摘要：針對黃土高原旱地小麥化肥過量投入且經(jīng)濟(jì)效益低的問題，探究等養(yǎng)分原則下投入有機(jī)肥替代部分化肥對旱地小麥水、氮利用及經(jīng)濟(jì)效益的影響。通過2013—2016年的田間試驗(yàn)，研究農(nóng)戶施肥(PF)、監(jiān)控施肥(MF)、有機(jī)無機(jī)肥配施(MCF)、生物有機(jī)肥無機(jī)肥配施(BCF)4種施肥措施對旱地冬小麥水分利用率、氮素利用率、產(chǎn)量形成及經(jīng)濟(jì)效益的影響。結(jié)果表明，無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥提高了土壤貯水能力，同時(shí)顯著提高水分生產(chǎn)效率，較PF處理平均增長13.8%。

　　化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥顯著提高了氮素利用效率，其中，BCF處理的氮素表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率較PF處理分別提高了135.4%，143.4%和156.2%;由于氮、磷、鉀肥的合理配施，MF處理的氮素利用率也有顯著提高;有機(jī)無機(jī)肥配施提高了旱地冬小麥的籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量，其中，BCF處理顯著提高了旱地冬小麥的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量，較PF處理分別提高22.4%和3.8%，進(jìn)而增產(chǎn)22.1%。

　　連續(xù)3a有機(jī)肥替代部分化肥降低了冬小麥生產(chǎn)成本，同時(shí)提高了產(chǎn)量收入，年均純收入達(dá)6341元/hm2，較農(nóng)戶模式平均增收52.2%。總體上，在監(jiān)控定量施肥基礎(chǔ)上，生物有機(jī)肥替代部分化肥可更好地提高旱地麥田水分生產(chǎn)效率和氮素利用率，同時(shí)可合理地構(gòu)建小麥群體，促進(jìn)產(chǎn)量形成，提高經(jīng)濟(jì)效益，其是適宜黃土旱塬麥區(qū)高產(chǎn)高效的施肥措施。

　　關(guān)鍵詞：旱地小麥;有機(jī)肥替代;水氮利用;經(jīng)濟(jì)效益

　　小麥?zhǔn)俏覈�第三大糧食作物，2017年播種面積達(dá)2450.8萬hm2，總產(chǎn)量1.34億t[1]。施肥是糧食增產(chǎn)的最主要途徑，化肥對糧食單產(chǎn)的貢獻(xiàn)率可達(dá)50%左右[2]。2006—2015年，我國小麥種植面積增長了5.1%，而總產(chǎn)量卻有24.6%的增幅[3]。化肥為我國小麥產(chǎn)量的增加起到了關(guān)鍵作用，然而長期化肥單施和過量施用對土壤結(jié)構(gòu)和生態(tài)安全造成了巨大的威脅。化肥的不合理施用不僅造成了土壤理化性質(zhì)惡化、硝酸鹽淋溶、水體富營養(yǎng)化等一系列問題[4-6]，同時(shí)化肥損失量巨大，肥料利用率和經(jīng)濟(jì)效益顯著降低[7-8]。

　　因此，探究合理的施肥措施對提升旱地麥田土壤質(zhì)量和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。有機(jī)肥尤其是畜禽糞便是我國主要的有機(jī)肥料資源，約占總有機(jī)肥料的80%左右[9]，每年的產(chǎn)生量約為38億t，但綜合利用率僅為60%，不僅造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，還成為環(huán)境污染源之一[10]。生物有機(jī)肥是在傳統(tǒng)有機(jī)肥的基礎(chǔ)上，添加多種有益微生物菌劑，不但可以改善土壤理化性質(zhì)，還可以提高作物的抗逆性[11-12]。

　　然而，僅靠有機(jī)肥難以維持土壤—作物間的養(yǎng)分平衡，大量研究表明，單施有機(jī)肥或綠肥條件下，作物普遍減產(chǎn)，其中禾谷類作物減產(chǎn)幅度較大，在20%～25%[13-14]。因此，將有機(jī)肥與化肥配合施用，以較小的環(huán)境代價(jià)換取更多的農(nóng)作物產(chǎn)量是我國農(nóng)業(yè)近年來發(fā)展的主要方向。合理的有機(jī)肥、生物有機(jī)肥與化肥的配施，不僅可以減肥增效，提高化肥利用效率，還可以改善土壤微生物群落，減輕病蟲害的發(fā)生[15-16]。水分和養(yǎng)分是制約旱地小麥生長發(fā)育最主要的2個(gè)因子。配施有機(jī)肥能增加耕層土壤>0.25mm團(tuán)聚體含量，從而降低土壤容重，增加毛管孔隙度，提高土壤貯水能力[17-18]。

　　有機(jī)肥中的養(yǎng)分釋放緩慢，氮素多以NH4+或氨基酸的形式存在，可直接參與植物養(yǎng)分循環(huán)，無需消耗糖類和有機(jī)酸等光合作用產(chǎn)物，且降低了硝酸鹽淋失風(fēng)險(xiǎn)[19]。當(dāng)化學(xué)氮素施入土壤后，作物根系會(huì)與微生物產(chǎn)生氮素競爭現(xiàn)象，而有機(jī)肥的投入會(huì)提高土壤微生物活性，從而將大量氮素固持，在微生物死亡后釋放供作物吸收利用，從而減少了氮的積累與淋溶[20]。

　　小麥水氮利用對有機(jī)肥的響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代部分化肥優(yōu)化了冠層氮素分配，從而提高了葉片光合速率和光合氮素效率，且在干旱條件下提高了水分利用效率[21]。關(guān)于有機(jī)肥對小麥水氮調(diào)控的研究已有諸多報(bào)道，但由于勞動(dòng)力、生產(chǎn)成本等問題，農(nóng)民對配施有機(jī)肥的認(rèn)可度還不高。本研究通過連續(xù)定位試驗(yàn)系統(tǒng)分析了化肥配施有機(jī)肥、生物有機(jī)肥對旱地小麥產(chǎn)量、水氮利用效率和經(jīng)濟(jì)效益的影響，旨在為我國旱地麥田培肥增產(chǎn)及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

　　1材料和方法

　　1.1試驗(yàn)地概況

　　于2013—2016年進(jìn)行大田試驗(yàn)。試驗(yàn)區(qū)位于黃土高原晉南旱塬地區(qū)，溫帶大陸季風(fēng)性氣候，年均溫12.6℃，有效積溫3300℃左右，年均降水量約500mm，主要集中在7—9月。供試土壤為石灰性褐土。

　　1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為農(nóng)戶施肥(PF)、監(jiān)控施肥(MF)、有機(jī)無機(jī)肥配施(MCF)、生物有機(jī)肥無機(jī)肥配施(BCF)。PF處理采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施肥量;MF處理依據(jù)“1m硝態(tài)氮監(jiān)控，磷鉀衡量施肥原則”施肥[22];MCF處理在監(jiān)控施肥的基礎(chǔ)上，依據(jù)等養(yǎng)分供應(yīng)原則，減少化肥施用量并配施有機(jī)肥;BCF處理在監(jiān)控施肥的基礎(chǔ)上，依據(jù)等養(yǎng)分供應(yīng)原則，減少化肥施用量并配施生物有機(jī)肥。

　　各處理種植方式均為壟膜溝播，即在壟上覆膜(壟寬35cm)，溝內(nèi)播種(溝寬30cm)，每壟2行。每個(gè)處理4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積520m2。各處理具體施肥量列于表2。所施氮肥為尿素(含N46%)，磷肥為過磷酸鈣(含P2O511%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O60%)，有機(jī)肥為腐熟雞糞(養(yǎng)分含量為N1.68%，P2O52.45%，K2O1.36%)，生物有機(jī)肥為雞糞與菌液以質(zhì)量比1∶9比例混合而成(菌液含拉恩式菌、假單胞菌1和假單胞菌2，活菌數(shù)≥0.5×107cfu/g)，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室提供。

　　所有肥料在播前均勻翻耕入土。冬小麥在每年9月30日至10月1日播種，6月7—11日收獲，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣進(jìn)行管理。分別于每年的收獲期在各小區(qū)隨機(jī)采集地上部小麥植株樣品10株;以20cm為一層，采集小麥播前與收獲后0～200cm各層混合土樣，每個(gè)小區(qū)3個(gè)點(diǎn)。

　　1.3測定項(xiàng)目及方法

　　小麥?zhǔn)斋@期，在各小區(qū)隨機(jī)收獲30m(215m×2m)的小麥，脫粒計(jì)算產(chǎn)量。從苗期開始，每個(gè)小區(qū)選3個(gè)1m長樣點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，收獲后測算公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量等指標(biāo)。土壤含水量的測定采用烘干法[23];土壤硝態(tài)氮采用CaCl2浸提，AA3(AutoAnalyzer3)型流動(dòng)分析儀測定[23];植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮法，AA3(AutoAnalyzer3)型流動(dòng)分析儀測定[23]。土壤貯水量(mm)=土層厚度(cm)×土壤含水量(%)×土壤容重/10(1)其中，0～20，20～40，40～60，60～80cm土壤容重分別為1.21，1.35，1.35，1.30g/cm3;80～200cm土層容重均以1.36g/cm3計(jì)[24]。耗水量(mm)=播前0～200cm土壤貯水量-收獲時(shí)0～200cm土壤貯水量+生育期有效降水量[25](2)水分生產(chǎn)效率(kg/(hm·2mm))=小麥籽粒產(chǎn)量/耗水量[25]

　　(3)氮素表觀回收率=(施氮后作物地上部分吸氮量-未施氮作物地上部分吸氮量)/施氮量×100%[25](4)氮肥偏生產(chǎn)力(kg/kg)=施氮后小麥產(chǎn)量/施氮量[25](5)氮農(nóng)學(xué)效率(kg/kg)=(施氮后小麥產(chǎn)量-未施氮小麥產(chǎn)量)/施氮量[25](6)氮生理效率(kg/kg)=施氮后小麥產(chǎn)量/施氮后作物地上部分吸氮量[25](7)氮收獲指數(shù)=籽粒中氮積累量/成熟期地上部分總吸氮量×100%[25](8)

　　1.4數(shù)據(jù)分析

　　運(yùn)用Excel2010和SPSS22.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，采用LSD法(P<0.05)進(jìn)行分析比較。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同施肥措施對旱地小麥水分利用率的影響

　　3a小麥生育期0～200cm土壤耗水量在223.2～388.1mm，其中，BCF處理顯著高于PF處理和MF處理，平均增幅為6.0%～6.7%。與單施化肥處理相比，MCF和BCF處理在小麥?zhǔn)斋@后土壤貯水量無顯著差異，而播前貯水量卻顯著高于PF處理。對于水分生產(chǎn)效率，MCF與BCF處理顯著高于PF處理，平均增幅13.8%。此外，在生育期降水量較少的年份(2014—2015年)水分生產(chǎn)效率最高，平均為19.1kg/(hm2·mm)。

　　2.2不同施肥措施對旱地小麥氮素利用率的影響

　　各處理的氮素表觀回收率在11.52%～58.15%，其中，無機(jī)肥配施有機(jī)肥和生物有機(jī)肥處理顯著高于PF和MF處理，較PF處理平均高101.5%～135.4%，較MF處理平均高11.4%～30.1%。MF、MFC、BFC處理的氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率均顯著高于PF處理，氮肥偏生產(chǎn)力平均增幅120.2%～143.4%，氮農(nóng)學(xué)效率平均增幅71.8%～156.2%，其中均以BFC處理最高。

　　MF處理的氮素表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率均顯著高于PF處理。各處理的氮生理效率和氮收獲指數(shù)無顯著差異，平均為38.4kg/kg和78.4%，單施化肥處理總體高于化肥配施有機(jī)肥處理。此外，水分生產(chǎn)效率與氮素利用率的相關(guān)性分析表明，水分生產(chǎn)效率與氮肥偏生產(chǎn)力相關(guān)系數(shù)為0.85，呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

　　3討論

　　水分是旱作區(qū)小麥產(chǎn)量的主要限制因子。相關(guān)研究表明，干旱地區(qū)有機(jī)肥配施化肥會(huì)提高土壤耗水量，加劇土壤干燥化程度[26-27]。本研究發(fā)現(xiàn)，配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥后，土壤耗水量明顯增加，以化肥配施生物有機(jī)肥處理最為顯著，增幅達(dá)6.0%～6.7%，與前人研究結(jié)果[28-29]一致。雖然配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥提高了土壤耗水量，但本研究下小麥?zhǔn)斋@后各處理0～200cm土壤貯水量無顯著差異，而播前土壤貯水量卻顯著增加，可能是因?yàn)橥庠从袡C(jī)質(zhì)的投入改善了土壤的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度和蓄水能力，減少了夏閑期集中降水的淋失，為小麥生育期貯存了較多的水。

　　本研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥顯著增加了水分生產(chǎn)效率，平均增長了13.8%，這可能是因?yàn)槭┯蒙�物有機(jī)肥改善了土壤結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了水、肥高效利用體系，促進(jìn)了小麥的生長發(fā)育，提高了冬小麥生育后期的葉面積指數(shù)，減少了棵間土壤的無效蒸發(fā)，將水分消耗方式由土面蒸發(fā)轉(zhuǎn)換為作物蒸騰;此外，施用有機(jī)肥也可促進(jìn)小麥根系生長，有利于對土壤深層水的利用。旱地小麥水分利用率存在年際差異性，且與降水量密切相關(guān)[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，在小麥生育期降水較少的年份(2014—2015年)，水分生產(chǎn)效率最高，平均為19.1kg/(hm2·mm)。

　　陸增根等[31]研究表明，在干旱條件下，適度的水分虧缺會(huì)降低作物蒸騰速率，但光合速率不會(huì)顯著下降，復(fù)水后的光合作用補(bǔ)償效應(yīng)會(huì)促進(jìn)光合產(chǎn)物向籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高作物產(chǎn)量。2014—2015年度整個(gè)小麥生育期，降水主要集中在4—5月，苗期較低的降水量減少了水分的無效蒸發(fā);在需水量巨大的拔節(jié)和灌漿期，大量集中的降水產(chǎn)生復(fù)水效應(yīng)，促進(jìn)籽粒產(chǎn)量的形成，從而提高了水分生產(chǎn)效率。

　　4結(jié)論

　　本研究結(jié)果表明，化肥配施有機(jī)肥或生物有機(jī)肥可顯著提高旱地小麥水分生產(chǎn)效率，平均增幅13.8%，且在干旱年份效果更佳。水分生產(chǎn)效率和氮肥偏生產(chǎn)力存在顯著正相關(guān)關(guān)系，有機(jī)無機(jī)肥配施顯著增加了氮素表觀回收率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮農(nóng)學(xué)效率，其中，均以化肥配施生物有機(jī)肥處理最高，較農(nóng)戶模式分別提高135%，143%和156%。化肥配施生物有機(jī)肥顯著提高了旱地冬小麥的公頃穗數(shù)和千粒質(zhì)量，從而使產(chǎn)量提高22.1%。

　　有機(jī)無機(jī)肥配施降低了旱地冬小麥的生產(chǎn)成本，增加了產(chǎn)量收入，從而使純收入顯著增加，平均增幅達(dá)52.2%。綜合考慮水、氮利用及產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益，在黃土旱地麥田，生物有機(jī)肥替代部分化肥是實(shí)現(xiàn)旱地小麥水肥高效利用及產(chǎn)量穩(wěn)定增長的有效途徑。

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　　農(nóng)業(yè)方向刊物：《山西農(nóng)業(yè)科學(xué)》(月刊)創(chuàng)刊于1961年，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院主辦。主要刊載生物技術(shù)、遺傳育種、耕作栽培、生理生化、資源與環(huán)境、植物保護(hù)、貯藏加工、畜牧獸醫(yī)等學(xué)科的研究報(bào)告、學(xué)術(shù)論文及綜合述評等。