长期施用菇渣与化肥对潮土地区玉米和小麦产量及稳定性的影响

姚童言，黄绵松，宋亚康，陈瑞蕊，冯有智

(1.中国科学院南京土壤研究所 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；2. 北京首创股份有限公司，北京 100044)

施肥是农业生产中有效维持和提高粮食产量的重要手段。然而，长期施用化肥，尤其是过量施用化肥造成了一系列环境问题，如水体污染、植物病虫害、共生固氮降低、土壤酸化和生物多样性降低等[1]。因此，Mäder等[2]提出用有机肥完全代替化肥，并指出施用有机肥可以改善土壤生态系统，如提高土壤肥力、促进土壤团聚结构形成、提高生物多样性和生物活性、增加地下生物量、增强作物与微生物群落的协作等。但相比化肥，施用有机肥的作物产量普遍偏低[3-4]。究其原因，主要是有机肥中含有的丰富养分需要经过土壤微生物的转化才能被植物吸收利用，短期肥效无法与化肥相比。鉴于此，用有机肥代替一部分化肥，既可以满足作物对速效养分的需求，又能够在一定程度上避免施用化肥造成的环境危害，同时培肥地力，提升土壤质量，是一种两全其美的方法。

菇渣是食用菌栽培后剩余的有机废弃物，可在农业生产上作为有机肥料或土壤改良剂应用。食用菌栽培基质一般由木屑、棉籽壳等有机物料混合N、P等养分元素制成，因此菇渣含有丰富的纤维素和木质素、近10%的粗蛋白、近1%的小分子糖类以及P、Ca、Fe、Mn等矿质养分[5]，是优良的有机肥资源。此外，食用菌栽培过程中，真菌分泌各种胞外产物，对有机物料进行分解利用，令菇渣中含有丰富高效的纤维素分解酶、木质素分解酶、木质素过氧化物酶、锰过氧化物酶和漆酶等活性酶类。同时，分解产生的葡萄糖、棉子糖寡糖、氨基酸等多种小分子有机物以及真菌生长过程中产生的生物活性物质[6-8]等都会残留在菇渣中。因此，菇渣作为微生物“过腹”的有机物料，具备了生物有机肥的优点。此外，菇渣质地疏松，具有良好的物理结构，可有效地改良土壤结构[9]。

我国华北平原以及西北多个地区的土壤有机质含量普遍偏低，理化性状和缓冲性能较差，不利于保水保肥，土地生产力和承载力低，是典型的潮土地区。目前菇渣作为生物有机肥，在潮土地区施用对于作物的影响尚缺乏系统的研究。菇渣的有机碳含量约为40%[10]，向土壤中施入菇渣能迅速提高土壤有机碳含量。有研究证实提高土壤有机碳含量可以提高作物产量[11]，尤其是在我国华北和西北地区，土壤有机碳含量往往是土壤地力的主控因素，直接影响作物的产量。除了作物产量这一最常用的指标，产量稳定性是一种表征作物种植体系好坏的重要指标，有利于综合衡量施肥措施对增产和提升土壤质量的效果[12]，但国内对于作物产量稳定性的研究相对匮乏。 因此，研究施用菇渣对作物产量及其稳定性的影响，具有重要意义。

鸡粪的氮、磷含量高，相比其他常见粪肥具有丰富的营养元素[13],其作为有机肥施用到土壤中可以显著增产、稳产，并在世界范围的农田土壤中广泛应用[14]。本研究中，笔者选用鸡粪这一具有典型性的有机肥作为菇渣的对照，以期客观地评价菇渣对作物产量及其稳定性的影响。

河南封丘地处华北黄淮海平原，主要土壤类型为潮土，主要种植作物为玉米和小麦。本研究中，笔者利用中国科学院封丘农业生态国家实验站的长期定位试验，通过监测和比较不施肥(control)、施化肥(F)、菇渣化肥配施(MRF)和鸡粪化肥配施(CMF)4种处理下作物产量，研究施用菇渣对玉米、小麦产量及产量稳定性的影响，同时探究玉米及小麦产量和土壤有机碳含量的关系，以期为制定合理的施肥方案提供科学依据，提升土壤地力，增加作物产量。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

有机物料提升潮土地力长期定位施肥试验点位于中国科学院封丘农业生态国家实验站(35°00′N,114°24′E)。该地气候属于暖温带大陆性季风气候，年均温为13.9 ℃，年均降水量为615.1 mm。试验开始于2011年夏季，采用玉米-小麦一年两熟轮作制度，作物品种为当地主推品种，并且保持一致。试验地每年灌溉情况视当年降水情况而定，一般小麦灌溉2～3次，玉米灌溉1～2次，灌溉量为900～1 200 m3/hm2。供试土壤为轻质黄潮土，试验初始时有机碳含量为5.8 g/kg，全氮含量为0.56 g/kg，全P(P2O5)含量为0.88 g/kg，全K(K2O)含量为29.3 g/kg，pH(H2O)值为8.5。

1.2 试验设置

试验设置4个处理，每个处理4个重复，共16个小区，随机布置，小区面积为30 m2。4个处理分别为：不施肥的对照(control)、平衡施化肥(F处理)，菇渣化肥配施(MRF处理)和鸡粪化肥配施(CMF处理)。F处理的N、 P、 K 化肥分别为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，具体施肥量见表1。菇渣采用双孢菇菇渣，每季用量为2.1×104kg/hm2；鸡粪为常规堆制后的腐熟鸡粪，每季用量为3.8×103kg/hm2。

表1 试验地肥料施用量Table 1 Fertilizer application amount kg·hm-2

2种有机肥使用前先测定其N、P、K含量，以有机肥代替一半氮肥，以等N量为标准，有机肥中P、K不足以P、K化肥补足至等量。与当地农户大田施肥量相比，试验地施肥量为当地农户中等水平。

1.3 采样及测定

试验期间连续每季监测作物产量，每个小区在玉米、小麦收获后脱粒称质量计产量。同时，作物收获期后，采集土壤样品(0～15 cm)，自然风干后用于有机质含量测定。土壤有机质含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定[15]。

1.4 产量稳定性

(1)

1.5 数据处理

试验数据采用SPSS 20.0进行统计分析，并使用Duncan检验进行多重比较，使用Spearman相关检验土壤有机碳和作物产量的相关性。

2 结果与讨论

2.1 玉米和小麦产量

比较不同施肥处理产量的年际变化，结果如图1所示。由图1(a)和(b)可以发现，不施肥处理显著降低小麦和玉米产量，不论玉米还是小麦产量均呈现逐年下降的趋势：玉米产量从2011年的3 825 kg/hm2下降到2017年的2 430 kg/hm2，降低了36.4%；小麦产量从2012年的2 415 kg/hm2下降到2017年的1 560 kg/hm2，降低了35.4%。施肥处理显著提高小麦和玉米产量。单施化肥的F处理，玉米产量前三年持续增加：从2011年的6 285 kg/hm2增加到2013年的10 440 kg/hm2，在之后的4年中基本在10 110 kg/hm2上下波动；而小麦产量基本在5 100 kg/hm2上下波动(除2018年)，没有明显的年际变化。CMF处理中，玉米产量的年际变化与F处理基本一致，小麦产量与F处理变化趋势一致，但产量整体提高，平均增幅为22%。菇渣化肥配施的MRF处理，前3年小麦、玉米的产量与F处理相比没有显著差异，施用3年后能继续保持增产，2015—2017年的玉米产量比F处理增加16.0%，2016—2018年的小麦产量比F处理增加55.0%。

施肥能显著提高小麦和玉米产量。总体而言，与control处理的产量相比，连续施肥6年后，F处理玉米和小麦分别增产3.09倍和2.56倍，CMF处理玉米和小麦分别增产3.00倍和3.59倍，MRF处理玉米和小麦分别增产4.53倍和4.32倍。比较不同施肥处理的增产效果(图1(c)、1(d))，可以发现，MRF处理对产量的提升作用在前3年与其他施肥处理相似，第3年后显著高于其他施肥处理。2014—2017年MRF处理玉米的平均产量为11 489 kg/hm2，比F和CMF处理分别提高13.7%和14.1%；2015—2018年MRF处理小麦的平均产量为7 084 kg/hm2，比F和CMF处理分别提高42.7%和13.4%。说明有机肥无机肥配施的增产效果优于单施化肥，而菇渣化肥配施的增产效果优于鸡粪化肥配施。值得一提的是，2018年当地小麦严重减产(返青时小麦遭遇严重冻害)，相比前3年的平均产量，control处理和F处理均减产45.4%左右，而2种有机肥配施的CMF和MRF处理减产率明显降低，分别减产29.0%和29.7%。

(a)和(b)中，对同一处理的不同年际间产量进行分析，相同颜色的相同字母表示该处理年际间产量没有显著差异。(c)和(d)中，对不同处理在同一年份的产量进行分析，同一年份的不同字母表示该年份的处理间产量具有显著差异图1 不同施肥处理玉米((a)、(c))和小麦((b)、(d))产量的年际变化Fig.1 Annual variation of maize ((a),(c)) and wheat ((b),(d)) yield under different fertilization regimes

菇渣作为一种优良的有机肥资源，增产的机制是多方面的。首先，菇渣本身具有肥料的特点，可以直接提高土壤速效养分和全量养分含量。张亚军等[16]研究表明，施用菇渣可以将土壤碱解氮含量维持在一个较高的水平，同时显著提高土壤有效磷含量。张秀珍等[17]发现，施用双孢菇菇渣后，土壤有机质含量提高23倍，全氮含量提高18倍，全磷含量提高8倍。其次，施用菇渣能有效改良土壤结构，如降低土壤容重，提高土壤孔隙率，为玉米根系的生长发育提供更好的结构条件，从而提高玉米产量[18]。最后，施用菇渣相当于向土壤中输入了大量有机碳，而有机碳能促进土壤微生物功能的提升，表现在增加土壤微生物的生物量和丰富度，提高微生物活性和各种水解酶活性，促进有机碳的分解和土壤养分循环[19]。

2.2 产量稳定性

产量稳定性是表征农田生态系统可持续性的重要指标[20]。笔者采用作物产量变异系数评价各施肥处理的产量稳定性，变异系数越小说明产量稳定性越高，结果如图2所示。由图2可以发现，玉米季各施肥处理的产量变异系数都低于对照，约为对照的50%。小麦季所有施肥处理产量变异系数都低于对照，其中MRF处理的产量变异系数显著低于对照(P<0.05)。结果表明，不论玉米还是小麦，施用肥料均有稳产的趋势，其中菇渣化肥配施相比不施肥可以显著提高小麦产量的稳定性。

图2 不同施肥处理下玉米和小麦的产量变异系数Fig.2 Coefficient of variance of maize and wheat yieldunder different fertilization regimes

同样，魏猛等[21]研究发现在黄潮土区，畜禽粪便配施化肥玉米的产量稳定性最高。施用有机肥能促进植物健康，从而提高产量稳定性，其原因是施用有机肥可以提高作物的抗逆性，促进作物遭受环境胁迫和病虫害后的恢复[22]。Amin等[23]研究发现，干旱胁迫下，施用有机肥可以通过提高光合速率、降低蒸散来促进玉米生长、提高产量稳定性。施用菇渣可以通过提高大麦超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性来减轻细胞过氧化程度，降低植株体内丙二醛含量，从而缓解盐胁迫对植株的伤害[24]，进而提高作物产量稳定性。

2.3 产量与土壤有机碳含量的关系

玉米和小麦产量与土壤有机碳含量的关系呈现相同的规律(图3)。由图3可知：当土壤有机碳含量在4.5～8.0 g/kg范围内，玉米和小麦产量均与其对应的土壤有机碳含量呈极显著线性正相关(Spearman,P<0.01)。由线性拟合方程的斜率可知，在这一范围内，土壤有机碳含量增加一个单位，玉米产量增加3 330 kg/hm2，小麦产量增加1 770 kg/hm2，说明增加有机碳含量对于玉米的增产效果大于小麦，是小麦的1.89倍。当土壤有机碳含量超过8.0 g/kg时，当地玉米和小麦产量增幅不大，玉米产量基本维持在11 100 kg/hm2，小麦产量基本维持在6 750 kg/hm2，说明潮土地区土壤有机碳增产的阈值为8.0 g/kg，超过阈值继续投入有机碳对于产量增长的效应不明显。

图3 玉米(a)和小麦(b)产量与土壤有机碳含量的关系Fig.3 The relationship between maize (a),wheat (b) yieldand the soil organic carbon content

Lai等[25]研究也表明产量与土壤有机碳含量在一定范围内呈正相关关系，而在超出范围后，土壤有机碳含量增加，作物产量不再增加。值得注意的是，土壤有机碳增产的这一阈值在我国不同区域是不同的[26]，可从21.8 mg/hm2变到46.2 mg/hm2，这可能受土壤母质、土壤结构、当地气候等因素影响。因此，当土壤有机碳含量高于特定阈值时，如潮土地区，土壤有机碳含量大于8.0 g/kg时，可以考虑减施或不施有机肥。笔者还发现，潮土地区单位有机碳含量的增长对玉米增产的效果约为小麦的2倍，从经济角度考虑，当土壤有机碳含量小于8.0 g/kg时，相比小麦，应更关注玉米季土壤有机肥的投入。

3 结 论

菇渣是一种优良的有机肥，在低有机碳含量的土壤中与化肥配施能显著增加玉米和小麦产量，提高作物产量稳定性，是实现当地有机废弃物资源化利用的有效措施。潮土地区，当有机碳含量为4.5～8.0 g/kg时，玉米和小麦产量与土壤有机碳呈线性正相关关系。玉米产量在这一范围对土壤有机碳提升的响应近乎小麦产量的2倍。从经济效益上考虑，在土壤有机碳含量小于8.0 g/kg时，应更重视玉米季土壤有机碳的输入；当土壤有机碳含量大于 8.0 g/kg时，可考虑减施或不施有机肥。