有机物料还田和减施氮肥对小麦氮素利用及经济效益的影响

李春喜，刘 晴，邵 云，马守臣，李斯斯，李晓波， 翁正鹏

(1.河南师范大学生命科学学院，河南 新乡 453007；2.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454000)

我国是世界上最大的肥料生产国与消费国，农业生产上肥料的不合理施用严重制约着我国农业的可持续发展，因此如何协调农业生产中的增产增收与节能减污是目前国内外学者的研究热点[1]。有机肥是在当前由于化肥过量施用造成土壤微生物活性降低、土壤养分失调等环境污染的大背景下被逐渐重视起来的，是农业可持续发展的重要组成部分[2]。施用有机肥可以充分改善土壤物理性质，维持土壤养分平衡，优化土壤微生物群落的结构组成，最终增加作物产量[3-4]。施用有机肥是我国农业种植中的优良传统，但有机肥肥效较慢，肥料中的氮素当季利用率低，而化肥效果快速且显著，因此将有机肥与化肥配施成为国内外研究的热点[5-7]。大量研究表明，有机肥与化肥配施可以显著增加作物产量，改良农田土壤质量，如谢军等[8]在用鸡粪替代部分化肥的研究中得出，有机肥替代部分化肥能够显著增加玉米经济产量和生物产量，促进玉米对氮素的吸收和氮素向籽粒的转运。赵军等[9]研究表明，猪粪替代部分化肥能够提高作物产量，是一种具有培育高产土壤微生物区系潜力的施肥措施。龙攀等[10]选用酒渣、沼渣、菌渣、猪粪和农田秸秆共5种有机物料配施等量无机肥，研究有机肥与无机肥配施对农田土壤性质的影响，结果表明，与单施化肥相比，有机肥与无机肥配施可以显著提高土壤有机碳及土壤微生物量碳。

前人对于有机肥替代部分化肥的研究大多只采用单种有机物料还田，或采用多种有机物料时未设置不同的配施无机氮肥梯度。本试验在秸秆还田、秸秆+牛粪还田、秸秆+菌渣还田3种有机物料还田措施的基础上，耦合减施氮肥10%、20%、30%三个施氮水平，在8年定位试验的基础上，研究长期有机物料还田并减施氮肥对小麦氮素利用效率及经济效益的影响，旨在为优化整合利用氮肥及有机肥源，寻找合理的培肥措施提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年10月—2018年6月在河南省获嘉县照镜镇前李村(113°39′E，35°9′N)进行。试验田土壤为黏壤土，试验前取0～20 cm土层土壤样品及秸秆、菌渣、牛粪样品，自然风干后测定其基本理化性质(表1)。

表1 播前土壤和有机物料的养分含量

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，以单施纯氮270 kg·hm-2为对照(CK)，有机肥为主区，设J(秸秆全量还田，4 200 kg·hm-2)、JF(秸秆全量还田+牛粪，牛粪45 m3·hm-2)、JZ(秸秆全量还田+菌渣，菌渣60 m3·hm-2)3种有机物料还田方式；施氮量为副区，设N1(纯氮243 kg·hm-2，较CK减量10%)、N2(纯氮216 kg·hm-2，较CK减量20%)、N3(纯氮189 kg·hm-2，较CK减量30%)3个施氮水平，共计10个处理。每小区面积5 m×6 m=30 m2，3次重复。

CK底施纯氮162 kg·hm-2，N1～N3处理分别底施纯氮135、108 kg·hm-2和81 kg·hm-2，同时各处理均底施K2O 180 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、硫肥60 kg·hm-2、ZnSO422.5 kg·hm-2，第二年拔节期追施纯氮108 kg·hm-2。

小麦播期为2017年10月15日，供试品种为“百农矮抗58”，播量为187.5 kg·hm-2，于2018年6月1日收获，期间田间管理措施同高产田。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集 成熟期于每个小区随机选取生长一致的单茎30株，植株鲜样于105℃杀青30 min后，85℃烘干至恒重，计算地上部干物质。植株干样用万能粉碎机粉碎后，用硒粉-硫酸铜-浓硫酸消煮分解，消煮液使用连续流动分析仪(AA3，德国)测定氮素含量[11]。

1.3.2 产量测定 每小区选取3个1 m2面积将穗剪下脱粒，称重，并选取3个1 m单行小麦植株考察群体数。

1.4 数据处理

各指标计算公式为：

植株总氮素积累量(TNAA, kg·hm-2)=成熟期单株干重(kg)×成熟期单株含氮量(g·kg-1)×种植密度(株·hm-2)/1000

氮素利用效率(NUE， kg·kg-1)=籽粒产量(kg·hm-2)/植株总氮素积累量

氮素偏生产力(NPFP, kg·kg-1)=籽粒产量/施入氮量(kg·hm-2)[12]

利用市场价值法，以农产品的净增加值表示各处理提供的农产品经济效益：

经济效益=籽粒产量×市场价格-生产成本[13]

其中，生产成本=机械投入+劳动成本+生产资料(农药+种子+化肥)投入，小麦价格为2.4元·kg-1，种子价格为4.5元·kg-1，尿素为3.9元·kg-1，K2O为5元·kg-1，P2O5为5元·kg-1，ZnSO4为10元·kg-1。

从经济效益中减去施用化肥所引起的氮素挥发而带来的环境污染消费，即为考虑环境成本的净经济效益[14]：

净经济效益=经济效益-环境成本

其中，环境成本=NH3挥发的环境成本+NOX排放的环境成本+N2O排放的环境成本+N淋溶的环境成本。NH3挥发、NOX排放、N2O排放、N淋溶的环境成本采用表2的模型[14]计算。

采用Excel 2016和SPSS 22.0进行数据处理。

表2 氮损失计算公式及环境成本

2 结果与分析

2.1 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦产量及其构成因素的影响

由表3可知，有机物料还田各处理均能不同程度提高小麦产量，不同有机物料处理下小麦产量表现为JZ>JF>J>CK，较CK增加了1.90%～69.64%。JZ条件下，不同施氮水平小麦产量表现为JZN1>JZN2>JZN3，即秸秆还田+菌渣处理下，随着配施氮量的增加，小麦产量呈上升趋势，可能是由于长期施加菌渣改良了麦田土壤质量，增加了麦田所能利用的最大氮量；JF条件下，JFN3处理显著高于JFN2与JFN1处理，且各施氮水平均显著高于CK，各施氮水平下小麦产量较CK增加了19.52%～31.35%，说明秸秆还田+牛粪处理下，随着施氮量的增加，小麦产量呈下降趋势；J条件下，JN2>JN1>JN3>CK，较CK分别增加了31.76%、16.98%、1.90%，即秸秆还田处理下，N2水平对小麦产量的增加效果最为显著，说明秸秆还田处理下，配施氮量过高或过低均不利于小麦产量最大限度增加。

从产量结构上分析，各处理的公顷穗数表现为JZ>JF>J>CK，小穗数表现为JF>JZ>J>CK，穗粒数表现为JZ>J>JF>CK。JZ条件下，小麦的公顷穗数、小穗数、穗粒数均在N1水平达到最大，与产量结果一致，说明JZN1处理通过显著增加小麦公顷穗数、小穗数、穗粒数来提升小麦产量；JF条件下，N1水平时小麦的公顷穗数与穗粒数达到最大，小穗数在N2水平时最大；J条件下，小麦的小穗数与穗粒数在N2水平时达到最大值，公顷穗数在N3水平时最大。有机物料还田各处理的千粒重均显著低于单施化肥处理，即与单施化肥相比，有机物料还田处理并不能有效增加小麦的千粒重。综上所述，有机物料还田处理主要通过提高小麦的公顷穗数和穗粒数来提高小麦的产量。

2.2 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦氮素积累及利用的影响

2.2.1 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦植株地上部全氮及总氮素积累的影响 由图1可知，小麦植株地上部全氮含量表现为JF>J>CK>JZ，即与单施化肥相比，秸秆还田+牛粪处理最有利于小麦植株地上部全氮含量的增加。JF条件下，仅N2水平的植株全氮含量显著高于CK，N1与N3水平均与CK无显著差异，说明秸秆还田+牛粪处理下，N2水平最有利于小麦植株地上部全氮含量的增加；J条件下，各施氮水平植株全氮含量表现为JN1>JN3>JN2，但均与CK无显著差异；JZ条件下，各施氮水平间无显著差异，且均与CK无显著差异，说明与单施化肥相比，秸秆还田与秸秆还田+菌渣处理均不能有效增加小麦植株地上部全氮含量。

由图2可知，不同有机物料处理下小麦植株地上部的总氮素积累整体表现为JF>JZ>J>CK。JF条件下，最高的JFN2处理较CK增加了58.82%，最有利于小麦植株地上部总氮素积累，JFN3与JFN1处理分别较CK增加了15.39%和3.7%；JZ条件下，各施氮水平均显著高于CK，表现为JZN1>JZN3>JZN2>CK，较CK增加了22.71%～25.88%，说明秸秆还田+菌渣处理能够很好地增加小麦植株地上部总氮素积累量；J条件下，JN1处理显著高于CK，JN2、JN3处理显著低于CK，说明仅秸秆还田时，N2、N3水平不能有效地增加小麦植株地上部总氮素积累。综上所述，有机物料还田处理虽然不能有效增加小麦植株全氮含量，但可以显著增加小麦植株总氮素积累量，且以JFN2处理的增加效果最显著。

2.2.2 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦氮素利用的影响 植株的氮素利用效率与植株的产量及总氮素积累量密切相关。由图3可知，不同有机物料还田处理下植株氮素利用效率表现为J>JZ>JF>CK。J条件下，JN2>JN3>JN1，JN1处理的植株氮素利用效率显著低于CK，可能是由于JN1处理下小麦植株总氮素积累量较高，小麦植株的营养生长过于旺盛而影响了籽粒的积累；JZ条件下，各施氮水平氮素利用效率表现为JZN1>JZN2>JZN3，与产量趋势一致，即随着配施氮量的增加，小麦氮素利用效率也增加；JF条件下，JFN1与JFN3处理无显著差异，仅植株总氮素积累量最高的JFN2处理显著低于CK。

有机物料还田配施氮肥能够显著增加小麦的氮素偏生产力，各处理下小麦的氮素偏生产力均显著高于CK，整体表现为JZ>JF>J>CK。JZ条件下，JZN1>JZN3>JZN2，较CK分别增加了88.49%、82.24%和63.48%，说明秸秆还田+菌渣处理可以显著增加小麦的氮素偏生产力，且以N1水平最佳；JF条件下，氮素偏生产力表现为JFN3>JFN2>JFN1>CK，即秸秆还田+牛粪处理下，随着配施氮量的增加，小麦的氮素偏生产力降低；J条件下，JN2>JN3>JN1，较CK增加了29.98%～64.70%，即秸秆还田处理的N2水平最有利于增加小麦的氮素偏生产力。

表3 各处理下小麦产量及其构成因素

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。Notes: The different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05)， the same below.图1 各处理下小麦地上部植株全氮Fig.1 Total nitrogen of wheat above-ground plant with different treatments

图2 各处理下小麦地上部总氮素积累Fig.2 Total N accumulation of wheat above-ground plant with different treatments

2.3 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦经济效益及净经济效益的影响

由表4可知，不同有机物料处理下的经济效益表现为JZ>J>JF>CK。JZ条件下，JZN1>JZN2>JZN3，表现出与产量相同的趋势，随着施氮量的增加，经济效益逐渐增加；J条件下，JN2>JN1>JN3，N2水平下经济效益最高，较CK增加了59.35%；JF条件下，由于生产成本较高，因此虽然JF处理的产量高于J处理，但其经济效益低于J处理，随着施氮量的增加，经济效益逐渐减少，与产量趋势一致。由于化肥、有机肥的成本投入存在差异，各处理的生产资料均不相同，表现为JF>JZ>CK>J。JF与JZ处理存在有机肥成本问题，因而生产资料较高，CK由于施用无机化肥较多，所以生产资料略高于J处理。有机肥的施用伴随着机械投入及人工劳动成本的增加，故而各有机物料还田处理生产成本均高于对照。

净经济效益是指从经济效益中减去施用化肥所引起的氮素挥发而带来的环境污染消费，具有一定的环境友好性。如表4所示，不同有机物料处理下的净经济效益表现为JZ>J>JF>CK，与经济效益表现出相同的趋势。JZ条件下，JZN1>JZN2>JZN3，虽然随着施氮量的增加，环境成本也增加，但环境成本的增幅远小于经济效益的增幅，因此随着施氮量的增加，麦田的净经济效益呈增加趋势；J条件下，JN2>JN1>JN3，各施氮水平间差异显著，分别较CK增加了96.35%、47.83%和14.89%；JF条件下，JFN3>JFN2>JFN1，随着施氮量的减少，环境成本降低而经济效益增加，故JF处理下，随着施氮量的减少，净经济效益增加。

图3 各处理下小麦氮素利用效率及氮素偏生产力Fig.3 The N utilization efficiency and N partial factor productivity with different treatments

表4 各处理下麦田经济效益及净经济效益

3 讨 论

3.1 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦产量的影响

相关研究表明，有机肥与无机肥配施可以调节土壤营养环境，提高土壤保水性和保肥性，增加土壤养分的有效性，降低土壤酸度，最终提高作物产量[15]。孙宁科等[16]认为，有机肥与无机肥长期配施能够增加作物的产量及产量稳定性。谢军等[8]的研究表明，有机肥氮替代50%的化肥氮能够明显增加玉米的产量。有机肥氮替代化肥氮之所以能够增产，可能是由于其能够改善土壤中氮素的供应过程，使土壤养分能够平稳释放[17-18]。以上研究与本研究结果一致，在本研究中，有机物料还田下减施氮肥能够显著增加小麦的产量，不同有机物料下小麦的产量表现为JZ>JF>J>CK，JZN1处理与CK相比增加了69.64%，增产效果最为显著。JZ条件下，N1水平时小麦产量最高；JF条件下，N3水平时小麦产量最高；J条件下，N2水平时小麦产量最高。可能是由于秸秆中含有大量的养分，N1与N3水平对于秸秆还田处理来说，氮肥施用量过高或过低，而N2水平较为合适，能够更好的促进小麦增产；JZ条件下，由于菌渣中存在大量的微生物，可以加速有机物料的分解，增加土壤酶的活性，增加作物对氮的积累及利用，因此在N1水平下产量达到最高[19-20]；JF条件下，牛粪中也存在大量的微生物，能够有效改良土壤状况，但牛粪中氮的含量是菌渣中的3.3倍，因此氮投入量较JZ大大增加，故在N3水平时产量达到最高。

3.2 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦氮素利用的影响

有机肥配施氮肥可以提高土壤含氮量，使小麦吸收的有效氮相对提高，增加小麦植株氮含量[21-22]。高洪军等[23]研究表明，有机肥与化肥配施能够提高作物的氮素积累量、偏生产力和氮收获指数。张广凯等[24]的研究表明，猪粪配施尿素能够增加作物的氮素积累及氮素利用，有机肥与氮肥配施可以提高作物对氮素的吸收率，这可能是由于有机肥与氮肥配施改善了土壤的氮素供应特性，促进了作物对氮素的吸收。本研究结果表明，长期不同施肥模式下小麦的植株总氮素积累表现为JF>JZ>J>CK，与前人研究结果基本一致。植株的氮素利用效率表现为J>JZ>JF，与植株总氮素积累相反，可能是由于随着有机肥施用量的增加，土壤的有机碳含量及碳氮比增加，分解有机碳所用的氮的量也在增加，从而发生与作物争氮的现象，影响作物对氮的吸收[25]。此外，大量研究结果也表明，有机肥处理下减施氮肥能够提高作物氮素吸收及积累[26-29]，本研究也表明有机肥处理下减施氮肥能够明显增加小麦的植株氮素积累、氮素利用及氮素偏生产力，从而增加小麦的产量，这与陈志龙等[30]的研究结果一致。

3.3 不同有机物料还田下减施氮肥对小麦经济效益、净经济效益的影响

诸多研究表明，施用有机肥可以提高多种作物的产量及经济效益。王晓娟等[31]在旱地施有机肥对土壤水分和玉米经济效益影响的研究中发现，施用鸡粪可以明显改善农田土壤水分状况、显著提高玉米的产量及经济效益。彭廷等[32]的研究表明，有机肥的种类不同对水稻产量的影响也不同，但均能提高水稻的产量及经济效益，施用沼液对水稻经济效益的提升效果最显著。本研究结果表明，秸秆还田+菌渣处理比单施化肥处理的经济效益提高了39.65%～123.49%，对麦田经济效益的提升最为显著，与前人的研究结果相符。经济效益与麦田的产量和施肥投入有关，本研究中，产量表现为JZ>JF>J，但由于菌渣和牛粪的价格与运输成本均较高，故秸秆还田+牛粪处理的经济效益反而低于秸秆还田处理，而秸秆还田+菌渣处理产量较高，因此减去生产成本后仍居首位。

净经济效益是指从经济效益中减去施加尿素所引起的氮素挥发而带来的环境污染，此处的氮素挥发包括氨挥发、NOX挥发、NO2挥发、氮淋溶，这些氮素挥发所带来的环境费用包括：对生态系统的损害、对人类健康的损害、对温室效应的影响3个方面，本文中的环境费用是这3项的和[33-35]。本研究中，各有机物料还田处理下，环境成本均表现为CK>N1>N2>N3，去除环境成本后的净经济效益表现为JZ>J>JF，秸秆还田+菌渣处理下，N1水平虽然对环境不太友好，但其增产效应明显，因此JZN1处理的净经济效益最大。将环境因素考虑在内时，JFN3处理虽然净经济效益不是最高，但仅低于JZN1处理，因此JFN3处理既可以显著增加麦田的经济效益，又表现出了环境友好性。

4 结 论

与单施化肥相比，长期有机物料还田可以有效提高小麦的氮素利用效率，增加小麦的产量、经济效益及净经济效益。JZ处理对小麦产量的提高最为显著，其次为JF，最后为J。JZ条件下，N1水平的小麦产量、经济效益、净经济效益最高；JF条件下，N3水平对小麦的增产作用最为显著，且经济效益和净经济效益最高；J条件下，N2水平的小麦产量最高，经济效益及净经济效益达到最大。综上所述，JZN1处理可以实现产量及经济效益的最大化，而JFN3处理既可以保证经济效益的提高，又对环境友好，因此建议豫北地区在减施纯氮30%的前提下，采用秸秆+牛粪的有机物料还田方式。