1. 引言
小麦生产中，化肥起效快、增产效果明显，受到广大麦农的喜爱[1]。但长期只施用化肥可使土壤易板结、土壤酸化、化肥利用率变低，同时造成环境污染[2]。面对这种局面，国内外学者做了大量的研究，发现施用有机肥可以大幅缓解过量施用化肥带来的这些问题。单施有机肥虽然有利于土地的可持续利用，但存在着增产效果低的弱点，因此目前小麦生产上多采用有机肥部分取代化肥的施肥方式[3]。国内外的长期定位试验表明，有机肥和化肥配合施用能够显著提高作物产量和土壤质量[4]，尤其是土壤有机质含量。施用有机肥能够提高土壤养分含量和酶活性，并且影响着土壤微生物的数量、种类和群落结构，增强保水保肥能力[5]，促进土壤生态系统的恢复。目前研究有机肥和化肥合理搭配使用对促进土壤可持续利用具有重要意义[6]，尤其是有机肥替代化肥的比例问题，替代少效果不明显，替代太多严重影响小麦产量[7] [8]，因此，最佳替代比例是小麦生产中最亟待解决的问题[9]。为了进一步明确有机肥施用对缓解作物生长对大量元素氮磷钾单一元素缺失的缓冲作用，为冬小麦生产中有机肥与化肥的合理搭配增效提供理论依据和技术支持。
2. 材料和方法
2.1. 试验土壤环境及材料选取
试验时间从2021年到2023年，在山西农业大学小麦研究所韩村试验基地进行。试验土壤为粘壤土，有机质、全氮、碱解氮、pH值、速效磷、速效钾、铜、锌、铁、锰的含量大小分别为13.48 g/kg、1.22 g/kg、120 mg/kg、7.8 mg/kg、25.7 mg/kg、182.1 mg/kg、0.56 mg/kg、0.44 mg/kg、11.51 mg/kg、12.42 mg/kg。试验的前茬作物为小麦。供试小麦品种为济麦22。
2.2. 试验方法
本次试验设计为2环境：施用有机肥和未施用有机肥环境，施用有机肥为每667 m2施入腐熟牛厩肥2000公斤，未施用有机肥环境则为土壤未施用任何形式的有机肥；4处理：氮磷钾全肥处理(对照处理) (氮肥为纯氮14.0公斤：纯磷(P2O5) 14.0公斤：纯钾(KCL) 3公斤)、缺氮肥处理、缺磷肥处理、缺钾肥处理(单一元素缺失指所缺失的元素化肥不施，其它化肥按全肥上的用量正常施用)；每环境每处理设3次重复。年份重复为2个生长周期，即2021播种2022年收获为第一个试验生长周期；2022年播种2023年收获为第二个试验生长周期。每处理每重复小区面积13.3 m2，成熟期每小区单独收获称重考种。其它栽培管理同当地大田管理。
3. 结果分析
3.1. 未施用有机肥的条件下氮磷钾单一元素缺失对小麦产量的影响
在未施用有机肥的土壤环境条件下不同化肥处理的小麦产量情况见表1，以氮磷钾全肥处理小麦产量为对照，2个小麦生长周期的单一元素缺失对产量的影响大小规律是一致的，缺磷减产幅度最大，其次为缺氮，缺钾减产幅度最小。2年度单一元素缺失比氮磷钾全肥的减产幅度均达极显著水平。2020~2021年度缺磷减产幅度高达16.95%，缺钾减产幅度最小，也高达8.65%，单一元素缺失对产量的影响表现为：缺磷 > 缺氮 > 缺钾。说明氮磷钾的缺失对小麦产量影响都很大，尤其是人们传统观念认为黄土高原为富钾区，钾肥对产量影响不大。从本试验结果看，缺钾也会造成大幅度减产。再从2021~2022年度的情况来看，氮磷钾单一元素缺失的小麦减产幅度均小于上一年度，但每个单一元素缺失对产量的影响大小规律与上一年度相同，即缺磷 > 缺氮 > 缺钾，年际间没有变化。
Table 1. Effect of single element deficiency of nitrogen, phosphorus, and potassium on yield in non-application of organic fertilizer
表1. 在未施用有机肥环境下氮磷钾单一元素缺失对产量的影响
肥料设置 |
2020~2021年度 |
2021~2022年度 |
小区产量 |
比全肥 ± % |
小区产量 |
比全肥 ± % |
NPK全肥区 |
9.48 |
0.00 |
9.34 |
- |
缺N区 |
8.41 |
−11.29** |
8.32 |
−10.92** |
缺P区 |
7.87 |
−16.95** |
8.18 |
−12.38** |
缺K区 |
8.66 |
−8.65** |
8.56 |
−8.39** |
注：小区产量为3次重复的平均值；**表示单一元素缺失比氮磷钾全肥减产达极显著水平。
3.2. 施用有机肥的条件下氮磷钾单一元素缺失对小麦产量的影响
土壤施入有机肥后不同化肥处理的小麦小区产量见表2，任然为氮磷钾全肥处理为对照，分析氮磷钾单一元素缺失对小麦产量的影响。从二年度的总体情况来看，单一元素缺失对小麦产量的影响大小依次为：缺氮 > 缺磷 > 缺钾，这与未施用有机肥情况明显不同。在施用有机肥情况下，缺氮对小麦产量影响最大，2年度分别减产15.09%和17.35%，远大于缺磷处理和缺钾处理，这可能与有机肥转化活性肥过程需要消耗部分氮肥有关。缺磷处理减产分别为7.83%和8.33%，缺钾分别减产6.69%和5.99%。说明有机肥的使用明显提高了小麦产量水平，但有机肥并替代不了任何一种大量元素，化肥与有机肥不能互相代替。
3.3. 有机肥对氮磷钾单一元素缺失时对小麦产量的影响分析
2020~2022年两个小麦生长周期的有无有机肥两种土壤条件下氮磷钾单一元素缺失下小麦产量比全肥增减产幅度见表3。从缺氮情况来看，2年度未施用有机肥的情况下分别减产11.29%和10.92%，平均减产11.11%；而施用有机肥的情况下分别减产12.26%和13.61%，平均12.93%。说明土壤施入有机肥后
Table 2. Effect of single element deficiency of nitrogen, phosphorus, and potassium on yield in organic fertilizer application environment
表2. 在施用有机肥环境下氮磷钾单一元素缺失对产量的影响
肥料设置 |
2020~2021年度 |
2021~2022年度 |
小区产量 |
比全肥 ± % |
小区产量 |
比全肥 ± % |
NPK全肥区 |
10.47 |
- |
10.68 |
- |
缺N区 |
9.19 |
−12.26** |
9.23 |
−13.61** |
缺P区 |
9.65 |
−7.83** |
9.79 |
−8.33** |
缺K区 |
9.77 |
−6.69** |
10.04 |
−6.02** |
注：小区产量为3次重复的平均值；**表示单一元素缺失比氮磷钾全肥减产达极显著水平。
Table 3. The wheat yield of organic fertilizer was higher and lower than that of total fertilizer when one of the nitrogen, phosphorus, and potassium were absent
表3. 有机肥在氮磷钾单一元素缺失下小麦产量比全肥增减产幅度
肥料设置 |
2020~2021年度 |
2021~2022年度 |
未施有机肥 |
施用有机肥 |
未施有机肥 |
施用有机肥 |
缺N区 |
−11.29 |
−12.26 |
−10.92 |
−13.61 |
缺P区 |
−16.95 |
−7.83 |
−12.38 |
−8.33 |
缺K区 |
−8.65 |
−6.69 |
−8.39 |
−6.02 |
注：小区产量为3次重复的平均值。
相对而言更加剧了对氮肥的需求。从缺磷情况来看，2年度未施用有机肥的情况下分别减产16.95%和12.38%，平均减产14.67%；而施用有机肥的情况下分别减产7.83%和8.33%，平均减产8.08%。从减产幅度来看，施用有机肥后减产幅度大幅下降，说明有机肥对缺磷相对而言有缓解作用。再从缺钾情况来看，2年度未施用有机肥的情况下分别减产8.65%和8.39%，平均减产8.52%；而施用有机肥的情况下分别减产6.69%和6.02%，平均减产6.36%。说明有机肥对缺磷也有明显的缓解作用。
3.4. 有机肥在氮磷钾单一元素缺失时对小麦产量的缓冲影响
2年度的单一元素缺失下有机肥的有无对小区产量影响情况见表4。无论是化肥全肥还是单一元素缺失都使得小麦产量大幅提高，2020~2021年增产幅度为9.24%~22.57%；2021~2022年增产幅度为10.90%~19.63%。氮磷钾全肥处理、缺氮处理、缺磷处理及缺钾处理在有机肥环境比未施用有机肥条件下2年度平均增产分别为12.39%、10.07%、21.10%及15.06%。可见，有机肥与化肥不能相互代替，存在互作效应，且有机肥的使用不能完全取代任何一种大量元素。
2年度都是以缺磷处理增产幅度最大，其次为缺钾区，最后为缺氮区。这也说明有机肥对缺磷缺钾有明显的缓解作用，对缺氮缓解作用相对较小。
4. 讨论
1) 从本试验结果来看，有机肥的使用无论是在氮磷钾全肥施用条件下还是单一元素缺失条件下都使小麦产量大幅度增产，但不同情况增产幅度相对大小是不一致的。在未施用有机肥的情况下，单一元素缺失对小麦减产幅度大小依次为：缺磷 > 缺氮 > 缺钾；而在施用有机肥的情况下，大小依次为：
Table 4. Analysis of buffering effect of organic fertilizer on single element deficiency of nitrogen, phosphorus, and potassium
表4. 有机肥对氮磷钾单一元素缺失的缓冲效应分析
不同化肥元素处理 |
2020~2021年度 |
2021~2022年度 |
未施用
有机肥 |
施用有机肥 |
增产 ± % |
未施用
有机肥 |
施用有机肥 |
增产 ± % |
NPK全肥区 |
9.48 |
10.47 |
10.48 |
9.34 |
10.68 |
14.31 |
缺N区 |
8.41 |
9.19 |
9.24 |
8.32 |
9.23 |
10.90 |
缺P区 |
7.87 |
9.65 |
22.57 |
8.18 |
9.79 |
19.63 |
缺K区 |
8.66 |
9.77 |
12.82 |
8.56 |
10.04 |
17.30 |
注：1) 表中产量均为三次重复的平均产量；2) 表中增产为增施有机肥的小区产量比未施有机肥的增产情况。
缺氮 > 缺磷 > 缺钾。本试验的结果可看出，在使用有机肥后更加剧了对氮肥的需求，从对小麦产量的影响来看，有机肥可以缓解土壤对缺磷缺钾的缺失效应，这与前人的结论是一致的[10]。这是因为有机肥可以为微生物提供充足的能量和养分，对增加和活化土壤微生物具有极其重要的作用，特别是畜牧粪便中活性酶的含量较高，有利于土壤微生物的生长，进而促进小麦的生长发育。同时，有机肥料含有作物需要的所有养分，其中尤以磷、钾素和微量元素为多，是农作物营养元素的重要补给源[11]。
2) 农作物的有机肥和化肥的试验是比较复杂的，受环境影响较大。本试验由于受试验设计水平和试验规模的影响，准确性上有待进一步验证。如试验品种对象本试验仅以济麦22为研究对象，如果用多个品种进行试验，有机肥对不同元素缺失的缓冲程度在品种之间是否存在差异？在有机肥的使用量上试验仅设每667 m2施用腐熟厩肥2000公斤一种设置，对不同有机肥用量对单一元素缺失的缓冲效应需进一步探讨分析。另外，在化肥的使用上氮磷钾全肥处理(对照处理)也仅是一种设置，即氮肥为纯氮14.0公斤：纯磷(P2O5) 14.0公斤：纯钾(KCl) 3公斤，对于其它氮磷钾用量的配比情况也需进一步研究。
5. 结论
在土壤未施用有机肥的环境条件下，单一元素缺失对小麦产量影响的大小依次为：缺磷 > 缺氮 > 缺钾；而在土壤施用有机肥的环境条件下，其大小依次为：缺氮 > 缺磷 > 缺钾。可见有机肥对单一元素的缺失缓冲作用是不一样的，对磷钾元素缺失的缓解补充作用明显，而对缺氮的缓解补充作用很小。尤其是对于土壤钾肥而言，在不施用有机肥条件下缺钾减产8.65%，而在施用有机肥条件下缺钾减产9.91%，说明不论有机肥的施用和不施用，钾肥的缺失都会造成严重减产，这完全否定了黄土高原为富钾区，施用钾肥增产效果不明显，或有机肥补充的钾肥已够用等观点。再从2年度的单一元素缺失下有机肥的有无对小区产量影响情况看，2年度都是以缺磷处理增产幅度最大，其次为缺钾处理，最后为缺氮处理。这说明有机肥对缺磷缺钾也有明显的缓解作用，对缺氮缓解作用相对较小。
基金项目
国家小麦产业技术体系(CARS-03-53)；山西省小麦育种联合攻关(NYGG26-2)；山西农业大学校科技创新提升工程项目(CXGC202441、CXGC202443)。