长期单施有机肥和化肥对土壤养分和小麦产量的影响

2019-12-13唐继伟徐久凯温延臣田昌玉林治安赵秉强

植物营养与肥料学报 2019年11期

唐继伟，徐久凯，温延臣，田昌玉，林治安，赵秉强

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

施肥是影响农田土壤养分库和作物产量的主要因素之一[1-3]。长期以来，化肥和有机肥在作物增产及土壤培肥方面的效果一直是土壤学工作者关注和争论的热点问题[4-5]。长期定位施肥试验具有时间的长期性、气候的重复性等特点，它能够系统地揭示土壤肥力的演变规律及作物产量的变化，为施肥制度合理性的评判提供理论依据[6]。关于有机肥和化肥对作物产量和土壤养分的影响已经做了大量研究，李彦等[7]通过长期定位试验研究表明，长期施用有机肥能够显著增加土壤有机质、速效养分含量，效果优于化肥。长期单施化肥会降低有机质含量[8-9]。温延臣等[10]研究表明，与单施化肥相比，施用有机肥处理土壤有机质、全氮、有效磷均显著增加。在增产方面，许多研究结果表明在等量养分条件下，有机肥的当季增产效果不如化肥，但从长期增产效应来看，有机肥料的增产效果不逊于化肥，甚至超过了化肥[11-12]。有机肥和化肥都是农田维持土壤肥力、提高产量的重要措施，有机肥和化肥养分的有效性和形态不同，对土壤养分库的容量和强度影响也明显不同，通过长期定位施肥试验，可正确认识有机肥、化肥对土壤肥力演变和作物增产效果的影响。通过对中国农业科学院陵县试验基地近十年长期定位施肥试验资料整理，研究等养分量施用有机肥和化肥对作物产量和土壤养分的影响，总结肥料类型在土壤培肥和产量效应方面的差异性。探索实现黄淮海平原耕地质量稳步提升、作物增产稳产的有效途径，为中国农业可持续发展提供有力支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点基本情况与试验设计

有机肥、化肥用量长期定位试验始于2006 年10 月，种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟。试验开始前，所在地一直用于种植粮食作物 (小麦、玉米)，地力条件均匀。地点设在中国农业科学院陵县试验基地 (北纬37°20′、东经116°38′)，海拔21.36 m，属暖温带半湿润半干旱大陆性季风气候区，四季分明。土壤类型为盐化潮土，土壤质地为轻壤土。试验地初始耕层 (0—20 cm) 土壤化学性质如下:有机质8.50 g/kg，全氮 (N) 0.6 g/kg，有效磷 (P2O5) 9.90 mg/kg，速效钾 (K2O) 100 mg/kg，pH 为8.00。

试验共设9 个处理，冬小麦、夏玉米每季作物分别设置5 个施氮量:0、120、240、360、600 kg/hm2，有机肥处理和化肥处理分别按照此施氮量进行，化肥处理以CN120、CN240、CN360、CN600表示，有机肥处理以ON120、ON240、ON360、ON600表示，不施肥处理以CK 表示，重复3 次，小区面积为25 m2。

施用有机肥的各处理在冬小麦、夏玉米每季作物种植前将有机肥做基肥一次性施入，不再施用磷、钾肥；具体有机肥用量由施肥前测定的有机肥的含水量及养分含量计算得出，以全氮含量为标准进行折算，有机肥选用当地养殖场的腐熟厩粪，主要养分含量氮 (N)1.0%～2.31%、磷 (P2O5)1.04%～2.01%、钾 (K2O)0.67%～3.00%，氮、磷、钾三种养分含量均为全氮、全磷、全钾。2006 年10 月到2009 年6 月施用的有机肥为猪粪，2009 年10 月到2014 年6 月施用的有机肥为牛粪。施用化肥的各处理冬小麦、夏玉米每季作物播种前将60%的氮肥和全部磷、钾肥做基肥，冬小麦在拔节期追施40%氮肥，夏玉米在大喇叭口期追施40%氮肥；化肥处理的磷、钾肥用量与同一氮素水平有机肥处理带入的磷、钾量相同，磷、钾养分施用量按有机肥带入的全磷、全钾量计算。氮肥用尿素 (N 46.4%)，磷肥为磷酸二铵 (N18%、P2O546%)，钾肥用硫酸钾 (K2O 50%)。试验日常管理按当地传统种植习惯。冬小麦、夏玉米每季作物收获后，作物秸秆均不还田。

1.2 样品采集、分析方法与数据处理

小麦收获时，各小区单打单收，测定小麦产量。小麦收获后，每小区随机选取10 个取样点，采集0—20 cm 土层的混合土样，风干、混匀后，分别过1 mm 和0.25 mm 筛，用于土壤养分分析。

有机质采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法，全氮采用凯氏定氮法，有效磷采用Olsen 法，速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度法测定。试验数据采用Excel2007 和SAS 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 长期施用有机肥和化肥对土壤养分含量的影响

2.1.1 长期施用有机肥和化肥对土壤有机质和全氮含量影响从图1 中可以看出，各施肥处理有机质含量均高于无肥对照处理。其中，有机肥各处理年际间变化较大，土壤有机质含量随施肥年限的延长而逐年增加，同时，随施肥量的增加而升高。从平均含量来看 (表1)，有机肥各处理间差异显著。化肥处理土壤有机质含量年际间差异不明显，CN120、CN240、CN360、CN600处理历年平均值分别为12.15 g/kg、12.43 g/kg、12.59 g/kg、13.24 g/kg，各处理之间差异不显著。同一施氮水平下，除120 kg/hm2处理，其他处理有机质含量均表现为有机肥处理显著高于化肥处理。

与不施肥处理相比，无论是施用有机肥还是化肥，均有助于土壤全氮含量的提高。其中，有机肥各处理ON120、ON240、ON360、ON600历年全氮平均值分别为0.96、1.20、1.37、1.80 g/kg，土壤全氮含量随施肥量的增加而提升，各处理间差异显著。化肥各处理CN120、CN240、CN360、CN600历年全氮平均值为0.84、0.85、0.85、0.90 g/kg，土壤全氮含量基本处于同一水平，各处理间差异不显著。在相同施氮量条件下，有机肥处理土壤全氮含量均显著高于化肥，主要原因是化肥氮损失途径多，损失量较大，而施用有机肥可增加有机氮的来源。无肥对照处理土壤全氮含量基本保持在较低水平而略有下降的趋势。

图 1 不同施肥处理土壤养分含量的变化Fig. 1 Contents of soil nutrients under different fertilization treatments

表 1 不同施肥处理土壤养分平均含量Table 1 Soil chemical properties under different fertilization treatments

2.1.2 长期施用有机肥和化肥对土壤有效磷和速效钾含量影响长期不同施肥后，各处理土壤有效磷变化幅度随施肥种类和施肥量不同有较大差异。从图1 可以看出，对于有机肥处理，除ON120处理的有效磷含量低于CN600处理，其他处理均高于化肥处理，并且有机肥各处理随着施肥量的增加，土壤有效磷含量增加显著，ON120、ON240、ON360、ON600处理历年有效磷平均含量为65.03、129.73、199.12、321.60 mg/kg，各处理间差异显著。化肥各施肥处理年际变化较小，一直处于缓慢上升的状态，不同施肥量各处理间差异不显著。CN120、CN240、CN360、CN600历年有效磷平均含量为30.43、45.24、45.36、62.91 mg/kg，除CN600处理，其他各处理差异不显著。同一施氮水平下，有机肥各处理有效磷含量均高于化肥处理。

对于土壤速效钾含量，开始5 年内各处理基本处于一个相对稳定的水平，之后开始缓慢增长，呈现先上升后稳定的规律，这主要是由于2011 年有机肥的钾含量较高，导致有机肥和化肥钾素施用量增加，土壤中钾素积累量随之升高。有机肥和化肥均能提高土壤速效钾的积累，其中，有机肥各处理ON120、ON240、ON360、ON600历年速效钾平均值分别为92.76、136.98、202.16、333.63 mg/kg，各处理间差异显著。化肥各处理CN120、CN240、CN360、CN600历年速效钾平均值分别为81.6、122.93、156.36、305.42 mg/kg，各处理间差异显著。在同一施氮水平下，从平均含量来看，有机肥相对于化肥各处理速效钾增幅为13.7%、11.4%、29.3%、9.23%，有机肥各处理速效钾含量均显著高于化肥，说明有机肥对土壤速效钾的积累优于化肥。

2.2 小麦产量和土壤养分的影响因子分析

由表2 和表3 可知，肥料类型、肥料用量、采样年限显著影响小麦产量以及土壤养分含量，肥料类型、肥料用量、年际之间的交互作用对小麦产量、土壤有机质、土壤全氮、土壤有效磷和速效钾存在极显著的影响 (P ＜ 0.01)。

2.3 长期施用有机肥和化肥对小麦产量的影响

从表4 可以看出，不施肥处理在开始的3 年内，作物产量迅速下降，之后维持在一个相对稳定的水平。其他施肥处理小麦产量均明显高于不施肥处理，差异显著。这表明，肥料是影响小麦产量的重要因素，施肥能显著提高产量。对于有机肥处理，除2007 年外，其他年份ON240、ON360、ON600处理小麦产量均显著高于ON120处理，但ON240、ON360、ON600三个处理之间差异不显著。这主要是由于单独施用有机肥条件下，低量有机肥在作物关键需肥期养分释放不能满足作物需要。ON120、ON240、ON360、ON600处理历年平均产量为5.42 t/hm2、6.85t/hm2、7.27 t/hm2、6.90 t/hm2。对于化肥处理，各年份处理间差异均不显著，CN120、CN240、CN360、CN600处理历年平均产量为6.30 t/hm2、6.72 t/hm2、6.62 t/hm2、6.65 t/hm2。化肥作为一种速效养分，能够及时、迅速地提供作物所需要的营养元素，当化肥用量能够满足作物需要时，继续提高化肥用量不能持续提高作物产量。

表 2 小麦产量和有机质含量的影响因子方差分析Table 2 Three-way ANOVA analysis for wheat yield and organic matter in fluvo-aquic soil

表 3 全氮、有效磷、速效钾的影响因子方差分析Table 3 Three-way ANOVA analysis for total N, available P and available K in fluvo-aquic soil

表 4 不同施肥处理的小麦产量 (t/hm2)Table 4 Wheat yields under different fertilization treatments

从总体来看，在120 kg/hm2施氮水平下，2007年到2009 年，有机肥处理与化肥处理小麦产量差异不显著。之后，化肥处理小麦产量均显著高于有机肥，说明在此施肥水平下，化肥对小麦增产效果明显优于有机肥。在240 kg/hm2施氮水平下，除2009 年小麦产量表现为有机肥处理显著高于化肥处理，其他年份差异均不显著；在360 kg/hm2施氮水平下，除2008 年和2014 年有机肥处理的小麦产量显著高于化肥处理外，其他年份差异不显著；在600 kg/hm2施氮水平下，除2013 年有机肥处理小麦产量显著高于化肥外，其他年份两个处理间差异不显著。这说明由于有机肥和化肥的养分形态的差异，相对于化肥，有机肥的养分利用效率存在一定滞后性。当有机肥所释放养分能够满足作物需要时，有机肥与化肥对作物的增产效果一致。

3 讨论

3.1 长期施用有机肥和化肥对土壤肥力的影响

与供试前土壤相比，施用有机肥能够显著提高土壤有机质含量，并且随施肥量的提高而持续增加，而长期施用化肥则不能提升土壤有机质含量，无论施肥量多少，有机质含量始终处于一个相对稳定的状态，此研究结果与其他研究结论一致。李彦等[7]通过定位试验发现长期施用有机肥能明显提高土壤有机质含量，且随有机肥施用年限的增加而增大，增加速率呈现先增大后减小的趋势。乌鲁木齐连续12 年施用有机肥于灰漠土后，土壤有机质增加了38.3%，且有机质的增加和年限之间具有良好的正相关[13]。在华北潮土中经过20 年化肥处理，土壤有机质含量平均每10 年下降0.855～1.195 g/kg，同样在连续30 年单施化肥的东北黑土上，有机质每年下降1 g/kg[14]。施用化肥处理基本没有外源有机物的输入，土壤有机碳主要来源于少量根茬、土壤中小动物及土壤微生物活动，所以土壤有机质含量并未随施肥量的增加而增加，甚至有下降的风险。土壤有机碳库的平衡状况由土壤有机质的形成量和矿化量的相对大小决定[15]，与化肥处理相比，施用有机肥处理土壤固碳水平高、固碳速率大。从本试验来看，在有机物质继续增加的情况下，土壤碳库还能够继续大幅度增长，远未达到饱和水平。但土壤碳库不会无限期增长下去，会达到一个平衡点并保持相对稳定[16]。

土壤中氮的形态分为无机态和有机态两大类，无机态氮主要为铵态氮和硝态氮，一般只占全氮的1%～2%左右，土壤中的氮主要以有机态存在。长期施用化肥氮能显著增加土壤中硝态氮和铵态氮含量，但对土壤有机氮影响较小[17-18]，施用有机肥可直接增加土壤有机氮含量，其中富里酸氮、氨基糖态氮和氨基酸态氮增加较多[19]。本试验中有机肥处理土壤全氮含量随施肥量的增加而增加，随种植年限的增长而显著提高。而化肥处理无论是施肥量的变化还是种植年限的变化，全氮含量均变化不明显。说明有机肥的施用对氮的固定具有重要作用，能够减缓土壤中氮素的损失，而化肥处理中的氮多为无机态，易发生挥发和硝酸盐淋失[15]，除了被作物吸收利用以外，大多损失在环境中。不施肥处理土壤全氮含量随种植年限的增长有缓慢下降的趋势，说明土壤氮库中的氮在不断矿化、消耗以满足作物生长的需要。

华北平原土壤作为典型的石灰性土壤，土壤中含有大量CaCO3，有效磷施入土壤后易被Ca2+固定而转化为缓效态磷[16]，在本研究中，自试验开始时，有机肥处理土壤有效磷含量明显高于化肥处理，主要是因为厩肥本身含有一定数量易于分解释放的磷，厩肥施入土壤后，增加了有机质的含量，有机质在转化过程中产生有机酸等物质，可减少Ca2+对有效磷酸盐的固定，促进无机磷的溶解[20-21]。有机肥处理增加土壤速效钾含量的效果同样优于化肥处理，且随有机肥用量的增加而增加[22]，主要是由于有机肥中钾素有效转化效率高于化学钾肥，与水溶性钾肥相比，有机肥速效钾被土壤固定程度明显降低，故其有效性较高[23]。

3.2 长期施用有机肥和化肥对小麦产量的影响

作物产量是衡量肥料效果的一项重要指标。本长期定位试验结果表明，在施肥量较低的情况下，化肥的增产效果优于有机肥。在施肥量提高之后，有机肥与化肥对小麦产量影响无明显差异，说明在养分供应充足的情况下，有机肥的增产效果与化肥相当。这一结果与林治安等[16]、陈欢等[24]的研究结果一致，林治安等的研究表明，在较长的一段时间内，常量化肥处理小麦产量高于常量有机肥处理，之后两个处理产量趋于一致；陈欢等对32 年的长期定位试验结果进行分析，发现在有机肥和化肥等氮量 (525 kg/hm2) 投入下，前22 年化肥增产效果优于有机肥，之后有机肥处理小麦产量超过化肥。分析其原因，主要是前期有机肥所提供的养分不能满足作物的需要，然而随施肥年限的增长，施用有机肥的土壤养分含量逐渐提升，能够满足作物的生长需求，有机肥处理小麦产量与化肥相当甚至超过化肥。另外，无论是有机肥还是化肥，过量施用并不能带来小麦产量的持续增加，杨军等[25]的试验表明，高量氮肥未能带来相应高的净能量产出，而适量氮获得了高的净能量产出。