有機肥部分替代化肥對水稻產量和土壤理化性質的影響

徐有祥，朱真令，王昱妃，童璐，周凌霄，張燕，邵國勝，尹獻遠

(1.龍游縣農業農村局，浙江 龍游 324400；2.龍游縣種植業發展中心，浙江 龍游 324400；3.中國水稻研究所，浙江 杭州 310006；4.衢州市農業農村局，浙江 衢州 324000)

水稻是我國的主要糧食作物之一，施用化肥對提升水稻產量、確保我國糧食供給安全具有重要意義[1]。然而，偏施或過施化肥反而會限制水稻增產，同時加劇土壤酸化、重金屬鎘活性增加以及微生物豐度、活性下降等一系列耕地土壤質量問題[2-4]。另外，氮營養是維持水稻高產的主要養分，目前因濫用氮肥導致我國氮肥利用率遠低于世界平均水平[5]。因此，探究適宜水稻生產的化肥減量增效技術措施對于我國水稻可持續生產極為重要。有機肥含有大量有機質，長期施用能提高土壤有機質，改善土壤團粒結構，增強土壤保水保肥能力[6-9]。另外，有機肥能夠為土壤微生物提供活動所需的碳、氮源及營養物質，提升代謝功能，豐富土壤微生物多樣性[10-12]。已有研究[13-15]表明，施用有機肥能夠改善稻米加工與食味品質，減緩土壤酸化以及降低稻米鎘污染風險。然而，單純使用有機肥相對化肥而言肥效較低，已有研究[16-17]認為，有機肥部分替代化肥能夠有效促進土壤碳循環，提高土壤肥力，實現農作物可持續性高產。本研究以早、晚雙季稻為研究對象，探究不同比例有機肥替代化肥對水稻產量、品質以及土壤理化性質的作用效果，為促進有機肥在水稻生產上的推廣應用和水稻生產的化肥減量增效技術提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗于浙江省衢州市龍游縣富穗家庭農場基地內(28°97′47″N、119°17′5″E)進行，該地屬于亞熱帶季風氣候區，年平均降水量1 602.6 mm，年平均相對濕度79%，無霜期為257 d，土壤為水稻土。試驗前于0～20 cm采集土樣，土壤pH值為5.58，有機質含量29.4 g·kg-1，全氮含量1.8 g·kg-1，全磷含量503.9 mg·kg-1，全鉀含量11.3 g·kg-1，堿解氮含量151.9 mg·kg-1，有效磷含量20.7 mg·kg-1，速效鉀含量47.0 mg·kg-1，土壤陽離子交換量(CEC)12.7 cmol·kg-1，土壤容重為1.3 g·cm-3。供試早稻品種為中組100，晚稻品種為甬優7860。供試化肥復合肥(N 20%，P2O58%，K2O 12%)、尿素(N 46%)、鈣鎂磷(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、商品有機肥(含有機質55.2%、N 3.23%、P 0.94%、K 1.05%，購自浙江開啟能源科技有限公司)。

1.2 田間試驗設計

試驗共設置包括不施肥和常規施肥對照在內的4個處理，分別為CK1(不施肥)、CK2(常規施肥)、T1(有機肥替代15%氮肥)、T2(有機肥替代30%氮肥)，各處理重復3次，小區采用隨機區組排列，各小區面積為20 m2，各處理單排單灌，試驗區外設置保護行(表1)。

表1 不同處理早、晚稻肥料用量Table 1 Fertilizer dosage of early and late rice under different treatments 單位 kg·hm-2

1.3 試驗管理

各處理施肥量均采用當地常規施肥用量，即各生長季氮、磷、鉀施肥總量分別為150 kg·hm-2(以N計)、60 kg·hm-2(以P2O5計)、90 kg·hm-2(以K2O計)，晚稻與早稻期間施肥量一致。有機肥分別于早、晚稻種植前作為基肥一次性施用，早、晚稻常規施肥化學氮、磷、鉀肥由復合肥提供，替代處理化學氮、磷、鉀肥則分別由尿素、鈣鎂磷、氯化鉀提供。肥料運籌均為基肥∶壯蘗肥=60%∶40%。不同施肥處理栽培管理參照本地高產栽培管理，處理間保持一致。

1.4 取樣與指標測定

試驗開始前取0～20 cm原始土樣，并于晚稻種植結束后，針對各處理小區參照對角線法布置5個取樣點，進行土壤樣品采集。使用電位法測定土壤pH值，使用重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質含量，使用凱氏定氮法測定全氮含量，使用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測定全磷含量，使用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定全鉀含量，使用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定有效磷含量，使用醋酸銨浸提火焰光度法測定速效鉀含量，使用堿解擴散法測定堿解氮含量，使用乙酸銨交換法測定陽離子交換量，使用環刀法測定土壤容重。以上方法參考《土壤農化分析》[18]第三版。土壤經HCl-HNO3-HClO4過夜消解后測定元素總量，有效態元素采用DTPA-TEA浸提法[19]提取，元素含量使用電感耦合等離子體原子發射光譜儀(ICP-OES)測定，各處理重復測量4次，取平均值進行數據分析。

水稻成熟期，各小區單打單收，自然風干后進行實際稱重。

1.5 統計分析

利用Excel 2010整理數據，Statistix 9方差分析軟件進行方差分析，采用LSD法進行差異顯著性檢驗(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 有機肥部分替代化肥對早、晚稻產量的影響

有機肥部分替代化肥試驗早、晚稻各處理產量數據見表2。不施肥對照早、晚稻產量均顯著低于其余各施肥處理，其中，相較于常規施肥分別降低了39.03%、43.83%。與常規施肥相比，有機肥替代15%、30%氮肥處理早、晚稻產量均有不同程度的提升，早稻產量增幅分別為10.13%和5.03%，晚稻產量增幅分別為12.96%和6.17%，其中，有機肥替代15%氮肥處理的早、晚稻產量均顯著高于常規施肥。以上結果表明，施肥對于保障水稻高產至關重要，有機肥替代15%、30%氮肥均能有效提高水稻產量，其中替代比例15%效果更為顯著。

表2 不同處理水稻產量Table 2 Rice yield under different treatments

2.2 有機肥部分替代化肥對稻米品質的影響

表3顯示，相較于各施肥處理，不施肥對照其早、晚稻糙米率均有所下降，其中晚稻期間呈顯著性降低，其余指標無明顯變化趨勢。相較于常規施肥對照，不同比例有機肥替代氮肥處理其糙米率、精米率、整精米率以及堊白粒率均無顯著差異。以上說明，本試驗條件下施肥有利于提高稻米糙米率，施用有機肥對稻米糙米率、精米率、整精米率以及堊白粒率影響較小。

表3 不同處理稻米品質Table 3 Rice quality with different treatments

2.3 有機肥部分替代化肥對土壤基本理化性質的影響

從表4可以看出，不施肥和常規施肥對照的土壤pH值接近，而有機肥替代15%、30%氮肥處理土壤pH值均顯著上升。由于經過兩季水稻的種植，不施肥對照有機質含量相較于各施肥處理均有所降低，相較于有機肥替代氮肥處理均顯著下降。與常規施肥相比，有機肥替代15%、30%氮肥處理的有機質含量分別提升了1.97和1.60 g·kg-1，差異并不顯著。各施肥處理的陽離子交換量均顯著高于不施肥對照，相較于常規施肥，有機肥替代能夠顯著提升土壤陽離子交換量。各處理土壤容重則無顯著差異。以上表明，水稻生產過程施用有機肥替代部分氮肥能夠有效提升土壤pH值、有機質含量和土壤的保水保肥能力。

表4 不同處理土壤基本理化性質分析Table 4 Basic physicochemical properties of soils under different treatments

2.4 有機肥部分替代化肥對土壤氮、磷、鉀養分含量的影響

晚稻后各處理土壤養分含量測定結果見圖1。不施肥處理除全鉀外，全氮、全磷以及堿解氮、有效磷、速效鉀養分含量均顯著降低。相較常規施肥，有機肥替代15%、30%氮肥處理的全氮含量無顯著差異，堿解氮含量均顯著增加，增幅分別為19.31%、14.48%。有機肥替代15%、30%氮肥處理的全磷含量較常規施肥同樣顯著增加，增幅為26.90%、24.04%；有機肥替代15%、30%氮肥處理的有效磷含量分別為29.3、27.5 mg·kg-1，相較于常規施肥分別顯著增加了51.03%和41.49%。有機肥替代15%、30%氮肥處理的全鉀含量雖略有提升但并無顯著性差異，速效鉀含量相較于常規施肥則顯著提升了22.08%、19.48%。有機肥部分替代氮肥能夠有效提升土壤氮、磷、鉀有效養分水平。

柱上無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理對土壤氮、磷、鉀養分含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil nitrogen，phosphorus and potassium nutrient contents

2.5 有機肥部分替代化肥對土壤微量元素含量的影響

晚稻后各處理土壤微量元素含量測定結果見表5。不施肥、常規施肥以及不同比例有機肥替代化肥處理總鐵、錳、鋅、銅含量均無顯著差異，其中，總鋅、銅在不同比例有機肥替代氮肥處理中較常規施肥含量均略有提升。相較于總量，不同施肥方式下元素有效態含量差異較大。有機肥替代15%、30%氮肥處理有效態錳、鋅、銅含量較常規施肥均顯著增加，有效態錳含量增幅分別為4.45%、5.59%；有效態鋅含量增幅分別為11.35%、15.72%；有效態銅含量增幅分別為16.25%、10.00%。此外，有效態鐵含量則均呈現下降趨勢，其中有機肥替代15%氮肥處理顯著降低，降幅為7.36%。以上說明，本試驗條件下除鐵素外，有機肥部分替代氮肥能夠有效提升土壤礦質元素錳、鋅、銅的有效態含量。

表5 不同處理土壤微量元素含量分析Table 5 Soil trace element content in different treatments 單位：mg·kg-1

2.6 有機肥部分替代化肥對氮肥農學利用率與偏生產力的影響

早、晚稻氮肥農學利用率與氮肥偏生產力結果見表6。等氮量施肥條件下，施用有機肥處理的早、晚稻氮肥偏生產力和氮肥農學利用率均高于常規施肥，晚稻的差異顯著，且隨著有機肥替代比例的增加呈現先升高后降低的變化。其中，有機肥替代15%氮肥處理早、晚稻氮肥偏生產力和氮肥農學利用率均為最高，早稻期間分別達到了45.63和20.37 kg·kg-1，較常規施肥分別提高了10.11%和25.97%；晚稻期間分別達到了61.03和30.68 kg·kg-1，較常規施肥分別提高了12.96%和29.56%。有機肥部分替代氮肥能夠有效提高水稻生產上氮肥農學利用率和氮肥偏生產力，其中15%氮肥替代比例效果最佳。

表6 不同處理水稻氮肥農學利用率與氮肥偏生產力Table 6 Agronomic use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer in rice with different treatments

3 討論

通過研究不同比例有機肥替代氮肥對水稻產量、品質以及耕地土壤理化性質、礦質營養的影響，能夠為有機肥在水稻生產上的推廣應用和實現水稻生產化肥減量增效提供參考。本研究中，不同比例有機肥替代氮肥處理早稻分別增產10.13%、5.03%，晚稻增產12.96%、6.17%，說明有機肥部分替代氮肥對水稻產量起積極作用，這與前人研究結果一致[20]。早、晚稻糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率相關品質指標則并未呈現明顯變化趨勢，這與相關研究報道結果有所區別[21-22]。由于稻米的加工品質屬于典型的種子性狀，與其種質資源特性密切相關，且除受基因型調控外相應品質指標還受環境效應的互作影響[23]，因此，有機肥對稻米品質影響還需要通過多品種、多年、多點進行進一步研究。

本研究中，通過兩季連續施用有機肥能夠顯著提升土壤pH值，這與解艷玲等[24]研究結果一致。有機肥富含多種有機酸和腐殖酸，能有效提升土壤有機質含量與陽離子交換量，提升土壤保肥供肥能力。由于有機酸、腐殖酸對于土壤礦物質部分具有一定的溶解能力，一方面促進礦物風化，另一方面有機肥中碳水化合物與氮、磷、鉀素競爭土壤吸附位點，降低了土壤對養分的吸附固定能力[25]。正因為如此，本研究施用有機肥的處理土壤全磷含量顯著提升，增幅分別達到26.90%和24.04%，同時，堿解氮、有效磷、速效鉀等有效養分含量均得到顯著提升。通過對比有機肥施加后土壤鐵、錳、鋅、銅等元素全量及有效態含量，發現土壤全鋅、銅含量有所增加，這可能是由于有機肥產品本身富含這些元素相關。目前，有機肥肥源主要來源于集約化的養殖場，富含鋅、銅的飼料添加劑常被用于養殖飼養，絕大部分被排出體外[26]。本研究中有效態錳、鋅、銅含量伴隨有機肥的使用均呈現含量增加趨勢，主要是由于有機肥分解產生的大量有機酸易于金屬離子絡合，從而保留于土壤溶液中不易被沉淀，而導致其有效性增強[27-29]。然而，有效態鐵呈下降趨勢，這可能與有機肥提升土壤pH值過程有關，游離態鐵極易被氧化、吸附固定，趙征宇等[30]同樣發現，施用牛糞、豬糞為原料的有機肥能夠使土壤有效鐵含量降低。

綜合分析水稻產量、土壤基本理化性質、養分水平、氮肥農學利用率以及氮肥偏生產力，研究認為，在當地實行有機肥替代15%氮肥的施肥技術既能維持水稻高產，提升耕地地力水平，又能提高氮肥利用率，有利于該區域水稻種植業的綠色發展。