Effects of Organic Fertilizer Instead of Chemical Fertilizer on Yield,Quality and Nitrogen Efficiency of Wheat

Lihua LÜ, Haipo YAO, Zhimin CAO, Jingting ZHANG, Yanrong YAO, Xiuling JIA

Acta Agric Boreali Sin ›› 2022, Vol. 37 ›› Issue (6) : 166-172. DOI: 10.7668/hbnxb.20193206
Resources & Environment·Plant Protection

Effects of Organic Fertilizer Instead of Chemical Fertilizer on Yield,Quality and Nitrogen Efficiency of Wheat

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Abstract

It explored the ratio of organic fertilizer replacing nitrogen fertilizer in the piedmont plain of Hebei Province,in order to provide a basis for reducing the amount and increasing the efficiency of nitrogen in wheat in this area.Field experiments were carried out in Boyuan farm in Yongnian,Hebei Province for two consecutive years,and five organic and inorganic fertilizer combination treatments were set up.The results showed that organic fertilizer instead of 20% and 40% chemical fertilizer could significantly improve the number of grains per spike and yield.Compared with the high nitrogen and saving nitrogen treatment of single chemical fertilizer application,the yield increased by more than 4.0%,and the number of grains per spike increased by 3.6—5.6.Most of the grain quality indexes for organic fertilizer instead of 20% and 40% chemical fertilizer treatment,and saving nitrogen treatment were better,and the stabilization time increased by 2.2—2.7 min,the tensile area increased by 10.5—17.5 cm2,and the maximum tensile resistance increased by 28.0—75.5 EU.Various nitrogen efficiency indicators of treatment for organic fertilizer instead of 20% were higher.The nitrogen fertilizer efficiency,nitrogen utilization efficiency,and nitrogen harvest index increased 109.3%,9.3% and 11.3% respectively compared with high nitrogen treatment,and 6.9%,8.5% and 8.3% respectively compared with the saving nitrogen treatment.When organic fertilizer replaced chemical fertilizer in different proportions,nitrate nitrogen in 0—20 cm soil appeared "surface accumulation",and the content of nitrate nitrogen increased,which was more than 38.5% higher than that of the saving nitrogen treatment.The nitrate nitrogen in 20—40 cm soil was significantly higher for the saving nitrogen treatment and the high nitrogen application treatment.Organic fertilizer instead of 20% nitrogen fertilizer treatment had the best yield and grain quality,significantly improve the nitrate nitrogen content in 0—40 cm soil,improve the nitrogen absorption and utilization of wheat,and finally obtain higher environmental benefits.

Key words

Wheat / Organic fertilizer / Chemical fertilizer / Yield / Grain quality

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Lihua LÜ , Haipo YAO , Zhimin CAO , Jingting ZHANG , Yanrong YAO , Xiuling JIA. Effects of Organic Fertilizer Instead of Chemical Fertilizer on Yield,Quality and Nitrogen Efficiency of Wheat. Acta Agriculturae Boreali-Sinica. 2022, 37(6): 166-172 https://doi.org/10.7668/hbnxb.20193206
目前,氮肥超量施用带来了一系列的问题,包括氮肥效率逐渐下降、温室气体过度排放[1]、农田生态环境污染、土壤质量恶化、农产品品质降低[2-3]等负面影响。有研究表明,增施有机肥、减施化肥可改善土壤肥力状况及生态环境,从而提高作物对养分的吸收利用,促进作物增产[4⇓⇓-7]。因此,有机肥替代氮肥管理越来越受到人们的重视[8⇓-10]。研究表明,有机与无机肥配施一方面可增加小麦产量[11⇓-13];另一方面可使小麦蛋白质含量增加,籽粒品质明显改善[14];同时可改善土壤的物理化学性状,促进根系发育,提高氮肥回收效率[15⇓-17]。有机肥与化肥配施对土壤培肥、作物产量、籽粒品质等方面的研究已有很多报道,但不同来源的有机肥养分含量差异大,有机肥替代比例不能一概而论。
针对上述问题,本研究通过有机肥(牛粪)对氮肥的养分替代量,明确有机肥替代氮肥的替代比例以及不同替代比例下小麦产量、品质和氮肥吸收利用的特点,以期为有机肥替代氮肥减量增效技术提供技术依据,并为小麦绿色优质高效生产提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年10月至2020年6月连续2 a在河北省永年区博远农场(114.72 E,37.93 N)进行,土壤类型为偏黏土,肥力较高。试验地0~20 cm耕层土壤养分含量有机质22.5 g/kg,全氮0.88 g/kg,全磷0.5 g/kg,有效磷22.8 mg/kg,有效钾247.5 mg/kg。

1.2 试验设计

供试小麦品种济麦44。试验采用完全随机试验设计,3次重复,小区面积36 m2,15 cm等行距播种,基本苗440万株/hm2。试验共设5个有机肥和氮肥配合处理:T1.高氮处理,采用当地农户高施氮模式,纯N 300 kg/hm2;T2.节氮处理,纯N 150 kg/hm2;T3.20%替代率处理,用有机肥替代T2的20%化学氮肥用量处理;T4.40%替代率处理,用有机肥替代T2的40%化学氮肥用量处理;T5.60%替代率处理,用有机肥替代T2的60%化学氮肥用量处理。所有处理磷、钾用量相同,P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2,具体施肥量见表1。所有有机肥均作为基肥施用,有机肥由牛粪制成,含有45%的有机质、2.48%的纯N、0.27%的P2O5和0.96%的K2O;化学肥料为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O5 46%)、氯化钾(K2O 60%)。灌水方式采用畦灌,小麦生育期灌溉2次,分别为拔节水和开花水,单次灌水量75 mm。小麦10月8—10日播种,6月6—8日收获。其他田间管理一致。
Tab.1 Amount of organic fertilizer and chemical fertilizer in different fertilization treatments kg/hm2

表1 不同施肥处理有机肥和化肥用量

处理
Treatments		 纯氮
Nitrogen		 有机肥
Organic fertilizer		 化肥Chemical fertilizer
尿素
Urea		 过磷酸钙
Calcium superphosphate		 氯化钾
Potassium chloride
T1 300 0 652 196 150
T2 150 0 326 196 150
T3 150 1 210 261 189 131
T4 150 2 420 196 181 111
T5 150 3 630 130 174 92

1.3 测定指标及方法

1.3.1 产量及产量构成

成熟期每个小区人工收割5.4 m2(1.8 m×3.0 m),籽粒自然风干后脱粒称质量,用谷物水分测定仪测定籽粒含水量,最终折算为含水量13%的标准产量。收割前每小区收获1.11 m双行内所有植株,统计穗数,折合为单位面积穗数;随机取40穗统计穗粒数;脱粒、风干后称千粒质量,重复5次,同时测定含水量,折算为13%含水量的标准千粒质量。

1.3.2 品质指标的测定

籽粒风干后存放60 d,然后进行品质指标的测定。利用面筋仪(Glutomatic 2100,瑞典,波通公司)依据GB/T 5506.2—2008测定湿面筋含量。采用BAU-A型沉淀仪依据AACC-56-61A方法测定沉淀值。采用德国Brabender公司生产的810106002型电子粉质仪依据GB/T 14614—2006方法测定面团形成时间、稳定时间。采用德国Brabender公司86003302型拉伸仪依据GB/T 14615—2006方法测定最大拉伸阻力。

1.3.3 氮肥效率相关指标

成熟期每个小区收获1 m双行小麦,去根,植株分成籽粒和茎叶分别装袋,80 ℃烘干至恒质量,分别测定各部位干质量。然后将样品粉碎,采用半微量凯氏定氮法测定含氮量,并计算植株和籽粒吸氮量。
氮肥效率(Nitrogen fertilizer efficiency,NFE,kg/kg)=籽粒产量/当季施氮量 ①
氮素吸收效率(Nitrogen uptake efficiency,NUPE,kg/kg)=植株氮素累积量/施氮量 ②
氮素利用效率(Nitrogen utilization efficiency,NUTE,kg/kg)=籽粒产量/植株氮素累积量 ③
氮收获指数(Nitrogen harvest index,NHI)=籽粒中氮量/植物吸氮量×100% ④

1.3.4 土壤硝态氮含量

小麦收获的同时以打土钻方式采集土样,每小区取3个样点,每点取土深度40 cm,0~20 cm,20~40 cm分别装于自封袋中带回室内,立即冷冻。解冻后用0.01 mol/L的CaCl2溶液浸提,浸提液用连续流动分析仪(TRAACS-2000,BRAN+LUEBBE,德国)测定 NO3--N含量。

1.3.5 土壤养分

土壤有机质含量测定采用重铬酸钾法-外加热法,碱解氮含量测定采用扩散滴定法,全氮含量测定采用浓硫酸消煮-半微量开氏法,速效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-分光光度法,速效钾含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2007软件处理数据和绘图,采用SPSS 22.0软件进行统计分析,用最小显著性差异法(LSD)检验差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代比例对小麦产量及产量构成的影响

在第1年预试验的基础上,开展第2季的正式试验。由表2可知,有机肥替代20%化肥(T3)和替代40%化肥(T4)处理产量较高,较高氮处理(T1)分别高5.6%和4.9%,而较节氮处理(T2)分别高4.6%和4.0%,较60%替代率处理(T5)分别高6.2%和5.4%。由产量构成因素分析可知,有机肥替代氮肥主要是通过增加穗粒数来提高小麦产量,与高氮处理和节氮处理比较,穗粒数增加3.6~5.6粒。60%替代率与高氮处理产量相当,但其产量显著低于20%和40%替代率处理,主要由于穗粒数和千粒质量明显较低。可见,有机肥替代氮肥比例过高,当季氮肥肥效释放缓慢,产量未必较高。不同处理间千粒质量差异不显著,而经济系数存在显著差异,表现为有机肥替代氮肥处理经济系数显著较高,高3.4%~9.9%。结果表明,与节氮处理相比,有机肥替代20%和40%的化肥,通过提高穗粒数,可显著提高产量(P<0.05)。
Tab.2 Yield and yield components of wheat under different treatments

表2 不同处理下小麦产量及产量构成因素

处理
Treatments		 穗数/(×104/hm2)
Spike number		 穗粒数
Grain number
per spike		 千粒质量/g
Thousand grain
weight		 产量/(kg/hm2)
Grain yield		 经济系数
Harvest index
T1 612.7±35.4a 30.4±0.6b 46.0±0.4a 8 622.8±348.1b 35.6±1.4c
T2 560.3±8.5b 30.6±0.8b 47.8±1.3a 8 704.2±140.6b 35.5±1.2c
T3 553.6±15.0b 34.2±1.1a 46.6±1.5a 9 107.7±270.8a 39.0±3.0a
T4 551.9±23.4b 36.0±0.3a 46.1±0.6a 9 042.9±110.4a 37.9±2.9ab
T5 553.6±26.9b 33.8±0.7b 45.7±0.6ab 8 577.5±378.5bc 36.8±1.3ab
注:数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。表3—4同。
Note: Values followed by different lowercase letters are significantly different at P<0.05.The same as Tab.3—4.

2.2 不同有机肥替代比例对小麦籽粒品质的影响

面筋是小麦粉中所特有的一种胶体混合蛋白质,数值大了较好;沉淀指数越大,表示面筋多、形成的沉淀物多。由表3可见,14%湿基湿面筋含量和沉淀值表现为节氮处理和有机肥替代氮肥的3个处理较高,但不同处理间差异未达显著水平。稳定时间主要用来表示面粉形成面团时耐受机械搅拌的能力,稳定时间越长,说明面粉韧性越好。本试验结果表明,节氮处理和有机肥替代氮肥的3个处理小麦籽粒稳定时间显著较长(P<0.05),较高氮处理长2.2~2.7 min。拉伸面积与面包的体积大小有关,拉伸阻力表示面团筋力的大小。本试验结果表明,60%替代率处理拉伸面积显著较小(P<0.05),较其他处理低10.5~17.5 cm2,而其他施肥处理拉伸面积差异不显著;最大拉伸阻力为节氮处理和20%和40%替代率处理明显较高,较其他处理高28.0~75.5 EU,而前三者处理间差异不显著。可见,有机肥和化肥配施或节氮处理能显著提高籽粒品质。
Tab.3 Grain quality characters under different treatments

表3 不同处理籽粒品质性状

处理
Treatments		 14%湿
基湿面筋/(g/kg)
14% wet gluten		 沉淀值/mL
Precipitation
value		 稳定时间/min
Stabilization time		 拉伸面积/cm2
Tensile area		 最大拉伸阻力/EU
Maximum tensile
resistance
T1 2.98±0.19ab 37.0±0.3ab 14.0±0.9b 106.5±2.9ab 587.0±20.2c
T2 3.07±0.30a 37.8±1.5a 16.2±1.1a 110.0±6.7a 648.0±38.6a
T3 3.08±0.24a 37.9±1.9a 16.4±1.6a 113.0±3.4a 624.0±32.7a
T4 3.05±0.27a 39.0±0.9a 16.7±2.2a 106.0±6.6ab 615.0±24.6ab
T5 3.03±0.16a 38.5±1.5a 16.3±2.1a 95.5±5.4c 572.5±22.1c

2.3 不同有机肥替代比例对氮素吸收利用效率的影响

化肥主要在作物前期发挥作用,而有机肥主要在后期发挥作用,所以“有机替代”有利于籽粒的氮积累。籽粒吸氮量为20%,40%替代率处理显著较高(P<0.05),较其他处理高6.2%~10.7%,而其他处理差异不显著;其次是高氮和节氮处理较高,且二者籽粒吸氮量相当。氮肥效率指单位施氮量生产的籽粒产量,为20%,40%替代率处理显著较高,较60%替代率和节氮处理高5.4%~6.9%,而较高氮处理高107.8%~109.3%。氮素吸收效率为单位施氮量的植株氮素吸收量,本研究氮素吸收效率为节氮处理最高,其次是20%和40%替代率处理较高,再次是60%替代率处理较高,但四者差异未达显著水平,但显著高于高氮处理(P<0.05),四者分别高94.4%,92.0%,92.9%和81.7%。氮素利用效率为单位植株氮素积累量生产的籽粒产量,为20%替代率处理显著较高(P<0.05),较高氮和节氮处理高8.5%~9.3%,较40%和60%替代率处理高4.9%~6.1%,而后4个处理间差异不显著。氮收获指数为单位植株吸氮量转移到籽粒中的氮量,为20%替代率处理显著较高(P<0.05),较高氮和节氮处理高8.3%~11.3%,较40%和60%替代率处理高5.4%~10.4%,其次是40%替代率和节氮处理较高,较其他处理高2.0%~5.6%(表4)。可见,有机肥替代20%氮肥处理各项氮吸收利用指标较优,可为推荐的替代比例。
Tab.4 Nitrogen uptake and utilization under different treatments

表4 不同处理下小麦氮素吸收利用效率

处理
Treatments		 籽粒吸氮量/
(kg/hm2)
NUG		 氮肥效率/
(kg/kg)
NFE		 氮素吸收效率/
(kg/kg)
NUPE		 氮素利用效率/
(kg/kg)
NUTE		 氮收获指数/%
NHI
T1 211.9±9.0b 29.0±3.6c 1.13±0.11c 25.6±2.6b 62.2±1.9c
T2 211.8±13.1b 56.8±2.1b 2.21±0.16a 25.8±2.1b 64.0±1.6b
T3 225.7±12.6a 60.7±3.0a 2.17±0.17a 28.0±1.4a 69.3±2.2a
T4 225.0±14.2a 60.3±2.6a 2.18±0.14a 26.4±0.9b 65.7±2.3b
T5 203.8±17.5bc 57.2±3.2b 2.06±0.16ab 26.7±2.0b 62.8±2.2c

2.4 不同有机肥替代比例对土壤硝态氮含量的影响

由图1可见,在0~20 cm耕层土壤中,硝态氮含量大小表现为T5>T1>T4>T3>T2,60%替代率处理硝态氮含量最高,较节氮处理高88.9%,较替代率20%和40%的处理分别高36.4%和32.5%,而与高氮处理土壤硝态氮含量差异不显著;而替代率20%和40%的处理较节氮处理高38.5%~42.5%。不同施氮量比较,高氮处理较节氮处理土壤硝态氮含量增加84.6%。20~40 cm土壤中规律不同,硝态氮含量大小表现为T1>T2>T5>T4>T3,为高氮处理土壤硝态氮含量最高,较节氮处理高16.4%;相同施氮量下各处理比较,节氮处理硝态氮含量最高,较替代率60%的处理高9.2%,但二者差异不显著,二者较替代率20%的处理硝态氮含量分别高81.7%,26.8%,较替代率40%的处理分别高71.4%,16.1%。可见,有机肥替代氮肥能增加0~20 cm浅层土壤硝态氮的积累,使土壤硝态氮出现表聚现象,从而增加对氮素的吸收利用,一定程度减少深层土壤硝态氮渗漏,降低了硝态氮向下层淋溶的风险。
Fig.1 Soil nitrate nitrogen content in different treatment at maturity stage
Different small letters show significant difference at the 0.05 probability levels in different treatments.

图1 不同处理成熟期土壤硝态氮含量

不同小写字母表示处理间在0.05水平差异显著。

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3 结论与讨论

关于有机肥替代化肥的最佳替代率的报道较多,但结果并不一致。有学者认为,75%有机肥与25%的化肥配比效果显著[3,9],冬小麦粗蛋白含量较对照提高1.29倍[3],经济效益也明显提高[9];阚建鸾等[18]认为,30%替代率小麦产量和氮肥回收效率最高;Singh等[19]研究结果显示,25%的替代率产量增加,并且品质也得到一定的改善;张奇茹等[11]认为,40%的替代率籽粒产量显著提高。研究结果不一的主要原因可能为区域、地力、有机肥种类及试验连续年份不同。本研究在第1年预试验的基础上而开展的正式试验,连续2 a进行施肥处理,结果表明,20%替代率处理小麦产量和品质最佳,显著改善0~40 cm土壤硝态氮含量,提高小麦籽粒对氮素吸收利用,最终获得较高的产量和环境效益。
以往研究表明,有机肥替代化肥比例合适能协调生育期养分供应[1,20],避免前期旺长和后期早衰[21-22],促进幼穗分化[23],提高穗粒数,促进灌浆期干物质向籽粒转移[24],提高千粒质量,获得比单施化肥更高的产量;并在一定程度上改善作物品质。有研究认为,有机肥用量越大,其干湿面筋含量越高,籽粒面团形成时间和面团稳定时间也得到明显改善[3]。本研究结果表明,有机肥20%和40%替代氮肥小麦产量最高,较其他处理提高4.0%~6.2%,产量较高主要由于其穗粒数较单施化肥处理增加了3.6~5.6粒。籽粒品质指标则表现为节氮处理、20%和40%替代率处理较高,主要为拉伸面积、最大拉伸阻力和稳定时间较高;结果还表明,高氮处理和60%替代率处理产量并无优势,后者产量低主要原因为有机肥大量替代了速效氮肥,短期内有机肥肥效无法完全发挥,从而影响小麦氮素吸收利用,而影响到产量的提高。
“有机替代”有利于作物整个生育期籽粒氮素的积累[22],“有机替代”能促进花前养分的转移、花后养分的吸收,从而提高籽粒养分含量,提高肥料利用效率[11,25],其中氮肥的表观回收率、农学效率、偏生产力均有所提高。本研究结果表明,20%和40%替代率能显著提高籽粒氮素积累、氮肥效率和氮素吸收效率,其中籽粒吸氮量和氮肥效率较其他处理分别提高6.2%~10.7%和 5.4%~109.3%,氮素吸收效率较高氮处理提高92.0%~92.9%。20%替代率还能显著提高氮素利用效率和氮收获指数,较其他处理分别提高4.9%~9.3%和5.4%~11.3%,尤其较农民高氮处理和60%替代率处理显著提高。
以往研究表明,有机肥替代化肥可改善土壤理化性质,减少硝态氮在土壤中的残留,促进氮的吸收利用[3,5,11,26],肥料种类及用量是影响土壤硝态氮残留的重要因素。李廷亮等[27]研究表明,随施氮量的增加土壤硝态氮残留量也增加,孙波等[28]研究表明,与单施化肥相比,配施有机肥能够降低土壤中硝态氮的残留,尤其减少作物根区外的残留量。本研究结果表明,有机肥替代氮肥后土壤硝态氮聚集在表层0~20 cm,各有机肥替代处理较节氮处理土壤硝态氮含量增加38.5%以上,从而增加对氮素的吸收利用,一定程度降低了硝态氮向下层淋溶的风险,从而减少过度使用化肥造成的环境污染。而20~40 cm土层为高氮处理土壤硝态氮含量最高,较节氮处理高16.4%;相同施氮量下各处理比较,节氮处理和60%替代率处理硝态氮含量较高,较20%替代率处理高26.8%以上,较40%替代率处理高16.1%以上,说明有机肥替代氮肥可明显降低20 cm以下土层硝态氮残留量。
本研究表明,在兼顾产量、籽粒品质、环境效益因素下,连续2 a施肥条件下,有机肥替代20%氮肥处理效果最佳,能获得比节氮处理和高氮处理更高的产量;一定程度上改善作物品质,并显著改善0~40 cm土壤硝态氮含量,0~20 cm土层出现硝态氮“表聚现象”,而20~40 cm土层出现硝态氮含量降低的现象,提高小麦籽粒对氮素吸收利用,减少过度使用化肥造成的环境污染,最终获得较高的产量和环境效益。该替代率是河北山前平原麦田高效持续生产和发展绿色农业的一项重要措施。

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