魯 帥,羅曉剛,劉全偉,張 屹,孟洋昊,李 潔,張景來(lái),*

(1.中國(guó)人民大學(xué) 環(huán)境學(xué)院, 北京 100872; 2.江西晟健肥業(yè)有限公司, 江西 九江 332600; 3.中國(guó)科學(xué)院 合肥智能機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031)

化肥作為農(nóng)作物最主要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源之一,為我國(guó)糧食產(chǎn)量提高做出過(guò)重要貢獻(xiàn)。1978—2006年,化肥使用對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率超過(guò)56%[1]。人們?yōu)榱俗非蠹Z食高產(chǎn),不斷提高化肥用量,根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù),我國(guó)農(nóng)業(yè)的化肥投入量(折純用量)從1978年的884萬(wàn)t增加到2015年的6 022.6萬(wàn)t,此后雖有所下降,但仍超過(guò)5 600萬(wàn)t,化肥投入強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)世界平均水平[2]。與高強(qiáng)度的化肥投入形成鮮明對(duì)比的是較低的化肥利用率,我國(guó)化肥的整體利用率不高,氮肥為20%～45%,磷肥僅為10%～25%[3]。長(zhǎng)期不合理的施肥習(xí)慣也帶來(lái)了一系列的環(huán)境問(wèn)題,比如土壤板結(jié)、土壤肥力下降、土壤酸化等土壤環(huán)境問(wèn)題,而土壤酸化能夠增加土壤中重金屬元素的活性[4],加劇土壤重金屬污染,此外,大量未被利用的氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素隨地表徑流進(jìn)入江河湖泊,造成水體富營(yíng)養(yǎng)化,影響人們的用水安全[5]。因此,改變我國(guó)的肥料使用結(jié)構(gòu),減少化肥用量已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。

施用有機(jī)肥能夠改良土壤結(jié)構(gòu)、增強(qiáng)土壤肥力,減少化肥使用帶來(lái)的各類(lèi)環(huán)境問(wèn)題[6]。為了促使我國(guó)農(nóng)業(yè)向綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變,中央和各地政府已經(jīng)采取了一系列的措施來(lái)控制化肥用量、提高有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的投入。但單獨(dú)施用有機(jī)肥也存在一定的缺陷,比如用量大、肥效慢、產(chǎn)量不高等,因此,有機(jī)肥和化肥配施,既能夠克服各自的缺點(diǎn),又能發(fā)揮化肥速效、有機(jī)肥長(zhǎng)效,以及改善土壤的作用,成為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注熱點(diǎn)。然而,目前的研究大多集中在化肥減量或有機(jī)肥施用對(duì)作物產(chǎn)量、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和土壤養(yǎng)分的影響等方面,而對(duì)此過(guò)程中作物的食品安全問(wèn)題,尤其是重金屬含量變化卻鮮有報(bào)道。為全面評(píng)估肥料施用對(duì)作物生長(zhǎng)、品質(zhì)和土壤環(huán)境等各方面的影響,本文研究了施用化肥和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)河北冬小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響,并進(jìn)一步探究了此過(guò)程中土壤和農(nóng)作物中重金屬含量的變化,以期為有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)和實(shí)踐支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)于2020年10月至2021年6月在河北省石家莊市藁城區(qū)馬莊試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫12.5 ℃,無(wú)霜期平均189 d,年平均降水量495 mm。供試農(nóng)田種植模式為小麥玉米輪作,常年小麥產(chǎn)量7.5～9.0 t·hm-2、玉米產(chǎn)量8.25～9.75 t·hm-2。農(nóng)田土壤為輕壤質(zhì)潮褐土,土層深度0～20 cm,有機(jī)質(zhì)18.5 g·kg-1,全氮1.3 g·kg-1,有效磷18.6 mg·kg-1,速效鉀96 mg·kg-1,pH值8.04。

1.2 供試材料

供試小麥品種為邢麥6號(hào),化肥為肥爾得牌小麥專(zhuān)用肥(氮∶磷∶鉀=19∶21∶5,總養(yǎng)分含量45%),有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥為江西晟健肥業(yè)有限公司生產(chǎn)的晟健有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥,其中養(yǎng)分含量為:N 7.7%,P2O510.3%,K2O 8.5%,總養(yǎng)分含量26.5%,有機(jī)質(zhì)含量33.4%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的施肥習(xí)慣,并參考其他文獻(xiàn)中小麥的用肥量確定本次試驗(yàn)中化肥和有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的用量[7-8]。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理組,每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。分別為: CK,不施肥對(duì)照; FP,習(xí)慣施肥,底施肥爾得小麥專(zhuān)用肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 40,底施晟健有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 60,底施晟健有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥900 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 80,底施晟健有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥1200 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2; SJ 40+30,底施晟健肥料600 kg·hm-2,追施晟健肥料450 kg·hm-2。

施肥處理均采用底追結(jié)合方式,底肥均勻撒施于地表,旋耕、播種,追肥在小麥拔節(jié)期(2021年3月31日)灌溉前撒施。2020年10月13日施肥播種,2021年6月8日收獲。小區(qū)規(guī)格8.0 m×6.5 m,每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.4 測(cè)試項(xiàng)目與方法

分別于小麥種植前和收獲后采集耕層土壤(0～20 cm)測(cè)定其理化性質(zhì),小麥成熟后測(cè)定其產(chǎn)量,同時(shí)采集植株樣本測(cè)定籽粒和秸稈的N、P、K和重金屬含量。

小麥產(chǎn)量測(cè)定:收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)選取具有代表性的樣方2 m2,從莖基部割取后收入網(wǎng)袋中,自然風(fēng)干后進(jìn)行脫粒、稱(chēng)量,折算成作物產(chǎn)量。

小麥營(yíng)養(yǎng)元素與重金屬含量測(cè)定:將小麥籽粒和秸稈分別粉碎,經(jīng)H2SO4-H2O2消煮處理,采用半微量凱氏定氮法測(cè)定氮含量,鉬藍(lán)比色法測(cè)定磷含量,火焰光度法測(cè)定鉀和重金屬含量[7]。

土壤理化性質(zhì)測(cè)定:土壤pH值用酸度計(jì)進(jìn)行測(cè)定;土壤全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定;土壤無(wú)機(jī)氮含量以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮之和計(jì)算,銨態(tài)氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定,硝態(tài)氮含量采用2 mol·L-1KCl浸提-離子色譜法測(cè)定,有效磷含量采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定,速效鉀含量采用1.0 mol·L-1醋酸銨浸提-火焰光度法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定,重金屬含量采用王水-高氯酸消煮-原子吸收光譜法測(cè)定[9]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019軟件整理,用SPSS Statistics 26軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析,采用Origin 2021軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)小麥產(chǎn)量、養(yǎng)分含量和養(yǎng)分吸收的影響

2.1.1 小麥產(chǎn)量

如圖1所示,與不施肥的CK相比,所有施肥處理組小麥產(chǎn)量均顯著(P<0.05)提高,其中SJ80處理組小麥產(chǎn)量最高,為9.26 t·hm-2。相同用量的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與化肥相比,小麥產(chǎn)量降低4.6%,但差異不顯著,當(dāng)有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量提高到900 kg·hm-2時(shí),小麥產(chǎn)量與化肥處理組相當(dāng)。SJ80處理組小麥產(chǎn)量顯著高于CK、SJ40和SJ40+30處理組,說(shuō)明增加有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥底施用量,能顯著提高小麥產(chǎn)量,但在用量相同的情況下,化肥更有利于小麥產(chǎn)量的提高。

CK表示不施肥對(duì)照組;FP表示習(xí)慣施肥處理組,即底施小麥專(zhuān)用肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ40表示底施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥600 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ60表示底施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥900 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ80表示底施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥1 200 kg·hm-2,追施尿素225 kg·hm-2;SJ 40+30表示底施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥600 kg·hm-2,追施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥450 kg·hm-2。柱上無(wú)相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。CK denotes the no fertilizer control group; FP denotes the regular fertilizer group, 600 kg·hm-2 fertilizer for wheat as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ40 denotes the group that 600 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ60 denotes the group that 900 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ 80 denotes the group that 1 200 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 225 kg·hm-2 urea as the topdressing; SJ40+30 denotes the group that 600 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the base and 450 kg·hm-2 organic-inorganic compound fertilizer as the topdressing. Bars marked without the same letters indicated significant difference at P<0.05. The same as below.圖1 不同施肥處理對(duì)小麥產(chǎn)量的影響Fig.1 Effects of different fertilizer treatments on wheat yield

2.1.2 不同施肥處理對(duì)小麥養(yǎng)分含量和養(yǎng)分吸收的影響

不同施肥處理對(duì)小麥籽粒和秸稈中養(yǎng)分含量均具有一定影響,但影響程度不同。如圖2所示,小麥籽粒氮含量以FP處理組最高,顯著高于SJ40+30處理組。根據(jù)小麥蛋白質(zhì)折算系數(shù)(以5.7計(jì))[10],計(jì)算得到CK、FP、SJ40、SJ60、SJ80、SJ40+30處理組小麥蛋白質(zhì)含量分別為13.1%、13.9%、13.4%、13.5%、13.4%、12.6%。與化肥處理組相比,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的使用降低了小麥籽粒中蛋白質(zhì)含量,等底肥用量處理時(shí)降低了3.3%,而底追全部用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與常規(guī)施肥相比,小麥蛋白質(zhì)降低了9.1%,差異達(dá)顯著水平。小麥秸稈中氮含量也是FP處理組最高,與CK相比提高了15.2%,差異達(dá)顯著水平。隨著底施有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量的提高,小麥秸稈中氮含量有增高的趨勢(shì),但差異未達(dá)顯著水平。小麥籽粒和秸稈中磷含量均以SJ40+30處理組最高,但各處理組秸稈中磷含量差異不顯著,說(shuō)明追施

圖2 不同施肥處理對(duì)小麥籽粒和秸稈元素含量的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on elemental content of wheat seeds and straw

有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥更有利于小麥籽粒對(duì)磷素的吸收和累積,而秸稈的吸收則不明顯。施肥對(duì)小麥籽粒和秸稈鉀含量均有一定的影響,且對(duì)秸稈的影響程度大于對(duì)籽粒的影響程度。SJ40+30處理組比CK小麥籽粒鉀含量提高了12.5%,差異達(dá)顯著水平,其余各組間差異不顯著;就秸稈而言,所有施肥處理組秸稈的鉀含量均顯著高于CK。追施450 kg·hm-2有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與追施225 kg·hm-2尿素相比,小麥秸稈中鉀含量提高12.9%,達(dá)顯著水平,相應(yīng)籽粒鉀含量提高7.1%,未達(dá)顯著水平。

施用肥料能夠顯著提高小麥地上部分氮、磷、鉀的吸收量,如圖3所示,所有施肥處理組地上部分氮、磷吸收量均顯著高于CK對(duì)照組,且以SJ80處理組最高,其氮、磷吸收量分別為319.5 kg·hm-2和30.6 kg·hm-2,就小麥鉀吸收量而言,SJ40+30處理組最高,為244.5 kg·hm-2,由此可以看出,小麥地上部分對(duì)N的吸收最高,其次是K,對(duì)P的吸收最低,結(jié)合小麥各元素含量,其籽粒中3種元素含量順序?yàn)镹>K>P,而秸稈中3種元素含量為K>N>P,可以推測(cè),3種大量元素中N對(duì)于小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響最大,其次是K,最后是P。底肥用量相同時(shí),施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與化肥相比,小麥地上部分氮、磷、鉀的吸收量均降低,說(shuō)明速效養(yǎng)分含量高的化肥更容易被小麥吸收。追施450 kg·hm-2有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與追施225 kg·hm-2尿素相比,小麥磷和鉀的吸收量均顯著增加,增長(zhǎng)幅度分別為14.7%和25.4%,而氮吸收量則無(wú)明顯差異。說(shuō)明復(fù)混肥中的磷和鉀在追施后能夠有效地被小麥吸收利用,而由于追施的尿素中氮元素含量與復(fù)混肥相當(dāng),其氮吸收量差別不大。結(jié)合小麥籽粒和秸稈中營(yíng)養(yǎng)元素含量、地上部分吸收量和肥料施用情況可以看出,小麥對(duì)氮和鉀的需求量較高,對(duì)磷需求則較低。

圖3 小麥地上部分營(yíng)養(yǎng)元素吸收量Fig.3 Nutrient uptake in above-ground parts of wheat

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤pH值和養(yǎng)分含量的影響

由表1可知,施肥對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響,施肥處理顯著提高了土壤無(wú)機(jī)氮含量,其中SJ80處理組最高,達(dá)到38.3 mg·kg-1,比CK提高了136.4%,相同用量有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥與化肥相比,土壤無(wú)機(jī)氮降低了10.5%,單獨(dú)使用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)于土壤無(wú)機(jī)氮含量具有一定的提高,但提高幅度僅為11.7%,并未達(dá)到顯著水平。表明單獨(dú)施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥會(huì)影響土壤無(wú)機(jī)氮含量,導(dǎo)致土壤氮素供應(yīng)不足,因此還需要配合氮肥施用。各施肥處理組對(duì)土壤中有效磷和速效鉀含量均具有一定的提高,但在試驗(yàn)范圍內(nèi)提高幅度都不大,未達(dá)到顯著水平。其含量均以SJ80處理組最高,分別為23.8 mg·kg-1和108.7 mg·kg-1。施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥能顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,其中SJ40+30處理組最高,達(dá)到22.1 g·kg-1,SJ60、SJ80和SJ40+30處理組土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK,與CK相比分別提高13.1%、20.2%和20.8%,在施用量相同情況下,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥處理組比化肥處理組土壤有機(jī)質(zhì)提高3.6%。隨著有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量的增加,土壤有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)。綜上可以看出,與化肥相比,施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,但會(huì)降低土壤無(wú)機(jī)氮和有效磷含量;因此,其長(zhǎng)期使用有利于土壤性質(zhì)的改善,但在短期的速效養(yǎng)分氮、磷供應(yīng)上存在一定的缺陷,為保證農(nóng)作物產(chǎn)量,宜與氮肥、磷肥配合使用。

表1 不同施肥處理對(duì)土壤pH及養(yǎng)分含量的影響Table 1 Effect of different fertilization treatments on soil pH and nutrient content

2.3 不同施肥處理對(duì)小麥及土壤重金屬含量的影響

由圖4可以看出:施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)小麥中Cd和Pb具有較為明顯的影響,能夠降低小麥籽粒中Cd含量,SJ40、SJ60處理組小麥籽粒Cd含量均顯著低于CK,分別降低了28.8%、25.0%;相同肥料用量情況下與化肥相比,小麥籽粒Cd含量降低31.5%,達(dá)顯著水平;施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥也能夠降低小麥秸稈Cd含量,與相同用量化肥相比,降低了14.8%,但未達(dá)顯著水平;就Pb含量而言,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥處理組與CK相比,小麥籽粒中Pb含量降低17.7%～30.3%,秸稈中Pb含量降低26.7%～39.7%,與化肥處理組相比,小麥籽粒中Pb含量降低20.5%～32.6%、小麥秸稈中Pb含量降低36.1%～48.1%,均達(dá)顯著水平;隨著有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量的增加,秸稈和籽粒中Cd、Pb含量有增加趨勢(shì),但未達(dá)顯著水平;施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)小麥籽粒和秸稈中As含量,以及秸稈中Hg含量無(wú)顯著影響,各組間僅有較小區(qū)別。通過(guò)對(duì)比分析小麥籽粒和秸稈中重金屬含量可以發(fā)現(xiàn),重金屬含量在秸稈中普遍高于籽粒,說(shuō)明其更容易富集在秸稈中。不同重金屬在小麥中的含量存在一定差異,小麥秸稈中重金屬含量表現(xiàn)為Pb>As>Cd>Hg,籽粒中也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì),說(shuō)明小麥對(duì)重金屬的富集能力為Pb>As>Cd>Hg。

圖4 小麥籽粒和秸稈中重金屬含量Fig.4 Heavy metal content in seed and straw of wheat

如圖5所示,施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)土壤中有效態(tài)重金屬具有一定的影響。當(dāng)施用量相同時(shí),有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥處理組比常規(guī)化肥處理組土壤中有效態(tài)Cd降低18.8%,當(dāng)施用量增加到900 kg·hm-2時(shí),仍比化肥處理組低16.7%,差異達(dá)顯著水平。此外,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的施用降低了土壤中有效態(tài)Hg含量,但差異不顯著,對(duì)土壤有效態(tài)Pb和As含量影響不大。由此可以看出,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的施用降低了土壤中有效態(tài)重金屬的含量,但對(duì)于不同重金屬的影響存在一定的差異,其中對(duì)Cd的影響最大。

圖5 土壤中重金屬含量Fig.5 Heavy metal content in soil

3 討論

有機(jī)肥養(yǎng)分含量全面均衡,能夠提高土壤肥力,改善土壤理化性質(zhì),提高土壤中微生物的活性和生物多樣性[11-12],長(zhǎng)期施用有利于土壤條件和農(nóng)作物品質(zhì)的改善,但與常規(guī)化肥相比,有機(jī)肥養(yǎng)分含量低且肥效緩慢,難以及時(shí)滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素[13]。毛偉等[14]研究了不同土壤肥力條件下有機(jī)氮替代化學(xué)氮對(duì)小麥產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)有機(jī)氮完全替代化學(xué)氮顯著降低了小麥產(chǎn)量和小麥有效穗數(shù),低肥力土壤中有機(jī)氮替代20%～30%化學(xué)氮和高、中肥力土壤中有機(jī)氮替代10%～30%的化學(xué)氮對(duì)小麥產(chǎn)量沒(méi)有顯著影響。本研究發(fā)現(xiàn),在底肥用量相同的情況下,與化肥相比,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的施用造成小麥減產(chǎn)394.5 kg·hm-2,減產(chǎn)幅度達(dá)4.6%,說(shuō)明有機(jī)肥在速效養(yǎng)分方面難以滿(mǎn)足作物生長(zhǎng)過(guò)程中的需求,其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還存在著一定的局限性。而化肥速效養(yǎng)分含量高,能夠有效彌補(bǔ)有機(jī)肥存在的缺陷,提高作物產(chǎn)量。因此,有機(jī)肥與化肥合理配施,能夠在保證作物產(chǎn)量的情況下減少化肥用量。除產(chǎn)量外,作物營(yíng)養(yǎng)成分含量和營(yíng)養(yǎng)利用效率也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中關(guān)注的問(wèn)題。本研究發(fā)現(xiàn),3種大量元素中N對(duì)于小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量影響最大,其次是K,最后是P,這與前人的研究結(jié)果一致[15-16]。N是植物生長(zhǎng)必需的大量元素,也是需求量最高的元素,能夠參與植物體內(nèi)氨基酸和蛋白質(zhì)的合成;此外,N還是核酸、葉綠素,以及一些植物激素的組成部分,廣泛參與植物體內(nèi)的多種生理過(guò)程[17-18]。本研究中化肥處理組小麥籽粒和秸稈中N含量最高,顯著高于CK,比其他有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥處理組也略高,說(shuō)明無(wú)機(jī)氮是小麥最主要的氮素利用形式。施用的肥料中無(wú)機(jī)氮含量越高,小麥地上部分吸收的N就越多,其籽粒和秸稈中N含量也就越高。而有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥由于其無(wú)機(jī)氮含量相對(duì)較低,因此與相同用量化肥處理組相比,無(wú)論是地上部分N吸收量還是小麥中的N含量都更低。K是植物體內(nèi)含量最高的金屬元素,成熟期植物的K主要集中在莖稈中[19],K能夠增加小麥的莖稈強(qiáng)度,有利于機(jī)械組織的生成,從而提高小麥的抗倒伏能力[20],這與本研究中的秸稈K含量最高現(xiàn)象相一致。小麥生長(zhǎng)所需K的主要來(lái)源就是肥料,因而隨著肥料中K含量的提高,小麥秸稈和籽粒中K的含量也會(huì)增加。

施肥略微降低了土壤pH值,顯著提高了土壤中無(wú)機(jī)氮和有機(jī)質(zhì)含量,對(duì)有效磷和速效鉀含量也有一定的提升,但影響不顯著。高飛等[21]在研究低地力條件下有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)小麥玉米輪作體系中作物產(chǎn)量和土壤性狀的影響時(shí)也發(fā)現(xiàn),施肥降低了土壤pH值,其變化范圍為8.13～8.35,pH值降低可能是肥料中無(wú)機(jī)氮引起的[22]。土壤中無(wú)機(jī)氮含量不高,而小麥生長(zhǎng)需要大量的氮素,因此氮肥成為小麥最重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源,施用化肥能夠顯著提高土壤中無(wú)機(jī)氮含量,滿(mǎn)足小麥的生長(zhǎng)需求,而有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥由于其氮素含量較低,因此在相同用量情況下土壤中無(wú)機(jī)氮含量不如化肥高,但隨著用量增加,土壤中無(wú)機(jī)氮含量也相應(yīng)提高。有機(jī)質(zhì)投入和作物殘?bào)w是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源[23],土壤有機(jī)質(zhì)含量隨有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量的增加呈現(xiàn)升高趨勢(shì),這與之前的研究結(jié)果一致[24-25]。土壤中有效磷和速效鉀含量雖然在施肥處理后有所提高,但并不明顯,因此可以考慮減少磷肥和鉀肥的施用量,既能夠降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,還可以減少其過(guò)量使用所帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

本研究發(fā)現(xiàn),小麥秸稈中重金屬含量普遍高于籽粒,這與小麥不同器官對(duì)重金屬的富集能力差異有關(guān)。Tong等[26]研究了拉薩地區(qū)重金屬在土壤-作物系統(tǒng)中的行為,發(fā)現(xiàn)小麥不同器官中Cd和Pb的含量順序?yàn)楦?葉>莖>籽粒,即籽粒中重金屬含量低于植物其他部位。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是重金屬在植物體內(nèi)存在一定的轉(zhuǎn)運(yùn)障礙,這種機(jī)制可以阻止對(duì)種子無(wú)用或有害的微量元素在其中的積累,從而起到保護(hù)后代的作用。本研究中,施用化肥使得土壤中有效態(tài)重金屬含量輕微上升,小麥籽粒和秸稈中重金屬含量也略高于對(duì)照,這可能是由于化肥施用引起的土壤pH值降低所導(dǎo)致的。土壤pH值是影響重金屬有效態(tài)和植物吸收的重要因素[26],Lin等[27]在研究有機(jī)質(zhì)對(duì)重金屬離子的吸附時(shí)發(fā)現(xiàn),當(dāng)pH值從6增加到9時(shí),有機(jī)質(zhì)對(duì)Cd2+的吸附率從10%提高到99%。Zhang等[28]在研究中國(guó)南部農(nóng)田中6種重金屬的行為時(shí)發(fā)現(xiàn),高土壤pH值有利于重金屬的吸附和沉降,而低pH值則會(huì)減弱重金屬與土壤的聯(lián)系。由此可見(jiàn),在一定范圍內(nèi),土壤pH值越低,重金屬的有效性就越高,從而越容易被植物吸收,進(jìn)一步會(huì)引起植物中重金屬含量的上升。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的施用則顯著降低了小麥籽粒中Cd和Pb,以及秸稈中Pb的含量,這可能與肥料中的有機(jī)質(zhì)和微生物有關(guān)。雖然施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的土壤pH值也有所降低,但其中有機(jī)質(zhì)含量高,有機(jī)質(zhì)能夠通過(guò)吸附、絡(luò)合、螯合等方式與重金屬相互作用,還可以通過(guò)增加土壤陽(yáng)離子交換量來(lái)降低水溶態(tài)和可交換態(tài)重金屬含量,從而降低其生物有效性[29]。此外,本次試驗(yàn)中所用的有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥中含有一些有益微生物,經(jīng)鑒定其中包含大量芽孢桿菌。有研究表明,芽孢桿菌能夠產(chǎn)生多糖和糖蛋白,與Cd、Pb形成絡(luò)合物,產(chǎn)生沉淀從而降低其活性[29],因此土壤中有效態(tài)Cd和Pb含量有所下降,進(jìn)而導(dǎo)致小麥籽粒和秸稈中Cd和Pb含量的降低。施用有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥對(duì)籽粒和秸稈中As和Hg含量影響不大,這可能與不同重金屬在土壤中的性質(zhì),以及小麥對(duì)不同重金屬吸收代謝能力的差異等因素有關(guān);此外,土壤類(lèi)型、植物抗性機(jī)制等也會(huì)影響植物對(duì)重金屬的積累[30];因此,4種重金屬在相同施肥處理下表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。

綜上所述,在底肥用量相同的情況下,有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的使用降低了河北冬小麥的產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收量,以及土壤中無(wú)機(jī)氮和有效磷含量,提高了土壤有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量。隨著有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥用量的增加,小麥產(chǎn)量逐漸提高,最高達(dá)到9.26 t·hm-2。有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)混肥的使用還顯著降低了小麥籽粒Cd、Pb含量,以及小麥秸稈中Pb的含量。本研究表明,合理配施化肥和生物有機(jī)肥,不僅能夠減少化肥用量,提高作物產(chǎn)量,還可以改善土壤理化性質(zhì),降低土壤重金屬對(duì)農(nóng)作物的危害,有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色和可持續(xù)發(fā)展。

致謝:感謝河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所楊云馬教授在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的支持和幫助!