小麦是我国三大粮食作物之一，其产量高低直接关乎国家粮食安全。化肥在小麦生产过程中发挥着不可或缺的作用，然而，过量施用化肥不仅会造成资源浪费，还会引发土壤养分失衡、土壤板结、生物多样性丧失、作物产量降低、肥料利用率下降以及环境压力增大等问题^[1-2]。河南作为粮食生产大省，同样存在过量施肥的现象^[3]。具体表现为氮肥回收率在30%~35%^[4]，磷肥利用率在10%~25%^[5]，且钾素养分投入不足，农田整体钾平衡处于亏缺状态^[6]。因此，探索能够协同实现化肥减量、土壤培肥以及高产高效的施肥措施，对河南乃至我国小麦的可持续生产具有重要意义。有机肥替代化肥是推进化肥减量的重要策略。

闫丽娟等^[7]研究发现，在化肥配施有机肥（尿素114.1 kg/hm²、有机肥10.5 t/hm²）处理下，土壤有机碳和全氮含量相较于单施化学氮肥处理分别提高了11.09%和13.40%。邢鹏飞等^[8]研究表明，施用50%无机肥配合6000 kg/hm²有机肥相较于单施无机肥能显著提高土壤蔗糖酶和过氧化氢酶活性。宋震震等^[9]研究发现，施用大量有机肥的土壤中，脲酶、蔗糖酶和磷酸酶活性显著增强。张向前等^[10]研究表明，长期施用有机肥的小麦，其总根长、根表面积、根体积、根尖数、根分叉数和根干重均高于单施化肥处理，根系特性得到显著改善。此外，有机肥替代化肥还可提高氮素利用效率、增加籽粒产量^[11]。综上所述，化肥配施有机肥能显著增加土壤速效养分含量^[12]，提高土壤有机质和全氮含量，增强土壤酶活性，改善小麦根系性状，促进干物质积累。然而，目前关于有机肥替代化肥对豫东麦―玉两熟复种区土壤特性及小麦生产力调控的研究尚缺乏相关报道。

本研究基于设置在豫东麦―玉两熟复种区的定位试验，以农户常规施肥处理作为对照，在施氮总量为240 kg/hm²的条件下，设置4个有机肥替代氮肥比例（20%、30%、40%和50%）处理，探究其对土壤养分含量、酶活性、小麦根系特性、干物质与氮素积累转运特性、产量、氮素吸收利用效率和经济效益的影响，以期为豫东麦区土壤肥力提升及小麦高产高效生产提供理论依据。

试验于2022-2024年在河南省商丘市睢阳区郭村镇侯福溪村（116°39′ E，34°52′ N）进行。该地属于温带大陆性季风气候，年均气温14.1 ℃，无霜期217 d，年均降水量662 mm，多集中在6-8月。土壤类型为潮土，肥力中等，地力均匀。2022年秋种前0~20 cm土层基础养分含量为有机质10.62 g/kg、碱解氮72.28 mg/kg、速效磷22.13 mg/kg、速效钾82.01 mg/kg、pH 8.11。

试验采取完全随机区组设计，共设5个处理，分别为农户常规施肥（FP）、有机肥替代20%（MS20）、30%（MS30）、40%（MS40）和50%（MS50）氮肥。各处理具体氮、磷、钾肥和有机肥用量及比例见表1。小区面积56 m²（7 m×8 m），设置3次重复。供试氮、磷和钾肥分别为尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P₂O₅ 12%）和硫酸钾（含K₂O 52%），供试有机肥为河南立施康肥业有限公司生产的商品有机肥（含N 2.5%、P₂O₅ 1.0%、K₂O 2.5%、有机质20.6%）。有机肥、磷肥和钾肥作为基肥一次性施入，氮肥50%基施，50%拔节期追施。供试小麦品种为新麦45，分别于2022年10月12日和2023年10月15日进行播种，播量300 kg/hm²，人工条播，行距22 cm。其他管理措施同当年高产田。

于2023和2024年小麦收获后，在各小区用土钻采集0~20 cm土层土壤样品，剔除杂物风干后，分别过0.85和0.25 mm筛，用于土壤养分和酶活性的测定。采用K₂Cr₂O₇容量法―外加热法测定有机质含量，采用浓H₂SO₄消化―半微量凯氏法测定全氮含量，采用1.0 mol/L NaOH碱解扩散法测定碱解氮含量，采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提―钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用1.0 mol/L醋酸铵浸提―火焰光度法测定速效钾含量，参考《土壤农化分析》^[13]测定土壤化学指标，采用苯酚钠―次氯酸钠比色法^[14]测定土壤脲酶活性，采用TTC分光光度法^[14]测定土壤脱氢酶活性。

在2022-2023年和2023- 2024年生长季，分别于返青期、拔节期、开花期和成熟期取样，选取长势一致且有代表性的麦行，以麦行为中心，向左右行间各延伸10 cm，取长和宽各20 cm、深30 cm的土块，将挖取的土块装于70目筛网袋中，用流水缓慢冲洗干净根部，将冲洗干净的根系放入装有少量水的有机玻璃盘中，用镊子小心地将每条根展开，使根与根之间不交叉、不重叠^[15]。使用Epson Expression 10000XL根系扫描仪（日本Epson公司）进行图像扫描，之后利用WinRHIZO根系分析系统（加拿大Sainte Foy公司）获取根长、根表面积和根体积等指标^[16]。分析结束后回收根系，于105 ℃下杀青30 min，随后转至75 ℃烘干至恒重，最后用万分之一的天平称重以获得根系干重。

在2022- 2023年和2023-2024年生长季，分别于小麦返青期和拔节期每个小区选取代表性植株10株，于开花期和成熟期每个小区选取20个具有代表性的单茎，用于测定干物质积累量和氮素积累量。开花期所取样品分为茎、叶和穗，成熟期所取样品分为茎、叶、颖壳和籽粒。样品于105 ℃杀青30 min后，75 ℃烘干至恒重，然后称量干物质积累量。随后将样品烘干、磨粉并过60目筛，采用H₂SO₄-H₂O₂联合消煮，采用凯氏定氮法^[13]测定植株各器官的含氮量。

干物质与氮素营养相关指标计算公式为^[17-19]：花前干物质转运量（kg/hm²）=开花期地上部营养器官干物质量-成熟期地上部营养器官干物质量；花前干物质转运率（%）=花前干物质转运量/开花期地上部营养器官干物质量×100；花前干物质对籽粒贡献率（%）=花前干物质转运量/成熟期籽粒干物质量×100；花后干物质积累量（kg/hm²）=成熟期地上部总干物质积累量-开花期地上部总干物质积累量；花后干物质对籽粒贡献率（%）=花后干物质积累量/成熟期籽粒干物质量×100；地上部氮素积累量（kg/hm²）=地上部干物质积累量×全氮含量；花前氮素转运量（kg/hm²）=开花期地上部营养器官氮素积累量-成熟期地上部营养器官氮素积累量；花前氮素转运率（%）=花前氮素转运量/开花期地上部营养器官氮素积累量×100；花前氮素对籽粒的贡献率（%）=花前氮素转运量/成熟期籽粒氮素积累量×100；花后氮素积累量（kg/hm²）=成熟期氮素积累量-开花期地上部氮素积累量；花后氮素对籽粒的贡献率（%）=花后氮素积累量/成熟期籽粒氮素积累量×100；氮素吸收效率（%）=成熟期氮素积累量/纯氮施用量；氮素收获指数=籽粒氮素积累量/成熟期地上部氮素积累量；氮素利用效率（kg/kg）=籽粒产量/成熟期地上部氮素积累量；氮肥偏生产力（kg/kg）=籽粒产量/纯氮施用量。

于小麦成熟期小区实收计产。在测产前，调查1 m双行的穗数，并随机取20株调查穗粒数和千粒重。

参考张军等^[20]的方法计算经济效益。经济效益=籽粒产量×市场价格-生产成本，式中，生产成本由农资投入（肥料和种子）、农机费用与劳动力成本共同构成，小麦、尿素、过磷酸钙和硫酸钾的价格分别为2.7、2.8、0.9和5.0元/kg，有机肥和种子的价格为1.5和7.0元/kg，各处理除肥料和种子投入以外的生产成本均为4500元/hm²。

使用Microsoft Excel 2010处理数据，采用SPSS 20.0软件（DMRT法，α=0.05）进行显著性检验，使用Origin Pro 8.1软件制作图表。

有机肥替代比例对耕层土壤养分含量具有显著影响（表2）。2年平均试验数据显示，MS20和MS30处理相较于FP处理能显著提高土壤养分含量，其中MS20处理使全氮和碱解氮含量分别提高9.35%和8.39%，MS30处理使有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量分别提高4.88%、8.15%、7.65%和5.37%。MS40和MS50处理对土壤养分含量的影响因指标不同而有所差异，与FP处理相比，MS40处理使有机质、有效磷和速效钾含量分别显著增加5.93%、13.74%和12.11%，MS50处理则使有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分别显著增加7.27%、19.63%、12.21%、15.59%和23.80%。随着有机肥替代氮肥比例的提高，速效养分含量呈增加趋势，表明有机肥替代氮肥能有效提高土壤养分含量。

由图1可知，有机肥替代比例对土壤酶活性有显著影响，2年平均数据显示，土壤脲酶活性在MS30处理下最高，与MS20处理差异不显著，但均显著高于FP、MS40和MS50处理。MS20和MS30处理较FP、MS40和MS50处理显著提高4.65%~21.05%。土壤脱氢酶活性表现为MS30>MS20>FP>MS50>MS40，MS30处理较FP、MS20、MS40和MS50处理显著提高44.01%~ 56.52%，MS20处理较FP、MS40和MS50处理显著提高20.00%~30.43%。FP、MS40和MS50处理之间无显著差异。总体来看，土壤酶活性随有机肥替代比例增加呈现先增后降的趋势，MS30处理效果最佳。

由图2可知，随着生育进程的推进，有机肥替代氮肥比例对小麦根系特性产生显著影响。小麦的根长、根表面积、根体积和根干重呈现先增后降的变化趋势，均在开花期达到峰值，不同生育时期的变化规律基本一致。其中，以MS30处理表现最优，MS20处理次之，而MS40和MS50处理与FP处理相比无优势，甚至显著降低。与FP处理相比，开花期MS30处理下根长、根表面积、根体积和根干重分别提高9.45%、21.65%、23.60%和8.24%，而MS20处理下分别提高6.90%、16.79%、13.79%和7.27%。MS40和MS50处理间根系特性多数无显著差异，但与FP处理相比，在开花期根长显著降低13.58%和13.20%，根表面积在返青期和成熟期也均表现为显著降低。可见，有机肥替代氮肥可以改善小麦根系特性，其中替代比例为30%（MS30）时效果最优，超过40%（MS40）后效果显著减弱，甚至出现负效应。

由图3可知，2022-2023年返青期FP、MS20和MS30处理的干物质积累量无显著差异，MS30处理在开花期和成熟期显著增加。在开花期，MS30处理较FP、MS20、MS40和MS50处理分别显著增加20.40%、10.94%、13.79%和16.58%；在成熟期分别增加17.44%、4.74%、17.47%和19.90%，MS40和MS50处理间差异不显著。2023-2024年返青期FP、MS20和MS30处理的干物质积累量无显著差异，拔节期则是除MS30处理外其他4种处理间差异不显著。MS30处理在开花期和成熟期较其他处理分别增加5.67%~16.09%和1.44%~23.22%。

由表3可知，有机肥替代氮肥可显著调控小麦花前干物质转运量、转运率和花后干物质积累量。2022-2023年MS20和MS30处理花前干物质转运量显著高于其他处理，MS30处理较FP、MS40和MS50处理分别提高17.03%、19.19%和13.79%。FP、MS20和MS30处理的花前与花后干物质对籽粒贡献率无显著差异。2023-2024年MS30处理花前干物质转运量最高，其次是MS20处理，MS30处理花后干物质积累量较FP、MS40和MS50处理分别显著增加11.92%、15.72%和29.33%。

由图4可知，不同有机肥替代氮肥比例对小麦地上部氮素积累量影响显著，其中MS30处理的氮素积累量最高，其次为MS20处理。2022-2023年开花期，与FP、MS40和MS50处理相比，MS30处理地上部氮素积累量分别显著提高36.45%、23.85%和25.83%，MS20处理分别显著提高23.51%、12.10%和13.89%；开花期MS30处理叶的氮素积累量较FP、MS20和MS50处理分别显著增加20.28%、9.18%和41.43%，穗的氮素积累量分别显著增加16.41%、8.36%和34.88%；成熟期MS30处理籽粒的氮素积累量较FP、MS40和MS50处理分别显著增加18.47%、29.83%和35.14%。2023-2024年开花期，与FP、MS40和MS50处理相比，MS30处理地上部氮素积累量分别显著增加31.89%、19.25%和39.56%，MS20处理分别显著增加28.21%、15.92%和39.56%；成熟期MS30处理籽粒的氮素积累量较FP、MS40和MS50处理分别显著增加18.47%、29.83%和35.14%。

进一步分析氮素转运特性和贡献率（表4）可知，在2022-2023年，MS30处理显著提高花前氮素转运量和花后氮素积累量。FP、MS20和MS30处理在花前氮素转运率上差异不显著，但在花前氮素对籽粒贡献率上有显著差异，其中MS30处理最高。2023-2024年，MS30处理的花前氮素转运量最高，较FP、MS40和MS50处理分别显著增加18.84%、25.64%和41.04%，其次是MS20处理；FP、MS20和MS30处理在花前氮素转运率和花后积累量上无显著差异。

由表5可知，与FP处理相比，MS20和MS30处理的小麦产量在2年均有提高，2022-2023年分别提高15.00%和15.42%，2023-2024年分别提高14.67%和18.43%，且2023-2024年籽粒产量高于2022-2023年。与FP处理相比，MS30处理成穗数显著增加，2022-2023年增加3.52%，2023-2024年增加4.67%，而MS40和MS50处理成穗数降低。此外，2年间穗粒数差异不显著。除FP处理外，其他各处理的千粒重无显著差异。

采用不同有机肥替代氮肥处理能显著提高小麦的氮效率（表6），尤其是MS20和MS30处理在氮素利用效率上显著优于其他处理。与FP处理相比，2022-2023年MS20和MS30处理的氮素吸收效率分别提高了22.73%和32.95%，2023-2024年分别提高了14.13%和16.31%。在氮肥偏生产力上，MS20和MS30处理与FP处理相比，2022-2023年分别提高了14.95%和15.38%，2023-2024年分别提高了14.65%和18.42%。FP处理与MS40处理在氮素收获指数上无显著差异。

由图5可知，2022-2023年，小麦产量与氮素利用效率、成熟期地上部氮素积累量、花前氮素转运量、花后氮素积累量、成熟期地上部干物质积累量、花后干物质积累量呈极显著正相关。小麦氮素利用效率与成熟期地上部氮素积累量、成熟期地上部干物质积累量呈极显著正相关。2023-2024年小麦产量、氮素利用效率与成熟期地上部干物质积累量、花前干物质转运量、成熟期地上部氮素积累量、花前氮素转运量呈极显著正相关。花前干物质转运量对籽粒贡献率与各指标呈负相关。

由表7可知，相较于FP处理，MS20和MS30处理显著提高了产值，2022-2023年分别显著增加了15.01%和15.42%，2023-2024年分别显著增加了14.67%和18.43%。在经济效益上，与FP处理相比，2022-2023年MS20处理显著增加了9.81%，2023-2024年MS20和MS30处理分别增加了9.16%和6.71%。综合分析可知，MS20处理的经济效益优于MS30处理。

有机肥作为化肥的替代品，在土壤管理中发挥着越来越重要的作用。李其胜等^[21]研究发现，商品有机肥替代部分化肥与常规全量化肥相比，分别使土壤有机质、全氮、全磷和速效磷含量提高21.77%、4.08%、14.29%和25.00%。林治安等^[22]发现有机肥与化肥配施能够持续提高土壤有机碳和氮含量，其养分含量随施肥年限增加而提高，并且效果优于单独施用化肥^[23]。本试验也证实了这一点，土壤养分含量随着替代比例的增加而显著增加，其中，MS40处理使有机质、有效磷和速效钾含量分别显著增加5.93%、13.74%和12.11%，MS50处理则使有机质、全氮、碱解氮、有效磷和速效钾分别显著增加7.27%、19.63%、12.21%、15.59%和23.80%。此外，土壤中的所有生化反应均依赖于土壤酶的参与，土壤酶活性水平可以作为土壤生物活性和质量健康状况的评价指标^[24]。周东兴等^[25]通过比较8种有机肥配施化肥处理下的土壤性状和酶活性，发现化肥减量30%+蚯蚓粪处理效果最显著，提高了脱氢酶和脲酶活性。马忠明等^[26]研究发现，单施有机肥或有机肥配施适量化肥处理下，过氧化氢酶和脲酶活性优于单施化肥或不施肥。丁维婷等^[27]研究表明，全量有机肥和有机肥替代25%化肥处理显著提高了土壤酶活性。本研究结果显示，有机替代20%（MS20）和30%（MS30）氮肥处理可以显著增加土壤脲酶和脱氢酶活性，而有机替代40%（MS40）和50%（MS50）氮肥处理与农户常规施肥（FP）处理相比差异较小。综上，适量有机肥替代氮肥能够向土壤微生物提供碳源，促进土壤氮素转化，使氮肥利用效率得到提高；同时可以显著提高土壤酶活性，推动土壤有机物的转化^[27]。

小麦根系是关键的养分和水分吸收器官，其分布特征直接影响小麦地上部分的生长及产量^[28]。李絮花等^[29]研究表明，有机肥能够促进小麦根系生长并扩大其在深层土壤中的分布，增加根系的总鲜重和活力，从而提高小麦生育后期的养分吸收能力。配合施用氮、磷肥或优质有机肥可显著促进根系生长和根量增加^[30]。在本研究中，MS30处理下小麦的根长、根表面积、根体积和根干重在开花期分别较FP处理提高了9.45%、21.65%、23.60%和8.24%。而有机替代比例过高则会导致根系性状指标下降，这与张向前等^[10]的研究结果一致。

此外，小麦根系生长与地上部干物质积累运转是相互促进、相互依赖的^[28]。谢军等^[31]研究表明，有机无机肥配施能协调作物营养生长与生殖生长阶段的干物质积累，从而提高作物产量。本研究结果显示，与农户常规施肥相比，有机肥替代氮肥对冬小麦干物质积累量的影响与小麦根系表型性状相关，相关性达到0.95。

有机肥富含作物所需的大、中、微量元素，对提高土壤肥力和促进作物生长效果显著^[31]。多项研究^[32-33]表明，有机肥与氮、磷肥的联合施用能够优化作物在不同生长阶段的干物质积累，这种联合施用方式不仅协调了花前与花后的干物质积累，还使得总干物质积累量显著高于单施有机肥或对照处理。这一效果的实现，主要归功于有机肥与氮、磷肥的共同作用，其改善了作物的光合性能，延缓了旗叶衰老，并促进干物质积累和转移^[34]。吴迪等^[34]则进一步揭示有机肥显著提升了养分从营养体向籽粒的转运效率及转运量，从而增强了作物的养分吸收能力和干物质积累。本研究结果显示，有机肥替代氮肥能够增加小麦地上部及籽粒干物质积累量，且以MS30处理的效果最为显著，该处理不仅促进了花后营养器官干物质的生产，还加速了干物质向籽粒的转移，为小麦的高产奠定物质基础，证实有机肥替代部分氮肥对小麦生长有积极影响。

此外，与FP处理相比，MS30处理显著提高了小麦各时期的氮素积累量，而MS40和MS50处理差异较小。MS30处理在提高花前氮素对籽粒贡献率以及花后氮素积累量对籽粒贡献率方面也有较好的表现。裴雪霞等^[35]研究发现，籽粒氮素积累与作物各生育阶段的氮素积累量、花前茎叶氮转运量及花后氮积累量之间存在显著的正相关关系，本研究得到相似结果。

本研究中，MS30处理下冬小麦的成穗数显著增加，从而提高产量。与FP处理相比，MS20和MS30处理在2022-2023年小麦产量分别提高了15.00%和15.42%，2023-2024年分别提高了14.67%和18.43%。这一结果与前人^[35-36]研究相似。

本研究结果显示，有机肥替代氮肥不仅能减少氮肥使用量，还能显著提高氮效率。然而，替代比例并非越高越好。有机肥替代20%（MS20）和30%（MS30）氮肥处理下的氮素收获指数、氮素利用效率、氮素吸收效率和氮肥偏生产力均优于其他处理，而有机肥替代40%（MS40）和50%（MS50）氮肥处理的效果减弱，甚至产生抑制效果。张鸣等^[37]的研究同样发现，与单独施用化肥相比，鸡粪与化肥配合施用能够显著提高氮肥的农学效率、吸收利用效率、偏生产力和生理利用效率。任科宇等^[38]进一步证实，在华东、华北、南方及西北地区，施用有机肥后氮肥利用率显著提高2.7%~8.9%。

农业生产致力于实现作物产量与经济效益的协调发展。本研究中MS20和MS30处理较FP处理经济效益有所提升，2022-2023年MS20处理较FP处理提高了895.94元/hm²，2023-2024年MS20和MS30处理较FP处理分别增加了923.07元/hm²和676.59元/hm²。但是随着替代比例的增加，经济效益减少。这说明有机肥施用过程中，较高的肥料投入导致种植效益降低，与李丰丰等^[39]的研究结果相似。

有机肥替代30%氮肥处理可提高土壤养分含量，增强土壤脲酶和脱氢酶活性，调控小麦根系特性，显著增加返青期至成熟期的干物质积累量，提高花前和花后干物质积累量，提高了氮素利用效率、吸收效率和氮肥偏生产力，产量较农户常规施肥处理增加15.42%~18.43%。从经济效益的角度考虑，有机肥替代30%处理虽高于常规施肥处理，但较有机肥替代20%处理略微降低，因此推荐有机肥替代20%和30%处理。