商品有機(jī)肥替代化肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響

溫延臣，張?jiān)粬|，袁亮，李偉，李燕青，林治安，趙秉強(qiáng)

（1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州鹽堿土改良實(shí)驗(yàn)站，山東德州 252035；2山東禹城市農(nóng)業(yè)局，山東禹城 251200）

0 引言

【研究意義】隨著中國(guó)糧食產(chǎn)量的不斷增長(zhǎng)，化肥在保障糧食安全方面發(fā)揮了重要的作用。但化肥的不合理施用，易造成環(huán)境污染、土壤退化等負(fù)面影響。由于化肥施用簡(jiǎn)便且增產(chǎn)效果顯著、有機(jī)肥來(lái)源不足以及勞動(dòng)力成本不斷增加等原因[1-4]，導(dǎo)致有機(jī)肥的應(yīng)用被忽視?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】有機(jī)肥兼有全養(yǎng)分、緩效性等功能，能有效增加、更新土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤理化性質(zhì)和提高土壤酸堿緩沖性能，促進(jìn)微生物繁殖[5-8]，改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)[9]。另外，有機(jī)肥替代化肥還能減少氧化亞氮等溫室氣體排放[10]。林治安等[11]研究長(zhǎng)期不同施肥制度對(duì)作物產(chǎn)量的影響，等氮量常規(guī)施肥條件下，約15年后施有機(jī)肥與化肥的作物產(chǎn)量水平趨于一致。寧建鳳等[12]研究不同有機(jī)無(wú)機(jī)氮比例對(duì)作物產(chǎn)量和土壤氮淋洗的影響，認(rèn)為隨著有機(jī)氮比例的增加，土壤氮淋洗量顯著降低，提高了氮肥利用率。徐明崗等[13]研究認(rèn)為化肥有機(jī)肥配施有利于水稻的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，有利于水稻生長(zhǎng)中后期的養(yǎng)分吸收，并且能培肥土壤，提高肥料利用率。韓曉增等[14]研究長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)黑土肥力的影響，表明長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能使土壤pH穩(wěn)定在一個(gè)適宜作物生長(zhǎng)的范圍，能顯著增加＞0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量，改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤肥力。LIU等[15]研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥顯著增加0—100 cm土層保水能力，提高水分利用效率。宋震震等[16]研究長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)土壤生物學(xué)特征的影響，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著增加土壤微生物碳和氮，能提高土壤堿性磷酸酶和蔗糖酶的活性。羅華等[17]研究不同有機(jī)肥對(duì)桃品質(zhì)的影響，表明施用有機(jī)肥顯著提高果實(shí)可溶性固形物、固酸比和維生素C含量，還能改善果實(shí)的香氣品質(zhì)。單獨(dú)施用有機(jī)肥，由于其速效養(yǎng)分供應(yīng)能力差，很難實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，并且大大增加了人力成本；而單施化肥，雖然能保證產(chǎn)量，但土壤培肥能力差，不利于土壤可持續(xù)利用[18]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】長(zhǎng)期進(jìn)行有機(jī)無(wú)機(jī)配合施肥的研究較多，而長(zhǎng)期施用商品有機(jī)肥對(duì)土壤肥力、作物產(chǎn)量及環(huán)境定位監(jiān)測(cè)鮮見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本文旨在通過(guò)連續(xù)3年的商品有機(jī)肥定位施肥試驗(yàn)，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作的種植制度下開(kāi)展定位監(jiān)測(cè)，研究分析商品有機(jī)肥替代化肥對(duì)作物產(chǎn)量和土壤肥力的影響，為華北平原地區(qū)農(nóng)田（糧食作物）科學(xué)施用商品有機(jī)肥提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地點(diǎn)在山東省禹城市中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院禹城試驗(yàn)基地。本區(qū)域位于華北平原東南部，東經(jīng)116o34′，北緯 36o49′，屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫13.4℃，≥10℃積溫 4 441℃，年降雨量569.6 mm，年蒸發(fā)量2 095 mm，無(wú)霜期206 d，年日照時(shí)數(shù)2 640 h。土壤母質(zhì)為黃河沖積物，土壤類型為潮土，耕層質(zhì)地為輕壤，試驗(yàn)地耕層含有機(jī)質(zhì)10.26 g·kg-1、有效氮98.5 mg·kg-1、速效磷 17.4 mg·kg-1、速效鉀 130.5 mg·kg-1，屬中高肥力土壤，在本區(qū)域具有廣泛代表性，圖1是試驗(yàn)開(kāi)展年際間每月降雨情況。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)處理：（1）對(duì)照（不施肥，T1，CK）；（2）常量化肥（T2，CF）；（3）化肥+有機(jī)肥1 500 kg·hm-2（其中化肥用量扣除有機(jī)肥料中的 N、P、K養(yǎng)分，T3，MF），其中處理（2）和（3）是等氮、磷、鉀量投入，測(cè)試分析有機(jī)肥養(yǎng)分含量分別為 N 1.13%、P2O50.55%、K2O 2.35%，有機(jī)質(zhì)含量為45%。有機(jī)肥中的氮、磷、鉀分別替代化肥的比例分別為11.3%、13.7%和58.8%。

本試驗(yàn)所用商品有機(jī)肥是由山東泉林造紙廠提供，該有機(jī)肥以植物秸稈為原料，由亞銨法造紙工藝中的產(chǎn)生的造紙黑液，進(jìn)行濃縮、轉(zhuǎn)化、分離、提純其中的黃腐酸類物質(zhì)，進(jìn)行工廠化生產(chǎn)的一種有機(jī)肥料。

試驗(yàn)安排在四周由混凝土封閉的 4 m×7 m=28 m2試驗(yàn)池中，重復(fù) 3次，隨機(jī)區(qū)組排列。試驗(yàn)作物為冬小麥-夏玉米輪作，每季作物化肥施用量150 kg N·hm-2，60 kg P2O5·hm-2，60 kg K2O·hm-2，化肥氮肥為尿素（含N 46%）、磷肥為磷酸二銨（含P2O546%，N 18%）、鉀肥為硫酸鉀（含K2O 50%）。

圖1 2011年10月至2014年6月每月降雨情況Fig. 1 Rainfall record from 2011 to 2014

按照各處理全年施肥總量，氮肥在冬小麥、夏玉米生長(zhǎng)季每季作物各50%，磷肥、鉀肥和有機(jī)肥在冬小麥播種前做基肥一次性施入，在每季作物中，無(wú)機(jī)氮肥 40%做基肥，60%做追肥，試驗(yàn)開(kāi)始于 2011年10月。

1.2 樣品采集

2014年10月夏玉米收獲后，采用多點(diǎn)混合取樣法用土鉆在每個(gè)小區(qū)取0—20 cm土層土樣，并及時(shí)去除土壤表層枯葉、石礫及根系。樣品風(fēng)干后分別過(guò) 1 mm和0.25 mm篩后保存，以供土壤理化性狀分析；小區(qū)測(cè)產(chǎn)采用去除邊行后剩余全部收割稱重測(cè)產(chǎn)，穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)采用人工調(diào)查計(jì)數(shù)方法進(jìn)行。

1.3 測(cè)試項(xiàng)目與方法

土壤pH采用電位計(jì)法（水土比2.5:1）測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化法，土壤全氮采用凱氏定氮法，土壤有效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，土壤有效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度計(jì)法測(cè)定[19]。

表1 不同施肥處理作物產(chǎn)量分析Table 1 Yield of crop yield under different treatments

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用 SPSS 17.0單因素方差分析（one-way ANOVA）對(duì)不同施肥處理各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（P＜0.05），LSD法進(jìn)行均值比較，運(yùn)用 Origin 8.0進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果

2.1 不同施肥處理對(duì)作物產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

2.1.1 作物產(chǎn)量 作物產(chǎn)量高低是評(píng)價(jià)施肥效果好壞的重要指標(biāo)之一。表1為試驗(yàn)開(kāi)始后3年間不同施肥處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量的變化情況。

不施肥處理（T1）在試驗(yàn)開(kāi)始的 2—3年間產(chǎn)量迅速下降，施肥處理（T2和 T3）產(chǎn)量均顯著高于不施肥處理（T1），差異達(dá)顯著水平，可以得出，施肥具有顯著增產(chǎn)作用。

單施化肥（T2）與有機(jī)肥部分替代化肥處理（T3）相比，產(chǎn)量水平趨于一致，3年保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平，處理間沒(méi)有顯著性差異。冬小麥和夏玉米產(chǎn)量為 7 000—8 000 kg·hm-2和 7 000—11 000 kg·hm-2，產(chǎn)量水平與當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)水平基本一致，夏玉米年際間變化波動(dòng)較大，可能與年際間氣溫、降雨量（圖1）不同有關(guān)。

2.1.2 產(chǎn)量構(gòu)成因素 不同施肥處理對(duì)產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響有所不同，不同作物表現(xiàn)也不相同。（1）與不施肥對(duì)照相比，施肥顯著增加了冬小麥單位面積的穗數(shù)，而對(duì)夏玉米穗數(shù)未產(chǎn)生顯著性影響；（2）試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行2年后，與不施肥的對(duì)照相比，施肥顯著增加了冬小麥和夏玉米的穗粒數(shù)，試驗(yàn)進(jìn)行3年后，施肥顯著增加了夏玉米的千粒重；（3）等養(yǎng)分投入條件下，單施化肥和有機(jī)肥替代化肥處理之間產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)未表現(xiàn)出顯著性差異。

2.2 不同施肥處理土壤肥力特征

表3為各施肥處理3年后0—20 cm土層有機(jī)碳、全氮、速效磷、速效鉀的含量變化情況。

（1）與試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)相比，各施肥處理土壤有機(jī)碳呈上升趨勢(shì)。分析結(jié)果顯示，單施化肥處理土壤有機(jī)碳與不施肥處理相比，未表現(xiàn)出顯著性差異，有機(jī)肥部分替代化肥后土壤有機(jī)碳含量顯著高于不施肥和單施化肥處理，差異達(dá)顯著性水平。土壤全氮變化與有機(jī)碳呈相似規(guī)律，等養(yǎng)分投入條件下，有機(jī)肥部分替代化肥后，土壤全氮呈顯著增加趨勢(shì)，不施肥與單施化肥相比，未表現(xiàn)出顯著性差異。

（2）與不施肥處理相比，單施化肥和有機(jī)肥部分替代化肥處理，土壤速效磷含量呈顯著增加趨勢(shì)，從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來(lái)看，單施化肥與有機(jī)肥部分替代化肥處理對(duì)速效磷的增加效果等同。土壤速效鉀含量變化與速效磷變化呈相似規(guī)律。

表2 不同施肥處理冬小麥和夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成Table 2 Crop yield composition under different treatments

表3 不同施肥處理的土壤肥力特征（0—20 cm土層）Table 3 Soil fertility indices under different treatments at 0-20 cm soil layer

3 討論

3.1 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)作物產(chǎn)量的影響及其培肥效應(yīng)

化肥具有肥效快、易被作物吸收等特點(diǎn)，而有機(jī)肥肥效緩慢，不能及時(shí)滿足作物關(guān)鍵生育時(shí)期對(duì)養(yǎng)分的需求[20]，而采取有機(jī)肥部分替代化肥施用，可滿足作物生長(zhǎng)需求并能獲得高產(chǎn)[21]。本研究中，等養(yǎng)分有機(jī)肥替代化肥施用后，與單施化肥相比，產(chǎn)量無(wú)顯著差異。說(shuō)明，有機(jī)肥部分替代化肥后，有機(jī)與無(wú)機(jī)養(yǎng)分能協(xié)調(diào)平衡供應(yīng)，滿足作物對(duì)養(yǎng)分的需求，使作物產(chǎn)量保持穩(wěn)產(chǎn)及高產(chǎn)，同時(shí)可以減少化肥用量，研究結(jié)果與YU等[22]、LIU等[23]、MANNA等[24]、楊曉梅等[25]一致。

長(zhǎng)期施用有機(jī)肥能顯著增加土壤有機(jī)碳含量，改善土壤理化性質(zhì)。本試驗(yàn)研究中，有機(jī)肥部分替代化肥后，與單施化肥處理相比，土壤有機(jī)碳增加了19.5%，土壤全氮增加 12.3%，有機(jī)肥部分替代化肥處理對(duì)土壤全氮、有機(jī)碳的累積顯著好于單施化肥，主要是因?yàn)橛袡C(jī)肥的施入在提高有機(jī)碳的同時(shí)，也增加了土壤有機(jī)態(tài)氮的含量。另外，本試驗(yàn)材料所用有機(jī)肥源自植物秸稈，有機(jī)質(zhì)含量為45%，是土壤有機(jī)質(zhì)增加的主要因素。而單獨(dú)施用化肥處理，與對(duì)照相比，土壤有機(jī)質(zhì)含量略有增加，主要由于根及根系分泌物殘留在土壤中所致，與部分長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果一致[11,26-28]。

3.2 正確認(rèn)識(shí)商品有機(jī)肥

隨著人們對(duì)綠色以及有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品理念的不斷深入，有機(jī)肥在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中引起大家廣泛關(guān)注。有機(jī)肥是一把“雙刃劍”，合理使用能提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)，同時(shí)改善土壤肥力。反之，則會(huì)造成污染風(fēng)險(xiǎn)。商品有機(jī)肥中含有一定數(shù)量的重金屬元素，隨著有機(jī)肥的使用而被作物吸收利用，隨后進(jìn)入食物鏈而危害人體健康。王飛等[29]通過(guò)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)華北商品有機(jī)肥按照我國(guó)有機(jī)肥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，鉛超標(biāo)率高達(dá)81%；習(xí)斌等[30]研究有機(jī)無(wú)機(jī)配施對(duì)氮、磷淋溶影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期單施有機(jī)肥年平均帶入總磷量為 543 kg·hm-2，土壤磷素的大量累積，在降雨或灌溉條件下，極易產(chǎn)生淋溶，增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，開(kāi)展商品有機(jī)肥定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)非常必要并且意義重大。

目前，商品有機(jī)肥應(yīng)用推廣主要存在：（1）養(yǎng)分有效性差，增產(chǎn)幅度小，目前主要應(yīng)用于大棚蔬菜、果樹(shù)、草坪[31]以及有機(jī)食品等高效益生產(chǎn)鏈上，在糧食作物上應(yīng)用較少；（2）由于商品有機(jī)肥進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，價(jià)格偏高，產(chǎn)品價(jià)格高于農(nóng)民的承受能力，市場(chǎng)銷售受限；（3）生產(chǎn)工藝落后，技術(shù)不完善，導(dǎo)致有機(jī)肥產(chǎn)業(yè)的脆弱性，工業(yè)化程度較弱，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，當(dāng)前，急需國(guó)家予以更多的政策支持、補(bǔ)貼、扶持來(lái)改進(jìn)有機(jī)肥的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)數(shù)量，降低生產(chǎn)成本，逐步形成規(guī)模化效益[32-33]。

4 結(jié)論

有機(jī)肥替代化肥（氮、磷、鉀替代比例分別為11.3%、13.7%和58.8%）能保證冬小麥和夏玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。等養(yǎng)分投入條件下，有機(jī)肥部分替代化肥處理與單施化肥間作物產(chǎn)量差異不顯著，但能顯著提高土壤有機(jī)碳和全氮含量，試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行3年后土壤有機(jī)碳和全氮分別增加了19.5%和12.3%。

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