秸稈還田下有機(jī)肥替代部分氮肥對玉米產(chǎn)量及土壤理化性狀的影響

劉芳君，田亨達(dá)，張 暢，陳雍旭，李 辛，張曉月，蔡艷華，陳虹地

（長春市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 長春 130000）

東北黑土具有土壤肥力高、土壤質(zhì)地良好和有機(jī)質(zhì)含量高等特點[1]。近年來，東北春玉米主產(chǎn)區(qū)大量作物秸稈被露天焚燒、堆積或遺棄，使土壤肥力逐年下降，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)平衡遭受破壞，對農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響[2]。秸稈還田可以改良土壤物理結(jié)構(gòu)，豐富土壤微生物種類，對土壤理化性質(zhì)具有重要影響[3-4]。我國東北地區(qū)化肥的年使用量遠(yuǎn)超出其他發(fā)達(dá)國家為防止化肥對土壤和水體造成危害所設(shè)置的225 kg/hm2的臨界值，位居世界第一。化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的資源，在提高產(chǎn)量和質(zhì)量的同時，也不可避免的對環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不同程度的污染和破壞[5]。

近年來，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，畜禽養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，與此同時，伴隨而來的畜禽糞便也不斷增多，我國每年至少可產(chǎn)生20億t以上的畜禽糞便，已經(jīng)對環(huán)境造成嚴(yán)重污染[6-7]。這些畜禽糞便含有大量的有機(jī)質(zhì)以及作物需要的氮、磷、鉀和各種中微量元素。因此，將畜禽糞便經(jīng)過簡單處理施入土壤是實現(xiàn)畜禽糞便科學(xué)資源化利用的重要方向之一[8]。

本試驗于2017—2020 年選用不同種類有機(jī)肥替代氮肥，通過對玉米產(chǎn)量以及土壤理化性質(zhì)的測定，分析得出有機(jī)肥替代氮肥的適宜施肥量，旨在不影響玉米產(chǎn)量的前提下，采用有機(jī)肥替代化肥氮肥，為保護(hù)黑土地、改善黑土區(qū)耕地質(zhì)量提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在長春市綠園區(qū)（125°18′E，43°35′2″N）進(jìn)行。該區(qū)位于松遼平原東部山地向西部平原過渡的伊通河臺地上，地勢東高西低，地貌由臺地和平原組成，氣候類型為北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫4.6 ℃，積溫2 893 ℃，年均降水650 mm左右，無霜期為140 d左右。土壤類型為黑土，為春玉米連作區(qū)，采用玉米秸稈全量覆蓋還田模式耕作，年際間采用苗帶交替休閑種植，每隔3～4 a采用大型機(jī)械深翻還田一次，還田深度為30 cm，旋耕耙平。在試驗開始前土壤養(yǎng)分含量情況如表1所示。

表1 試驗地基礎(chǔ)養(yǎng)分情況Tab.1 Basic soil nutrients of the experiment soil

1.2 試驗材料

供試玉米品種為當(dāng)?shù)仄毡樵耘嗥贩N先玉335。供試糞肥（雞糞和豬糞）來源于當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場。商品有機(jī)肥由吉林省新農(nóng)科生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，供試其他肥料選用尿素（N 46%）、硫酸鉀（K2O 50%）、過磷酸鈣（P2O514%）。3 種不同有機(jī)肥的水分和養(yǎng)分含量情況如表2所示。

表2 不同有機(jī)肥養(yǎng)分情況Tab.2 Nutrient contents in manures of different organic fertilizers %

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2017年開始，采用田間小區(qū)試驗，小區(qū)面積為32.64 m（24.08 m×8.00 m）。試驗設(shè)置1 個無肥對照（CK）和1個100%化肥對照（CF），100%化肥對照（CF）的施肥量為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量，即玉米每年施N 200 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2、P2O590 kg/hm2。等N 條件下，雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥替代部分氮肥，替代百分比分別為25%、50%、75%和100%，試驗共設(shè)12 個處理，分別為：CM25.雞糞替代25%氮肥處理；CM50.雞糞替代50%氮肥處理；CM75.雞糞替代75%氮肥處理；CM100.雞糞替代100%氮肥處理；PM25.豬糞替代25%氮肥處理；PM50.豬糞替代50%氮肥處理；PM75.豬糞替代75%氮肥處理；PM100.豬糞替代100%氮肥處理；COF25.商品有機(jī)肥替代25%氮肥處理；COF50.商品有機(jī)肥替代50%氮肥處理；COF75.商品有機(jī)肥替代75%氮肥處理；COF100.商品有機(jī)肥替代100%氮肥處理。每個處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。全部磷肥、鉀肥和40%氮肥作為底肥施入，60%氮肥用于玉米拔節(jié)期追肥。各處理肥料養(yǎng)分用量如表3所示。

表3 不同處理養(yǎng)分用量Tab.3 Details of nutrient input in each treatment kg/hm2

1.4 測定項目及方法

2017 年秋收后，采集0～20、20～40 cm 耕層土壤樣品，初次取樣在施入有機(jī)肥前，然后各年度取樣均在玉米收獲后進(jìn)行。

土壤容重測定采用環(huán)刀法，分別取0～10、10～20、20～30 cm土層進(jìn)行；土壤堿解氮采用擴(kuò)散吸收法測定；土壤有效磷采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用火焰光度法測定。

土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定[9]。取樣時，每小區(qū)選取0～30 cm 土壤進(jìn)行分析，初次取樣在施入糞肥前，然后各年度取樣均選在玉米收獲后進(jìn)行[10]。

在玉米成熟后，每個小區(qū)選取長勢均勻的2壟玉米收獲，并統(tǒng)計收獲的穗數(shù)，從收獲的玉米中選取大小均勻的10 穗玉米測量百粒質(zhì)量和穗粒數(shù)，以含水量14%折算小區(qū)玉米產(chǎn)量[11]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 整理后作圖，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，LSD法多重比較采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類有機(jī)肥對土壤容重的影響

土壤容重是指在自然結(jié)構(gòu)狀況下，單位體積土壤的質(zhì)量，是土壤肥力指標(biāo)之一，也是影響作物生長的重要因素之一。容重小，表明土壤疏松、孔隙多，反之，表明土壤緊實、結(jié)構(gòu)性差、孔隙少，土壤容重是衡量是否適宜作物種植的一個重要指標(biāo)[12-13]。

由圖1 可知，隨著有機(jī)肥替代N 肥的比例增加土壤容重呈減小趨勢。與無肥對照（CK）相比，雞糞在替代N肥量為50%時，土壤容重差異顯著（P＜0.05），較CK減少4.42%。而豬糞和商品有機(jī)肥在替代N肥量為75%時，土壤容重出現(xiàn)顯著性差異（P＜0.05），分別比CK 減少4.01%、5.06%。其他處理未表現(xiàn)出顯著性差異，但土壤容重均低于CK。

與常規(guī)施肥（CF）相比，雞糞、豬糞、商品有機(jī)肥在替代N 肥量為25%時，土壤容重均較CF 分別增加1.20%、0.12%、2.76%，但差異不顯著，隨后在替代N肥量50%～75%時，土壤容重有所減小，但仍未達(dá)顯著差異。3種有機(jī)肥均在替代N肥量為100%時，土壤容重才出現(xiàn)顯著差異，較CF 分別減少6.55%、5.29%、5.25%。綜合比較，雞糞對土壤容重變化影響較大，即雞糞＞豬糞＞商品有機(jī)肥。

2.2 不同種類有機(jī)肥對土壤有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分的影響

從表4 可以看出，在0～20 cm 土層，雞糞處理中CM25 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到5.79%，比CF 高6.62%，差異顯著；豬糞處理中PM75 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到5.48%，比CF低0.92%，差異不顯著；有機(jī)肥處理中COF100 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到5.71%，比CF高5.16%，差異顯著，即25%雞糞＞100%有機(jī)肥＞75%豬糞＞100%化肥對照。

表4 0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量Tab.4 Organic matter content and available nutrients in 0-20 cm soil

在0～20 cm土層，雞糞處理中CM75的堿解氮含量最高，達(dá)到126.39 mg/kg，比CF低5.42%；豬糞處理中PM75 的堿解氮含量最高，達(dá)到130.95 mg/kg，比CF 低2.00%；有機(jī)肥處理中COF100 的堿解氮含量最高，達(dá)到141.68 mg/kg，比CF 高6.02%。即100%有機(jī)肥＞100%化肥對照＞75%豬糞＞75%雞糞，但與100%%肥對照間均無顯著差異。

在0～20 cm 土層，雞糞處理中CM75的有效磷含量最高，達(dá)到54.17 mg/kg，比CF低7.45%；豬糞處理中PM50的有效磷含量最高，達(dá)到61.80 mg/kg，比CF高5.59%；有機(jī)肥處理中COF25的有效磷含量最高，達(dá)到65.17 mg/kg，比CF高11.34%。即25%有機(jī)肥＞50%豬糞＞100%化肥對照＞75%雞糞，但與100%化肥對照間均無顯著性差異。

在0～20 cm 土層，雞糞處理中CM75的速效鉀含量最高，達(dá)到183.67 mg/kg，比CF高15.03%；豬糞處理中PM75的速效鉀含量最高，達(dá)到158.67 mg/kg，比CF低0.63%；有機(jī)肥處理中COF75的速效鉀含量最高，達(dá)到219.00 mg/kg，比CF 高37.16%。即75%有機(jī)肥＞75%雞糞＞100%化肥對照＞75%豬糞，但與100%化肥對照均無顯著性差異。

從表5可以看出，在20～40 cm土層，雞糞處理中CM25 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到2.88%，比CF 高14.28%；豬糞處理中PM100 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到2.89%，比CF 高14.68%；有機(jī)肥處理中COF50 的有機(jī)質(zhì)含量最高，達(dá)到2.53%，比CF 高1.19%。即100%豬糞＞25%雞糞＞50%有機(jī)肥＞100%化肥對照，但與100%化肥對照間均無顯著性差異。

表5 20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)和速效養(yǎng)分含量Tab.5 Organic matter content and available nutrients in 20-40 cm soil

在20～40 cm土層，雞糞處理中CM75的堿解氮含量最高，達(dá)到118.48 mg/kg，比CF高4.38%；豬糞處理中PM75 的堿解氮含量最高，達(dá)到128.26 mg/kg，比CF高12.90%；有機(jī)肥處理中COF100的堿解氮含量最高，達(dá)到140.88 mg/kg，比CF 高24.11%。即100%有機(jī)肥＞75%豬糞＞75%雞糞＞100%化肥對照，100%有機(jī)肥與100%化肥對照間差異顯著，其他處理與100%化肥對照間均無顯著性差異。

在20～40 cm 土層，雞糞處理中CM75 的有效磷含量最高，達(dá)到51.20 mg/kg，比CF高0.53%；豬糞處理中PM25的有效磷含量最高，達(dá)到56.60 mg/kg，比CF 高11.13%；有機(jī)肥處理中COF50 的有效磷含量最高，達(dá)到64.63 mg/kg，比CF 高26.89%。即100%有機(jī)肥＞25%豬糞＞75%雞糞＞100%化肥對照，但均與CF間無顯著性差異。

在20～40 cm土層，雞糞處理中CM50的速效鉀含量最高，達(dá)到155.67 mg/kg，比CF高0.65%；豬糞處理中PM25 的速效鉀含量最高，達(dá)到154.68 mg/kg；有機(jī)肥處理中COF100 的速效鉀含量最高，達(dá)到160.67 mg/kg，比CF 高3.88%。即100%有機(jī)肥＞50%雞糞＞25%豬糞＞100%化肥對照，但與100%化肥對照間均無顯著性差異。

2.3 不同種類有機(jī)肥對玉米產(chǎn)量的影響

由圖2 可知，CF 處理的玉米產(chǎn)量最高，達(dá)到12 231.31 kg/hm2。差異不顯著情況下，CM25、CM50、PM25、COF25 處理較CF 處理分別減少8.36%、3.29%、8.39%、7.90%；在差異顯著條件下，CM75、CM100、PM50、PM75、PM100、COF50、COF75、COF100 處理較CF 處理分別減少20.48%、21.64%、18.07%、18.62%、19.68%、14.32%、15.25%、19.16%。從玉米產(chǎn)量上比較，CF＞CM＞COF＞PM。

3 討論

本試驗在等N 條件下，選用不同比例雞糞、豬糞和商品有機(jī)肥替代氮肥，通過比較施肥后土壤理化性質(zhì)變化和玉米產(chǎn)量變化，選取適宜吉林省地區(qū)玉米種植的有機(jī)肥施用量，為農(nóng)戶提供施肥依據(jù)，在保證產(chǎn)量的同時，也保護(hù)黑土耕地。

本試驗結(jié)果顯示，土壤容重總體變化趨勢為，隨著有機(jī)肥替代化肥比例增大，土壤容重呈下降趨勢，從效果上看，雞糞＞豬糞＞商品有機(jī)肥。分析原因可能為，秸稈還田主要集中分布在土壤的0～30 cm，秸稈與土壤顆粒均勻接觸，加快了秸稈腐解，有利于土壤大團(tuán)聚體的形成，從而降低了容重，此結(jié)果與邱琛等[14]的研究結(jié)果一致。

本試驗結(jié)果表明，在0～20 cm 土層，施入有機(jī)肥會使土壤有機(jī)質(zhì)增多，其中，雞糞和商品有機(jī)肥效果顯著，與CF 間存在顯著差異，雞糞效果最好，這一結(jié)果與薛同宣等[15]、羅興錄等[16]、唐繼偉等[17]研究結(jié)果相同。但薛同宣等[15]研究表明，土壤有機(jī)質(zhì)含量與雞糞施用量呈正相關(guān)，本試驗中此關(guān)系不明顯，分析原因可能為，本試驗研究年份較短，且在秸稈還田條件下進(jìn)行試驗，隨著雞糞、豬糞等投入加大，更多微生物參與了秸稈的降解，礦化利用了一部分有機(jī)質(zhì)。在20～40 cm 土層，施入有機(jī)肥會使土壤有機(jī)質(zhì)有所升高，但效果均不顯著，分析原因可能為20～40 cm土層較深，導(dǎo)致施肥效果不明顯。

本試驗結(jié)果顯示，隨著有機(jī)肥替代化肥比例的增加，沒有對土壤堿解氮含量有提升，反而有下降趨勢，土壤速效磷、土壤速效鉀也出現(xiàn)了類似現(xiàn)象。分析原因可能是由于秸稈的連年還田改善了表層土壤通氣性，而有機(jī)物料投入的加大有利于硝化細(xì)菌進(jìn)行硝化作用，加劇了由淺層到深層土壤硝態(tài)氮的淋溶風(fēng)險，另一方面，改善了深層土壤通氣性，促進(jìn)作物根系對深層土壤硝態(tài)氮的利用[18-20]。綜合比較分析，商品有機(jī)肥的施入使得土壤中的堿解氮、有效磷、速效鉀均有提高，且均高于CF。

薛同宣等[15]研究表明，玉米產(chǎn)量以雞糞替代40%化肥處理最高，與本試驗結(jié)果接近，說明雞糞與化肥合理的配施比例，既能保證土壤中微生物功能的最大化，又能減少氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素與土壤間的化學(xué)反應(yīng)，提高肥料的有效性和利用率[21-22]，雞糞的施用能促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，且含量提高幅度與雞糞施入量呈正相關(guān)。

4 結(jié)論

本研究表明，秸稈全量還田條件下，隨著有機(jī)肥等氮替代化肥處理有機(jī)肥比例的增大，有效降低了黑土的土壤容重，提高了土壤有機(jī)質(zhì)，其中，效果最明顯的為雞糞。秸稈全量還田條件下，25%雞糞、50%雞糞、25%豬糞、25%有機(jī)肥處理能取得與100%化肥處理接近的玉米產(chǎn)量，產(chǎn)量沒有顯著下降，其中雞糞處理與豬糞和商品有機(jī)肥處理相比較，產(chǎn)量較高且穩(wěn)定。

通過本次研究，初步認(rèn)為雞糞處理既能改善土壤容重、有機(jī)質(zhì)，在產(chǎn)量上也與化肥處理產(chǎn)量無顯著差異。因此，在吉林省玉米種植上適宜的雞糞替代量為25%～50%，在保證產(chǎn)量的同時，也改善了土壤環(huán)境，保護(hù)了黑土地。