低地力條件下有機肥部分替代化肥對作物產量和土壤性狀的影響

高飛 汪志鵬 趙賀 李輝信 焦加國

摘要：在江蘇省黃河故道低肥力土壤條件下，探究有機肥替代化肥對小麥玉米和水稻小麥輪作體系中作物產量及土壤養分的影響，以明確低肥力土壤中有機肥替代化肥的規律和潛力。田間試驗于2017年10月布置，設置6個不同處理，分別為不施肥（CK）、常量化肥（F）、常量化肥+40%有機肥（FM0.4）、NPK總養分相等情況下分別用有機肥替代20%（F0.8M0.2）、40%（F0.6M0.4）及60%（F0.4M0.6）化肥。結果表明：（1）小麥玉米輪作體系中，有機肥替代化肥在小麥季產量明顯降低，其中有機肥替代60%化肥時，小麥產量顯著降低而在玉米季產量無顯著差異。在水稻小麥輪作體系中，不同比例有機肥替代化肥對作物產量的影響不顯著。（2）施肥提升了小麥玉米和水稻小麥輪作體系中土壤有機質含量，小麥玉米輪作體系中土壤有機質提升8.07%～36.61%，水稻小麥輪作體系土壤有機質提升7.69%～40.22%。隨著有機肥替代比例的增加，小麥玉米輪作體系中土壤全氮及速效鉀含量呈降低趨勢，而土壤磷素及堿解氮含量逐漸升高;水稻小麥輪作體系中土壤全氮含量逐漸降低，土壤全磷、堿解氮、速效鉀含量逐漸升高。（3）相關性分析結果表明，作物產量與土壤全氮、堿解氮及速效磷含量均呈顯著或極顯著的正相關關系。綜上所述，黃河故道地區由于基礎地力較低，有機肥替代化肥并未表現出對作物的增產作用，但有機肥的投入有效地改善了土壤的養分狀況，因此該區低肥力土壤在作物栽培中應當維持化肥用量并增施有機肥，以提升耕地質量。

關鍵詞：黃河故道;有機肥替代化肥;作物產量;土壤肥力

中圖分類號：S158文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2020）01-0083-09

Abstract： Under the low soil fertility condition of the ancient bed of Yellow River in Jiangsu province， the effects of partial substitution for chemical fertilizer on crop yield and soil nutrient in different rotation systems of wheat-maize and wheat-rice were explored in order to clarify the replacement rules and potentials. Field experiment was arranged in October 2017， and six different treatments were set up， namely no fertilizer （CK）; chemical fertilizer （F）; an additional 40% organic fertilizer on the basis of chemical fertilizer（FM0.4）; in the case of equal total nutrient of NPK， 20% （F0.8M0.2）， 40% （F0.6M0.4） and 60% （F0.4M0.6） of chemical fertilizers were replaced by organic fertilizer respectively. The results showed that the yield of wheat decreased significantly by using organic fertilizer as partial substitution for chemical fertilizer in wheat-maize rotation system. When 60% of the chemical fertilizers were replaced by organic fertilizer， yield of wheat decreased significantly， but there was no significant difference in maize yield. Under wheat-rice rotation system， the effect of substitution for chemical fertilizers by different proportions of organic fertilizers on crop yield was not significant. Fertilization increased the content of soil organic matter， the content of soil organic matter increased by 8.07%-36.61% in the wheat-maize rotation system， and the content of soil organic matter increased by 7.69%-40.22% in the wheat-rice rotation system. With the increase of organic fertilizer replacement ratio， the contents of total nitrogen and available potassium in soil were decreased， while the contents of soil phosphorus and alkali nitrogen were gradually increased in wheat-maize rotation system. The contents of total phosphorus， alkali nitrogen and available potassium in soil increased gradually， while the total nitrogen content decreased in wheat-rice rotation system. The results of correlation analysis showed that there was significant or extremely significant positive correlation between crop yield and soil total nitrogen， alkali nitrogen and available phosphorus. In summary， due to the low basic soil fertility in the ancient bed of Yellow River， the replacement of chemical fertilizer by organic fertilizer did not show an increase in crop yield， but the input of organic fertilizer effectively improved the nutrient status of the soil. Therefore， it is necessary to maintain the amount of chemical fertilizer and increase the application of organic fertilizer to improve the quality of cultivated land in this area.

Key words： ancient bed of Yellow River;orgonic manure replacing chemical fertilizer;crop yield;soil fertility

江蘇省黃河故道地區資源豐富，土壤的生產潛力較大，是全省重要的糧食生產區，對于江蘇省乃至全國的糧食生產都有重要作用，然而這一地區的土壤生產力低下，土壤有機質及各種養分含量較低，土壤具有砂性強、鈣質多的特點，土壤結構和保水保肥能力差，作物平均產量不高[1-2]。有機肥部分替代化肥是土壤培肥和提高作物產量的重要途徑[3-4]，也是實現中國化肥零增長的重要技術途徑之一[5]。

有研究結果表明有機肥部分替代化肥對土壤肥力具有明顯的改善作用。溫延臣等[4]對華北平原冬小麥-夏玉米的研究結果表明，商品有機肥部分替代化肥能保證作物穩產、高產，并且能夠培肥地力。隨著有機肥替代化肥比例的增高，土壤氮、磷、鉀的含量也越高[6]。有機肥具有肥效釋放緩慢的特點，不同比例有機肥替代化肥對作物產量的影響差異較大。有研究結果表明，有機肥替代部分化肥養分（或化學氮）對作物增產作用最明顯[7-9]。還有的研究結果表明有機肥替代70%以上的化肥養分（或化學氮）依舊可以提高作物產量[3，10]。然而，并不是所有的有機肥替代都可以增加作物產量。林治安等[11]的研究結果表明，有機肥替代50%化肥養分造成小麥和玉米產量顯著降低。劉杏蘭等[12]研究結果也表明，隨著有機肥替代量的增加，小麥玉米輪作體系中作物的產量有明顯的下降趨勢。蔡秋華等[13]的研究結果表明有機肥配施減量化肥與常規化肥相比，煙草產量顯著降低。

前人對有機肥替代的研究較多，但在基礎地力極低的土壤中進行有機肥替代的研究較少。本研究旨在通過有機肥部分代替化肥，分析黃河故道地區低肥力土壤條件下有機肥替代化肥對小麥-玉米和小麥-水稻輪作體系中作物產量和土壤性狀的影響，以提出適合黃河故道地區不同輪作體系下的有機肥替代方案，為黃河故道地區有機肥的合理替代提供理論依據。

1材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2017年10月至2018年10月在江蘇省濱?？h三壩村江蘇黃河灣綠色科技有限公司（北緯34°06′08″，東經119°51′16″）進行。該地處于北亞熱帶向南暖溫帶過渡性氣候帶，為濕潤的季風氣候。年平均氣溫14.1 ?℃，年平均降雨量949.5 mm，無霜期211 d，全年日照2 236.3 h。供試土壤為潮土，土壤基礎理化性質見表1。

1.2供試材料

供試小麥品種為華麥7號，玉米品種為蠡玉31，水稻品種為華粳5號。氮肥為尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O5 12%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。試驗所用商品有機肥為江蘇綠方園生物科技有限公司生產的嚴博士有機肥，含水率為35.0%，養分含量分別為N 1.87%、P2O5 3.16%、K2O 2.79%，有機質含量為45.0%。

1.3試驗設計

試驗設置6個處理，每個處理3個重復。具體處理為：（1）不施肥（CK）;（2）常量化肥（F）;（3）常量化肥+40%有機肥（有機肥的養分總量為常量化肥總養分的40%）（FM0.4）;（4）80%常量化肥+20%有機肥（有機肥的養分總量為常量化肥總養分的20%）（F0.8M0.2）;（5）60%常量化肥+40%有機肥（有機肥的養分總量為常量化肥總養分的40%）（F0.6M0.4）;（6）40%常量化肥+60%有機肥（有機肥的養分總量為常量化肥總養分的60%）（F0.4M0.6）。處理4～6分別為有機肥替代化肥總養分的20%、40%和60%。除處理3外，其他施肥處理的NPK養分總量相同。

小麥玉米輪作小區面積為221.85 m2（15.3 m×14.5 m），小區間用0.5 m寬的溝隔離，周邊設有0.5 m寬的保護行。小麥季氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）施用量分別為270 kg/hm2、150 kg/hm2、75 kg/hm2，玉米季氮（N）、磷（P2O5）施用量分別為300 kg/hm2、90 kg/hm2，不施鉀肥（表2）。水稻小麥輪作小區面積為443.70 m2（15.3 m×29.0 m），在水稻季試驗開始前，小區之間設置田埂，并且使用厚塑料膜包裹田埂，防止水稻生長過程中因為灌水需要而造成小區之間肥水的交換。小麥季氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）施用量分別為240 kg/hm2、150 kg/hm2、75 kg/hm2，水稻季氮（N）、磷（P2O5）、鉀（K2O）施用量分別為225 kg/hm2、90 kg/hm2、90 kg/hm2。

1.4測試項目與方法

1.4.1土壤樣品采集及測定每一季作物收獲后，采用多點混合取樣法取0～20 cm耕作層土樣，并去除土壤表層雜質及根系。樣品帶回實驗室，風干、過篩后保存，以供土壤理化性狀分析。土壤pH值采用1.0∶2.5土水比（質量體積比）懸液電位法測定，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定，堿解氮含量采用堿解擴散法測定，速效磷含量采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法（Olsen法）測定，速效鉀含量采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度法測定[14]。

1.4.2作物測產

1.4.2.1小麥和水稻測產方法在作物（水稻或小麥）成熟期，選取有代表性的樣方1 m2，將樣方內的作物全部從莖基部割掉，放入網袋中。統計樣方內作物有效穗數，自然風干后稱質量，并進行脫粒、稱質量，折算成作物產量。同時，每個樣方選取有代表性的20穗作物帶回實驗室進行考種，統計作物的穗粒數和千粒質量，每個處理選取3個樣方進行測定。

1.4.2.2玉米測產方法玉米成熟期，選取2 m×10 m的樣方，統計樣方內玉米的株數和有效穗數，將樣方內的玉米穗全部剝下、稱質量，然后每個樣方隨機取20穗玉米稱質量，待自然風干后脫粒、稱質量，計算20穗玉米產量進而推算樣方產量。另外再選取有代表性的3穗玉米帶回實驗室進行考種，統計玉米的穗粒數及百粒質量，每個處理選取3個樣方進行測定。

1.5數據處理

采用Excel 2010進行數據整理，使用SPSS 25.0進行統計分析并進行單因素方差分析（One way ANOVA），土壤性質與作物產量的關系用Pearson相關系數分析，采用Origin 2018進行作圖。

2結果與分析

2.1有機肥部分替代化肥對作物產量及其構成的影響

2.1.1小麥玉米輪作體系

施肥顯著增加了不同輪作體系的作物產量（表3），顯著增加了小麥、玉米的有效穗數及穗粒數，但對作物的粒質量均未有顯著影響。隨著有機肥替代比例的增加，小麥的有效穗數顯著降低。

小麥玉米輪作體系小麥季，常量化肥+增施有機肥處理相比于單施化肥處理并未對作物產量有提升作用，可能是由于有機肥提供的緩效養分對作物產量的貢獻率在短時間內還沒有顯現出來。NPK總養分相同時，隨著有機肥替代比例的增加，小麥因土壤養分供應不足尤其是前期氮素供應不足導致分蘗減少[15]，進而導致產量降低，其中有機肥替代60%化肥的處理，小麥產量較單施化肥處理顯著降低。而在玉米季，常量化肥+增施有機肥處理較單施化肥處理產量顯著增加，隨著有機肥中養分逐漸釋放，為玉米生長提供了更多的養分資源;與單施化肥相比，隨著有機肥替代比例的增加，作物產量有降低趨勢，但與單施化肥處理間沒有顯著差異。從周年產量來看，增施有機肥相比于單施化肥可使小麥玉米周年產量增產6.70%。

2.1.2水稻小麥輪作體系

施肥處理顯著增加了水稻小麥輪作體系作物產量（表4），顯著增加了小麥（水稻）的有效穗數及穗粒數，但顯著降低了小麥的千粒質量，對水稻千粒質量的影響不顯著。

在水稻小麥輪作體系中，常量化肥+增施有機肥處理較單施化肥處理，作物產量略有增加，但未達到顯著水平;不同有機肥替代比例處理與單施化肥處理相比，作物產量均有降低趨勢，但差異均不顯著。從小麥產量可以看出，雖然稻麥輪作試驗地的基礎地力稍高，但其小麥產量并沒有高于小麥玉米輪作試驗地，這可能與水田小麥投入的總養分略低于旱地小麥有關。從周年產量來看，增施有機肥相比于單施化肥可使小麥水稻周年產量增產3.33%。

2.2有機肥部分替代化肥對土壤性狀的影響

2.2.1土壤pH

小麥玉米輪作體系小麥季，施肥降低了土壤pH值，土壤pH的變化范圍為8.13～8.35;在玉米季，土壤pH值變化不顯著，其變化范圍為8.16～8.37（圖1a）。水稻小麥輪作體系小麥季，施肥降低了土壤pH值，不同施肥處理土壤pH變化范圍為8.09～8.44，但是水稻季各施肥處理土壤pH值的差異不顯著，土壤pH變化范圍為8.04～8.07（圖1b）。施肥后小麥季土壤pH降低，主要原因是施用化學氮肥，導致土壤pH降低[16]。

2.2.2土壤有機質、全氮、全磷含量

施肥增加了不同輪作體系土壤有機質含量（圖2）。在小麥玉米輪作體系中（圖2a），小麥季單施化肥土壤有機質含量相比于對照提升了8.50%，而常量化肥+增施有機肥處理提升了18.11%;NPK總養分相同時，有機肥替代20%、40%及60%化肥處理的土壤有機質含量分別較對照增加了8.07%、11.71%和18.40%。玉米季單施化肥土壤有機質含量相比于對照提升了28.08%，而常量化肥+增施有機肥處理提升了36.61%;NPK總養分相同時，有機肥替代20%、40%及60%化肥處理的土壤有機質分別較對照增加了13.71%、25.69%和31.31%。

在水稻小麥輪作體系中（圖2b），小麥季單施化肥土壤有機質含量相比于對照提升了7.69%，而常量化肥+增施有機肥處理提升了18.37%;NPK總養分相同時，有機肥替代20%、40%及60%化肥處理的土壤有機質含量分別較對照增加了13.15%、15.25%和21.00%。水稻季相比于對照，單施化肥土壤有機質含量提升了30.12%，而常量化肥+增施有機肥處理提升了40.22%;NPK總養分相同時，有機肥替代20%、40%及60%化肥處理的土壤有機質含量分別較對照增加了16.47%、23.84%和34.76%。

小麥玉米輪作體系中（圖3a），無論小麥季還是玉米季，常量化肥+增施有機肥處理土壤全氮含量均高于單施化肥處理，但未達到顯著水平;NPK總養分相同時，不同有機肥替代比例處理的土壤全氮含量均低于單施化肥處理，且隨著有機肥替代比例的增加，土壤全氮含量逐漸降低。水稻小麥輪作體系中（圖3b），土壤全氮含量變化趨勢與小麥玉米輪作體系中一致。

無論是小麥玉米輪作體系（圖4a）還是水稻小麥輪作體系（圖4b），施肥處理對土壤全磷含量均有一定的提高作用，但不同處理間差異均不顯著。常量化肥+增施有機肥處理土壤全磷含量均略高于單施化肥處理;NPK總養分相同時，隨著有機肥替代比例的增加，土壤全磷含量略有增加。

兩種輪作體系中，隨著有機肥替代比例的增加，土壤有機質含量均呈上升趨勢，這表明投入的有機物料越多，土壤有機質的積累也越多，這與以往的研究結果[17-18]相一致。這是因為有機物料的投入及作物殘體是土壤有機質的重要來源[19-20]。隨著有機肥投入量的增加，兩種輪作體系土壤的全氮含量均有降低的趨勢，而土壤全磷含量有增加趨勢。隨著有機肥替代比例的增加，向土壤中投入的氮素總量降低，而向土壤中投入的磷素總量在增加，這是導致土壤全氮含量降低，土壤全磷含量增加的重要原因。作物收獲時帶走了土壤中的氮素，而且根系和根系分泌物的產量會影響歸還的有機氮量，最終導致土壤全氮含量發生了顯著變化[21]。

2.2.3土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量

在小麥玉米輪作體系中（圖5a），無論小麥季還是玉米季，與單施化肥相比，增施有機肥土壤堿解氮含量均有一定的增加，但未達到顯著水平。當有機肥替代20%化肥時，土壤堿解氮含量低于單施化肥處理，而有機肥替代40%、60%化肥時，土壤堿解氮含量要高于單施化肥處理。水稻小麥輪作體系中（圖5b），常量化肥+增施有機肥比單施化肥更能促進土壤堿解氮含量的增加。NPK總養分相同時，不同有機肥替代處理均較單施化肥處理提升了土壤堿解氮含量，且隨著有機肥替代比例的增加，兩季土壤的堿解氮含量均呈上升趨勢。

在水稻小麥輪作體系中（圖6a），無論小麥季還是玉米季，常量化肥+增施有機肥處理土壤速效磷含量均顯著高于單施化肥處理。NPK總養分相同時，隨著有機肥替代比例的增加，兩季土壤速效磷含量均呈上升趨勢，有機肥替代60%化肥的處理對土壤速效磷含量有明顯的增加作用。在水稻小麥輪作體系中（圖6b），同樣以常量化肥+增施有機肥處理土壤速效磷含量高于單施化肥處理。NPK總養分相同時，隨著有機肥替代比例的增加，小麥季土壤速效磷含量呈增加趨勢，且土壤速效磷含量均較單施化肥處理高。但水稻季只有當有機肥替代較多的化肥時（F0.4M0.6），土壤速效磷含量才高于單施化肥處理。土壤速效磷含量變異較大，可能與有機肥中含磷量（3.16%）較高有關，并且隨著有機肥替代量的增加，土壤中磷素投入量是增加的。

小麥玉米輪作體系中（圖7a），無論小麥季還是玉米季，常量化肥+增施有機肥處理與單施化肥處理土壤速效鉀含量并未有明顯變化。NPK總養分相同時，隨著有機肥替代比例的增加，土壤速效鉀含量較單施化肥處理均有不同程度的降低，且當有機肥替代40%、60%化肥時，土壤速效鉀含量顯著低于單施化肥處理。在水稻小麥輪作體系小麥季（圖7b），常量化肥+增施有機肥處理、不同比例有機肥替代化肥處理均比單施化肥處理顯著增加了土壤速效鉀含量，且隨著有機肥替代比例的增加，土壤速效鉀含量呈上升趨勢。水稻季土壤速效鉀含量明顯低于小麥季，常量化肥+增施有機肥相比于單施化肥對土壤速效鉀的提升作用較小。隨著有機肥替代比例的增加，土壤速效鉀含量呈增加趨勢，且僅當有機肥替代60%化肥時土壤速效鉀含量高于單施化肥處理。

兩種輪作體系中，隨著有機肥替代比例的增加，土壤中堿解氮及速效磷含量均有上升趨勢，水稻小麥輪作體系土壤速效鉀含量也呈上升趨勢。已有研究結果表明，土壤速效磷、速效鉀含量與配施有機肥的用量呈正相關[6，22-23]。有機肥替代化肥并未提高小麥玉米輪作體系土壤速效鉀的含量，這可能是因為小麥對鉀素的需求量較大，而有機肥替代了氯化鉀的用量，并且有機肥中鉀素釋放較為緩慢，玉米季不施鉀肥也會加速土壤鉀素的消耗。水稻季土壤速效鉀含量較小麥季減少，這主要是由于水稻對土壤鉀素的過度消耗。

綜合作物產量和土壤養分變化可以看出，有機肥部分替代化肥雖然可以提高土壤肥力，但對產量有一定的降低作用。這可能是因為試驗中氮肥的用量大幅度低于農民習慣施肥的用量。

2.3土壤養分與作物產量的相關關系

小麥玉米和水稻小麥輪作體系的作物產量與當季土壤有機質及養分含量間的皮爾遜相關性分析結果（表5）表明：小麥玉米輪作體系中，小麥產量僅與土壤全氮、堿解氮以及速效磷含量呈顯著或極顯著正相關關系。玉米產量與土壤全磷、速效鉀含量的相關性不顯著，與土壤有機質及其他養分含量呈顯著或極顯著正相關關系。水稻小麥輪作體系中，小麥產量與土壤有機質含量無顯著相關關系，但與各種養分之間均存在顯著或極顯著的正相關關系。水稻產量與土壤有機質、全氮、堿解氮及速效磷含量呈顯著或極顯著正相關關系，與土壤全磷、速效鉀含量的相關性未達到顯著水平。

在兩種輪作體系的前茬，由于基礎地力較低，有機肥中的養分并不能及時滿足作物的需求[4]，作物產量與土壤速效養分含量呈顯著正相關關系[24]，更依賴于化學肥料的投入;而到了后茬，土壤有機質與作物產量均呈正相關關系，表明土壤有機質的提升對作物產量有一定的促進作用[25]。

3結論

在低肥力的小麥玉米輪作體系中，60%的有機肥替代化肥導致小麥較大幅度減產，而在肥力稍高的水稻小麥輪作體系中，雖然不同比例有機肥替代化肥也導致作物產量減少，但影響不顯著。本研究并未發現有機肥替代化肥對作物產量有提升作用，但試驗結果均表明有機肥替代化肥明顯改善了土壤養分狀況。因此低肥力土壤不宜采用有機肥大量替代的方式，應當考慮在常規施化肥基礎上增施有機肥。

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（責任編輯：張震林）