化肥有機肥配施對稻麥輪作系統作物產量和土壤肥力的影響

張翰林,郭惠寶,楊業鳳,施 儉,陸利民,呂衛光?

(1 上海市農業科學院生態環境保護研究所,上海 201403;2 上海光明長江現代農業有限公司,上海 202178;3上海市浦東新區農業技術推廣中心,上海 201201;4 上海市崇明區農業技術推廣中心,上海 202150)

化肥過量施用易造成作物減產、品質下降,土壤板結、退化、肥力降低及環境污染[1-2]。 有機肥的原料主要為畜禽糞便與作物秸稈,在提供作物所需的有機質、氮磷鉀養分的基礎上,還含有大量的微量元素、腐殖酸、氨基酸等,長期施用可以有效改善土壤理化性質,提高作物品質,減少水體、土壤及大氣污染,提高農業資源再利用[3-5]。

有機肥養分具有緩釋特點,短期內會影響作物產量[6-7],化肥有機肥配施則兼具速效與長效肥力供應能力。 劉亦丹等[8]研究顯示,有機肥替代25%—50%化肥可有效提高東北春小麥產量和氮素利用率;劉中良等[9]發現,有機肥替代15%—30%化肥處理可顯著提升番茄產量與果實品質,促進土壤養分積累;唐麗等[10]發現,有機肥替代比例為20%時最有利于提高水稻產量和減少氮素面源損失;而劉紅江等[11]認為,50%是最適宜的水稻有機肥替代化肥比例,可以增產并減少氮素流失率。 化肥有機肥配施的效果受到化肥有機肥比例、土壤質地、作物類型、氣候條件等影響,開展特定地區化肥有機肥配施最佳比例研究對于提升土壤地力、保障食品安全具有十分重要的意義。 本研究針對稻麥輪作這一華東地區典型的糧食生產系統,研究不同有機無機肥配施比例對稻麥輪作系統的產量與土壤肥力的影響,以期為稻麥輪作系統的生態可持續發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地點位于上海市浦東新區曹路鎮黎明村(31°27′65″N,121°70′49″E),種植制度為稻麥輪作,土壤類型為潮土。 土壤理化性質為:pH 7.9,有機質含量34.0 g∕kg,速效氮含量208 mg∕kg,速效磷含量3.1 mg∕kg,速效鉀含量127 mg∕kg。 試驗水稻品種為‘申優415’、小麥品種為‘揚麥12 號’。

1.2 試驗設置

試驗于2017 年小麥季種植開始,2018 年水稻季收獲時取樣分析。 采用大田小區方式,共設置5 個處理:不施肥空白處理(CK)、常規施肥處理(RT)、有機肥替代20%化肥處理(OT20%)、有機肥替代40%化肥處理(OT40%)、有機肥替代60%化肥處理(OT60%)(有機肥替代化肥均以純氮計)。 采取隨機區組排列,3 次重復,每個小區面積為506 m2,小區田埂高30 cm,內側嵌防滲膜,嵌入土體深度30 cm,防止相互竄肥,小區兩側開通灌水溝和排水溝,灌排分開,溝寬約30 cm,深約20 cm。 各小區稻季與麥季施肥純氮量保持一致,田間管理措施與當地高產田塊相同。 各處理稻季與麥季肥料運籌情況見表1 和表2。 試驗所用商品有機肥養分含量在施用前進行測定,其養分平均含量為有機質53.61%,總氮2.51%,總磷1.02%,總鉀1.53%。

表1 稻季肥料運籌方案Table 1 Scheme of fertilization in paddy field kg·hm -2

表2 麥季肥料運籌方案Table 2 Scheme of fertilization in wheat field kg·hm -2

1.3 樣品采集與分析

樣品采集:于2018 年水稻收獲期(2018 年11 月9 日)采用梅花型取樣法采集0—20 cm 深度土樣,儲存于低溫保鮮袋中帶回實驗室。 一部分土壤樣品風干后過2 mm 篩進行理化性質測定,另一部分樣品保存在4 ℃條件下用于土壤酶活性分析。

作物產量測定:稻麥收獲后人工收割、晾曬,待谷物含水量降至14.5%以下,脫粒、稱重,進行產量分析。 作物養分利用指標計算方法如下[8]:

土壤理化性質測定:pH 值采用電位法測定(水土比2.5∶1),有機質含量采用重鉻酸鉀氧化分光光度法測定,水解性氮含量采用凱氏定氮法測定,有效磷含量采用碳酸氫鈉提取-鉬銻抗比色法測定,速效鉀含量采用乙酸銨提取-火焰光度計法測定。

土壤酶活性測定[12]:蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定,脲酶活性采用靛酚藍比色法測定,過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定。

1.4 數據處理

采用Excel 2007 和SPSS 16.0 軟件進行數據統計和分析。

2 結果與分析

2.1 不同化肥有機肥配施比例對稻麥產量和氮素利用率的影響

由表3 可知,各施肥處理間水稻實際產量、穗長、千粒重和結實率均顯著高于CK,彼此之間無顯著差異。 OT20%處理有效穗數顯著高于OT40%和OT60%處理,與RT 處理無顯著差異,但比其高出7.0%。OT20%處理實際產量最高,比RT 處理高3.3%。 有機肥替代化肥比例越高,產量降低幅度越大,OT40%和OT60%處理分別比有機肥替代20%處理低7.7%和15.9%。

由表4 可知,各施肥處理小麥有效穗數和千粒重均顯著高于CK,彼此之間無顯著差異。 OT20%和OT40%處理實際產量和穗粒數與RT 處理間無顯著差異,但OT60%處理穗粒數顯著低于RT 處理,實際產量則顯著低于RT 和OT20%處理,降低幅度分別為20.2%和23.5%。

表3 水稻產量結構Table 3 Effects of different treatments on paddy yield and its components

表4 小麥產量結構Table 4 Effects of different treatments on wheat yield and its components

稻麥輪作各處理氮素利用率通過氮素偏生產力和氮素農學利用率來表示。 各施肥處理間稻季氮素偏生產力無顯著差異,但OT20%處理最高,比RT、OT40%和OT60%處理分別高3.0%、8.1%和18.5%;麥季OT20%處理氮素偏生產力最高,且顯著高于OT60%處理,但與RT 和OT40%處理無顯著差異。 各施肥處理間稻季和麥季氮素農學利用率差異顯著,其大小順序均為OT20% >RT>OT40% >OT60%(表5)。

表5 不同處理氮素利用率Table 5 Nitrogen utilization efficiency of rice and wheat under different treatments

2.2 不同化肥有機肥配施比例對土壤理化性質和酶活性的影響

稻麥收獲季各處理土壤理化性質見表6。 各處理土壤pH 的范圍在7.71—7.94,稻季和麥季CK 和OT20%處理均顯著低于其他3 個處理;3 個有機肥替代處理有機質含量在稻季和麥季均高于RT 處理,且OT40%處理在稻季顯著高于RT 處理;在速效養分方面,除OT60%處理速效鉀含量在麥季與RT 處理無顯著差異外,3 個有機肥替代處理的水解性氮、有效磷和速效鉀含量在稻季和麥季均顯著高于RT 處理,稻季和麥季的速效氮、磷、鉀含量分別高29.1%和14.0%、21.3%和22.0%、25.1%和18.3%。

表6 稻麥收獲季土壤理化性質Table 6 Soil chemical properties after rice and wheat harvest

稻麥收獲季各處理土壤酶活性見表7。 3 個有機肥替代處理蔗糖酶活性在稻麥季均顯著高于RT 處理,且彼此之間無顯著差異。 OT20%處理脲酶活性在稻季顯著高于RT 處理,提高幅度為24.7%,但OT40%和OT60%處理脲酶活性與RT 處理均無顯著差異。 OT20%處理在稻季和麥季的過氧化氫酶活性最高,均顯著高于RT 處理,分別提高了72.5%和51.8%。

表7 稻麥收獲季土壤酶活性Table 7 Soil enzyme activities after rice and wheat harvest

3 討論與結論

本研究中,OT20%處理稻、麥產量均最高,與前人研究結果相似[8,10]。 但有機肥替代40%和60%兩個處理作物產量低于常規處理,高比例有機肥替代化肥處理降低了作物產量,這可能是因為有機肥養分釋放需要時間,化肥有機肥配施能充分結合速效與長效養分的特點,提升養分的供應能力;另外,本研究試驗時間僅為2 年,多量有機肥處理(40%和60%)還未完全展現出有機養分的長效優勢[5,9]。 從作物產量結構方面看,本研究中水稻產量的提高主要是由于有效穗數的提升,小麥產量提高的主要影響因素則是有效穗數和千粒重,這與申長衛等[13]研究結果相似,也印證了單位面積成穗數的增加是水稻和小麥產量提升的關鍵因素[14]。

有機無機配施可以提升作物氮素利用率,但最有助于提升氮素利用率的有機無機配施比例卻不盡相同。 劉亦丹等[8]發現,有機肥替代25%化肥條件下,東北春小麥氮素利用率提升幅度最大;楊曉梅等[15]研究得出,50%有機氮替代處理華北褐土冬小麥氮肥利用率最高,相比單施無機氮處理高53.0%。 本研究中,無論稻季還是麥季,有機肥替代20%化肥處理的氮素利用率均為最高,與申長衛等[13]和唐麗等[10]的研究結果相似。 研究結果的差異可能與試驗土壤類型、時間長短和基礎地力有關,有機肥的投入可以有效促進作物根系以及土壤微生物群落增長,進而提高作物的氮素利用效率[16]。

前人針對化肥有機肥配施對土壤肥力的影響已有多項研究。 高飛等[17]研究發現,小麥-玉米輪作系統中,有機肥的施入可以有效提高土壤有機質和速效氮磷鉀的含量,但隨有機肥的比例增加,速效鉀含量先增高后降低,速效磷和堿解氮含量則持續升高;溫延臣等[18]發現,有機無機配施肥可以有效增加土壤有機質、速效磷、速效鉀和微生物含量;左婷等[19]研究發現,與常規施肥相比,速效養分中有機肥部分替代化肥僅顯著提高了稻麥輪作土壤速效鉀含量。 本研究結果顯示,與RT 處理相比,有機無機配施肥顯著增加了土壤速效養分含量,OT40%處理在稻季顯著提高了土壤有機質含量,有機肥替代處理有機質含量在稻季和麥季平均提升7.8%和3.6%,表明有機無機配施可以在整個稻麥輪作生長季都保持良好的養分供應能力。

土壤酶活性是表征土壤肥力形成與演變的重要指標之一。 長期施肥和提高有機質含量均有助于提高蔗糖酶活性[20-21],本研究中,有機肥替代處理均顯著提高土壤蔗糖酶活性,這可能與增加土壤酶促基質和調節土壤碳氮比有關。 脲酶是促進土壤氮循環的重要酶類,有機質含量和速效氮含量的提升均可以提高脲酶含量[21-22],本研究結果顯示,與RT 處理相比,OT20%處理顯著提升了土壤脲酶含量,但OT40%處理和OT60%處理提升效果不顯著,這可能是因為隨有機質投入的增加,為了調節碳氮平衡,微生物需要結合更多無機氮分解有機質,導致爭氮現象出現,降低了氮素循環的速率。 過氧化氫酶可以表征土壤生物氧化程度,與物質能量循環相關。 邢鵬飛等[23]發現,有機肥的添加顯著提升了棕壤的過氧化氫酶含量,且數量越大提升越多;魏猛等[24]則認為,比起純有機肥,有機無機配施肥對黃潮土過氧化氫酶活性的提升作用更加明顯。 本研究中,僅OT20%處理對過氧化氫酶活性提升作用顯著,研究結果差異可能與施肥用量、時間和土壤類型有關。

在上海地區的氣候與土壤條件下,針對稻麥輪作種植模式,在施肥氮素含量一致的情況下,相比常規施用化肥,有機肥替代20%化肥處理有提高作物產量的潛力,在短期內(一年)顯著提升了土壤速效氮磷鉀含量與酶活性水平,提升了作物氮素利用率,是一種值得推薦的化肥減量增效模式。 后續還將對有機肥替代化肥的長期效應開展研究。