有机肥替代化肥对土壤质量、稻谷产量及农田水氮含量的影响

2017-05-13张绪美沈文忠江苏省太仓市土壤肥料站215400

上海农业科技 2017年2期

张绪美沈文忠李梅（江苏省太仓市土壤肥料站 215400）

张绪美沈文忠李梅（江苏省太仓市土壤肥料站 215400）

为给稻麦两熟制农田有机肥、无机肥配施技术的推广提供技术支撑，在苏南稻麦轮作地区采用大田定位方法，研究了有机肥、无机肥不同配施条件下对稻田土壤养分、水稻产量及农田氮流失的影响。结果表明，与单施无机氮相比，有机氮替代不同比例无机氮均能有效增加土壤有机质含量与全氮含量，提高土壤碳氮比（C/N）；有机氮替代适宜比例的无机氮比单施无机氮或单施有机氮均能提高水稻产量，在有机氮替代55%无机氮时，水稻产量最高（11025 kg/hm2）；增施有机氮的农田表层水保持养分能力总体上高于单施无机氮的田块，水稻生育后期单施有机氮的农田表层水中全氮（TN）浓度最高（1.61 mg/L），而单施无机氮的农田表层水中全氮（TN）浓度最低（0.38 mg/L）。同时，有机氮、无机氮合理配施既能实现稻谷高产，又能提高氮肥利用率，达到减排的效果。

有机肥；化肥；农田水氮含量；水稻产量；土壤质量

稻麦两熟种植制度主要分布在东亚和南亚的亚热带－暖温带地区，包括中国、印度、巴基斯坦等国家，其中以我国的种植面积最大。在我国长江中下游地区，仅江苏省稻麦两熟制的年种植面积就高达130万hm2左右，稻麦两熟制农田的可持续生产对保证江苏省乃至全国的粮食安全至关重要。近年来，由于人口的快速增长，迫于粮食压力和经济需求，土地集约化生产程度进一步提高，江苏省太湖流域稻麦产区年均施肥量高达550～650 kg/hm2，大大超过了全国平均水平[1]，对该区域的土壤质量产生了巨大威胁，成为了影响江苏省农业生产进一步发展的主要障碍[2]。因此，研究施肥方式对土壤质量、水稻产量的影响具有非常重要的实际意义。

目前，已有许多文献报道认为长期施用化肥会导致土壤质量下降，单施有机肥能提高土壤有机质含量，但由于有机肥养分供应缓慢，会导致作物产量低，而有机肥、无机肥配合施用既能培肥土壤，又能确保作物高产稳产[3-14]。高菊生等[3]研究结果表明，有机肥、无机肥配施能使水稻持续高产稳产；商跃凤[13]也认为有机无机复混肥处理的水稻产量最高，与单施化肥相比，氮肥利用率可提高7%～18%。这是因为有机肥中含有大量有机质和作物生长必需的营养元素，长期施用既可提高土壤全氮水平，又能持续增加土壤中微生物氮含量，为作物及时提供养分，促进干物质的积累，为作物增产奠定了基础。但目前却鲜有关于有机氮肥与无机氮肥最佳配比的研究报道。为此，笔者选择在苏南典型稻麦轮作区，在充分考虑苏南地区适宜氮肥用量（N 240～285 kg/hm2）的基础上，采用有机氮肥替代无机氮肥的方法，研究了苏南地区有机肥与无机肥的适宜配施比，以期为稻麦农田有机肥、无机肥配施技术的推广提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年6月～2016年11月设在太仓市浮桥镇绿化村生态农场内进行，供试田块为稻-麦轮作的种植模式。试验田土壤为海相沉积物母质发育的沙夹垅，pH为7.86，有机质含量为2.65%，全N含量为0.951 mg/g，有效磷含量为12.6 mg/kg，速效钾含量为174 mg/kg。

供试作物为水稻，品种为“南粳46”。供试无机肥为化肥（尿素和氯化钾），供试有机肥为“丰绿稼”牌商品有机肥（N+P2O5+K2O含量总和为6.03%，有机质含量为55.1%）。

1.2 试验设计

试验以氮用量为无机肥与有机肥用量的核算指标，在施氮总量相同的条件下，设计无机氮与有机氮的配比处理，共设6个肥料处理（见表1）。每处理小区面积为1534.1 m2，小区间田埂用防水塑料薄膜覆盖，均单设进、排水口，以防肥、水相互渗透。

表1 有机氮与无机氮不同配比处理试验设计

氮肥运筹：按基肥、分蘖肥、长粗肥、穗肥施用，比例为0.2∶0.2∶0.40∶0.2；有机肥全部基施，化肥进行追施。不施磷肥，K2O 用量为150 kg/hm2（补施KCl，K2O含量为60%），基肥与长粗肥各占50%施用。其他管理措施同常规田间管理。

1.3 样品采集及测定

土壤样品：在水稻收割前、后分别采集土壤样品，采集时每个小区均采用五点法采样，采样深度为土壤表层0～20 cm，再用四分法取1个综合土样。采回的土样在室内风干磨细，分别过1 mm筛和0.25 mm筛备用。有机质测定，用重铬酸钾-硫酸油浴加热，硫酸亚铁滴定法；全氮测定，用硫酸消煮与凯氏定氮蒸馏法；全磷测定，用高氯酸消解，钒钼酸铵显色比色法；速效氮测定，用强碱还原-硼酸显色-硫酸滴定法；速效磷测定，用碳酸氢钠浸提-钒钼酸铵显色比色法；速效钾测定，用醋酸铵浸提-火焰光度计法。

农田表层水样：于2015年7月10日、7月27日、8月17日、9月10日、10月8日分次采集，共采5次。全氮（TN）浓度测定，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法。

2 结果与分析

2.1 对土壤有机质、全氮含量及碳氮比的影响

土壤有机质含量是土壤养分的重要来源，直接影响着土壤的保肥性、保水性、缓冲性、耕性和通气状况等，是决定土壤质量的基本指标。试验结束时测定，与处理（6）相比，处理（1）～（5）的有机质含量分别高出43.8%、35.4%、23.8%、15.4%、13.1%；与试验前相比，处理（1）增加最为明显，增3.94 g/kg，处理（2）、（3）、（4）分别增加2.49、3.94、1.54 g/kg，处理（5）、（6）略有下降，分别减少 0.67、1.06 g/kg。

土壤全氮含量通常用于衡量土壤的基础肥力。不同施肥处理的土壤全氮含量变化趋势与有机质含量基本一致。试验结束时测定，与处理（6）相比，处理（1）～（5）的土壤全氮含量分别高出 25.0 %、21.2 %、12.0 %、8.5%、5.3%。

土壤碳氮比（C/N）是土壤质量的敏感指标，是衡量土壤 C、N营养平衡状况的指标，其演变趋势对土壤碳、氮循环有重要影响，土壤碳、氮含量是生态系统在特定条件下的动态平衡值，其库容的大小与气候、植被、地形等环境因子密切相关。试验结束时测定，处理（1）～（6）的土壤碳氮比分别为 9.32、8.56、8.25、8.01、8.00、8.12。整体而言，施用有机氮处理的土壤碳氮比高于全无机氮处理，说明在全无机氮条件下，土壤氮素矿化速率较高，进而也表明施用有机氮后土壤中碳素的增加速度明显高于氮素，这有利于土壤有机碳的固定。同时，土壤碳氮比越高，越不利于有机质的分解，越有利于有机碳的保存，使施用有机氮后土壤有机碳含量可能比全无机氮处理的土壤更稳定，在同样的氮含量下可积累更多的有机碳，有利于有机碳的贮存，增加了土壤汇集碳、氮的能力[8-12]。

2.2 对水稻产量的影响

由表2可知，随有机氮施用量的减少、无机氮施用量的增加，处理（1）～（6）的水稻株高、有效穗数大体呈现先增加后降低的趋势，其中处理（5）的株高约为处理（1）的1.16倍，处理（6）的有效穗数约为处理（1）的1.24倍；千粒重无明显规律，但处理（1）的千粒重约为处理（6）的1.14倍，可见有机氮配施比例高能提高稻谷的千粒重。

从实际产量来看，处理（3）的产量最高（11025 kg/ hm2），处理（1）的产量最低（8975 kg/hm2）。处理（2）～（6）比单施有机氮的处理（1）分别增产22.30%、22.84%、5.01%、21.17%、18.66%；处理（1)～(5）比单施无机氮的处理（6）分别增产-15.73%、3.06%、3.52%、-11.5%、 2.11%。因此，与单施有机氮或无机氮相比，有机氮、无机氮合理配施可实现水稻较高产量，其中以有机氮替代55%无机氮的施肥措施可确保水稻高产稳产。究其原因，有机氮、无机氮配施，可在作物生长的不同时期提供充足的养分，满足了其生长所需。

表2 有机氮与无机氮不同配比处理对水稻产量及其构成因素的影响

2.3 对农田表层水中氮浓度的影响

农田表层水中的养分浓度可反映出稻田养分供应状况。由表3可知，随着肥料养分的释放和作物吸收肥料的变化，农田表层水中全氮浓度也发生相应变化，大体呈逐渐下降的趋势，下降幅度最大的是处理（4），由7月10日的69.1 mg/L下降到10月8日的0.53 mg/L，其次是处理（6），由7月10日的43.8 mg/L下降到10月8日的0.38 mg/L，下降幅度最小的是处理（1），由7月10日的27.6 mg/L下降到10月8日的1.61 mg/L。而在水稻生育后期，增施有机氮处理的农田表层水中全氮含量总体上要高于单施无机氮处理，在10月8日，全氮（TN）浓度由高到低依次为处理（1）、处理（5）、处理（3）、处理（4）、处理（2）、处理（6），表明单施有机氮农田的养分保持性最好，单施无机氮农田的养分保持性最差。

表3 有机氮与无机氮不同配比处理水稻田表层水中全氮（T N）浓度变化趋势

3 结论与讨论

大量研究表明，在稻麦轮作条件下，合理施用氮肥能有效提高作物对养分的吸收，从而促进作物产量的提高。在本试验条件下，实施有机氮替代55%无机氮施肥措施的增产效果最好，这可能是因为有机氮、无机氮的混合施用为土壤蔗糖酶提供了充足的碳源，对土壤蔗糖酶活性有促进作用，而土壤蔗糖酶不仅能表征生物学活性程度，而且其活性反映了土壤有机碳累积与分解转化的规律，其活性与土壤C/N相关，所以在很大程度上影响着水稻对于施用氮肥后的吸收利用，提高了作物产量；同时，有机氮与无机氮的混合施用可促进土壤微生物数量增加和代谢活动增强，从而提升了土壤酶活性及土壤肥力，有利于作物对养分的吸收利用，促进产量增加。

欧杨虹等[15]研究表明，有机氮100%替代无机氮处理的水稻产量较不施肥对照增加，但显著低于全无机氮处理和有机氮部分替代无机氮处理，且25%有机氮与75%无机氮配合施用处理的水稻产量最高，认为有机氮可在一定范围内替代部分无机氮。本试验中，有机氮替代55%无机氮处理能显著提高水稻产量，而有机氮100%替代无机氮处理显著降低了水稻产量，虽然本研究替代比例与已有的研究结果存在差异性，但也证明了有机氮替代部分无机氮是可行的。因此，从保护水环境的角度出发，结合水稻高产稳产的粮食安全需求，本研究认为，有机氮替代55%无机氮施肥措施具有良好的环境效应和经济效应。同时，长期施用有机肥可能会导致农田土壤重金属累积、抗生素残留及农产品安全风险。因此，对于稻麦两熟制农田合理施用商品有机肥而言，需要从水环境、土壤质量、作物产量及农产品安全等多角度综合考虑并进行大量长期试验，进而为实际生产提供可靠的理论支撑。

本研究结果表明，有机氮替代55%无机氮处理的水稻产量最高（11025 kg/hm2），单施有机氮的水稻产量最低（8975 kg/hm2）；有机氮、无机氮配施处理的农田表层水中全氮（TN）浓度明显高于单施化肥处理。综上，有机氮、无机氮合理配施既能实现稻谷较高产量，促进作物养分吸收，又能提高氮肥利用率，达到减排的效果。

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