肥料无机有机配施对稻茬小麦产量与肥料利用率的影响

李丰丰, 朱红英，段建设，魏洪亮，李艳凡，王秀梅,满建国

(1.华中农业大学植物科学技术学院/农业部作物生理生态与耕作重点实验室， 湖北武汉 430070；2.襄阳市襄州区农业技术推广中心， 湖北襄阳 441104)

增施化肥是获得高产的重要途径，但大量的化肥投入带来了肥料利用率下降、经济效益降低、环境污染加剧以及生态环境恶化等一系列问题[1]。据统计，当前我国氮肥生产量占世界总生产量的25%以上，而年消费量则达2 244万t，占世界总消费量的27%以上。与此同时，不合理的施用方式进一步促使农民加大肥料投入，导致肥料利用率仅为发达国家的60%～70%[2-3]。有机肥作为一种绿色、生态的缓效肥料，富含N、P、K以及多种微量元素和氨基酸、核酸、维生素等多种有机营养成分[4]。施用有机肥可以培肥土壤，提高土壤有机质含量，改善土壤理化性状，显著提升土壤肥水保持性和通气性，促进作物根系生长，有利于根系对水分、养分的吸收利用[5-6]。但长期单施有机肥料会使黑土速效磷含量下降23%以上，也不利于水稻高产稳产；晚稻移栽施肥后，有机肥料处理小区根系土壤呈深黑色，发育明显不良，秧苗返青明显延迟；此外还会加剧重金属积累，危害粮食安全[7-8]。由此可见，无机肥或单施有机肥均不能持续有效地达到高产、高效、生态、绿色的生产目标，将化肥和有机肥合理配施，将有效均衡土壤养分，实现现代农业的可持续性发展。

前人对无机化肥与有机肥配施进行了大量研究。施用有机肥是作物增产、增加土壤有机质和改善土壤生物学性状的有效措施[9]。无机、有机肥配施可以保证玉米有较高产量，5 年平均产量较单施无机化肥提高10.3%，并显著降低了总氮淋失[10]。对茶叶生长和土壤养分的研究发现，70%有机肥+30%无机化肥处理的增产效果最显著，且可以保持较高的土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量，这是在茶园推广应用的最优方案[11]。在水稻上，无机、有机肥配施有利于中后期干物质累积和养分吸收，提高穗数和穗粒数，保证稳产高产[12]。以上研究表明，适量无机化肥和有机肥配施有利于作物高产稳产，并提高肥料利用效率，减少肥料损失和环境污染。

襄阳市是湖北省稻茬小麦主产区，常年小麦肥料施用量均在500 kg·hm-2以上，其中氮肥施用量超过260 kg·hm-2，但稻茬小麦产量和肥料利用率均较低。而关于合理的无机与有机肥配施比例及其对稻茬小麦产量和肥料利用效率影响的研究鲜见报道。本研究在襄阳市稻茬小麦高产区，设置不同施肥方式，探讨了无机、有机肥配施对稻茬小麦产量、分蘖动态、肥料利用效率和经济效益的影响，以期为该区域稻茬小麦高产高效生产提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2016-2017年小麦季在湖北省襄阳市襄州区现代农业示范园区(东经112°21′42.5″，北纬32°07′46.4″)进行。试验地土壤类型属于淹育型水稻土，浅白土田，耕作层厚30 cm，地力中等，有机质含量13.4 g·kg-1，碱解氮含量74.0 mg·kg-1，有效磷含量4.9 mg·kg-1，速效钾含量76.2 mg·kg-1，pH为6.3。试验以郑麦9023为供试材料，前茬作物为水稻。

本试验以肥料空白为对照(CK)，设置3种施肥模式处理，分别为传统测土配方施肥模式(T1)，90%传统测土配方施肥量+有机肥模式(T2)和80%传统测土配方施肥量+有机肥模式(T3)，氮肥按底施∶拔节期追施=5∶1的方式分施，有机肥、磷肥和钾肥均全部底施，同时施肥小区均底施3.0 kg·hm-2的大粒锌。本试验采用尿素(46% N)为氮源，过磷酸钙(16% P2O5)为磷源，氯化钾(60% K2O)为钾源，其中有机肥中有机质≥40%，氮磷钾总含量≥8%，有效活菌数≥2×108·g-1，水分≤30%，pH值5.5～8.0。每处理3次重复，小区规格为3 m×7 m。各处理施肥种类与施肥量如表1所示。

小麦于2016年10月20日播种，播量为225.0 kg·hm-2，条播，行距为25.0 cm，前茬水稻秸秆全量粉碎还田，播种后3 d进行灌溉以保证出苗，之后至成熟期不再灌溉。小麦全生育期及时防治病虫草害，生育中后期及时排水以防止田间渍水。各处理小麦均于2017年5月22日收获。

表1 各处理肥料种类和施肥量Table 1 Fertilizer type and application amount of each treatment kg·hm-2

1.2 测定指标与方法

1.2.1 小麦生育期群体动态调查

于小麦三叶期，在各小区分别选定0.5 m2具有代表性长势均匀的植株，进行标记，并分别于小麦三叶期、分蘖中期(冬至)、分蘖盛期(立春返青)和开花期对标记区域的茎蘖数进行测定，计算各小区小麦群体大小。

1.2.2 小麦籽粒产量及其构成因子测定

于小麦成熟期，在各小区选取具有代表性的长势均匀的6.0 m2植株，全部收获后脱粒，晒干称重，测定籽粒含水量，计算标准含水量(12.5%)下的籽粒产量和千粒重。同时在各小区选取连续30个单茎，调查穗粒数。

1.2.3 肥料利用效率计算

肥料农学利用效率=(施肥处理小麦籽粒产量-未施肥处理小麦籽粒产量)/施肥量

肥料偏生产力=施肥处理小麦籽粒产量/施肥量

1.2.4 肥料经济效益分析

本区域6-7月份小麦平均单价为2.3元·kg-1，尿素、过磷酸钙和氯化钾的单价分别为2.0、0.6和3.6元·kg-1，有机肥单价为0.80元·kg-1。小麦收获籽粒产量与单价构成各处理的实际收入，化肥和有机肥为实际投入，不考虑人工成本、种子、灌溉等投入，仅计算施肥处理与不施肥处理间的净增收与产投比。

1.2.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理，运用Statistix 8.0数据统计分析软件对各处理进行单因素方差分析，LSD法进行显著性检验(α=0.05)，利用SigmaPlot 12.5进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式下小麦籽粒产量及其构成因素的差异

施肥处理的小麦籽粒产量、穗数和穗粒数均显著高于未施肥处理(CK)，千粒重较高(表2)。在施肥处理中，T2处理的籽粒产量、穗数、穗粒数和千粒重最高，T1处理次之，T3处理最低，说明在传统配方施肥的基础上降低10%的化肥施用量，同时增施有机肥，有利于产量三要素的协同提高，从而获得高产，若化肥施用量降低20%，穗粒数显著降低，不利于产量的提高。

2.2 不同施肥模式下小麦群体动态的特点

施肥处理下小麦三叶期、冬至期、返青期和开花期的群体数量和单株有效分蘖数均显著高于CK，但分蘖成穗率显著降低。施肥处理间群体数量、单株有效分蘖数和分蘖成穗率均无显著差异(表3)。与CK相比，T1、T2和T3处理的单株有效分蘖数分别提高51.6%、55.9%和53.8%，分蘖成穗率分别下降8.8、6.8和11.4个百分点。这说明增施化肥和有机肥可显著促进小麦分蘖，提高有效分蘖数，尽管分蘖成穗率降低，但最终穗数保持较高水平。

2.3 不同施肥模式下小麦肥料利用效率的差异

T3处理的NPK肥农学利用效率和偏生产力以及N、P、K肥偏生产力均显著高于T2处理，T1处理最低(图1)。T3处理的NPK肥农学利用效率和偏生产力分别比T2处理高6.0%和8.4%，比T1处理分别高20.8%和22.4%。这说明降低化肥施用量，增施有机肥，可显著提高小麦化学肥料利用效率。

表2 不同处理下小麦产量及其构成因素Table 2 Yield and its components of wheat under different fertilization treatments

同一列数据后不同字母表示差异达0.05显著水平。下表同。

Different letters following data in same column mean significant differences at 0.05 level. The same in following tables.

表3 不同处理下小麦群体动态及分蘖成穗率Table 3 Population dynamics and tiller-earing percentage of wheat under different fertilization treatments

AENPK、PFPNPK、PFPN、PFPPK分别表示NPK三种肥料共同的农学利用效率、偏生产力、氮肥偏生产力和磷钾肥偏生产力。图柱上的不同字母表示处理间在0.05水平上差异显著。

AENPK, PFPNPK, PFPN, PFPPKwere the agronomy efficiency and partial factor productivity of the total fertilizer, partial factor productivity of N fertilizer, and partial factor productivity of P K fertilizer, respectively.Different letters on the columns mean significant difference among the treatments at 0.05 level.

图1不同施肥处理化肥农学利用率和偏生产力

Fig.1Agronomyefficiency(AE)andpartialfactorproductivity(PFP)offertilizer

2.4 不同施肥模式下小麦经济效益差异

与CK相比，T1、T2和T3处理新增产值分别为7 366.5、7 552.5和7 119.0元·hm-2，新增投入成本分别增加1 902.0、3 511.5和3 321.0元·hm-2(表4)。三个施肥处理下，T1处理的新增产投比和净收益最高，分别为3.9和5 464.5元·hm-2。这说明配方施肥可有效提高小麦种植的经济效益，继续增施有机肥时，小麦的收益降低。

表4 不同施肥处理下小麦的经济效益Table 4 Economic benefits of wheat under different fertilization treatments

3 讨 论

研究表明，无机化肥肥效快，可以有效促进小麦生育前期分蘖，有机肥的缓效成分可以保证小麦生育后期的营养供应，适量化肥与有机肥配施可延缓小麦叶片衰老，显著提高籽粒产量[13-16]。赵 隽等[14]研究表明，无机肥+有机肥配施处理产量比单施有机肥处理高3.5%～11.0%，较单施无机肥处理高3.9%～5.5%，无机肥+有机肥配施处理的单位面积穗数和穗粒数最高，但千粒重降低。刘洪江等[17]对有机无机肥不同配比下水稻产量的研究也表明，合理的有机无机肥配施主要通过增加了单位面积穗数和穗粒数提高了产量。张 晶等[18]研究认为，有机肥与适量化肥配施主要提高了单位面积穗数和千粒重，从而实现了高产。本研究发现，90%传统测土配方施肥+有机肥处理的穗数、穗粒数和千粒重均高于单施无机化肥处理和80%传统测土配方施肥+有机肥处理，说明在传统配方施肥的基础上降低10%的化肥施用量，同时增施有机肥，可协同提高了产量构成三要素，若化肥施用量降低20%，穗粒数显著降低，不利于产量的提高。由此可见，有机肥与适量无机化肥配施可以有效提高单位面积穗数，保证较高的穗粒数，一定程度提高千粒重，最终实现高产水平。

一般认为，无机化肥既容易被作物吸收，但也容易流失[19-20]。研究发现，化肥配施有机肥可降低菜地氮素径流流失量，且随着有机肥配施量的增加，土壤氮素流失量逐渐下降[21]。关于无机肥与有机肥配施比例，张玉平等[22]认为，30%以下的有机肥与化肥配施有利于降低旱地氮磷径流流失量。李 占等[23]对冬小麦的研究表明，氮素利用效率以25%有机肥+75%化肥处理较高，分别比100%有机肥、75%有机肥+25%化肥、50%有机肥+50%化肥和100%化肥高 87.4%、8.3%、8.6%和10.8%。要娟娟等[24]的试验结果显示，适量氮肥(120 kg·hm-2)+有机肥(600 kg·hm-2)的氮素吸收量和利用效率最高，分别为295 kg·hm-2和23.7%。本研究在传统测土配方施肥的基础上，对降低无机化肥、补增有机肥下小麦的肥料利用效率进行研究，结果发现，80%传统测土配方施肥+有机肥处理的NPK肥农学利用效率和偏生产力分别为9.9和15.8 kg·kg-1，均显著高于80%传统测土配方施肥+有机肥处理和单施无机化肥处理，表明适当降低化肥施用量，增施有机肥，可显著提高小麦肥料利用效率。由于本研究仅采用不施肥处理为对照，因此以各处理N、P和K肥的总量作为一种复混无机化肥，计算了三种元素共同作用下的肥料农学利用效率和偏生产力，所以计算的农学利用效率较低。我们将在今后的试验中增加N肥空白、P肥空白和K肥空白处理，以反映各元素的实际农学利用效率。

本研究还对不同施肥处理的经济效益进行了计算分析，经济效益的计算涉及方面较多。本文仅从籽粒产量、单价、化肥成本和有机肥成本等四个方面，对各施肥处理的产值、相对于不施肥处理的新增产值、新增成本投入、新增产投比和新增净收益进行了统计分析。结果表明，传统配方施肥处理的公顷产值较不施肥处理增加7 366.5元，由于三个施肥处理的产量接近，因此其之间的产值亦相差较小，但由于有机肥成本相对较高，且有机肥施用量较大，因此增施有机肥处理的新增投入比单施用化肥处理高74.6%～84.6%，这也是增施有机肥处理的新增净收益低于仅施用传统配方肥料的原因，这与要娟娟等[24]的研究结果较为一致。但大量研究表明，有机、无机肥料长期配合施用能有效提高土壤有机质含量，能防止土壤有机质的过渡消耗，还可以更好地调节土壤氮素的释放，增加土壤微生物量碳，降低土壤中的氮素淋溶和对地下水的污染[25-27]。因此，从生态环境方面来看，有机肥+无机化肥配施的效益远远高于仅施用化肥，我们将对此方面开展进一步的研究。

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