洱海流域不同有机肥替代对土壤理化性质及油菜产量的影响

2021-12-20万辰马瑛骏张克强王风沈仕洲

农业环境科学学报 2021年11期

万辰，马瑛骏，张克强，王风，沈仕洲*

（1.农业农村部环境保护科研监测所，天津 300191；2.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；3.云南大理农田生态系统国家野外观测研究站，云南大理 671004；4.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030）

化肥在我国农业生产中占有重要地位，施用化肥是提高土壤肥力和作物产量的必要措施[1]。近年来，为提高产量而过量施用化肥导致的土壤地力退化，特别是土壤有机质含量下降和土壤养分失衡，对土壤质量和作物产量造成了长期的负面影响[2]。20世纪80年代以来，我国大力推荐施用有机肥。有机肥养分全面，有机质含量高，肥效长，能改善土壤生态系统使其良性循环，改良土壤，保持土壤肥力，提高农产品质量，减少或消除长期单施或过量施用化学肥料带来的负面影响[3]。有研究表明，化学肥料与有机肥配施可以增加土壤养分，提高土壤保肥能力以及肥料利用率，促进作物可持续生产[4-5]。刘彦伶等[6]的研究发现，施用有机肥显著提高了土壤有机质、全氮、速效氮、全磷、速效磷的含量，特别是有机肥与化肥配施效果最为明显。因为施用有机物料增加了土壤有机碳库，使微生物活性增强，从而促进土壤有机质转化，增加了土壤氮磷有效养分[7]。张鑫等[8]的研究发现，与常规施肥相比，配施腐植酸、有机肥的土壤中有机质含量平均增加2.38%和2.98%，速效氮含量平均增加5.69%和9.82%，有效磷含量平均增加14.47%和19.60%。有机肥肥效较慢，养分含量较低，难以满足作物生长期对养分的需求，因此，需要与化学肥料配合使用，以达到高产、稳产的效果[9-12]。马肖等[13]的研究结果表明，在化肥减量25%，有机肥配施量为3 375 kg·hm-2和4 500 kg·hm-2时，油菜产量分别提高102.0 kg·hm-2和343.5 kg·hm-2，增产5.6%和19.0%。在我国发布《到2020年化肥使用量零增长行动方案》的大背景下，有机无机肥配施的施肥方式将是我国今后施肥发展的必然趋势。

洱海位于云南大理白族自治州中部，是云南省第二大高原淡水湖以及国家重点保护水域。农业是该流域的基础产业[14]。2000年以来，随着洱海流域的快速发展，洱海污染负荷不断增加，水质不断下降，已成为富营养化初期湖泊。农业面源污染是导致洱海水质下降和富营养化的重要因素[15]。研究发现[16-17]，不合理的种植结构和施肥管理是造成农田氮磷流失、洱海富营养化加剧的重要原因。例如，在流域农业产业中，大蒜种植对种植业总氮和总磷的贡献率最大，占到流域种植业总排放量的74%[18]。油菜属于旱季越冬作物，对水肥需求较低，同时具有较高的经济价值，推广油菜种植对于洱海流域替代以大蒜为主的高水肥作物、改善种植结构具有重要意义。本研究设置不同有机肥替代的施肥处理，通过田间定位试验研究不同无机有机肥配比施肥对洱海流域土壤理化性质和油菜产量的影响，探究适宜当地油菜生产的环境友好型施肥方式，为洱海流域种植结构调整、农田科学合理施肥提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省大理市喜洲镇，云南大理农田生态系统国家野外观测研究站（25°53′34″N，100°10′27″E）。该地区气候属典型的低纬高原中亚热带西南季风气候，海拔高度1 980 m，年平均气温14.6 ℃，主导风向为西南风，多年平均降雨量为1 048 mm[19]。供试土壤为暗棕壤，试验开始前0～20 cm 土壤基本理化性质见表1。

表1 试验前土壤基本理化性质Table 1 Soil physicochemical properties before experiments

1.2 试验设计

试验共设8个处理：空白，不施用肥料（CK）；单施化肥（CF）；70%化肥+30%固体有机肥（T1）；30%化肥+70%固体有机肥（T2）；100%固体有机肥（T3）；70%化肥+30%液体有机肥（T4）；30%化肥+70%液体有机肥；100%液体有机肥（T6）。以肥料氮素折纯计算各处理施肥量，各处理施肥量见表2。每个处理设3 个重复，共24 个小区，每个小区面积为30 m2（5 m×6 m），随机区组设计。

表2 各处理油菜施肥量和养分折纯（kg·hm-2）Table 2 Fertilizer amount and nutrient content of rapeseed in each treatment（kg·hm-2）

田间试验时间为2020 年12 月1 日至2021 年5 月6 日。其中，固体有机肥在翻耕前一次性施入，翻耕深度约20 cm；50%氮肥、50%液体有机肥、全部磷肥、全部钾肥在翻耕后第2 d 一次性施入；其余氮肥和液体有机肥在越冬期（苗肥）施用20%、初薹期施用30%。常规施肥中氮肥为尿素（含氮量46%），磷肥为过磷酸钙（含磷量16%），钾肥为氯化钾（含钾量60%）；固体有机肥为牛粪有机肥（精制商品有机肥），氮（N）2.3%，磷（P2O5）2.4%，钾（K2O）5.7%；液体有机肥为含腐植酸的水溶肥，氮（N）120 g·L-1，磷（P2O5）30 g·L-1，钾（K2O）50 g·L-1。种植密度为25 000株·hm-2。

1.3 测定项目及方法

油菜收获后，采用五点混合法采集每个小区0～20 cm的土壤样品，风干，再根据不同指标要求研磨过筛。土壤容重采用环刀法测定，土壤pH值用土/水（1∶2.5）浸提法测定，有机质采用重铬酸钾容量法测定，全氮采用浓硫酸-蒸馏滴定法测定，全磷采用浓硫酸高氯酸消煮-钼锑抗比色法测定，铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用氯化钾浸提-分光光度法测定，有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定[20]。

在油菜收获后进行产量构成因素测量及统计，每小区选取代表性植株6 株，将整个植株带根挖出洗净。用卷尺测量株高，并调查一次分枝数、单株角数、每角粒数、角果长度、千粒质量；同时每个小区油菜割杆后，晾晒干燥7 d，再分别进行打收称取质量，测定其产量[21]。

1.4 统计与分析

利用SPSS 25.0 对数据进行方差分析及显著性差异分析，用Origin 2019做图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤氮素的影响

由图1A 可知，不同施肥处理对土壤全氮含量影响较大。其中CK、T1、T2、T3、T4 和T5 处理收获后土壤全氮含量较试前含量均有所下降，下降幅度分别为19.42%、4.48%、11.06%、15.59%、1.96%和1.43%，随着固体有机肥配施比例的增加，全氮含量呈下降趋势；CF 与T6 处理的全氮含量增加，增加幅度分别为2.66%和6.57%。

由图1B 和图1C 可知，各施肥处理中，除T2 处理土壤铵态氮下降11.77%和T3 处理土壤硝态氮下降1.64%外，土壤铵态氮、硝态氮含量较试验前土壤均得到提高，而不施肥处理的含量均降低，分别降低22.36%、33.21%，说明施肥对提高土壤铵态氮和硝态氮的含量有明显的促进作用。T1、T4 和T6 处理对土壤铵态氮含量提升较大，增幅范围在28.99%～39.92%。对于土壤硝态氮，固体有机肥配施处理与液体有机肥配施处理差异明显，浓度分别增加1.10%～108.79%和71.18%～270.94%，可以看出液体有机肥的处理效果比固体有机肥更加显著。单施液体有机肥处理的土壤铵态氮和硝态氮含量提升均最大，分别为39.92%和270.94%。

2.2 不同施肥处理对土壤磷素的影响

由图2A 可知，除T3 处理土壤全磷含量较试验前上升0.99%外，其余各处理较试验前土壤均降低。固体有机肥与液体有机肥处理效果差异较大，T1、T2、T3 处理土壤全磷含量与有机肥配施比例变化呈正相关，而T4、T5、T6处理呈负相关，且固体有机肥对增加土壤全磷含量的效果优于液体有机肥，在相同配比条件下，固体有机肥处理效果分别比液体有机肥高1.53%、8.20%、17.84%。

由图2B 可知，对于土壤有效磷，与试验前土壤相比，除CK 和T3 处理分别下降16.55%和3.33%外，其余施肥处理有效磷含量均有所提升；其中CF 和T1 处理效果没有显著差异（P＞0.05），而不同配比液体有机肥处理间差异较大，T4、T5、T6 处理土壤有效磷含量较试验前分别提升了77.40%、87.66%、123.24%，且液体有机肥的效果明显优于其他施肥处理。

2.3 不同施肥处理对土壤有机质的影响

由图3 可以看出，不同施肥处理对土壤有机质含量变化的影响不同。土壤有机质含量随有机肥配比的增加呈先上升后下降的趋势，不同种类有机肥均是70%有机肥+30%化肥的配比效果最好，T2与T5处理有机质含量分别增加了17.70%和28.66%，而单施有机肥的T3 和T6 处理有机质含量较试验前土壤提升较小；CK、CF、T4 处理土壤有机质含量较试验前土壤均有所下降，下降幅度分别为16.11%、3.40% 和8.43%。除T4外，有机肥的施用对增加土壤有机质含量均有提升作用。

2.4 不同施肥处理对土壤容重和pH值的影响

由表3 可知，各施肥处理土壤容重变化趋势为：CK、CF、T3 和T6 处理均导致土壤容重较试验前土壤有所下降，下降幅度分别为5.94%、9.90%、9.90%和3.96%，其中单施化肥和单施固体有机肥处理土壤容重下降最多；各无机有机肥配施处理对土壤容重的影响存在差异，与试验前土壤相比，T5 处理对土壤容重的影响效果不显著，而T1、T2 和T4 处理使土壤容重上升幅度较大，提升幅度分别达到15.84%、16.83%和17.82%。

由表3 可知，不同施肥处理土壤pH 值大小为CK＞T2＞T1＞CF＞T3＞T4＞T5＞T6，除液体有机肥与化肥配比处理外，其余处理pH 值较试验前土壤均有所上升，其中T4 处理对土壤pH 值影响最小，较试验前土壤pH 值仅下降0.11，CK 处理土壤pH 值提升最大，提升幅度为5.89%，CF、T1、T3 施肥处理pH 值变化较为接近，分别提升2.87%、3.31%、2.44%。而液体有机肥的施用普遍导致土壤pH值降低，与试验前土壤相比，T4、T5处理土壤pH值分别下降1.58%、2.88%，单施液体有机肥的T6 处理土壤pH 值下降幅度最大，下降5.17%。

表3 不同施肥处理土壤容重和pH值比较Table 3 Comparison of soil bulk density and pH value in different fertilization treatments

2.5 不同施肥处理对油菜产量构成的影响

从表4 可以看出，不同施肥处理对油菜农艺性状有一定的影响。各施有机肥处理中，随着有机肥配施比例的增加，除T5 较T4 处理油菜株高上升16.98%外，油菜株高、角果长度、单株角果数、千粒质量均呈下降趋势，T3 与T1 相比分别下降42.40%、30.62%、45.80%、41.95%，T6 与T4 相比分别下降19.81%、19.98%、30.44%、20.18%；对于一次分枝数和每角粒数，不同施肥处理间没有显著差异，说明施肥不是影响这两个性状的主要因素；不同施肥处理小区产量的大小为CF＞T4＞T1＞T5＞T6＞T2＞T3＞CK，与CF 处理相比，T1、T2、T3、T4、T5、T6处理的油菜产量分别降低了18.06%、50.35%、76.65%、13.97%、19.08%、31.72%，单施固体有机肥的T3 处理表现最差，小区产量仅比不施肥处理高5.37%。

表4 不同施肥处理油菜产量构成比较Table 4 Comparison of yield composition of rapeseed in different fertilization treatments

3 讨论

3.1 不同施肥处理对土壤养分的影响

施肥最直接的作用是增加土壤氮磷等养分含量。研究结果表明，与试验前土壤相比，有机无机肥配比处理除T6 处理全氮含量上升6.57%外，全氮、全磷含量均有不同程度的下降；对于土壤全氮，随着固体有机肥配施比例的提升，氮素含量下降幅度变大，原因是有机肥分解缓慢，大部分氮素随有机肥停留在土壤表层，在同等施氮条件下较化肥生效慢；随着液体有机肥配施比例的提升，氮素含量下降幅度变小，原因是液体有机肥中含有的大量速效养分能快速提高土壤氮素含量水平。对于土壤全磷，T1～T3 处理土壤全磷含量与有机肥配施比例变化呈正相关，而T4～T6处理呈负相关，原因是以氮素折纯确定施肥量，随着同等氮素下有机肥配比的增加，固体有机肥肥料中磷素的占比大幅增加，而液体有机肥中磷素占比却大幅减小，因此在实际生产中，应为液体有机肥配施一定量的磷肥，以补充磷素。

施肥对土壤铵态氮、硝态氮、有效磷含量也有明显的影响。与试验前土壤相比，在不施肥的情况下土壤铵态氮、硝态氮、有效磷含量下降显著，除T2、T3处理外其他施肥处理土壤铵态氮、硝态氮、有效磷含量均有提升，原因是T2、T3 处理的固体有机肥占比过高，肥效缓慢；液体有机肥的施用能使土壤铵态氮、硝态氮、有效磷含量在短时间内大幅提高，尤其是在单施液体有机肥的情况下，增幅分别达到39.92%、270.94%、123.24%。柴彦君等[22]和张宏伟等[23]的研究结果表明，有机肥中的大量腐植酸对于培肥改良土壤具有重要作用，特别是对提升土壤速效养分含量有显著作用。这可能是由于腐植酸富含各种官能团，这些官能团能与土壤中富含氮、磷养分的阳离子形成络合物，减少土壤氮素、磷素的各种流失，抑制氮、磷在土壤中的固定，能使土壤释放更多的无效态氮和磷，同时有机物料的施用增加了土壤有机碳库，增强了微生物的活性，从而促进土壤有机质转化，提高了土壤氮磷速效养分的含量。

研究表明有机肥的施用使大量有机质进入土壤，30 a长期定位试验表明，施有机肥的西北地区和华北地区土壤有机质含量平均增加了51%和68%，南方旱地和长江流域水田土壤有机质含量平均增加24%[24]。刘灿华等[25]的研究发现，单施化肥土壤有机质含量明显降低，有机无机肥配施土壤有机质含量增加，其中化肥配施腐植酸的土壤有机质含量高于其他处理。本研究发现，不施肥处理的土壤有机质含量下降了16.0%，说明没有有机肥的施入会导致土壤有机质不断被消耗，随有机肥施用配比的增加土壤有机质的含量也呈上升趋势，说明有机肥的施用可以直接将有机质带入土壤，其中70%液体有机肥+30%化肥的配比效果最好，使土壤有机质增加28.66%。有机质不仅能提高土壤总孔隙度、含水量、阳离子交换量，还能强化土壤微生物代谢，加速土壤有机质矿化，从而产生大量有机酸，并通过酸溶作用促进土壤养分释放，使农田生态系统良性循环。

3.2 不同施肥处理对土壤物理性质的影响

土壤容重是重要的土壤物理性质指标，土壤容重大小可较好地反映土壤结构、透气性、透水性和溶质迁移潜力[26]。不同施肥处理有机物料的比例，能对土壤容重产生较大影响。OPOKU-KWANOWAA 等[27]的研究表明，有机肥处理组与空白对照组相比，土壤容重下降了5.6%～18.0%，孔隙度显著提升了6.0%～25.9%，且在处理后的土壤中记录到较高的黏粒含量和淤泥含量。本研究发现，与试验前土壤相比，不施肥处理、单施化肥、单施固体有机肥和单施液体有机肥分别使土壤容重下降了6.32%、9.90%、9.90%、3.96%，单施化肥效果最好，而有机无机肥配施均导致土壤容重上升，这可能是因为化肥的加入导致有机肥分解缓慢，短时间内无法促进土壤团聚体的形成。众多研究显示[28-30]，有机肥处理的土壤气相普遍偏高，而液相普遍偏低，原因是有机肥的施入使土壤中有机无机复合体增加，有利于土壤微团聚体的形成，能有效提高土壤的孔隙度，疏松土壤，促进土壤微生物活性的提升，降低土壤容重。王改兰等[31]的研究发现，单施化肥也能改善土壤的物理性质，如土壤容重、土壤孔隙度等。但是单施化肥不利于土壤物理结构的形成，且有损害土壤物理结构的趋势，这需要有机肥施用长期定位试验进一步验证。

土壤pH 值直接影响土壤肥力和作物生长发育。在我国长江三角洲地区，蔬菜种植规模较高，大面积种植导致复种指数高，且施用肥料以化肥为主，肥料投入比例较高。这种种植模式导致该地区土壤出现酸化现象[32]。本研究发现，固体有机肥的施用使土壤pH 值有所提升，其中单施固体有机肥的施肥方式维持土壤pH 值的效果最好，而液体有机肥的施用普遍导致土壤pH 值的降低，与试验前土壤相比，T4、T5、T6 处理分别导致土壤pH 值下降了1.58%、2.88%和5.17%。张世民等[33]发现，沼肥处理无论在壤土还是砂壤土的各处理中pH 值均为最低，表明沼肥的施入有降低土壤pH 值的效果。王毅琪等[34]也发现，随施用沼液浓度的提高，土壤pH 值呈明显下降趋势。这与本研究结果相符，原因可能是液体有机肥中含有大量腐植酸。

3.3 不同施肥处理对油菜产量的影响

研究结果表明，单施化肥处理的油菜产量达到最大，与其相比，T1、T2、T3、T4、T5、T6 处理的油菜产量分别减少了18.06%、50.35%、76.65%、13.97%、19.08%、31.72%，除CK 外，单施固体有机肥处理的油菜产量最低，仅有1 766 kg·hm-2，原因是有机肥肥效缓慢，不能满足油菜生长期旺盛的养分需求，因此有机肥需要与化肥配合使用才能达到最好的效果，其中T1、T4 处理施肥效果较好，较单施化肥仅降低了18.06%、13.97%；随着有机肥在肥料配比中的增加，油菜株高、角果长度、单株角果数、千粒质量也均呈下降趋势，这也是施用有机肥造成油菜减产的原因之一，可能是在油菜蕾薹期养分供给不足，可以通过增加基肥施用比例和在蕾薹期中追施速效肥的方法解决，从而维持施用有机肥后的油菜产量。有机无机肥配施虽然会造成作物一定程度的减产，但考虑到有机肥对土壤培肥是一个较为缓慢的过程，长期进行有机无机配施在增产方面可能有更好的效果，可通过开展有机肥施用的长期定位试验，阐明有机无机肥配施对作物和环境的长期影响。