沼液替代化肥对冬小麦产量的影响

潘飞飞 唐 蛟 孙 壮 陈碧华 王广印 吴大付 王 威

（1河南科技学院园艺园林学院，453003，河南新乡；
2河南省园艺植物资源利用与种质创新工程研究中心，453003，河南新乡；
3河南科技学院资源与环境学院，453003，河南新乡；
4河南农业大学博士后流动站，450000，河南郑州；
5河南科技学院博士后研发基地，453003，河南新乡）

近年来，畜禽养殖业的快速发展极大地推动了区域沼气工程的建设和运行，但是如何将数量庞大的厌氧发酵工程副产品进行资源合理化利用也成为限制畜禽养殖企业可持续发展的首要问题[1]。沼液作为畜禽粪便和作物秸秆经厌氧发酵后的液体残留物，是一种兼具速、缓效营养供应的优质液态有机肥，含有丰富的氮、磷、钾等营养元素和生长素、赤霉素、抗生素等生物活性物质，对作物的生长发育和产量形成具有重要的调控作用[2-5]。沼液替代化肥不仅可以减少化肥的过量投入及其因养分速效性而造成的损失和环境风险，而且在提高土壤有机质含量、改善由长期施用化肥造成的土壤板结和酸化、防治病虫害和增强作物抗性等方面发挥着一定的积极作用[6-7]。

当前沼液相关研究[8-14]主要集中在沼液与化肥配施对土壤的影响方面，如土壤养分、肥力改良、微生物多样性、酶活性等以及沼液施用带来的重金属污染风险评价。此外有关沼液与化肥配施对作物产量及品质的影响也有涉及，但以往研究主要聚焦在水果和蔬菜等经济作物，对粮食作物的研究[15-17]相对较少。与果蔬作物相比，粮食作物生产过程中的氮素供应仍主要甚至全部依赖于化肥，虽然前人针对沼液配施对粮食作物，如冬小麦的产量、品质和光合特性也开展过相关研究工作[18-20]，但极少有研究涉及不同沼液替代化肥比例对冬小麦形态指标、干物质累积及收获指数的影响。因此，本研究在黄淮海平原冬小麦主要种植区域，以未施任何肥料的处理为对照，在等氮施用量的条件下，探讨不同沼液与化肥配施比例（0%～100%）对冬小麦形态指标、干物质累积、产量及其构成因素的影响，并分析冬小麦形态指标、干物质累积与产量及其构成因素的相关关系，找出沼液替代最优比例，减少化学肥料的投入量，为该区沼液在粮食作物生产上的逐步推广和合理利用提供一定的理论基础和技术支撑。

1.1 试验区概况

试验于河南省周口市商水县沼液农田资源化综合利用长期定位试验基地进行（114°28′E，33°63′N）。该区属暖温带大陆性气候，四季分明，冬寒夏热，秋凉春早，年均气温和年降雨量分别为14.5℃和785.1mm，降雨量在季节间分配极不均匀，70%以上集中在6-9月。年均日照时数2094.9h，无霜期223d。该区常年为冬小麦—夏玉米轮作，其中夏玉米于每年6月初播种，9月底收获，小麦于每年10月中下旬播种，次年6月初收获。以小麦品种周麦30为材料，播种时间为2019年10月15日，收获时间为2020年5月30日，播种量为225kg/hm2，行距25cm。

试验地土壤为典型砂姜黑土，肥力中等偏下。在试验开始前，即冬小麦播种前，采集0～15cm耕作层的混合土样，测定土壤基本理化性质为有机质10.20g/kg、全氮0.79g/kg、速效磷14.20mg/kg、速效钾180.30mg/kg，pH 7.07。

1.2 试验设计

采用双因素（沼液替代化肥比例和化肥施用种类）4×2设计。以等氮量（小麦生长季总施肥量为N 225kg/hm2）为原则，设置4个沼液替代化肥氮比例，分别为0%（B1）、50%（B2）、75%（B3）和100%（B4）。其中化学肥料选择2种氮磷钾配比的复合肥，分别是N:P2O5:K2O=20:20:6（1+2聚能磷丰收，由金正大生态工程集团股份有限公司提供，用C1表示）和N:P2O5:K2O=17:17:17（“3+三”复合肥料，由金正大生态工程集团股份有限公司提供，用C2表示）的三元复合肥，各处理的施肥量详见表1。共计8个处理，每个处理重复3次，各重复的小区面积为30m2（5m×6m），采用随机排列，不同小区间设有2m宽的缓冲带。

表1 各处理的施肥量及来源Table 1 Amounts and sources of fertilizer applied for different treatments kg/hm2

沼液于播种前10d以喷灌形式全部施入土壤。根据表1所示，各处理中沼液施用量最大为187.50m3/hm2，换算成浇灌量约为0.019m3/m2，即相当于1.90cm土层厚度的水量，鉴于试验田多年都作为农用地使用，土地平整均匀，因此，在沼液一次性全部浇灌时不需要考虑其渗漏损失的风险。而70%复合肥作为基肥于播种前撒施、翻耕，剩余30%于小麦返青期沟施、覆土。施用沼液时，需要考虑其所带入的水量，利用清水补足各沼液化肥配施处理水分，保证所有处理小区的灌水量相等。其他种植管理措施与当地常规措施保持一致。

试验用沼液由邻近商水牧原农牧有限公司提供，沼液主要为猪粪、尿液以及部分猪圈冲洗水通过微生物厌氧发酵工程产生的液体残余物。沼气工程发酵温度控制在35℃～40℃，发酵时间持续7～10d。发酵后的沼液转移到覆盖有黑色聚酯薄膜的池子中贮存，防止气体挥发。由于养殖场饲喂规模、方式和发酵工艺采用统一标准化操作方式，因此可以保证贮存池中沼液理化性质的均匀性和稳定性。采集贮存池中的沼液样品，测得基本养分含量为全氮1.20kg/m3、全磷0.13kg/m3、全钾0.40kg/m3，N:P2O5:K2O＝1:0.25:0.40，沼液pH 7.55。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 沼液养分含量 参照《水和废水监测分析方法》[21]测定沼液中全氮、全磷和全钾含量。

1.3.2 产量及其构成因素 于2020年5月30日，即冬小麦成熟期，随机选取每个小区内有代表性的15株，测量株高、基部第1节间长及穗下节间长，计算各指标平均值。同时随机选取具有代表性的1m双行区域，统计每平方米穗数，并根据小麦播种行距换算为每公顷穗数，并在选取的1m双行区域随机收集大小均匀的15穗，调查穗粒数。收获的1m双行区域小麦脱粒烘干后，随机选取1000粒，测定千粒重，重复5次取平均值。最后在每个小区内随机选取1m2（1m×1m）进行实收测产，称量烘干籽粒质量和地上部秸秆的干物质重，得到实际产量和地上部干物质积累量，并计算收获指数。

1.3.3 经济效益 经济效益=粮食收入-成本投入，其中，粮食收入=籽粒产量×市场价格，成本投入=种子+肥料+用工+机械。种子购买价格以5元/kg计算，在播种量225kg/hm2条件下，成本投入为1125元/hm2。机械翻耕和收割以1500元/hm2计算。沼液由养殖场作为废液运出，肥料使用成本较低，为750元/hm2，于小麦播种前10d作基肥一次性全部施用，当地用工价格为100元/(人·d)，1人半天内即可喷施完毕，用工成本记为750元/hm2。复合肥市场售价为140元/袋，每袋40kg，基肥和追肥用工成本均为750元/hm2。小麦价格按2.60元/kg计算。

1.4 数据处理

采用Excel 2010进行数据计算，采用IBM SPSS Statistics 19.0进行双因素方差分析（Duncan新复极差法进行多重比较）。所有表中数据均以平均值±标准差表示。

2.1 不同施肥处理对冬小麦形态指标的影响

由主效应分析结果（表2）可知，沼液、化肥及二者的交互作用对冬小麦成熟期株高、基部第1节间长、穗下节间长和穗下节间/基部第1节间的影响均未达到显著水平（P＜0.05），说明沼液替代化肥的比例以及化学复合肥料的种类对冬小麦各形态指标均没有显著影响。

表2 不同沼液替代比例对冬小麦形态指标的影响Table 2 Effects of biogas slurry replacement ratio on winter wheat morphological indexes

2.2 不同施肥处理对冬小麦地上部干物质积累的影响

由表3可知，沼液对冬小麦成熟期秸秆生物量和地上部总生物量的主效应达到显著水平（P＜0.05），但对收获指数的主效应不显著。多重比较结果显示，不同沼液替代比例下，冬小麦秸秆生物量和地上部总生物量均表现为B2＞B1＞B3＞B4。与单纯施用化肥处理B1相比，B2处理对秸秆生物量和地上部总生物量有一定的提升作用，此时二者均达最大值，分别为9.34和16.70t/hm2，但随着沼液替代化肥比例的继续增加（B3），甚至是沼液完全替代化肥（B4）后，二者均呈下降趋势，其中B4处理显著低于B2处理（P＜0.05）。说明与沼液化肥配施相比，全施沼液并不利于冬小麦地上部干物质的累积。

表3 不同沼液替代比例对冬小麦干物质累积及收获指数的影响Table 3 Effects of biogas slurry replacement ratio on winter wheat dry matter accumulation and harvest index

与沼液相反，化肥对秸秆生物量和地上部总生物量的主效应不显著，但对收获指数的主效应显著（P＜0.05）。与C1处理相比，C2处理下冬小麦的收获指数显著增加（P＜0.05），这可能是由于C2较C1处理投入了更多的钾元素。沼液与化肥对秸秆生物量、地上部总生物量及收获指数的交互效应均未达到显著水平。

2.3 不同施肥处理对冬小麦产量及其构成的影响

主效应分析结果（表4）显示，沼液、化肥及二者的交互作用对冬小麦穗数、穗粒数、千粒重及实收产量的影响均未达到显著水平，说明沼液替代化肥的比例和化学复合肥料的种类对冬小麦产量及其构成因素均没有显著影响。不同沼液替代比例间冬小麦的产量及其构成因素均无显著差异，而同一沼液替代比例下，2种化学复合肥料间亦无显著差异。

表4 不同沼液替代比例对冬小麦产量及其构成因素的影响Table 4 Effects of biogas slurry replacement ratio on winter wheat yield and its components

2.4 不同施肥处理的成本和经济效益分析

由表5可知，不同沼液替代比例的成本投入总和表现为B1＞B2＞B3＞B4，即化肥施用比例越大，生产成本总投入越多，沼液作为养殖场的输出废液，价格低廉，极大降低了肥料成本投入。与单施化肥处理相比，沼液部分或全部替代化肥可平均减少生产成本投入16.56%～59.87%。而同一沼液替代比例下（B4处理除外），生产成本总投入均表现为C2＞C1，C2较C1平均高出5.86%，这主要是由于与C1相比，C2所使用复合肥的含氮量偏低，在等氮量施肥的条件下，需投入更多的复合肥，生产成本也随之增加。

表5 不同沼液替代比例的成本和收入分析Table 5 Cost and earning analysis of different biogas slurry replacement ratios 元/hm2yuan/hm2

主效应分析结果（表6）显示，不同沼液替代比例对经济效益的主效应达到极显著水平（P＜0.01），多重比较结果表明，沼液部分或全部替代化肥处理的经济效益均显著大于单施化肥的处理（P＜0.05），与单施化肥处理B1相比，B2、B3和B4处理的经济效益分别增加了45.86%、41.57%和61.64%。

表6 不同沼液替代比例对经济效益的影响Table 6 Effects of biogas slurry replacement ratio on economic benefit

3.1 不同沼液替代比例对冬小麦形态指标的影响

株高、各节间长度以及茎秆粗度和充实度是小麦高产、优质的重要株型指标，决定了冬小麦植株的干物质贮藏能力和抗倒伏能力，进而影响小麦籽粒的品质[22-24]。通常条件下，不同类型群体的各形态指标高低有所差异，其中基部第1节间长度表现为优质群体＞优质高产群体和高产群体，而穗下节间长度及株高则表现为优质高产群体＞优质群体和高产群体。基部第1节间缩短，同时穗下节间/基部第1节间的比值增加，能部分体现出小麦抗倒伏能力的提升[25]。但本研究结果显示，不同沼液替代比例间冬小麦各形态指标均无显著差异，而同一沼液替代比例下，2种化学复合肥料间冬小麦各形态指标亦无显著差异。这说明沼液替代化肥的比例和化学复合肥料的养分配比对冬小麦抗倒伏相关形态指标的建成没有显著影响。

3.2 不同沼液替代比例对冬小麦干物质积累的影响

李友强等[18]研究认为，与单施化肥的处理相比，在化肥的施用基础上配施沼液能增加冬小麦的干物质累积量和最终产量。本研究结果显示，沼液对冬小麦成熟期秸秆生物量和地上部总生物量的主效应达到显著水平，但对收获指数的主效应不显著（表3）。进一步的多重比较结果显示，与单纯施用化肥处理（B1）相比，沼液替代50%的化肥氮（B2）对秸秆生物量和地上部总生物量有一定的提升作用，此时二者均达最大值，分别为9.34和16.70t/hm2。这与黄红英等[26]研究结果一致，该研究指出，单施化肥处理和沼液与化肥配施处理下，小麦地上部生物产量均显著高于无肥对照，且以50%沼液替代比例为最高。但在本研究中，随着沼液替代化肥比例的继续增加（B3），甚至是沼液完全替代化肥（B4）后，冬小麦成熟期秸秆生物量和地上部总生物量均呈下降趋势，其中B4处理要显著低于B2处理。说明与沼液化肥配施相比，全施沼液并不利于冬小麦地上部干物质的累积。这与冯伟等[19]的研究结果有所差异，该研究指出，总施氮量控制在240kg/hm2的条件下，与单施化肥和化肥与沼液配施处理相比，沼液全部替代化肥并未显著降低冬小麦生物量。这一差异可能来源于上述研究中沼液是分成基肥和追肥2次施用，而本研究中的沼液则作为基肥一次性施用，致使土壤中养分浓度偏高，不利于小麦幼苗的生长，进而影响后期生物产量的增加。邵文奇等[27]研究也认为，沼液过量施用易使小麦地上部干物重减少，成熟期推迟且产量下降。因此，在沼液推广应用时，应根据实地情况来选择最优的替代比例和施用时间。

与沼液相反，化肥对秸秆生物量和地上部总生物量的主效应不显著，2种化学复合肥料对冬小麦成熟期秸秆生物量和地上部总生物量均无显著影响，但对收获指数的主效应显著。与C1处理相比，C2处理下冬小麦的收获指数有显著增加，意味着有更多的营养物质或干物质贡献于籽粒形成。这可能是由于在等氮量施用的条件下，与C1处理相比，C2处理投入了更多的钾元素，促进了干物质向籽粒中的转移，从而在未显著影响地上部总生物量的基础上增加收获指数。这与前人的以下研究结果相一致。韩玉龙[28]研究指出，适当增施钾肥可促进冬小麦营养器官中的干物质向籽粒中转移。祖艳群等[29]研究也表明，增施钾素能提高叶片的光合强度和植物体内同化物的运输速率，促使更多的同化产物转移到籽粒中去，有利于产量的形成。王旭东等[30]进一步指出，钾素对籽粒产量形成的积极效果主要归因于2个方面，一方面，钾素有助于提高小麦旗叶的光合速率和磷酸蔗糖酶活性，增加叶片中蔗糖含量，从源头上保障了灌浆期间籽粒的蔗糖供应；
另一方面，钾素可增强籽粒中蔗糖合成酶和腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶等的活性，加速籽粒中淀粉的累积速率，从而提高小麦籽粒产量。

3.3 不同沼液替代比例对冬小麦产量及其构成因素的影响

王靖荃等[31]研究结果显示，与完全施用化肥处理相比，沼液与化肥配施在减少化肥用量18.2%～85.0%的基础上，能显著促进作物生长，且增产效果明显。而冯伟等[19]研究表明，与完全施用化肥处理相比，沼液全部替代化肥处理的小麦产量显著降低，且品质性状也随之下降，李泽碧等[32]在其他作物上也得到相同结论。本研究中主效应分析结果（表4）显示，沼液、化肥及二者的交互作用对冬小麦穗数、穗粒数、千粒重及实收产量的影响均未达到显著水平，说明沼液替代化肥的比例和化学复合肥料的种类对冬小麦产量及其构成因素均没有显著影响。这可能与土壤本身的肥力水平、沼液中养分及其存在形态和田间管理措施等差异有关。沼液大量施用可能会导致作物营养生长过剩，后期贪青晚熟，阻碍产量形成；
另一方面，作物产量是由植物各组织器官之间的协同生长所决定的，沼液施用可能会导致植株碳氮平衡失调，改变植株的源/库平衡[33]，从而影响整个植株的生长及在籽粒中的分配。此外，已有研究[34]指出沼液中含有的生长素类物质可参与调控籽粒灌浆过程，进而决定作物产量的高低。但不同原料发酵的沼液其生长素浓度及含量存在差异，导致其施用后产生的影响也不同，具体影响机制仍有待深入研究。

本研究中，在维持现有产量水平不变的情况下，沼液可分别节省氮、磷、钾化肥（以尿素、重过磷酸钙和硫酸钾计）244.57～489.13、61.15～122.28和75.00～150.00kg/hm2。不同沼液替代比例的总成本投入表现为B1＞B2＞B3＞B4（表5），因沼液作为养殖场的输出废液，价格低廉，极大地降低了成本投入，与单施化肥处理相比，沼液部分或全部替代化肥可减少生产成本投入16.56%～59.87%。沼液部分或全部替代化肥处理的经济效益均显著大于单施化肥处理（表6），各处理的经济效益平均增加了49.69%。可见，沼液部分或全部替代化肥，既可减少化肥的投入量及由化肥长期过量施用所引发的各种土壤和环境问题，也实现了沼液这一农业废弃物资源化永续利用，促进农业的绿色健康发展。但沼液作为沼气工程的副产物，物质含量极其复杂，其中含有的一些重金属元素，长期大量施用可能会引发土壤重金属污染和粮食安全风险[35]。沼液中还含有大量的植物养分物质，如氮、磷、钾、氨基酸及腐植酸等，如果施用不当，会引起地下水污染和水体富营养化的问题[36]。此外，已有研究[37]表明，沼液施用后土壤氨挥发量明显大于施用化肥处理，且沼液施用量越大，氨挥发越明显。沼液施用亦可增加土壤甲烷和氧化亚氮等温室气体的排放，加剧温室效应[38]。因此，在评估沼液替代化肥的效果时，不应单纯考虑植株生长、产量和经济效益，还应综合评估它的土壤和环境效应。未来应针对沼液替代化肥对作物生理生态指标、产量、品质的影响以及它们之间的相互关联，系统分析沼液替代化肥对冬小麦的影响，同时，结合沼液施用所引发的土壤和环境效应，综合性地评估沼液替代化肥的效果，选择最优替代比例。

沼液对冬小麦成熟期秸秆生物量和地上部总生物量的主效应均达到显著水平。不同沼液替代比例下，冬小麦秸秆生物量和地上部总生物量均表现为B2＞B1＞B3＞B4，沼液替代化肥比例为50%时，秸秆生物量和地上部总生物量均达最大值，沼液过量施用并不利于冬小麦地上部干物质的积累。化学复合肥种类对收获指数的主效应达显著水平。沼液替代化肥的比例和化学复合肥料种类对冬小麦相关形态指标的建成、产量及其构成三要素都没有显著影响，因此，在维持现有产量水平不变的情况下，沼液部分替代化肥是可行的，同时，沼液配施也可节省大量的氮、磷、钾化肥，促进农民增收，在农业生产中具有极大推广价值。

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