有机肥部分替代化肥对水稻产量和土壤理化性质的影响

徐有祥，朱真令，王昱妃，童璐，周凌霄，张燕，邵国胜，尹献远

(1.龙游县农业农村局，浙江 龙游 324400；2.龙游县种植业发展中心，浙江 龙游 324400；3.中国水稻研究所，浙江 杭州 310006；4.衢州市农业农村局，浙江 衢州 324000)

水稻是我国的主要粮食作物之一，施用化肥对提升水稻产量、确保我国粮食供给安全具有重要意义[1]。然而，偏施或过施化肥反而会限制水稻增产，同时加剧土壤酸化、重金属镉活性增加以及微生物丰度、活性下降等一系列耕地土壤质量问题[2-4]。另外，氮营养是维持水稻高产的主要养分，目前因滥用氮肥导致我国氮肥利用率远低于世界平均水平[5]。因此，探究适宜水稻生产的化肥减量增效技术措施对于我国水稻可持续生产极为重要。有机肥含有大量有机质，长期施用能提高土壤有机质，改善土壤团粒结构，增强土壤保水保肥能力[6-9]。另外，有机肥能够为土壤微生物提供活动所需的碳、氮源及营养物质，提升代谢功能，丰富土壤微生物多样性[10-12]。已有研究[13-15]表明，施用有机肥能够改善稻米加工与食味品质，减缓土壤酸化以及降低稻米镉污染风险。然而，单纯使用有机肥相对化肥而言肥效较低，已有研究[16-17]认为，有机肥部分替代化肥能够有效促进土壤碳循环，提高土壤肥力，实现农作物可持续性高产。本研究以早、晚双季稻为研究对象，探究不同比例有机肥替代化肥对水稻产量、品质以及土壤理化性质的作用效果，为促进有机肥在水稻生产上的推广应用和水稻生产的化肥减量增效技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验于浙江省衢州市龙游县富穗家庭农场基地内(28°97′47″N、119°17′5″E)进行，该地属于亚热带季风气候区，年平均降水量1 602.6 mm，年平均相对湿度79%，无霜期为257 d，土壤为水稻土。试验前于0～20 cm采集土样，土壤pH值为5.58，有机质含量29.4 g·kg-1，全氮含量1.8 g·kg-1，全磷含量503.9 mg·kg-1，全钾含量11.3 g·kg-1，碱解氮含量151.9 mg·kg-1，有效磷含量20.7 mg·kg-1，速效钾含量47.0 mg·kg-1，土壤阳离子交换量(CEC)12.7 cmol·kg-1，土壤容重为1.3 g·cm-3。供试早稻品种为中组100，晚稻品种为甬优7860。供试化肥复合肥(N 20%，P2O58%，K2O 12%)、尿素(N 46%)、钙镁磷(P2O512%)、氯化钾(K2O 60%)、商品有机肥(含有机质55.2%、N 3.23%、P 0.94%、K 1.05%，购自浙江开启能源科技有限公司)。

1.2 田间试验设计

试验共设置包括不施肥和常规施肥对照在内的4个处理，分别为CK1(不施肥)、CK2(常规施肥)、T1(有机肥替代15%氮肥)、T2(有机肥替代30%氮肥)，各处理重复3次，小区采用随机区组排列，各小区面积为20 m2，各处理单排单灌，试验区外设置保护行(表1)。

表1 不同处理早、晚稻肥料用量Table 1 Fertilizer dosage of early and late rice under different treatments 单位 kg·hm-2

1.3 试验管理

各处理施肥量均采用当地常规施肥用量，即各生长季氮、磷、钾施肥总量分别为150 kg·hm-2(以N计)、60 kg·hm-2(以P2O5计)、90 kg·hm-2(以K2O计)，晚稻与早稻期间施肥量一致。有机肥分别于早、晚稻种植前作为基肥一次性施用，早、晚稻常规施肥化学氮、磷、钾肥由复合肥提供，替代处理化学氮、磷、钾肥则分别由尿素、钙镁磷、氯化钾提供。肥料运筹均为基肥∶壮蘖肥=60%∶40%。不同施肥处理栽培管理参照本地高产栽培管理，处理间保持一致。

1.4 取样与指标测定

试验开始前取0～20 cm原始土样，并于晚稻种植结束后，针对各处理小区参照对角线法布置5个取样点，进行土壤样品采集。使用电位法测定土壤pH值，使用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量，使用凯氏定氮法测定全氮含量，使用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定全磷含量，使用氢氧化钠熔融-火焰光度法测定全钾含量，使用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定有效磷含量，使用醋酸铵浸提火焰光度法测定速效钾含量，使用碱解扩散法测定碱解氮含量，使用乙酸铵交换法测定阳离子交换量，使用环刀法测定土壤容重。以上方法参考《土壤农化分析》[18]第三版。土壤经HCl-HNO3-HClO4过夜消解后测定元素总量，有效态元素采用DTPA-TEA浸提法[19]提取，元素含量使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)测定，各处理重复测量4次，取平均值进行数据分析。

水稻成熟期，各小区单打单收，自然风干后进行实际称重。

1.5 统计分析

利用Excel 2010整理数据，Statistix 9方差分析软件进行方差分析，采用LSD法进行差异显著性检验(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 有机肥部分替代化肥对早、晚稻产量的影响

有机肥部分替代化肥试验早、晚稻各处理产量数据见表2。不施肥对照早、晚稻产量均显著低于其余各施肥处理，其中，相较于常规施肥分别降低了39.03%、43.83%。与常规施肥相比，有机肥替代15%、30%氮肥处理早、晚稻产量均有不同程度的提升，早稻产量增幅分别为10.13%和5.03%，晚稻产量增幅分别为12.96%和6.17%，其中，有机肥替代15%氮肥处理的早、晚稻产量均显著高于常规施肥。以上结果表明，施肥对于保障水稻高产至关重要，有机肥替代15%、30%氮肥均能有效提高水稻产量，其中替代比例15%效果更为显著。

表2 不同处理水稻产量Table 2 Rice yield under different treatments

2.2 有机肥部分替代化肥对稻米品质的影响

表3显示，相较于各施肥处理，不施肥对照其早、晚稻糙米率均有所下降，其中晚稻期间呈显著性降低，其余指标无明显变化趋势。相较于常规施肥对照，不同比例有机肥替代氮肥处理其糙米率、精米率、整精米率以及垩白粒率均无显著差异。以上说明，本试验条件下施肥有利于提高稻米糙米率，施用有机肥对稻米糙米率、精米率、整精米率以及垩白粒率影响较小。

表3 不同处理稻米品质Table 3 Rice quality with different treatments

2.3 有机肥部分替代化肥对土壤基本理化性质的影响

从表4可以看出，不施肥和常规施肥对照的土壤pH值接近，而有机肥替代15%、30%氮肥处理土壤pH值均显著上升。由于经过两季水稻的种植，不施肥对照有机质含量相较于各施肥处理均有所降低，相较于有机肥替代氮肥处理均显著下降。与常规施肥相比，有机肥替代15%、30%氮肥处理的有机质含量分别提升了1.97和1.60 g·kg-1，差异并不显著。各施肥处理的阳离子交换量均显著高于不施肥对照，相较于常规施肥，有机肥替代能够显著提升土壤阳离子交换量。各处理土壤容重则无显著差异。以上表明，水稻生产过程施用有机肥替代部分氮肥能够有效提升土壤pH值、有机质含量和土壤的保水保肥能力。

表4 不同处理土壤基本理化性质分析Table 4 Basic physicochemical properties of soils under different treatments

2.4 有机肥部分替代化肥对土壤氮、磷、钾养分含量的影响

晚稻后各处理土壤养分含量测定结果见图1。不施肥处理除全钾外，全氮、全磷以及碱解氮、有效磷、速效钾养分含量均显著降低。相较常规施肥，有机肥替代15%、30%氮肥处理的全氮含量无显著差异，碱解氮含量均显著增加，增幅分别为19.31%、14.48%。有机肥替代15%、30%氮肥处理的全磷含量较常规施肥同样显著增加，增幅为26.90%、24.04%；有机肥替代15%、30%氮肥处理的有效磷含量分别为29.3、27.5 mg·kg-1，相较于常规施肥分别显著增加了51.03%和41.49%。有机肥替代15%、30%氮肥处理的全钾含量虽略有提升但并无显著性差异，速效钾含量相较于常规施肥则显著提升了22.08%、19.48%。有机肥部分替代氮肥能够有效提升土壤氮、磷、钾有效养分水平。

柱上无相同小写字母表示差异显著(P<0.05)。图1 不同处理对土壤氮、磷、钾养分含量的影响Fig.1 Effects of different treatments on soil nitrogen，phosphorus and potassium nutrient contents

2.5 有机肥部分替代化肥对土壤微量元素含量的影响

晚稻后各处理土壤微量元素含量测定结果见表5。不施肥、常规施肥以及不同比例有机肥替代化肥处理总铁、锰、锌、铜含量均无显著差异，其中，总锌、铜在不同比例有机肥替代氮肥处理中较常规施肥含量均略有提升。相较于总量，不同施肥方式下元素有效态含量差异较大。有机肥替代15%、30%氮肥处理有效态锰、锌、铜含量较常规施肥均显著增加，有效态锰含量增幅分别为4.45%、5.59%；有效态锌含量增幅分别为11.35%、15.72%；有效态铜含量增幅分别为16.25%、10.00%。此外，有效态铁含量则均呈现下降趋势，其中有机肥替代15%氮肥处理显著降低，降幅为7.36%。以上说明，本试验条件下除铁素外，有机肥部分替代氮肥能够有效提升土壤矿质元素锰、锌、铜的有效态含量。

表5 不同处理土壤微量元素含量分析Table 5 Soil trace element content in different treatments 单位：mg·kg-1

2.6 有机肥部分替代化肥对氮肥农学利用率与偏生产力的影响

早、晚稻氮肥农学利用率与氮肥偏生产力结果见表6。等氮量施肥条件下，施用有机肥处理的早、晚稻氮肥偏生产力和氮肥农学利用率均高于常规施肥，晚稻的差异显著，且随着有机肥替代比例的增加呈现先升高后降低的变化。其中，有机肥替代15%氮肥处理早、晚稻氮肥偏生产力和氮肥农学利用率均为最高，早稻期间分别达到了45.63和20.37 kg·kg-1，较常规施肥分别提高了10.11%和25.97%；晚稻期间分别达到了61.03和30.68 kg·kg-1，较常规施肥分别提高了12.96%和29.56%。有机肥部分替代氮肥能够有效提高水稻生产上氮肥农学利用率和氮肥偏生产力，其中15%氮肥替代比例效果最佳。

表6 不同处理水稻氮肥农学利用率与氮肥偏生产力Table 6 Agronomic use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer in rice with different treatments

3 讨论

通过研究不同比例有机肥替代氮肥对水稻产量、品质以及耕地土壤理化性质、矿质营养的影响，能够为有机肥在水稻生产上的推广应用和实现水稻生产化肥减量增效提供参考。本研究中，不同比例有机肥替代氮肥处理早稻分别增产10.13%、5.03%，晚稻增产12.96%、6.17%，说明有机肥部分替代氮肥对水稻产量起积极作用，这与前人研究结果一致[20]。早、晚稻糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率相关品质指标则并未呈现明显变化趋势，这与相关研究报道结果有所区别[21-22]。由于稻米的加工品质属于典型的种子性状，与其种质资源特性密切相关，且除受基因型调控外相应品质指标还受环境效应的互作影响[23]，因此，有机肥对稻米品质影响还需要通过多品种、多年、多点进行进一步研究。

本研究中，通过两季连续施用有机肥能够显著提升土壤pH值，这与解艳玲等[24]研究结果一致。有机肥富含多种有机酸和腐殖酸，能有效提升土壤有机质含量与阳离子交换量，提升土壤保肥供肥能力。由于有机酸、腐殖酸对于土壤矿物质部分具有一定的溶解能力，一方面促进矿物风化，另一方面有机肥中碳水化合物与氮、磷、钾素竞争土壤吸附位点，降低了土壤对养分的吸附固定能力[25]。正因为如此，本研究施用有机肥的处理土壤全磷含量显著提升，增幅分别达到26.90%和24.04%，同时，碱解氮、有效磷、速效钾等有效养分含量均得到显著提升。通过对比有机肥施加后土壤铁、锰、锌、铜等元素全量及有效态含量，发现土壤全锌、铜含量有所增加，这可能是由于有机肥产品本身富含这些元素相关。目前，有机肥肥源主要来源于集约化的养殖场，富含锌、铜的饲料添加剂常被用于养殖饲养，绝大部分被排出体外[26]。本研究中有效态锰、锌、铜含量伴随有机肥的使用均呈现含量增加趋势，主要是由于有机肥分解产生的大量有机酸易于金属离子络合，从而保留于土壤溶液中不易被沉淀，而导致其有效性增强[27-29]。然而，有效态铁呈下降趋势，这可能与有机肥提升土壤pH值过程有关，游离态铁极易被氧化、吸附固定，赵征宇等[30]同样发现，施用牛粪、猪粪为原料的有机肥能够使土壤有效铁含量降低。

综合分析水稻产量、土壤基本理化性质、养分水平、氮肥农学利用率以及氮肥偏生产力，研究认为，在当地实行有机肥替代15%氮肥的施肥技术既能维持水稻高产，提升耕地地力水平，又能提高氮肥利用率，有利于该区域水稻种植业的绿色发展。