化肥有机肥配施对稻麦轮作系统作物产量和土壤肥力的影响

张翰林,郭惠宝,杨业凤,施 俭,陆利民,吕卫光∗

(1 上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海 201403;2 上海光明长江现代农业有限公司,上海 202178;3上海市浦东新区农业技术推广中心,上海 201201;4 上海市崇明区农业技术推广中心,上海 202150)

化肥过量施用易造成作物减产、品质下降,土壤板结、退化、肥力降低及环境污染[1-2]。 有机肥的原料主要为畜禽粪便与作物秸秆,在提供作物所需的有机质、氮磷钾养分的基础上,还含有大量的微量元素、腐殖酸、氨基酸等,长期施用可以有效改善土壤理化性质,提高作物品质,减少水体、土壤及大气污染,提高农业资源再利用[3-5]。

有机肥养分具有缓释特点,短期内会影响作物产量[6-7],化肥有机肥配施则兼具速效与长效肥力供应能力。 刘亦丹等[8]研究显示,有机肥替代25%—50%化肥可有效提高东北春小麦产量和氮素利用率;刘中良等[9]发现,有机肥替代15%—30%化肥处理可显著提升番茄产量与果实品质,促进土壤养分积累;唐丽等[10]发现,有机肥替代比例为20%时最有利于提高水稻产量和减少氮素面源损失;而刘红江等[11]认为,50%是最适宜的水稻有机肥替代化肥比例,可以增产并减少氮素流失率。 化肥有机肥配施的效果受到化肥有机肥比例、土壤质地、作物类型、气候条件等影响,开展特定地区化肥有机肥配施最佳比例研究对于提升土壤地力、保障食品安全具有十分重要的意义。 本研究针对稻麦轮作这一华东地区典型的粮食生产系统,研究不同有机无机肥配施比例对稻麦轮作系统的产量与土壤肥力的影响,以期为稻麦轮作系统的生态可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于上海市浦东新区曹路镇黎明村(31°27′65″N,121°70′49″E),种植制度为稻麦轮作,土壤类型为潮土。 土壤理化性质为:pH 7.9,有机质含量34.0 g∕kg,速效氮含量208 mg∕kg,速效磷含量3.1 mg∕kg,速效钾含量127 mg∕kg。 试验水稻品种为‘申优415’、小麦品种为‘扬麦12 号’。

1.2 试验设置

试验于2017 年小麦季种植开始,2018 年水稻季收获时取样分析。 采用大田小区方式,共设置5 个处理:不施肥空白处理(CK)、常规施肥处理(RT)、有机肥替代20%化肥处理(OT20%)、有机肥替代40%化肥处理(OT40%)、有机肥替代60%化肥处理(OT60%)(有机肥替代化肥均以纯氮计)。 采取随机区组排列,3 次重复,每个小区面积为506 m2,小区田埂高30 cm,内侧嵌防渗膜,嵌入土体深度30 cm,防止相互窜肥,小区两侧开通灌水沟和排水沟,灌排分开,沟宽约30 cm,深约20 cm。 各小区稻季与麦季施肥纯氮量保持一致,田间管理措施与当地高产田块相同。 各处理稻季与麦季肥料运筹情况见表1 和表2。 试验所用商品有机肥养分含量在施用前进行测定,其养分平均含量为有机质53.61%,总氮2.51%,总磷1.02%,总钾1.53%。

表1 稻季肥料运筹方案Table 1 Scheme of fertilization in paddy field kg·hm -2

表2 麦季肥料运筹方案Table 2 Scheme of fertilization in wheat field kg·hm -2

1.3 样品采集与分析

样品采集:于2018 年水稻收获期(2018 年11 月9 日)采用梅花型取样法采集0—20 cm 深度土样,储存于低温保鲜袋中带回实验室。 一部分土壤样品风干后过2 mm 筛进行理化性质测定,另一部分样品保存在4 ℃条件下用于土壤酶活性分析。

作物产量测定:稻麦收获后人工收割、晾晒,待谷物含水量降至14.5%以下,脱粒、称重,进行产量分析。 作物养分利用指标计算方法如下[8]:

土壤理化性质测定:pH 值采用电位法测定(水土比2.5∶1),有机质含量采用重铬酸钾氧化分光光度法测定,水解性氮含量采用凯氏定氮法测定,有效磷含量采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定,速效钾含量采用乙酸铵提取-火焰光度计法测定。

土壤酶活性测定[12]:蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定,脲酶活性采用靛酚蓝比色法测定,过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定。

1.4 数据处理

采用Excel 2007 和SPSS 16.0 软件进行数据统计和分析。

2 结果与分析

2.1 不同化肥有机肥配施比例对稻麦产量和氮素利用率的影响

由表3 可知,各施肥处理间水稻实际产量、穗长、千粒重和结实率均显著高于CK,彼此之间无显著差异。 OT20%处理有效穗数显著高于OT40%和OT60%处理,与RT 处理无显著差异,但比其高出7.0%。OT20%处理实际产量最高,比RT 处理高3.3%。 有机肥替代化肥比例越高,产量降低幅度越大,OT40%和OT60%处理分别比有机肥替代20%处理低7.7%和15.9%。

由表4 可知,各施肥处理小麦有效穗数和千粒重均显著高于CK,彼此之间无显著差异。 OT20%和OT40%处理实际产量和穗粒数与RT 处理间无显著差异,但OT60%处理穗粒数显著低于RT 处理,实际产量则显著低于RT 和OT20%处理,降低幅度分别为20.2%和23.5%。

表3 水稻产量结构Table 3 Effects of different treatments on paddy yield and its components

表4 小麦产量结构Table 4 Effects of different treatments on wheat yield and its components

稻麦轮作各处理氮素利用率通过氮素偏生产力和氮素农学利用率来表示。 各施肥处理间稻季氮素偏生产力无显著差异,但OT20%处理最高,比RT、OT40%和OT60%处理分别高3.0%、8.1%和18.5%;麦季OT20%处理氮素偏生产力最高,且显著高于OT60%处理,但与RT 和OT40%处理无显著差异。 各施肥处理间稻季和麦季氮素农学利用率差异显著,其大小顺序均为OT20% >RT>OT40% >OT60%(表5)。

表5 不同处理氮素利用率Table 5 Nitrogen utilization efficiency of rice and wheat under different treatments

2.2 不同化肥有机肥配施比例对土壤理化性质和酶活性的影响

稻麦收获季各处理土壤理化性质见表6。 各处理土壤pH 的范围在7.71—7.94,稻季和麦季CK 和OT20%处理均显著低于其他3 个处理;3 个有机肥替代处理有机质含量在稻季和麦季均高于RT 处理,且OT40%处理在稻季显著高于RT 处理;在速效养分方面,除OT60%处理速效钾含量在麦季与RT 处理无显著差异外,3 个有机肥替代处理的水解性氮、有效磷和速效钾含量在稻季和麦季均显著高于RT 处理,稻季和麦季的速效氮、磷、钾含量分别高29.1%和14.0%、21.3%和22.0%、25.1%和18.3%。

表6 稻麦收获季土壤理化性质Table 6 Soil chemical properties after rice and wheat harvest

稻麦收获季各处理土壤酶活性见表7。 3 个有机肥替代处理蔗糖酶活性在稻麦季均显著高于RT 处理,且彼此之间无显著差异。 OT20%处理脲酶活性在稻季显著高于RT 处理,提高幅度为24.7%,但OT40%和OT60%处理脲酶活性与RT 处理均无显著差异。 OT20%处理在稻季和麦季的过氧化氢酶活性最高,均显著高于RT 处理,分别提高了72.5%和51.8%。

表7 稻麦收获季土壤酶活性Table 7 Soil enzyme activities after rice and wheat harvest

3 讨论与结论

本研究中,OT20%处理稻、麦产量均最高,与前人研究结果相似[8,10]。 但有机肥替代40%和60%两个处理作物产量低于常规处理,高比例有机肥替代化肥处理降低了作物产量,这可能是因为有机肥养分释放需要时间,化肥有机肥配施能充分结合速效与长效养分的特点,提升养分的供应能力;另外,本研究试验时间仅为2 年,多量有机肥处理(40%和60%)还未完全展现出有机养分的长效优势[5,9]。 从作物产量结构方面看,本研究中水稻产量的提高主要是由于有效穗数的提升,小麦产量提高的主要影响因素则是有效穗数和千粒重,这与申长卫等[13]研究结果相似,也印证了单位面积成穗数的增加是水稻和小麦产量提升的关键因素[14]。

有机无机配施可以提升作物氮素利用率,但最有助于提升氮素利用率的有机无机配施比例却不尽相同。 刘亦丹等[8]发现,有机肥替代25%化肥条件下,东北春小麦氮素利用率提升幅度最大;杨晓梅等[15]研究得出,50%有机氮替代处理华北褐土冬小麦氮肥利用率最高,相比单施无机氮处理高53.0%。 本研究中,无论稻季还是麦季,有机肥替代20%化肥处理的氮素利用率均为最高,与申长卫等[13]和唐丽等[10]的研究结果相似。 研究结果的差异可能与试验土壤类型、时间长短和基础地力有关,有机肥的投入可以有效促进作物根系以及土壤微生物群落增长,进而提高作物的氮素利用效率[16]。

前人针对化肥有机肥配施对土壤肥力的影响已有多项研究。 高飞等[17]研究发现,小麦-玉米轮作系统中,有机肥的施入可以有效提高土壤有机质和速效氮磷钾的含量,但随有机肥的比例增加,速效钾含量先增高后降低,速效磷和碱解氮含量则持续升高;温延臣等[18]发现,有机无机配施肥可以有效增加土壤有机质、速效磷、速效钾和微生物含量;左婷等[19]研究发现,与常规施肥相比,速效养分中有机肥部分替代化肥仅显著提高了稻麦轮作土壤速效钾含量。 本研究结果显示,与RT 处理相比,有机无机配施肥显著增加了土壤速效养分含量,OT40%处理在稻季显著提高了土壤有机质含量,有机肥替代处理有机质含量在稻季和麦季平均提升7.8%和3.6%,表明有机无机配施可以在整个稻麦轮作生长季都保持良好的养分供应能力。

土壤酶活性是表征土壤肥力形成与演变的重要指标之一。 长期施肥和提高有机质含量均有助于提高蔗糖酶活性[20-21],本研究中,有机肥替代处理均显著提高土壤蔗糖酶活性,这可能与增加土壤酶促基质和调节土壤碳氮比有关。 脲酶是促进土壤氮循环的重要酶类,有机质含量和速效氮含量的提升均可以提高脲酶含量[21-22],本研究结果显示,与RT 处理相比,OT20%处理显著提升了土壤脲酶含量,但OT40%处理和OT60%处理提升效果不显著,这可能是因为随有机质投入的增加,为了调节碳氮平衡,微生物需要结合更多无机氮分解有机质,导致争氮现象出现,降低了氮素循环的速率。 过氧化氢酶可以表征土壤生物氧化程度,与物质能量循环相关。 邢鹏飞等[23]发现,有机肥的添加显著提升了棕壤的过氧化氢酶含量,且数量越大提升越多;魏猛等[24]则认为,比起纯有机肥,有机无机配施肥对黄潮土过氧化氢酶活性的提升作用更加明显。 本研究中,仅OT20%处理对过氧化氢酶活性提升作用显著,研究结果差异可能与施肥用量、时间和土壤类型有关。

在上海地区的气候与土壤条件下,针对稻麦轮作种植模式,在施肥氮素含量一致的情况下,相比常规施用化肥,有机肥替代20%化肥处理有提高作物产量的潜力,在短期内(一年)显著提升了土壤速效氮磷钾含量与酶活性水平,提升了作物氮素利用率,是一种值得推荐的化肥减量增效模式。 后续还将对有机肥替代化肥的长期效应开展研究。