2018, Vol. 35
2. 江苏省生态农业工程技术研究中心, 江苏 扬州 225009
2. Ecological Agricultural Engineering Technology Research Center of Jiangsu, Yangzhou 225009, China
沼液是沼气工程的副产物，其中氮、磷、钾等元素含量较高，无法满足直接排放的要求[1-2]。随着近年来沼气工程的快速发展，沼液产生量越来越大，如何处理沼液的问题日益突出。以循环农业理念为指导，农田施用沼液，一方面可减少或避免沼液排放带来的环境风险；另一方面可利用沼液资源，减少化肥的施用[3-5]。因此，研究沼液在农田上的应用效果，对促进农牧结合的生态循环农业模式的推广应用具有十分重要的意义。关于这方面内容，国内外已有不少报道[6-8]。冯伟等[6]研究认为在基施沼液的基础上追施化肥氮可提高小麦产量，在氮投入基追比为1：1条件下小麦高产和优质兼顾。黄红英等[7]开展了连续2年不同沼液替代化肥比例的等氮田间试验，结果表明以50%沼液替代比例处理小麦产量最高，其产量比单施化肥处理提高7.8%。高威等[4]认为沼液和化肥配施能促进小麦植株微量元素的提高并改善籽粒品质，整体而言，以越冬期灌入约90 m3·hm-2处理废水、穗期施用化肥氮90 kg·hm-2为宜。这类报道阐明了施用沼液对小麦产量及品质的影响，为麦田适宜的沼液施用量提供相关的参考依据。然而，关于施用沼液对小麦生长发育动态特征方面的研究鲜有报道，为更加系统深入地了解施用沼液如何影响小麦生长发育，从而影响产量，本试验设置沼液替代不同比例化肥氮处理，探讨施用沼液对小麦生育进程、株高动态、群体动态和干物质积累动态等方面的影响，以期为大面积麦田施用沼液技术的推广和应用提供一定的理论依据和数据支撑。
1 材料与方法 1.1 试验地点及供试品种试验于2016—2017年在江苏省扬州市江都区郭村（32°26.57′N，119°48.93′E）进行，该地区属亚热带湿润气候区，平均海拔5 m，年平均气温14.9 ℃，平均降水量为978.7 mm，年均日照时数为2140 h，年无霜期为220 d。土壤类型为高沙土，前茬作物为水稻，土壤pH为7.25，有机质含量17.82 g·kg-1，全氮1.23 g· kg-1，碱解氮67.93 mg·kg-1，速效磷34.71 mg·kg-1，速效钾183.19 mg·kg-1；重金属元素含量：Cu 3.17 mg·kg-1，Zn 7.05 mg·kg-1，Cd 0.15 mg·kg-1，Cr 22.73 mg·kg-1，Pb 1.57 mg·kg-1，As 12.15 mg·kg-1。
供试小麦品种为强筋小麦“扬麦23”；沼液来源于邻近麦田的年出栏约2万头猪场（扬州陵都养殖有限公司）的沼气工程，小麦全生育期共施用2次沼液，其主要理化性质见表 1。
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表 1 沼液主要理化性质（mg·kg-1） Table 1 Main physical and chemical properties of biogas slurry(mg·kg-1) |
试验共设置6个处理（表 2），包括1个全施化肥处理（Ncf，180 kg N·hm-2、75 kg P2O5·hm-2、75 kg K2O·hm-2）和5个沼液替代化肥氮处理（替代30%、50%、70%、100%和200%化肥氮，分别标记为30%Nbs、50%Nbs、70%Nbs、100%Nbs和200%Nbs），各处理间氮磷钾养分施用量相同。以Ncf处理氮磷钾养分施用量为参照，各施用沼液处理中氮磷钾养分不足的部分，分别用尿素、过磷酸钙和氯化钾补充。以Ncf处理氮肥施用量为参照，遵照氮肥用量一致的原则，依据替代比例及沼液氮含量确定沼液用量。各沼液替代化肥氮处理中，扣除基施及追施沼液带入的磷钾养分（参考基施沼液中磷钾养分含量），确定基施磷钾肥用量。施用化肥品种分别为尿素（N 46.4%）、过磷酸钙（P2O5 12%）和氯化钾（K2O 60%）。各试验小区面积18 m2（长4.5 m，宽4 m），各处理随机区组排列，重复3次。2016年11月6日播种，播量为225 kg·hm-2，病虫草害防治按当地常规方法进行管理。
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表 2 各处理不同生育期施肥情况 Table 2 Application of fertilizers in different stages for different treatments |
沼液分别于2016年11月28日（苗期）和2017年3月24日（拔节期）施用，施用比例分别为40%和60%。各处理沼液和化肥施用具体情况见表 2。采用潜水泵和皮管从露天储存池中将沼液引流到试验小区田边，用15 L塑料桶定量后直接均匀撒施在麦田。为避免用量过大时沼液溢出田埂，一次施不完时分两次施，两次相隔3~5 d。
1.3 测定项目与方法 1.3.1 分蘖动态小麦出苗后10 d，每小区选择长势均匀的区域，围3个50 cm×50 cm的固定调查点，分别在分蘖、拔节、抽穗和成熟期调查各点分蘖数。
从分蘖期开始，在每个固定调查点中，选取长势均匀的连续20~25株，对分蘖发生情况挂牌追踪。每个主茎和分蘖挂上标签，并注明分蘖的次级，每4 d挂牌1次。成熟期根据单株标记牌记录各次级分蘖数和成穗数。
1.3.2 株高及节间长度小麦分蘖、拔节、抽穗和成熟期，在每个固定调查点附近，取约35个连续的长势均匀的茎蘖，测定植株株高，并在成熟期测定基部和穗下节间长度。
1.3.3 地上部干物质积累动态测量样品株高和节间长度后，于105 ℃下杀青30 min，80 ℃下烘干至恒重后称重，成熟期样品，分为籽粒和秸秆两部分，分别烘干称重。
1.3.4 产量及其构成因素避开边行和取样区域，对每小区中央7 m2（3 m× 2.5 m）区域小麦进行实割、脱粒、晒干扬净后称重测产。成熟期取约35株样品，在分开籽粒和秸秆的同时，进行室内考种，测定穗粒数和千粒重。
1.3.5 小麦品质及重金属含量采用瑞典Perten公司生产的SKCS-4100型单粒谷物特性测定仪测定籽粒硬度，采用DA7200型品质分析仪测定籽粒和面粉品质（包括容重、稳定时间、湿面筋含量、沉降值、蛋白质含量）[8]。籽粒的Cu、Zn、Cd、Cr、Pb、As含量用Agilent 7500a型电感耦合等离子体质谱（Inductively coupled plasma mass spectrome⁃ ter，ICP-MS，美国）测定[9]。
1.4 数据处理与统计分析收获指数=籽粒产量/地上部干物质积累量
抽穗后干物质同化贡献率=（成熟期干物质量-抽穗期干物质量）/籽粒产量×100%
干物质转运率=[抽穗期干物质量-（成熟期干物质量-籽粒产量）] /抽穗期干物质量×100%
干物质转运贡献率=[抽穗期干物质量-（成熟期干物质量-籽粒产量）] /籽粒产量×100%
采用Microsoft Excel 2007软件进行数据处理并绘制图表，采用SPSS 19.0软件进行数据间多重比较（LSD法）和相关性分析。
2 结果与分析 2.1 施用沼液对小麦产量及构成因素的影响从表 3可知，随着沼液替代化肥氮比例的增加，各处理小麦产量差异显著（P＜0.05），并呈现先增加后下降的趋势，其中50%Nbs处理最高，为7.75 t·hm-2，比Ncf处理增加18.14%。100%Nbs处理产量与Ncf处理差异不显著（P＞0.05）；有效穗数呈现逐渐上升的趋势，200%Nbs处理最高，为5.72×106个·hm-2，比Ncf处理增加25.37%；穗粒数呈现先增加后下降的趋势，其中50%Nbs处理最高，为55.16个，比Ncf处理增加27.74%；Ncf处理千粒重最大，为41.71 g，施用沼液处理平均千粒重为37.68 g，其中200%Nbs处理显著低于其他各处理（P＜0.05），为32.54 g。
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表 3 施用沼液对小麦产量及构成因素的影响 Table 3 Effects of biogas slurry application on wheat yield and yield components |
由表 4可知，30%Nbs、50%Nbs和70%Nbs处理全生育期天数与Ncf处理无显著差异，平均为202 d。与其他等氮处理相比较，100%Nbs处理，拔节期稍有提前，而抽穗和成熟期都有所延迟，全生育期天数为205 d，比Ncf处理延长3 d。200%Nbs处理小麦生长前期生育进程进一步提前，生长后期生育进程进一步延迟，全生育期天数为207 d，比Ncf处理延长5 d。
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表 4 施用沼液对小麦生育进程的影响（年/月/日） Table 4 Effects of biogas slurry application on wheat development progress(year/month/day) |
成熟期小麦株高平均为74.10 cm，拔节期的小麦分蘖数最多，平均为1.04×107个·hm-2，成熟期小麦地上部干物质积累量最大，平均为19.53 t·hm-2（图 1）。分蘖期，各处理株高、分蘖数和地上部干物质积累量都无显著性差异。拔节期、抽穗期和成熟期，随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦株高、分蘖数和地上部干物质积累量呈现逐渐上升的趋势。成熟期，100%Nbs处理的株高和分蘖数与Ncf处理之间无显著性差异（P＞0.05），地上部干物质积累量显著高于Ncf处理（P＜0.05）；200%Nbs处理的小麦株高、分蘖数和地上部干物质积累量都显著高于Ncf处理（P＜0.05），分别为77.62 cm、5.72 × 106个·hm-2、22.65 t·hm-2，分别增加8.49%、25.37%和31.40%。
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不同字母表示处理间差异显著（P＜0.05）。下同 Different letters indicate significant differences among treatments(P < 0.05). The same below 图 1 施用沼液对各生育期小麦株高、分蘖数和干物质累积量的影响 Figure 1 Effects of biogas slurry application on wheat height, tiller number and dry matter accumulation in different stages |
施用沼液后小麦成熟期基部和穗下节间长度都有显著性提高（P＜0.05，表 5）。随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦基部节间长度呈现逐渐上升的趋势，其中，200%Nbs处理最高，为3.33 cm，比Ncf处理增加22.50%。100%Nbs与Ncf处理间差异不显著（P＞0.05）。基部节间长度占株高比例同样以200%Nbs处理为最高。各处理中，Ncf处理小麦穗下节间长度最小，为26.32 cm，当沼液替代化肥氮比例增加到50%，小麦穗下节间长度显著增加至29.80 cm，之后不再有显著性变化。同样，穗下节间长度占株高比例也是50%Nbs处理最高，之后不再增加。
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表 5 施用沼液对成熟期小麦基部和穗下节间长度的影响 Table 5 Effects of biogas slurry application on length of basal internode and rachis internode of wheat in maturity |
随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦一次分蘖数呈逐渐上升的趋势（表 6），200%Nbs处理显著高于其他各处理，为7.17个·株-1；一次分蘖成穗数在50%Nbs处理时较大，之后不再有显著性变化；一次分蘖成穗率呈现先上升后下降的趋势，50%Nbs处理最高，为48.46%；100%Nbs处理与Ncf处理差异不显著（P＞0.05）。随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦二次分蘖数呈逐渐上升的趋势，而只有100%Nbs和200%Nbs处理有成穗数。随着沼液替代化肥氮比例的增加，单株分蘖数及成穗数都呈逐渐增加的趋势，而单株成穗率则呈现先上升后下降的趋势，50%Nbs处理最高，为46.67%；100%Nbs与Ncf处理间差异不显著（P＞0.05），200%Nbs处理则显著低于Ncf处理（P＜0.05）。
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表 6 施用沼液对小麦单株分蘖特征的影响 Table 6 Effects of biogas slurry application on tillering characteristic of single wheat plant |
由表 7可见，随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦收获指数呈现先增加后下降的趋势，50%Nbs处理最高，为0.51；100%Nbs与Ncf处理间差异不显著（P＞0.05），200%Nbs处理为0.35，显著小于其他各处理（P＜0.05）。分蘖期至拔节期、拔节期至抽穗期，随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦地上部干物质积累增加量呈现逐渐上升的趋势；抽穗期至成熟期，则呈现先增加后下降的趋势，50%Nbs处理显著高于其他各处理（P＜0.05），为7.51 t·hm-2。
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表 7 施用沼液对小麦地上部干物质同化及转运的影响 Table 7 Effects of biogas slurry application on dry matter accumulation and transportation of wheat |
随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦抽穗后干物质同化贡献率显现逐渐上升趋势，100%Nbs和200%Nbs处理之间差异不显著（P＞0.05），平均为78.21%，并显著高于Ncf处理（P＜0.05）；而干物质转运贡献率则呈现逐渐下降的趋势，100%Nbs和200%Nbs处理显著低于Ncf处理（P＜0.05）。随着沼液替代化肥氮比例的增加，干物质转运率呈现先上升后下降的趋势，50%Nbs处理显著高于其他各处理，为19.96%。
2.3 施用沼液对小麦品质的影响与Ncf处理相比，施用沼液处理的小麦面团稳定时间、湿面筋含量、沉降值、蛋白质含量等品质指标都有所增加（表 8），并且，随着沼液替代化肥氮比例的增加，都呈现逐渐上升的趋势，200%Nbs处理最高，分别为12.27 min、32.92%、48.29 mL和14.90%。各处理间籽粒硬度无显著性差异。随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦籽粒容重有下降的趋势，各处理平均为770.70 g·L-1。
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表 8 施用沼液对小麦品质的影响 Table 8 Effects of biogas slurry application on winter wheat quality |
由表 9可见，小麦籽粒Cu和Zn含量随着沼液替代化肥氮比例的增加，呈现逐渐上升的趋势，100%Nbs处理显著高于Ncf处理（P＜0.05），各处理中200%Nbs处理含量最高，分别为5.896 mg·kg-1和20.916 mg·kg-1。随着沼液替代化肥氮比例的增加，Pb和As含量有所增加，各处理间差异不显著（P＞0.05）；小麦籽粒Cd和Cr含量随着沼液替代化肥氮比例的增加，则呈现逐渐下降的趋势，100%Nbs和200%Nbs处理差异不显著，但都显著低于其他各处理（P＜0.05）。
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表 9 施用沼液对小麦籽粒重金属含量的影响（mg·kg-1） Table 9 Effects of biogas slurry application on the contents of heavy metal in wheat grain(mg·kg-1) |
本研究表明，随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦产量呈现先增加后下降趋势，其中以沼液替代50%化肥氮处理最高，这与黄红英等[7]的研究结果相似。目前，有关有机肥与化肥配施的研究很多，一般认为，固体有机肥替代30%化肥氮比较适宜[10-12]，这明显低于本研究结果。其主要原因是，沼液一方面可提供大量的速效养分，另一方面可促进土壤有机氮的分解[1, 7]，其在养分供应上具有缓急相济的作用，沼液与化肥配施能满足当季作物的养分需求；而固体有机肥的养分释放缓慢，当季只能替代少部分化肥。
沼液替代化肥氮比例超过50%时，虽然干物质积累量有所增加（图 1），但抽穗期至成熟期地上部干物质积累增加量呈现下降的趋势（表 7）。沼液替代化肥氮比例超过一定量之后，小麦无效分蘖增多；后期贪青晚熟，影响干物质向籽粒转运，严重影响穗粒数和千粒重，导致收获指数和产量下降。另外，随着沼液用量的增加，小麦基部节间长度显著增加，易在不良气候条件下出现倒伏减产。
3.2 施用沼液对小麦品质及重金属含量的影响一定范围内，增加施氮量能提高小麦籽粒蛋白质含量，提升面团和面粉等多项品质指标[13]。本研究表明，在等氮量条件下，随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦品质同样有所改善。其主要原因是，沼液中养分有效性较高，并且促进土壤有机养分矿化分解，虽然总氮投入量没有增加，但是作物对养分的吸收利用效率得以提高。李春喜等[14]研究表明在等氮量条件下，施用沼液可以促进作物对氮素的吸收利用，最终提高氮的利用效率。小麦籽粒蛋白质含量影响小麦加工品质[15]，本研究发现小麦籽粒硬度、面团稳定时间、面粉的湿面筋含量、沉降值与籽粒蛋白质含量之间存在显著正相关性，这与王月福等[16]的研究结果相似。施用沼液提高籽粒蛋白质含量是改善小麦加工品质的主要原因之一。
随着沼液施用量的增加，小麦籽粒Cu、Zn、Pb和As含量都有所增加，而Cd和Cr含量则有下降趋势，这与前人的研究结果[4, 17-18]相似。各处理中小麦籽粒重金属含量均低于相应的污染物限量标准（GB 2762—2005）[19]。然而，长期施用沼液是否会导致小麦重金属超标，需要通过长期定位试验来进一步研究。另外，为保证施用沼肥的安全性，有关施用沼液对土壤重金属的固定或活化机理有待进一步研究。
3.3 麦田消纳沼液适宜量通过农田系统消纳沼液被认为是目前最简单有效的处理沼液方法[20-22]。与沼液作为肥料利用不同，以处理沼液为目的的农田消纳沼液是要在作物耐受范围内尽可能多地消纳沼液。本研究表明，与50%Nbs处理相比，麦田继续增加沼液施用量（70%Nbs、100%Nbs、200%Nbs）可以消纳更多沼液，同时产量依然高于Ncf处理。但是，由于贪青晚熟，以及基部节间长度显著增长等原因可能导致倒伏、减产；另外，由于大量施入沼液，更多氮素会以硝态氮和温室气体形式排放到环境中，导致二次污染风险增加[22-23]。因此，麦田施用沼液替代化肥氮比例达到50%以上是否能够兼顾稳产及环境安全有待进一步研究。
综合沼液灌溉对小麦生长发育特征、产量、安全品质监测结果，本试验初步认为，麦田灌溉沼液替代化肥氮比例为50%时产量最高，同时品质有所改善。邻近试验麦田的养殖场，年均出栏约2.5万头肉猪，产生约5万t沼液，大约需要配置292.14 hm-2麦田用于消纳沼液。
4 结论随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦产量显著增加（P＜0.05），50%Nbs处理最高，为7.75 t·hm-2，比Ncf处理增产18.14%；100%Nbs与Ncf处理产量差异不显著（P＞0.05）；籽粒千粒重呈显著下降趋势（P＜0.05）；穗粒数和收获指数呈先上升后下降趋势。随着沼液替代化肥氮比例的增加，小麦各生育期株高、分蘖数和干物质积累量都呈现逐渐增加的趋势；成熟期，100%Nbs处理地上部干物质积累量显著高于Ncf处理（P＜0.05）；200%Nbs处理的小麦株高、分蘖数和地上部干物质积累量都显著高于Ncf处理（P＜0.05）。施用沼液可改善小麦品质，提高小麦籽粒的Cu和Zn含量，显著降低Cd和Cr含量（P＜0.05），对Pb和As含量影响不显著（P＞0.05）。各处理籽粒重金属含量均低于相应的污染物限量标准。
当沼液替代化肥氮比例达到50%以上，由于贪青晚熟，以及基部节间长度显著增长等原因可能导致倒伏、减产，施入大量沼液也可能导致二次污染风险增加。因此，本研究初步认为，在本试验条件下，麦田灌溉沼液替代化肥氮最佳比例为50%。
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