水生植物堆肥在太湖稻麦体系的适宜用量

陶玥玥，王海候，施林林，周新伟，陆长婴，沈明星

（江苏太湖地区农业科学研究所/农业部苏州水稻土生态环境重点野外科学观测试验站，江苏苏州 215155）

环太湖地区持续过量的化学氮肥施用造成该地区氮肥肥效过低、地下水硝酸盐污染和地表水富营养化等，尤其是水稻种植季。据调查，太湖流域水稻季过量施肥和极端过量施肥 (超过360 kg/hm2) 占39.9%[1–2]。太湖流域水体及集约化水产养殖产生大量水生植物残体，水生植物生长过程中富集了大量植物生长所需营养元素，处理不当易造成二次污染[3–4]。因此，可利用水生植物作为有机肥料的生产原料，一方面减少水生植物残体对水域环境的污染[5]，另一方面为农作物生产提供优良的有机肥源[6]，对于实现我国化肥施用量零增长具有重要意义。研究表明，等氮量条件下，与化肥相比，配施猪粪肥效较持久，可降低水稻无效分蘖数，提高水稻成穗率[7]；配合施用秸秆类有机肥可优化小麦产量构成，提高小麦籽粒产量与品质[8]。然而，有机肥料的施用量不断增加，也会增加农田养分的径流流失风险，加剧水体富营养化[9–10]。为此，笔者采用田间定位试验，研究了不同用量的水生植物有机肥对稻麦产量、养分吸收及土壤养分的影响。不仅为环太湖地区合理施用水生植物有机肥提供理论依据与技术支撑，而且对稳定太湖地区农田生产力也具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验地点设在江苏太湖地区农业科学研究所望亭基地，该基地位于江苏省苏州市西北部，处于长江三角洲太湖平原，北纬 31°25'、东经 120°26'。属于亚热带季风气候区，多年平均年降水量约1100 mm，年平均温度约15.7℃，年日照时间 ＞ 2000 h，年无霜期 ＞ 230 d。土壤为典型黄泥土，土壤有机质30.6 g/kg、全氮 1.76 g/kg、有效磷 6.43 mg/kg、速效钾84.8 mg/kg、pH为6.3。田间试验始于2012年6月，种植方式为水稻–小麦轮作，2016年5月小麦收获后结束，共8季。

1.2 试验设计

试验共设7个处理，分别为：不施肥 (CK)；施无机氮 (尿素，U)；以无机氮为基础，施用水生植物堆肥，用量分别为尿素氮的1.0、1.5、2.0、2.5和3.0倍，分别记为 M1.0、M1.5、M2.0、M2.5和 M3.0，每个处理设3次重复，小区面积21 m2(7 m × 3 m)，随机区组排列，各小区间用20 cm高田埂隔开。

供试氮肥为尿素，稻季和麦季施氮量分别为N 270和225 kg/hm2，水稻和小麦生长季尿素均分3次施用，其中50%作基肥，25%作分蘖肥 (水稻) 或拔节肥 (小麦)，25%作穗肥。磷肥和钾肥分别采用过磷酸钙和氯化钾，稻季按P2O560 kg/hm2、K2O 150 kg/hm2施用，麦季按P2O545 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，磷肥作基肥，钾肥按基肥∶穗肥为1∶1。有机肥处理均采用水生植物有机肥，由脱水伊乐藻渣与水稻秸秆 (长度约3 cm) 按鲜重4∶1混匀后，经高温好氧发酵堆制而成，2012—2015年堆肥成品有机质和氮磷钾含量分别为253、23.3、9.5和31.4 g/kg。有机肥均作基肥一次性施用，且不再增施化学磷钾肥。2012—2015年各处理年均养分摄入量见表1。

表 1 2012—2015年各处理年均养分投入量 (kg/hm2)Table 1 Annual nutrient input in different treatments (2012–2015)

水稻大田生育期为6月中下旬至11月上旬，供试水稻品种为当地常规品种‘苏1331’ (2012—2014年) 和‘武运粳23’ (2015年)，一般在4月底至5月初育秧，在4.5～5.0叶龄时移栽，移栽规格为14.0 cm × 30.0 cm，每穴3～5颗苗。除生育中期进行排水搁田，其余时期保持浅水层，至收割前10天停止灌水。小麦于11月下旬直播，供试品种为‘扬麦16’，按照262.5～300 kg/hm2播种，次年5月底收割。田间适时进行病虫草害防治，其他田间管理措施均相同。

1.3 研究方法

1.3.1 产量与产量构成因子测定 在水稻成熟期各小区收获3个2 m2水稻测定籽粒产量。随后，各小区随机调查20穴植株的穗数，并根据调查的平均穗数取代表性植株10穴用于测定产量构成因子。将水稻植株样品分成秸秆和籽粒，调查每平方米有效穗数(productive tiller, PT)，四分法选取100 g籽粒风干样品用于测定穗粒数 (spikelets per panicle, SP)，用水漂法[11]区分饱粒 (沉入水底者) 和空瘪粒，计算穗实粒数 (grains per panicle, GP)、结实率 (percentage of filled grains, PFG, 穗实粒数/穗粒数 × 100 %) 和千粒重 (thousand grain weight, TGW)。于小麦成熟期每小区随机调查0.11 m2穗数，每个小区调查5个重复，并取代表性植株10穴用于测定产量构成因子，包括有效穗数、穗粒数和千粒重。每小区选取2 m2具有代表性植株收割，晒干，扬净称小麦重。

1.3.2 土壤样品采集与测定 2012年稻季试验开始前和2016年麦季收获后，各小区用土钻 (直径为3.5 cm) 采集0—20 cm深度土壤，按照“S”形取5个点土壤作一个混合样品带回实验室，自然风干后粉碎分别过20目和100目筛，采用重铬酸钾外加热法测定土壤有机质，H2SO4+混合催化剂消解—凯氏定氮法测定全氮，土壤有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法，速效钾采用1.0 m o l/L NH4OAc浸提—火焰光度计法测定，土壤pH用土壤和去离子水按1∶2.5浸提后用pH计 (PB10, 德国赛多利斯) 测定[12]。

1.3.3 植株养分含量测定 将成熟期植株样品按秸秆和籽粒分开，105℃下杀青20 min，继续在75℃烘至恒重，分别测定籽粒和秸秆干物质量；植株样品经粉碎机 (FZ102，天津泰斯特) 粉碎后，过60目筛用于测定植株氮、磷和钾含量。植株养分分析方法：用H2SO4–H2O2消煮，凯氏定氮法测定氮含量；钼锑抗比色法测定磷含量[13]；用火焰光度计法测定钾含量。并计算植株籽粒和秸秆氮、磷和钾的累积量，植株养分吸收量 (kg/hm2) 为养分浓度 (g/kg) 与干物质量 (kg/hm2) 的乘积。

1.3.4 数据处理与统计分析 用Excel 2010进行数据处理，Origin 8.0软件进行作图。采用SAS 9.2[14]的GLM过程进行完全随机方差分析。双因素方差分析模型包括年份 (Yr)、施肥 (Fert.) 以及年份 × 施肥的交互作用。用最小二乘法 (LSD) 在0.05水平下进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 有机肥施用量对作物产量的影响

如图1所示，年份和施肥均显著影响稻麦籽粒产量，且年份和施肥存在交互作用。2012年水稻产量随着有机肥施用量增加而增加；2013年有机氮施用量达到常规化肥的2.5倍 (M2.5) 时，产量最高，当达到3倍 (M3.0) 时水稻产量降低；2014—2015年不同有机肥施用量下，水稻产量差异不显著 (图1a)。与水稻相比，不同有机肥施用量对小麦产量影响较大。四年试验期间，小麦产量均随着有机肥施用量的增加而增加，后三年M3.0处理产量与M2.5处理相当 (图 1b)。

2.2 有机肥施用量对作物养分吸收的影响

如图2所示，等氮条件下水稻植株地上部吸氮量有机肥处理显著低于尿素处理，但磷钾吸收量与尿素处理间无显著差异。随着有机肥施用量的增加，地上部氮、磷和钾吸收量增加。当有机氮施用量达到尿素氮的2.5倍时，水稻地上部吸氮量与尿素氮处理相当 (图2a)。不同有机肥施用量下，水稻吸磷量与尿素处理相当 (图2b)，吸钾量均显著高于尿素处理 (图2c)。等氮条件下，有机肥处理较尿素处理显著降低小麦植株吸氮量43.2%(图2d)，磷钾吸收量无显著变化 (图2e和图2f)。随着有机肥施用量的增加，小麦地上部氮、磷和钾吸收量增加，当有机肥施用量达到尿素氮的2.5倍时，养分吸收量不增加。

2.3 有机肥施用量对土壤肥力的影响

图3显示，连续8季施用水生植物有机肥后，与常规尿素处理相比，M1.0～M1.5处理土壤全氮无显著变化，当有机氮施用量达到常规化肥的2～3倍时(M2.0、M2.5和M3.0)，土壤全氮含量分别显著提高了48.7%、66.4%和89.9% (图3a)。等氮量有机肥处理(M1.0) 土壤有机碳有增加趋势；随着有机肥施用量增加，土壤有机碳含量逐渐升高，M1.5处理土壤有机碳显著提高了42.1%，M2.0、M2.5、M3.0处理土壤有机碳含量依次较常规尿素处理显著提高了70.3%、82.8%、104.2% (图 3b)。

与常规尿素处理相比，施用有机肥对土壤有效磷和速效钾养分的促进作用更加明显，较常规尿素处理，M1.0～M1.5处理显著提高了土壤有效磷含量4.5～5.1倍和土壤速效钾含量3.4～4.4倍。随有机肥施用量增加，土壤中有效磷和速效钾含量进一步提高，M2.0～M3.0处理土壤有效磷分别显著提高了11.8、13.7和17.9倍，土壤速效钾分别显著提高了6.8、8.2和11.2倍 (图3c、图3d)。经过8季试验，水生植物有机肥不同施用量下土壤pH有显著差异。与不施肥处理相比，施用尿素处理下土壤pH下降0.36个单位，等氮量有机肥处理下土壤pH显著提高0.67个单位; 随着有机肥施用量增加, 土壤pH提高，M1.5～M3.0处理土壤pH分别较不施肥处理提高了0.66、0.98、0.94、1.31 个单位 (表 2)。

图 1 不同施肥处理水稻与小麦籽粒产量 (2012—2015)Fig. 1 The grain yield of rice and wheat as influenced by different rates of different fertilization (2012–2015)

图 2 不同施肥处理稻麦植株氮磷钾吸收量 (2014—2015)Fig. 2 The uptake of N, P and K in plant shoot as influenced by different rates of different fertilization (2014–2015)

3 讨论

作物产量水平和土壤肥力状况是衡量农田系统可持续性的重要指标[15]，本研究发现，与常规尿素处理相比，等氮有机肥处理四年水稻产量均无显著差异 (图1a)。然而，大量研究结果表明由于有机肥中主要是缓效态养分，速效养分释放慢，无法满足作物前期生长，单一施用有机肥当季增产效果往往不如等量养分的化肥[16]。因此，试验前期有机肥处理下水稻产量往往低于化肥处理[17–18]。这与本研究结果相反，可能是由于试验地点土壤与气候环境的不同造成的。土壤环境温度与湿度与养分矿化和释放息息相关[19]，本研究试验地点位于太湖流域，属于传统水稻种植区，为典型潜育性水稻土，土壤质地偏黏，保水保肥力好，具有较高的土壤肥力[20]。水稻种植季节正是太湖农作区高温多雨季节，土壤微生物活性增加，利于有机肥料中养分的矿化与释放。因此，有机肥对小麦的产量效应与水稻表现不同，当有机氮施用量等于尿素氮或达到1.5倍时，小麦产量显著低于常规尿素处理，当有机肥施用量增加时，小麦产量随之增加 (图1b)，主要是由于与水稻种植季相比，小麦种植季温度和湿度较低，有机养分释放较慢，从而抑制了小麦生长及其产量形成。

图 3 不同施肥处理表层土壤全氮、有机碳、有效磷和速效钾含量 (2016)Fig. 3 Soil total N, organic carbon, available phosphorus and potassium contents as affected by fertilization (2016)

表 2 不同施肥处理下表层土壤pH值 (2016)Table 2 The changes of top soil pH as influenced by different fertilization (2016)

表 3 作物周年产量与试验后土壤养分含量相关性Table 3 The correlation between crop yields and the concentration of soil nutrients after experiment

作物产量高低直接反映了农田土壤肥力水平，这与本试验结果表现一致。水稻和小麦籽粒产量均与土壤有机碳和土壤全氮含量呈显著正相关关系 (表3)。土壤有机质、养分状况及酸碱度是土壤肥力的重要指标[21]。土壤有机质的提高不仅利于改善土壤结构，增加土壤保水能力[21–22]，还可以持续为植物和微生物群体提供养分，从而维持土壤质量和生产体系稳定性[23–24]。增加有机物投入是提升土壤有机质及养分的有效措施。本研究中，连续4年施用水生植物有机肥后，土壤有机碳和全氮含量随水生植物施用量增加而增加，有机肥各施用量均显著高于尿素处理；有机氮施用量为化肥氮的2.0～3.0倍时，土壤全氮和有机碳比常规尿素处理分别显著升高了48.7%～89.9%和70.3%～104.2% (图3a、图3b)。这与前人研究结果一致，施用有机肥能显著提高土壤全氮和全碳含量，且土壤有机质含量与有机肥施用年限具有极显著的正相关关系[9]。总之，土壤有机质与粮食产量和生产体系稳定性关系十分密切[25]。

另一方面，有机肥处理均未增施化学磷钾肥，但是与常规化肥处理相比，有机肥施用提高了土壤速效磷钾含量 (图3c、图3d) 和植株磷钾吸收量 (图2b、图2c)。首先，水生植物有机肥本身含有一定数量的磷钾 (表1)；其二，有关厩肥类研究指出，有机肥中磷主要以有机磷为主，易于释放[26]；其三，施入土壤后，大量微生物和腐殖质进入土壤，减少磷钾固持，从而释放有效养分[9]，利于有效磷释放。研究指出太湖农作区连续水稻–小麦复种轮作下，钾肥投入量存在严重亏缺[27]，尤其是水稻，本研究也发现不同施肥处理下，水稻产量与土壤速效钾呈显著正相关关系 (表3)，水生植物有机肥中含有大量钾素弥补了土壤钾素亏缺，利于水稻产量提高。农田土壤酸化是全球农业面临的严峻问题，在江苏15年的长期定位试验发现土壤pH持续降低1.97个单位，氮肥的大量施用是造成土壤酸化的重要原因之一[28]。本研究发现连续施用4年水生植物有机肥后，土壤pH显著高于原始土壤，比施用化肥处理土壤pH提高了1.03～1.67个单位 (表2)，可见水生植物有机肥施用对维持农田土壤pH有一定作用。

4 结论

1) 单施有机肥下水稻产量与常规尿素处理无差异，但小麦产量显著降低。与常规尿素处理相比，等氮有机肥处理植株吸氮量降低，但随着有机肥施用量增加植株磷钾吸收量显著升高。太湖稻麦种植体系施水生植物有机肥，可减少化学磷钾肥投入。

2) 土壤有机碳、全氮、有效磷、速效钾含量以及土壤pH基本均随着有机肥施用量增加而升高，优于尿素处理。土壤肥力状况与作物产量显著相关。考虑到过量施用有机肥会造成农田养分径流损失加剧，兼顾作物产量与环境风险，水生植物有机肥施用量控制在1.5倍尿素氮施用量下较为合适，同时减少磷钾肥施用。

致谢：江苏太湖地区农业科学研究所 (苏州市农科院) 农业资源与环境研究中心朱兴连、王岳初、俞伟兴和周菊根等同志在本论文试验实施与样品采集中做了大量工作，特此致谢。

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