长期单施有机肥黑土大豆产量和土壤理化性质演变特征

，，

(1.黑龙江省农业科学院 土壤肥料与环境资源研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.黑龙江省土壤环境与植物营养重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086；3.黑龙江省肥料工程技术研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086)

0 引 言

黑龙江省是我国大豆的最大产区，播种面积占全国的50%左右，2015年大豆播种面积达到235.5万hm2，产量为428.4万吨[1]，占全国大豆总产量的40%以上[2]。近年来，随着化肥施用量的逐渐增加、利用率逐渐下降，土地质量受到了严重影响，从而导致大豆产量和品质下降[3]。因此，在保证大豆产量的同时，寻求一种环境良好及可持续性的大豆施肥方法成为我们关注的问题，而近年来有机农业的快速发展为我们提供了新的研究思路。有机农业定义为：在动植物生产过程中不使用化学合成的物质，如农药、化肥、生产调节剂、饲料添加剂及基因工程生物及其产物[4]。有机农业生产中，通常采用种植豆科植物、轮作、免耕或土地休闲等措施进行土壤肥力的恢复，以及施用有机肥来维持养分平衡，提高土壤肥力和土壤生物活性[5]。施用有机肥不仅能提高土壤养分含量，改善土壤物理性质，还可通过形成有机-无机复合体和微团聚体进一步提高土壤有机质数量，更新和活化土壤中老的有机质，改善土壤腐殖质的品质，进而全面提高土壤肥力[6]，对作物稳产和高产有积极作用。以往的研究者对黑土大豆施用有机肥的产量效应、土壤理化性质变化进行了积极的探索。孙炜等[7]指出，施用生物有机肥料后，不仅可以促进大豆生长发育和早熟，还可改良土壤和增加大豆产量。王家军等[8]在黑龙江省海伦市研究了不同肥料对大豆产量的影响，指出施用三元复混肥处理的大豆产量较单施有机肥(农家肥)增产9.37%，但会降低土壤pH和增加土壤容重。然而，上述研究的试验时间较短，而有机肥具有长效性，利用长期定位试验进行研究十分必要。长期定位试验首先具有时间的长期性，其次气候具有代表性，能克服气候的年际变化对肥料效应的影响，数据信息量丰富且准确可靠，可系统地揭示土壤肥力演变特征和规律[9]。因此，本研究利用38年的黑土长期定位试验，分析长期施用有机肥对黑土大豆产量效应、土壤理化性质演变特征的影响，并评价在大豆种植中有机肥替代化肥的可行性，为肥料合理施用、建立区域有机大豆种植技术和农业可持续发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验原址位于黑龙江省农业科学院试验基地(126°35′E，45°40′N)，全年≥10 ℃有效积温约2 700 ℃，年日照时数2 600～2 800 h，无霜期135 d。土壤类型为黑土。长期试验于1979年设置，1980年开始按小麦、大豆、玉米轮作，每年一季，1986年起增加二倍量施肥试验。试验地初始耕层(0～20 cm)土壤化学性质如下：有机质26.6 g·kg-1，全氮(N)1.47 g·kg-1、全磷(P2O5)1.07 g·kg-1、全钾(K)25.16 g·kg-1，速效养分碱解氮151.0 mg·kg-1、有效磷51.0 mg·kg-1、速效钾200.0 mg·kg-1，pH值7.2。2010年12月对黑土长期定位试验进行了冻土搬迁(搬迁深度1.1 m)，新址为哈尔滨市民主镇(126°51′E，45°50′N)，距旧址约40 km，气候、土壤等与旧址基本一致。

1.2 试验设计

长期试验设24个处理，本研究选取其中的3个处理：(1)单施化肥(NPK)；(2)常规有机肥(M)；(3)二倍有机肥(M2)。搬迁前小区面积为168 m2，不设重复；搬迁后小区面积36 m2(4 m×9 m)，每个处理设3次重复，随机排列。小麦季和玉米季化学肥料施用量为N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2；大豆季化学肥料施用量为N 75 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，秋季施肥。有机肥为纯马粪(养分含量、含水量在当季施肥前测定)， 每3 年施一次，于玉米季收获后秋施。大豆季和玉米季施肥后旋耕起垄，小麦季旋耕平播。作物生育期不灌水。常规有机肥(M)和二倍有机肥(M2)分别按纯氮(N)量75 kg·hm-2(约马粪18.6 t·hm-2)和150 kg·hm-2(约马粪37.2 t·hm-2)施用。马粪养分含量为历年测定的平均值，养分含量N、P2O5、K2O分别为0.58%、0.65%和0.90%。化肥为尿素(N 46%)、重过磷酸钙(P2O546%)、磷酸二铵(N 18%，P2O546%)和硫酸钾(K2O 50%)。

1.3 样品采集与测定

作物产量于收获期在小区中部划分10 m2采样区，作物全部收获后脱粒，风干称重并测定含水量，计算作物产量。本研究中，大豆产量选择1986-2017年的进行分析(2008年大豆大面积倒伏，产量结果没有代表性，未进行统计)。秋季大豆收获后采集土样，每个小区按“S”形取5个点混合为一个样品(0～20 cm)，风干并过筛后测定土壤养分含量。作物地上部全部移出小区，根茬粉碎还田。采用环刀法测定土壤容重。土壤有机质、速效养分和pH(水土比2.5∶1)测定采用常规分析方法[10]。土壤养分未连续测定，试验前期(1979-1988年)每年测定，之后每3年测定一次。

1.4 数据计算与分析

变异系数=标准差/平均产量

土壤总孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤密度)×100

利用Excel 2007软件计算和处理试验数据，应用SPSS 17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期单施有机肥大豆产量变化

大豆产量年际间波动较大(见图1)，这与气候条件、品种更换等因素有关。单施化肥处理(NPK)、常规有机肥(M)与二倍有机肥(M2)处理大豆产量分别在1 140～3 453 kg·hm-2、1 290～3 222 kg·hm-2和1 335～3 409 kg·hm-2之间。NPK、M和M2处理大豆平均产量分别为2 496 kg·hm-2、2 412 kg·hm-2和2 545 kg·hm-2，各处理间差异不显著(P>0.05)，说明单施有机肥未降低大豆产量，见图2。比较NPK、M和M2处理大豆产量变异系数(Coefficient of variation，CV)，大小顺序为NPK(0.284)>M(0.281)> M2(0.269)。通常，不同处理作物产量变异系数越低，表明作物产量的稳定性越高。可见，单施有机肥的施肥方式更有利于大豆产量的稳定。

图1 不同施肥处理大豆产量变化Fig.1 Changes of soybean yield under different fertilization treatments

图2 不同施肥处理大豆平均产量Fig.2 Average soybean yield under different fertilization treatments

2.2 长期单施有机肥土壤养分含量变化

NPK、M和M2处理年际间土壤有机质含量分别在23.5～31.7 g·kg-1、24.7～36.6 g·kg-1和24.2～38 g·kg-1之间(图3)，平均值分别为27.1 g·kg-1、28.6 g·kg-1和28.3 g·kg-1(表1)，较试验开始前(26.6 g·kg-1)分别增加1.9%、7.5%和6.4%。不同处理间，施用有机肥的M和M2处理，土壤有机质平均含量较单施化肥的NPK处理分别显著增加5.5%和4.4%(P<0.05)。可见，施用有机肥对提高土壤有机质含量效果显著。

黑土长期定位试验土壤速效养分含量年际间波动较为剧烈，见图3。NPK、M和M2处理土壤碱解氮含量变化范围分别在72.2～198 mg·kg-1、77～212 mg·kg-1和92.2～214 mg·kg-1之间，平均分别为141 mg·kg-1、135 mg·kg-1和132 mg·kg-1。尽管NPK处理轮作周期(3 a)累计氮投入量(N 375 kg·hm-2)显著高于M(N 75 kg·hm-2)和M2(N 150 kg·hm-2)处理，但M和M2处理土壤碱解氮含量并未明显降低，原因可能是作物根茬还田和大豆的固氮作用共同影响。

图3 不同施肥处理土壤养分含量变化Fig.3 Changes of soil nutrition content under different fertilization treatments

表1 不同施肥处理土壤养分含量平均值Table 1 Average value of soil nutrients under different fertilization treatments

注:同列数据后不同字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

Note: Values followed by different letters in the same column are significantly different among the treatments(P<0.05).

NPK、M和M2处理土壤有效磷含量变化范围分别在24.9～84.0 mg·kg-1、5.0～27.9 mg·kg-1和11.8～24.9 mg·kg-1之间，平均值分别为56.5 mg·kg-1、16.0 mg·kg-1和17.0 mg·kg-1，NPK处理土壤有效磷平均含量为M和M2处理的3.5和3.3倍。各个年份NPK处理的土壤有效磷含量均要显著高于M和M2处理(P<0.05)，长期单施化肥土壤有效磷已达到丰磷状态，土壤磷素环境风险增大[11]。

NPK、M和M2处理土壤速效钾含量分别在88.0～260 mg·kg-1、72.0～245 mg·kg-1和77.0～222 mg·kg-1之间，平均值分别为204 mg·kg-1、181 mg·kg-1和186 mg·kg-1，NPK处理的土壤速效钾平均含量略高于M和M2处理。尽管黑土钾素含量较高，但随着种植年限的增加，作物携出的钾素量也不断增多，长此以往易导致土壤钾素亏缺，因此农业生产中应重视钾肥的持续投入，特别是草食家畜粪便、秸秆等有机肥类资源的综合利用。

施用有机肥的M和M2处理土壤pH值年际间波动较为平缓，范围分别在6.5～7.3、6.8～7.3之间，而且不同年份M和M2处理土壤pH值均要高于NPK处理。从NPK、M和M2处理土壤pH平均值来看，NPK处理为6.3，较试验开始前(pH 7.2)降低0.9个 pH单位，较M和M2处理分别降低0.6和0.7个pH单位，说明长期施用化肥导致黑土酸化，而施用有机肥土壤pH值变化较小，维持在一个较为稳定的水平，从而降低黑土酸化的风险。

2.3 长期单施有机肥土壤物理性质变化

容重是土壤孔隙度与结构性的评价标志。经过38年的连续施肥和耕作，不同处理的土壤容重发生了明显变化，见图4。单施有机肥，0～20 cm和20～40 cm土壤容重均低于单施化肥处理，特别是0～20 cm土层，M和M2处理较NPK处理分别显著降低5.9%和7.5%(P<0.05)，反映出长期施用有机肥可以降低土壤容重。

土壤孔隙作为土壤水分和空气的通道及贮存场所，直接影响土壤水、肥、气、热，进而影响作物根系生长和养分吸收。通常土壤孔隙状况用土壤总孔隙度来表征。0～20 cm土层长期施用化肥处理的土壤总孔隙度显著低于单施有机肥(P<0.05)，较M和M2处理分别降低7.0%和8.9%；20～40 cm土层各处理间土壤总孔隙度无显著差异(P>0.05)，见图5。可见，长期施用有机肥可改善土壤孔隙状况，土壤通透性增强，而长期施用化肥则会导致土壤孔隙性变差。

图4 不同施肥措施的土壤容重Fig.4 Soil bulk density under different fertilization treatments

图5 不同施肥措施下的土壤总孔隙度Fig.5 Soil total porosity under different fertilization treatments

3 讨论

施用有机肥培肥地力有积极作用，但与此同时作物产量水平处于较低水平[12]。Mäder等[13]指出，在N、P、K养分输入量减少34%～51%的情况下，有机农业系统的作物产量较常规农业降低20%。还有研究显示，有机农业条件下作物减产幅度与作物类型密切相关，农作物通常减产20%～40%，蔬菜和果树减产20%～50%[14]。Seufert等[15]研究结果显示，有机农业较常规农业减产幅度在5%～34%，平均降低25%；减产幅度与作物种类、地区分布有较大关系，通常雨养地区的豆科作物减产幅度较小，而禾谷类作物及蔬菜减产幅度大。欧盟规定，通过豆类和绿肥类作物轮作，结合使用有机肥可以进行有机农业生产并可培肥土壤[5]；美国也推荐通过豆科固氮、牲畜粪便和作物秸秆还田及轮作等措施进行有机农业种植[16]。有研究指出，施用有机肥能够明显促进大豆植株的生长发育，可促进叶片生长，增大叶面积指数，增加干物质积累、荚数和株粒数等，较单施化肥最高增产18.3%[17]。台莲梅等[18]连续2年在白浆土施用有机肥结果显示，大豆株高、干物质积累量以及产量均高于对照，且根腐病得到控制。本研究中，单施有机肥的两个处理大豆平均产量较单施化肥处理无显著差异，表明有机肥提供的养分能够维持大豆生长所需。

有机质作为土壤肥力的核心，其含量和组成对土壤团粒结构、微生物种群与活性及土壤保肥能力和缓冲性等有重要影响，并且对作物产量具有决定性的作用[19]。有机肥提供的养分可提高土壤微生物活性，并且有机肥携入的微生物在土壤中迅速繁殖，活化土壤养分，进而提高了土壤肥力[20]。从作物产量与土壤有机质的关系看，土壤有机质提高0.1%，作物产量的稳产性提高10%左右[21]。本研究中，长期单施有机肥土壤有机质含量明显提升，对于培肥黑土地力有积极作用。此外，本研究还发现，长期单施有机肥土壤碱解氮、有效磷和速效钾的供应能力未明显降低，还可维持土壤酸碱平衡，改善土壤孔隙状况，增强土壤通透性。可见，大豆种植中有机肥替代化肥是可行的。但是，考虑到温度、水分及有机肥种类等对有机肥矿化的作用，进而影响土壤养分的释放和供应，因此不同生态区应考虑适宜本地区有机肥资源和施用量，这方面还需深入研究。与此同时，我们也应清晰地认识到，随着全球人口的增长，粮食需求量也进一步增加，而将有机农业与常规农业二者有机结合，重视循环农业，协调土壤有机、无机养分平衡，以较小的环境代价生产更多的农产品是我国农业发展的方向[12,22]。

4 结论

黑土长期单施有机肥未降低大豆产量。长期施用有机肥可以提高黑土有机质含量，提供大豆生长所需养分，维持土壤酸碱平衡，降低土壤容重，改善土壤孔隙状况。总之，大豆种植中有机肥替代化肥是可行的，但应考虑黑土不同生态区的有机肥资源和施用量。

参考文献(References)：

[1] 黑龙江省统计局&国家统计局黑龙江调查总队.黑龙江统计年鉴[M].北京:中国统计出版社,2016.

Heilongjiang Provincial Bureau of Statistics,NBS Survey Office in Heilongjiang.Heilongjiang statistical yearbook[M].Beijing: China Statistics Press,2016.

[2] 申惠波,刘 峰,滕险峰,等.黑龙江省大豆生产能力与发展探讨[J].科技创新导报,2012(12):133.

SHEN H B,LIU F,TENG X F,et al.Discussion on soybean production capacity and development in Heilongjiang province[J].Science and Technology Innovation Herald,2012(12):133.

[3] 魏 丹,李 艳,李玉梅,等.氮磷钾元素对黑龙江不同地区大豆产量和品质的影响[J].大豆科学,2017,36(1):87-91.

WEI D,LI Y,LI Y M,et al.Effect of N,P,K fertilization on yield and quality of soybean in Heilongjiang province[J].Soybean Science,2017,36(1):87-91.

[4] 马世铭,SAUERBORN J.世界有机农业发展的历史回顾与发展动态[J].中国农业科学,2004,37(10): 1510-1516.

MA S M,SAUERBORN J.Review of history and the recent development of organic farming in the world[J].Scientia Agricultura Sinica,2004,37(10): 1510-1516.

[5] 刘晓梅,余宏军,李 强,等.有机农业发展概述[J].应用生态学报,2016,27( 4) :1303-1313

LIU X M,YU H J,LI Q,et al.Overview of organic agriculture development[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016,27( 4) :1303-1313.

[6] 韩晓增,邹文秀,陆欣春,等.旱作土壤耕层及其肥力培育途径[J].土壤与作物,2015,4( 4) :145 -150.

HAN X Z,ZOU W X,LU X C.The soil cultivated layer in dryland and technical patterns in cultivating soil fertility[J].Soils and Crops,2015,4(4):145 -150.

[7] 孙 炜,樊雪梅.生物有机肥料对大豆生育性状和产量的影响[J].黑龙江农业科学,2009(5):63-64.

SUN W,FAN X M.Effects of bio-organic fertilizer on growing characters and yield of soybean[J].Heilongjiang Agricultural Science,2009(5):63-64.

[8] 王家军,于佰双,李进荣,等.寒地不同肥料对大豆产量影响的研究[J].大豆科学，2007,26(4):637-640.

WANG J J,YU B S,LI J R,et al.The effects of fertilizer on soybean yield in cold area[J].Soybean Science,2007,26(4):637-640.

[9] 林治安,赵秉强,袁 亮,等.长期定位施肥对土壤养分与作物产量的影响[J].中国农业科学，2009,42(8):2809-2819.

LIN Z A,ZHAO B Q,YUAN L,et al.Effects of organic manure and fertilizers long-term located application on soil fertility and crop yield[J].Scientia Agricultura Sinica,2009,42(8):2809-2819.

[10] 鲍士旦.土壤农化分析[M].北京: 中国农业出版社,2005.

BAO S D.Soil and agricultural chemistry analysis[M].Beijing: China Agriculture Press,2005.

[11] 张福锁,陈新平,陈 清,等.中国主要作物施肥指南[M].北京: 中国农业大学出版社,2009.

ZHANG F S,CHEN X P,CHEN Q,et al.Fertilization guide for the main crops of China[M].Beijing: China Agricultural University Press,2009.

[12] 周建斌.作物营养从有机肥到化肥的变化与反思[J].植物营养与肥料学报,2017,23(6): 1686-1693.

ZHOU J B.Reconsideration of the changes of plant nutrition from organic fertilizers to chemical fertilizers[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23(6): 1686-1693.

[14] STOCKDALE E A,LAMPKIN N H,HOVI M,et al.Agronomic and environmental implications of organic farming systems[J].Advances in Agronomy,2000,70: 261-327.

[15] SEUFERT V,RAMANKUTTY N,FOLEY J A.Comparing the yields of organic and conventional agriculture[J].Nature,2012,485(7397): 229-232.

[16] 刘 雪,孟繁锡,郭 丽,等.发达国家有机农业种植技术体系及其启示[J].世界农业,2006(4) : 16-17.

LIU X,MENG F X,GUO L,et al.The technical system of organic farming in developed countries and its enlightenment[J].World Agriculture,2006(4) : 16-17.

[17] 韩秉进,陈 渊,赵殿臣.大豆施用有机肥增产效果研究[J].大豆科学,2001,20(4):305-308.

HAN B J,CHEN Y,ZHAO D C.Study on the effect of organic manure on soybean production[J].Soybean Science,2001,20(4) : 305-308.

[18] 台莲梅,郭永霞,范文艳,等.有机肥对连作大豆根腐病、生育及产量影响的研究[J].黑龙江八一农垦大学学报,2001,13(4):28-31.

TAI L M,GUO Y X,FAN W Y,et al.Studies on root rot,development and yield of soybean under organic fertilizers in continuous cropping[J].Journal of Heilongjiang August First Land Reclamation University,2001,13(4) : 28-31.

[19] 徐明岗,卢昌艾,张文菊,等.我国耕地质量状况与提升对策[J].中国农业资源与区划,2016,37(7):8-14.

XU M G,LU C A,ZHANG W J,et al.Situation of the quality of arable land in china and improvement strategy[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2016,37(7):8-14.

[20] 孟庆英,于忠和,贾绘彬,等.不同施肥处理对大豆根际土壤微生物及土壤肥力影响[J].大豆科学,2011,30(3): 471-474.

MENG Q Y,YU Z H,JIA H B,et al.Effects of different fertilizer treatment on rhizosphere soil microoganisms and fertility of soybean[J].Soybean Science,2011,30(3):471-474.

[21] 徐明岗,张文菊,黄绍敏,等.中国土壤肥力演变(第二版)[M].北京: 中国农业科学技术出版社,2015.

XU M G,ZHANG W J,HUANG S M,et al.Evolution of soil fertility in China(Second Edition)[M].Beijing:China Agricultural Science and Technology Press,2015.

[22] 徐明岗,张旭博,孙 楠,等.农田土壤固碳与增产协同效应研究进展[J].植物营养与肥料学报,2017,23(6): 1441-1449.

XU M G,ZHANG X B,SUN N,et al.Advance in research of synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yields improvement in croplands[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23(6):1441-1449.