慣，小麥生產(chǎn)中過(guò)量施肥(尤其是氮肥)的現(xiàn)象十分普遍。調(diào)查結(jié)果顯示，渭北旱塬有超過(guò)60%的小麥種植戶存在過(guò)量施氮的現(xiàn)象[3]，不僅造成極大的資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致氮肥利用率降低[4]、土壤及作物質(zhì)量下降，同時(shí)造成硝酸鹽累積，溫室氣體排放，以及地表水、地下水污染[5-6]等一系列環(huán)境問(wèn)題。

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)到2020年化肥用量零增長(zhǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)，有機(jī)替代技術(shù)已成為減少化肥用量的重要措施之一。許多研究表明，有機(jī)肥的投入可促進(jìn)微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮的固定，在減少氮肥用量的情況下，能提高氮素利用效率，同時(shí)增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，并進(jìn)一步改善土壤性質(zhì)，從而促進(jìn)作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[7-9]。Bhattacharyya等[10]在印度研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理較單施化肥處理小麥增產(chǎn)27%，土壤有機(jī)碳、全氮、速效磷含量分別提高10%、42%和71%；Liu等[11]在我國(guó)甘肅的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無(wú)機(jī)配施較單施化肥處理顯著提高土壤pH、微生物活性以及脲酶、堿性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶等酶活性；Abbasi等[12]在巴基斯坦的研究發(fā)現(xiàn)，以25%的禽畜糞肥代替化肥可以在不減產(chǎn)的情況下，顯著提高小麥各器官吸氮量，將氮肥利用率提高近25%。渭北旱塬生態(tài)環(huán)境特殊，旱和薄緊密相連，在此特殊的環(huán)境下探明有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)培肥改土、增產(chǎn)增效的作用，對(duì)當(dāng)?shù)販p量施用化肥、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

雖然有關(guān)有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)冬小麥產(chǎn)量、水肥利用效率及土壤養(yǎng)分的研究已有很多[13-15]，但是，由于有機(jī)肥當(dāng)季提供的養(yǎng)分量，特別是氮素，難以準(zhǔn)確計(jì)算，過(guò)去大部分研究只是簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)有機(jī)肥和化肥不同用量組合，通過(guò)田間試驗(yàn)直接篩選二者配比，有些盡管設(shè)計(jì)等氮量，但由于很難精準(zhǔn)估算有機(jī)肥當(dāng)季提供的氮素養(yǎng)分量，很可能過(guò)高或過(guò)低估算了有機(jī)肥料提供的氮量，而致使化學(xué)氮肥用量不足或過(guò)量。巨曉棠等[16]研究表明，向農(nóng)田中投入的氮素越多，土壤中氮素殘留量和氮損失量也越多，從而加劇環(huán)境污染。通過(guò)切實(shí)有效的途徑，找出有機(jī)肥替代化肥氮的替代比例，才是實(shí)現(xiàn)減氮增效、環(huán)境友好的真正目標(biāo)。因此，本研究以渭北當(dāng)?shù)囟←溒贩N晉麥-47為研究對(duì)象，在前人和本研究團(tuán)隊(duì)多年工作的基礎(chǔ)上，在確定較為合理的有機(jī)肥用量的前提下，設(shè)置系列氮肥的用量，形成多個(gè)有機(jī)無(wú)機(jī)配施比例，通過(guò)三年的連續(xù)定位試驗(yàn)，旨在探明：(1)有機(jī)肥與不同用量的氮肥配施對(duì)冬小麥產(chǎn)量、氮素吸收、土壤養(yǎng)分以及土壤硝態(tài)氮累積的影響；(2)有機(jī)肥替代部分氮肥的可行性；(3)在不加劇土壤硝態(tài)氮?dú)埩艉土苁эL(fēng)險(xiǎn)的條件下，通過(guò)數(shù)學(xué)擬合的方法找出可同時(shí)實(shí)現(xiàn)小麥高產(chǎn)高效和土壤培肥的最佳有機(jī)無(wú)機(jī)配比，為該地區(qū)冬小麥生產(chǎn)及土壤培肥提供科學(xué)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)化肥零增長(zhǎng)戰(zhàn)略目標(biāo)進(jìn)行有益探索。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2011—2014年在陜西省渭南市白水縣(109°58′E，35°18′N(xiāo))進(jìn)行。該地區(qū)位于渭北旱塬，海拔696 m，年平均氣溫11.4℃，屬于暖溫帶半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，多年平均降水量577.8 mm，絕大多數(shù)麥田無(wú)灌溉措施，為雨養(yǎng)農(nóng)田。供試土壤為黃綿土，黃土母質(zhì)，容重為1.3 g·kg-1。土壤肥力中等，試驗(yàn)前表層0～ 20 cm土壤pH 8.1、有機(jī)質(zhì)含量為14.4 g·kg-1、全氮為0.8 g·kg-1、速效磷為9.2 mg·kg-1、速效鉀為177.2 mg· kg-1。該試驗(yàn)開(kāi)始于2011年10月，經(jīng)過(guò)3年的連續(xù)試驗(yàn)，有機(jī)肥的增產(chǎn)增效作用逐漸顯著，故本文涉及的內(nèi)容為2014年6月冬小麥?zhǔn)斋@后的試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)?zāi)甓热杲涤炅繛?41 mm，其中小麥生育期243 mm，夏閑期298 mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為施有機(jī)肥(+M)和不施有機(jī)肥(-M)，副處理為5個(gè)施氮水平，分別為0、75、150、225、300kgN·hm-2(N0、N75、N150、N225、N300)，共10個(gè)處理。其中施有機(jī)肥的各處理是將有機(jī)肥與不同用量的氮肥混合撒施(有機(jī)肥為豬糞，用量和養(yǎng)分含量見(jiàn)表1，折合純氮164 kg N·hm-2，當(dāng)季礦化43 kg N·hm-2)，不施有機(jī)肥的各處理按照試驗(yàn)用量單獨(dú)施用化肥。因此，配施有機(jī)肥各處理總施氮量(按照有機(jī)肥礦化氮量計(jì)算)分別為43、118、193、268、343 kg N·hm-2，不施有機(jī)肥各處理施氮量為0、75、150、225、300 kg N·hm-2。同時(shí)，每個(gè)處理均增施磷肥(P2O5)和鉀肥(K2O)作為肥底，用量分別為90 kg P2O5·hm-2和60 kg K2O·hm-2。氮肥為尿素，磷肥為過(guò)磷酸鈣，鉀肥為硫酸鉀。所有肥料施用完畢后，用旋耕機(jī)旋耕20 cm，將肥料翻入土中，再進(jìn)行小麥播種。各處理的氮肥均分兩次施用，70%在播前撒施，其余30%在拔節(jié)期結(jié)合降雨追施。

各試驗(yàn)小區(qū)6 m×10 m，重復(fù)4次，在田間隨機(jī)排列。小麥品種為晉麥47，采用機(jī)械播種，播種量為150 kg·hm-2，常規(guī)平作，不起壟，行寬20 cm。小麥生育期無(wú)灌溉，收獲后夏休閑，田間管理與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 土壤樣品

在試驗(yàn)開(kāi)始前(2011年9月)于整個(gè)試驗(yàn)地S型選取10個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm土壤樣品用于土壤基礎(chǔ)肥力分析。在進(jìn)行3季試驗(yàn)后(2014年6月上旬小麥?zhǔn)斋@后)，于每小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)點(diǎn)，采集0～20 cm層土壤樣品，同一小區(qū)的樣品混合，密封帶回實(shí)驗(yàn)室。自然風(fēng)干后分別過(guò)1 mm和0.25 mm篩，以進(jìn)行土壤養(yǎng)分分析。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用油浴加熱-重鉻酸鉀容量法測(cè)定；全氮含量采用濃硫酸消煮-半微量開(kāi)氏法測(cè)定；速效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀含量采用1 mol·L-1乙酸銨溶液浸提-火焰光度法測(cè)定。

同時(shí)，在2014年小麥?zhǔn)斋@后采集0～200 cm的土壤樣品供土壤水分和硝態(tài)氮含量測(cè)定。每小區(qū)用直徑為4 cm的土鉆隨機(jī)采集3個(gè)點(diǎn)，每20 cm為一層，同一層的樣品剔除作物要系后混勻，密封帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤含水率采用烘干法(105℃下烘24 h)測(cè)定。土壤硝態(tài)氮采用1 mol·L-1KCl溶液浸提(土水比為1∶10；振蕩1 h)，連續(xù)流動(dòng)分析儀(AA3)測(cè)定。

1.3.2 植物樣品

在2014年冬小麥?zhǔn)斋@期采集植物樣品。在各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)1 m×2 m代表性樣方，貼地表收割地上部分。同一小區(qū)的所有樣方樣品混合，晾曬，風(fēng)干后稱(chēng)量地上部生物量并脫粒計(jì)產(chǎn)。同時(shí)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)1 m長(zhǎng)的樣段，將每個(gè)樣段的小麥植株連要拔起，當(dāng)場(chǎng)剪掉要系。同一小區(qū)各個(gè)樣段混合，作為該小區(qū)的一個(gè)植物分析樣品。將每個(gè)小區(qū)的地上部分植物樣品分為莖葉和穗兩部分，風(fēng)干脫粒，并保留穎殼。各器官烘干粉碎后，用H2SO4-H2O2消解，半微量凱氏定氮法測(cè)定其中的全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

籽粒吸氮量(kg·hm-2)=籽粒含氮量(g·kg-1)×籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)/1000

秸稈吸氮量(kg·hm-2)=莖葉含氮量(g·kg-1)×莖葉干質(zhì)量(kg·hm-2)/1000

植株地上部吸氮量(kg·hm-2)=植株地上部含氮量(g·kg-1)×地上部生物量(kg·hm-2)/1000

氮素利用效率(%)=[施氮區(qū)地上部吸氮量(kg· hm-2)-對(duì)照區(qū)地上部吸氮量(kg·hm-2)]/施氮量(kg· hm-2)×100

土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?kg·hm-2)=∑土層厚度(cm)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝態(tài)氮含量(mg·kg-1)/10

數(shù)據(jù)和圖表處理采用Excel 2013及SPSS(19.0)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用裂區(qū)設(shè)計(jì)的方差分析檢驗(yàn)有機(jī)肥和氮水平的效應(yīng)，采用單因素方差分析檢驗(yàn)所有10個(gè)處理間的差異顯著性。多重比較采用Duncan法，差異顯著性水平為5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。連續(xù)3年有機(jī)無(wú)機(jī)配施可顯著增加冬小麥產(chǎn)量，相比不施肥處理平均增產(chǎn)18.9%，相比單施化肥處理平均增產(chǎn)6.9%。分析產(chǎn)量構(gòu)成要素可知，有效穗數(shù)的增加是增產(chǎn)的直接原因。配施有機(jī)肥相比不施肥處理有效穗數(shù)增加22.3%，相比單施化肥處理增加12.1%，而對(duì)千粒質(zhì)量和穗粒數(shù)的影響不顯著。

表1 試驗(yàn)有機(jī)肥的水分和養(yǎng)分含量Table 1 Water and nutrient contents of manure

表2 不同施肥處理對(duì)冬小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Table 2 Effect of different fertilization practices on yield and yield components of winter wheat

無(wú)論是否配施有機(jī)肥，產(chǎn)量和有效穗數(shù)均隨著施氮量的增加呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。在單施化肥的各處理中，N225可達(dá)到產(chǎn)量和穗數(shù)的最大值，在配施有機(jī)肥的各處理中，有機(jī)肥與150 kg N·hm-2氮肥配施(M+N150)時(shí)達(dá)到最大值，與不施肥處理相比，產(chǎn)量、有效穗數(shù)分別增加24.3%和33.0%；與相同施氮量下單施化肥處理(N150)相比，分別增加5.7%和17.5%；與單施225 kg N·hm-2氮肥(N225)相比，分別增加4.4%和10.5%。

另外，M+N75、M+N150處理與單獨(dú)施用150、225 kg N·hm-2化肥處理相比小麥產(chǎn)量差異不顯著，且有增加的趨勢(shì)。說(shuō)明在配施有機(jī)肥的條件下適當(dāng)減少氮肥用量不會(huì)造成小麥減產(chǎn)。

小麥產(chǎn)量隨施氮量的變化情況見(jiàn)圖1。將小麥產(chǎn)量與施氮量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，二者之間呈顯著的拋物線關(guān)系(圖1)。其回歸方程(有機(jī)無(wú)機(jī)配施：y=-0.018 2x2+5.997 3x+4 236.8，R2=0.971 1；單施化肥：y=-0.024 2x2+8.439 2x+3 783.4，R2=0.974 4)表明，在單施化肥的情況下，當(dāng)施氮量為174 kg·hm-2時(shí)，達(dá)到理論產(chǎn)量最高值4519 kg·hm-2；在有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施的情況下，當(dāng)施氮量為164 kg·hm-2時(shí)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理產(chǎn)量達(dá)到4731 kg·hm-2。說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施相比單施化肥處理可以在減少5.7%氮肥用量的條件下，獲得4.7%的增產(chǎn)效果。

2.2 不同施肥處理對(duì)冬小麥地上部吸氮量和氮肥利用效率(NUE)的影響

由表3可知，單獨(dú)施用有機(jī)肥和不施肥處理對(duì)冬小麥各器官氮素吸收量均無(wú)顯著促進(jìn)作用。隨著配施氮肥用量的增加，冬小麥秸稈、籽粒和地上部總吸氮量呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在M+ N150處理：與不施肥處理相比，冬小麥秸稈、籽粒和地上部吸氮量分別增加110.1%、50.9%、57.4%；與相同氮肥用量下單施化肥處理相比，分別增加39.7%、16.1%、19.0%?？傮w來(lái)看，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施較單施化肥處理冬小麥籽粒吸氮量提高9.9%，地上部總吸氮量提高29.3%。

同時(shí)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施較單施化肥處理顯著提高冬小麥NUE(34.3%)。當(dāng)有機(jī)肥與150 kg N·hm-2氮肥配施時(shí)NUE最大，較相同施氮量下單施化肥處理提高65.8%。另外，M+N75、M+N150處理的NUE較單獨(dú)施用150、225 kg N·hm-2化肥處理相比分別提升27.4%和45.3%，說(shuō)明在配施有機(jī)肥的情況下減量施用氮肥可顯著提高NUE。但是，當(dāng)施氮量大于150 kgN·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥會(huì)造成NUE的顯著降低。

圖1 氮肥用量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響Figure 1 Effect of different N application rates on winter wheat yield

表3 不同施肥處理對(duì)冬小麥植株吸氮量和氮肥利用效率的影響Table 3 Effect of different fertilization practices on N uptake and N use efficiency(NUE)of winter wheat

2.3 不同施肥處理對(duì)收獲后土壤殘留硝態(tài)氮累積及剖面分布的影響

經(jīng)過(guò)3年的連續(xù)種植，2014年冬小麥?zhǔn)斋@后，土壤殘留硝態(tài)氮在0～200 cm土層中大量累積，且與氮肥用量呈極顯著的拋物線關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)圖2。

由圖2可知，有機(jī)無(wú)機(jī)配施與單施化肥處理0～ 200 cm土層硝態(tài)氮累積量的差異在施氮量超過(guò)150 kg N·hm-2時(shí)達(dá)到顯著水平，且隨著施氮量的增加，差異更加顯著。當(dāng)?shù)视昧繛?50 kg N·hm-2和225 kg N·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥處理0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量比單施化肥處理分別多43.7 kg·hm-2和111.3 kg·hm-2，而當(dāng)?shù)视昧繛?00 kg N·hm-2時(shí)，這一數(shù)值提升到188.8 kg·hm-2。

2014年冬小麥?zhǔn)斋@后0～200 cm土層土壤殘留硝態(tài)氮的剖面分布狀況見(jiàn)圖3。

圖2 氮肥用量對(duì)小麥?zhǔn)斋@后0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積的影響Figure 2 Effects of different N application rates on NO3-N accumulation in 0～200 cm soil layer

由圖3可知，經(jīng)過(guò)3年連續(xù)種植，不施肥處理中土壤硝態(tài)氮的累積量很少，0～200 cm土層的累積量?jī)H為79.6 kg·hm-2，且在整個(gè)0～200 cm土層剖面無(wú)明顯累積峰。當(dāng)施氮量≤75 kg N·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥僅顯著增加0～60 cm土層硝態(tài)氮含量，60 cm以下土層與化肥單施處理差異不顯著，且無(wú)硝態(tài)氮累積峰出現(xiàn)。同樣，當(dāng)施氮量為150 kg N·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥僅在0～100 cm土層增加土壤硝態(tài)氮含量，100 cm以下土層無(wú)累積峰。但是，隨著施氮量的增加，配施有機(jī)肥所造成的淋溶風(fēng)險(xiǎn)也越大。當(dāng)?shù)视昧看笥?50 kg N·hm-2時(shí)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理和單施化肥處理土壤硝態(tài)氮均出現(xiàn)向2 m以下更深層的土壤淋失的趨勢(shì)；當(dāng)?shù)视昧繛?25 kg N·hm-2時(shí)，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理不僅顯著增加0～100 cm土層硝態(tài)氮含量，在180 cm以下土層，土壤硝態(tài)氮含量也顯著高于單施化肥處理；當(dāng)?shù)视昧繛?00 kg N·hm-2時(shí)，有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理的硝態(tài)氮含量幾乎在整個(gè)0～200 cm土層剖面均顯著高于單施化肥，200 cm土層硝態(tài)氮濃度超過(guò)29.0 mg·kg-1，極易發(fā)生淋失，污染地下水。

但是，將M+N75、M+N150處理的小麥?zhǔn)斋@后土壤殘留硝態(tài)氮剖面分布分別與單獨(dú)施用150、225 kg N·hm-2化肥處理相比，可以發(fā)現(xiàn)，M+N75、M+N150處理硝態(tài)氮含量在0～60 cm土層與N150和N225處理變化相似，但顯著降低了60 cm以下土壤硝態(tài)氮含量，減少了硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)(圖4)。

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

圖3 冬小麥?zhǔn)斋@后0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮分布圖Figure 3 Soil NO3-N distribution in 0～200 cm layers after winter wheat harvest

圖4 氮肥減量與有機(jī)肥配施對(duì)0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮剖面分布的影響Figure 4 Effect of reduced N application rate on NO3-N content in 0～200 cm soil profiles

經(jīng)過(guò)3年的連續(xù)試驗(yàn)，總體來(lái)看，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀含量(表4)，與不施肥處理相比分別增加13.8%、28.8%、71.6%、53.8%，與單施化肥處理相比分別增加6.1%、8.2%、90.4%、94.8%。單獨(dú)施用有機(jī)肥土壤的有機(jī)質(zhì)和全氮含量較試驗(yàn)前均有所提高，分別增加0.2、0.05 g·kg-1，平均每年增加0.07、0.02 g·kg-1；較不施肥處理分別增加5.8%和18.1%。隨著施氮量的增加，土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均呈現(xiàn)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在M+N150處理，較試驗(yàn)前分別增加1.9、0.15 g·kg-1，平均每年增加0.63、0.05 g·kg-1；較不施肥處理分別增加18.1%和31.9%；較單獨(dú)施用150 kg N·hm-2氮肥處理分別增加7.9%和8.0%。有機(jī)肥與各施用水平的氮肥配施都顯著提高了土壤速效磷、速效鉀含量，總體上較單施化肥處理增加近1倍。然而，無(wú)論是否配施有機(jī)肥，土壤速效磷、速效鉀的最高值均出現(xiàn)在不施氮處理，隨著施氮量的增加，土壤速效磷、速效鉀含量均呈現(xiàn)逐漸降低、之后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。

3 討論

3.1 冬小麥產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成要素

有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下，當(dāng)季施入的化肥可保證作物生產(chǎn)的需求，而有機(jī)物料的投入也有助于保持土壤肥力的穩(wěn)步提高[17]。許多研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施可顯著增加小麥產(chǎn)量[18-20]。在本研究中，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施處理較單施化肥處理平均增產(chǎn)6.8%，且在施氮150 kg N·hm-2時(shí)達(dá)到顯著水平，與前人的報(bào)道一致[21]。也有研究表明，在施用一定量氮肥(150 kg N·hm-2)的基礎(chǔ)上配施有機(jī)肥，未達(dá)到顯著的增產(chǎn)效果[22]。這可能與土壤質(zhì)地、肥力及生態(tài)條件等多方面因素有關(guān)。本試驗(yàn)點(diǎn)位于渭北旱塬，有機(jī)質(zhì)含量低，微生物活動(dòng)強(qiáng)，施入的氮肥很容易通過(guò)硝化-反硝化過(guò)程損失[16]。有機(jī)肥可以保證作物在生育后期“不脫肥”，從而顯著提高產(chǎn)量。

表4 不同施肥處理對(duì)0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷和速效鉀的影響Table 4 Effect of different fertilization practices on soil organic matter，total N，available P and available K in 0～20 cm soil layer

分析產(chǎn)量構(gòu)成要素發(fā)現(xiàn)，不同施氮水平下配施有機(jī)肥對(duì)小麥穗粒數(shù)和千粒重均無(wú)顯著影響，而公頃穗數(shù)較單施化肥處理平均增加12.1%，說(shuō)明公頃穗數(shù)的增加是有機(jī)肥增產(chǎn)的直接原因。這可能是因?yàn)橛袡C(jī)無(wú)機(jī)配施能顯著提升小麥分蘗數(shù)，增加成穗率，進(jìn)而提高公頃穗數(shù)[23]。隨著施氮量的增加，有機(jī)無(wú)機(jī)配施條件下的公頃穗數(shù)與小麥產(chǎn)量的變化趨勢(shì)一致，均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)?？赡苁怯捎谟袡C(jī)肥的C/N一般高于土壤中微生物活動(dòng)適宜的比例范圍[24]，施用有機(jī)肥后，土壤C/N升高，若氮素不足，造成微生物與作物爭(zhēng)奪養(yǎng)分，影響分蘗過(guò)程，補(bǔ)充適宜氮肥后，不僅滿足了微生物活動(dòng)所需養(yǎng)分，也有充足養(yǎng)分保障小麥整個(gè)生育期的正常生長(zhǎng)，從而增加小麥穗數(shù)和產(chǎn)量。直到施氮量過(guò)高，土壤溶液中過(guò)高的氮含量會(huì)降低小麥要系活力，限制養(yǎng)分吸收，導(dǎo)致公頃穗數(shù)下降，進(jìn)而減產(chǎn)。

因此，在有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施條件下，氮肥的施用不僅要適量，而且要同時(shí)滿足微生物活動(dòng)和作物生長(zhǎng)的需要。那么，究竟配施多少氮肥才能獲得最高的小麥產(chǎn)量呢?沈新磊等[25]研究指出，在黃土高原旱塬地區(qū)，施氮225 kg N·hm-2更有利于冬小麥的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)。本研究通過(guò)將小麥產(chǎn)量與施氮量進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，在本試驗(yàn)條件下，有機(jī)肥與164 kg N·hm-2氮肥配施可以獲得最高的理論產(chǎn)量4731 kg·hm-2，較不施肥處理增產(chǎn)24.3%。在不施有機(jī)肥的情況下，則需要施用174 kg N·hm-2才可達(dá)到理論最高產(chǎn)4519 kg·hm-2，說(shuō)明有機(jī)無(wú)機(jī)配施可以在較少的氮肥用量下獲得更大程度的增產(chǎn)，證明了有機(jī)肥替代部分氮肥的可行性。

3.2 冬小麥氮素利用率及土壤硝態(tài)氮?dú)埩袅?/p>

如何合理有效地利用氮肥，減少氮素?fù)p失一直是旱地小麥?zhǔn)┓恃芯康臒狳c(diǎn)問(wèn)題。巨曉棠等[16]指出，如果采取有效的氮肥施用方法，按照作物的需求動(dòng)態(tài)調(diào)控施肥，就可減少氮素?fù)p失，提高氮肥利用率。在本試驗(yàn)中，通過(guò)在施用適量氮肥的基礎(chǔ)上(75～150 kg N· hm-2)配施有機(jī)肥，NUE較相同施氮量下單施化肥處理增加19.1%～65.8%。這與許多研究[12，26-27]的結(jié)果一致。究其原因，一方面，有機(jī)肥中養(yǎng)分全面，使土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分均衡，有利于土壤養(yǎng)分庫(kù)的積累，增加了氮素的固定，同時(shí)促進(jìn)了作物對(duì)氮素的吸收[28]；另一方面，許多研究表明，配施有機(jī)肥可以協(xié)調(diào)土壤供氮與作物需氮的關(guān)系。在作物生長(zhǎng)前期促進(jìn)化肥氮的微生物固定，而在作物需氮量大的時(shí)候?qū)B(yǎng)分釋放，促進(jìn)作物氮素吸收[29-30]。除此之外，有機(jī)肥也可促進(jìn)要系生長(zhǎng)，增加要在深層土壤的分布，延緩要系衰老，從而促進(jìn)作物吸收養(yǎng)分[31]。

一些研究表明，施氮量較低時(shí)土壤殘留氮保持在較低水平，而施氮量過(guò)多時(shí)，土壤中氮素殘留量和氮損失量顯著增加[32-33]。在本試驗(yàn)中，無(wú)論是單施化肥還是有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施，0～200 cm土層土壤硝態(tài)氮累積量均隨施氮量的增加線性遞增。當(dāng)施氮量大于150 kg N·hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥后土壤硝態(tài)氮累積量高達(dá)359.3～960.7 kg N·hm-2，顯著高于單施化肥處理。如此高的硝態(tài)氮?dú)埩?，在渭北旱地很容易通過(guò)淋洗或反硝化途徑排除土壤-作物體系，造成對(duì)環(huán)境的潛在污染。但是，通過(guò)分析0～200 cm土層剖面硝態(tài)氮分布情況，本研究發(fā)現(xiàn)，在氮肥用量適宜的情況下(0～150 kg N· hm-2)，配施有機(jī)肥僅增加了0～100土層硝態(tài)氮含量，100 cm以下土層與無(wú)機(jī)肥單施處理相比沒(méi)有顯著差異，而且沒(méi)有硝態(tài)氮累積峰的出現(xiàn)。這說(shuō)明有機(jī)肥與適量氮肥配施可以在一定程度上將硝態(tài)氮固持在要層供下一季作物吸收利用，從而抑制其向深層移動(dòng)和累積，與楊學(xué)云等[34]的研究結(jié)果一致。這可能是由于有機(jī)肥的施入不僅活化了土壤微生物，增加微生物對(duì)礦質(zhì)態(tài)氮素的固持作用，也增加了農(nóng)田土壤團(tuán)聚體含量以及土壤陽(yáng)離子交換量，促進(jìn)硝態(tài)氮的晶格固定[35]。

那么，如果用有機(jī)肥替代部分氮肥，是否能夠在保證作物要層養(yǎng)分供應(yīng)的同時(shí)，減少深層土壤硝態(tài)氮含量呢?一些研究表明，在等氮量條件下，隨著有機(jī)肥配施比例的增加，100 cm以下土壤硝態(tài)氮凈增加量減少[36-37]。本研究也發(fā)現(xiàn)，在農(nóng)戶習(xí)慣施氮量(225 kg N·hm-2)和當(dāng)?shù)赝扑]施氮量(150 kg N·hm-2)的基礎(chǔ)上適當(dāng)減量(75 kg N·hm-2)后，配施有機(jī)肥顯著降低了60 cm以下土壤硝態(tài)氮含量，減少了硝態(tài)氮淋失的風(fēng)險(xiǎn)，表明用有機(jī)氮替代部分無(wú)機(jī)肥料氮在控制農(nóng)業(yè)面源污染方面具有優(yōu)越性。

3.3 土壤養(yǎng)分

土壤肥力的高低是制約農(nóng)作物產(chǎn)量的一個(gè)重要因素。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷、速效鉀含量均為衡量土壤肥力的重要指標(biāo)。在本研究中，有機(jī)無(wú)機(jī)配施3年后，土壤有機(jī)質(zhì)含量較試驗(yàn)前提高9.0%，較單施化肥處理提高6.1%，與高亞軍等[38]研究結(jié)果一致。高會(huì)議等[39]研究指出，黃土旱塬小麥種植地區(qū)，要茬碳與外源碳之和可以在很大程度上(94%)解釋土壤有機(jī)碳變異的原因。因此，有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的提升作用一方面是由于有機(jī)物料的投入直接增加了農(nóng)田碳投入量，另一方面則由于有機(jī)無(wú)機(jī)配施促進(jìn)了作物生長(zhǎng)，從而增加了有機(jī)物的還田量。

在單施化肥的5個(gè)處理中，土壤速效磷和速效鉀含量均低于試驗(yàn)前，且隨著施氮量的增加，呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)。其原因主要是由于氮的投入在促進(jìn)作物生長(zhǎng)的同時(shí)增加了作物的養(yǎng)分?jǐn)y出量，而土壤中原有的磷和鉀，以及外源磷肥(90 kg N·hm-2)和鉀肥(60 kg N·hm-2)無(wú)法滿足作物需求，因而造成土壤速效磷、速效鉀含量的降低。而配施有機(jī)肥以后，有機(jī)肥帶入了大量的有效磷和鉀，使得土壤速效磷、速效鉀含量較單施化肥處理提高近1倍。

4 結(jié)論

渭北旱塬雨養(yǎng)條件下，連續(xù)3年有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施相比單施化肥處理可以在減少5.7%氮肥用量的條件下，獲得4.7%的增產(chǎn)效果，同時(shí)顯著增加小麥產(chǎn)量、地上部吸氮量、NUE以及土壤養(yǎng)分含量。其中以M+ N150處理效果最佳。但是，當(dāng)施氮量大于150 kg N· hm-2時(shí)，配施有機(jī)肥會(huì)顯著加劇0～200 cm土壤硝態(tài)氮累積，加大硝態(tài)氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)。因此，在渭北旱塬特殊的生態(tài)環(huán)境下，建議在施用有機(jī)肥(豬糞)30 t·hm-2的基礎(chǔ)上配施75～150 kg N·hm-2(有機(jī)氮∶無(wú)機(jī)氮= 1∶0.46～0.91)，以防止過(guò)量氮素殘留所造成的環(huán)境污染，并保證小麥高產(chǎn)。

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Reducing N fertilization rate through a combination of manure and chemical fertilizer in Weibei dryland

ZHANG Hao-qing1,2,YU Xin-yang1,2,ZHAI Bing-nian1,2*,JIN Zhong-yu1,2,MA Chen1,2,WANG Zhao-hui1,2
(1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agro-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture,Yangling 712100,China)

To explore the effect and mechanism of manure on reducing nitrogen(N)fertilizer rates in Weibei dryland,a 3-year field experiment was conducted to investigate the effects of manure and N fertilizer on winter wheat yield,N use efficiency(NUE),soil nitrate-N residue and soil nutrients in Baishui County.Following a spilt-plot design,the main treatments included two manure application rates：30 t· hm-2(with manure,+M),and 0 t·hm-2(without manure,-M);The sub-treatments included five N fertilizer rates：0,75,150,225 and 300 kg N·hm-2.The results showed that,additional manure increased winter wheat yield by 6.9%,aboveground N uptake by 29.3%,and NUE by 34.4%,relative to that without manure,and the highest values were all recorded in the M+N150 treatment(the combination of manure with 150 kg N·hm-2fertilizer).The combined application of manure and inorganic fertilizer increased soil organic matter,total N,available P and available K in 0～20 cm layer by a mean of 6.1%,8.2%,90.4%,94.8%,compared to that without manure,respectively.However,when manure was combined with the N rate which exceeded 150 kg N·hm-2,further increase of N rate would lead to an increase of soil nitrate-N residue(43.7～188.8 kg·hm-2),and the risk of nitrate-N leaching.The combination of manure with 75 and 150 kg N·hm-2N fertilizer resulted in a comparable grain yield with that for applying 150 and 225 kg N·hm-2fertilizer alone,but increased NUE significantly(The improve-ment was 27.4%and 45.3%,respectively),and additionally reduced the soil nitrate-N below 60 cm layer.As a result,we concluded that combining manure(30 t·hm-2pig manure)with 75～150 kg N·hm-2N fertilizer(organic N∶inorganic N=1∶0.46～0.91)is recommended for achieving an N efficient and environmental friendly winter wheat farming system in Weibei dryland.

dryland;winter wheat;manure;grain yield;N use efficiency;soil nitrate-N residue;soil organic matter

S512

A

1672-2043(2017)01-0124-10

10.11654/jaes.2016-0827

2016-06-20

張昊青(1993—)，女，寧夏銀川人，碩士研究生，主要從事旱地水肥管理研究。E-mail：卜aoqingz卜ang@nwsuaf.edu.cn

*通信作者：翟丙年 E-mail：bingnianz卜aitg@126.com

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD23B04)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201503124)；國(guó)家小麥現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)(Z225020803)

Project supported：The National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China(2015BAD23B04)；The Special Scientific Research Fund of Agricultural Public Welfare Profession of China(201503124)；The Earmarked Fund for Modern Agro-industry Technology Research System(Z225020803)

張昊青，于聽(tīng)陽(yáng)，翟丙年，等.渭北旱地麥田配施有機(jī)肥減量施氮的作用效果[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(1)：124-133.

ZHANG Hao-qing,YU Xin-yang,ZHAI Bing-nian,et al.Reducing N fertilization rate through a combination of manure and chemical fertilizer in Weibei dryland[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36(1)：124-133.