小麦是我国主要粮食作物，为保证粮食安全，需在有限耕地上不断提高产量。化肥在小麦生产中起重要作用，也带来了突出环境问题。全国统计发现过量施氮的耕地面积达到 20%^[1]。不合理甚至过量施氮肥的农户分别占 39% 和 65%^[2]。据调查，目前我国粮食作物生产中大量使用化肥，不施或少施有机肥普遍存在。

国内外学者研究发现，施用有机肥大幅缓解过量施用化肥带来的环境问题，还增加土壤有效养分，增强保肥保水能力^[3]。化肥与生物有机肥合理配施可提高植株的叶绿素含量^[4]。Yoichiro 等^[5]指出，有机肥提高小麦穗数、地上部干物质积累、氮素积累和产量。与单施化肥比，有机肥替代化肥提高小麦产量、土壤养分及部分酶活性^[6-7]，影响土壤微生物量、多样性和群落结构^[8-9]。农业农村部发布的“到 2025 年化肥减量化行动方案” 大力推进绿色种养循环农业试点，有机肥资源得到有效合理还田利用，到 2025 年有机肥施用面积占比增加 5 个百分点以上，这也是我国深入开展化肥零增长行动，加快推进绿色农业发展的重要措施^[10]。

针对粮食作物生产中化肥投入不合理、很少施用有机肥造成的肥料利用效率低、作物产量不高、土壤微生物群落失衡等问题，本文以冬小麦为研究对象，在河北省黑龙港区武强县进行 3 个地块田间试验，各地块分别设置 5 个有机肥替代氮肥处理，研究冬小麦叶绿素 SPAD 值、养分吸收、产量以及土壤微生物，试图确定有机肥替代氮肥的合理比例，为该区合理利用畜禽粪污、科学减施氮肥、提高有机肥施用面积和肥料利用率提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况及供试材料

本试验于 2021 年 10 月—2022 年 6 月在河北省衡水市武强县周窝镇前段庄村、街关镇后马庄村和东孙庄镇张法台村同时进行。年平均气温 8～20℃，无霜期 185 d，年均日照时间 2575.6 h，年均降水量 554 mm。供试土壤为轻壤质潮土，供试土壤基础理化性状见表1。供试玉米品种为农大 372。供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P₂O₅ 16%）、氯化钾（K₂O 57%）、有机肥（有机质≥ 50%，N、P₂O₅、 K₂O 含量为 1.1%、0.62%、0.86%）。

1.2 试验设计

本试验同一地块设置 5 个处理：农民习惯施肥（T1）、优化施化肥（T2）、有机肥替代 15% 氮肥（T3）、有机肥替代 30% 氮肥（T4），有机肥替代 50% 氮肥（T5），各处理重复 3 次，15 个小区，随机区组排列，小区面积 30 m²。3 个地块均设置以上 15 个小区，共 45 个小区。氮肥分两次施入土壤，基追比为 1∶1。于小麦播前测定土壤基础养分含量，各处理施肥量见表2。所有肥料均作为底肥在播种前均匀撒入相应小区，然后旋耕播种。小麦生长期间除氮肥施用数量不同外，其余田间措施均采用当地高产田管理方法，2021 年 10 月 16 日播种，2022 年 6 月 10 日收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶片叶绿素 SPAD 值

于小麦生长的返青期、挑旗期、灌浆期，每小区选代表性植株 3 组，每组 2 株，采用 SPAD-502 叶绿素仪测定叶片 SPAD 值，返青期测定最新完全展开叶，挑旗期和灌浆期测定旗叶。

1.3.2 植株干物质积累量和籽粒产量

在小麦生长的返青期、挑旗期、灌浆期和成熟期，各小区选取代表性植株 10 株地上部，在 105℃ 杀青 30 min 后，75℃烘至恒重，称重后折算干物质积累量。烘干粉碎后，采用 H₂SO₄-H₂O₂ 消煮，采用常规农化分析方法测定其中的全氮、全磷和全钾^[11]。成熟期，各小区沿小麦种植行收获 2 m、6 行麦穗，晾晒后脱粒，利用谷物水分测定仪（PM8188）测定含水量，折算为 12.5% 含水量的产量。

1.3.3 土壤微生物

在小麦生长到挑旗期，采集前段庄村和张法台村0～20 cm 新鲜土壤，委托上海美吉生物医药科技有限公司进行微生物多样性分析，基于 IlluminaMiseq 测序平台，采用双末端测序法（Paired-End） 对细菌的 16S rDNA 基因进行扩增及测序。

1.4 计算方法

氮肥偏生产力（kg/kg）= 施肥处理作物产量 / 肥料施用量

1.5 统计分析

采用 Excel 2010 和 Origin 2021 进行数据处理和相关图表绘制，使用 SPSS 22.0（Duncan）进行显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代氮肥对小麦叶片叶绿素 SPAD 值的影响

不同试验地块小麦各生育时期叶片叶绿素 SPAD 值（图1）表明，返青期，后马庄村 T4 处理的叶片叶绿素 SPAD 值较 T1、T3 分别提高 10.62%、9.91%；挑旗期，前段庄村 T4 处理的叶片叶绿素 SPAD 值分别与 T1、T3 比较提高 9.54%、 8.56%，后马庄村 T4 处理的叶片叶绿素 SPAD 值较 T1 处理增加 6.19%，张法台村 T1、T3、T5 处理的叶片叶绿素值较 T4 处理分别下降 4.84%、4.74%、 5.40%；灌浆期，后马庄村的 T4 处理的叶片叶绿素 SPAD 值较其他处理提高 4.62%～7.00%。

2.2 有机肥替代氮肥对植株干物质积累量的影响

由 3 个地块植物干物质动态积累量（图2）可知，返青期，前段庄村 T5 处理干物质积累量较 T1 处理显著下降 9.73%；后马庄村 T4 处理干物质积累量较 T1、T5 处理显著提升 20.77%、20.37%。挑旗期，前段庄村 T4 处理干物质积累量较 T5 显著提升 7.85%；后马庄村和张法台村 T4 处理干物质积累量较其他处理显著提升 9.30%～30.41%、 24.32%～6.28%。灌浆期，前段庄村 T4 处理干物质积累量较 T1、T5 处理显著提高 22.06%、16.10%；后马庄村 T2 处理干物质积累量较 T1、 T5 显著提升 17.11%、10.61%，且 T4 处理干物质积累量较其他处理显著提高 10.09%～28.93%。成熟期，3 个地块干物质积累量均以 T4 处理干物质积累量处理最高，分别较其他处理显著提高 15.83%～29.27%、10.50%～21.29%、 22.11%～61.77%，其次前段庄村 T3 处理干物质积累量较 T1 处理显著提高 11.60%，张法台村 T2 处理干物质积累量较 T1、T5 处理分别显著提高 17.33%、12.27%。

注：图中柱子上的不同小写字母表示同一地块同一生育时期不同处理间的差异显著性比较达 0.05 水平，下同。

2.3 有机肥替代氮肥对植株氮素积累量的影响

3个地块氮素积累量（ 图3） 所示，返青期，后马庄村 T4 处理的氮素积累量较 T5 处理显著增加 22.01%；张法台村 T5 处理的氮素积累量较其他处理显著下降 22.57%～26.65%。挑旗期，3 个地块 T4 处理氮素积累量较其他处理显著提高 2.40%～34.15%；前段庄村 T2 处理氮素积累量较 T3、T5 显著提升 10.17%、25.27%； 后马庄村 T1 处理氮素积累量较 T2、T3、T5 处理显著下降 9.31%～13.17%。灌浆期，前段庄村 T4 处理氮素积累量较 T1、T5 显著提升 24.82%、14.04%， T2、T3 处理氮素积累量较 T1 处理分别显著提升 19.80%、17.03%；后马庄村 T2～T4 处理氮素积累量较 T5 处理显著提升 23.56%～31.59%，T5 处理氮素积累量较 T1 显著下降 11.92%；张法台村 T5 处理氮素积累量较 T4 处理显著下降 14.21%。成熟期，3 个村的 T4 处理氮素积累量分别较相同地块的其他处理显著增加 12.38%～17.59%、 9.75%～24.13% 和 19.80%～53.95%，张法台村 T1、T2、T5 处理较 T3 显著下降 15.96%～28.51%。

2.4 有机肥替代氮肥对植株磷素积累量的影响

三块地的磷素积累量由（图4）表明，返青期，张法台村 T3、T4 处理磷素积累量较其他处理显著提高 45.76%～54.0%、50.0%～58.49%。挑旗期，后马庄村和张法台村 T3 处理磷素积累量较其他处理分别显著提高 12.08%～32.14%、22.91%～42.62%， T4 处理磷素积累量较其他处理分别显著提高 18.72%～39.96%、23.76%～43.60%。灌浆期，3 个地块 T4 处理磷素积累量较其他处理显著增加 11.03%～33.36%；前段庄村 T2、T3 处理磷素积累量较 T1、T5 分别显著提高 10.06%、14.89 和 12.75%、 17.70%。成熟期，前段庄村和后马庄村 T4 处理磷素积累量较其他处理分别显著提高 8.75%～21.03% 和 7.88%～11.68%；前段庄村 T3 处理磷素积累量较 T1、T5 处理显著增加 3.54%、15.23%；张法台村 T4 处理磷素积累量较 T1 处理显著提高 16.86%。

2.5 有机肥替代氮肥对植株钾素积累量的影响

三块地的钾素积累量由图（5）可知，返青期，张法台村 T4 处理钾素积累量较 T1 处理显著提高 10.02%；挑旗期，前段庄村 T3 处理钾素积累量较 T4 处理显著下降 8.65%，后马庄村和张法台村 T4 处理钾素积累量较其他处理分别显著提高 11.50%～20% 和 11.46%～40.79%，且张法台村 T3 处理钾素积累量较 T5 处理显著增加 26.32%。灌浆期，3 个地块 T4 处理钾素积累量较其他处理显著提高 8.72%～29.03%。成熟期，3 个地块 T4 处理钾素积累量较其他处理显著提高 10.31%～30.32%。

2.6 有机肥替代氮肥对小麦产量形成的影响

表3 表明，3 个地块各有机肥替代氮肥处理间 T3、T4 的有效穗数、穗粒数最高，较其他处理提升 11.13%～30.64%、1.2%～16.13%；后马庄村千粒重 T4 较其他处理提高 11.13%；3 个地块中 T4处理的产量和氮肥偏生产力分别较其他处理增加 8.33%～24.47% 和 10.82%～90.38%。地块、处理均单独极显著地影响了有效穗数、穗粒数、千粒重和产量，地块和处理交互作用显著影响籽粒产量。将不同有机肥替代比例处理与籽粒产量利用二项式回归方程拟合，方程达到极显著水平，计算出全段庄村、后马庄村和张法台村小麦最适有机肥替代氮肥比例分别为 28.38%、28.84% 和 26.58%。

注：同一列数字后不同小写字母代表同一地块处理间差异显著（P<0.05），下同；** 表示 0.01 水平显著，* 表示 0.05 水平显著，ns 表示不显著。

2.7 有机肥替代氮肥对土壤微生物多样性的影响

对各处理土壤样品中 16S rDNA 高通量测序后得到 3833990 条有效序列。序列聚类为 12018 个 OTU，相似性截止值为 97%，分别属于 46 门 156 纲 380 目 633 科 1240 属。通过对不同处理细菌群落 OTU 变化分析发现（图6），前段庄村中 T2、T3、T4、T5 这 4 个处理中得到 OTU 分别为 7460、6872、7066、 7471，张法台村中 T2、T3、T4、T5 这 4 个处理中得到 OTU 分别为 7495、7290、7071、7117，其中前段庄村中 T2、T3、T4、T5 中特有的 OTU 数为 616、419、457、623，张法台村中 T2、T3、T4、T5 中特有的 OTU 数为 642、504、521、567。然而前段庄村中 T3 的 OTU 数量最低，较其他处理降低 2.83%～8.55%，张法台村 T2 的 OTU 数量较高，较其他处理增加 2.80%～6.00%，说明仅施化肥会使小麦根际土壤细菌群落 OTU 数发生变化。

通过计算 Alpha 多样性指数，包括 Ace 指数、 Chao 指数和 Shannon 指数检验微生物多样性对不同有机肥替代的响应，（表4）。Chao 指数和 Ace 指数用于评价群落丰富度，Shannon 指数和 Simpson 指数用于评价群落多样性与均匀度。根据土壤微生物多样性的分析，两块试验地施用有机肥提高了 Simpson 指数。这些 Alpha 多样性指数在前段庄村样本之间没有显著差异，但前段庄村 Chao 指数和 Simpson 指数均以 T4 处理最高，较其他处理分别增加 8.01%～10.14%、8.33%～14.71%。张法台村 Chao 指数中 T2、T3 处理较 T4、T5 处理分别提升 7.29%～7.44%、6.52%～6.67%。施用有机肥提高了两个试验地的 Simpson 指数、Chao 指数。

图7是在门水平下细菌各处理物种分布柱状图，前段庄村和张法台村各处理土壤的优势菌门种类均相似。其中检测到优势菌门有 5 个，分别是变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、厚壁菌门 （Bacteroidetes）。前段庄村优势菌门占相对丰度 77.1%～81.9%，张法台村优势菌门占相对丰度7 4.8%～77.0%。在 T2、T3、T4、T5 处理中，前段庄村中放线菌门丰度最高占 24.0%～27.3%，且 T4 处理放线菌丰度占比最高，较其他处理增加 8.0%～17.4%；张法台村中变形菌门丰度最高占 24.2%～25.3%，其中 T3、T5 处理占比较高；前段庄村和张法台村的 T3、T4 放线菌和变形菌相对丰度较其他处理提高 0.24%～13.79%。种类没有因施肥方式的改变而改变，各菌群的丰度未受到明显影响，说明有机肥替代氮肥没有对土壤中微生物的优势菌种造成破坏。

2.8 有机肥替代氮肥各因素间的相关性分析

图8 表明，前段庄村 Shannon 指数与全氮、全磷、全钾、穗粒数、产量呈正相关；Ace 指数与 Chao 指数呈极显著相关；干物质积累量与全氮、全磷、全钾、有效穗数、穗粒数、产量呈极显著相关；张法台村 Shannon 指数与 Chao 指数、全氮、全磷、全钾、产量呈极显著相关；产量与干物质积累量、全氮、磷、全钾、氮肥偏生产力呈极显著相关。

3 讨论

3.1 有机肥替代氮肥对作物生长和吸收的影响

有机肥替代 30% 氮肥提高小麦发育中后期叶片叶绿素含量，有机肥肥效缓慢释放，使叶片叶绿素含量提高，增强了叶片光合性能，促进植株生长发育^[12]。干物质积累量是产量形成的基础，作物吸收养分的速度和长势与干物质积累量有密切关系^[13]。常规处理与有机肥替代氮肥处理在前期差异较小，而有机肥替代氮肥在灌浆到成熟期干物质积累量显著高于其他处理，3 个地块小麦成熟期干物质积累量均以有机肥替代 30% 氮肥处理最佳，较其他处理显著提升 3.36%～46.75%。说明小麦生长初期，化肥养分释放较快，而有机肥肥效发挥缓慢长效，从而持续为植株供给养分，促进小麦植株生长发育，提高植株干物质积累量。

氮磷钾作为小麦生长的大量必需营养元素，其养分吸收和利用率是生长和产量形成的基础。刘彦伶等^[14]报道有机无机配施促进植株籽粒对磷素吸收。李明悦等^[15]指出，有机肥替代化肥 30% 促进氮素积累，提高氮素生产效率，与本研究结果一致。本研究表明施用有机肥提高各生长时期小麦植株的养分积累量，随替代比例增加，小麦植株氮磷钾积累量呈上升趋势，至替代 30% 时氮、磷、钾累积量最高，之后随有机肥替代比例植物氮磷钾积累量逐渐下降，过高过低的有机肥替代氮肥比例均不利于小麦植株养分积累；其中养分积累主要作用于成熟期并随小麦生育周期稳定提升。

3.2 有机肥替代氮肥对小麦产量和土壤微生物多样性的影响

有机肥与氮肥配施显著提高作物产量和土壤微生物繁殖^[16]，激活土壤微生物群落，或导致农业土壤中复杂有机化合物分解的细菌群发生变化，改善土壤肥力和细菌群落组成^[17]。有机肥中富含有机质和微生物，可改善小麦中后期营养吸收，促进灌浆期干物质积累量向籽粒转移^[18]，提高穗粒数，为增产提供保障，本文证明小麦产量与干物质积累量有着显著的正相关，随土壤 Shanoon 指数上升显著提高小麦干物质积累量，最终增产效果较好（图7）。黄婷苗等^[19]表明公顷穗数的增加是小麦增产的主要原因。本研究表明，有机肥替代氮肥显著提高土壤 Shanoon 指数，增加了穗粒数，提升了小麦产量（表3）。土壤微生物结构优化显著影响小麦养分吸收，利于小麦氮钾素等养分吸收。有研究报道小麦产量与细菌中放线菌呈显著正相关^[20]，前段庄村 T4 处理放线菌的占比较高，较其他处理显著提高 0.24%～13.79%；且生物有机肥含有丰富微生物，更能提高土壤养分活性，促进作物吸收，从而提高产量和氮肥偏生产力^[21]。

4 结论

与常规施肥比，有机肥替代一定比例氮肥能够提高小麦各生育期叶片叶绿素 SPAD 值、植株干物质积累量及氮素吸收运转，提高小麦产量。成熟期各干物质积累量和地上部小麦氮磷钾积累量在 3 个地块中均以有机肥替代 30% 氮肥为最佳，稳定土壤微生物环境，在保障小麦产量的同时，丰富土壤微生物菌群。

参考文献