有機肥長期等氮替代無機肥對稻麥產量及土壤肥力的影響

劉明月,張凱鳴,毛 偉,2,居 靜,宓文海,趙海濤

(1.揚州大學 環境科學與工程學院, 江蘇 揚州 225127; 2.揚州市耕地質量保護站, 江蘇 揚州 225101)

施肥是影響土壤肥力和農作物產量的主要因素之一[1-3]，也是增加作物產量的最有效途徑，化肥對糧食產量的貢獻率在40%左右[4-5]。施用化肥可以提供土壤和作物生長所必要的營養元素，顯著提高我國糧食產量；但隨著施肥年限的延長和化肥投入量的增加，農田土壤出現了板結、生物多樣性減少、土壤質量退化等現象[6-8]。長期定位試驗結果表明，有機無機肥配施能促進早稻和晚稻干物質積累量，改善產量構成因素，提高水稻產量，以30%，60%有機肥處理早稻產量較高[9-10]。長期施用有機肥能提高東北黑土土壤肥力，同時能提高年際間產量，使土壤的pH值穩定在一個適合作物生長的范圍內，同時增加土壤中>0.25 mm水穩性團聚體的含量[11]。長期有機無機肥配施顯著降低黃土高原0～30 cm各土層>1 mm團聚體含量，顯著增加0～20 cm土層中0.25～1.00 mm團聚體含量，降低了所有土層平均重量直徑(MWD)[12]。有機無機肥配施對改善土壤結構、形成微團聚體，提高土壤肥力及水分利用效率，改善作物營養構成、提高產量等都有顯著作用[13-16]。然而，由于施用化肥簡便，且增產效果明顯，有機肥養分釋放緩慢及來源不足等，導致有機肥的應用被忽視[17-20]。

目前，有關長期有機無機配施的研究較多，但不同比例有機肥替代無機肥對稻麥輪作培肥土壤綜合效應和作物產量的研究鮮有報道。本研究通過田間試驗研究不同有機無機肥配施比例長期施用對稻麥產量、土壤肥力、團聚體穩定性的影響，探索出適宜當地生產和生態的最佳有機無機肥配施比例，為該地區稻麥生產及土壤培肥制度的建立提供依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地點概況

試驗在江蘇省儀征市新集鎮毛橋村進行(東經119°17′29″，北緯32°19′21″)。該地區屬于亞熱帶季風氣候區，年均氣溫為15.3 ℃，年降水量為1 042.5 mm，降水主要集中在6-9月，年均日照時數為2 226.5 h[21]。土壤類型為淤泥質水稻土。試驗前耕層土壤(0～20 cm)的pH值6.01，EC值67.97 μS/cm，有機質28.2 g/kg，全氮0.90 g/kg，全磷0.88 g/kg，速效磷19.5 mg/kg，速效鉀82.8 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗采用稻麥輪作，2016年10月種植小麥，2017年5月收獲并移栽水稻，2017年10月收獲水稻。2019年10月試驗結束，連續稻麥輪作3 a。試驗以等氮替代為原則，設置有機氮依次替代10%(Y1W9)、20%(Y2W8)、30%(Y3W7)、40%(Y4W6)、50%(Y5W5)無機氮處理，以100%施用無機氮(W100)為參照。共6個處理，每個處理重復3次，共18個小區，小區面積132 m2(11 m×12 m)。采用隨機區組設計排列試驗小區，各試驗小區獨立灌排。

試驗小麥品種為揚麥20，水稻品種為南粳9108。試驗中所用有機肥料為寧糧牌有機肥，無機肥料為普通市售尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O54.5%)和氯化鉀(K2O 60%)。播種前肥料以基肥的形式一次施入，施用量為純氮270 kg/hm2，P2O545 kg/hm2、K2O 69 kg/hm2。拔節期和孕穗期各追肥1次，各處理肥料使用量相同，追肥總用量為：N 160 kg/hm2、P2O540 kg/hm2、K2O 65 kg/hm2。灌溉、病蟲害防治和除草按常規方式進行。水稻和小麥施肥情況相同。

1.3 樣品測試與分析

1.3.1 土壤 每年小麥和水稻收獲時采集耕層土壤(0～20 cm)測定土壤相關理化性質。采用鮑士旦[22]提出的測試分析方法測定土壤有機質、全氮、全磷、速效磷和速效鉀含量。土壤pH值和電導率(EC)采用純凈水浸提(土水比1.0∶2.5)后儀器直接進行測定。采集2019年10月水稻收獲后的土壤測定團聚體指標。

土壤團聚體穩定性采用濕篩法[23-24]進行測定，并稍作修改：稱取100 g過5 mm篩的風干土樣置于2 mm土篩上，濕潤5 min后，打開開關上下沖刷20 min，土樣依次通過>2.000 mm(粗大團聚體)、0.250～2.000 mm(細大團聚體)、0.053～0.250 mm(微團聚體)、<0.053 mm(粉黏團聚體)的土篩，用水將各級篩子上的團聚體沖洗到鋁盒中，40 ℃烘干，稱質量并記錄各粒徑團聚體質量。

計算得到土壤團聚體的平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和>0.25 mm水穩性團聚體含量(R0.25)等指標。

式中，Xi為第i級團聚體平均直徑(mm)，Mi為第i級團聚體質量(g)，Mt為團聚體總質量(g)，R0.25為>0.25 mm水穩性團聚體的含量，Mr>0.25為直徑大于0.25 mm 團聚體質量(g)[25]。

1.3.2 稻麥產量 每個小區分別采收3個1 m2(1 m×1 m)面積作物，晾干后測定各季麥稻產量。

1.4 數據統計與分析

采用 Microsoft Excel 2010軟件整理數據，SPSS 19.0軟件對數據進行統計分析。數據正態分布檢驗和轉換采用夏皮洛-威爾克檢驗法(Shapiro-Wilk法)，數據分析采用單因素方差分析(One way ANOVA)模型檢驗，各處理間的差異顯著性使用新復極差法(Duncan)分析，相關分析采用皮爾森(Person)雙側檢驗法。采用Origin 8.5進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同等氮替代對稻麥產量的影響

從連續三季水稻的種植結果看，隨著施肥年限的增長，Y2W8、Y3W7、Y5W5處理水稻產量是不斷增加的，相比單施無機肥3 a水稻產量分別增加了0.4%～2.8%，3.5%～11.5%，4.5%～11.9%。三季作物的平均值中，不同有機氮等量替代無機氮處理下水稻產量均無顯著差異，其中Y2W8和Y3W7處理略高于W100處理下水稻產量。3 a有機無機肥配施與單施無機肥氮小麥產量分別增加了1.5%～7.3%，3.5%～4.6%，2.7%～4.5%。從3 a小麥產量平均值來看，Y2W8處理對小麥產量提升效果較好。

從輪作年總產量結果可知，有機無機配施中Y1W9和Y2W8處理提高了2017-2019年3 a的小麥、水稻總產量，增加幅度為0.8%～2.7%。從3個輪作年總產量的平均值來看，相對于W100處理，Y1W9和Y2W8處理增加了稻麥輪作總產量，而其他處理降低了總產量。3 a小麥平均產量較單施無機肥處理提高了5.6%～13.2%，水稻平均產量提高了0.2%～14.0%，稻麥輪作總產量平均提高了0.4%～24.5%(圖1)。

2.2 不同等氮替代對土壤團聚體的影響

圖2可知，不同施肥處理下0.250～2.000 mm團聚體的含量依次高于>2.000 mm，<0.053 mm和0.053～0.250 mm團聚體的含量。各處理>2.000 mm和0.250～2.000 mm水穩性大團聚體所占比重最大，而0.053～0.250 mm水穩性微團聚體和<0.053 mm粉-黏團聚體含量較低，其中以Y4W6和Y5W5處理相對較大。Y4W6和Y5W5處理下>0.250粒徑團聚體的含量百分比分別為74.3%，78.8%，高于其他幾個處理，比單施無機肥處理高出了5.6，10.1百分點。施用有機肥可以提高大團聚體 (>0.250 mm) 的比例，降低小團聚體 (<0.250 mm) 的比例。與 W100處理相比，有機氮等量替代無機氮(Y3W7、Y4W6、Y5W5)<0.250 mm團聚體含量減少0.71～10.07百分點， 平均減少5.45百分點。

由圖3可以看出，隨著有機氮替代比例的增加，團聚體的幾何平均直徑GMD和平均重量直徑MWD以及>0.250 mm 水穩性團聚體的含量(R0.25)都有不同程度的提高。Y4W6和Y5W5處理的GMD、MWD和R0.25都比單施無機肥效果要好，其中有機替代相比單施無機肥處理GMD提高了10.9%～18.7%，MWD提高了4.9%～7.9%，R0.25提高了0.71～10.07百分點，說明有機氮等量替代無機氮可以提高土壤團聚體的穩定性。Y4W6和Y5W5處理的GMD(0.80，0.85 mm)分別比單施化肥處理下的幾何平均直徑GMD(0.72 mm)增加了0.08，0.13 mm；平均重量直徑MWD(Y4W6和Y5W5處理下的MWD分別為1.18，1.21 mm) 比單施無機肥處理MWD (1.12 mm)增加了0.06，0.09 mm；>0.250 mm水穩性團聚體含量R0.25(Y4W6和Y5W5處理下的R0.25分別為74.3%，78.8%)比單施無機肥處理R0.25(68.7%)增加了5.6，10.1百分點。

相關分析(表1)表明，>2.000 mm團聚體和MWD、GMD、R0.25都有極顯著的相關性(r=0.897**、r=0.937**、r=0.836**)，和稻麥產量呈顯著的負相關性(r=-0.582*)。0.250～2.000 mm粒徑的團聚體和MWD呈顯著的負相關性(r=-0.575*)。0.053～0.250 mm粒徑的團聚體和GMD呈顯著的負相關性(r=-0.555*),和R0.25呈極顯著的負相關性(r=-0.641**)。<0.053團聚體和MWD、GMD、R0.25呈極顯著的負相關性(r=-0.932**、r=-0.939**、r=-0.881**)，和產量呈極顯著相關性(r=0.632**)。MWD和GMD、R0.25呈極顯著的相關性(r=0.940**、r=0.903**)，和產量呈負相關性(r=-0.501*)。GMD和R0.25呈極顯著的相關性(r=0.912**)，和產量呈負相關性(r=-0.533*)。R0.25和產量呈負相關性(r=-0.559*)。

2.3 不同配比對土壤pH值和EC值的影響

由表2可知，隨著有機氮替代比例的增加，2 a 四季土壤pH值呈下降的趨勢；土壤電導率(EC)變化規律不明顯。有機肥配施無機肥處理土壤pH值顯著高于單施無機肥處理下的pH值。2 a稻麥季W100處理下的pH值低于有機肥氮和無機肥氮配施，表明有機肥等氮替代可以緩解土壤酸化趨勢。

表1 稻麥產量和團聚體之間的相關性Tab.1 Correlation between grain yield of rice and wheat and aggregates

表2 2018-2019年稻麥季土壤的pH值和EC值Tab.2 The soil pH and EC in rice and wheat season during 2018-2019

隨著替代比例的增加，2018年水稻季土壤pH值和EC值隨著有機氮替代比例的增加表現出先升高后下降之后又有所上升的趨勢。相比W100處理，有機氮的施入提高了土壤pH值和EC值，分別提高了1.5%～10.6%，24.7%～78.9%。2018年小麥季土壤pH值隨著替代比例的增加表現出下降的趨勢，EC值表現為先下降后上升的趨勢。2019年水稻季有機替代處理土壤的pH值均高于W100處理，提高了1.6%～4.9%，除Y5W5處理下土壤EC值高于W100外，其他有機替代下的土壤EC值均低于W100處理。2019年有機替代處理土壤EC值均高于單施無機肥。

2.4 不同配比對土壤養分的影響

由圖4可知，2018-2019年稻麥季有機肥氮等氮替代比單施無機肥氮有機質含量分別增加了8.5%～19.5%，9.5%～17.2%，4.7%～29.4%，9.5%～22.1%，其中Y4W6處理對土壤有機質的提升作用最明顯。除2018年Y1W9處理外，連續2 a有機肥等氮替代土壤全氮含量均高于單施無機肥，隨著有機肥用量增加，土壤全氮含量呈增加趨勢。2019年水稻季各處理下土壤全氮的含量略低于其他季度處理下全氮含量，可能原因是肥料配比不均勻，翻耕不徹底影響了作物吸收，進而影響了作物收割后殘留在土壤中的氮素。2018-2019年稻麥季有機肥等氮替代無機肥比單施無機肥土壤全氮含量分別增加3.3%～15.7%，1.9%～24.6%，0.5%～28.4%，6.8%～18.2%。2 a間基本上以Y4W6處理下的土壤全氮含量最高。

表3 稻麥產量與土壤肥力指標相關性分析Tab.3 The correlation between grain yield and the soil fertility index

2 a稻麥輪作下土壤全磷含量變化幅度不大，基本保持穩定的狀態。同一季度處理間沒有明顯的變化規律，單施無機肥氮處理下的土壤全磷含量要高于部分有機肥替代下土壤全磷含量。有機肥等氮替代處理下土壤速效磷含量與單施無機肥相比均有顯著性差異，土壤速效磷的含量均在Y4W6處理下達到最大值。2018-2019年稻麥季有機肥配施比單施無機肥土壤速效磷含量分別提高了31.0%～69.0%，1.0%～20.5%，5.6～57.8%，7.1～69.1%。除2018年水稻季Y3W7處理外，其他季節處理下的土壤速效鉀均表現為Y5W5處理要優于其他處理。有機氮等量替代各處理之間沒有明顯的變化規律；2 a四季單施無機肥處理下土壤速效鉀含量高于部分有機氮替代無機氮處理土壤速效鉀含量。

相關分析(表3)表明，稻麥產量和土壤全磷、速效磷呈顯著的負相關(r=-0.542*、r=-0.560*)，有機質與全氮、速效磷極顯著的正相關(r=0.562**、r=0.631**)，全氮和pH值顯著正相關(r=0.474*)，全磷和速效磷、EC顯著正相關(r=0.492*，r=0.550*)，pH值和EC顯著負相關(r=-0.514*)。

3 討論與結論

3.1 不同比例的有機肥和無機肥配施對作物產量的影響

現有研究表明，肥料運籌中30%有機氮與70%化肥氮處理能改善水稻產量構成因子，穩定和提高產量[26]。與單施無機氮相比，有機肥等氮替代能夠協調平衡供應有機養分與無機養分，滿足作物對養分的需求，使作物保持穩產[27]。本研究發現，有機無機肥合理配施能增加作物產量，3 a稻麥輪作過程中，有機氮等量替代提高了水稻的產量；小麥的增產效果不明顯，但略有增加，以20%(Y2W8)等氮替代處理對稻麥產量的提高效果較好。這與前人的研究結果一致[16，28]。本研究還表明，過量有機肥替代無機肥處理下稻麥產量低于單施無機肥氮處理下的產量，這可能是因為無機肥氮能夠快速提供作物生長所需要的養分，而有機肥中養分釋放速率較慢，不能及時補充作物生長需求。有研究發現，有機無機肥配施的前幾年對作物產量提高不顯著，但隨著年限的增加作物產量也逐漸增加，比單施無機肥產量提高了5.1%[29]。紅壤上同類研究也表明長期有機無機配施對作物的增產效果非常明顯[30]。

3.2 不同比例的有機肥和無機肥配施對土壤性質的影響

長期有機肥等氮替代無機氮能夠明顯改變土壤養分特征，黃淮海麥區土壤有機質、全氮、速效磷和速效鉀等含量隨有機肥施用量增加、種植年限的延長而增加[3]。本研究發現，外源有機物質投入有利于提升土壤有機質含量。土壤中氮和磷含量和有機質含量存在明顯相關關系，合理的氮肥投入能夠增加土壤中作物殘茬量，從而提高了土壤有機質的含量[31]。本研究還發現，土壤有機質含量與土壤全氮含量、速效磷含量呈極顯著正相關。長期有機肥替代無機肥能夠調整土壤性狀，導致這一現象的主要原因可能是長期有機肥替代減少了土壤對無機磷的固定、促進無機磷的溶解[32]。有機肥替代無機肥能增加土壤中速效鉀的含量，提高土壤pH值，減少土壤中可溶性鹽分的積累，防止土壤酸化。

3.3 不同比例的有機肥和無機肥配施對土壤團聚體穩定性的影響

水穩性團聚體相對含量、MWD值和GMD值是表征土壤團聚體穩定性的核心指標，R0.25值越大，土壤結構越穩定，能夠為作物的生長提供良好的土壤環境[33]。黃土高原的定位試驗表明，施用有機肥能顯著增加土壤中大團聚體含量，改善土壤團聚體結構，培肥土壤[16]。本研究發現，有機肥替代比例的增加提高了土壤中大團聚體(>0.250 mm)的含量，其中Y4W6和Y5W5處理下>0.250 mm團聚體的含量百分比分別達到了74.3%，78.8%，高于其他幾個處理下>0.250 mm粒徑團聚體的含量百分比，分別比單施無機肥處理高出5.6，10.1百分點，這與鄭學博等[34]的研究一致。也有研究發現，施用有機物料增加了>0.250 mm水穩性團聚體的含量，而化肥配施秸稈顯著增加了>0.053 mm各粒徑水穩性團聚體含量，降低了<0.053 mm水穩性團聚體含量[35]。本研究表明，有機肥氮的施入提高了>0.250 mm水穩性團聚體的含量，顯著降低了<0.250 mm團聚體的含量，其原因可能是土壤質地類型、外源有機肥投入的成分和用量、有機肥替代無機肥年限等因素會影響土壤水穩性團聚體的組成。不同地區有機肥提高土壤團聚體穩定性最佳替代比例不同，需因地制宜。此外，有機肥氮的施入還能提高土壤的GMD和MWD，有利于土壤結構的穩定，且GMD和MWD隨有機肥替代比例的提高而逐漸增大。相關分析表明，GMD和MWD與>2.000 mm水穩性團聚體的含量呈極顯著正相關(r=0.937**、r=0.897**)，說明土壤中大團聚體越多，土壤團聚體的團聚度越高，土壤結構與穩定性越好，抗蝕能力越強[35]。

連續3 a有機氮肥替代無機氮肥提高了長江下游地區土壤養分和土壤團聚體穩定性，有利于稻麥穩產。土壤團聚體穩定性隨著有機肥替代比例的增加而提高，有機氮替代比例過高(>30%)會降低稻麥產量。綜合來看，20%有機氮替代無機氮最有利于長江下游地區稻麥穩產、高產提升地力。