有機(jī)肥替代化肥對土壤質(zhì)量、稻谷產(chǎn)量及農(nóng)田水氮含量的影響

張緒美 沈文忠 李 梅 （江蘇省太倉市土壤肥料站 215400）

有機(jī)肥替代化肥對土壤質(zhì)量、稻谷產(chǎn)量及農(nóng)田水氮含量的影響

張緒美 沈文忠 李 梅 （江蘇省太倉市土壤肥料站 215400）

為給稻麥兩熟制農(nóng)田有機(jī)肥、無機(jī)肥配施技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐，在蘇南稻麥輪作地區(qū)采用大田定位方法，研究了有機(jī)肥、無機(jī)肥不同配施條件下對稻田土壤養(yǎng)分、水稻產(chǎn)量及農(nóng)田氮流失的影響。結(jié)果表明，與單施無機(jī)氮相比，有機(jī)氮替代不同比例無機(jī)氮均能有效增加土壤有機(jī)質(zhì)含量與全氮含量，提高土壤碳氮比（C/N）；有機(jī)氮替代適宜比例的無機(jī)氮比單施無機(jī)氮或單施有機(jī)氮均能提高水稻產(chǎn)量，在有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮時，水稻產(chǎn)量最高（11025 kg/hm2）；增施有機(jī)氮的農(nóng)田表層水保持養(yǎng)分能力總體上高于單施無機(jī)氮的田塊，水稻生育后期單施有機(jī)氮的農(nóng)田表層水中全氮（TN）濃度最高（1.61 mg/L），而單施無機(jī)氮的農(nóng)田表層水中全氮（TN）濃度最低（0.38 mg/L）。同時，有機(jī)氮、無機(jī)氮合理配施既能實現(xiàn)稻谷高產(chǎn)，又能提高氮肥利用率，達(dá)到減排的效果。

有機(jī)肥；化肥；農(nóng)田水氮含量；水稻產(chǎn)量；土壤質(zhì)量

稻麥兩熟種植制度主要分布在東亞和南亞的亞熱帶－暖溫帶地區(qū)，包括中國、印度、巴基斯坦等國家，其中以我國的種植面積最大。在我國長江中下游地區(qū)，僅江蘇省稻麥兩熟制的年種植面積就高達(dá)130萬hm2左右，稻麥兩熟制農(nóng)田的可持續(xù)生產(chǎn)對保證江蘇省乃至全國的糧食安全至關(guān)重要。近年來，由于人口的快速增長，迫于糧食壓力和經(jīng)濟(jì)需求，土地集約化生產(chǎn)程度進(jìn)一步提高，江蘇省太湖流域稻麥產(chǎn)區(qū)年均施肥量高達(dá)550～650 kg/hm2，大大超過了全國平均水平[1]，對該區(qū)域的土壤質(zhì)量產(chǎn)生了巨大威脅，成為了影響江蘇省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙[2]。因此，研究施肥方式對土壤質(zhì)量、水稻產(chǎn)量的影響具有非常重要的實際意義。

目前，已有許多文獻(xiàn)報道認(rèn)為長期施用化肥會導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降，單施有機(jī)肥能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，但由于有機(jī)肥養(yǎng)分供應(yīng)緩慢，會導(dǎo)致作物產(chǎn)量低，而有機(jī)肥、無機(jī)肥配合施用既能培肥土壤，又能確保作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3-14]。高菊生等[3]研究結(jié)果表明，有機(jī)肥、無機(jī)肥配施能使水稻持續(xù)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；商躍鳳[13]也認(rèn)為有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥處理的水稻產(chǎn)量最高，與單施化肥相比，氮肥利用率可提高7%～18%。這是因為有機(jī)肥中含有大量有機(jī)質(zhì)和作物生長必需的營養(yǎng)元素，長期施用既可提高土壤全氮水平，又能持續(xù)增加土壤中微生物氮含量，為作物及時提供養(yǎng)分，促進(jìn)干物質(zhì)的積累，為作物增產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。但目前卻鮮有關(guān)于有機(jī)氮肥與無機(jī)氮肥最佳配比的研究報道。為此，筆者選擇在蘇南典型稻麥輪作區(qū)，在充分考慮蘇南地區(qū)適宜氮肥用量（N 240～285 kg/hm2）的基礎(chǔ)上，采用有機(jī)氮肥替代無機(jī)氮肥的方法，研究了蘇南地區(qū)有機(jī)肥與無機(jī)肥的適宜配施比，以期為稻麥農(nóng)田有機(jī)肥、無機(jī)肥配施技術(shù)的推廣提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年6月～2016年11月設(shè)在太倉市浮橋鎮(zhèn)綠化村生態(tài)農(nóng)場內(nèi)進(jìn)行，供試田塊為稻-麥輪作的種植模式。試驗田土壤為海相沉積物母質(zhì)發(fā)育的沙夾垅，pH為7.86，有機(jī)質(zhì)含量為2.65%，全N含量為0.951 mg/g，有效磷含量為12.6 mg/kg，速效鉀含量為174 mg/kg。

供試作物為水稻，品種為“南粳46”。供試無機(jī)肥為化肥（尿素和氯化鉀），供試有機(jī)肥為“豐綠稼”牌商品有機(jī)肥（N+P2O5+K2O含量總和為6.03%，有機(jī)質(zhì)含量為55.1%）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗以氮用量為無機(jī)肥與有機(jī)肥用量的核算指標(biāo)，在施氮總量相同的條件下，設(shè)計無機(jī)氮與有機(jī)氮的配比處理，共設(shè)6個肥料處理（見表1）。每處理小區(qū)面積為1534.1 m2，小區(qū)間田埂用防水塑料薄膜覆蓋，均單設(shè)進(jìn)、排水口，以防肥、水相互滲透。

表1 有機(jī)氮與無機(jī)氮不同配比處理試驗設(shè)計

氮肥運(yùn)籌：按基肥、分蘗肥、長粗肥、穗肥施用，比例為0.2∶0.2∶0.40∶0.2；有機(jī)肥全部基施，化肥進(jìn)行追施。不施磷肥，K2O 用量為150 kg/hm2（補(bǔ)施KCl，K2O含量為60%），基肥與長粗肥各占50%施用。其他管理措施同常規(guī)田間管理。

1.3 樣品采集及測定

土壤樣品：在水稻收割前、后分別采集土壤樣品，采集時每個小區(qū)均采用五點法采樣，采樣深度為土壤表層0～20 cm，再用四分法取1個綜合土樣。采回的土樣在室內(nèi)風(fēng)干磨細(xì)，分別過1 mm篩和0.25 mm篩備用。有機(jī)質(zhì)測定，用重鉻酸鉀-硫酸油浴加熱，硫酸亞鐵滴定法；全氮測定，用硫酸消煮與凱氏定氮蒸餾法；全磷測定，用高氯酸消解，釩鉬酸銨顯色比色法；速效氮測定，用強(qiáng)堿還原-硼酸顯色-硫酸滴定法；速效磷測定，用碳酸氫鈉浸提-釩鉬酸銨顯色比色法；速效鉀測定，用醋酸銨浸提-火焰光度計法。

農(nóng)田表層水樣：于2015年7月10日、7月27日、8月17日、9月10日、10月8日分次采集，共采5次。全氮（TN）濃度測定，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮含量及碳氮比的影響

土壤有機(jī)質(zhì)含量是土壤養(yǎng)分的重要來源，直接影響著土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等，是決定土壤質(zhì)量的基本指標(biāo)。試驗結(jié)束時測定，與處理（6）相比，處理（1）～（5）的有機(jī)質(zhì)含量分別高出43.8%、35.4%、23.8%、15.4%、13.1%；與試驗前相比，處理（1）增加最為明顯，增3.94 g/kg，處理（2）、（3）、（4）分別增加2.49、3.94、1.54 g/kg，處理（5）、（6）略有下降，分別減少 0.67、1.06 g/kg。

土壤全氮含量通常用于衡量土壤的基礎(chǔ)肥力。不同施肥處理的土壤全氮含量變化趨勢與有機(jī)質(zhì)含量基本一致。試驗結(jié)束時測定，與處理（6）相比，處理（1）～（5）的土壤全氮含量分別高出 25.0 %、21.2 %、12.0 %、8.5%、5.3%。

土壤碳氮比（C/N）是土壤質(zhì)量的敏感指標(biāo)，是衡量土壤 C、N營養(yǎng)平衡狀況的指標(biāo)，其演變趨勢對土壤碳、氮循環(huán)有重要影響，土壤碳、氮含量是生態(tài)系統(tǒng)在特定條件下的動態(tài)平衡值，其庫容的大小與氣候、植被、地形等環(huán)境因子密切相關(guān)。試驗結(jié)束時測定，處理（1）～（6）的土壤碳氮比分別為 9.32、8.56、8.25、8.01、8.00、8.12。整體而言，施用有機(jī)氮處理的土壤碳氮比高于全無機(jī)氮處理，說明在全無機(jī)氮條件下，土壤氮素礦化速率較高，進(jìn)而也表明施用有機(jī)氮后土壤中碳素的增加速度明顯高于氮素，這有利于土壤有機(jī)碳的固定。同時，土壤碳氮比越高，越不利于有機(jī)質(zhì)的分解，越有利于有機(jī)碳的保存，使施用有機(jī)氮后土壤有機(jī)碳含量可能比全無機(jī)氮處理的土壤更穩(wěn)定，在同樣的氮含量下可積累更多的有機(jī)碳，有利于有機(jī)碳的貯存，增加了土壤匯集碳、氮的能力[8-12]。

2.2 對水稻產(chǎn)量的影響

由表2可知，隨有機(jī)氮施用量的減少、無機(jī)氮施用量的增加，處理（1）～（6）的水稻株高、有效穗數(shù)大體呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其中處理（5）的株高約為處理（1）的1.16倍，處理（6）的有效穗數(shù)約為處理（1）的1.24倍；千粒重?zé)o明顯規(guī)律，但處理（1）的千粒重約為處理（6）的1.14倍，可見有機(jī)氮配施比例高能提高稻谷的千粒重。

從實際產(chǎn)量來看，處理（3）的產(chǎn)量最高（11025 kg/ hm2），處理（1）的產(chǎn)量最低（8975 kg/hm2）。處理（2）～（6）比單施有機(jī)氮的處理（1）分別增產(chǎn)22.30%、22.84%、5.01%、21.17%、18.66%；處理（1)～(5）比單施無機(jī)氮的處理（6）分別增產(chǎn)-15.73%、3.06%、3.52%、-11.5%、 2.11%。因此，與單施有機(jī)氮或無機(jī)氮相比，有機(jī)氮、無機(jī)氮合理配施可實現(xiàn)水稻較高產(chǎn)量，其中以有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮的施肥措施可確保水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。究其原因，有機(jī)氮、無機(jī)氮配施，可在作物生長的不同時期提供充足的養(yǎng)分，滿足了其生長所需。

表2 有機(jī)氮與無機(jī)氮不同配比處理對水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

2.3 對農(nóng)田表層水中氮濃度的影響

農(nóng)田表層水中的養(yǎng)分濃度可反映出稻田養(yǎng)分供應(yīng)狀況。由表3可知，隨著肥料養(yǎng)分的釋放和作物吸收肥料的變化，農(nóng)田表層水中全氮濃度也發(fā)生相應(yīng)變化，大體呈逐漸下降的趨勢，下降幅度最大的是處理（4），由7月10日的69.1 mg/L下降到10月8日的0.53 mg/L，其次是處理（6），由7月10日的43.8 mg/L下降到10月8日的0.38 mg/L，下降幅度最小的是處理（1），由7月10日的27.6 mg/L下降到10月8日的1.61 mg/L。而在水稻生育后期，增施有機(jī)氮處理的農(nóng)田表層水中全氮含量總體上要高于單施無機(jī)氮處理，在10月8日，全氮（TN）濃度由高到低依次為處理（1）、處理（5）、處理（3）、處理（4）、處理（2）、處理（6），表明單施有機(jī)氮農(nóng)田的養(yǎng)分保持性最好，單施無機(jī)氮農(nóng)田的養(yǎng)分保持性最差。

表3 有機(jī)氮與無機(jī)氮不同配比處理水稻田表層水中全氮（T N）濃度變化趨勢

3 結(jié)論與討論

大量研究表明，在稻麥輪作條件下，合理施用氮肥能有效提高作物對養(yǎng)分的吸收，從而促進(jìn)作物產(chǎn)量的提高。在本試驗條件下，實施有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮施肥措施的增產(chǎn)效果最好，這可能是因為有機(jī)氮、無機(jī)氮的混合施用為土壤蔗糖酶提供了充足的碳源，對土壤蔗糖酶活性有促進(jìn)作用，而土壤蔗糖酶不僅能表征生物學(xué)活性程度，而且其活性反映了土壤有機(jī)碳累積與分解轉(zhuǎn)化的規(guī)律，其活性與土壤C/N相關(guān)，所以在很大程度上影響著水稻對于施用氮肥后的吸收利用，提高了作物產(chǎn)量；同時，有機(jī)氮與無機(jī)氮的混合施用可促進(jìn)土壤微生物數(shù)量增加和代謝活動增強(qiáng)，從而提升了土壤酶活性及土壤肥力，有利于作物對養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)產(chǎn)量增加。

歐楊虹等[15]研究表明，有機(jī)氮100%替代無機(jī)氮處理的水稻產(chǎn)量較不施肥對照增加，但顯著低于全無機(jī)氮處理和有機(jī)氮部分替代無機(jī)氮處理，且25%有機(jī)氮與75%無機(jī)氮配合施用處理的水稻產(chǎn)量最高，認(rèn)為有機(jī)氮可在一定范圍內(nèi)替代部分無機(jī)氮。本試驗中，有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮處理能顯著提高水稻產(chǎn)量，而有機(jī)氮100%替代無機(jī)氮處理顯著降低了水稻產(chǎn)量，雖然本研究替代比例與已有的研究結(jié)果存在差異性，但也證明了有機(jī)氮替代部分無機(jī)氮是可行的。因此，從保護(hù)水環(huán)境的角度出發(fā)，結(jié)合水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的糧食安全需求，本研究認(rèn)為，有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮施肥措施具有良好的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。同時，長期施用有機(jī)肥可能會導(dǎo)致農(nóng)田土壤重金屬累積、抗生素殘留及農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險。因此，對于稻麥兩熟制農(nóng)田合理施用商品有機(jī)肥而言，需要從水環(huán)境、土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量及農(nóng)產(chǎn)品安全等多角度綜合考慮并進(jìn)行大量長期試驗，進(jìn)而為實際生產(chǎn)提供可靠的理論支撐。

本研究結(jié)果表明，有機(jī)氮替代55%無機(jī)氮處理的水稻產(chǎn)量最高（11025 kg/hm2），單施有機(jī)氮的水稻產(chǎn)量最低（8975 kg/hm2）；有機(jī)氮、無機(jī)氮配施處理的農(nóng)田表層水中全氮（TN）濃度明顯高于單施化肥處理。綜上，有機(jī)氮、無機(jī)氮合理配施既能實現(xiàn)稻谷較高產(chǎn)量，促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收，又能提高氮肥利用率，達(dá)到減排的效果。

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2016-09-23

江蘇省太倉市農(nóng)業(yè)面源污染綜合治理試點項目；江蘇省農(nóng)業(yè)“三新”工程項目（編號：SXGC[2016]100）；2015年太倉市重點研發(fā)計劃—現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（編號：TC2015NY03）。