有机肥长期等氮替代无机肥对稻麦产量及土壤肥力的影响

刘明月,张凯鸣,毛 伟,2,居 静,宓文海,赵海涛

(1.扬州大学 环境科学与工程学院, 江苏 扬州 225127; 2.扬州市耕地质量保护站, 江苏 扬州 225101)

施肥是影响土壤肥力和农作物产量的主要因素之一[1-3]，也是增加作物产量的最有效途径，化肥对粮食产量的贡献率在40%左右[4-5]。施用化肥可以提供土壤和作物生长所必要的营养元素，显著提高我国粮食产量；但随着施肥年限的延长和化肥投入量的增加，农田土壤出现了板结、生物多样性减少、土壤质量退化等现象[6-8]。长期定位试验结果表明，有机无机肥配施能促进早稻和晚稻干物质积累量，改善产量构成因素，提高水稻产量，以30%，60%有机肥处理早稻产量较高[9-10]。长期施用有机肥能提高东北黑土土壤肥力，同时能提高年际间产量，使土壤的pH值稳定在一个适合作物生长的范围内，同时增加土壤中>0.25 mm水稳性团聚体的含量[11]。长期有机无机肥配施显著降低黄土高原0～30 cm各土层>1 mm团聚体含量，显著增加0～20 cm土层中0.25～1.00 mm团聚体含量，降低了所有土层平均重量直径(MWD)[12]。有机无机肥配施对改善土壤结构、形成微团聚体，提高土壤肥力及水分利用效率，改善作物营养构成、提高产量等都有显著作用[13-16]。然而，由于施用化肥简便，且增产效果明显，有机肥养分释放缓慢及来源不足等，导致有机肥的应用被忽视[17-20]。

目前，有关长期有机无机配施的研究较多，但不同比例有机肥替代无机肥对稻麦轮作培肥土壤综合效应和作物产量的研究鲜有报道。本研究通过田间试验研究不同有机无机肥配施比例长期施用对稻麦产量、土壤肥力、团聚体稳定性的影响，探索出适宜当地生产和生态的最佳有机无机肥配施比例，为该地区稻麦生产及土壤培肥制度的建立提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点概况

试验在江苏省仪征市新集镇毛桥村进行(东经119°17′29″，北纬32°19′21″)。该地区属于亚热带季风气候区，年均气温为15.3 ℃，年降水量为1 042.5 mm，降水主要集中在6-9月，年均日照时数为2 226.5 h[21]。土壤类型为淤泥质水稻土。试验前耕层土壤(0～20 cm)的pH值6.01，EC值67.97 μS/cm，有机质28.2 g/kg，全氮0.90 g/kg，全磷0.88 g/kg，速效磷19.5 mg/kg，速效钾82.8 mg/kg。

1.2 试验设计

试验采用稻麦轮作，2016年10月种植小麦，2017年5月收获并移栽水稻，2017年10月收获水稻。2019年10月试验结束，连续稻麦轮作3 a。试验以等氮替代为原则，设置有机氮依次替代10%(Y1W9)、20%(Y2W8)、30%(Y3W7)、40%(Y4W6)、50%(Y5W5)无机氮处理，以100%施用无机氮(W100)为参照。共6个处理，每个处理重复3次，共18个小区，小区面积132 m2(11 m×12 m)。采用随机区组设计排列试验小区，各试验小区独立灌排。

试验小麦品种为扬麦20，水稻品种为南粳9108。试验中所用有机肥料为宁粮牌有机肥，无机肥料为普通市售尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O54.5%)和氯化钾(K2O 60%)。播种前肥料以基肥的形式一次施入，施用量为纯氮270 kg/hm2，P2O545 kg/hm2、K2O 69 kg/hm2。拔节期和孕穗期各追肥1次，各处理肥料使用量相同，追肥总用量为：N 160 kg/hm2、P2O540 kg/hm2、K2O 65 kg/hm2。灌溉、病虫害防治和除草按常规方式进行。水稻和小麦施肥情况相同。

1.3 样品测试与分析

1.3.1 土壤 每年小麦和水稻收获时采集耕层土壤(0～20 cm)测定土壤相关理化性质。采用鲍士旦[22]提出的测试分析方法测定土壤有机质、全氮、全磷、速效磷和速效钾含量。土壤pH值和电导率(EC)采用纯净水浸提(土水比1.0∶2.5)后仪器直接进行测定。采集2019年10月水稻收获后的土壤测定团聚体指标。

土壤团聚体稳定性采用湿筛法[23-24]进行测定，并稍作修改：称取100 g过5 mm筛的风干土样置于2 mm土筛上，湿润5 min后，打开开关上下冲刷20 min，土样依次通过>2.000 mm(粗大团聚体)、0.250～2.000 mm(细大团聚体)、0.053～0.250 mm(微团聚体)、<0.053 mm(粉黏团聚体)的土筛，用水将各级筛子上的团聚体冲洗到铝盒中，40 ℃烘干，称质量并记录各粒径团聚体质量。

计算得到土壤团聚体的平均重量直径(MWD)、几何平均直径(GMD)和>0.25 mm水稳性团聚体含量(R0.25)等指标。

式中，Xi为第i级团聚体平均直径(mm)，Mi为第i级团聚体质量(g)，Mt为团聚体总质量(g)，R0.25为>0.25 mm水稳性团聚体的含量，Mr>0.25为直径大于0.25 mm 团聚体质量(g)[25]。

1.3.2 稻麦产量 每个小区分别采收3个1 m2(1 m×1 m)面积作物，晾干后测定各季麦稻产量。

1.4 数据统计与分析

采用 Microsoft Excel 2010软件整理数据，SPSS 19.0软件对数据进行统计分析。数据正态分布检验和转换采用夏皮洛-威尔克检验法(Shapiro-Wilk法)，数据分析采用单因素方差分析(One way ANOVA)模型检验，各处理间的差异显著性使用新复极差法(Duncan)分析，相关分析采用皮尔森(Person)双侧检验法。采用Origin 8.5进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同等氮替代对稻麦产量的影响

从连续三季水稻的种植结果看，随着施肥年限的增长，Y2W8、Y3W7、Y5W5处理水稻产量是不断增加的，相比单施无机肥3 a水稻产量分别增加了0.4%～2.8%，3.5%～11.5%，4.5%～11.9%。三季作物的平均值中，不同有机氮等量替代无机氮处理下水稻产量均无显著差异，其中Y2W8和Y3W7处理略高于W100处理下水稻产量。3 a有机无机肥配施与单施无机肥氮小麦产量分别增加了1.5%～7.3%，3.5%～4.6%，2.7%～4.5%。从3 a小麦产量平均值来看，Y2W8处理对小麦产量提升效果较好。

从轮作年总产量结果可知，有机无机配施中Y1W9和Y2W8处理提高了2017-2019年3 a的小麦、水稻总产量，增加幅度为0.8%～2.7%。从3个轮作年总产量的平均值来看，相对于W100处理，Y1W9和Y2W8处理增加了稻麦轮作总产量，而其他处理降低了总产量。3 a小麦平均产量较单施无机肥处理提高了5.6%～13.2%，水稻平均产量提高了0.2%～14.0%，稻麦轮作总产量平均提高了0.4%～24.5%(图1)。

2.2 不同等氮替代对土壤团聚体的影响

图2可知，不同施肥处理下0.250～2.000 mm团聚体的含量依次高于>2.000 mm，<0.053 mm和0.053～0.250 mm团聚体的含量。各处理>2.000 mm和0.250～2.000 mm水稳性大团聚体所占比重最大，而0.053～0.250 mm水稳性微团聚体和<0.053 mm粉-黏团聚体含量较低，其中以Y4W6和Y5W5处理相对较大。Y4W6和Y5W5处理下>0.250粒径团聚体的含量百分比分别为74.3%，78.8%，高于其他几个处理，比单施无机肥处理高出了5.6，10.1百分点。施用有机肥可以提高大团聚体 (>0.250 mm) 的比例，降低小团聚体 (<0.250 mm) 的比例。与 W100处理相比，有机氮等量替代无机氮(Y3W7、Y4W6、Y5W5)<0.250 mm团聚体含量减少0.71～10.07百分点， 平均减少5.45百分点。

由图3可以看出，随着有机氮替代比例的增加，团聚体的几何平均直径GMD和平均重量直径MWD以及>0.250 mm 水稳性团聚体的含量(R0.25)都有不同程度的提高。Y4W6和Y5W5处理的GMD、MWD和R0.25都比单施无机肥效果要好，其中有机替代相比单施无机肥处理GMD提高了10.9%～18.7%，MWD提高了4.9%～7.9%，R0.25提高了0.71～10.07百分点，说明有机氮等量替代无机氮可以提高土壤团聚体的稳定性。Y4W6和Y5W5处理的GMD(0.80，0.85 mm)分别比单施化肥处理下的几何平均直径GMD(0.72 mm)增加了0.08，0.13 mm；平均重量直径MWD(Y4W6和Y5W5处理下的MWD分别为1.18，1.21 mm) 比单施无机肥处理MWD (1.12 mm)增加了0.06，0.09 mm；>0.250 mm水稳性团聚体含量R0.25(Y4W6和Y5W5处理下的R0.25分别为74.3%，78.8%)比单施无机肥处理R0.25(68.7%)增加了5.6，10.1百分点。

相关分析(表1)表明，>2.000 mm团聚体和MWD、GMD、R0.25都有极显著的相关性(r=0.897**、r=0.937**、r=0.836**)，和稻麦产量呈显著的负相关性(r=-0.582*)。0.250～2.000 mm粒径的团聚体和MWD呈显著的负相关性(r=-0.575*)。0.053～0.250 mm粒径的团聚体和GMD呈显著的负相关性(r=-0.555*),和R0.25呈极显著的负相关性(r=-0.641**)。<0.053团聚体和MWD、GMD、R0.25呈极显著的负相关性(r=-0.932**、r=-0.939**、r=-0.881**)，和产量呈极显著相关性(r=0.632**)。MWD和GMD、R0.25呈极显著的相关性(r=0.940**、r=0.903**)，和产量呈负相关性(r=-0.501*)。GMD和R0.25呈极显著的相关性(r=0.912**)，和产量呈负相关性(r=-0.533*)。R0.25和产量呈负相关性(r=-0.559*)。

2.3 不同配比对土壤pH值和EC值的影响

由表2可知，随着有机氮替代比例的增加，2 a 四季土壤pH值呈下降的趋势；土壤电导率(EC)变化规律不明显。有机肥配施无机肥处理土壤pH值显著高于单施无机肥处理下的pH值。2 a稻麦季W100处理下的pH值低于有机肥氮和无机肥氮配施，表明有机肥等氮替代可以缓解土壤酸化趋势。

表1 稻麦产量和团聚体之间的相关性Tab.1 Correlation between grain yield of rice and wheat and aggregates

表2 2018-2019年稻麦季土壤的pH值和EC值Tab.2 The soil pH and EC in rice and wheat season during 2018-2019

随着替代比例的增加，2018年水稻季土壤pH值和EC值随着有机氮替代比例的增加表现出先升高后下降之后又有所上升的趋势。相比W100处理，有机氮的施入提高了土壤pH值和EC值，分别提高了1.5%～10.6%，24.7%～78.9%。2018年小麦季土壤pH值随着替代比例的增加表现出下降的趋势，EC值表现为先下降后上升的趋势。2019年水稻季有机替代处理土壤的pH值均高于W100处理，提高了1.6%～4.9%，除Y5W5处理下土壤EC值高于W100外，其他有机替代下的土壤EC值均低于W100处理。2019年有机替代处理土壤EC值均高于单施无机肥。

2.4 不同配比对土壤养分的影响

由图4可知，2018-2019年稻麦季有机肥氮等氮替代比单施无机肥氮有机质含量分别增加了8.5%～19.5%，9.5%～17.2%，4.7%～29.4%，9.5%～22.1%，其中Y4W6处理对土壤有机质的提升作用最明显。除2018年Y1W9处理外，连续2 a有机肥等氮替代土壤全氮含量均高于单施无机肥，随着有机肥用量增加，土壤全氮含量呈增加趋势。2019年水稻季各处理下土壤全氮的含量略低于其他季度处理下全氮含量，可能原因是肥料配比不均匀，翻耕不彻底影响了作物吸收，进而影响了作物收割后残留在土壤中的氮素。2018-2019年稻麦季有机肥等氮替代无机肥比单施无机肥土壤全氮含量分别增加3.3%～15.7%，1.9%～24.6%，0.5%～28.4%，6.8%～18.2%。2 a间基本上以Y4W6处理下的土壤全氮含量最高。

表3 稻麦产量与土壤肥力指标相关性分析Tab.3 The correlation between grain yield and the soil fertility index

2 a稻麦轮作下土壤全磷含量变化幅度不大，基本保持稳定的状态。同一季度处理间没有明显的变化规律，单施无机肥氮处理下的土壤全磷含量要高于部分有机肥替代下土壤全磷含量。有机肥等氮替代处理下土壤速效磷含量与单施无机肥相比均有显著性差异，土壤速效磷的含量均在Y4W6处理下达到最大值。2018-2019年稻麦季有机肥配施比单施无机肥土壤速效磷含量分别提高了31.0%～69.0%，1.0%～20.5%，5.6～57.8%，7.1～69.1%。除2018年水稻季Y3W7处理外，其他季节处理下的土壤速效钾均表现为Y5W5处理要优于其他处理。有机氮等量替代各处理之间没有明显的变化规律；2 a四季单施无机肥处理下土壤速效钾含量高于部分有机氮替代无机氮处理土壤速效钾含量。

相关分析(表3)表明，稻麦产量和土壤全磷、速效磷呈显著的负相关(r=-0.542*、r=-0.560*)，有机质与全氮、速效磷极显著的正相关(r=0.562**、r=0.631**)，全氮和pH值显著正相关(r=0.474*)，全磷和速效磷、EC显著正相关(r=0.492*，r=0.550*)，pH值和EC显著负相关(r=-0.514*)。

3 讨论与结论

3.1 不同比例的有机肥和无机肥配施对作物产量的影响

现有研究表明，肥料运筹中30%有机氮与70%化肥氮处理能改善水稻产量构成因子，稳定和提高产量[26]。与单施无机氮相比，有机肥等氮替代能够协调平衡供应有机养分与无机养分，满足作物对养分的需求，使作物保持稳产[27]。本研究发现，有机无机肥合理配施能增加作物产量，3 a稻麦轮作过程中，有机氮等量替代提高了水稻的产量；小麦的增产效果不明显，但略有增加，以20%(Y2W8)等氮替代处理对稻麦产量的提高效果较好。这与前人的研究结果一致[16，28]。本研究还表明，过量有机肥替代无机肥处理下稻麦产量低于单施无机肥氮处理下的产量，这可能是因为无机肥氮能够快速提供作物生长所需要的养分，而有机肥中养分释放速率较慢，不能及时补充作物生长需求。有研究发现，有机无机肥配施的前几年对作物产量提高不显著，但随着年限的增加作物产量也逐渐增加，比单施无机肥产量提高了5.1%[29]。红壤上同类研究也表明长期有机无机配施对作物的增产效果非常明显[30]。

3.2 不同比例的有机肥和无机肥配施对土壤性质的影响

长期有机肥等氮替代无机氮能够明显改变土壤养分特征，黄淮海麦区土壤有机质、全氮、速效磷和速效钾等含量随有机肥施用量增加、种植年限的延长而增加[3]。本研究发现，外源有机物质投入有利于提升土壤有机质含量。土壤中氮和磷含量和有机质含量存在明显相关关系，合理的氮肥投入能够增加土壤中作物残茬量，从而提高了土壤有机质的含量[31]。本研究还发现，土壤有机质含量与土壤全氮含量、速效磷含量呈极显著正相关。长期有机肥替代无机肥能够调整土壤性状，导致这一现象的主要原因可能是长期有机肥替代减少了土壤对无机磷的固定、促进无机磷的溶解[32]。有机肥替代无机肥能增加土壤中速效钾的含量，提高土壤pH值，减少土壤中可溶性盐分的积累，防止土壤酸化。

3.3 不同比例的有机肥和无机肥配施对土壤团聚体稳定性的影响

水稳性团聚体相对含量、MWD值和GMD值是表征土壤团聚体稳定性的核心指标，R0.25值越大，土壤结构越稳定，能够为作物的生长提供良好的土壤环境[33]。黄土高原的定位试验表明，施用有机肥能显著增加土壤中大团聚体含量，改善土壤团聚体结构，培肥土壤[16]。本研究发现，有机肥替代比例的增加提高了土壤中大团聚体(>0.250 mm)的含量，其中Y4W6和Y5W5处理下>0.250 mm团聚体的含量百分比分别达到了74.3%，78.8%，高于其他几个处理下>0.250 mm粒径团聚体的含量百分比，分别比单施无机肥处理高出5.6，10.1百分点，这与郑学博等[34]的研究一致。也有研究发现，施用有机物料增加了>0.250 mm水稳性团聚体的含量，而化肥配施秸秆显著增加了>0.053 mm各粒径水稳性团聚体含量，降低了<0.053 mm水稳性团聚体含量[35]。本研究表明，有机肥氮的施入提高了>0.250 mm水稳性团聚体的含量，显著降低了<0.250 mm团聚体的含量，其原因可能是土壤质地类型、外源有机肥投入的成分和用量、有机肥替代无机肥年限等因素会影响土壤水稳性团聚体的组成。不同地区有机肥提高土壤团聚体稳定性最佳替代比例不同，需因地制宜。此外，有机肥氮的施入还能提高土壤的GMD和MWD，有利于土壤结构的稳定，且GMD和MWD随有机肥替代比例的提高而逐渐增大。相关分析表明，GMD和MWD与>2.000 mm水稳性团聚体的含量呈极显著正相关(r=0.937**、r=0.897**)，说明土壤中大团聚体越多，土壤团聚体的团聚度越高，土壤结构与稳定性越好，抗蚀能力越强[35]。

连续3 a有机氮肥替代无机氮肥提高了长江下游地区土壤养分和土壤团聚体稳定性，有利于稻麦稳产。土壤团聚体稳定性随着有机肥替代比例的增加而提高，有机氮替代比例过高(>30%)会降低稻麦产量。综合来看，20%有机氮替代无机氮最有利于长江下游地区稻麦稳产、高产提升地力。