在陇东黄土旱塬覆盖黑垆土大田, 利用陇鉴301进行了连续10年的定位试验, 观测长期施用不同氮源有机肥(发酵有机肥、农家肥)或小麦秸秆还田各处理对冬小麦产量相关性状和水分利用效率的影响。结果显示, 小麦产量和水分利用效率年际间变化较大, 与降雨量有直接关系; 不同有机氮源替代部分含氮化肥处理对提高冬小麦产量和水分利用效率具有明显作用。在干旱、平水和丰水年型, 较不施肥对照分别增产53.1%~103.7%、40.3%~79.3%和73.1%~94.8%, 较单施化肥对照分别增产6.6%~41.8%、7.0%~36.8%和-2.9%~9.3%。以发酵有机肥做替代物处理的产量和水分利用效率最高, 增产幅度最大, 10年平均产量较不施肥和单施化肥对照分别增加88.9%和25.4%, 水分利用效率和边际水分利用率也最高, 分别为10.8 kg mm-1 hm-2和1.03 kg m-3; 并且产量构成因素和植株生理指标也优于其他处理。因此, 发酵有机肥是陇东半湿润偏旱雨养农业区(年降水量约550 mm)冬小麦生产上替代部分含氮化肥的首选有机氮源。
The objective of this study was to find the possibility of organic fertilizers replacing partial chemical fertilizer continuous winter wheat cropping system through evaluating yield and water use efficiency (WUE). Using winter wheat variety “Longjian 301”, we carried out a ten-year field experiment in the Loess Plateau of eastern Gansu province with two controls (no-fertilizer and chemical fertilizer) and three treatments of organic fertilizer (fermented organic fertilizer, farm manure, and wheat straw) replacing partial chemical fertilizer. The yield and water use efficacy of winter wheat varied greatly across years, with a direct effect of precipitation amount on them. Organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer had positive effects on winter wheat yield and WUE, and the yield-increased rates were 53.1%-103.7%, 40.3%-79.3%, and 73.1%-94.8% over the no-fertilizer control and 6.6%-41.8%, 7.0%-36.8%, and -2.9% to 9.3% compared with chemical fertilizer control in dry, normal and wet year, respectively. Among all treatments, the fermented organic fertilizer treatment showed the highest yield and WUE, as well as the largest yield-increased rate. In this treatment, the average yield of 10 years increased by 88.9% and 25.4% compared with no-fertilizer and the chemical fertilizer controls, respectively, and WUE and marginal water use efficiency were 10.8 kg mm-1 hm-2 and 1.03 kg m-3, respectively. Meanwhile, the yield components and plant physiological parameters in this treatment were also superior to those in other treatments. As a result, we suggest fermented organic fertilizer replacing partial chemical fertilizer in the semi-humid rain-fed area of eastern Gansu province, where annual precipitation is around 550 mm.
20世纪80年代以来, 我国农田大量使用化肥, 对提高粮食总产、解决粮食安全问题做出了巨大贡献[1]。在黄土旱塬区, 近几十年来过量施用化肥、不施或少施农家肥致使作物养分需求失衡, 降低了土壤和环境的养分供应能力, 还造成低资源利用率和高环境风险[2, 3, 4, 5], 成为区域农业可持续发展的关键科学问题, 倍受关注。2015年, 国家农业部关于《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的通知, 提出了合理利用有机养分资源, 有机无机相结合, 部分替代化肥减量增效目标, 使有机氮源部分替代化肥的研究成为农业科技界关注的热点问题之一[6]。如何在水分限制条件下, 通过合理有机无机配施提高作物产量和水分利用效率一直是国内外, 特别是我国北方黄土旱塬区可持续农业研究的重点。已有研究表明, 水分和养分是影响黄土旱塬农业生产的主要胁迫因子[7], 水分能提高养分的有效性[8], 养分反过来增加作物产量和水分利用效率[9]。区域内相关的长期定位试验研究也表明, 有机肥在一定程度上能协调作物需水与土壤供水之间的矛盾, 有机肥和化肥配施对作物增产效果显著[10, 11]。英国洛桑试验站100多年的小麦连作定位试验结果也证明了厩肥和化肥配施可显著增加小麦产量[12]。但有机氮源部分替代化肥对陇东旱塬冬小麦生产及其产量影响的研究报道还很少见。因此, 本文基于本课题组在陇东黄土旱塬开展的连续10年(始于2005年)的定位试验的研究结果, 旨在探索不同类型有机氮源部分替代含氮化肥后冬小麦产量和水分利用效率的变化, 明确不同氮源有机肥对农田生产力可持续性的影响, 以及适合该地区替代化肥的有机氮源类型。
甘肃省庆阳市镇原县(35º 29′ 42′ ′ N, 107º 29′ 36′ ′ E)农业部西北植物营养与施肥科学观测试验站, 土壤类型为发育良好的覆盖黑垆土。该区多年年均降雨量540 mm, 其中7月至9月份占60%, 年蒸发量1532 mm, 年均气温8.3 ℃, 无霜期170 d, 海拔1279 m, 为暖温带半湿润偏旱大陆性季风气候, 属典型的旱作雨养农业区。试验期内年均降雨量500.9 mm, 冬小麦生育期平均降雨量197.3 mm。10年试验期内, 干旱、平水和丰水年份分别是2、5和3年(表1)。
试验采用随机区组设计, 小区面积24 m2 (4 m × 6 m), 3次重复。2005— 2015年连续10年设一个不施肥处理(CK1)和4个等量氮、磷养分处理(表2), 每年均施入化肥和不同氮源有机肥(发酵有机肥、普通农家肥、小麦秸秆)。化肥中氮肥为尿素(含N 46%), 基追比为7∶ 3, 追肥于返青期施入; 磷肥为过磷酸钙(含P2O5 12%), 一次性基施, 不施钾肥; 发酵有机肥为酵素饼, 由菜籽饼发酵而成, 含纯N 5.0%、P2O5 2.5%、有机质≥ 50%、有益生物活性菌≥ 2× 108个 g-1、腐殖酸≥ 10%; 普通农家肥为干土粪, 平均养分含量为有机质14.7%、纯N 0.27%、P2O5 0.25%; 小麦秸秆(含纯N 0.93%, P2O5 0.36%)于夏休闲期结合土壤耕翻施入。依据当地实际情况和经济因素确定农家肥施用量, 除小麦秸秆外, 其他有机氮源作为基肥播前一次性施入。
为了有效控制因品种差异导致的试验结果误差, 本试验采用同一冬小麦品种“ 陇鉴301” 连作, 该品种具有耐连作、抗逆性强、丰产性好的特性, 是常用的指示作物品种。播量187.5 kg hm-2, 播期为9月中下旬, 收获期为翌年6月下旬, 其他栽培管理措施相同。
1.3.1 水分利用效率(WUE)计算方法 小麦播前和收获时分别用土钻取土烘干称重测定每个小区0~2 m土层的土壤含水量, 每20 cm为一个测定层。小麦生育期降雨量通过MM-950自动气象站记录仪获得。利用土壤水分平衡方程计算每个小区作物耗水量(ET)。ET = 播前土层土壤贮水量 - 收获后土层土壤贮水量 + 生育期降雨量; WUE = 小麦籽粒产量(kg hm-2) / 耗水量(mm)。边际水分利用效率(kg m-3)指单位耗水量的增加所引起的产量增量。
1.3.2 冠层温度 2014年于小麦灌浆中后期, 采用国产BAU-1型手持式红外测温仪测定冠层温度, 分辨率为0.1℃, 响应时间为2~3 s, 选择晴朗无云的天气测定各小区的CT值, 重复30次。
1.3.3 光合参数 2014年在冬小麦灌浆中后期, 采用地面遥感光谱仪Greenseeker (美国), 选择晴朗无雨的上午测定植被归一化指数(normalized difference vegetation index, NDVI)。在晴好天气下, 采用Li-6400光合测定仪(Li-Cor, 美国)测定旗叶的光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr), 每小区测定长势一致的3个植株标记旗叶的光合参数, 每片旗叶重复读取3个观测值, 取其平均值。
1.3.4 产量 成熟期按小区实收计产, 于水泥晒场自然风干, 70℃烘干12 h, 然后折算成公顷产量。
采用Microsoft Excel 2010软件处理数据和绘图, 用DPS 7.05软件统计分析, 用最小显著极差法(LSD)进行多重比较。
冬小麦产量以T1处理最高, 不施肥的CK1处理最低; 各处理的产量随年限变化明显不同, 随施肥年限延长, T2和单施化肥的CK2产量趋于接近, 而T1和T3的增产效果越来越明显(表3)。从10年的平均产量看, 表现为T1> T3> T2> CK2> CK1, 其中T1的平均产量达3804.7 kg hm-2, 较CK2和CK1分别增加25.4%和88.9%; 其次是T3, 平均产量为3495.0 kg hm-2, 较CK2和CK1分别增加15.2%和73.6%; T2产量略高于CK2, 增加2.6%。
水分利用效率与产量变化趋势一致, 处理间排序也相同, 均以T1最高, CK1最低。水分利用效率的10年平均值, 以T1处理最高, 为10.8 kg mm-1 hm-2, 较CK2和CK1分别增加27.4%和77.5%; T3处理次之, 为9.7 kg mm-1 hm-2, 较CK2和CK1分别增加13.8%和58.5%。
可见, 长期实行化肥与有机肥配施对冬小麦增产、稳产及提高水分利用效率有明显效果, 仅靠秸秆还田(T2)作为有机氮、磷的补充, 与只施用化肥(CK2)相比, 产量无显著提高, 至第9和第10年时, T2的产量还略低于CK2。与此相反, 施用有机肥T1和T2处理的产量和水分利用效率在绝大多数年份显著高于CK2, 尤其是施用发酵有机肥的T1处理。
10年试验期可分为干旱、平水和丰水年型, 不同降水年型各处理的产量表现不尽相同(表4)。在干旱年型, T1的平均产量显著高于其他处理, 与CK1和CK2相比, 增产率分别为103.7%和41.8%; T2和T3处理的平均产量接近, 增产率相当。在平水年型, T1、T2和T3的平均产量呈逐渐变化趋势(T1> T3> T2), 均显著高于CK1和CK2; 与CK1相比, T1和T3的增产率分别为79.3%和63.3%; 与CK2相比, T1和T3的增产率分别为36.8%和24.6%。在丰水年型, 除CK1外的各处理平均产量无显著差异, 但从产量绝对值看, 仍以T1最高, T3次之, 而T2略低于CK2; 与CK1相比, T1和T3的增产率分别为94.8%和92.9%; 与CK2相比, T1和T3的增产率分别为9.3%和8.3%。
水分利用效率变化与产量变化基本一致, 发酵有机肥处理随降水量增加, 水分利用效率呈减小趋势, 且不同降水年型不同肥料处理以T1平均水分利用效率最高, 在干旱、平水、丰水年分别为12.4、11.2、9.1 kg mm-1hm-2; CK1最低, 分别为7.8、6.1、5.0 kg mm-1 hm-2, 其中干旱年、平水年、丰水年处理T1水分利用效率较CK1和CK2分别增加60.0%、84.5%、82.0%和31.9%、36.5%、8.3%, 处理T3较CK1和CK2分别增加21.9%、65.5%、80.0%和0.5%、22.4%、7.1%。处理T2在干旱年、平水年、丰水年较CK1分别增加21.3%、38.8%、60.0%, 而较CK2在干旱年持平, 平水年增加2.7%, 丰水年减少4.8% (表5)。
随降水量增加, 不同处理的有效穗增加, 穗粒数和千粒重变化不规律。不同降水年型均以T1产量构成因素较高, CK1最低。其中不同降水年型T1处理有效穗平均为499.5× 104株 hm-2, 干旱年较平水年减少22.0%, 丰水年较平水年增加45.3%, 穗粒数平均为32粒, 干旱年较平水年减少0.3粒, 丰水年较平水年增加3.6粒, 千粒重平均为41.4 g, 干旱年较平水年增加5.1%, 丰水年较平水年增加13.6% (表6)。
2014年测定了冬小麦植株和群体的生理参数。冠层温度和植被归一化指数(NDVI)在不同处理间差异显著, 均以T1处理最高, 其中冠层温度较CK1和CK2分别增加2℃和0.6℃, 而NDVI较CK1和CK2分别增加89.5%和56.5%; 光合速率、气孔导度和蒸腾速率也显示T1高于其他处理, 较CK1分别高27.9%、63.6%和63.6%, 较CK2分别高65.9%、66.7%和56.3% (表7)。2013— 2014为丰水年型, 小麦群体较大, T1的有效穗数显著高于其他处理, 且处理间差异明显大于干旱和平水年型, 因此认为, T1的增产原因可能与发酵有机肥延缓植株衰老, 提高叶片光能利用率, 促进冬小麦生长发育有关。
不同降水年型各处理的产量与相应耗水量存在显著或极显著的线性相关关系(图1)。各处理的边际水分利用效率排序为T1 (1.03 kg m-3) > T3 (0.95 kg m-3) > CK2 (0.87 kg m-3) > T2 (0.85 kg m-3) > CK1 (0.59 kg m-3), T1较CK2和CK1分别高18.4%和74.6%, 说明T1在提高单位水分利用效率中的作用最明显。
关于长期肥料试验的增产作用, 沈善敏[11]在总结包括英国Rothamsted试验站、美国Morrow试验站在内的国内外众多长期定位试验后得出结论, 不论有机肥料还是化学肥料, 对所有作物均具有明显的增产效果, 作物增产幅度因有机肥和化肥的种类及其投入量而有差异。Fan等[14]在类区黑垆土上实施的始于1979年的肥料长期定位试验结果显示, 长期施用化肥冬小麦产量随着试验年限的延续逐渐降低, 而化肥配合有机肥则使产量表现增长趋势[15, 16]。在本研究中, 除个别丰水年型外, 3个有机氮源处理均比单施化肥的CK2增产, 增产幅度以总施氮量一致的施用发酵有机肥(T1)处理最大, 且与其他处理差异显著; T1的增产效应在干旱、平水和丰水年型表现一致, 较CK2的平均增产率达29.3%。增产的原因可能是发酵有机肥养分释放快, 及时替代了部分化肥氮, 保证了作物氮素养分的足量供给, 充分发挥了有机无机肥配施互促增效作用, 而非增加养分总投入。
秸秆还田、普通农家肥和发酵有机肥是目前陇东旱塬广泛应用的有机肥种类。秸秆还田的增产作用已经被证实[17, 18], 但也有导致小麦减产的报道[19, 20]。秸秆还田必须补充氮肥, 否则会因土壤C/N比失衡而降低土壤供肥能力[21]。秸秆还田的增产作用也因作物和种植制度不同而表现不同[22, 23], 并与播种质量、土壤墒情、土壤温度和养分等因素有关[24]。其中, 水分条件是秸秆在土壤中腐解的决定性因素之一[25]。本研究结果显示, 小麦秸秆作为替代有机氮源, 与施用等量氮磷化肥处理相比, 冬小麦产量在干旱年和平水年表现为增加的正向效应, 而在丰水年表现为略微减产的负向效应, 其原因可能是降水充沛年份, 光照减少, 温度降低, 再加上秸秆腐解消耗部分氮肥, 造成氮素不能满足冬小麦持续增产对氮素养分的需求, 导致小麦光合速率降低, 最终减产, 但需要进一步研究证实。本研究中秸秆还田的增产作用次于发酵有机肥和普通农家肥, 排第3位。
施用普通农家肥是陇东旱塬最古老传统的土壤培肥措施, 增产效果已众所周知[26, 27]。本研究中施用普通农家肥40 000 kg hm-2的处理(T3), 产量仅次于发酵有机肥, 位居第2。在多数年份与施用发酵有机肥处理(T1)产量无显著差异, 平均产量较CK1和CK2分别高73.5%和15.2%。
发酵有机肥与普通农家肥相比, 具有腐熟彻底, 养分含量损失少易释放, 无臭味, 且含有大量有益微生物, 肥效长, 施用更方便等优点[28], 近年来应用越来越广泛。本研究表明, 发酵有机肥可作为有机氮替代源长期施用, 对冬小麦的增产、稳产作用明显, 在3种氮源有机肥中增产效果最显著, 平均较氮磷化肥对照(CK2)增产25.4%, 较不施肥对照(CK1)增产88.9%, 且产量构成因素和生理生态指标均较优, 进一步说明发酵有机肥配施化肥能增加冬小麦的稳产性和丰产性。本研究结果还表明, 采用不同有机氮源替代部分含氮化肥基本能满足冬小麦高产需要的养分供给, 具有明显的增产作用。但有机肥成分复杂, 本试验各处理只对总氮、总磷进行控制, 未考虑其他成分, 处理间产量差异是否与有机、无机肥的配施比例和养分平衡有关, 尚需进一步试验研究。
改善水分供应状况是旱作农业可持续发展的关键[29]。施用有机肥可充分改善土壤理化性状、增加土壤水库库容, 抑制土壤水分无效蒸发、增加降水入渗、提高土壤有效水含量和作物水分利用率, 协调作物需水与土壤供水之间的矛盾, 对旱地农业持续增产具有重要意义[30]。增施有机肥能显著提高冬小麦的水分利用效率[14, 24, 27, 31, 32, 33, 34]。本研究结果显示, 无论何种降水年型, 发酵有机肥处理的水分利用效率和边际水分利用效率均最高, 分别为10.8 kg mm-1 hm-2和1.03 kg m-3, 较CK1分别增加77.5%和74.6%, 较CK2分别增加27.4%和18.4%, 印证了上述结论。
在550 mm降雨量的陇东半湿润偏旱雨养农业区, 不同氮源有机肥替代部分含氮化肥均对冬小麦稳产性具有积极作用, 主要通过增加作物养分供给, 促进作物生长, 使冬小麦有效穗数增加而增产。其中, 发酵有机肥部分替代无机氮, 平均产量和水分利用效率在3个有机氮源中最高, 较单施化肥处理分别提高25.4%和27.4%, 且在各种降水年型表现稳定; 普通农家肥替代处理的平均产量和水分利用效率次之, 较单施化肥处理分别提高15.2%和13.8%; 而小麦秸秆翻压还田替代处理平均产量最次, 较单施化肥处理提高2.6%, 水分利用效率相当, 但年际间变异较大。本研究结果表明, 有机氮源替代部分无机氮在陇东旱塬冬小麦丰产栽培中具有重要的推广应用价值, 可以认为是国家“ 一控(水)、两减(化肥和农药)、三基本(畜禽粪便、秸秆、地膜)” 绿色农业发展战略中“ 替代减量” 的重要措施。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.
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