有機肥長期替代化肥對水稻產量及土壤養分的影響

楊勝玲， 黃興成， 李 渝， 劉彥伶， 張雅蓉， 張文安， 蔣太明

(1.貴州大學 農學院， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省農業科學院 土壤肥料研究所， 貴州 貴陽 550006； 3.農業農村部 貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站， 貴州 貴陽 550006； 4.貴州省農業科學院 茶葉研究所， 貴州 貴陽 550006)

0 引言

【研究意義】水稻是我國重要的糧食作物，保證其生產安全是農業發展的重要問題。隨著水稻新品種的應用、肥料投入的增加和栽培技術水平的提高，我國水稻單位面積產量不斷得到提高，從1961年的2 079 kg/hm2增加到2017年的6 909 kg/hm2[1]。但隨著糧食產量的提高，化肥施用量也在不斷增加[2]，有機肥施用量在總養分投入中所占比例逐漸減少，導致肥料增產效應低、耕地質量下降等系列問題[3-4]。為此，農業農村部提出“化肥零增長行動方案”，通過有機肥替代化肥實現化肥減施增效。有機無機肥配施是合理利用資源、增強土壤肥力、防止土壤功能退化、保證作物高產穩產的施肥體制[5-7]，也是滿足我國糧食生產安全需求、實現生態農業健康發展的重要措施。因此，探究長期有機無機肥合理配置，提升土壤肥力及水稻產量，對指導合理施肥具有重要意義。【前人研究進展】長期定位研究表明，長期單施化肥會降低土壤有機質含量[8]，有機無機肥配施及單施有機肥提高土壤養分的作用顯著優于單施化肥[9]，較單施化肥處理，有機無機肥配施能提高耕層土壤有機質、全氮、有效磷以及速效鉀等養分含量，提升土壤肥力水平[10]，增強供肥能力，從而減少養分流失、促進作物營養器官對養分吸收利用，提高作物產量[10-13]。在等氮量投入條件下，相較于單施化肥處理，有機無機肥配施對作物的增產效果更為顯著，可增產4%～20%[14-15]，最高可達60%[16]，并隨著有機肥的累積施用，其作用愈明顯[1]。有機無機肥配施比例的差異影響作物的增產效應，各個地域土壤性質不同，最佳的有機肥替代比例也不同[17]。相較于單施化肥，在30%有機肥替代處理下，水稻產量最高[18]；也有研究認為，40%有機肥配施化肥增產效果最好[19]；有機肥替代比例為10%～30%時，可使水稻增產8 242～11 654 kg/hm2[20]；替代比例為30%～70%時，水稻產量提高6.15%～7.75%[21]。有機無機肥配施較單施化肥促進作物增產的同時提高了產量穩定性[22-23]，穩定性增幅可達25.91%～59.78%[21]，作物產量可持續性指數分布在0.712～0.798、作物產量變異系數分布在10.8%～13.0%，使作物維持較高的產量穩定性[24]，促進農田生態系統可持續性生產[25]。【研究切入點】黃壤性水稻土是貴州水稻種植的主要耕地類型，目前長期施肥對作物產量和土壤養分的研究多集中在有機無機肥配施與單施化肥對比上，關于不同有機無機肥比例配施的研究相對較少，黃壤地區兼顧作物產量和土壤養分適宜的有機無機肥配施比例尚不清楚。【擬解決的關鍵問題】以黃壤長期定位試驗為依托，在化肥減施基礎上，選取不同比例的有機無機肥配施處理，分析水稻產量、土壤養分及產量因子的相互關系，探究提升水稻產量及產量穩定性的最佳施肥方式，為黃壤地區合理施肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于貴州省農業科學院內，是始于1994年的農業農村部貴州耕地保育與農業環境科學觀測實驗站的長期定位監測基地。地處黔中丘陵區，土壤類型為黃壤性水稻土，海拔1 071 m，年均氣溫15.3℃，年均日照時數1 354 h，相對濕度75.5%，全年無霜期270 d，年降水量1 100～1 200 mm，1994年耕層(0～20 cm)土壤有機質44.9 g/kg，全氮1.96 g/kg，有效磷13.4 mg/kg，速效鉀294 mg/kg，pH 6.75。

1.2 試驗設計

以黃壤肥力與肥效長期定位監測基地為平臺，采用大區對比試驗設計，小區面積為201 m2(35.7m×5.6m)，各小區用水泥埂分隔。選取常規化肥(NPK)、低量有機肥替代化肥(1/4M+3/4NP)、中量有機肥替代化肥(1/2M+1/2NP)、全量有機肥替代化肥(M)和全量有機肥化肥配施(MNPK)5個施肥替代處理，以常規化肥(NPK)為對照，各處理施肥情況見表1。選擇2016—2019年水稻種植田塊(品種為茂優601)，分析不同替代處理水稻產量及土壤養分的變化。水稻栽培方式為育苗移栽，小區種植規格為23行×174列。

表1 1995—2019年不同處理的年均肥料施用量

1.3 測定指標

1.3.1 水稻產量與產量因子 水稻產量為2016—2019年水稻田間實際產量。產量因子數據為2019年測定獲得，水稻收獲時，每個處理劃分為3個取樣重復小區，每小區選取長勢均勻的10穴水稻進行貼地收割，風干后測定水稻有效穗數、穗粒數、結實率及千粒重等產量構成因子[26]。

1.3.2 土壤理化性質 土壤理化性質數據為2016—2019年測定的平均值。水稻收獲后采集0～20 cm耕層土樣，每個處理劃分3個取樣小區，采用5點取樣法取樣，土樣經風干、研磨和過篩處理后待測。重鉻酸鉀外加熱法測定有機質含量，半微量凱氏法測定全氮含量，NaHCO3法測定有效磷含量，火焰光度法測定速效鉀含量[27]。

1.3.3 產量可持續性指數和變異系數 產量可持續性指數SYI(sustainable yield index)和產量變異系數CV(coefficient variation)是表示作物產量穩定性的參數[28-29]。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS 23.0進行數據統計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理水稻的產量表現

從圖1看出，不同施肥處理水稻產量差異顯著。不同有機無機肥配施比例處理中，以1/4M+3/4NP處理水稻產量最高，其次為1/2M+1/2NP處理，M和NPK處理產量較低。等比例有機無機肥配施處理中，1/2M+1/2NP處理水稻產量明顯低于MNPK處理。與NPK處理相比，有機肥部分替代化肥(1/4M+3/4NP和1/2M+1/2NP)和全量有機肥化肥配施(MNPK)均能顯著提高水稻產量，增產幅度分別為12.97%、11.02%和24.97%。

注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2 不同處理水稻產量的穩定性和可持續性

根據各處理水稻產量與變異系數及可持續性指數的平均值劃分象限(圖2)表明，1/4M+3/4NP和MNPK處理分別處于圖中Q4、Z2象限，NPK和M處理分別處于圖中Q1、Z3象限，1/2M+1/2NP處理處于圖中Q2、Z4象限，各處理的變異系數依次為NPK>M>1/2M+1/2NP>MNPK>1/4M+3/4NP，可持續指數依次為1/4M+3/4NP>MNPK>1/2M+1/2NP >M> NPK。說明，NPK處理的水稻產量穩定性和可持續性均最低，施用有機肥的各處理產量穩定性和可持續性指數均較NPK處理提高，其中，以1/4M+3/4NP處理增幅最大。

圖2 水稻產量與變異系數和可持續性指數響應關系(2016—2019年)

2.3 不同處理水稻的產量構成因子

從表2可知，施用有機肥的各處理有效穗數為MNPK>M>1/4M+3/4NP>1/2M+1/2NP，分別較NPK處理增加26.86%、17.77%、13.22%和3.72%，其中，MNPK處理較NPK處理差異達顯著水平。結實率以NPK處理最高，分別比1/4M+3/4NP、MNPK、M、1/2M+1/2NP處理高8.52%、14.96%、15.10%和26.88%，與1/2M+1/2NP、M、MNPK處理差異達顯著水平。結實率和千粒重各處理間差異不顯著。

表2 不同施肥處理水稻產量構成因子(2019年)

2.4 水稻產量構成因子與產量的相關性

從表3看出，水稻有效穗數與產量相關系數為0.819，呈極顯著正相關；有效穗數對產量直接影響作用的直接通徑系數為0.659，達極顯著水平。表明有效穗數是直接影響水稻產量的主要因素。因此，在施肥應用中，能有效提高有效穗的施肥處理可大幅提高水稻產量。

表3 水稻產量構成因子與產量的相關系數和通徑(2019年)

2.5 不同處理土壤的養分含量

從表4可知，較NPK處理，1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP、M和MNPK處理的全氮含量分別增加12.71%、9.32%、25.85%和36.02%，M和MNPK處理與NPK處理差異達顯著水平；有效磷含量分別增加34.70%、27.92%、23.28%和85.21%，MNPK處理與NPK處理差異達顯著水平。土壤有機質含量排序為MNPK>M>1/4M+3/4NP>NPK>1/2M+1/2NP，較NPK處理，1/4M+3/4NP和M處理提高幅度較小，MNPK處理土壤有機質含量增加29.48%，差異達顯著水平。

表4 不同施肥處理的土壤養分(2016—2019年)

2.6 土壤養分、產量、產量因子及穩定性關系

由表5可知，有機質分別與其他養分含量呈顯著正相關，全氮與速效鉀養分含量呈極顯著正相關。各土壤養分含量與CV系數及SYI指數相關性均不顯著，SYI指數與產量呈正相關關系，除有效磷外，水稻有效穗數與其他養分含量呈極顯著或顯著性相關，有效磷與產量呈極顯著正相關。

表5 土壤養分與產量、產量因子及穩定性的相關系數(2016—2019年)

3 討論

長期施用有機肥的各處理水稻產量均較單施化肥有不同程度提升，與前人研究結果[5,28]一致。從不同有機肥替代化肥比例看，25%有機肥替代化肥的1/4M+3/4NP處理增產幅度最大，50%有機肥替代化肥的1/2M+1/2NP處理次之，100%有機肥替代化肥的M處理效果最差。其原因可能是在水稻生長前期，有機肥作底肥，速效養分少，有機肥緩慢的肥效無法及時滿足作物快速生長對養分的需求，低量有機無機肥配施既可發揮有機肥的培肥作用，又可發揮化肥速效養分作用，協調水稻整個生育前期和后期養分的供應，滿足水稻對養分的需求[25]。在等比例有機肥替代的1/2M+1/2NP處理和MNPK處理之間進行比較發現，全量有機無機肥配施的MNPK處理水稻產量最高。

在小麥和玉米上的研究表明，有機無機肥配施顯著增加土壤有機質等有效養分含量，促使作物產量及產量穩產性較單施化肥顯著提高[30-31]。張國榮等[32-33]研究也得出類似結論。研究表明，有機無機肥配施產量可持續指數(SYI)分布在0.792～0.921，變異系數(CV)分布在3.91%～9.54%，單施化肥和單施有機肥的SYI分布在0.769～0.785，CV分布在10.65%～13.78%。說明有機無機肥配施能降低產量波動性，使作物產量、產量穩定性維持在相對較高水平，與前人研究結果[34-35]類似。此外，在有機無機肥配施各處理中，以25%有機肥替代的1/4M+3/4NP處理穩定性最好，全量有機肥化肥配施的MNPK處理次之。這可能是有機無機肥配施增加了土壤有效養分，土壤養分含量提高后可以持續提供水稻生長發育所需養分，避免外界因素導致水稻產量波動，為水稻可持續性生產奠定基礎。

根據2016—2019年水稻產量差異性，對2019年水稻產量構成因子進行分析發現，有效穗數對產量的影響最大，與前人研究結果[36]一致。本研究以有機無機配施的MNPK處理的有效穗數最高，其原因可能是在水稻營養生長時期施一定量的化肥，增加了土壤速效養分含量，滿足水稻生育前期分蘗對養分的需求，為有效穗數的形成奠定基礎；在水稻生殖生長時期，施用有機肥有利于土壤有機質的積累，保證了水稻幼穗分化和灌漿結實期養分供應的穩定，使水稻的穗數和穗粒結構協調[37-38]。作物的高產穩產在于種植多穗型品種，利用有效分蘗，增加成穗率，進而提升產量[39]，最終實現高產、穩產。因此，產量的增加主要是由于有效穗數的增加，在保證穗數的基礎上，通過合理協調穗粒數、結實率、千粒重等產量因子可實現水稻高產的目標[37,40]。

在本研究中，較單施化肥處理，有機無機肥配施對土壤各養分含量均有提升，與前人研究結果[41]類似。土壤有機質主要來源于有機肥，并隨著有機肥的增加而增加[32]。此外，有機肥比化肥更有利于土壤氮素積累，提高土壤氮庫容量[42]。有機肥中鉀易于轉化而不被土壤所固定，從而促進作物根系對鉀的吸收[43]。有機肥中有機物質的分解，加快其自身含有的有機態磷的分解釋放，增加土壤磷含量[44]。水稻產量與土壤肥力呈顯著正相關關系，土壤肥力越高，越有利于水稻吸收養分，水稻的產量也就越高[45]。本研究得出，有效穗數是水稻產量的直接產量構成因子，與土壤有機質、全氮、速效鉀養分呈顯著或極顯著正相關，說明有機無機肥配施促進土壤中有機質、全氮、速效鉀養分的積累，有利于有效穗數的增加，進而提升產量。

4 結論

與單施化肥NPK處理相比，施用有機肥的各處理均能明顯增加土壤養分含量，提高土壤肥力，以有機無機配施效果較為顯著。其中，長期低量有機肥替代化肥的1/4M+3/4NP處理，在滿足化肥減施的基礎上，增加水稻有效穗數，使水稻產量、產量穩定性及可持續性保持在較高水平，是黃壤性水稻土上實現水稻高產、穩產和可持續生產目標較優的施肥模式。