化肥减量配施有机肥对粤西地区水稻产量和养分利用的影响

何国和，陈海斌，杜建军，张伟丽，郭丽华，胡益波，颜肇华，张婧

（1仲恺农业工程学院，资源与环境学院/广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广州 510225；2仲恺农业工程学院，农业与生物学院，广州 510225；3德庆仲恺农业产业科技创新研究有限公司，广东德庆 526642；4德庆县农业技术推广中心，广东德庆 526600；5德庆县农业科学研究所，广东德庆 526600）

0 引言

广东是中国双季稻的主要产区之一，同时作为全国人口最多的省份，也是稻米的主要消费市场[1]。然而从2011年至2019年，广东省水稻种植面积与产量呈逐年下降趋势，水稻种植成本逐年上涨[2]，水稻的种植直接影响着广东的粮食安全。在广东省农业生产中存在化肥过量施用以及有机肥投入量不足等问题，化肥的过量施用容易导致土壤酸化板结，土壤碳排放量增加以及污染环境[3]，有机肥施用量过低降低了肥料的农学效率，甚至给环境带来不利影响，这些对于中国农业绿色转型以及可持续发展带来严峻的挑战[4]。近年来农业农村部在各省市多举措开展化肥减量增效行动，其中因土按需施肥的测土配方施肥技术和科学施用有机肥替代化肥技术等措施在广东省大力推广。有研究表明适当减少化肥施用量、改进施肥关键技术，有利于农户实现水稻增产增收[5]。有机肥替代化肥施用技术是一种在满足作物生产需要、提升地力的同时可以减少环境污染、提高肥料效率的技术措施[6-8]。目前，国家关于有机肥替代化肥施用对作物产量和土壤肥力的研究较多，鲁伟丹等[9]研究发现，有机氮磷替代率为18%～24%时，可以增加土壤速效养分含量、提高肥料利用率并实现作物稳产；温延臣等[10]研究发现，商品有机肥部分替代化肥较单施化肥相比，土壤有机碳增加了19.5%，土壤全氮提高了12.3%；任科宇等[11]研究发现，商品有机肥部分替代化肥能够提高长江流域水稻的产量和籽粒含氮量，以30%～60%替代比例为宜；但在粤西地区以水稻为研究对象的文献研究较少，粤西地区是广东省重要的农作物种植区域，水稻产业更是该地区农业结构的重要组成部分，因此，研究粤西地区水稻优化施肥技术对于保障广东省粮食安全具有重要性意义。

本文田间试验点位于广东省肇庆市德庆县，以水稻为研究对象分析了4 种优化施肥方式[优化施肥处理(OPT)、增有机肥处+化肥减量处理1(OM1)、增施有机肥处+化肥减量处理2(OM2)和增施有机肥处+化肥减量处理3(OM3)]对水稻产量、肥料偏生产力及土壤养分平衡的影响。研究结果将对粤西地区减少化肥损失浪费、提高养分利用效率具有一定的实际指导价值，以期为科学评价化肥减量效果以及示范推广提供理论依据和支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

水稻田间试验于2021年3月28日至2021年7月4日进行，试验点位于广东省德庆县官圩镇五福村(23°26′N，111°8′E)，该地区属亚热带地区，年均日照时数1848 h，年平均气温22.3℃，年均降雨量1513 mm。试验地常年种植水稻，供试土壤类型为水稻土，水稻品种为当地自留种常规稻。该地区的熟制为一年两熟制。田间试验前土壤基础养分状况见表1。

表1 供试土壤0～20 cm深度种植前土壤养分状况

1.2 试验材料与设计

在德庆县五福村水稻核心种植区域中选择具有代表性的田块，试验采用随机区组设计，设置4 个处理，包括：优化施肥处理(OPT)、增有机肥处+化肥减量处理1(OM1)、增施有机肥处+化肥减量处理2(OM2)和增施有机肥处+化肥减量处理3(OM3)，每个处理3 次重复，共12个小区，小区面积为20 m2（长5 m，宽4 m），小区之间用尼龙薄膜隔离防止窜肥，试验地四周设置保护行。

优化施肥处理依据测土配方施肥技术确定氮肥、磷肥、钾肥的施用量，肥料品种为尿素（含N 量为46%）、过磷酸钙（含P2O5量为14%）、氯化钾（含K2O量为60%）；尿素做基肥、回青肥、幼穗分化肥的施用比例为40%:40%:20%，过磷酸钙全部做基肥施用，氯化钾做基肥和幼穗分化肥的比例为50%:50%。

OM1 处理、OM2 处理和OM3 处理分别在农户习惯施肥量基础上减少10%、20%和30%化肥施用量并添加1500 kg/hm2商品有机肥，农户习惯施肥施肥量依据当地农户习惯制定，且仅施用化肥，3个处理肥料品种为碳酸氢铵（含N量为17%），尿素（含N量为46%），复合肥(15-15-15)。商品有机肥含N 1.10%、P2O50.63%、K2O 1.13%。有机肥全部做基肥施用，碳铵、尿素和复合肥分别做基肥、回青肥和幼穗分化肥施用。3个时期肥料的氮素投入占比为53%：18%：29%，磷素、钾素投入均源于复合肥。各处理施肥用量见表2。各处理间除肥料用量不一致外，除草、除虫、灌溉、防治病害等田间管理措施均相同。

表2 试验期各处理施肥量 kg/hm2

在试验区外为农户常规施肥(CK)管理区域，施肥种类为碳酸氢铵（含N量为17%）、复合肥(15-15-15)和尿素（含N 量为46%），施用总量见表2 注释。在管理区域内划定265.72 m2，全区收获测产，同时抽取3 个1 m2（长1 m，宽1 m）样方测样，测定指标与小区试验相同。其他田间管理措施与试验区均一致。

1.3 样品采集与测定

水稻成熟时采用全区收割法进行脱粒测产，分别称量水稻秸秆和谷粒的鲜重。取适量的水稻秸秆和谷粒样品于105℃杀青20 min，然后在75℃下烘干至恒重并记录干重。烘干后的样品粉碎过筛，实验室采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定植株中的全氮、全磷和全钾含量[12]。

1.4 收获后土壤养分的测定

在收获完水稻后，将管形取土器钻入0～20 cm 深度土层，采集土壤样品装袋保存，每小区多点取样，组成混合样品，并测定其pH、碱解氮、有效磷和速效钾等基础理化性质，操作方法具体参照《土壤农化分析》[13]分别采用pH计、碱解扩散法、碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法、乙酸铵浸提—火焰光度法进行测定。

1.5 参数计算

（1）氮肥偏生产力。计算公式如式(1)所示。

公式中PFPN为氮肥偏生产力(kg/kg)；Y为水稻籽粒产量(kg/hm2)；FN为氮肥（折纯）投入量(kg/hm2)。磷肥和钾肥的偏生产力计算同氮肥[14]。

（2）氮素吸收率。计算公式如式(2)所示。

公式中UPEN为氮素吸收率(kg/kg)；Ntotal为水稻全生育期地上部分氮素积累量(kg/hm2)；FN为氮肥施用量(kg/hm2)。磷素和钾素吸收率的计算同氮素[15]。

（3）土壤氮素表观平衡。计算公式如式(3)所示。

公式中∆P为土壤氮素表观平衡(kg/hm2)，P2为施入土壤中化肥和有机肥的总氮肥量(kg/hm2)，P1为水稻籽粒和秸秆收获带走的总氮量(kg/hm2)。水稻收获带走的总氮量(kg/hm2)=水稻秸秆干重×秸秆养分含量+水稻籽粒干重×籽粒养分含量。土壤磷素和钾素表观平衡计算同氮肥[16]。

（4）氮素表观盈余率。计算公式如式(4)所示。

公式中NASR为氮素表观盈余率(%)；FN为氮肥（折纯）投入量(kg/hm2)，Ntotal为水稻全生育期地上部分氮素积累量(kg/hm2)。磷素和钾素表观盈余率的计算同氮素[17]。

1.6 数据处理与分析

利用SPSS19.0软件中One-way ANOVA分析方法进行方差分析和多重比较，用Excel 2016 软件进行数据整理与作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥措施对水稻产量的影响

4种施肥方式下水稻籽粒产量在5667～5967 kg/hm2之间，且不同施肥方式之间水稻籽粒产量差异不显著（图1）。从植株光合产物转化效率来看，4种施肥方式下水稻谷杆比在1.09～1.31 之间，其中OM3 处理谷杆比最高(1.31)，光合产物转化效率最高；OPT 处理谷杆比显著高于OM1 处理(P＜0.05)；3 个增施有机肥处理（OM1、OM2 和OM3）中，OM3 处理谷杆比显著高于OM1 和OM2 处理(P＜0.05)（图1）。与农户习惯施肥相比，4 种施肥处理谷杆比均增加。在增施有机肥的处理中（OM1、OM2 和OM3），随着化肥施用量的减少，谷杆比呈现逐渐增加的趋势。

图1 不同优化施肥措施对水稻产量和谷杆比的影响

2.2 不同施肥措施对植株养分含量的影响

3个增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）籽粒含氮量之间没有显著差异，优化施肥处理(OPT)籽粒含氮量显著高于OM3处理(P＜0.05)；不同处理秸秆含氮量之间没有显著差异（图2）。不同处理籽粒和秸秆含磷量之间均没有显著差异。与农户习惯施肥(CK)相比，4种施肥处理籽粒和秸秆含磷量均增加。3个增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）中，OM3处理籽粒含钾量显著低于OM1 处理(P＜0.05)；优化施肥处理(OPT)秸秆含钾量显著低于增施有机肥处理（OM1、OM2 和OM3）(P＜0.05)。与农户习惯施肥相比，4 种施肥处理籽粒和秸秆含钾量均增加。

图2 不同施肥处理对植株养分含量的影响

2.3 不同施肥措施对肥料农学效率的影响

由表3 可知，不同施肥处理的肥料偏生产力基本表现为磷肥＞钾肥＞氮肥。OPT、OM1、OM2 和OM3处理氮肥、磷肥和钾肥偏生产力分别在30.4～47.2、96.0～122.1、47.2～105.9 kg/kg 之间。其中OPT 处理氮肥偏生产力最高(47.2 kg/kg)，且显著高于其他3 个处理(P＜0.05)；OM3处理磷肥偏生产力最高(122.1 kg/kg)，显著高于OM1 处理(P＜0.05)；OM3 处理钾肥偏生产力最高(105.9 kg/kg)，显著高于OM1 和OPT 处理(P＜0.05)。在增施有机肥的处理中（OM1、OM2和OM3），随着化肥施用量的降低，氮肥、磷肥和钾肥偏生产力均呈现逐渐增加的趋势。

表3 不同肥料优化措施对肥料农学效率的影响 kg/kg

由表3可知，OPT、OM1、OM2和OM3处理植株氮素、磷素和钾素吸收率分别在0.40～0.62、0.50～0.65、0.44～1.02 kg/kg之间。其中OPT处理氮素吸收率最高(0.62 kg/kg)，且显著高于其他3个处理(P＜0.05)；OM3处理磷素吸收率最高(0.65 kg/kg)，各处理组间差异不显著；OPT处理钾素吸收率最低(0.44 kg/kg)，显著低于OM1、OM2 和OM3 处理(P＜0.05)。在增施有机肥的处理中（OM1、OM2 和OM3），随着化肥施用量的降低，磷素和钾素吸收率均呈现逐渐增加的趋势。

2.4 不同施肥措施对水稻收获后土壤养分状况的影响

由表4 可知，4 种施肥措施中，增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）水稻收获后土壤在pH 4.56～5.42之间，高于优化施肥处理(OPT，pH 4.53)；OM1和OM2处理水稻收获后土壤pH高于水稻种植前，优化施肥处理(OPT)相反。增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）水稻收获后土壤碱解氮在150.47～159.12 mg/kg 之间，速效钾在100.54～119.92 mg/kg 之间，高于优化施肥处理（OPT，碱解氮和速效钾分别为134.76、97.90 mg/kg）。OM1、OM2 和OM3 处理有效磷含量（在123.42～125.68 mg/kg 之间）显著高于OPT 处理(100.45 mg/kg)(P<0.05)。4 种施肥措施的有效磷与速效钾均高于水稻种植前含量（分别为20.46、58.90 mg/kg），4 种施肥措施的碱解氮均低于水稻种植前含量(159.26 mg/kg)。

表4 水稻种植前后土壤养分状况

2.5 不同施肥措施对土壤氮、磷、钾表观平衡的影响

由表5 可知，4 种施肥措施氮素、磷素和钾素表观平衡均处于盈余状态。增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）氮素平衡在86.0～115.3 kg/hm2之间，显著高于优化施肥处理（OPT，氮素平衡为54.2 kg/hm2）(P<0.05)。增施有机肥处理（OM1、OM2 和OM3）磷素平衡在17.1～29.8 kg/hm2之间，其中OM1处理显著高于优化施肥处理（OPT，磷素平衡为19.83 kg/hm2）(P<0.05)。增施有机肥处理（OM1、OM2和OM3）钾素平衡在1.2～5.8 kg/hm2之间，显著低于优化施肥处理（OPT，钾素平衡为67.0 kg/hm2）(P<0.05)。在增施有机肥的处理中（OM1、OM2和OM3），随着化肥施用量的降低，氮素、磷素和钾素表观平衡均呈现逐渐降低的趋势。

表5 氮、磷、钾表观平衡

3 讨论

商品有机肥与化肥配合施用是中国农作物可持续生产的主要方向。近年来，有关化肥减量、增施有机肥等不同优化施肥处理对水稻产量及农学效率的研究较多[18-20]。测土配方施肥技术通过精准施肥，一方面有效减少化肥（比如氮肥）的过量施用，进而有效缓解农业面源污染；另一方面有效解决作物生长营养元素补充不均衡问题，提高土壤生产潜力和作物产量。增施有机肥可以增加土壤有机质含量，提高水稻有效穗数与颖花数，稳定结实率与千粒重，从而增加水稻产量。本研究表明，与农户常规施肥相比，4种优化施肥方式产量差异不显著，优化施肥和增施有机肥措施均可以起到稳产效果，其中OM3处理最好；4种措施谷杆比、籽粒和秸秆含磷量、含钾量均高于农户常规施肥措施。而在增施有机肥条件下，有机肥替代农户习惯施肥量30%组合方式水稻产量最高。使用有机肥替代化肥比例并非越高越好，而是需要最佳比例，超过界限时反而会使产量降低，这与孟琳等[20]在江苏省研究所得在氮用量180 kg/hm2下，有机肥料氮的替代率在15%至30%的配施处理时可以获得更高的肥料利用率的结果相比基本一致。商品有机肥替代处理较仅施化肥处理，植株氮素吸收率显著降低，一方面因为在本研究中商品有机肥处理的施氮量较高[在式(1)中尽管分子氮素积累量无显著变化，但分母施氮量更大]，另一方面是因为有机肥中养分矿化释放是一个很缓慢的过程。本研究在施氮量低于农户常规施肥条件下，产量依旧保持稳定，可能由于农户长期高量施氮肥增加了土壤残留，而试验合理施氮减少土壤的残留与损失，增加了对土壤氮库的消耗，导致试验后土壤碱解氮含量均略微减少（表4）。因本研究为单季水稻试验，且商品有机肥替代农户常规施肥量30%为最大有机肥替代率，所以减少化肥用量更高的有机肥替代率是否可以更好地稳定作物产量、提升土壤肥力则需要进一步研究。

偏生产力是反映土壤基础养分水平和肥料施用量综合效应的重要指标[21]。本研究中，与仅减量施用化肥的方式相比，增施有机肥处理的氮肥偏生产力显著降低（P＜0.05，见表3），增施有机肥处理的钾肥偏生产力显著提高(P＜0.05)，磷肥偏生产力无显著变化；与华南地区水稻的氮肥偏生产力39.6 kg/kg[21]相比，增施有机肥处理(OM3)的氮肥偏生产力无明显变化，仅减量施用化肥的氮肥偏生产力有所提高。增施有机肥相较仅施用化肥而言，化肥能快速补充水稻生长所需养分，而有机肥中的养分在土壤中矿化分解速率较缓慢，可以满足水稻长期养分需求，从而对水稻稳产起到一定的效果，这与前人研究结果[22-23]基本一致。由于增施有机肥对土壤是一个长期影响过程，本试验研究仅有一个生长季，还需要进行长期定位试验进一步研究。综合产量、谷杆比、磷钾肥偏生产力考虑，有机肥替代农户常规施肥量30%在4种措施中效果最好。

在土壤养分含量方面有研究结果表明，氮肥减量施用能够有效降低水稻生态系统中氮、磷元素径流的损失[24]；测土配方施肥在维持产量、土壤肥力和稻田土壤养分表观平衡的基础上，通过减少肥料用量，提高肥料农学效率、降低环境径流等损失[25]。长期施用商品有机肥能够有效提升地力，增加土壤有效养分含量[26]。前人研究结果表明有机肥化肥配施处理比单施用化肥处理显著提高土壤氮素含量，改善土壤供氮特性，提高了氮素利用率[27]。无论是仅施用化肥还是配合施用有机肥均对土壤有效磷和速效钾含量均有提升作用[28]、合理利用商品有机肥配合氮、磷、钾肥施用可以稳定较高水平生产力和维持稻田生态系统的养分平衡[29]。本研究结果也显示，经过4 种优化施肥措施处理后，土壤有效磷、速效钾含量显著提高。合理施肥配比提高了土壤养分含量。

土壤养分表观平衡是土壤作物系统输入养分与所输出养分的差值，是养分回收率的一种表达式[30]，养分盈余是衡量养分输入生产力、环境影响和土壤肥力变化最有效的指标[31]。在本研究中，养分表观平衡计算中考虑输入输出的源因素（肥料养分总投入量和作物移走量），不考虑其转移因素（如径流、淋溶等）和其他因素（秸秆还田、生物固氮、干湿沉降和气态损失等），因此，养分表观平衡可以看作肥料投入的回收率，值越低说明养分从系统回收的可能性越大。本研究结果表明，4种优化施肥处理后土壤养分表观平衡均为正值，这说明土壤中的氮素、磷素、钾素仍有盈余。与优化施肥处理相比，有机肥替代处理的土壤氮素表观平衡显著提高，有机肥替代处理后的土壤氮素表观盈余率高于仅施化肥处理，土壤钾素表观平衡显著降低，土壤钾素表观盈余率显著降低，说明增施有机肥处理既可以实现土壤钾素培肥目的，又可以避免农业生产中肥料过量投入导致对环境造成的潜在威胁[32]。

产投比是在给定作物生产条件下对农作物产量和农业经济效益的综合分析。通过不同肥料优化措施经济效益分析（表6），可得4 种优化施肥措施中OM3 产量最高(5967 kg/hm2)，OM1 为本试验最高产量施氮量。4 种优化处理的产值在23801.4～25061.4 元/hm2之间，OM1 处理的肥料成本最高，产投比最低。4 种优化处理施肥间OPT 处理的肥料成本最低，施肥收入和产投比最高，OPT 处理为本试验经济最佳施氮量。在本研究中，合理施肥范围在经济最佳施氮量和最高产量施氮量之间（OPT 与OM3 之间）。与OM1、OM2 和OM3 处理相比，OPT 处理的产投比平均分别显著提高了121%、100%、85% (P<0.05)。综合产量、氮肥偏生产力、氮素吸收率、土壤中氮素表观盈余率和产投比考虑，优化施肥措施在4种措施中效果最好。

表6 不同肥料优化措施经济效益分析

4 结论

（1）优化施肥和增施有机肥措施均可以起到稳产效果，4 种措施谷杆比、籽粒和秸秆含磷量、含钾量均高于农户常规施肥措施。（2）综合产量、谷杆比、磷钾肥偏生产力考虑，有机肥替代农户常规施肥量30%在4种措施中效果最好。（3）综合产量、氮肥偏生产力、氮素吸收率、土壤中氮素表观盈余率和产投比考虑，优化施肥措施在4种措施中效果最好。