有机肥部分替代化肥对作物产量及土壤氮素迁移的影响

井永苹 李彦 薄录吉 张英鹏 王艳芹 付龙云 仲子文

摘要：针对粮田大量施用化肥导致土壤质量下降以及不合理施用有机肥带来的环境污染问题，基于产量和环境条件探索有机肥部分替代无机肥的适宜配比，为科学施肥、减少氮素淋失、保护土壤环境提供理论依据。本研究在麦玉轮作区进行大田试验，设置不施氮肥（T1）、牛粪有机肥氮与化肥氮配比分别为1∶1、1∶2、1∶3、1∶4（简称T2、T3、T4、T5）和单施化肥（T6）6个处理，研究自然降水条件下不同有机肥化肥配施比例对作物产量、土壤剖面硝态氮累积分布的影响。结果表明，有机无机配比为1∶2时小麦、玉米平均总产量最高，为11.4 t·hm-2，比不施氮肥处理提高46.2%，比单施化肥处理提高3.6%。0～100 cm各土层硝态氮累积量随着牛粪有机肥所占比例降低而升高，以单施化肥处理土壤中硝态氮累积量最高，此趋势在小麦玉米收获期的80～100 cm土层表现更明显。表明该时期土壤硝态氮已存在迁移累积现象，对地下水带来潜在的污染风险。因此，在兼顾小麦玉米产量和环境双重条件下，小麦、玉米两季的结果均表现为有机与无机氮肥最佳配比为1∶2，在此比例下，有机肥的替代施用较纯化肥处理提高产量的同时，还能降低土壤中硝态氮的累积和迁移。

关键词：有机无机配施;氮素迁移;硝态氮累积;作物产量

中图分类号：S143.1文献标识号：A文章编号：1001-4942（2019）07-0048-07

在粮食生产过程中，普遍存在重化肥，轻有机肥的现象;大量有机肥未得到充分利用，不仅浪费资源且随意堆置严重污染了周边环境。前人研究发现，长期大量施用化肥氮导致氮肥利用率降低、土壤质量下降;单施有机肥虽然能够培肥地力，但是不能满足作物快速生长期对氮素的需求，因此，近年来，关于有机肥无机肥配施逐渐成为研究热点[1]。有机肥与无机肥配施在培肥地力、作物增产、农业面源污染防控等方面均优于二者单独施用。等氮量条件下有机肥部分替代化肥不仅能够保证作物稳产增产，推动农业持续稳定发展[2，3]，还能有效减轻氮肥投入对农业环境带来的污染风险。

氮素是植物生长所必需的营养元素，对提高作物产量、改善产品品质有重要作用，但氮肥的不合理施用导致土壤中大量氮素积累。在华北小麦玉米轮作地区土壤无机氮形态以硝态氮为主，铵态氮含量处于较低水平[4]。硝态氮极易随水流失，导致地下水环境质量下降，甚至造成严重的污染 [5，6]。有研究表明，淋溶水中的硝态氮占淋溶水总氮的80%以上[7]。因此，在华北粮田区选择硝态氮作为研究氮素迁移的检测指标。

目前关于有机肥和无机肥配施的研究结论基本一致，即有机无机肥配施有利于作物稳产高产，提高土壤肥力和氮肥利用率[8，9]。这些研究大都是针对施肥方式对作物产量、土壤肥力及质量等影响开展的，但是对农业环境影响的研究较少。农业健康可持续发展，不仅考虑作物产量及土壤地力，更应该关注农业发展对土壤环境及地下水安全的影响。因此，基于环境安全和产量稳定双重前提下的有机无机配施比例探索及其对氮素迁移影响仍需进一步研究。本试验在华北麦玉轮作区，研究等氮量条件下不同有机无机配施比例对作物产量、氮素迁移等指标的影响，以期探索出华北粮区牛粪有机肥替代化肥的适宜比例，为合理施肥及农业面源污染防控提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及时间

试验设在山东省菏泽市曹县曹城镇五里墩村（115°34′55″E，34°50′38″N）。该试验地位于典型的华北平原地区，地势平坦，属于北亚热带季风气候区，年均气温13～14℃，年均日照时数2 147 h，年均降水量610～710 mm，无霜期205～230 d。供试土壤类型为潮土。播种前0～20 cm土层有机质含量13.25 g·kg-1，全氮1.33 g·kg-1，碱解氮93.54 mg·kg-1，有效磷17.76 mg·kg-1，速效钾129.17 mg·kg-1，pH值 8.56。该区冬小麦、夏玉米轮作，一年两熟。试验自2014年开始至2018年结束，连续开展4年。

1.2 试验设计

试验共设6个处理，分别为T1（CK），不施氮肥;T2（有機肥氮与无机肥氮配比，下同），1∶1;T3，1∶2;T4，1∶3;T5，1∶4;T6（CF），单施化肥。各处理试验前均为农民习惯施肥与管理。小区面积64 m2，随机区组排列，重复3次，每年的施肥量保持不变。

供试有机肥为牛粪，氮、磷、钾化肥分别选用尿素、重过磷酸钙、硫酸钾。小麦季养分用量：N、P2O5、K2O分别为210、105、75 kg·hm-2，玉米季养分用量：N、P2O5、K2O分别为210、105、90 kg·hm-2;有机肥和磷钾肥均基施，尿素基施追施各占一半，分别在小麦拔节期和玉米大喇叭口期追施。牛粪养分含量为N 2.68%～3.10%，P2O5 1.25%～1.46%，K2O 1.23%～1.48%，有机质12.2%～15.6%，水分含量29.7%～65.2%;每年牛粪施用量以等氮量为依据计算，磷、钾量不足的以重过磷酸钙、硫酸钾补齐，超出部分进行详细记录。每年施用有机肥带入的氮磷钾量详见表1。

供试小麦品种为济麦22，采用25 cm等行距机播，每公顷播种量为187.5 kg;玉米品种为郑单958，60 cm等行距点种，株距25 cm，两品种均为当地主要栽培品种。化肥和有机肥于10月小麦播种前和6月玉米播种前撒施，机械旋耕。管理措施参考当地传统种植习惯，采用常规栽培模式。冬小麦和玉米分别于6月和9月收获。试验期内作物不同生育阶段的降水量如下：玉米茬口内总降水量468.1 mm（播种—拔节期85.3 mm，拔节—喇叭口期144.4 mm，喇叭口—开花期67.5 mm，开花—乳熟期107.2 mm，乳熟—完熟期63.7 mm），小麦茬口内总降水178. 7 mm（播种—入冬32.6 mm，入冬—返青期35.4 mm，返青—拔节期16.2 mm，拔节—扬花期35.8 mm，扬花—成熟期58.7 mm）。

1.3 样品采集

土样于小麦季的苗期、抽穗期、成熟期，玉米季的幼苗期、抽穗期和收获期进行采集，测量土壤硝态氮含量。土样分5层采集（0～20、20～40、40～60、60～80 cm和80～100 cm），相同土层每个小区内随机取3个点混合作为1个重复，置于冰柜中冷冻保存或立时测定。小麦季成熟期和玉米季收获期0～20 cm土样，晾干，磨碎，分别过20目和100目筛子用于测量土壤速效养分、有机质含量及pH值。

1.4 土壤分析

土壤样品分析均采用常规方法[10]。土壤容重采用环刀法测定;有机质采用丘林法;碱解氮采用碱解扩散法;有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法（Olsen法）;速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度法;土壤硝态氮含量测定：鲜土用2 mol·L-1KCl浸提，滤液通过流动注射分析仪测定。

1.5 数据统计方法

文中所有检测指标得出的试验数据均为连续种植4年的平均值。

根据所测定的各土层硝态氮含量和土壤容重计算每一土层（20 cm）的硝态氮累积量，土壤剖面各个土层的硝态氮累积量相加，即为一定深度土壤剖面硝态氮累积总量。

土壤剖面硝态氮累积量的计算：

式中：Ri为i土层的硝态氮累积量（kg·hm-2）;C为i土层土壤硝态氮含量（mg·kg-1）;D为i土层土壤容重（g·cm-3）;H为土层厚度（m）;A为1公顷土地面积（100 m×100 m）。

作物氮素携出量计算：

TN（kg·hm-2）=籽粒含氮量×籽粒产量+ 秸秆含氮量×秸秆产量

氮肥农学效率计算：

AEN（kg·kg-1）=（施肥区籽粒氮素累积量-对照区籽粒氮素累积量）/施氮量

采用SPSS 16.0软件分析数据，利用单因素分析进行差异性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 耕层土壤理化性质的变化趋势

不同有机无机配比处理对收获后土壤理化性质的影响有差异。由表2看出，有机肥比例越大土壤有机质和有效磷含量越高，但处理间有机质含量差异不显著，而有机无机比例为1∶1（T2）和1∶2（T3）处理的有效磷含量较高，与1∶3（T4）处理的差异不显著，但显著高于其他处理。与对照相比，单施化肥和有机无机不同配比处理均能显著提高土壤碱解氮、速效钾含量。4年内施肥方式对粮田土壤pH值无显著影响。

2.2 小麦、玉米产量变化趋势

连续4年的监测结果表明（表3），有机无机肥配施（T2～T5）以及单施化肥（T6）处理的小麦

和玉米总产量显著高于对照处理（T1）（P<0.05），平均增产29.5%～46.2%。小麦玉米4年的平均总产量以T3处理最高，比对照提高46.2%，比单施化肥处理T6提高3.6%。T3小麦玉米的总产量虽然与单施化肥的处理无显著差异，但有增产趋势，且产量更稳定。

2.3 不同有机无机配施比例对土壤剖面中硝态氮累积量的影响

2.3.1 小麦季0～100 cm土体中硝态氮垂直分布规律 综合4年的数据发现，在小麦苗期、抽穗期、成熟期，各处理0～100 cm各层土壤硝态氮含量基本以不施氮肥处理T1最低，各施肥处理在0～100 cm剖面上呈现不同的分布规律（图1）。

图1A显示，在小麦苗期，除T1、T3处理外，其他施肥处理硝态氮累积量均在40～60 cm土层最高;随着施肥处理中化肥比例增大，80～100 cm土层中的硝态氮累积量逐渐增大，T6处理硝态氮累积量最高。

小麦抽穗期（图1B），T4处理在0～20 cm和20～40 cm土层中硝态氮累积量分别比其他各处理高出98.2%～457.4%和132.3%～350.1%，差异达极显著水平（P<0.01），但在80～100 cm土层中T1～T5之间硝态氮累积量无显著差异;随着土层加深，T6处理硝态氮累积量呈先降低后升高的趋势，80～100 cm土层中硝态氮累积量最高达48.5 kg·hm-2，极显著高于其他各处理（P<0.01）。

小麦成熟期（图1C），各处理土壤中硝态氮累积量随着土层深入总体呈先降低后升高的趋势。T6处理在0～40、80～100 cm土层中的硝态氮累积量均显著高于其他处理（P<0.05）。其中T6处理在80～100 cm土层中硝态氮累积量比T3、T4、T5依次高出68.4%、28.3%和21.4%。表明化肥氮所占比例越大，深层土壤中硝态氮累积量越高，由此看出，单施化肥处理和化肥氮比例高的处理，易导致深层土壤中硝态氮的累积。

2.3.2 玉米季0～100 cm土体中硝态氮垂直分布规律 综合4年数据发现，随玉米生育期的推进，在作物快速生长吸收养分以及氮素向下运移作用下，0～60 cm土层硝态氮累积量逐渐降低;60～100 cm 土层硝态氮累积量呈先增加后略有降低的趋势（图2）。

玉米苗期，T1和T2处理硝态氮在各层土壤中的累积量均较低;T3～T6处理在0～40 cm土层的累积量明显高于T1和T2处理（图2A）。各土层中硝态氮累积量随化肥氮所占比例增加而增加，以單施化肥的累积量最高。

玉米抽穗期，不施氮处理硝态氮累积量随土层深入降低，而施肥处理呈先降低后升高的趋势（图2B）;各处理在80～100 cm土层中硝态氮累积量随化肥氮所占比例增加而增加，分别比T2～T5处理高出72.4%、55.5%、28.0%、20.5%。

玉米收获期，各处理土壤硝态氮累积量随着土层的加深呈先降低再升高的趋势（图2C）。80～100 cm土层中T6处理硝态氮累积量显著高于T4、T5处理，分别高出39.5%和24.1%。而T4、T5又显著高于T2、T3。在该时期化肥氮用量占比越大，深层土壤中硝态氮累积量越大。

2.4 基于土壤硝态氮累积量与产量前提下的有机无机配施比例

小麦玉米轮作区0～60 cm土层中养分属于有效养分，80～100 cm土层的硝态氮存在较强淋溶风险。氮素供给直接影响作物产量，本研究针对4年试验中80～100 cm土层硝态氮累积量和小麦、玉米总产量进行了最佳配比分析。

由图3A看出， 4年小麦的平均产量随着化肥氮所占比例增加呈先增加后降低再增加的趋勢。T3处理的小麦产量最高，其次是T6处理，分别为5.6 t·hm-2和5.4 t·hm-2，显著高于对照处理（P<0.05）。小麦全生育期内80～100 cm土层中硝态氮累积量随化肥氮所占比例增加而增加;T3处理80～100 cm的硝态氮累积量较低，同时小麦产量最高。因此，小麦季等氮量条件下以有机肥氮与化肥氮配比1∶2为最佳配比，既可以保证产量又能使深层土壤中硝态氮淋失风险相对较低。

由图3B看出，各施肥处理的玉米平均产量显著高于对照，但处理间差异不显著。玉米季80～100 cm土层中硝态氮的累积量随化肥氮所占比例升高而升高，单施化肥处理硝态氮累积量最高，除对照外，T2、T3处理硝态氮累积量较低，玉米产量则以T3处理最高。综合分析，玉米季在等氮量条件下，有机肥氮与化肥氮配比为1∶2是最佳有机无机配施比例。

因此，在兼顾小麦玉米产量和环境双重条件下，小麦、玉米两季的结果均显示有机肥氮与化肥氮的最佳配施比为1∶2。

2.5 不同有机无机配施比例对氮肥农学效率的影响

相同施氮量条件下，氮肥农学效率越高说明作物地上部带走的氮素越多，残留于土壤中的氮素越少。由表4看出，小麦季，随着无机氮肥比例增大，氮肥农学效率呈现先增大后下降趋势;当有机无机配施比例为1∶3时，氮肥农学效率最大，其次是配施比例为1∶2的处理。玉米季，当有机无机配施比例为1∶2时氮肥农学效率最大，为16.38%。对于氮肥农学效率相对较高的T3处理，小麦玉米季地上部氮素携出量平均为136.05、126.95 kg·hm-2，不计土壤中氮素内部变化，则肥料带入土壤中氮素分别为73.95、83.05 kg·hm-2。从图1和图2也可看出，T3处理中80～100 cm土壤中硝态氮在0～100 cm土体中所占比例相对较小，另有一部分氮素以较稳定形态固定于土壤中。因此，T3处理下层土体累积硝态氮量较小，造成的硝态氮淋溶风险相对较低。综合小麦季和玉米季氮肥农学效率，有机无机配施比例为1∶2时为最佳配施比例。

3 讨论

化肥的肥效较快，易被作物吸收利用，同时也极易流失，而有机肥分解缓慢，具有长效性，但不能满足作物快速生长期对养分需求，一定比例的有机无机肥料配施，不仅满足作物生长获得较高的产量[11，12]，而且能够降低氮磷钾养分的淋失风险。

畜禽粪便有机肥种类很多，最常见的是牛粪、猪粪和鸡粪，其中鸡粪的有机质含量最高，为25%～40%，N、P2O5、K2O含量分别为1.6%～1.7%、1.5%～1.6%和0.8%～0.9%，均显著高于猪粪（0.50%、0.50%～0.60%、0.35%～0.45%）和牛粪（0.20%、0.25%、0.16%）。

本试验中，通过研究不同比例牛粪有机肥与无机肥配施对土壤理化性质的影响发现， T2和T3处理有效磷含量较高，与T4处理差异不显著，但均显著高于其他处理，其他土壤速效养分和有机质、pH无显著变化。4年的试验结果表明，小麦玉米总产量以牛粪有机肥氮与化肥氮配比为1∶1处理最低，以配施比例为1∶2时产量最高。该结果与习斌等[7]的研究结果一致，习斌等用50%的猪粪替代化肥，产量低于单施化肥处理。而庞凤梅[18]研究发现在施氮量为200 kg·hm2时，鸡粪有机肥氮和化肥氮配施比为3∶1时冬小麦产量最高。究其原因可能是由于鸡粪有机肥养分含量高于牛粪和猪粪，等氮量条件下牛粪有机肥和猪粪有机肥的养分释放缓慢，化肥比例较低时养分供应不充分造成的[8]。

从土壤中硝态氮的累积迁移状况来看，小麦季，随着生育期推进和土层深入硝态氮累积量下降，且累积量随有机肥氮所占比例的增大而降低;对于有机无机配施比例为1∶3的处理，小麦季养分最大效率期（抽穗期）在0～40 cm土层中硝态氮累积量最高，有利于提高氮肥利用率，降低氮淋失风险。玉米季，随土层深入苗期土壤硝态氮累积量降低;由于玉米季属于雨热同期，抽穗期和收获期随土层深入硝态氮累积量呈现先下降后升高的趋势，氮淋失风险土层（80～100 cm）中硝态氮累积量相对较大且随化肥氮所占比例的增大而升高;而有机无机配施比例为1∶2和1∶3时在玉米抽穗期表现出上层土壤（0～40 cm）硝态氮累积量比下层（80～100 cm）低的趋势，到收获期时除不施氮处理外，T2、T3处理淋失风险土层（80～100 cm）累积量达到最低，仅为10～15 kg·hm-2，而单施化肥处理此层硝态氮累积量达到30 kg·hm-2。本研究中T2、T3处理淋失风险层（80～100 cm）中硝态氮累积量较低，对地下水污染风险最小[13-17]。王志勇等[19]研究发现，与单施化肥氮相比单施鸡粪有机肥和有机无机配施能有效降低根区（90～200 cm）外土壤中硝态氮累积量，这与本研究结果一致。叶有良等[20]研究表明，有机无机配施可通过提高微生物活性促进土壤中有机质和速效养分的转化，提高土壤供肥强度，从而提高作物对氮素的吸收和利用。另一方面，有机无机肥配施一快一慢释放养分的规律更符合作物对氮素的需求，从而减少氮素损失，提高氮素的利用[21]。本研究表明有机无机配施比例为1∶3～1∶2时，氮肥利用率高于其他处理。等氮量条件下，兼顾产量的同时，提高氮素利用率、降低土壤硝态氮累积的有机无机最佳配施比例，因有机肥的种类不同而不同，含氮量高的有机肥，如鸡粪与化肥配比中，有机肥提供的氮占比较大，而含氮量低的有机肥，如牛粪和猪粪则是以化肥提供的氮占比较大。合理的有机无机配施比例可以在减少化肥用量的同时保证作物产量[22，23]，提高养分利用率，降低氮素淋失风险。

4 结论

（1）本研究中，采用牛粪有机肥氮替代化肥氮素的不同有机无机肥配施处理，4年小麦玉米轮作平均总产量较不施肥处理增产29.5%～46.2%，其中以牛粪有机肥氮与化肥氮配比为1∶2处理最高，为11.4 t·hm-2，与不施肥处理相比增产46.2%。

（2）与单施化肥相比，牛粪有机肥替代氮肥处理，随着替代量的增加，硝态氮在深层土壤中的累积量呈现先降低后升高趋势;当有机氮与化肥氮配比为1∶2～1∶3时，累积量相对最小，氮肥利用率最高。

（3）综合产量、环境与经济因素，有机无机配施比例为1∶2～1∶3时，作物产量稳定且氮淋失风险较小，以配施比例为1∶2（T3）时最佳;既能保证粮食产量、保肥养地又能减少氮淋失风险，降低农田土壤氮污染负荷。

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