有機(jī)肥替代化肥對土壤肥力和玉米產(chǎn)量的影響

于躍躍，郭 寧，閆 實，姜言嬌，韓 寶，吳萬軍，賈小紅

（1.北京市土肥工作站，北京 100029；2.北京市房山區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，北京 102400；3.北京市通州區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，北京 101113；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京 100094）

化肥是糧食增產(chǎn)的重要原因，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織宏觀估算，化肥對糧食的增產(chǎn)貢獻(xiàn)率可以達(dá)到30%～50%［1-2］。施用化肥可以提高作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，但過度施用也會造成環(huán)境污染、土壤退化等很多環(huán)境問題［3］，而且長期單一施用化肥更是會給土壤和環(huán)境帶來很多問題，比如土壤酸化、板結(jié)等［4］。調(diào)查顯示，大部分農(nóng)戶化肥施用量均超過500 kg/hm2，存在嚴(yán)重的化肥施用超標(biāo)問題［5］，由于肥料不合理施用、過量投入等問題也會造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染和大氣污染［6］。如何降低化肥用量、提高肥料利用率是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的問題。有機(jī)肥具有較為豐富的養(yǎng)分，據(jù)統(tǒng)計我國目前禽畜糞便累積17 億t［7］，所含養(yǎng)分相當(dāng)于尿素1170 萬t、過磷酸鈣1300 萬t、硫酸鉀2000萬t［8］。試驗研究表明有機(jī)肥部分替代化肥可以在產(chǎn)生較少污染的同時提高作物產(chǎn)量，經(jīng)濟(jì)效益較高［9］，研究有機(jī)肥替代化肥對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有非常重要的實際意義。

我國已有大量針對糧田有機(jī)肥施用的研究報道，關(guān)于有機(jī)肥替代化肥的相關(guān)研究也有很多，邢鵬飛等［10］研究發(fā)現(xiàn)在華北地區(qū)有機(jī)肥替代30%無機(jī)肥完全可以保證糧食質(zhì)量，有機(jī)肥替代50%無機(jī)肥處理更是可以提高土壤肥力；劉紅江等［11］通過研究有機(jī)無機(jī)肥不同配施比例對水稻氮素吸收利用的影響，發(fā)現(xiàn)50%有機(jī)肥替代化肥在保證水稻高產(chǎn)的同時可以增加氮素積累，提高水稻的氮肥利用效率；闞建鸞等［12］研究了有機(jī)肥氮替代部分化肥對小麥產(chǎn)量及氮肥利用率的影響，發(fā)現(xiàn)30%有機(jī)肥和70%化肥配施是江蘇皋市小麥產(chǎn)量和氮肥利用效率最高的處理；楊雷等［13］研究過有機(jī)肥部分替代化肥對土壤肥力和甘薯質(zhì)量的影響，張長春等［14］通過田間小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代化肥可提高小麥產(chǎn)量和氮肥利用率，紀(jì)彥鴻等［15］在陜南洋縣也進(jìn)行了水稻有機(jī)肥替代化肥試驗，呂鳳蓮等［16］對土冬小麥-夏玉米輪作中有機(jī)肥替代化肥比例研究中發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥替代75%化肥作物產(chǎn)量和氮效率較高，土壤中氮殘留少。以往的試驗研究基本上都是從水稻、小麥的施肥方式、機(jī)理研究方向出發(fā)［17］，關(guān)于北京地區(qū)玉米有機(jī)肥替代化肥的試驗很少。

本研究通過布置長期定位施肥試驗，以北京周邊地區(qū)糧田推薦施肥用量為試驗依據(jù)，設(shè)置5 個不同施肥方式，探究有機(jī)肥替代化肥對土壤培肥和玉米產(chǎn)量的影響，希望可以為北京地區(qū)糧田化肥減量、土壤合理培肥等關(guān)鍵參數(shù)的量化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試地點位于北京市房山區(qū)閻村鎮(zhèn)后十三里村，東經(jīng)116°6′，北緯39°41′，溫帶季風(fēng)氣候，年降水量600 mm 左右，春季多旱多風(fēng)。試驗采取夏玉米和冬小麥輪作的種植制度。土壤為粘壤質(zhì)褐土，土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下：有機(jī)質(zhì)13.78 g/kg，堿解氮含量32.1 mg/kg，有效磷含量21.68 mg/kg，速效鉀含量81.16 mg/kg，pH 值7.3。

試驗種植方式采用夏玉米-冬小麥輪作，玉米品種為平單120（甜玉米）；小麥品種為農(nóng)大211。氮肥為尿素（N 46%）和磷酸二銨（N 18%），磷肥為磷酸二銨（P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。有機(jī)肥氮磷鉀養(yǎng)分含量總和4.5%，有機(jī)質(zhì)含量31.1%。

1.2 試驗設(shè)計與方法

采用田間小區(qū)試驗進(jìn)行研究，試驗布置5 個處理：空白對照（CK），常規(guī)化肥（CN），CN 處理等氮量的有機(jī)肥（ON）、有機(jī)肥使用量是ON 處理的一半（0.5 ON）、一半化肥氮一半有機(jī)肥氮（0.5 CN）。設(shè)置3 次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列，共15 個小區(qū)，試驗區(qū)四周設(shè)保護(hù)行，寬度4.8 m，長度15 m。試驗采取夏玉米（上茬）與冬小麥（下茬）輪作的方式，一年兩茬。玉米6 月下旬播種，9 月中旬收獲，每公頃種植49500 棵；小麥10 月中旬播種，6 月上旬收獲。底肥在播種前施用，追肥在返青期施用，底肥均勻撒施，旋耕后播種，追肥均勻撒施后澆返青水。各小區(qū)不同施肥量處理詳見表1。

表1 各處理施肥量 （kg/hm2）

1.3 測定項目與方法

在玉米收獲期取2 株作物之間0～20 cm 表層土壤，每個處理取3 個點，四分法混合，樣品4℃保存。測定以下指標(biāo)：有機(jī)質(zhì)采用外源加熱法測定；堿解氮采用擴(kuò)散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定［18］；微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定［19］；脲酶采用奈氏比色法測定（37℃培養(yǎng)24 h）［20］；機(jī)械組成采用激光粒徑分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)取3 個重復(fù)的平均值，對玉米產(chǎn)量、土壤的微生物生物量碳、脲酶等指標(biāo)采用SPSS 軟件做顯著性分析。對各種土壤數(shù)據(jù)做Pearson 相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量的影響

圖1 顯示，從2012～2016 年，所有施肥處理相比對照平均可提高玉米產(chǎn)量32.2%，不同施肥處理增幅不同，0.5 ON、ON、CN、0.5 CN 處理分別增產(chǎn)18.3%、22.2%、40.2%、48.1%。不施肥處理產(chǎn)量顯著減少，由10237 kg/hm2降到8272 kg/hm2，減幅19.2%；單施有機(jī)肥ON、0.5 ON 處理玉米減產(chǎn)，減幅低于對照處理，分別由10836 kg/hm2降到10107 kg/hm2，10327 kg/hm2降 到9783 kg/hm2，分別減產(chǎn)6.7%、5.2%；CN、0.5 CN 玉米產(chǎn)量分別由10369 kg/hm2增到11594 kg/hm2，11010 kg/hm2增到12254 kg/hm2，分別增產(chǎn)11.8%、11.3%。

2.2 不同施肥處理對土壤肥力指標(biāo)的影響

2.2.1 對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

不同施肥處理均有增加土壤有機(jī)質(zhì)含量的作用。不施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量由14.26 g/kg 降到13.88 g/kg，減幅為2.7%；單施化肥土壤有機(jī)質(zhì)含量由14.42 g/kg 增加到15.1 g/kg，增幅4.7%；施用有機(jī)肥處理顯著提高有機(jī)質(zhì)含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 分別增幅11.0%、14.8%、15.5%。5 年來CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤有機(jī)質(zhì)含量分別提高8.8%、16.0%、18.3%、21.5%。

2.2.2 對土壤全氮含量的影響

由圖3 可見，不施肥處理土壤全氮含量由1.14 g/kg 降到1.12 g/kg，減幅為2.2%；單施化肥增加全氮含量，增幅2.4%；施用有機(jī)肥處理顯著提高全氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 依次增幅9.5%、4.9%、5.6%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤全氮含量分別提高18.5%、9.9%、16.6%、22.8%。

2.2.3 對土壤堿解氮含量的影響

不同施肥處理土壤堿解氮含量變化有差異。由圖4 可見，不施肥處理堿解氮含量由32.1 mg/kg降到26.6 mg/kg，減幅為17.1%；單施化肥增加堿解氮含量，增幅5.9%；施用有機(jī)肥處理顯著提高堿解氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅7.3%、17.4%、3.1%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON處理相比CK 分別提高45.9%、38.4%、53.2%、36.6%。

2.2.4 對土壤有效磷含量的影響

不同施肥處理對土壤有效磷的影響趨勢顯著不同。由圖5 可見，不施肥處理的有效磷含量由25.8 mg/kg降到21.3 mg/kg，單施化肥增加有效磷含量，增幅32.8%；施用有機(jī)肥處理顯著提高有效磷含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅11.6%、14.3%、36.0%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤有效磷分別提高55.1%、31.6%、32.6%、59.8%。

2.2.5 對土壤速效鉀含量的影響

圖6 顯示，不同施肥處理對土壤速效鉀的影響趨勢顯著不同。不施肥處理速效鉀含量由91.3 mg/kg降到89.6 mg/kg，單施化肥增加速效鉀含量，增幅20%；施用有機(jī)肥處理顯著提高速效鉀含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅10%、29.8%、15.2%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤速效鉀含量分別提高25%、20.1%、38%、28.2%。

2.3 不同施肥處理對土壤生物指標(biāo)的影響

2.3.1 對微生物生物量碳的影響

微生物生物量碳可代表微生物數(shù)量，在一定程度上可反應(yīng)土壤微生物種群數(shù)量。2016 年試驗結(jié)束后土壤微生物生物量碳結(jié)果（圖7）表明，不同施肥處理影響土壤微生物生物量碳含量，有機(jī)肥和化肥處理均可增加土壤微生物生物量碳含量，0.5 ON、ON 處理增加微生物生物量碳51.0～86.5 mg/kg，增幅1.52～2.58 倍，化肥處理增幅79%。ON 處理微生物生物量碳含量最高，其次為0.5 ON 處理。

2.3.2 對脲酶活性的影響

脲酶表征微生物代謝氮素的能力，反應(yīng)土壤微生物活力。2016 年試驗結(jié)束后土壤脲酶活性（圖8）表明，施肥處理可以增加土壤脲酶活性，其中有機(jī)肥處理增幅明顯，0.5 ON、ON 處理顯著高于CK 處理，增幅平均為49.8%；化肥增幅較小，CN、0.5 CN 分別增幅6%、14.8%。

2.4 不同施肥處理對土壤機(jī)械組成的影響

機(jī)械組成代表著土壤粒徑的分配比例，可以代表施肥措施改良培肥土壤的效果。2016 年試驗結(jié)束后土壤機(jī)械組成結(jié)果（圖9）表明，施肥處理改變了土壤機(jī)械組成，有機(jī)肥處理降低了＜0.01 mm粒徑比例，降低4.9%～10.8%，增加0.01～0.05 mm粒徑比例2.7%～4.2%，其中0.5 ON 處理增加0.01～0.05 mm 粒徑比例4.2%，化肥處理增加0.05～1 mm 粒徑比例3.6%。

2.5 玉米產(chǎn)量和土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性

表2 表明，2013、2014、2015 年玉米產(chǎn)量與堿解氮含量，2015、2016 年玉米產(chǎn)量與速效鉀含量呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)關(guān)系，隨著培肥時間的延長相關(guān)性越好，而玉米產(chǎn)量和其他土壤指標(biāo)并沒有很好的相關(guān)性。

表2 不同種植時間玉米產(chǎn)量和土壤性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

2.6 聚類分析

對土壤性質(zhì)（養(yǎng)分、微生物指標(biāo)、機(jī)械組成）聚類全過程的系統(tǒng)樹（圖10）結(jié)果表明，將研究的5 個處理分成3 組時，組間距離較大，說明各組的特點比較突出，不同組間土壤性質(zhì)差異比較明顯，而組內(nèi)則較為相似。第一組包含3 個處理（CK、CN、0.5 ON），該組土壤養(yǎng)分指標(biāo)、生物指標(biāo)處于較低水平；第二組為0.5 CN 處理，土壤養(yǎng)分指標(biāo)和生物指標(biāo)高于第一組而低于第三組，ON處理為第三組，該處理土壤養(yǎng)分和生物指標(biāo)含量最高。上述結(jié)果表明，糧田種植施用有機(jī)肥明顯改變土壤性質(zhì)，相比常規(guī)種植（CN），0.5 ON、ON 處理顯著增加土壤養(yǎng)分、微生物指標(biāo)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

有機(jī)肥全部替代化肥（ON、0.5 ON）處理玉米減產(chǎn)5.2%～6.7%，常規(guī)和有機(jī)肥替代50%化肥（CN、0.5 CN）處理玉米增產(chǎn)11.3%～11.8%，表明有機(jī)肥替代50%的化肥，配合化肥施用增產(chǎn)效果最好。汪洪焦等［21］研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施增產(chǎn)效果最好，水稻、小麥、玉米配施產(chǎn)量明顯高于化肥處理，孟琳等［17］研究發(fā)現(xiàn)水稻有機(jī)肥替代化肥30%增產(chǎn)效果最好，這是由于水田環(huán)境需要更多的氮素，而本試驗基于旱田，50%的氮素替代率增產(chǎn)效果非常明顯，當(dāng)然今后需要對養(yǎng)分替代率做進(jìn)一步的研究分析。

施肥處理相比對照均提高了土壤養(yǎng)分含量，有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、微生物生物量碳、脲酶含量平均分別增加15.1%、16.3%、45.8%、45.7%、29%、168%、31%；有機(jī)肥含有大量的緩效養(yǎng)分，不能及時滿足作物對養(yǎng)分的需求，但是培肥土壤效果最好，這也是ON 處理玉米產(chǎn)量出現(xiàn)下降，土壤各養(yǎng)分指標(biāo)增幅最高的原因［22］。何浩等［23］研究商品有機(jī)肥替代部分化肥對玉米產(chǎn)量和土壤肥力影響時也發(fā)現(xiàn)土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量等指標(biāo)會有所變化，土壤的pH 值和容重也會受到影響，分析表明玉米產(chǎn)量和土壤堿解氮、速效鉀具有顯著性正相關(guān)關(guān)系，這可能是由于這兩種養(yǎng)分指標(biāo)是北京地區(qū)玉米增產(chǎn)的主要決定因素。施肥處理對土壤質(zhì)地有顯著的改變，0.5 CN 處理增加0.01～0.05 mm 粒徑比例。有機(jī)肥可以顯著提高粒徑＞0.25 mm 機(jī)械穩(wěn)定性團(tuán)聚體含量［24］。

使用有機(jī)肥顯著增加土壤脲酶活性、微生物生物量碳含量，這是因為有機(jī)肥處理顯著增加土壤溶解性有機(jī)碳（DOC）含量，增施有機(jī)肥增加DOC組分中結(jié)構(gòu)復(fù)雜的芳香化合物的比例［25］，有機(jī)肥的施用增加了微生物含量，同時顯著增加土壤根系有效成分和有機(jī)質(zhì)含量［26］。有機(jī)肥不同比例替代化肥的試驗表明，隨著有機(jī)肥配施比例提高，土壤酶活性等一些酶活性指標(biāo)會有增加趨勢［27］，有機(jī)肥施用顯著影響了土壤脲酶活性，但是0.5 CN 處理脲酶活性低于0.5 ON 處理，這可能是因為0.5 CN處理尿素的存在抑制了脲酶活性，底物的存在降低了酶的活性。

3.2 結(jié)論

有機(jī)肥100%替代化肥氮素降低玉米產(chǎn)量5.2%～6.7%，且有進(jìn)一步降低的趨勢；有機(jī)肥替代50%化肥處理可提高玉米產(chǎn)量11.8%。

施用有機(jī)肥明顯提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮磷鉀、微生物生物量碳等指標(biāo)。有機(jī)肥替代50%化肥氮處理對土壤堿解氮、速效鉀含量增幅分別為53.2%、38%，且和玉米產(chǎn)量具有顯著性正相關(guān)關(guān)系，表明這兩指標(biāo)可能是北京地區(qū)玉米增產(chǎn)的決定因素。有機(jī)肥替代50%化肥氮處理增加土壤微生物生物量碳、脲酶活性，增加土壤0.01～0.05 mm 粒徑比例。