长期施用有机肥对黑土土壤肥力和玉米产量的影响

邹文秀，邱 琛,2，韩晓增，郝翔翔，刘晓洁，陆欣春，严 君，陈 旭

(1.中国科学院 东北地理与农业生态研究所，黑龙江 哈尔滨 150081；2 中国科学院大学，北京 100049；3.黑龙江省绿色食品科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150028)

0 引 言

中国具有施用有机肥培肥土壤的传统，早在1950年以前，通过有机肥投入到土壤中的养分占到土壤中总养分投入量的90%[1]。随着人口的不断增加，对粮食需求越来越大，化肥由于具有养分有效性高，且可以按照作物需求进行施用的优点而被大面积施用。据统计中国在1978-2012年化肥的施用量增加了6倍，作物产量增加了93%[2]。但是，随着化肥施用量的不断增加，土壤酸化、盐渍化和养分失衡等一系列土壤退化问题逐渐显现，也引起了土壤中硝酸盐积累、地下水和地表水污染等问题[3]。此外，我国每年畜禽粪污产出量约38亿t，有效利用率不到40%[4-5]。未被利用的畜禽粪污若不进行资源化利用和有效处置，不仅影响畜禽养殖区域生态环境，也容易造成水体等环境的污染。因此，畜禽粪污肥料化处理是畜禽粪污较为合理的利用途径之一[6]。申贵男等在东北黑区开展的问卷调查结果显示，90%以上的生产者对畜禽粪污的资源化利用比较认可，期待通过其资源化利用改善生活环境，减少资源浪费，并且建议加大畜禽粪污的技术推广[7]。

限制有机肥长期施用的表观因素是劳动力成本和运输成本的不断增加[3]，更重要的内在原因是缺乏对有机肥是否能替代化肥满足作物高产稳产需求的长期研究及机理揭示。长期施用有机肥对土壤地力提升的影响一直是研究热点。Guo等在棕壤上研究发现，有机肥替代25%化肥处理作物产量与化肥处理间无显著差异[8]。龚海青等基于一个30年的长期定位试验，分析了黑土有机肥替代率与土壤有机碳的响应关系，研究发现在土壤有机碳含量达到25 g·kg-1时，以有机氮作为衡量指标，有机肥对化肥的替代率趋近95%[9]。东北黑土区南部公主岭的长期定位试验上开展的研究发现，有机肥处理玉米产量的稳定性优于单施化肥处理[10]。郝小雨等研究表明，长期施用有机肥对东北黑土区南部大豆产量的影响与等量化肥相同[11]。但是，在东北黑土区中部肥力较高的黑土上关于有机肥替代化肥对土壤肥力影响鲜有报道，特别是耕层和亚耕层的肥力变化对玉米产量贡献的关注较少。

黑土是最肥沃的土壤之一，在我国主要分布在黑龙江省、吉林省、辽宁省和内蒙古自治区东四盟，该区域是我国重要的商品粮生产基地[12]。但是，近些年来由于不合理耕作和有机物料投入少导致黑土表层退化严重，威胁到国家粮食安全[13]。因此，在生产上急需探索出既能保护黑土层肥力又能提升土地生产能力的技术途径。本文基于东北黑土北部的长期定位试验，分析长期施用有机肥对玉米产量、土壤肥力和物理指标的影响，试图揭示长期施用有机肥对化肥的替代能力以及长期有机培肥后形成的土壤肥力对玉米生产的贡献。本研究将为东北黑土地保护和畜禽粪污综合利用提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验位于中国科学院海伦农业生态实验站(47°27′N，126°55′E)，该试验站位于东北黑土区的中部，地势平坦，温带大陆性季风气候区，年均≥10 ℃有效积温2 450 ℃，年均日照时数约为2 700 h，无霜期为125 d，一年一季。土壤类型属于中厚层黑土(按照发生分类)，质地为粘壤土，是在第四纪黄土状母质上发育起来的地带性土壤，土壤物理性粘粒含>40%以上，黑土层(A)较厚，>50 cm，过渡层(AB)>60 cm，无碳酸盐反应，地下水埋深在20～30 m。

1.2 试验设计

试验区域2000-2002年依次种植玉米、大豆和小麦，进行匀地。匀地期间玉米、大豆和小麦均未施用肥料。2003年设置相关试验，包括3个处理，分别是不施肥处理(CK)、施用氮磷钾化肥处理(NPK)、施用有机肥处理(M)。试验小区面积21 m2(5.0 m×4.2 m)，随机排列，4次重复。作物种植方式为玉米连作。2003-2012年玉米品种为海玉6，2013-2019年玉米品种为德美亚3号。玉米施肥量为N 112.5 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2。氮肥1/3作基肥，2/3追肥在玉米拔节期施用，磷钾肥作基肥一次性施用。有机肥施用量为22 500 kg·hm-2(烘干基计重)，2003-2011年有机肥为纯腐熟猪粪，有机质含量597.6 g·kg-1，全氮含量22.1 g·kg-1，全磷含量8.58 g·kg-1，全钾含量11.1 g·kg-1，pH 8.15。2012-2019年有机肥为秸秆、大豆粉和玉米籽粒按照5∶1∶1堆沤而成，有机质含量456.9 g·kg-1，全氮含量20.2 g·kg-1，全磷含量3.39 g·kg-1，全钾含量9.9 g·kg-1。有机肥于每年秋季玉米收获后采用旋耕机混入土壤0～20 cm土层。

1.3 样品采集与分析

1.3.1 土壤样品采集。于2003试验开始前和2020年采集土壤样品。样品采集方法：每个处理按照0～20 cm和20～40 cm土层深度进行取样，每个小区随机选取3个点。采用环刀分层采集原状土壤，然后使用环刀的盖子盖住两端，再用胶带密封后带回实验室备用。

1.3.2 测定方法。土壤有机碳和全氮采用元素分析仪测定(EA3000，Euro Vector，Italiy)，土壤磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾和pH的测定参照文献[11]。土壤总孔隙度、通气孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的计算参考文献[14]。

1.3.3 计算方法。把无肥区玉米产量作为土壤基础生产能力，用以计算土壤化肥生产能力和有机肥生产能力：

土壤化肥生产能力=施用化肥玉米产量-土壤基础生产能力

(1)

土壤有机肥生产能力=施用有机肥玉米产量-土壤基础生产能力

(2)

土壤有机肥替代化肥能力=土壤有机肥生产能力/土壤化肥生产能力×100%

(3)

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2017对试验数据进行整理。采用单因素方差分析(One Way-ANOVA)对无肥、化肥和有机肥处理间的显著性进行检验，采用Duncan多重比较分析不同处理间在P<0.05水平上的差异。采用SPSS 19.0对土壤有机质含量、养分含量、pH和土壤物理性质对玉米产量的影响进行回归分析，通过计算不同因子标准化系数绝对值与所有因子标准化系数绝对值之和的比值，评价不同因子对玉米产量的贡献。采用Origin 13.0绘制图。

2 结果分析

2.1 长期施用有机肥对玉米产量的影响

试验期间(2003-2019年)，CK处理玉米产量表现出了下降趋势；NPK处理玉米产量虽然波动较大，但受品种更换的影响，整体上略有增加；M处理随着试验时间的增长玉米产量增加明显(图1)。CK处理玉米产量比NPK和M处理显著降低了25.1%～45.8%和15.8%～45.8%(P<0.05)。2003-2015年间，NPK处理玉米产量较M处理显著提高了12.4%～29.4%(P<0.05)；2016、2017和2019年M处理与NPK处理玉米产量间无显著差异(P>0.05)。

试验期间，土壤化肥生产能力(CFP)和有机肥生产能力(MP)表现出了与产量相似的变化趋势(图2)。但是，与2003年相比，2019年MP和CFP分别增加了343%和55.5%，说明单独施用有机肥比单独施用化肥更能够快速提高土壤的生产能力。通过计算有机肥替代化肥能力(MP/CFP)发现，随着有机肥施用时间的增加，其替代化肥的能力逐渐显现，在施用有机肥13年后，已经可以实现有机肥替代化肥，即MP/CFP接近1或者大于1。

注：*代表同一年份不同处理间在P<0.05水平上差异显著。Note:* indicate significant differences between treatment in the same year at P<0.05 level.图1 施用有机肥对玉米产量的影响Fig.1 Effects of organic manure application on maize yield

图2 施用有机肥对土壤生产能力的影响Fig.2 Effects of organic manure application on soil productivity

2.2 长期施用有机肥对土壤有机碳、养分和pH的影响

分析0～20 cm土层土壤有机碳、养分和pH变化表明，与2003相比，2020年CK处理耕层土壤有机碳、全氮、碱解氮和速效磷含量显著减低了13.8%、20.7%、24.0%和25.2%(P<0.05)；NPK处理全氮、pH显著减低了5.62%和0.71个单位(P<0.05)，而土壤速效磷含量显著增加了37.0%(P<0.05)；M处理土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量显著增加了56.9%、71.7%、78.5%、315%和48.8%(图3)。在2020年，除土壤全钾含量和pH以外，CK、NPK和M处理对其他土壤肥力指标的影响均差异显著(P<0.05)，表现为CK

注：不同的小写字母表示处理间在P<0.05水平上差异显著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.The sameis as below.图3 施用有机肥对0～20 cm土层土壤肥力的影响Fig.3 Effects of organic manure application on soil fertility within 0-20 cm soil layer

分析20～40 cm土层土壤有机碳、养分和pH的变化表明，与2003年相比，2020年CK处理土壤有机碳、全氮和碱解氮含量分别显著降低了17.0%、23.0%和27.0%；NPK处理土壤有机碳和全氮含量分别显著下降了6.98%和8.19%，pH显著下降了0.46个单位，速效磷含量显著增加了42.0%；M处理土壤有机碳、全氮、全磷、碱解氮、速效磷和速效钾含量分别显著增加了12.4%、16.0%、30.4%、19.4%、147%和28.6%，pH显著下降了0.2个单位(图4)。2020年，除土壤全钾含量和pH以外，CK、NPK和M处理对其他土壤肥力指标的影响均差异显著(P<0.05)，表现为CK

图4 施用有机肥对20～40 cm土层土壤肥力的影响Fig.4 Effects of organic manure application on soil fertility within 20-40 cm soil layer

2.3 有机肥施用对土壤物理性质的影响

与2003年相比，2020年0～20 cm和20～40 cm土层CK和NPK处理土壤容重没有显著的变化(P>0.05)，M处理土壤容重分别显著下降了16.0%和4.40%(P<0.05)(图5)。不同处理间0～20 cm和20～40 cm土层土壤容重均表现为CK>NPK>M，其中CK处理和NPK处理间差异不显著，M处理比CK和NPK处理在0～20 cm显著降低了16.0%和15.3%(P<0.05)，在20～40 cm土层显著下降了5.13%和4.43%(P<0.05)。

与2003年初始土壤相比，2020年CK和NPK处理对0～20 cm土层土壤总孔隙度没有显著影响，但是M处理0～20 cm土层土壤总孔隙度显著增加了12.9%(P<0.05)(图6)。虽然M处理有增加20～40 cm土层土壤总孔隙度的趋势，但是不同处理对该层土壤总孔隙度没有显著影响(P>0.05)。不同处理对0～20 cm土层土壤毛管孔隙和非活性孔隙均没有显著影响，但是与初始值、CK和NPK处理相比，M处理土壤通气孔隙显著增加了47.8%～76.0%(P<0.05)。不同处理对20～40 cm土层土壤孔隙组成均没有显著影响。

图5 施用有机肥对0～20 cm和20～40 cm土层容重的影响Fig.5 Effects of organic manure application on soil bulk density within 0-20 and 20-40 cm soil layers

2.4 土壤肥力指标对玉米产量的贡献

土壤有机质、养分含量及pH对玉米产量的贡献见表1。在0～20 cm土层，土壤有机质对玉米产量的贡献度最大，达到了37.6%，其次是土壤全氮和全磷，分别为35.6%和11.0%，其他指标的贡献度均≤4.18%，其中全钾的贡献度最小(0.35%)。在20～40 cm土层，土壤全氮对玉米产量的贡献度最大，达到了46.0%，其次是土壤有机质，为34.3%，其他指标的贡献度均≤6.09，全钾的贡献度最小(0.75%)。

图6 施用有机肥对0～20 cm和20～40 cm土层孔隙组成的影响Fig.6 Effects of organic manure application on soil porosity within 0-20 and 20-40 cm soil layers

表1 土壤有机碳及养分含量对玉米产量的贡献Table 1 The contribution of soil organic carbon and nutrient contents to maize yield

土壤容重及孔隙分布对玉米产量的贡献见表2。在0～20 cm土层，通气孔隙和容重对玉米产量的贡献度较大，分别为41.2%和34.8%，非活性孔隙的贡献度最小为0.27%。在20～40 cm土层，毛管孔隙和通气孔隙对玉米产量的贡献度较大，分别为43.0%和27.3%，容重的贡献度最小为12.0%。

表2 土壤容重及孔隙分布对玉米产量的贡献Table 2 Contribution of soil bulk density and porosity to maize yield

3 讨 论

施肥通过增加土壤中的养分含量，提高了玉米产量[15-16]。本研究也发现了试验期间化肥和有机肥处理的玉米产量显著高于无肥处理。但是，玉米产量对化肥和有机肥施用的响应是不一致的。2013-2016年间化肥处理玉米产量显著高于有机肥处理，而2017-2019年间两个处理间玉米产量差异不显著(2018年除外)(图2)。相关研究已经报道了充足的养分供给对于玉米产量的形成至关重要[17-18]。化肥和有机肥的养分释放速度是导致玉米产量对化肥和有机肥施用的响应出现差异的最主要因素。化肥具有养分释放快，并能快速被作物吸收利用的特点[19]，而有机肥中虽然含有大量的有机质及养分，但是其施用到土壤中需要经过矿化作用才能释放出可供作物吸收利用的养分，具有养分释放缓慢的特点，不能及时满足作物关键生育期对养分的需求[20]。研究已经发现，不同来源有机肥的矿化速度不同，培养120 d以后鸡粪、牛粪和猪粪的矿化率分别为87.5%，71.9%和55.4%[20]。郑福丽等研究发现，有机肥在室内培养150 d后矿质氮的释放量为8.04%，有效磷释放量为76.0%，速效钾的释放量为23.4%[21]。因此，有机肥养分释放慢，不能协调供给作物吸收利用，是导致有机肥处理玉米产量在试验开始的前13年显著低于施用化肥处理的主要原因。有机肥连续施用13年后，能够提高土壤中氮的有效性，增加土壤中来自有机肥的有机质和养分含量(图3和4)，改善土壤的持水能力，并促进良好土壤结构的形成(图5和6)，进而满足玉米生长发育对养分的需求[18]，提高玉米产量。随着试验时间的延长，有机肥替代化肥的作用逐渐明显(图2)。Edmeades通过对比分析发现，有机肥需经过长时间的连续施用才能对作物产量产生正向的影响，同时有机肥对作物产量影响的时间效应取决于初始土壤肥力和有机肥的矿化速率[18]，热量是限制有机肥矿化速率的重要因素之一[22]。研究区域热量偏低，年有效积温为2 450 ℃，这也可能是导致经过13年有机肥连施用后玉米产量才达到或者超过化肥施用处理水平的原因。在热量偏高的区域，这个时间可能会缩短。研究已经证明有机肥中养分的分解释放速度随着气候热量的增加而提高，即加速了有机肥养分的有效化[22]。虽然，温延臣等发现与施用化肥处理相比，有机肥替代化肥后对作物产量没有显著差异[23]，但是该研究中采用的是有机肥部分替代化肥施用，即进行了等养分替代化肥。Christie的研究也认为，在等养分含量投入的情况下，化肥和有机肥处理对作物产量的影响没有显著差异[24]。但是，本研究中有机肥处理是进行了化肥的全量替代，即有机肥处理并未施用化肥，证明经过足够长时间的有机肥施用，在肥力较高的黑土上有机肥全量替代化肥能够满足作物对养分的需求，供给作物生长，获得与施用化肥相当的产量。同时，长期有机肥投入对土壤及作物生长的影响具有持效性。有机肥的投入除了能够增加土壤中养分积累，还能够改善0～20 cm和20～40 cm土层土壤物理性质，即降低了土壤容重(图5)，增加了土壤中的通气孔隙(图6)，能够进一步促进根系的下扎和对深层土壤水分及养分的利用[25]，调控了作物应对水分和养分亏缺的能力[26]，对保障作物产量的稳定具有重要的意义。彭畅等在公主岭黑土的研究表明，降水显著影响了化肥处理玉米产量的年际间变化，但是有机肥处理对降水响应则不敏感[27]。

不同施肥管理是影响0～20 cm和20～40 cm土层有机质及养分含量和土壤物理性质的重要因素之一[18]。无肥处理由于没有化肥和有机肥的投入，土壤中的养分含量不断被作物吸收、移除带走，导致土壤中的养分含量持续下降[16,18]。刘鸿翔等研究报道黑土在不施肥的情况下平均每年玉米、大豆和小麦的N、P和K养分移除量分别是145 kg·hm-2、83.6 kg·hm-2和99.0 kg·hm-2[28]。本研究中，经过17年无肥处理后显著降低了0～20 cm土层中有机质、全氮、碱解氮和速效磷的含量(图2)。作物在养分缺乏的情况会通过根系的不断下扎，吸收深层土壤的养分，供给其生长发育的需要[29]。这是导致无肥处理对有机碳、全氮和碱解氮的显著影响已经到了20～40 cm(图4)的主要原因。说明长期无肥料投入会导致土壤剖面中的养分被不断消耗，随着时间的延长，受影响的剖面深度越深。本研究中化肥施用量能够基本维持0～20 cm土壤有机质和养分含量，其中显著增加了0～20 cm土层中全氮、全磷和速效磷的含量。但是，受施肥深度和氮素淋溶的影响[30-31]，化肥处理显著减少了20～40 cm土层全氮含量。0～20 cm土层中未被作物吸收利用的速效磷在20～40 cm土层中累积，导致化肥处理20～40 cm速效磷含量增加[29]。有机肥的施用不仅增加表层0～20 cm土层有机质和养分含量，在根系残茬、根系沉积物和可溶性有机质物等向下移动的多重作用下[18,31]，显著增加了20～40 cm土层土壤有机质和养分含量(全钾除外)。说明有机肥连年施用具有增加深层土壤养分的作用。Lu等研究发现，长期有机肥的施用能够显著增加0～40 cm土层全磷的含量和0～60 cm土层速效磷含量[29]。有机肥的容重较低[32]，还田后能够有效降低0～20 cm土层土壤的容重(图6)，增加土壤的孔隙度，特别是土壤中的通气孔隙(图7)，促进作物根系的生长[18,33]，进而显著降低了20～40 cm土层土壤的容重。

本研究发现，在0～20 cm和20～40 cm土层均是有机质和全氮含量对玉米产量的贡献率较高。众所周知，黑土是自然肥力较高的土壤，但是开垦之后由于不合理利用导致土壤肥力下降，限制了作物产量[12]。为了提高作物产量，化肥和有机肥被投入到土壤中用以供给作物吸收利用[13]。单独化肥的施用虽然能够基本维持作物的产量，但是不能够显著增加土壤有机质含量[34]。在土壤物理指标中，0～20 cm土层通气孔隙对玉米产量的贡献率最大，而在20～40 cm土层毛管孔隙对玉米产量的贡献率最大。其主要原因包括以下两个方面，(1)黑土黏粒含量在40%以上，质地黏重，0～20 cm土层中通气孔隙对土壤中“水”、“气”、“热”的调控直接影响了作物根系的生长和土壤中养分的有效性[11,14]；(2)20～40 cm土层中的毛管孔隙是下层土壤水分向上运动的通道，水分运动过程同时会携带土壤养分，供给作物吸收利用[35]。

4 结 论

基于17年的田间定位试验研究发现，试验期间无肥处理玉米产量显著低于化肥和有机肥处理，有机肥处理在连续施用有机肥13年后玉米产量能达到施用化肥处理的水平，有机肥替代化肥的能力接近1。连续施用的有机肥在微生物的作用下形成有机质在土壤不断积累，释放养分供给作物吸收利用，土壤物理性质的改善是导致有机肥处理玉米产量稳定提高的最主要因素。在黑土区通过优质有机肥的连续施用，能够实现有机肥全量替代化肥。