有機肥部分替代化肥對作物產量及土壤氮素遷移的影響

井永蘋 李彥 薄錄吉 張英鵬 王艷芹 付龍云 仲子文

摘要：針對糧田大量施用化肥導致土壤質量下降以及不合理施用有機肥帶來的環境污染問題，基于產量和環境條件探索有機肥部分替代無機肥的適宜配比，為科學施肥、減少氮素淋失、保護土壤環境提供理論依據。本研究在麥玉輪作區進行大田試驗，設置不施氮肥（T1）、牛糞有機肥氮與化肥氮配比分別為1∶1、1∶2、1∶3、1∶4（簡稱T2、T3、T4、T5）和單施化肥（T6）6個處理，研究自然降水條件下不同有機肥化肥配施比例對作物產量、土壤剖面硝態氮累積分布的影響。結果表明，有機無機配比為1∶2時小麥、玉米平均總產量最高，為11.4 t·hm-2，比不施氮肥處理提高46.2%，比單施化肥處理提高3.6%。0～100 cm各土層硝態氮累積量隨著牛糞有機肥所占比例降低而升高，以單施化肥處理土壤中硝態氮累積量最高，此趨勢在小麥玉米收獲期的80～100 cm土層表現更明顯。表明該時期土壤硝態氮已存在遷移累積現象，對地下水帶來潛在的污染風險。因此，在兼顧小麥玉米產量和環境雙重條件下，小麥、玉米兩季的結果均表現為有機與無機氮肥最佳配比為1∶2，在此比例下，有機肥的替代施用較純化肥處理提高產量的同時，還能降低土壤中硝態氮的累積和遷移。

關鍵詞：有機無機配施;氮素遷移;硝態氮累積;作物產量

中圖分類號：S143.1文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2019）07-0048-07

在糧食生產過程中，普遍存在重化肥，輕有機肥的現象;大量有機肥未得到充分利用，不僅浪費資源且隨意堆置嚴重污染了周邊環境。前人研究發現，長期大量施用化肥氮導致氮肥利用率降低、土壤質量下降;單施有機肥雖然能夠培肥地力，但是不能滿足作物快速生長期對氮素的需求，因此，近年來，關于有機肥無機肥配施逐漸成為研究熱點[1]。有機肥與無機肥配施在培肥地力、作物增產、農業面源污染防控等方面均優于二者單獨施用。等氮量條件下有機肥部分替代化肥不僅能夠保證作物穩產增產，推動農業持續穩定發展[2，3]，還能有效減輕氮肥投入對農業環境帶來的污染風險。

氮素是植物生長所必需的營養元素，對提高作物產量、改善產品品質有重要作用，但氮肥的不合理施用導致土壤中大量氮素積累。在華北小麥玉米輪作地區土壤無機氮形態以硝態氮為主，銨態氮含量處于較低水平[4]。硝態氮極易隨水流失，導致地下水環境質量下降，甚至造成嚴重的污染 [5，6]。有研究表明，淋溶水中的硝態氮占淋溶水總氮的80%以上[7]。因此，在華北糧田區選擇硝態氮作為研究氮素遷移的檢測指標。

目前關于有機肥和無機肥配施的研究結論基本一致，即有機無機肥配施有利于作物穩產高產，提高土壤肥力和氮肥利用率[8，9]。這些研究大都是針對施肥方式對作物產量、土壤肥力及質量等影響開展的，但是對農業環境影響的研究較少。農業健康可持續發展，不僅考慮作物產量及土壤地力，更應該關注農業發展對土壤環境及地下水安全的影響。因此，基于環境安全和產量穩定雙重前提下的有機無機配施比例探索及其對氮素遷移影響仍需進一步研究。本試驗在華北麥玉輪作區，研究等氮量條件下不同有機無機配施比例對作物產量、氮素遷移等指標的影響，以期探索出華北糧區牛糞有機肥替代化肥的適宜比例，為合理施肥及農業面源污染防控提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及時間

試驗設在山東省菏澤市曹縣曹城鎮五里墩村（115°34′55″E，34°50′38″N）。該試驗地位于典型的華北平原地區，地勢平坦，屬于北亞熱帶季風氣候區，年均氣溫13～14℃，年均日照時數2 147 h，年均降水量610～710 mm，無霜期205～230 d。供試土壤類型為潮土。播種前0～20 cm土層有機質含量13.25 g·kg-1，全氮1.33 g·kg-1，堿解氮93.54 mg·kg-1，有效磷17.76 mg·kg-1，速效鉀129.17 mg·kg-1，pH值 8.56。該區冬小麥、夏玉米輪作，一年兩熟。試驗自2014年開始至2018年結束，連續開展4年。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理，分別為T1（CK），不施氮肥;T2（有機肥氮與無機肥氮配比，下同），1∶1;T3，1∶2;T4，1∶3;T5，1∶4;T6（CF），單施化肥。各處理試驗前均為農民習慣施肥與管理。小區面積64 m2，隨機區組排列，重復3次，每年的施肥量保持不變。

供試有機肥為牛糞，氮、磷、鉀化肥分別選用尿素、重過磷酸鈣、硫酸鉀。小麥季養分用量：N、P2O5、K2O分別為210、105、75 kg·hm-2，玉米季養分用量：N、P2O5、K2O分別為210、105、90 kg·hm-2;有機肥和磷鉀肥均基施，尿素基施追施各占一半，分別在小麥拔節期和玉米大喇叭口期追施。牛糞養分含量為N 2.68%～3.10%，P2O5 1.25%～1.46%，K2O 1.23%～1.48%，有機質12.2%～15.6%，水分含量29.7%～65.2%;每年牛糞施用量以等氮量為依據計算，磷、鉀量不足的以重過磷酸鈣、硫酸鉀補齊，超出部分進行詳細記錄。每年施用有機肥帶入的氮磷鉀量詳見表1。

供試小麥品種為濟麥22，采用25 cm等行距機播，每公頃播種量為187.5 kg;玉米品種為鄭單958，60 cm等行距點種，株距25 cm，兩品種均為當地主要栽培品種。化肥和有機肥于10月小麥播種前和6月玉米播種前撒施，機械旋耕。管理措施參考當地傳統種植習慣，采用常規栽培模式。冬小麥和玉米分別于6月和9月收獲。試驗期內作物不同生育階段的降水量如下：玉米茬口內總降水量468.1 mm（播種—拔節期85.3 mm，拔節—喇叭口期144.4 mm，喇叭口—開花期67.5 mm，開花—乳熟期107.2 mm，乳熟—完熟期63.7 mm），小麥茬口內總降水178. 7 mm（播種—入冬32.6 mm，入冬—返青期35.4 mm，返青—拔節期16.2 mm，拔節—揚花期35.8 mm，揚花—成熟期58.7 mm）。

1.3 樣品采集

土樣于小麥季的苗期、抽穗期、成熟期，玉米季的幼苗期、抽穗期和收獲期進行采集，測量土壤硝態氮含量。土樣分5層采集（0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm），相同土層每個小區內隨機取3個點混合作為1個重復，置于冰柜中冷凍保存或立時測定。小麥季成熟期和玉米季收獲期0～20 cm土樣，晾干，磨碎，分別過20目和100目篩子用于測量土壤速效養分、有機質含量及pH值。

1.4 土壤分析

土壤樣品分析均采用常規方法[10]。土壤容重采用環刀法測定;有機質采用丘林法;堿解氮采用堿解擴散法;有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法（Olsen法）;速效鉀采用乙酸銨提取-火焰光度法;土壤硝態氮含量測定：鮮土用2 mol·L-1KCl浸提，濾液通過流動注射分析儀測定。

1.5 數據統計方法

文中所有檢測指標得出的試驗數據均為連續種植4年的平均值。

根據所測定的各土層硝態氮含量和土壤容重計算每一土層（20 cm）的硝態氮累積量，土壤剖面各個土層的硝態氮累積量相加，即為一定深度土壤剖面硝態氮累積總量。

土壤剖面硝態氮累積量的計算：

式中：Ri為i土層的硝態氮累積量（kg·hm-2）;C為i土層土壤硝態氮含量（mg·kg-1）;D為i土層土壤容重（g·cm-3）;H為土層厚度（m）;A為1公頃土地面積（100 m×100 m）。

作物氮素攜出量計算：

TN（kg·hm-2）=籽粒含氮量×籽粒產量+ 秸稈含氮量×秸稈產量

氮肥農學效率計算：

AEN（kg·kg-1）=（施肥區籽粒氮素累積量-對照區籽粒氮素累積量）/施氮量

采用SPSS 16.0軟件分析數據，利用單因素分析進行差異性分析（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 耕層土壤理化性質的變化趨勢

不同有機無機配比處理對收獲后土壤理化性質的影響有差異。由表2看出，有機肥比例越大土壤有機質和有效磷含量越高，但處理間有機質含量差異不顯著，而有機無機比例為1∶1（T2）和1∶2（T3）處理的有效磷含量較高，與1∶3（T4）處理的差異不顯著，但顯著高于其他處理。與對照相比，單施化肥和有機無機不同配比處理均能顯著提高土壤堿解氮、速效鉀含量。4年內施肥方式對糧田土壤pH值無顯著影響。

2.2 小麥、玉米產量變化趨勢

連續4年的監測結果表明（表3），有機無機肥配施（T2～T5）以及單施化肥（T6）處理的小麥

和玉米總產量顯著高于對照處理（T1）（P<0.05），平均增產29.5%～46.2%。小麥玉米4年的平均總產量以T3處理最高，比對照提高46.2%，比單施化肥處理T6提高3.6%。T3小麥玉米的總產量雖然與單施化肥的處理無顯著差異，但有增產趨勢，且產量更穩定。

2.3 不同有機無機配施比例對土壤剖面中硝態氮累積量的影響

2.3.1 小麥季0～100 cm土體中硝態氮垂直分布規律 綜合4年的數據發現，在小麥苗期、抽穗期、成熟期，各處理0～100 cm各層土壤硝態氮含量基本以不施氮肥處理T1最低，各施肥處理在0～100 cm剖面上呈現不同的分布規律（圖1）。

圖1A顯示，在小麥苗期，除T1、T3處理外，其他施肥處理硝態氮累積量均在40～60 cm土層最高;隨著施肥處理中化肥比例增大，80～100 cm土層中的硝態氮累積量逐漸增大，T6處理硝態氮累積量最高。

小麥抽穗期（圖1B），T4處理在0～20 cm和20～40 cm土層中硝態氮累積量分別比其他各處理高出98.2%～457.4%和132.3%～350.1%，差異達極顯著水平（P<0.01），但在80～100 cm土層中T1～T5之間硝態氮累積量無顯著差異;隨著土層加深，T6處理硝態氮累積量呈先降低后升高的趨勢，80～100 cm土層中硝態氮累積量最高達48.5 kg·hm-2，極顯著高于其他各處理（P<0.01）。

小麥成熟期（圖1C），各處理土壤中硝態氮累積量隨著土層深入總體呈先降低后升高的趨勢。T6處理在0～40、80～100 cm土層中的硝態氮累積量均顯著高于其他處理（P<0.05）。其中T6處理在80～100 cm土層中硝態氮累積量比T3、T4、T5依次高出68.4%、28.3%和21.4%。表明化肥氮所占比例越大，深層土壤中硝態氮累積量越高，由此看出，單施化肥處理和化肥氮比例高的處理，易導致深層土壤中硝態氮的累積。

2.3.2 玉米季0～100 cm土體中硝態氮垂直分布規律 綜合4年數據發現，隨玉米生育期的推進，在作物快速生長吸收養分以及氮素向下運移作用下，0～60 cm土層硝態氮累積量逐漸降低;60～100 cm 土層硝態氮累積量呈先增加后略有降低的趨勢（圖2）。

玉米苗期，T1和T2處理硝態氮在各層土壤中的累積量均較低;T3～T6處理在0～40 cm土層的累積量明顯高于T1和T2處理（圖2A）。各土層中硝態氮累積量隨化肥氮所占比例增加而增加，以單施化肥的累積量最高。

玉米抽穗期，不施氮處理硝態氮累積量隨土層深入降低，而施肥處理呈先降低后升高的趨勢（圖2B）;各處理在80～100 cm土層中硝態氮累積量隨化肥氮所占比例增加而增加，分別比T2～T5處理高出72.4%、55.5%、28.0%、20.5%。

玉米收獲期，各處理土壤硝態氮累積量隨著土層的加深呈先降低再升高的趨勢（圖2C）。80～100 cm土層中T6處理硝態氮累積量顯著高于T4、T5處理，分別高出39.5%和24.1%。而T4、T5又顯著高于T2、T3。在該時期化肥氮用量占比越大，深層土壤中硝態氮累積量越大。

2.4 基于土壤硝態氮累積量與產量前提下的有機無機配施比例

小麥玉米輪作區0～60 cm土層中養分屬于有效養分，80～100 cm土層的硝態氮存在較強淋溶風險。氮素供給直接影響作物產量，本研究針對4年試驗中80～100 cm土層硝態氮累積量和小麥、玉米總產量進行了最佳配比分析。

由圖3A看出， 4年小麥的平均產量隨著化肥氮所占比例增加呈先增加后降低再增加的趨勢。T3處理的小麥產量最高，其次是T6處理，分別為5.6 t·hm-2和5.4 t·hm-2，顯著高于對照處理（P<0.05）。小麥全生育期內80～100 cm土層中硝態氮累積量隨化肥氮所占比例增加而增加;T3處理80～100 cm的硝態氮累積量較低，同時小麥產量最高。因此，小麥季等氮量條件下以有機肥氮與化肥氮配比1∶2為最佳配比，既可以保證產量又能使深層土壤中硝態氮淋失風險相對較低。

由圖3B看出，各施肥處理的玉米平均產量顯著高于對照，但處理間差異不顯著。玉米季80～100 cm土層中硝態氮的累積量隨化肥氮所占比例升高而升高，單施化肥處理硝態氮累積量最高，除對照外，T2、T3處理硝態氮累積量較低，玉米產量則以T3處理最高。綜合分析，玉米季在等氮量條件下，有機肥氮與化肥氮配比為1∶2是最佳有機無機配施比例。

因此，在兼顧小麥玉米產量和環境雙重條件下，小麥、玉米兩季的結果均顯示有機肥氮與化肥氮的最佳配施比為1∶2。

2.5 不同有機無機配施比例對氮肥農學效率的影響

相同施氮量條件下，氮肥農學效率越高說明作物地上部帶走的氮素越多，殘留于土壤中的氮素越少。由表4看出，小麥季，隨著無機氮肥比例增大，氮肥農學效率呈現先增大后下降趨勢;當有機無機配施比例為1∶3時，氮肥農學效率最大，其次是配施比例為1∶2的處理。玉米季，當有機無機配施比例為1∶2時氮肥農學效率最大，為16.38%。對于氮肥農學效率相對較高的T3處理，小麥玉米季地上部氮素攜出量平均為136.05、126.95 kg·hm-2，不計土壤中氮素內部變化，則肥料帶入土壤中氮素分別為73.95、83.05 kg·hm-2。從圖1和圖2也可看出，T3處理中80～100 cm土壤中硝態氮在0～100 cm土體中所占比例相對較小，另有一部分氮素以較穩定形態固定于土壤中。因此，T3處理下層土體累積硝態氮量較小，造成的硝態氮淋溶風險相對較低。綜合小麥季和玉米季氮肥農學效率，有機無機配施比例為1∶2時為最佳配施比例。

3 討論

化肥的肥效較快，易被作物吸收利用，同時也極易流失，而有機肥分解緩慢，具有長效性，但不能滿足作物快速生長期對養分需求，一定比例的有機無機肥料配施，不僅滿足作物生長獲得較高的產量[11，12]，而且能夠降低氮磷鉀養分的淋失風險。

畜禽糞便有機肥種類很多，最常見的是牛糞、豬糞和雞糞，其中雞糞的有機質含量最高，為25%～40%，N、P2O5、K2O含量分別為1.6%～1.7%、1.5%～1.6%和0.8%～0.9%，均顯著高于豬糞（0.50%、0.50%～0.60%、0.35%～0.45%）和牛糞（0.20%、0.25%、0.16%）。

本試驗中，通過研究不同比例牛糞有機肥與無機肥配施對土壤理化性質的影響發現， T2和T3處理有效磷含量較高，與T4處理差異不顯著，但均顯著高于其他處理，其他土壤速效養分和有機質、pH無顯著變化。4年的試驗結果表明，小麥玉米總產量以牛糞有機肥氮與化肥氮配比為1∶1處理最低，以配施比例為1∶2時產量最高。該結果與習斌等[7]的研究結果一致，習斌等用50%的豬糞替代化肥，產量低于單施化肥處理。而龐鳳梅[18]研究發現在施氮量為200 kg·hm2時，雞糞有機肥氮和化肥氮配施比為3∶1時冬小麥產量最高。究其原因可能是由于雞糞有機肥養分含量高于牛糞和豬糞，等氮量條件下牛糞有機肥和豬糞有機肥的養分釋放緩慢，化肥比例較低時養分供應不充分造成的[8]。

從土壤中硝態氮的累積遷移狀況來看，小麥季，隨著生育期推進和土層深入硝態氮累積量下降，且累積量隨有機肥氮所占比例的增大而降低;對于有機無機配施比例為1∶3的處理，小麥季養分最大效率期（抽穗期）在0～40 cm土層中硝態氮累積量最高，有利于提高氮肥利用率，降低氮淋失風險。玉米季，隨土層深入苗期土壤硝態氮累積量降低;由于玉米季屬于雨熱同期，抽穗期和收獲期隨土層深入硝態氮累積量呈現先下降后升高的趨勢，氮淋失風險土層（80～100 cm）中硝態氮累積量相對較大且隨化肥氮所占比例的增大而升高;而有機無機配施比例為1∶2和1∶3時在玉米抽穗期表現出上層土壤（0～40 cm）硝態氮累積量比下層（80～100 cm）低的趨勢，到收獲期時除不施氮處理外，T2、T3處理淋失風險土層（80～100 cm）累積量達到最低，僅為10～15 kg·hm-2，而單施化肥處理此層硝態氮累積量達到30 kg·hm-2。本研究中T2、T3處理淋失風險層（80～100 cm）中硝態氮累積量較低，對地下水污染風險最小[13-17]。王志勇等[19]研究發現，與單施化肥氮相比單施雞糞有機肥和有機無機配施能有效降低根區（90～200 cm）外土壤中硝態氮累積量，這與本研究結果一致。葉有良等[20]研究表明，有機無機配施可通過提高微生物活性促進土壤中有機質和速效養分的轉化，提高土壤供肥強度，從而提高作物對氮素的吸收和利用。另一方面，有機無機肥配施一快一慢釋放養分的規律更符合作物對氮素的需求，從而減少氮素損失，提高氮素的利用[21]。本研究表明有機無機配施比例為1∶3～1∶2時，氮肥利用率高于其他處理。等氮量條件下，兼顧產量的同時，提高氮素利用率、降低土壤硝態氮累積的有機無機最佳配施比例，因有機肥的種類不同而不同，含氮量高的有機肥，如雞糞與化肥配比中，有機肥提供的氮占比較大，而含氮量低的有機肥，如牛糞和豬糞則是以化肥提供的氮占比較大。合理的有機無機配施比例可以在減少化肥用量的同時保證作物產量[22，23]，提高養分利用率，降低氮素淋失風險。

4 結論

（1）本研究中，采用牛糞有機肥氮替代化肥氮素的不同有機無機肥配施處理，4年小麥玉米輪作平均總產量較不施肥處理增產29.5%～46.2%，其中以牛糞有機肥氮與化肥氮配比為1∶2處理最高，為11.4 t·hm-2，與不施肥處理相比增產46.2%。

（2）與單施化肥相比，牛糞有機肥替代氮肥處理，隨著替代量的增加，硝態氮在深層土壤中的累積量呈現先降低后升高趨勢;當有機氮與化肥氮配比為1∶2～1∶3時，累積量相對最小，氮肥利用率最高。

（3）綜合產量、環境與經濟因素，有機無機配施比例為1∶2～1∶3時，作物產量穩定且氮淋失風險較小，以配施比例為1∶2（T3）時最佳;既能保證糧食產量、保肥養地又能減少氮淋失風險，降低農田土壤氮污染負荷。

參 考 文 獻：

[1]孟琳， 張小莉， 蔣小芳， 等. 有機肥料氮替代部分無機氮對水稻產量的影響及替代率研究[J]. 植物營養與肥料學報， 2009， 15（2）： 290-296.

[2] 唐繼偉， 林治安， 許建新， 等. 有機肥與無機肥在提高土壤肥力中的作用[J]. 中國土壤與肥料， 2006（3）：44-47.

[3] 索東讓.長期定位試驗中化肥與有機肥結合效應研究[J].干旱地區農業研究， 2005，23（2）：71-75.

[4] 戴明宏， 陶洪斌， 王利納， 等. 華北平原春玉米種植體系中土壤無機氮的時空變化及盈虧[J]. 植物營養與肥料學報， 2008， 14（3）： 417-423.

[5] Rodriguez M A， Continuo J， Martins F. Efficacy and limitationsof triticale as a nitrogen catch crop in a Mediterranean environment[J]. European Journal of Agronomy， 2002， 17（3）： 155-160.

[6] 楊學云， 張樹蘭， 袁新民， 等.長期施肥對土硝態氮分布、累積和移動的影響[J]. 植物營養與肥料學報， 2001，7（2）：134-138.

[7] 習斌， 翟麗梅， 劉申， 等. 有機無機肥配施對玉米產量及土壤氮磷淋溶的影響[J]. 植物營養與肥料學報， 2015， 21（2）： 326-335.

[8] 高洪軍， 朱平， 彭暢， 等. 等氮條件下長期有機無機配施對春玉米的氮素吸收利用和土壤無機氮的影響[J].物營養與肥料學報， 2015，21（2）：318-325.

[9] 高忠霞， 楊學云， 周建斌， 等. 小麥-玉米輪作期間不同施肥處理氮素的淋溶形態及數量[J]. 農業環境科學學報， 2010，29（8）：1624-1632.

[10]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 北京：中國農業出版社， 2000.

[11]徐陽春， 沈其榮， 冉煒. 長期免耕與施用有機肥對土壤微生物生物量碳、氮、磷的影響[J].土壤學報， 2002， 39（1）： 89-96.

[12]郝小雨， 高偉， 王玉軍， 等. 有機無機肥料配合施用對設施番茄產量、品質及土壤硝態氮淋失的影響[J]. 農業環境科學學報， 2012， 31（3）： 538-547.

[13]朱兆良. 中國土壤氮素研究[J]. 土壤學報， 2008，45（5）：778-783.

[14]黃東風， 王果， 李衛華， 等. 不同施肥模式對蔬菜生長、氮肥利用及菜地氮流失的影響[J]. 應用生態學報， 2009， 20（3）： 631-638.

[15]吳成龍， 沈其榮， 夏昭遠， 等. 麥-稻輪作系統有機無機肥料配施協同氮素轉化的機制研究Ⅰ. 小麥季15N去向分析[J]. 土壤學報， 2010， 47（5）： 905-912.

[16]張玉平， 榮湘民， 劉強， 等. 有機無機肥配施對旱地作物養分利用率及氮磷流失的影響[J]. 水土保持學報， 2013，27（3）：44-49.

[17]吉艷芝， 馮萬忠， 郝曉然， 等. 不同施肥模式對華北平原小麥-玉米輪作體系產量及土壤硝態氮的影響[J]. 生態環境學報， 2014， 23（11）： 1725-1731.

[18]龐鳳梅. 有機無機肥料配施對麥田土壤氨揮發和硝態氮含量的影響[D].北京：中國農業科學院，2008.

[19]王志勇，紅梅，楊殿林，等.供氮水平和有機無機配施對夏玉米產量及土壤硝態氮的影響[J].中國土壤與肥料，2008（6）：11-14.

[20]葉優良， 李隆， 孫建好. 3 種豆科作物與玉米間作對土壤硝態氮累積和分布的影響[J].中國生態農業學報， 2008，16（4）：818-823.

[21]孫美， 蒙格平， 張曉琳， 等. 集約化種植區硝態氮在土壤剖面中的分布與累積特征[J]. 環境科學學報， 2012，32（4）：902-908.

[22]張建國， 晉京串， 肖寧月. 山西旱地農業降水高效利用技術探討[J].山西農業科學， 2009， 37（1）： 52-54.

[23]袁新民， 同延安， 楊學云， 等. 有機肥對土壤NO-3-N累積的影響[J].土壤與環境， 2000， 9（3）： 197-200.