有机肥施用对稻麦轮作系统作物生产和土壤健康的影响

王先挺，王斌，孙万春，马军伟，林辉*

(1.宁波市鄞州区农业技术推广站，浙江 鄞州 315100； 2.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021)

施肥是农业生产中的重要环节。随着过量施用化肥现象的日趋严重，以及引发的土壤肥力、作物品质下降，农田生态系统破坏等问题，有机肥作为化肥的一种替代品，目前得到了广泛的关注[1]。习近平总书记在2018年中央财经委员会第一次会议上，围绕打好污染防治攻坚战，明确提出“四减四增”的要求，其中的一项就是“调整农业投入结构，减少化肥农药使用量，增加有机肥使用量，实现化肥农药用量负增长”。当前国家对有机肥补贴逐年增加，2018年达600多亿元。浙江省从2010年实施畜禽商品有机肥补贴政策以来，全省推广有机肥累计达600多万t，近3年年推广量稳定在100万t以上。

有机肥料在实现农村环境改善和土壤培肥、药肥减量方面具有重要意义，但也存在诸多盲点和问题。第一，有机肥料已被证实在土壤培肥、改良土壤微生态、促进作物生长发育等方面具有优势[1]，但在协调不同作物、同一作物不同生育期的养分吸收特征方面，不同有机肥料在不同土壤和施用条件的养分释放规律和作用效果存在明确差异。第二，现代规模化养殖的过程中饲料添加剂的大量使用，使畜禽排泄物与传统分散养殖的畜禽粪便在成分、性质等方面都有了较大的改变，规模养殖条件下畜禽粪便有高盐、高养分、含重金属等特点，畜禽有机肥料的不合理施用可能会在废弃物资源化利用的同时造成二次环境污染，使重金属等污染物向农田土壤扩散，影响土壤健康质量，同时，影响农产品质量安全[2-3]。第三，实际生产中有机肥料的使用比较粗放，在施肥方式、施用量等方面较为主观，既不考虑养分释放和作物需求，对有机肥料施用的风险控制也缺乏规划。在我国有机肥产业步入高速发展期的形势下，针对以上问题，全面了解有机肥对作物生产、土壤肥力和土壤环境健康的影响和与化肥的对比效果具有重要意义，有助于正确认识有机肥的优缺点，为构建具有针对性、科学、合理的有机肥料施用技术体系提供参考依据[4]。

本研究以田间小区试验为基础，分析不同用量有机肥配施化肥处理下稻麦轮作系统中产量差异、重金属迁移累积行为，以及土壤微生物群落变化，旨在探索合理的有机肥替代化肥技术，为科学施用有机肥，保障土壤环境与农产品安全提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在宁波市鄞州区进行，属亚热带季风性气候。供试商品有机肥主要原料为猪粪。试验作物为水稻和小麦，小麦-晚稻轮作。

1.2 处理设计

试验起始于2014年，设5个不同处理：CK(对照)，不施肥；CF，全化肥，用量折N 225 kg·hm-2，P2O 90 kg·hm-2，K2O 180 kg·hm-2；M1，配施有机肥2 250 kg·hm-2，化肥用量折N 189 kg·hm-2，P2O 45 kg·hm-2，K2O 135 kg·hm-2；M2，配施有机肥4 500 kg·hm-2，化肥用量折N 153 kg·hm-2，K2O 90 kg·hm-2；M3，配施有机肥9 000 kg·hm-2，化肥用量折N 81 kg·hm-2。除CK外，各处理养分总量相同。随机区组排列，小区面积18 m2，重复3次。所有有机肥均作基肥施用，均匀撒施供试土壤耕层(0～20 cm)。

1.3 样品采集

1.3.1 土壤样品采集及处理

在每轮作物收获后，按照土壤重金属采样规则，在每试验小区按照S形多点采集0～20、20～40、40～60 cm土样，每个土样1.5 kg。土壤混合后，取500 g直接用于MicroRespTM分析。剩余土样进行风干。然后进行样品粗磨，即用四分法取压碎样，过孔径20目(0.84 mm)尼龙筛，最后进行样品细磨，即继续研磨至通过100目(0.149 mm)筛用于土壤元素全量分析。

1.3.2 植株样品采集及处理

在作物成熟期随机采集长势均匀的植株5～10株，采集其食用部分，于烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干，然后切细、磨碎并过孔径0.5 mm筛。

1.4 分析测定

1.4.1 重金属

土壤样品按照NY/T 1613—2008，采用王水回流消解法进行消解，石墨炉-原子吸收分光光度法测定Pb、Cu、Zn全量。按照GB/T 22105.2—2008，采用原子荧光法测定As总量。植株样品采用微波消解法(CEM公司提供)消解，石墨炉-原子吸收分光光度法测定Pb、Cu、Zn全量，用原子荧光法测定As总量。

1.4.2 土壤微生物群落代谢多样性

采用MicroRespTM方法测定土壤微生物群落代谢多样性。该方法利用土壤在不同碳源诱导下的CO2产生情况表征土壤微生物群落水平的生理特征[5]，是原位土壤微生物群落水平生理特征的一种较为灵敏、快捷的测定方法[6]。具体操作步骤参见林辉等[7]的报道，包括：(1)土壤样品预培养；(2)甲酚红琼脂检测板配制；(3)将待测土壤加入96孔深孔板，并添加16种不同碳源底物，在25 ℃下培养6 h；(4)酶标仪读取570 nm波长下检测板在土壤样品培养前和培养后6 h的吸光值，利用吸光值差异计算CO2释放率。平均CO2释放率为16种不同碳源底物处理CO2释放率的平均值。利用Shannon-Winner香农多样性指数(H′)和Simpson辛普森多样性指数(D)表征土壤微生物群落多样性。生态系统香农多样性指数值越大，该系统的土壤微生物群落功能多样性越高，反之，则多样性越低。D也可用于判断细菌群落多样性，群落中物种越多，各种个体分配越均匀，则D越高，群落多样性越好。

1.5 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2004和SPSS 15.0统计软件处理。不同处理差异显著性分析用单因素方差分析(One-way ANOVA，最小显著差法LSD)。

2 结果与分析

2.1 对作物产量的影响

由图1可知，在等养分总量条件下，施用有机肥具有与全化肥处理相同的增产效果。从2014年水稻产量、2015年水稻和小麦产量来看，所有施肥处理的产量均显著高于CK，全化肥和不同用量有机肥处理之间无显著差异。综上，施用有机肥可以部分替代化肥而不影响作物产量，其中，氮肥用量可被替代64%，而磷肥和钾肥可被有机肥完全替代。

图1 施用有机肥对水稻和小麦产量的影响

2.2 对作物重金属含量的影响

表1结果表明，有机肥用量2 250 kg·hm-2处理的稻谷重金属含量与全化肥处理相比无显著差异，但用量在4 500 kg·hm-2及以上，稻谷中Zn含量以及麦粒中As含量显著增加。根据国家食品安全标准的重金属限值(GB 2762—2017)，所有处理稻谷和小麦粒的Pb和As含量均在安全范围内。但由于作物中重金属有随有机肥用量增加而上升的趋势，因此，有必要进一步密切关注和监测有机肥长期施用下农产品中的重金属累积。

表1 施用有机肥对稻麦轮作体系中作物重金属含量的影响

2.3 对土壤重金属含量的影响

对2015年小麦收获期采集的土样进行重金属含量分析，结果(表2)表明，与施用化肥相比，有机肥增加了土壤中Zn、As和Pb含量，并有随有机肥用量增加而增加的趋势。有机肥处理As主要在0～20 cm土层累积。Pb不仅在表层土壤中累积，也有明显向下迁移趋势，有机肥施用处理20～40和40～60 cm土层Pb的含量均显著高于全化肥处理。有机肥处理的Zn主要向下迁移，在20～40和40～60 cm土层累积。因此，需要关注有机肥中Pb和Zn对地下水的污染风险。

表2 施用有机肥对小麦收获期不同深度土壤重金属含量的影响

2.4 对土壤微生物群落代谢的影响

从H′和D(表3)上看，不同施肥处理土壤之间无显著差异，可见短期施肥措施没有对该定位试验点的土壤微生物群落代谢多样性指数造成影响。

表3 施用有机肥对小麦收获期土壤微生物群落代谢多样性的影响

平均CO2释放率可作为微生物整体性的有效指标，也可反映微生物群落对碳氮源底物的利用能力。从图2中可知，在小麦收获季，不同处理土壤的微生物群落碳氮源利用能力基本为M2>CK>M1>M3>CF。因此，适量有机肥的施用可以提高水旱轮作土壤微生物的代谢能力。有机肥用量影响土壤微生物，过高或者过低的施用量都不能达到提高土壤微生物群落代谢的目标，因而寻找最优的有机肥用量非常必要。

图2 不同处理土壤微生物的平均CO2释放率

3 小结与讨论

我国是世界上最大的化肥消费国，以往农作物的增产主要依赖化肥。但长期大量施用单一化肥已出现较多问题，包括氮素利用率低、养分流失严重、土壤板结、肥力下降、作物品质变差等[8]。我国目前开展化肥使用量零增长行动。2020年开始，限制化肥使用政策已在我国部分地区开始实行。本研究证实，在粮食作物的生产中，有机肥可部分替代化肥实现作物增产，可替代64%的氮肥用量，而磷肥和钾肥可被完全替代。因此，在化肥限用的形式下，推进有机无机的结合完全可以实现与纯化肥施用相同的增产效果。此外，有机肥是速效养分与迟效养分、有机养分与无机养分兼容的储备库，具有其他肥料不可替代的作用。本研究发现，有机肥施用增加了土壤微生物对碳氮底物的代谢能力，而土壤代谢活力的增加，可以加速有机质分解、转化和养分释放，使土壤生态维持平衡，由此促进土壤有机质稳定和团聚体形成，提高土壤透气、保水、保肥性能，形成了利于作物根系生长的环境条件[9-11]。

在积极推广应用有机肥料的同时，必须警惕有机肥施用可能带来的重金属污染风险。在本研究中，虽然高达9 000 kg·hm-2用量的有机肥施用也没有导致粮食作物中重金属含量超过国家食品安全限量标准，但有机肥施用确实增加了作物可食部分和农田土壤中的重金属含量。当然，一定含量内的重金属并不会对植物造成危害，通过食物链进入动物和人体也不会对健康产生影响。特别是，Zn和Cu是植物生长必需的微量元素。从本研究结果来看，土壤和作物中的重金属累积与有机肥用量直接相关。相似的结论在有机肥对旱作蔬菜生产的影响研究中也有报道，其指出高用量有机肥施用土壤和蔬菜中的重金属含量普遍高于低用量处理[12]。因此，通过控制有机肥配施量完全可以实现重金属污染可控。在本试验中，配施有机肥2 250 kg·hm-2，既能保证作物产量，提高土壤微生物代谢活力，又能保证土壤和作物中的重金属含量与纯化肥相比无显著差异，是该区域稻麦轮作系统的最优选择。