有機肥部分替代化肥對水稻土壤供氮特征和氮素表觀盈虧的影響

張祥明，孫義祥，王文軍，袁嫚嫚，鄔 剛，胡 鵬，楊友斌

（1安徽省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所，合肥230031；2安徽省巢湖市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，安徽巢湖238000）

0 引言

由于中國人口眾多，資源缺乏，糧食保障和環(huán)境問題面臨巨大的挑戰(zhàn)?；蔬^量使用造成的環(huán)境壓力逐漸引起人們的重視[1-2]。隨著城鄉(xiāng)一體化進程的加快和工業(yè)科技的發(fā)展，施用大量化學肥料逐漸取代原來有機無機化肥配合的施肥制度，造成生態(tài)環(huán)境壓力大。在可持續(xù)生產(chǎn)前提下，采用有機肥部分替代化肥的施肥方式可實現(xiàn)水稻高產(chǎn)和環(huán)境友好，對保證中國糧食安全、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。作物高產(chǎn)是土壤、氣候、栽培技術(shù)綜合作用的結(jié)果。良好的土壤肥力是作物高產(chǎn)的基礎(chǔ)，氮、磷、鉀肥合理調(diào)控是水稻高產(chǎn)的重要措施。水稻高產(chǎn)栽培一般選用耐氮品種，施氮量高達240～285 kg/hm2[3-4]，高施氮量雖然可以顯著增加土壤礦質(zhì)態(tài)氮的含量，但過量氮素通過氨(NH3)揮發(fā)、硝態(tài)氮(NO3--N)淋失、氧化亞氮(N2O)釋放等多種途徑進入環(huán)境，引起地表和地下水體硝酸鹽污染及大氣溫室效應等多種環(huán)境問題[5-6]，合理的氮肥運籌方式是減少氮的損失和提高氮肥的利用效率的重要措施[7-9]。有機肥可以有效地恢復和提高土壤肥力，維持土壤環(huán)境穩(wěn)定，使農(nóng)田生產(chǎn)力得到改善和提高，也是作物超高產(chǎn)可持續(xù)性的重要條件。不同有機肥料礦質(zhì)態(tài)氮在土壤中的釋放速率不盡相同，但施用有機肥料可以調(diào)節(jié)土壤中礦質(zhì)氮的釋放速率，根據(jù)作物的生長需求，為作物提供更加合適的生長條件[10-11]。研究表明，要使作物產(chǎn)量高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，又達到培肥的目的，有機肥不能完全替代化肥，可能存在最佳比例[12-13]。當15%～30%有機肥氮替代無機氮時最有助于水稻的生長，產(chǎn)量、氮累積量和氮素利用率最高[14-15]。中國的水稻高產(chǎn)研究已取得重要進展，不僅育成一批超級稻品種（組合），而且較廣泛地開展了高產(chǎn)栽培技術(shù)的試驗與研究，全國范圍內(nèi)的水稻高產(chǎn)紀錄也是屢有出現(xiàn)。但眾多的超高產(chǎn)栽培過程中，僅注重水稻實際單產(chǎn)水平的提高，但通過減量化肥增施有機肥實現(xiàn)水稻長期穩(wěn)定高產(chǎn)及環(huán)境友好的演變規(guī)律仍缺乏系統(tǒng)的研究。本試驗以具有高產(chǎn)潛力的雜交中秈稻品種為材料，在明確雜交中秈稻土壤基礎(chǔ)產(chǎn)量與高產(chǎn)形成規(guī)律等研究的基礎(chǔ)上[17-18]，以牛糞和菜籽餅肥為有機肥試驗材料，研究不同有機肥部分替代化肥及氮肥運籌對水稻產(chǎn)量、水稻生育期內(nèi)0～20 cm土層土壤礦質(zhì)氮以及土壤氮素的表觀盈虧量的影響，以期為有機肥替代部分化肥在高產(chǎn)水稻生產(chǎn)中的合理利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地點位于安徽省巢湖市中垾鎮(zhèn)(31°39'7"N，117°47'52"E)，屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，太陽輻射總量為110～120 kcal/cm2，年均日照時數(shù)為2019.2～2074.1 h，年均降水量為1032～1205 mm，該地區(qū)以糧食作物種植為主，為稻麥（油）輪作方式，土壤類型為潛育型水稻土。0～20 cm土壤理化性狀：有機質(zhì)34.07 g/kg，全氮 1.58 g/kg，硝態(tài)氮 8.98 mg/kg，全磷0.78 mg/kg，有效磷25.97 mg/kg，有效鉀136.31 mg/kg，pH 6.99。

1.2 試驗設計

采用田間小區(qū)試驗，設5個處理，3次重復，隨機區(qū)組排列。小區(qū)間做田埂，并用農(nóng)膜包裹以防止小區(qū)間養(yǎng)分的側(cè)滲，重復間設排灌溝，每個小區(qū)均單設進、排水口，四周設保護行。小區(qū)面積36 m2。水稻密度25萬穴/hm2。試驗設置如下：處理1對照(CK)：不施肥料；處理2為高產(chǎn)處理(HY)：氮肥(N)用量270 kg/hm2，氮肥運籌基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥比例為4:3:2:1，磷肥(P2O5)用量 90 kg/hm2，鉀肥(K2O)用量 150 kg/hm2，磷肥全部基施，鉀肥運籌基肥、穗肥比例為6:4；處理3為高效處理(HE)：在高產(chǎn)處理(HY)的基礎(chǔ)上分別減N、P2O5和K2O為22%、33%和40%，即氮肥(N)用量240 kg/hm2，氮肥運籌基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥比例為 5:3:2:0，磷肥(P2O5)用量 60 kg/hm2，鉀肥(K2O)用量90 kg/hm2，磷、鉀肥全部基施。處理4為高效+餅肥處理(HECF)：餅肥分別替代化肥N、P2O5和K2O為22%、34%和21%，氮肥運籌基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥比例為4:3:3:0，有機肥和磷、鉀肥全部基施。處理5為高效+牛糞(HEDM)：牛糞替代分別替代化肥N、P2O5和K2O為22%、34%和21%，氮肥運籌基肥、分蘗肥、穗肥和粒肥比例為4:3:3:0，有機肥和磷、鉀肥全部基施。各處理有機肥與無機肥的配比均以氮為基準計算。腐熟的餅肥 N、P2O5和 K2O 含量分別為 79.86、34.65、15.08 g/kg，腐熟的牛糞N、P2O5和K2O含量分別為3.66、3.75、2.15 g/kg。不同處理的肥料用量見表1。化肥品種：氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。供試超級稻品種為‘兩優(yōu)1128’、‘徽兩優(yōu)996’、‘Y兩優(yōu)900’。

1.3 分析、測定指標及計算方法

土壤樣品采集和處理：于施基肥前1天，蘗肥前3天、0天、后4天和后18天，穗肥前10天、3天和后4天以及粒肥前1天和后4天、10天，抽穗灌漿期移栽后71天和81天，成熟期在試驗小區(qū)內(nèi)按對角線布點，0～20 cm采集土樣，每個小區(qū)取5點混合樣，3次重復，樣品采集后立即冰凍保存，土壤樣品測定鮮土樣NH4+-N和NO3--N含量及含水率。采用2 mol/L CaCl2浸提土壤（液土比為5:1，恒溫震蕩30 min），連續(xù)流動分析儀（Alliance，法國）測定浸提液NH4+-N和NO3--N含量。

各指標計算公式如(1)～(5)所示。

土壤氮素表觀盈虧量計算參照朱兆良[19]的方法：

1.4 數(shù)據(jù)分析

本文數(shù)據(jù)均采用SAS9.0軟件和Excel 2016軟件進行統(tǒng)計分析。采用LSD法對試驗數(shù)據(jù)進行方差分析和顯著性測驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻產(chǎn)量的影響

5年有機肥替代對水稻產(chǎn)量的影響見表2。不施肥對照CK水稻產(chǎn)量為6698～7870 kg/hm2，平均達7106 kg/hm2。隨種植年數(shù)的增加CK水稻產(chǎn)量呈下降的趨勢，前3季的下降幅度大，降幅達333～486 kg/hm2，平均達364.3 kg/hm2，而后2季降幅較小，20～59 kg/hm2，平均達39.5 kg/hm2。說明試驗前的土壤肥力較高，在不施肥條件下，而隨著種植年限的增加趨于穩(wěn)定的肥力水平。

與CK比較，施化肥和有機肥部分替代化肥處理均能顯著水稻產(chǎn)量。等氮量處理(HY、HECF、HEDM)，第1季水稻，有機肥替代處部分化肥處理(HECF、HEDM)比HY處理產(chǎn)量有一定的減產(chǎn)，HECF處理減產(chǎn)4.2%，HEDM處理減產(chǎn)5.9%；與HY相比，第2、3季有機肥替代處部分化肥處理的減產(chǎn)幅度有所減少，HECF處理兩季平均減產(chǎn)3.3%，HEDM處理兩季平均減產(chǎn)1.6%；從第4季開始，與HY相比，有機肥替代處部分化肥處理產(chǎn)量開始增加，到第5季增幅已達顯著水平，其中HECF處理增產(chǎn)6.5%，HEDM處理增產(chǎn)11.1%。說明有機肥替代部分化肥初期對水稻產(chǎn)量有一定的負效應，但隨著有機肥施用時間的增加，有機肥有利于水稻產(chǎn)量的提高。

2.2 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻土壤供氮特征的影響

2.2.1 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻土壤銨態(tài)氮含量的動態(tài)變化 水稻高產(chǎn)生產(chǎn)體系中土壤礦質(zhì)氮含量及其變化過程受施肥量、施肥時期和水漿管理等綜合因素的影響。2016年不同處理水稻生育期內(nèi)0～20 cm土層土壤礦質(zhì)氮的動態(tài)變化研究表明（圖1），基蘗肥施用后超高產(chǎn)水稻生育前期表層0～20 cm土層中的礦質(zhì)氮含量在施用氮肥后10天內(nèi)迅速出現(xiàn)高峰，然后隨著水稻的吸收、灌溉和雨水的淋洗而急劇下降，在曬田結(jié)束時（移栽后43天）降至較低的NH4+-N濃度；而在穗肥施用后，因水稻進入旺盛生長階段，對氮素的吸收強度較大而使后期土壤中礦質(zhì)氮一直維持在一個相對較低的水平。在水稻進入抽穗揚花期后，對氮素的吸收強度進一步加大而使土壤中礦質(zhì)氮一直維持在一個相對低的水平。從各處理來看，CK處理NH4+-N含量在水稻整個生育期含量變化不大，在2.12～15.48 mg/kg；施肥處理每次使用氮肥后對土壤NH4+-N含量均會出現(xiàn)一個峰值，其中以分蘗肥的峰值最大，單施化肥氮的HE、HY處理土壤NH4+-N含量最高，分別達到66.81、70.92 mg/kg；而有機肥氮部分替代化氮的HECF、HEDM處理分別為56.52、55.72 mg/kg，比HY處理低20.31%和21.43%，差異達顯著水平。水稻移栽18天后曬田，隨著土壤水分的減少，土壤NH4+-N含量逐漸下降，移栽后43天土壤NH4+-N含量達到最低值，但有機肥氮部分替代化肥的處理HECF和HEDM分別比HY處理高1.96、2.66 mg/kg，提高了46.63%和63.40%，曬田結(jié)束后灌水施肥，水漿管理以干干濕濕為主，土壤NH4+-N含量隨之提高，但不同的是HECF和HEDM都達到較高的NH4+-N含量，其中HEDM達到24.94 mg/kg。這是尿素氮NH4+-N的轉(zhuǎn)化需要一定的過程，溶解土壤溶液中的NH4+-N含量易產(chǎn)生濃度過高；而HECF和HEDM處理由于腐熟有機肥存在一定的礦質(zhì)氮，能夠迅速溶解為土壤中的可溶性NH4+-N；同時施用有機肥施入土壤后提高土壤微生物活性，促使部分化態(tài)氮被微生物固定，使土壤NH4+-N含量保持一定的水平。由此可以看出，分蘗肥施用后，有機肥處理出現(xiàn)了明顯的生物固持的現(xiàn)象，礦質(zhì)氮數(shù)量與化肥處理相比下降了57.7 kg/hm2，說明有機肥有利于肥料氮在土壤中的固持，減少生育前期肥料氮的損失。水稻開花期和灌漿期，施用有機肥部分替代化肥的處理土壤溶液中NH4+-N含量較單施化肥氮肥處理高，說明有機肥氮的施入可以維持土壤氮素的穩(wěn)定供應。

表2 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻產(chǎn)量的影響

圖1 有機肥部分替代化肥下高產(chǎn)水稻土壤銨態(tài)氮含量的變化

圖2 有機肥部分替代化肥下高產(chǎn)水稻土壤硝態(tài)氮含量的變化

2.2.2 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻土壤硝態(tài)氮含量的動態(tài)變化 在水稻生育前期土壤NO3--N含量的增加和降低主要是由土壤中水分含量的變化引起的。本研究表明水稻季土壤中NO3--N并不是氮素重要存在形式。由圖2可以看出，硝化過程指氨或銨鹽在微生物作用下轉(zhuǎn)化成硝酸態(tài)氮化合物的過程。施肥后所有處理土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮增均有上升趨勢，水稻各生育期土壤溶液中NO3--N總的含量低于NH4+-N（圖1、2），在整個水稻生育期土壤中不同處理的施肥處理中NO3--N濃度隨水份管理變化的趨勢相同，硝態(tài)氮含量均低于7.50 mg/kg，NO3--N濃度變化有差異，其變化趨勢與NH4+-N不同，硝態(tài)氮移栽后4天出現(xiàn)第一個峰值，曬田后硝態(tài)氮逐漸升高，到43～49天不同處理土壤中NO3--N出現(xiàn)第二個峰值，且峰值最高，最高值達7.50 mg/kg，土壤中NO3--N僅在2個峰值時達到差異顯著，其中施肥的處理達到高值。進入生殖生長階段各處理NO3--N濃度逐漸減少。由此可得，施肥后短期內(nèi)可以提高NO3--N含量，NH4+-N濃度的提高可減小NO3--N的濃度，擱田可以提高NO3--N的濃度，有機肥能抑制NH4+-N濃度的增加。

2.3 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻生育期內(nèi)土壤氮素盈虧量的表觀估算

氮肥施入后減去被作物吸收和殘留在土壤中礦質(zhì)氮外的那部分氮素被稱作氮素的表觀盈余[7]，水稻全生育期0～20 cm土層土壤氮素表觀盈虧量（各生育階段盈余量之和）的估算結(jié)果顯示，各處理均表現(xiàn)為土壤氮素的表觀盈余（表3），但從各生育階段來看，不同處理間差異較大。從移栽—有效分蘗臨界期，由于氮肥的大量施用，各處理均表現(xiàn)為土壤氮素的大量盈余，而有機肥處理其土壤氮素表觀盈余量顯著高于單施化肥，雖處理HE和HY處理基蘗肥的用量差異較小，因是定位試驗第3年的測試結(jié)果，土壤肥力間有一定的差異，因此HY處理高于HE處理。在水稻進入分蘗盛期后，生長迅速，HE處理迅速表現(xiàn)為土壤氮素的虧缺；最高分蘗期HECF處理土壤氮素出現(xiàn)大量盈余，這是因為餅肥的腐解慢而產(chǎn)生的，施肥處理中HE處理有虧缺，HY和HEDM接近平衡；而在穗肥的施用下，各處理水稻的土壤虧缺氮以緩解，表現(xiàn)為HEDM＞HECF＞HY＞HE＞CK，HEDM處理氮素盈余量達到93 kg/hm2；成熟期除HEDM處理處理外，其他處理表現(xiàn)不同程度地虧缺。

表3 不同處理水稻生育期內(nèi)土壤氮素的表觀盈虧量（0～20cm土層）

2.4 有機肥部分替代化肥對水稻生產(chǎn)氮肥利用率的影響

氮素吸收利用率是水稻氮素利用狀況重要指標，有機肥部分替代化肥水稻養(yǎng)分累積量及氮素利用率，等氮量條件下有機肥部分替代化肥養(yǎng)分調(diào)控都有利于養(yǎng)分的積累，提高養(yǎng)分利用效率，比單施化肥HY處理相比，HECF和HEDM處理的氮肥吸收利用率分別提高了14.5%和8.6%，差異均達到顯著水平。氮素收獲指數(shù)在不同施肥處理間差異不顯著，這可能是由于合理的氮肥運籌方式可提高營養(yǎng)器官中氮素向籽粒中的轉(zhuǎn)移量，但由于轉(zhuǎn)移率降低，相應在營養(yǎng)器官中滯留的氮素較多，因而氮素收獲指數(shù)并沒有顯著變化。養(yǎng)分調(diào)控對超水稻生產(chǎn)氮肥利用率和土壤氮素依存率的影響，隨著施養(yǎng)分用量的增加，每100 kg籽粒需氮量、土壤氮素依存率逐漸降低，且同等氮量下，差異很小，因此可以看出，5年連續(xù)施用有機肥的氮養(yǎng)分完全可以部分替代化肥。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機肥氮部分替代化肥氮對水稻產(chǎn)量影響

研究表明，有機肥和化肥的配合施用能發(fā)揮肥料的交互作用，長期定位試驗高效處理施氮量不足，生育前期銨態(tài)氮含量太高，而后期又嫌不足，水稻有脫肥的現(xiàn)象，導致水稻產(chǎn)量低；高產(chǎn)處理適宜的氮量和合理的氮肥運籌方式，能夠獲得高產(chǎn)。有機無機肥適當配比長期配合施用，水稻產(chǎn)量均能保持相對較高，水稻產(chǎn)量隨著施肥時間的延長，與高產(chǎn)處理(HY)之間的差異逐漸增大，這是由于其施肥量僅為高產(chǎn)處理(HY)的N78%、磷67%和鉀60%有關(guān)。在等氮量下以合理比例有機肥氮替代化肥氮水稻產(chǎn)量差異，5年水稻生產(chǎn)中前3年均是以相同氮量的單施化肥處理產(chǎn)量最高。而后2年水稻產(chǎn)量結(jié)果顯示，隨著有機肥施用年限的增加，水稻產(chǎn)量的提高幅度也呈逐年增加趨勢，說明有機化肥配施具有肥效緩長的特點，前期氮素供應能力雖不及化肥單施，但隨著有機肥氮的分解及微生物體內(nèi)固定的氮素釋放量的增多，水稻生長后期氮素營養(yǎng)狀況好于單施化肥。降低氮磷鉀化肥施用量增施有機肥，即可增肥地力，又可以達到水稻高產(chǎn)的目標。

表4 有機肥部分替代化肥對水稻氮肥利用率的影響

3.2 有機肥氮部分替代化肥氮對土壤氮素含量影響

有機肥與化肥配施對于提高土壤不同氮素含量有重要意義，謝秋發(fā)等[20]研究表明單施化肥氮土壤中的NH4+-N前期來自肥料中的比例高于有機化肥配施的處理，中后期則相反。這是由于有機肥氮部分替代化肥氮后，水稻生育前期有機肥的施入為土壤微生物提供了大量的碳源，其活動加劇，將相當一部分氮固定到體內(nèi)，使得土壤溶液中的NH4+-N濃度降低，減少損失。這既能快速提高土壤中有效氮的含量，又能長久保持土壤氮素。增施有機肥會對水稻生長前期產(chǎn)生抑制作用，對后期產(chǎn)生促進作用，本研究表明，增施有機肥初期，由于有機肥進一步腐熟使稻田土壤微生物數(shù)量迅速增多，會固定一部分土壤中的礦質(zhì)氮，導致NH4+-N含量降低，而NO3--N的含量提高。水稻分蘗期有機肥氮部分替代化肥氮處理的土壤NH4+-N濃度較單施化肥氮的低，同時土壤中NO3--N的含量隨NH4+-N含量的變化而波動，在曬田期間由于NH4+-N濃度的降低，土壤中NO3--N濃度顯著提高。因此分蘗期土壤中NH4+-N的濃度降低，適當提高土壤中NO3--N的含量，既可減少了水稻生育前期氮素的流失，又可促進水稻的生長?；侍幚硭镜屎笠朴欣谛璧叻迤诓蝗钡?，而有機替代氮水稻在前期吸收氮主要源于化肥中的氮，生育后期，水稻需要從土壤中吸收大量的氮素維持生長，這時單施化肥氮處理土壤溶液中的NH4+-N濃度較低，而有機肥氮部分替代化肥氮的處理中被微生物固定的氮就逐漸釋放出來供水稻生長所用。

3.3 有機肥部分替代化肥對高產(chǎn)水稻生育期內(nèi)土壤氮素盈虧量和氮肥利用率

李延等[21]研究表明單施無機肥，則生育前期銨態(tài)氮含量太高，而后期又嫌不足，水稻有嚴重隨著脫肥的現(xiàn)象。有機肥氮部分替代無機氮具有肥效緩長的特點，前期氮素供應能力雖不及單施化肥，但隨著有機肥氮的分解及微生物體內(nèi)固定的氮素釋放量的增多，水稻生長后期氮素營養(yǎng)狀況好于單施化肥氮。有機無機肥配施，有機肥既補充了稻田土壤養(yǎng)分，又通過調(diào)節(jié)土壤與化肥養(yǎng)分的釋放強度和速率，使水稻各生育階段得到更為均衡的礦質(zhì)營養(yǎng)[22]。水稻進入生殖生長期，其對氮素的吸收量增加，土壤中NH4+-N含量也迅速降低，到拔節(jié)期各處理間已沒有差異。

在高產(chǎn)水稻生產(chǎn)中，氮肥利用率是衡量施氮是否合理的一個重要指標。隨著施氮量的增加，水稻氮肥利用率降低，氮素損失量顯著增加本試驗結(jié)果表明，在等氮量條件下，有機替代化肥對水稻氮素收獲指數(shù)、氮肥農(nóng)藝利用率、籽粒需氮量影響不顯著，但能顯著提高水稻氮肥的吸收利用率。HECF和HEDM處理的氮肥吸收利用率分別提高了14.5%和8.6%。土壤氮素表觀盈余量計算結(jié)果進一步表明，隨著有機替代化肥氮素表觀盈余量表觀盈余量最大，其中全部化肥處理(HY)的表觀盈余量虧缺。土壤氮損失是盈余氮素的一個主要去向，而氨揮發(fā)是水稻生育期間土壤氮素損失的一個重要途徑，即土壤氮表觀盈余量越高，盈余的氮素向氨揮發(fā)的量就可能性越大。因此，從提高氮肥利用率、減少氮素損失和降低硝態(tài)氮淋洗的角度，在水稻高產(chǎn)生產(chǎn)中應避免減少氮肥作基肥比例的策略，而應該將氮肥施用時期適當后移，并適當提高后期追肥比例，這有利于提高氮肥吸收利用率和降低土壤氮素的表觀盈余量，或者用有機肥替代化肥，從而減輕氮肥施用對環(huán)境的污染。

連續(xù)5年長期不同施肥后，稻谷產(chǎn)量隨著施肥量的增加而增加，在等氮投入下，有機肥替代化肥處理產(chǎn)量始終保持穩(wěn)定且最高，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際中，HECF和HEDM處理是較理想的施肥模式。