菌渣替代部分化肥养分施用对土壤养分含量及稻麦产量的影响

刘唯佳，毛昆明，唐祺超，杨元智，邓良基*

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.四川农业大学资源学院，成都 611130）

近年来，由于过量施肥造成的土壤养分失衡、生态环境恶化、病害加剧等问题日趋严重[1-2]，虽然肥料施用量逐年上升，但作物产量却并未增加甚至降低[2]。因此，土壤质量和化肥报酬率下降正成为我国农业生产最重要的限制因素[3]，而施用有机肥则能够明显提高作物产量和改善土壤质量[4]。

中国食用菌产量在世界占比中高达70%，每年产生约5～214万t的菌渣[5]。然而废弃菌渣被丢弃或燃烧不仅浪费资源，而且会滋生害虫和霉菌孢子污染空气和生态环境，但菌渣作为有机肥加以利用则可促进生态环境与农业生产的正向发展[6]。菌渣还田既能降低田面水氮磷浓度和流失风险[7]，在减氮20%情况下还能够保证小麦产量和降低农田综合增温潜势[8]，分别减少34.1%和86.2%的NH3和N2O排放[6]。农业生产中，菌渣还田在提高青椒和番茄品质及产量的同时[9-10]，还能够改善土壤理化性质，例如：菌渣施用可以降低土壤容重，改善土壤透气性和透水性[11]，改变土壤团聚体结构[12]；菌渣还田能够提供丰富的氨基酸、多糖等营养物质，提高酶活性和促进碳氮循环[13-14]，显著影响土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮和矿化碳含量[15]等。此外，菌渣含有丰富的氮、磷、钾等营养元素，因此菌渣还田对土壤氮、磷、钾含量具有显著影响[16]，能有效提高土壤氮素含量[17]，增加速效磷含量可达1.30～1.60倍[18]。可见，菌渣还田在保护生态环境和促进农业生产中发挥着重要作用，且众多学者已对菌渣还田引起的作物产量、土壤养分及生理性质变化进行了深入研究。但我们发现，不同类型菌渣的养分含量并不一致，对于不同类型菌渣还田是否会导致作物产量和土壤养分含量存在差异方面的研究较少，而对菌渣和化肥配施条件下的菌渣氮、磷、钾养分替代量（率）对土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）含量和产量的影响方面的研究更还鲜见报道。因此，本研究选取成都平原稻麦轮作为研究对象，以养分含量存在差异的两种代表性菌渣-茶树菇菌渣和平菇菌渣为有机肥料（表1），以尿素、过磷酸钙和氯化钾为化学肥料，开展菌渣和化肥配施田间试验，研究不同菌渣的化肥氮、磷、钾养分替代率对土壤养分全量和作物产量的影响，以期优选出成都平原稻麦轮作模式下菌渣的化肥养分元素替代率与菌渣化肥配施方式，为成都平原菌渣资源化利用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验区位于成都平原四川农业大学现代农业研发基地（103°38′34"E，30°33′27"N），平均海拔512.4 m，中亚热带湿润季风气候，全年温暖潮湿，四季分明，年平均降水量1 100 mm左右，年平均气温为15.2℃。土壤类型为成都平原灰色冲积物发育而成的渗育型水稻土亚类、灰潮田土属和潮泥田土种，稻麦轮作为该地区最主要的耕作制度。供试土壤pH平均值为6.17，有机质（SOM）含量平均值为33.67 g/kg，全氮（TN）含量平均值为 2.14 g/kg，全磷（TP）含量平均值为0.06 g/kg，全钾（TK）含量平均值为8.51 g/kg，有效磷含量平均值为11.71 mg/kg，速效钾含量平均值为113.41 mg/kg。按照全国土壤养分含量分级标准[19]，该土壤有机质（SOM）含量为2级，属较高水平；全氮（TN）含量为1级，达到极高水平；全磷（TP）和全钾（TK）含量均为5级，属较低水平，因此，田间试验中充分考虑磷、钾养分的补充。

1.2 试验材料与设计

供试菌渣为草本类菌渣（茶树菇菌渣）和木本类菌渣（平菇菌渣），两种菌渣养分含量见表1；供试肥料为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）；小麦和水稻品种分别为内麦836和冈优188。

表1 菌渣养分含量Table 1 The nutrient concentrations of mushroom residue

田间试验以当地常规化肥施用量为基础，以菌渣对化肥氮的替代率为标准计算菌渣施用量，并用菌渣施用量反算各处理的磷和钾养分元素替代量和替代率。试验共设6个处理，分别为空白处理（CK）、常规化肥处理（CF，常规化肥氮替代率0.0%）、茶树菇菌渣的常规化肥氮替代率25%（TMR1）和50%（TMR2），以及平菇菌渣的常规化肥氮替代率的25%（POR1）和 50%（POR2），菌渣的各处理在小麦和水稻季施肥方案如表2和表3所示。每个处理设3次重复，共18个小区，每个小区面积均为4 m×5 m，随机排列，小区之间用6丝薄膜相互间隔并筑土埂。小麦和水稻分别在播种与施肥前测定个处理土壤理化性质，以此作为对比分析的基础。小麦于2019年10月播种，先施入氮、磷、钾肥后施入菌渣，2020年5月收获测产，之后旋耕整田移栽水稻，氮肥分基肥（70%）和拔节肥（30%）两次施入，磷、钾肥和菌渣一次性施入，同年9月收获测产。

表2 水稻季田间试验方案Table 2 Fertilization plans of rice kg·hm-2

表3 小麦季田间试验方案Table 3 Fertilization plans of wheat kg·hm-2

1.3 样品采集与测定

在小麦和水稻的分蘖期、拔节期和成熟期，按照5点混合取样法采集各小区0～40 cm土层的土壤样品混匀，去除杂物分别装入3个密封袋，存储于4℃冰箱中待测，测之前土壤样品经风干、研磨和过筛。土壤SOM采用重铬酸钾氧化-外加热法测定；pH按土∶水为1∶2.5体积比酸度计法测定；TN采用浓硫酸消解-凯氏定氮仪测定；TP采用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；TK采用NaOH熔融-火焰光度法测定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定。

1.4 数据处理分析

用Excel 2013进行数据整理，SPSS 20.0进行差异显著性检验（LSD，P＜0.05）与相关性分析，Origin 2019b完成数据作图。

2 结果与分析

2.1 不同类型菌渣和化肥配施对土壤养分含量和作物产量的影响分析

2.1.1 对土壤养分含量的影响分析

不同处理的土壤TN含量变化如图1所示。除TMR2处理外，水稻生育期内其他处理土壤TN含量呈现出先增后减的变化趋势，且TN最高含量均出现在拔节期；而小麦生育期内CK处理的土壤TN含量持续降低，CF、TMR2和POR2处理呈现出先增后减的变化趋势，最高含量均出现在拔节期，TMR1和POR1处理则呈现出先减后增趋势，最高含量均出现在成熟期。相比于稻麦分蘖期，成熟期CK和CF处理的TN含量均降低，而菌渣还田处理的TN含量均升高。与CF处理相比，水稻生育期内TMR1、TMR2、POR1和POR2处理的土壤TN平均含量分别显著（P＜0.01）提高 22%、24%、23%和 23%，小麦生育期内分别提高30%、10%、4%和12%，且TMR1处理显著（P＜0.01）高于其他处理，说明茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能够显著提升水稻和小麦生育期内土壤全氮平均含量，且茶树菇菌渣对提升小麦生育期内土壤TN平均含量的效果更好。

图1 不同处理在不同生育期的土壤TN含量Figure 1 Soil TN concentrations of different treatments in different growth periods

从图2可看出，稻麦生育期内CK处理土壤TP含量呈现出持续降低趋势，其他处理土壤TP含量在水稻生育期内呈现出先增后减的变化趋势，并且TP最高含量均出现在拔节期；而小麦生育期土壤TP含量变化趋势并不一致，具体表现为CF和POR1处理呈现出先增后减的变化趋势，在拔节期出现土壤TP含量最大值，TMR1、TMR2和POR2处理则呈现出先减后增的变化趋势，最高含量均出现在成熟期。相比于稻麦分蘖期，CK和CF处理的成熟期TP含量均降低，而菌渣还田处理的水稻成熟期土壤TP含量升高，但小麦成熟期TP含量降低。与CF处理相比，水稻生育期内TMR1、TMR2、POR1、POR2处理的土壤TP平均含量分别显著（P＜0.05）提高9%、41%、26%和20%，小麦生育期内分别提高21%、12%、2%和19%，TMR1处理同样显著（P＜0.05）高于其他处理。说明茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能够较显著提升水稻和小麦生育期内土壤TP平均含量。

图2 不同处理在不同生育期的土壤TP含量Figure 2 Soil TP concentrations of different treatments in different growth periods

不同处理的土壤TK含量变化如图3所示。稻麦生育期内CK处理土壤TK含量呈现出持续降低趋势，其他处理的土壤TK含量在水稻生育期内均呈现出先增后减的变化趋势，均在拔节期出现最高值；在小麦生育期，CF、TMR1和TMR2处理的土壤TK含量也呈现出先增后减的变化趋势，同样在拔节期出现最高值，但POR1和POR2处理变化趋势并不一致，其土壤TK最高含量出现在成熟期。相比于稻麦分蘖期，在水稻成熟期各处理的土壤TK含量均降低，而在小麦成熟期POR1和POR2处理土壤TK含量升高，其他处理也均降低。与CF处理相比，水稻生育期内 TMR1、TMR2、POR1 和 POR2 处理的土壤TK平均含量分别提高11%、55%、53%和19%；小麦生育期内却分别提高13.29%、21.11%、17.58.0%和4.20%。说明茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能提升稻麦生育期内土壤TK平均含量。

图3 不同处理在不同生育期的土壤TK含量Figure 3 Soil TK concentrations of different treatments in different growth periods

2.1.2 对稻麦产量的影响分析

不同处理的稻麦产量存在显著（P＜0.05）差异（图4）。POR2处理的水稻产量最高为（9 201.08±501.24）kg/hm2，其次为 TMR2（8 913.36±545.44）kg/hm2；而小麦产量最高的处理为TMR1（5 048.55±464.17）kg/hm2，其次为 POR2（4 862.79±431.83）kg/hm2，CK处理的稻麦产量均最低，分别为（7 110.66±218.47）kg/hm2和（3330.27±295.39）kg/hm2。与 CF 处理相比，TMR1、TMR2、POR1 和 POR2水稻产量显著（P＜0.05）提高7%、9%、6%和12%，小麦产量分别显著（P＜0.05）提高9%、16%、5%和12%。说明茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能够较显著地提升水稻和小麦产量。

图4 不同处理的作物产量Figure 4 Crop yields of different treatments

2.2 菌渣的化肥养分替代率对土壤养分含量和作物产量的影响分析

2.2.1 对土壤养分含量的影响分析

菌渣的化肥氮磷钾养分替代率和土壤养分含量的相关性分析表明（表4），稻麦生育期内土壤TN、TP和TK含量与菌渣的化肥养分替代率呈现出极显著（P＜0.01）和显著（P＜0.05）正相关关系；在水稻生育期，土壤pH和土壤SOM含量分别与菌渣的化肥养分替代率呈正相关和负相关关系，但并不显著，表明养分替代对土壤pH和SOM含量影响不大；而在小麦生育期却相反，土壤pH和SOM含量分别与菌渣的化肥养分替代率呈负相关和正相关关系，且 pH（P＜0.05）和 SOM（P＜0.01）相关性显著，表明养分替代能够显著降低土壤pH值、提高土壤SOM含量。

表4 菌渣的化肥养分替代率与土壤养分含量和稻麦产量的相关性分析Table 4 The correlation analysis between the nutrient replacement rate of mushroom residues and soil nutrient concentrations，rice and wheat yields

氮素养分替代率对土壤TK的影响。稻麦生育期内菌渣的氮素替代率与土壤TN含量呈现出显著（P＜0.01）正相关关系，稻麦两季生育期内土壤TN含量分别平均提高23%、14%，说明随着氮素养分替代率的增加，能够有效提升土壤TN含量，水稻季增加土壤TN含量的效果更好。

磷素养分替代率对土壤TP的影响。稻麦生育期内菌渣磷素替代率与土壤TP含量呈现出显著（P＜0.01）正相关关系，稻麦两季生育期内土壤TP含量分别平均提高24%、13.5%，说明随着磷素养分替代率的增加，能够有效提升土壤TP含量，水稻季增加土壤TP含量的效果更好。

钾素养分替代率对土壤TK的影响。稻麦生育期内菌渣的钾素替代率与土壤TK含量呈现出显著（P＜0.05）正相关关系，稻麦两季生育期内土壤TK含量分别平均提高34.5%、14.05%，说明随着钾素养分替代率的增加，能够有效提升稻麦两季土壤TK含量。

2.2.2 对作物产量影响分析

相关性分析（表4）显示，菌渣的化肥氮磷钾养分替代率与稻麦产量呈现出极显著（P＜0.01）正相关关系。同时，与 CF 处理比较，TMR1、TMR2、POR1 和POR2处理的水稻平均产量分别提高7.32%、8.54%、6.10%、12.04%，小麦平均产量分别提高9.39%、15.87%、5.43%、11.61%，说明菌渣对部分化肥氮磷钾替代施用能显著提高稻麦产量，稻麦产量的提升效率随菌渣的化肥氮磷钾养分替代率的增加而增加。

2.3 土壤养分含量与pH、SOM相关性分析

土壤pH、SOM与TN、TP和TK含量相关性分析显示（表5）：土壤pH与SOM、TN含量之间呈显著（P＜0.05）负相关，与土壤TP和TK含量分别呈现出正相关和负相关关系；而土壤SOM含量与土壤TN和TP含量呈显著（P＜0.05）正相关，与TK呈正相关关系但并不显著；此外，土壤TN、TP和TK之间均呈现出极显著（P＜0.01）正相关。相关性分析结果说明土壤养分含量之间相互促进、相互影响，而菌渣还田能够改变土壤pH和SOM，从而进一步影响土壤TN和TP。

表5 土壤pH、SOM和养分含量相关性分析Table 5 The correlation analysis of soil pH，organic matter and nutrient concentration

3 讨论

稻麦轮作模式下，传统的化学氮肥施用和水分管理将导致氮素通过地表径流流失造成水体氮素污染[20]，且科学地管理氮素是维持小麦和水稻可持续生产的重要途径[21]。因此，利用养分含量丰富的有机物料替代部分化肥养分施用是农业养分管理的有效方法，而本研究结果也表明菌渣还田与优化施肥相结合更有利于提高土壤养分含量和稻麦产量。

菌渣其本身含有丰富的氮、磷和钾等营养元素以及木质素、纤维素等富碳物质[22]，这些物质通过微生物分解释放后对提高土壤肥力和促进作物生长具有积极作用。我们的研究结果显示：与CF处理相比，水稻生育期菌渣还田处理分别提高土壤TN、TP和TK的养分含量分别处于22%～24%、9%～41%和11%～55%之间，小麦生育期分别提高土壤TN、TP和TK养分含量分别处于4%～30%、2%～21%和6%～7%之间，且菌渣的化肥养分替代率与土壤TN、TP、TK含量呈现出显著正相关关系，这说明菌渣替代部分化肥氮磷钾养分施用能够提高土壤养分含量，与众多[16，23-24]研究结果一致。胡留杰等[25]研究表明，菌渣还田显著提高土壤SOM和pH，而SOM和pH是驱动土壤微生物群落和代谢的最主要因素，我们的相关性分析也表明SOM和pH显著影响土壤TN、TP、TK含量，因此菌渣还田不仅可以直接提供作物生长所需营养元素，还可通过影响微生物间接促进养分转化过程。本研究结果表明，土壤TK含量在水稻生育期大幅提高，在小麦生育期氮素替代率25%、钾素替代率252.32%时，土壤TK含量略有降低，这可能与菌渣用量和钾素替代率不足有关，具体原因还需进一步探索。邓欧平等[13]研究表明，菌渣还田使土壤脱氢酶、蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性均呈现出先增后减的变化趋势，增强了微生物数量和代谢，显著提高土壤酶活性，因此在整个水稻生育期土壤养分含量均呈现出先增后减的变化趋势，养分最高含量均出现在拔节期，这也与菌渣腐解速率为前期快后期慢显著相关[26]。然而，土壤养分含量在小麦生育期变化趋势并不同于水稻生育期较为一致的表现，这可能是由于小麦在不同生长期对养分吸收不同于水稻所致，但最主要原因或许归因于土壤微生物代谢和酶活性降低[26]，因为相比于水稻生育期，小麦生育期土壤水分缺乏甚至造成土壤干旱，这并不利于微生物生长。在本研究中我们发现，虽然菌渣还田提高了土壤养分含量，但TMR2和TMR1处理分别在水稻和小麦生育期提高土壤养分含量高于其他处理，说明茶树菇菌渣提高土壤养分含量优于平菇菌渣，这或许与菌渣生理特性紧密相关。

众多研究[23-24，26]已经表明菌渣还田能够显著提高作物产量，这与本研究结果一致。在本研究中，TMR1、TMR2、POR1和POR2处理的稻麦产量与CF相比分别显著提高提高7.32%、8.54%、6.10%、12.04%和9.39%、15.87%、5.43%、11.61%，这主要由于菌渣还田能显著提高作物氮素利用率[28]，促进作物吸收氮磷钾等元素[23]，增强作物抑制病虫害能力[25]等，还能有效改善土壤团聚体结构、透气和透水性等[11-12]，促进作物根系呼吸和养分吸收，从而提高稻麦的株高、分蘖数、有效穗数、成穗率和千粒重[29]。此外，我们发现POR2和TMR2处理的水稻和小麦产量分别高于其他处理，说明菌渣的常规化肥氮替代率为50%时，能够极大提高稻麦产量，但综合考土壤对有机物料的容量和经济效益等，在土壤有机质（SOM）和全氮（TN）含量高、全磷（TP）和全钾（TK）含量低的稻麦轮作农田上，适宜选用菌渣的化肥氮替代率25%或磷（P205）替代率35%或钾替代率（K2O）250%，进行菌渣化肥配合施用。

4 结论

在土壤有机质（SOM）和全氮（TN）含量高、全磷（TP）和全钾（TK）含量低的稻麦轮作农田中，草本类（茶树菇）和木本类（平菇）菌渣替代部分化肥养分施用，能够显著提高土壤TN、TP、TK含量和稻麦产量。

①茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能够显著提升水稻和小麦生育期内土壤TN、TP和TK平均含量，小麦生育期内茶树菇菌渣对提升土壤TN平均含量的效果更好。而随着菌渣的氮、磷、钾素替代率的增加，水稻季增加土壤氮、磷、钾素含量的效果更好。

②茶树菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能够较显著地提升水稻和小麦产量，且菌渣替代常规施氮量的50%时增产效果最佳。与CF处理比较，TMR1、TMR2、POR1和POR2处理的水稻平均产量分别提高7.32%、8.54%、6.10%和12.04%，小麦平均产量分别提高9.39%、15.87%、5.43%和11.61%。

③稻麦生育期内土壤TN、TP和TK含量和稻麦产量与菌渣的化肥养分替代率呈显著正相关关系。