長期施用有機肥對黑土土壤肥力和玉米產量的影響

鄒文秀，邱 琛,2，韓曉增，郝翔翔，劉曉潔，陸欣春，嚴 君，陳 旭

(1.中國科學院 東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所，黑龍江 哈爾濱 150081；2 中國科學院大學，北京 100049；3.黑龍江省綠色食品科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 引 言

中國具有施用有機肥培肥土壤的傳統，早在1950年以前，通過有機肥投入到土壤中的養(yǎng)分占到土壤中總養(yǎng)分投入量的90%[1]。隨著人口的不斷增加，對糧食需求越來越大，化肥由于具有養(yǎng)分有效性高，且可以按照作物需求進行施用的優(yōu)點而被大面積施用。據統計中國在1978-2012年化肥的施用量增加了6倍，作物產量增加了93%[2]。但是，隨著化肥施用量的不斷增加，土壤酸化、鹽漬化和養(yǎng)分失衡等一系列土壤退化問題逐漸顯現，也引起了土壤中硝酸鹽積累、地下水和地表水污染等問題[3]。此外，我國每年畜禽糞污產出量約38億t，有效利用率不到40%[4-5]。未被利用的畜禽糞污若不進行資源化利用和有效處置，不僅影響畜禽養(yǎng)殖區(qū)域生態(tài)環(huán)境，也容易造成水體等環(huán)境的污染。因此，畜禽糞污肥料化處理是畜禽糞污較為合理的利用途徑之一[6]。申貴男等在東北黑區(qū)開展的問卷調查結果顯示，90%以上的生產者對畜禽糞污的資源化利用比較認可，期待通過其資源化利用改善生活環(huán)境，減少資源浪費，并且建議加大畜禽糞污的技術推廣[7]。

限制有機肥長期施用的表觀因素是勞動力成本和運輸成本的不斷增加[3]，更重要的內在原因是缺乏對有機肥是否能替代化肥滿足作物高產穩(wěn)產需求的長期研究及機理揭示。長期施用有機肥對土壤地力提升的影響一直是研究熱點。Guo等在棕壤上研究發(fā)現，有機肥替代25%化肥處理作物產量與化肥處理間無顯著差異[8]。龔海青等基于一個30年的長期定位試驗，分析了黑土有機肥替代率與土壤有機碳的響應關系，研究發(fā)現在土壤有機碳含量達到25 g·kg-1時，以有機氮作為衡量指標，有機肥對化肥的替代率趨近95%[9]。東北黑土區(qū)南部公主嶺的長期定位試驗上開展的研究發(fā)現，有機肥處理玉米產量的穩(wěn)定性優(yōu)于單施化肥處理[10]。郝小雨等研究表明，長期施用有機肥對東北黑土區(qū)南部大豆產量的影響與等量化肥相同[11]。但是，在東北黑土區(qū)中部肥力較高的黑土上關于有機肥替代化肥對土壤肥力影響鮮有報道，特別是耕層和亞耕層的肥力變化對玉米產量貢獻的關注較少。

黑土是最肥沃的土壤之一，在我國主要分布在黑龍江省、吉林省、遼寧省和內蒙古自治區(qū)東四盟，該區(qū)域是我國重要的商品糧生產基地[12]。但是，近些年來由于不合理耕作和有機物料投入少導致黑土表層退化嚴重，威脅到國家糧食安全[13]。因此，在生產上急需探索出既能保護黑土層肥力又能提升土地生產能力的技術途徑。本文基于東北黑土北部的長期定位試驗，分析長期施用有機肥對玉米產量、土壤肥力和物理指標的影響，試圖揭示長期施用有機肥對化肥的替代能力以及長期有機培肥后形成的土壤肥力對玉米生產的貢獻。本研究將為東北黑土地保護和畜禽糞污綜合利用提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點概況

試驗位于中國科學院海倫農業(yè)生態(tài)實驗站(47°27′N，126°55′E)，該試驗站位于東北黑土區(qū)的中部，地勢平坦，溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年均≥10 ℃有效積溫2 450 ℃，年均日照時數約為2 700 h，無霜期為125 d，一年一季。土壤類型屬于中厚層黑土(按照發(fā)生分類)，質地為粘壤土，是在第四紀黃土狀母質上發(fā)育起來的地帶性土壤，土壤物理性粘粒含>40%以上，黑土層(A)較厚，>50 cm，過渡層(AB)>60 cm，無碳酸鹽反應，地下水埋深在20～30 m。

1.2 試驗設計

試驗區(qū)域2000-2002年依次種植玉米、大豆和小麥，進行勻地。勻地期間玉米、大豆和小麥均未施用肥料。2003年設置相關試驗，包括3個處理，分別是不施肥處理(CK)、施用氮磷鉀化肥處理(NPK)、施用有機肥處理(M)。試驗小區(qū)面積21 m2(5.0 m×4.2 m)，隨機排列，4次重復。作物種植方式為玉米連作。2003-2012年玉米品種為海玉6，2013-2019年玉米品種為德美亞3號。玉米施肥量為N 112.5 kg·hm-2，P2O545 kg·hm-2，K2O 60 kg·hm-2。氮肥1/3作基肥，2/3追肥在玉米拔節(jié)期施用，磷鉀肥作基肥一次性施用。有機肥施用量為22 500 kg·hm-2(烘干基計重)，2003-2011年有機肥為純腐熟豬糞，有機質含量597.6 g·kg-1，全氮含量22.1 g·kg-1，全磷含量8.58 g·kg-1，全鉀含量11.1 g·kg-1，pH 8.15。2012-2019年有機肥為秸稈、大豆粉和玉米籽粒按照5∶1∶1堆漚而成，有機質含量456.9 g·kg-1，全氮含量20.2 g·kg-1，全磷含量3.39 g·kg-1，全鉀含量9.9 g·kg-1。有機肥于每年秋季玉米收獲后采用旋耕機混入土壤0～20 cm土層。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集。于2003試驗開始前和2020年采集土壤樣品。樣品采集方法：每個處理按照0～20 cm和20～40 cm土層深度進行取樣，每個小區(qū)隨機選取3個點。采用環(huán)刀分層采集原狀土壤，然后使用環(huán)刀的蓋子蓋住兩端，再用膠帶密封后帶回實驗室備用。

1.3.2 測定方法。土壤有機碳和全氮采用元素分析儀測定(EA3000，Euro Vector，Italiy)，土壤磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀和pH的測定參照文獻[11]。土壤總孔隙度、通氣孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度的計算參考文獻[14]。

1.3.3 計算方法。把無肥區(qū)玉米產量作為土壤基礎生產能力，用以計算土壤化肥生產能力和有機肥生產能力：

土壤化肥生產能力=施用化肥玉米產量-土壤基礎生產能力

(1)

土壤有機肥生產能力=施用有機肥玉米產量-土壤基礎生產能力

(2)

土壤有機肥替代化肥能力=土壤有機肥生產能力/土壤化肥生產能力×100%

(3)

1.4 數據處理與統計分析

采用Microsoft Excel 2017對試驗數據進行整理。采用單因素方差分析(One Way-ANOVA)對無肥、化肥和有機肥處理間的顯著性進行檢驗，采用Duncan多重比較分析不同處理間在P<0.05水平上的差異。采用SPSS 19.0對土壤有機質含量、養(yǎng)分含量、pH和土壤物理性質對玉米產量的影響進行回歸分析，通過計算不同因子標準化系數絕對值與所有因子標準化系數絕對值之和的比值，評價不同因子對玉米產量的貢獻。采用Origin 13.0繪制圖。

2 結果分析

2.1 長期施用有機肥對玉米產量的影響

試驗期間(2003-2019年)，CK處理玉米產量表現出了下降趨勢；NPK處理玉米產量雖然波動較大，但受品種更換的影響，整體上略有增加；M處理隨著試驗時間的增長玉米產量增加明顯(圖1)。CK處理玉米產量比NPK和M處理顯著降低了25.1%～45.8%和15.8%～45.8%(P<0.05)。2003-2015年間，NPK處理玉米產量較M處理顯著提高了12.4%～29.4%(P<0.05)；2016、2017和2019年M處理與NPK處理玉米產量間無顯著差異(P>0.05)。

試驗期間，土壤化肥生產能力(CFP)和有機肥生產能力(MP)表現出了與產量相似的變化趨勢(圖2)。但是，與2003年相比，2019年MP和CFP分別增加了343%和55.5%，說明單獨施用有機肥比單獨施用化肥更能夠快速提高土壤的生產能力。通過計算有機肥替代化肥能力(MP/CFP)發(fā)現，隨著有機肥施用時間的增加，其替代化肥的能力逐漸顯現，在施用有機肥13年后，已經可以實現有機肥替代化肥，即MP/CFP接近1或者大于1。

注：*代表同一年份不同處理間在P<0.05水平上差異顯著。Note:* indicate significant differences between treatment in the same year at P<0.05 level.圖1 施用有機肥對玉米產量的影響Fig.1 Effects of organic manure application on maize yield

圖2 施用有機肥對土壤生產能力的影響Fig.2 Effects of organic manure application on soil productivity

2.2 長期施用有機肥對土壤有機碳、養(yǎng)分和pH的影響

分析0～20 cm土層土壤有機碳、養(yǎng)分和pH變化表明，與2003相比，2020年CK處理耕層土壤有機碳、全氮、堿解氮和速效磷含量顯著減低了13.8%、20.7%、24.0%和25.2%(P<0.05)；NPK處理全氮、pH顯著減低了5.62%和0.71個單位(P<0.05)，而土壤速效磷含量顯著增加了37.0%(P<0.05)；M處理土壤有機質、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量顯著增加了56.9%、71.7%、78.5%、315%和48.8%(圖3)。在2020年，除土壤全鉀含量和pH以外，CK、NPK和M處理對其他土壤肥力指標的影響均差異顯著(P<0.05)，表現為CK

注：不同的小寫字母表示處理間在P<0.05水平上差異顯著。下同。Note:Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.The sameis as below.圖3 施用有機肥對0～20 cm土層土壤肥力的影響Fig.3 Effects of organic manure application on soil fertility within 0-20 cm soil layer

分析20～40 cm土層土壤有機碳、養(yǎng)分和pH的變化表明，與2003年相比，2020年CK處理土壤有機碳、全氮和堿解氮含量分別顯著降低了17.0%、23.0%和27.0%；NPK處理土壤有機碳和全氮含量分別顯著下降了6.98%和8.19%，pH顯著下降了0.46個單位，速效磷含量顯著增加了42.0%；M處理土壤有機碳、全氮、全磷、堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別顯著增加了12.4%、16.0%、30.4%、19.4%、147%和28.6%，pH顯著下降了0.2個單位(圖4)。2020年，除土壤全鉀含量和pH以外，CK、NPK和M處理對其他土壤肥力指標的影響均差異顯著(P<0.05)，表現為CK

圖4 施用有機肥對20～40 cm土層土壤肥力的影響Fig.4 Effects of organic manure application on soil fertility within 20-40 cm soil layer

2.3 有機肥施用對土壤物理性質的影響

與2003年相比，2020年0～20 cm和20～40 cm土層CK和NPK處理土壤容重沒有顯著的變化(P>0.05)，M處理土壤容重分別顯著下降了16.0%和4.40%(P<0.05)(圖5)。不同處理間0～20 cm和20～40 cm土層土壤容重均表現為CK>NPK>M，其中CK處理和NPK處理間差異不顯著，M處理比CK和NPK處理在0～20 cm顯著降低了16.0%和15.3%(P<0.05)，在20～40 cm土層顯著下降了5.13%和4.43%(P<0.05)。

與2003年初始土壤相比，2020年CK和NPK處理對0～20 cm土層土壤總孔隙度沒有顯著影響，但是M處理0～20 cm土層土壤總孔隙度顯著增加了12.9%(P<0.05)(圖6)。雖然M處理有增加20～40 cm土層土壤總孔隙度的趨勢，但是不同處理對該層土壤總孔隙度沒有顯著影響(P>0.05)。不同處理對0～20 cm土層土壤毛管孔隙和非活性孔隙均沒有顯著影響，但是與初始值、CK和NPK處理相比，M處理土壤通氣孔隙顯著增加了47.8%～76.0%(P<0.05)。不同處理對20～40 cm土層土壤孔隙組成均沒有顯著影響。

圖5 施用有機肥對0～20 cm和20～40 cm土層容重的影響Fig.5 Effects of organic manure application on soil bulk density within 0-20 and 20-40 cm soil layers

2.4 土壤肥力指標對玉米產量的貢獻

土壤有機質、養(yǎng)分含量及pH對玉米產量的貢獻見表1。在0～20 cm土層，土壤有機質對玉米產量的貢獻度最大，達到了37.6%，其次是土壤全氮和全磷，分別為35.6%和11.0%，其他指標的貢獻度均≤4.18%，其中全鉀的貢獻度最小(0.35%)。在20～40 cm土層，土壤全氮對玉米產量的貢獻度最大，達到了46.0%，其次是土壤有機質，為34.3%，其他指標的貢獻度均≤6.09，全鉀的貢獻度最小(0.75%)。

圖6 施用有機肥對0～20 cm和20～40 cm土層孔隙組成的影響Fig.6 Effects of organic manure application on soil porosity within 0-20 and 20-40 cm soil layers

表1 土壤有機碳及養(yǎng)分含量對玉米產量的貢獻Table 1 The contribution of soil organic carbon and nutrient contents to maize yield

土壤容重及孔隙分布對玉米產量的貢獻見表2。在0～20 cm土層，通氣孔隙和容重對玉米產量的貢獻度較大，分別為41.2%和34.8%，非活性孔隙的貢獻度最小為0.27%。在20～40 cm土層，毛管孔隙和通氣孔隙對玉米產量的貢獻度較大，分別為43.0%和27.3%，容重的貢獻度最小為12.0%。

表2 土壤容重及孔隙分布對玉米產量的貢獻Table 2 Contribution of soil bulk density and porosity to maize yield

3 討 論

施肥通過增加土壤中的養(yǎng)分含量，提高了玉米產量[15-16]。本研究也發(fā)現了試驗期間化肥和有機肥處理的玉米產量顯著高于無肥處理。但是，玉米產量對化肥和有機肥施用的響應是不一致的。2013-2016年間化肥處理玉米產量顯著高于有機肥處理，而2017-2019年間兩個處理間玉米產量差異不顯著(2018年除外)(圖2)。相關研究已經報道了充足的養(yǎng)分供給對于玉米產量的形成至關重要[17-18]?；屎陀袡C肥的養(yǎng)分釋放速度是導致玉米產量對化肥和有機肥施用的響應出現差異的最主要因素?；示哂叙B(yǎng)分釋放快，并能快速被作物吸收利用的特點[19]，而有機肥中雖然含有大量的有機質及養(yǎng)分，但是其施用到土壤中需要經過礦化作用才能釋放出可供作物吸收利用的養(yǎng)分，具有養(yǎng)分釋放緩慢的特點，不能及時滿足作物關鍵生育期對養(yǎng)分的需求[20]。研究已經發(fā)現，不同來源有機肥的礦化速度不同，培養(yǎng)120 d以后雞糞、牛糞和豬糞的礦化率分別為87.5%，71.9%和55.4%[20]。鄭福麗等研究發(fā)現，有機肥在室內培養(yǎng)150 d后礦質氮的釋放量為8.04%，有效磷釋放量為76.0%，速效鉀的釋放量為23.4%[21]。因此，有機肥養(yǎng)分釋放慢，不能協調供給作物吸收利用，是導致有機肥處理玉米產量在試驗開始的前13年顯著低于施用化肥處理的主要原因。有機肥連續(xù)施用13年后，能夠提高土壤中氮的有效性，增加土壤中來自有機肥的有機質和養(yǎng)分含量(圖3和4)，改善土壤的持水能力，并促進良好土壤結構的形成(圖5和6)，進而滿足玉米生長發(fā)育對養(yǎng)分的需求[18]，提高玉米產量。隨著試驗時間的延長，有機肥替代化肥的作用逐漸明顯(圖2)。Edmeades通過對比分析發(fā)現，有機肥需經過長時間的連續(xù)施用才能對作物產量產生正向的影響，同時有機肥對作物產量影響的時間效應取決于初始土壤肥力和有機肥的礦化速率[18]，熱量是限制有機肥礦化速率的重要因素之一[22]。研究區(qū)域熱量偏低，年有效積溫為2 450 ℃，這也可能是導致經過13年有機肥連施用后玉米產量才達到或者超過化肥施用處理水平的原因。在熱量偏高的區(qū)域，這個時間可能會縮短。研究已經證明有機肥中養(yǎng)分的分解釋放速度隨著氣候熱量的增加而提高，即加速了有機肥養(yǎng)分的有效化[22]。雖然，溫延臣等發(fā)現與施用化肥處理相比，有機肥替代化肥后對作物產量沒有顯著差異[23]，但是該研究中采用的是有機肥部分替代化肥施用，即進行了等養(yǎng)分替代化肥。Christie的研究也認為，在等養(yǎng)分含量投入的情況下，化肥和有機肥處理對作物產量的影響沒有顯著差異[24]。但是，本研究中有機肥處理是進行了化肥的全量替代，即有機肥處理并未施用化肥，證明經過足夠長時間的有機肥施用，在肥力較高的黑土上有機肥全量替代化肥能夠滿足作物對養(yǎng)分的需求，供給作物生長，獲得與施用化肥相當的產量。同時，長期有機肥投入對土壤及作物生長的影響具有持效性。有機肥的投入除了能夠增加土壤中養(yǎng)分積累，還能夠改善0～20 cm和20～40 cm土層土壤物理性質，即降低了土壤容重(圖5)，增加了土壤中的通氣孔隙(圖6)，能夠進一步促進根系的下扎和對深層土壤水分及養(yǎng)分的利用[25]，調控了作物應對水分和養(yǎng)分虧缺的能力[26]，對保障作物產量的穩(wěn)定具有重要的意義。彭暢等在公主嶺黑土的研究表明，降水顯著影響了化肥處理玉米產量的年際間變化，但是有機肥處理對降水響應則不敏感[27]。

不同施肥管理是影響0～20 cm和20～40 cm土層有機質及養(yǎng)分含量和土壤物理性質的重要因素之一[18]。無肥處理由于沒有化肥和有機肥的投入，土壤中的養(yǎng)分含量不斷被作物吸收、移除帶走，導致土壤中的養(yǎng)分含量持續(xù)下降[16,18]。劉鴻翔等研究報道黑土在不施肥的情況下平均每年玉米、大豆和小麥的N、P和K養(yǎng)分移除量分別是145 kg·hm-2、83.6 kg·hm-2和99.0 kg·hm-2[28]。本研究中，經過17年無肥處理后顯著降低了0～20 cm土層中有機質、全氮、堿解氮和速效磷的含量(圖2)。作物在養(yǎng)分缺乏的情況會通過根系的不斷下扎，吸收深層土壤的養(yǎng)分，供給其生長發(fā)育的需要[29]。這是導致無肥處理對有機碳、全氮和堿解氮的顯著影響已經到了20～40 cm(圖4)的主要原因。說明長期無肥料投入會導致土壤剖面中的養(yǎng)分被不斷消耗，隨著時間的延長，受影響的剖面深度越深。本研究中化肥施用量能夠基本維持0～20 cm土壤有機質和養(yǎng)分含量，其中顯著增加了0～20 cm土層中全氮、全磷和速效磷的含量。但是，受施肥深度和氮素淋溶的影響[30-31]，化肥處理顯著減少了20～40 cm土層全氮含量。0～20 cm土層中未被作物吸收利用的速效磷在20～40 cm土層中累積，導致化肥處理20～40 cm速效磷含量增加[29]。有機肥的施用不僅增加表層0～20 cm土層有機質和養(yǎng)分含量，在根系殘茬、根系沉積物和可溶性有機質物等向下移動的多重作用下[18,31]，顯著增加了20～40 cm土層土壤有機質和養(yǎng)分含量(全鉀除外)。說明有機肥連年施用具有增加深層土壤養(yǎng)分的作用。Lu等研究發(fā)現，長期有機肥的施用能夠顯著增加0～40 cm土層全磷的含量和0～60 cm土層速效磷含量[29]。有機肥的容重較低[32]，還田后能夠有效降低0～20 cm土層土壤的容重(圖6)，增加土壤的孔隙度，特別是土壤中的通氣孔隙(圖7)，促進作物根系的生長[18,33]，進而顯著降低了20～40 cm土層土壤的容重。

本研究發(fā)現，在0～20 cm和20～40 cm土層均是有機質和全氮含量對玉米產量的貢獻率較高。眾所周知，黑土是自然肥力較高的土壤，但是開墾之后由于不合理利用導致土壤肥力下降，限制了作物產量[12]。為了提高作物產量，化肥和有機肥被投入到土壤中用以供給作物吸收利用[13]。單獨化肥的施用雖然能夠基本維持作物的產量，但是不能夠顯著增加土壤有機質含量[34]。在土壤物理指標中，0～20 cm土層通氣孔隙對玉米產量的貢獻率最大，而在20～40 cm土層毛管孔隙對玉米產量的貢獻率最大。其主要原因包括以下兩個方面，(1)黑土黏粒含量在40%以上，質地黏重，0～20 cm土層中通氣孔隙對土壤中“水”、“氣”、“熱”的調控直接影響了作物根系的生長和土壤中養(yǎng)分的有效性[11,14]；(2)20～40 cm土層中的毛管孔隙是下層土壤水分向上運動的通道，水分運動過程同時會攜帶土壤養(yǎng)分，供給作物吸收利用[35]。

4 結 論

基于17年的田間定位試驗研究發(fā)現，試驗期間無肥處理玉米產量顯著低于化肥和有機肥處理，有機肥處理在連續(xù)施用有機肥13年后玉米產量能達到施用化肥處理的水平，有機肥替代化肥的能力接近1。連續(xù)施用的有機肥在微生物的作用下形成有機質在土壤不斷積累，釋放養(yǎng)分供給作物吸收利用，土壤物理性質的改善是導致有機肥處理玉米產量穩(wěn)定提高的最主要因素。在黑土區(qū)通過優(yōu)質有機肥的連續(xù)施用，能夠實現有機肥全量替代化肥。