化肥减量配施有机肥对小麦生长、光合和产量的影响

候丽丽，王 伟，崔新菊，周大伟，周新丽

(1.伊犁州农业科学研究所，新疆伊宁 835000；2.伊宁市农业技术推广站，新疆伊宁 835000)

化肥在增加作物产量和保障国家粮食安全上发挥了重要作用，但其不合理、盲目甚至过量施用，会造成农业生产成本增加、环境污染和资源浪费，成为制约我国农业发展的瓶颈之一[1-4]。有机肥具有增加土壤有机质含量、改善土壤生物学性状等作用[5]。研究发现，配施有机肥可以缓解单一施用化肥带来的农田面源污染问题，平衡土壤养分并促进土壤微生物活性[6-8]，进而达到作物产量增长、品质提升的效果。有关冬小麦的研究表明，不同类型有机肥与化肥配施有利于小麦稳产、高产，并显著提升小麦品质和土壤养分含量[9-10]。优化肥料施用模式，降低化肥施用量以提高肥料利用率是农业可持续发展的重要措施。

新疆维吾尔自治区现代农业(种植业)“十三五”发展规划提出坚持“区内平衡、略有结余”的发展目标，实施“藏粮于地、藏粮于技” 的发展战略。为切实落实规划目标，积极推动农业由追求产量和依赖资源消耗的粗放经营转到数量、质量与效益并重模式，必须减少化肥和农药用量，以落实化肥、农药零增长要求。小麦是新疆主要粮食作物之一，占本区粮食播种面积50%以上，进一步优化小麦发展模式以提高肥料利用率势在必行。本研究通过设置不同有机、无机肥配施比，分析等氮水平下有机肥部分替代化肥对冬小麦新冬42号生长、光合特性、产量及经济效益的影响，以期为新疆小麦生产建立环境友好的施肥模式及农业的可持续发展提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验在伊犁州农业科学研究所试验田(E81°23′，N43°56′)进行，该区属中温带半干旱大陆性气候。2019年10月至2020年7月小麦生育期间平均气温10.1 ℃，降水量273.6 mm，蒸发量957.1 mm，日照时数2 886.7 h，无霜期213 d。试验地前茬为小麦，耕作层土壤pH7.56，有机质含量17.47 g·kg-1，全氮含量0.86 g·kg-1，速效磷含量39.79 mg·kg-1，速效钾含量296 mg·kg-1。

1.2 试验材料与设计

供试材料为伊犁州农业科学研究所育成的冬小麦品种新冬42号。以尿素(N含量46.4%)和当地市场上出售的商品有机肥(N 13%、P2O50%、K2O 2%、有机质>45%)作为氮肥来源，以重过磷酸钙(P2O5含量44%)和硫酸钾(K2O 含量52%)作为磷肥、钾肥来源。试验采用完全随机区组设计，以总氮含量相等为原则，设置5个施氮肥处理：不施氮(CK)、单施尿素(CF)、有机肥替代25%尿素(CF+M25)、有机肥替代50%尿素(CF+M50)、有机肥替代75%尿素(CF+M75)，具体见表1。小区面积225 m2(15 m×15 m)，重复3次。施肥方式：磷肥(120 kg·hm-2)、钾肥(30 kg·hm-2)做基肥一次性施入，有机肥按试验设计于播种前与磷、钾肥一同基施入，尿素按试验设计按4∶6分别于播种前、拔节期施。播种量300 kg·hm-2，行距20 cm，播深3～4 cm，设置保护行，按当地滴灌大田常规管理。

表1 施肥方案

1.3 测定项目与方法

1.3.1 小麦叶面积指数测定

叶面积测定采用长宽系数法(长×宽× 0.83)，于小麦盛花期，选取长势一致的主茎穗100株挂牌标记，每7 d选取标记植株10株，用尺子量取所有绿色叶片的长和宽并称重，计算叶面积指数和比叶重。

1.3.2 小麦旗叶光合参数测定

于小麦盛花期开始，每7 d每个小区选取10株标记植株，用Ciras3便携式光合仪测定旗叶光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、胞间CO2浓度(Ci)、蒸腾速率(Tr)。

1.3.3 叶绿素相对含量(SPAD值)的测定

于小麦盛花期开始，每7 d用SPAD-502型叶绿素计测标记植株20株的旗叶SPAD值，取平均值。

1.3.4 冬小麦干物质积累量、产量测定

成熟期每小区取标记植株10株，分为叶鞘、茎、颖壳、籽粒四个部分，105 ℃下杀青30 min，80 ℃烘24 h，称干重，计算不同部分的干物质积累量。每小区取10 m2实打实收，计算产量。3次重复。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010进行数据整理，用DPS 7.0、SPSS 23.0进行数据统计分析，用Orgin 2018 作图。

2 结果与分析

2.1 化肥减量配施有机肥对冬小麦生长相关指标的影响

由表2可知，尿素(CF)与尿素和有机肥配合施用各处理之间的小麦株高和叶面积指数均无显著差异，但均显著大于CK。与CF相比，CF+M25处理使小麦叶片的比叶重显著增加，增幅为3.7%，继续减少CF施用量则比叶重呈降低趋势。随CF施量减少，小麦单株分蘖数呈先增后减趋势，以CF+M50处理单株分蘖数增幅最大(7.89%)，且与CF处理差异显著。以上结果说明，化肥适当减量配施有机肥对小麦生长部分指标有显著影响，化肥减量50%配施等氮含量的有机肥可显著提高小麦分蘖能力，为稳定小麦产量奠定基础。

表2 不同施肥处理对小麦生长的影响

2.2 化肥减量配施有机肥对冬小麦花后旗叶SPAD值的影响

旗叶 SPAD 值是反映小麦旗叶光合能力的重要指标。随生育进程的推移，不同施肥处理冬小麦旗叶的SPAD值均呈先增加后降低的趋势，在花后14 d达到峰值(图1)。CF+M50和CF+M75处理旗叶 SPAD 值在整个灌浆期间均高于其他处理，但与CF处理间差异不显著，说明一定比例的化肥减氮配施有机肥不影响冬小麦旗叶光合能力。所有施肥处理的小麦旗叶SPAD值均显著高于CK。

相同时间图柱上不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.3 化肥减量配施有机肥对冬小麦旗叶光合参数的影响

由图2可知，花后随着生育进程的推进，各处理冬小麦旗叶净光合速率Pn和气孔导度Gs总体上均呈逐渐下降的趋势，整体而言，在开花中、前期各施肥处理的Pn和Gs间无显著差异，到开花后28 d，CF+M50处理的Gs显著高于CF处理，配施有机肥处理间差异均不显著，说明化肥减量配施有机肥较单施化肥可延缓小麦生育后期旗叶的衰老速度，能显著改善灌浆后期的光合效率。胞间CO2浓度Ci在整个灌浆期维持在260 μmol·mol-1左右，直到灌浆后期明显升高，最高达到312.3 μmol·mol-1，在整个灌浆中后期，各处理间Ci变化无显著性差异。不同处理的蒸腾速率Tr均随生育期推移呈先略微增加后降低的趋势，各施肥处理间的Tr差异均不显著，在花后21、28 d显著高于CK。

图2 不同施肥处理对冬小麦旗叶光合参数的影响

2.4 化肥减量配施有机肥对冬小麦各器官成熟期干物质积累和分配的影响

施肥处理的冬小麦各器官干物质积累量均显著高于CK，说明施肥可显著促进冬小麦干物质积累(图3)不同施肥处理间，茎和叶鞘的干物质积累量均表现为CF>CF+M50>CF+M25>CF+M75；穗部表现为CF+M50>CF+M25>CF>CF+M75，其中CF+M50处理的穗部干物质积累量较CF处理提高14.9%，二者差异显著。施肥对冬小麦各器官干物质分配比例也有影响，CF+M50处理穗部干物质分配比例最高，其次为CF+M25处理，且二者显著高于CF处理，说明化肥适当减量配施有机肥可促进冬小麦光合产物向生殖器官输送。

相同器官图柱上的不同字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。

2.5 化肥减量配施有机肥对冬小麦产量和经济效益的影响

施肥对冬小麦地上部生物量、产量及经济效益均有显著影响(表3)。各施肥处理的地上部生物量、籽粒产量和纯收益均显著高于CK。CF+M50处理的地上部生物量显著高于其他处理；CF+M50、CF+M25处理的产量与CF处理差异不显著，但3者均显著高于CF+M75处理。施肥处理经济收益较CK增加350.9～2 477.0 元·hm-2。化肥减量配施有机肥处理的纯收益均显著低于CF处理，其中CF+M50处理减少2.59%，CF+M25 与CF+M50处理间差异不显著，但二者显著高于CF+M75处理，这主要是因为有机肥成本高、肥效慢导致的。

表3 不同施肥处理冬小麦地上部分生物量、产量及经济效益

3 讨 论

有研究表明，北部高原地区是小麦过量施肥的高值区域[11]，而新疆作为北部小麦主产区也存在着施肥结构不合理、比例不协调、分配不平衡等问题[12-13]。减少化肥投入、科学推进化肥减量施用任务成为控制面源污染、促进农业可持续发展的关键所在。本试验采用连续三年定位试验地，对有机肥等氮含量替代化肥进行追踪研究，分析最后一年的数据结果显示，商品有机肥配施尿素与单施尿素相比，小麦产量无显著性差异，这与前人研究结果相同[14]；CF+M50处理产量高于单施尿素处理，CF+M75处理产量显著低于单施尿素处理，说明适当化肥减量配施有机肥可保持小麦籽粒产量。本研究发现，长期坚持配施有机肥可以增加小麦地上部生物量，这对于助力新疆的畜牧业发展非常有益。

本研究中，CF+M25和CF+M50处理对小麦的生长有促进作用，分别增加了小麦株高、叶面积指数和单株分蘖数，这些指标也是增加小麦生物产量的关键，这可能是前期有机肥肥效缓慢、肥效时间长[15]与化肥养分浓厚、功效迅速[16]的协调作用。魏小武等[17]研究发现，化肥减量配施有机肥可以增加小麦株高和叶面积。本研究结果与前人结论基本一致[18]。

叶片中叶绿素的含量直接影响植物的光合作用，旗叶是小麦的功能叶片，旗叶叶绿素含量可以很大程度反映小麦的光合能力[19-20]。研究表明[21-22]，适当增加施肥量，有利于提升小麦上三叶 SPAD 值,可使冬小麦在整个生育期获得相对稳定且较高的 SPAD 值，但在高氮处理之间差异不显著。本研究中，SPAD值随着灌浆进程的推进而下降，与前人研究结果一致[23]，增施氮肥显著提高了小麦旗叶SPAD值，但是在各有机肥配施处理之间无显著差异。本试验总氮量为195 kg·hm-2，这是否已经达到小麦的高氮阈值需要进一步深入研究。

研究表明，植株光合作用与氮素供应水平关系密切[24]，适量增施氮肥和有机肥可增强小麦光合作用，且利于延缓叶片衰老[25]。本研究结果表明，CF+M50处理的小麦旗叶Pn和Gs显著高于化肥处理，说明化肥减量配施有机肥可延缓小麦生长发育后期衰老速度，从而改善灌浆后期的光合效率。生物量是作物光合作用的产物，其积累量与收获目标的产量有密切关系[26]，李春喜[25]研究发现，有机肥处理可显著提高小麦干物质积累量(除成熟期外)，在开花期尤为明显。本研究中，一定量的化肥配施有机肥处理(CF+M50)显著增加了小麦单株干物质积累量和穗部干物质分配比例，这与上述的研究结果一致。

有机肥的主要作用是增加和更新土壤里的有机质含量，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性，减轻板结和酸化情况，提高土壤的利用率，有机肥和化肥配施可为作物后期生长提供充足的营养成分[27]。本研究在不改变氮肥总投入的情况下，利用商品有机肥中的氮素部分替代化学氮肥，发现在现有施N 195 kg·hm-2、P2O5120 kg·hm-2、K2O 30 kg·hm-2基础上，氮肥用量减施25%和50%，对小麦产量没有明显影响。陈爱萍[28]等研究认为，小麦产量随有机肥替代比例增加呈先上升后下降的趋势，其中 20%替代效果最佳。研究结果的差异可能与试验材料、施肥水平和试验环境不同有关。因此，还应深入了解不同氮水平下有机肥配施对其他类型小麦生长过程中养分平衡的调节机制，为化肥减量施用政策的制定和实施提供可靠依据。