不同有機肥與化肥配施對氮素利用率和土壤肥力的影響

李燕青，溫延臣，林治安，趙秉強

（1 中國農業科學院果樹研究所/農業部園藝作物種質資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹礦質營養與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100；2 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081；3 中國農業科學院德州鹽堿土改良實驗站，山東德州 253015）

據估計，我國每年至少可產生20億噸以上的畜禽糞便[1]。如果這些畜禽糞便得不到合理處置，不僅是對有機廢棄物資源的一種浪費，還會因堆放產生各種環境問題。這些畜禽糞便含有大量的有機質、農作物需要的氮磷鉀和各種中微量營養元素。因此，將畜禽糞便經過簡單處理作為肥料施入土壤是實現畜禽糞便科學資源化利用的重要方向之一[2]。

畜禽糞便有機肥類型復雜多樣，其成分和養分礦化過程均有所不同，因此對作物生長和土壤肥力的影響也明顯不同。陳貴等[3]5年的田間定位試驗結果表明，豬糞有機肥和牛糞有機肥在同等施用量 (重量) 條件下，豬糞有機肥與化肥減量配施或單獨施用時，水稻在生長和產量形成、養分吸收利用方面與常規化肥處理相比無顯著性差異；牛糞有機肥與化肥配施和單獨施用時，氮磷鉀生理利用效率有所提高，但水稻產量和氮磷鉀累積量均有不同程度下降；與化肥相比，牛糞處理和豬糞處理的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度提升，等量豬糞處理土壤全氮、有效磷、速效鉀提升程度大于牛糞有機肥，但有機質含量無明顯差異。吳家梅等[4]在保證了兩種有機肥 (雞糞、豬糞) 處理總施入碳含量一致，且通過添加尿素控制總施氮量與單施化肥處理一致的條件下，研究發現試驗前兩年有機肥處理的水稻產量與單施化肥處理沒有顯著性差異，第三年有機肥處理的水稻產量則顯著超過了化肥處理的產量，但雞糞處理和豬糞處理之間沒有顯著性差異。周博等[5]利用盆栽番茄試驗，在保證有機肥等氮施入條件下研究了雞糞、牛糞、豬糞的氮素有效性，結果發現雞糞的平均氮素利用率和當量礦質氮率顯著高于豬糞和牛糞。從以往的研究[6-12]來看，單一種類有機肥與及其與化肥配施后對土壤肥力、作物生長及環境方面影響的研究頗多，且在試驗設計中有機肥的施用量多以重量計，未考慮到其中養分元素對化學肥料的替代問題。

氮效率是評價作物品種氮素吸收和利用的重要指標，也是評價相關施肥制度的重要依據[13]。根據研究對象和目的，大致可分為反映施入肥料氮效益的指標 (氮肥回收率、氮肥農學利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生產力等) 和反映土壤中氮素效益的指標(氮素籽粒生產效率、氮素干物質生產效率、氮素收獲指數、氮素運轉效率)[14]。土壤肥力是農業可持續發展的基礎資源，土壤培肥是建立科學施肥制度的重要內容[15-16]。本文以農田中常用的牛糞、雞糞和豬糞有機肥為試驗材料，在同一定位試驗中設計等養分 (全氮) 條件下不同類型有機肥與化肥以不同比例配施試驗。研究和討論不同類型有機肥與化肥配施后對作物氮素吸收利用以及土壤養分含量的影響，以期從氮效率和土壤培肥角度為建立科學的施肥制度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗位于山東省中國農業科學院禹城試驗基地 (116°34′E、36°50′N)，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫13.4℃，＞ 10℃積溫4441℃，年降水量569.6 mm，蒸發量2095 mm，無霜期206 d。試驗地土壤類型為鹽化潮土，土壤質地為輕壤土，成土母質為黃河沖積物。種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟輪作制，供試小麥、玉米品種分別為‘濟麥22’、‘鄭單958’。試驗開始前土壤表層養分含量見表1。

1.2 試驗設計

試驗設置1個不施肥對照 (CK)。常規施肥處理采用當地推薦養分量，即：小麥和玉米每季施N 225 kg/hm2，小麥季施 P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。常規養分量下，設1個100%化肥對照 (CF)，牛糞、雞糞、豬糞的氮素比例分別為25%、50%、75%、100%的 12個處理 (CM25、CM50、CM75、CM100，CHM25、CHM50、CHM75、CHM100，PM25、PM50、PM75、PM100)；在常規養分量基礎上，設4個加倍施肥量單一肥料處理，分別為高量化肥 (DCF)、高量雞糞 (DCHM)、高量豬糞 (DPM)、高量牛糞 (DCM)。全部試驗共18個處理，隨機區組設計，每處理重復3次。小區面積29.7 m2(4.5 m ×6.6 m)。

供試氮肥用尿素 (N 46 %)，磷肥為磷酸二銨 (N 18%、P2O546%)，鉀肥用硫酸鉀 (K2O 50%)。有機肥具體肥料用量根據所用糞肥風干樣品中養分分析測定結果，以全氮含量為標準折算，經測定本試驗2014—2015年度施用的三種有機肥具體養分含量及性質見表2。試驗從2014年10月小麥季開始。按照全年施肥總量，化學氮肥在冬小麥、夏玉米每季作物各50%，每季作物中無機氮肥50%做基肥，50%做追肥，小麥在拔節期追施，玉米在8葉期追施。磷肥、鉀肥和有機肥在冬小麥播前一次性施入，常規有機肥與高量有機肥處理不再施用磷鉀肥，其余處理磷、鉀肥根據化學氮肥的比例依次施入。各處理具體肥料用量及施用時期見表3。

1.3 樣品采集及測定

2015年10月份玉米收獲后于各小區內“S”形分別取0—20 cm，20—40 cm層次8個點的土樣混勻后，風干，磨碎過篩后按照常規方法測定土壤全氮、有效磷、速效鉀含量。小麥玉米收獲時，在小區中間取有代表性的一行計算生物量產量，調查構成因素。籽粒及秸稈樣品粉碎后，按照常規方法測定其氮、磷、鉀含量。

1.4 數據處理及分析

氮素收獲指數 (NHI，%)=籽粒吸氮量/地上部吸氮量×100。

表1 試驗地基礎土樣養分含量Table 1 Basic soil nutrients of the experiment soil

表2 雞糞、豬糞、牛糞養分含量Table 2 Nutrition contents of chicken manure, pig manure and cow manure

表3 各處理養分用量 (kg/hm2)Table 3 Details of nutrient input in each treatment

氮素生理利用率 (NPE，kg/kg)=籽粒產量/地上部吸氮量。

氮素生產力 (PFP，kg/kg)=籽粒產量/施氮量。

氮素回收率 (NRE，%)=(施氮處理吸氮量-未施氮處理吸氮量)/施氮量×100[17]。

數據經Excel整理后作圖，并對數據進行方差分析，LSD法多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同類型有機肥與化肥配施對作物吸氮量的影響

由圖1可知，施氮量為450 kg/hm2時，施用豬糞處理的小麥和玉米地上部總吸氮量最高，與施用雞糞和化肥的處理差異達到了顯著性水平，施用牛糞處理的作物總吸氮量最低。施氮量為225 kg/hm2時，施用雞糞、豬糞的處理與化肥處理的作物總吸氮量沒有顯著性差異，三者均顯著高于施用牛糞處理。與常規施氮量相比，高量施用化肥和牛糞沒有顯著提高小麥、玉米地上部總吸氮量，而高量施用豬糞和雞糞處理的地上部總吸氮量顯著高于常規用量的豬糞和雞糞處理。施氮量為225 kg/hm2時，雞糞和化肥配施的三個處理間、豬糞和化肥配施的三個處理間均未顯示出顯著性差異，且與單施化肥的處理作物總吸氮量相當；牛糞與化肥配施的三個處理中，隨著化肥比例的增加作物吸氮量呈增加趨勢，處理CM25和CM50的作物總吸氮量基本達到了單施化肥處理的總吸氮量水平。

2.2 不同有機肥化肥配施對作物氮素利用效率的影響

氮素收獲指數 (NHI) 定義為成熟期籽粒中氮的累積量與植株氮累積量的比值，反映了氮素在籽粒中氮素的分配比例。由表4可知，施氮量為450 kg/hm2時，豬糞處理NHI最低，其次是施用雞糞和化肥的處理，牛糞處理的NHI最高，顯著高于施用豬糞和化肥的處理。施氮量為225 kg/hm2時，施用牛糞、雞糞、豬糞處理的NHI與施用化肥處理的NHI沒有表現出顯著性差異。與常規施氮量相比，高量施用牛糞、雞糞處理的NHI沒有明顯降低，而高量施用豬糞和化肥處理均降低了作物NHI。施氮量為225 kg/hm2時，各有機肥化肥的三個配施處理間NHI均未顯示出顯著性差異，且與單施化肥處理也都沒有表現出顯著性差異。

氮素生理利用率 (NPE) 是籽粒產量與植株氮累積量的比值，也被稱作氮素籽粒生產效率，反映了作物吸收的氮用于形成產量的能力。由表4可知，施氮為450 kg/hm2時，豬糞處理的NPE最低，其次是施用雞糞和化肥的處理，牛糞處理的NPE最高，顯著高于施用雞糞、豬糞和化肥的處理。施氮量為225 kg/hm2時，雞糞、豬糞處理的NPE與化肥處理沒有顯著性差異，施用牛糞處理的NPE顯著高于施用雞糞、豬糞、化肥的處理。與常規施氮量相比，高量施用雞糞和豬糞均顯著降低了NPE，而高量施用化肥和牛糞處理的氮素生理利用率均沒有顯著降低。施氮量為225 kg/hm2時，牛糞和化肥配施的三個處理間、雞糞和化肥配施的三個處理間、豬糞和化肥配施的三個處理間NPE均未顯示出顯著性差異，且與單施化肥的處理沒有顯著性差異。

圖1 不同處理小麥和玉米吸氮總量Fig. 1 Total N uptake of wheat and maize in each treatment[注（Note）：CF—單施化肥 Chemical fertilizer; CM—牛糞 Cow manure; CHM—雞糞 Chicken manure; PM—豬糞 Pig manure. 處理中的數字代表有機肥氮在全部氮投入中的比例 The values in each treatment code represent the percentage of manure N in the total N input of the treatment. 方柱上不同小寫字母表示處理間差異在5%水平顯著Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

表4 不同處理氮素利用效率Table 4 Nitrogen use efficiencies of different treatments

氮素偏生產力 (PFP) 定義為作物產量與氮肥施用量的比值，反映的是單位施氮量所生產的作物籽粒產量。由表4可知，施氮量為450 kg/hm2時，施用雞糞、豬糞和化肥處理的氮肥偏生產力略高于施用牛糞的處理，但未表現出顯著性差異。施氮量為225 kg/hm2時，施用雞糞、豬糞、化肥處理的氮肥偏生產力均顯著高于施用牛糞處理。與常規施氮量相比，高量施用牛糞、雞糞、豬糞和化肥均顯著降低了氮肥的偏生產力。施氮量為225 kg/hm2時，牛糞配施化肥的三個處理間、雞糞配施化肥的三個處理間、豬糞配施化肥的三個處理間均未表現出顯著性差異，且與單施化肥處理的PFP相當。單施雞糞和豬糞處理的PFP平均為39.67 kg/kg。

氮素回收率 (NRE) 定義為施氮區地上部氮素累積量與不施氮區地上部氮素累積量之差占施氮總量的百分比。由表4可知，施氮量為450 kg/hm2時，施用雞糞、豬糞處理的氮素回收率高于施用化肥的處理，但未表現出顯著性差異，三者均顯著高于施用牛糞的處理。施氮量為225 kg/hm2時，施用雞糞、豬糞處理的氮素回收率略低于施用化肥的處理，但未表現出顯著性差異，三者均顯著高于施用牛糞的處理。與常規施氮量相比，高量施用牛糞、雞糞、豬糞和化肥均明顯降低了氮素的回收率。施氮量為225 kg/hm2時，牛糞與化肥配施的三個處理間、雞糞配施化肥的三個處理間、豬糞配施化肥的三個處理間氮素回收率均未表現出顯著性差異，且隨化肥比例的增加氮肥利用率有升高的趨勢。其中豬糞與化肥配施的三個處理、雞糞與化肥配施的三個處理均與單施化肥的氮素回收率相當，牛糞與化肥配施的三個處理中只有處理CM25和CM50的氮素回收率基本和單施化肥處理的相當。單施雞糞和豬糞處理的NRE平均為41.85%。

2.3 不同有機肥與化肥配施對土壤肥力因素的影響

化肥或有機肥單施、有機無機配施均可不同程度地提高土壤中全氮的含量 (表5)。與常規施肥量相比，高量施用化肥、牛糞、雞糞和豬糞并未顯著提高土壤中全氮的含量。限于試驗年限較短，施氮量為225 kg/hm2時，不同有機肥各處理0—20 cm、20—40 cm土壤全氮含量均無顯著性差異。

表5 各處理0—20 cm、20—40cm土壤全氮、有效磷、速效鉀含量Table 5 Total N and available P and K contents in 0-20 cm and 20-40 cm deep of soils under different fertilizer treatments

常規和高量施肥條件下，在化肥處理的0—20 cm、20—40 cm土層有效磷含量與空白處理的有效磷含量均無顯著性差異。常規施肥量條件下，單施牛糞處理0—20 cm土壤有效磷含量是單施化肥處理的1.62倍，單施雞糞和豬糞處理的0—20 cm土壤有效磷含量顯著高于牛糞和化肥處理，分別是牛糞處理的3.59和4.05倍，化肥處理的5.82和7.06倍；20—40 cm土壤單施雞糞、牛糞和化肥處理有效磷含量沒有表現出顯著性差異，單施豬糞處理有效磷含量顯著高于單施化肥和牛糞處理。高量施肥條件下，牛糞處理0—20 cm土壤有效磷含量是化肥處理的3.64倍 (P ＜ 0.05)，20—40 cm土層差異不顯著；施用雞糞和豬糞處理0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量均顯著高于化肥處理，0—20 cm土層有效磷含量分別是DCF的9.77、7.64倍 (P ＜ 0.05)。三個牛糞與化肥配施處理中，0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量與單施化肥處理相當；雞糞與化肥配施的三個處理以及豬糞與化肥配施的三個處理中，糞肥比例較高處理的0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量均超過了單施化肥處理。三種糞肥處理均值間在0—20 cm土層有效磷含量均表現出顯著性差異，豬糞處理均值最高，其次是雞糞處理，牛糞處理均值最低；20—40 cm土層有效磷含量沒有顯著性差異。

常規施肥和高量施肥條件下，化肥處理0—20 cm、20—40 cm土壤速效鉀含量與對照無顯著性差異。常規施肥條件下，單施牛糞、雞糞、豬糞處理0—20 cm土壤速效鉀含量分別是化肥處理的1.20、1.32、1.11倍，牛糞和雞糞處理與化肥處理之間的差異顯著；20—40 cm土壤速效鉀含量差異不明顯。高量施肥條件下，單施牛糞、雞糞、豬糞處理0—20 cm土壤速效鉀含量均顯著高于化肥處理，分別是化肥處理的1.64、1.47、1.41倍，20—40 cm土壤速效鉀含量差異不顯著。有機肥與化肥配施的9個處理，0—20 cm、20—40 cm土壤速效鉀含量與化肥處理差異均未達顯著水平。三種有機肥處理均值在0—20 cm、20—40 cm土壤速效鉀含量也無顯著性差異。

3 討論

氮素收獲指數 (NHI) 和生理利用率 (NPE) 分別反映了作物吸收氮素后在籽粒中的分配比例和作物吸收氮素后形成籽粒的能力。本研究表明，在施氮量為450 kg/hm2時，施用牛糞處理的NHI和NPE均處于較高水平，主要原因可能是由于牛糞中氮的有效性很低，可供作物吸收的氮始終處于較低水平，進而導致施用牛糞處理的作物吸氮量處于較低水平(圖1)，而較高的地上部氮素積累量往往會導致較低的氮素利用效率和氮素收獲指數[18-19]。施氮量為225 kg/hm2時，與施用化肥、雞糞、豬糞的處理相比，施用牛糞處理的地上部氮素積累量仍然較低，其氮素利用效率仍處于較高的水平，可能是此施氮量條件下施用牛糞的處理提高了作物冠層利用所吸收的氮素進行干物質生產的能力。

氮肥利用率低是我國作物生產的突出問題，其中優化改善氮肥管理是提高氮肥利用率行之有效的措施之一。減少氮肥的損失、改善土壤氮素供應和作物氮素吸收的協同關系是氮肥管理的主要內容。一般而言，化肥氮可以迅速改善土壤氮的供應，但也有易損失的缺陷；有機肥中的氮素釋放緩慢，不易損失，但也很難提供足夠的氮素供作物吸收利用。研究表明，在等氮磷鉀條件下，合理的有機無機配施可以顯著提高作物氮肥利用率。李菊梅等[20]的研究發現，等NPK條件下有機無機各半配合施用水稻的氮肥利用率為34.9%，顯著高于化肥處理(33.2%) 和有機肥處理 (28.0%)。羅佳等[21]研究了三種堆肥原料的有機無機復合肥處理的氮肥利用率，等氮磷鉀條件下氮肥的回收效率、農學利用效率、生理效率和偏生產力均顯著高于化肥處理。本研究發現，雞糞和豬糞不論以何種比例與化肥配施，氮肥偏生產力和氮肥利用率均與單施化肥相當；低量牛糞與化肥配施的處理CM25和CM50的氮肥偏生產力和利用率基本和單施化肥處理相當，高量配施處理 (CM75) 的氮肥利用率顯著低于單施化肥。此試驗結果與陳貴等[3]的研究結果有相似之處。這主要是由于相對于牛糞，雞糞和豬糞在作物生長過程中具有較快的分解速率。另外，孟琳等[22]的研究表明，氮的用量在240 kg/hm2以內，并且有機肥料氮占總氮量的10%～20%時，有機無機配施處理的氮素回收率、農學效率和氮素積累率均比單施化肥處理高或持平；周江明[23]試驗表明，有機肥比例為20%時，水稻氮素積累量達到高峰，氮素的回收利用量最高。因此，有機肥中氮素的有效性和有機肥料氮占總氮量的比例是決定有機無機配施是否可以提高作物氮肥利用率的重要因素。研究認為，有機無機之所以能在等氮磷鉀條件下提高氮肥利用率的原因主要是合理的有機無機配施不僅改善了土壤的理化性質[24]，更重要的是改善了土壤的C/N；合理的碳氮比能刺激土壤微生物的繁殖和活動[25]，相對于單施化肥的處理，有機無機配施為土壤微生物提供了額外的能源物質 (有機碳)，在施肥初期可利用微生物的增殖將過多的無機氮固定在微生物體內，從而避免了無機肥的無效損失；隨著作物生長，需肥量增加，土壤中供微生物利用的能量和物質減少，微生物會大量死亡，釋放出體內的氮素供作物吸收利用[25-29]。單施有機肥由于有機氮釋放緩慢，可能會導致早期土壤碳氮比過高，引起作物生長早期與微生物爭氮的現象，從而影響氮素的供應。合理的有機無機配施可以實現土壤肥料供肥性與作物需肥時期的協調一致，在作物整個生育期內實現了養分的均衡穩定的供給，從而提高了氮肥的利用率[30]。

不同有機肥物質組成及其轉化過程中的合成產物不同，導致其對土壤的培肥效果也有所不同[31]。艾天成等[32]認為秸稈在改良土壤密度、硬度等土壤結構方面有顯著效果，而餅肥、豬糞能提高土壤有機質含量。陳貴等[3]研究表明牛糞處理和豬糞處理的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度提升，等量豬糞處理土壤全氮、有效磷、速效鉀提升程度大于牛糞有機肥，但有機質含量無明顯差異。魏宇軒等[33]研究了不同種類有機肥對黑土團聚體有機碳及腐殖質組成的影響，發現化肥分別配施等量 (重量) 牛糞、雞糞、豬糞和堆肥后，堆肥處理土壤有機碳及 ＞ 0.25 mm粒級團聚體有機碳含量均高于其它有機肥處理，但牛糞、雞糞和豬糞處理三者之間沒有顯著性差異。本試驗中三種有機肥與化肥施用量是按照等氮量設計，單施牛糞、雞糞、豬糞的處理施入氮量一致。與豬糞和雞糞相比，牛糞中N的礦化釋放更為緩慢因此更易保存在土壤中。由于本結果為田間試驗第一年，試驗中誤差因素導致土壤全氮含量在各有機肥單施處理之間的規律不明顯。

李書田等[34]的研究表明，雞糞、豬糞、牛糞中的磷含量 (P2O5) 分別比上世紀90年代增加65.7%、93.7%和52.0%，鉀含量 (K2O) 分別比上世紀90年代增加139%、54.8%和71.9%。本文中單施化肥處理的P2O5和K2O的投入量均為每年150 kg/hm2，換算為P和K分別為65.5和125 kg/hm2。等氮量條件下單施牛糞、雞糞和豬糞處理帶入P的量分別為324、691和719 kg/hm2，分別是化肥處理的4.9、10.6和11.0倍；帶入K的量分別為667、626和356 kg/hm2，分別是化肥處理的5.3、5.0、2.9倍。本試驗中，施用雞糞第一年末，0—20 cm土壤有效磷和速效鉀含量分別達到了80.2 mg/kg和120mg/kg；施用豬糞分別達到了97.4 mg/kg和100 mg/kg，施用牛糞土壤速效鉀含量也達到了109 mg/kg。推薦施肥條件下，化肥處理0—20 cm土壤有效磷和速效鉀含量分別為13.8 mg/kg和90.6 mg/kg。施用雞糞和豬糞處理使得土壤有效磷和速效鉀含量均大量增加，牛糞處理的速效鉀含量也大量增加，因此長期施用必然導致土壤中磷、鉀的富集和累積。土壤中鉀富集帶來的負面效應較小，而磷富集帶來的問題需引起注意。因此，在有機無機配施過程中應該避免或減少磷、鉀化肥的施用，減少資源浪費和環境風險[35]。

4 結論

1) 推薦養分施用量下，豬糞、雞糞單獨施用或與化肥配施對作物吸氮量、氮效率基本沒有影響，牛糞單獨施用或與少量化肥 (25%) 配施降低了作物的吸氮量、氮素偏生產力和氮素回收率，但提高了作物氮素生理利用率。

2) 牛糞、豬糞、雞糞單施或與化肥配施沒有明顯提高土壤全氮含量。但單施豬糞和雞糞處理土壤速效鉀、有效磷含量及單施牛糞處理的土壤速效鉀含量均明顯超過了單施化肥。

3) 在實際生產中，雞糞或豬糞單施或配施少量氮肥，牛糞配施約75%左右氮肥，可以保證作物養分需求和土壤肥力的提升。