有機(jī)肥替代對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

趙秀東，陳曉芳，袁自然，葉 寅

（1安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，合肥 230031；2安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036）

0 引言

中國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)是國(guó)家的根本，土地是農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，2007年以來(lái)，中國(guó)的耕地面積持續(xù)下降，已接近耕地保護(hù)面積紅線十八億畝（1.2億hm2），隨著中國(guó)人口的快速增長(zhǎng)，人均耕地面積也在急劇縮減，目前的人均耕地面積為0.1 hm2，不足世界平均水平的40%，平均耕層土壤深度也逐年下降，在這種情況之下糧食的增產(chǎn)只能通過(guò)提高糧食單產(chǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-5]。提高糧食單產(chǎn)的重要手段之一就是施用化肥，化肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基礎(chǔ)且最重要的物質(zhì)投入[6]?；蕦?duì)中國(guó)糧食單產(chǎn)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率高達(dá)55%～57%。2001年中國(guó)化肥使用總量為4253.76萬(wàn)t，到2015年化肥使用總量增加到6000萬(wàn)t，中國(guó)單位耕地化肥使用量在1980年僅為94.83 kg/hm2，2004年為300 kg/hm2，2010年為460 kg/hm2，至2012年則增長(zhǎng)到480 kg/hm2，增幅達(dá)5倍[7-10]。化肥帶來(lái)巨大收益的同時(shí)也引發(fā)了一系列問(wèn)題，農(nóng)戶超量施肥會(huì)導(dǎo)致增產(chǎn)效應(yīng)下降?；适┯昧吭黾?，偏向施肥、忽視土壤自身養(yǎng)分供應(yīng)等不合理行為造成糧食增長(zhǎng)效應(yīng)降低，還會(huì)引發(fā)土壤板結(jié)、酸化、養(yǎng)分流失等土壤質(zhì)量問(wèn)題，造成環(huán)境破壞效應(yīng)[11]?；屎魑锷L(zhǎng)所需的營(yíng)養(yǎng)元素，養(yǎng)分含量高，肥效快，肥勁猛，無(wú)改土培肥的作用，易揮發(fā)，會(huì)造成土壤板結(jié)[12]。干豬糞所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)比較豐富，富含大量微生物能疏松土壤，促進(jìn)沉積養(yǎng)分的釋放，肥效較長(zhǎng)，有機(jī)肥含有大量有益菌，可以改善土壤的理化性狀，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，增加土壤保水、保溫、透氣、保肥的能力，具有培肥地力的作用[13]。施用有機(jī)肥能緩解化肥過(guò)量施用導(dǎo)致的土壤酸化、養(yǎng)分流失等問(wèn)題，還可提高土壤中有效養(yǎng)分含量，維持土壤養(yǎng)分的平衡，然而推廣純有機(jī)肥利用卻是不現(xiàn)實(shí)的，增產(chǎn)效果較低，經(jīng)濟(jì)效益下降，可能導(dǎo)致生產(chǎn)力倒退[14]。

如何在堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展原則的前提下發(fā)展農(nóng)業(yè)的最大效益是當(dāng)今農(nóng)業(yè)科研的一個(gè)重大議題[7]，部分有機(jī)替代是一可行性極高的措施，有專家研究表明有機(jī)肥的合理施用能顯著提高土壤NPK的含量[1]，但化肥、有機(jī)肥、堆肥之間的平衡還需探尋。根據(jù)作物的生長(zhǎng)需求，農(nóng)民一貫偏向重施氮肥、磷肥、鉀肥，筆者設(shè)計(jì)氮磷肥減量20%，以及氮磷肥減量20%后加入商品有機(jī)肥和干豬糞等5個(gè)處理來(lái)研究土壤不同深度養(yǎng)分的分布情況，以及連續(xù)施用不同配比肥料后有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷、速效鉀的變化趨勢(shì)，旨在探尋肥料的合理施用方法，為有機(jī)替代的可行性提供佐證。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

定位試驗(yàn)地位于安徽省阜陽(yáng)市潁上縣大店子村(115.76°E，32.98°N)，地處淮北平原東北部，平均海拔高度28 m，屬暖北溫帶與亞熱帶之間過(guò)渡型氣候，四季分明。降水較為集中于4—9月，年降水量904 mm，歷年平均日照2213.3 h，年平均氣溫15.1℃。供試土壤為砂姜黑土，定位試驗(yàn)開始前采集土壤樣品，測(cè)定其基本理化性質(zhì)，見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)表

1.2 研究方法

本研究共5個(gè)處理，分別為：（1）不施肥，對(duì)照(CK)；（2）農(nóng)民習(xí)慣（常規(guī)施肥）；（3）20%減量施肥；（4）20%減量施肥＋干豬糞；（5）20%減量施肥＋商品有機(jī)肥。各處理施肥量見表2，每個(gè)處理3次重復(fù)，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共15個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為40 m2，條播（方向見圖1），每個(gè)小區(qū)播種量為1200 g，共20行，每行播種60 g。試驗(yàn)所用氮肥為尿素（N含量為46.4%），磷肥為過(guò)磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）。玉米季的磷肥減量30%。干豬糞氮含量為1.06%，磷含量0.28%；商品有機(jī)肥氮含量為3.34%，磷含量為0.83%。等氮條件下不同處理養(yǎng)分施肥量如表2。

圖1 小區(qū)分布圖

表2 不同處理養(yǎng)分施肥量 kg/hm2

1.3 樣品采集、預(yù)處理與測(cè)定

土壤樣品在小麥、玉米收獲后采集，采用“S”型多點(diǎn)取樣法。每個(gè)小區(qū)分別在深度0～20、20～40、40～60 cm 3個(gè)土層采樣，每次土壤取5個(gè)樣點(diǎn)混勻?yàn)?個(gè)土壤樣品，土壤樣品自然風(fēng)干后研磨粉碎，過(guò)20目的細(xì)篩用于測(cè)定有效磷和速效鉀，過(guò)100目的細(xì)篩，用于全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)的測(cè)定。

土壤有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4外加熱法測(cè)定；土壤全氮、全磷分別用半微量凱氏定氮法、HCLO4-H2SO4法測(cè)定；有效磷用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定；速效鉀用NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定。具體測(cè)定方法參考鮑士旦[15]的農(nóng)化分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、使用SPSS 20對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的影響

有機(jī)質(zhì)是衡量土壤肥力高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)，施用不同配比肥料使有機(jī)質(zhì)含量發(fā)生了顯著變化。2017年玉米季的0～20 cm土層NPK處理、20%處理、20%M處理和20%C處理與CK處理相比分別提高了21.3%、2.9%、10.5%、5.6%（表3）。在連續(xù)三季試驗(yàn)后，NPK處理、20%處理、20%M處理和20%C處理較當(dāng)季的CK處理分別增加了50%、26.7%、57.6%和40.7%，20%M處理較NPK處理提高了7.6%。2018年玉米季的20～40 cm土層有機(jī)質(zhì)含量相比于2017年玉米季的20～40 cm，常規(guī)施肥的NPK處理增加了8.5%，添加商品有機(jī)肥的20%M處理和添加干豬糞的20%C處理有機(jī)質(zhì)含量顯著提升，分別提升了22.4%、18.8%，效果尤為顯著。40～60 cm土層各處理有機(jī)質(zhì)含量也存在明顯差異，2018年玉米季20%M處理和20%C處理的有機(jī)質(zhì)含量高于其他施肥處理，表明添加商品有機(jī)肥和干豬糞的有機(jī)替代施肥處理在各土層均能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。

表3 不同施肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響 g/kg

2.2 不同施肥處理對(duì)土壤有效磷的影響

不同施肥處理在不同土層中的有效磷含量差異顯著，土壤有效磷含量隨著土壤剖面深度的增加逐漸降低，CK處理在0～20、20～40 cm層土壤有效磷含量逐年降低（表4）。施用肥料的4個(gè)處理在20～40 cm土層的有效磷含量有所上升，并顯著高于40～60 cm土層。

表4 不同施肥處理對(duì)土壤有效磷含量的影響 mg/kg

2017年玉米季的NPK處理、20%處理、20%M處理、20%C處理在0～20 cm層的土壤有效磷含量高于CK處理22.6%、3.4%、13.4%、4.7%，到2018年玉米季變?yōu)?0.0%、40.9%、82.6%、51.5%。由此可見，4個(gè)施肥處理對(duì)土壤有效磷含量變化影響相當(dāng)顯著。在連續(xù)三季不同配比施肥操作后，添加商品有機(jī)肥的20%M處理較常規(guī)施肥的NPK處理在0～20、20～40、40～60 cm土層分別提高了14.9%、17.4%、21.9%。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可得，5種不同施肥處理中添加商品有機(jī)肥的20%M處理土壤有效磷含量在3個(gè)土層中增加幅度均為最大。

2.3 不同施肥處理對(duì)土壤全氮的影響

研究表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施是使大田土壤氮素含量提高的重要措施[14]。有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配比差異使各施肥處理間土壤全氮含量差異顯著，CK處理在每一季各處理中全氮量均為最低。在2017年玉米季中NPK處理的全氮含量在0～20、20～40 cm土層為5個(gè)處理中的最高，在2018年小麥季的0～20 cm層依舊是最高（表5）。2017年玉米季時(shí)0～20 cm土層商品有機(jī)肥部分有機(jī)替代的20%M處理與常規(guī)施肥的NPK處理相比并無(wú)明顯突出優(yōu)勢(shì)。20%M處理的土壤全磷含量高于CK處理14.0%，高于20%處理7.1%，高于20%C處理2.8%，低于常規(guī)施肥的NPK處理2.3%。添加了干豬糞的20%C處理在0～20 cm層高于CK處理10.9%，高于20%處理4.1%，低于NPK處理5.2%；在20～40 cm土層中20%M處理較CK處理提高了4.6%，比20%處理高6.9%，高于20%C處理2.6%，低于NPK處理2.7%。在20～40 cm土層20%C處理高于CK處理1.9%，高于20%處理4.1%，低于常規(guī)施肥的NPK處理5.4%。到2018年玉米季添加了商品有機(jī)肥和干豬糞有機(jī)替代的處理全氮含量顯著增加，在0～20 cm土層20%M處理已經(jīng)依次高于CK處理49.4%、20%處理11.16%、20%C處理19.7%、NPK處理2.0%。20%C處理分別高于CK處理34.4%、20%處理7.7%，低于NPK處理8.3%；20～40 cm土層20%M處理和20%C處理效果尤為顯著，20%M處理高于CK處理36.3%，高于20%處理10.8%，與20%C處理和NPK處理相比分別提高了2.0%、6.1%。20%C處理與CK處理、20%處理、NPK處理相比分別提高了33.6%、8.6%、4.0%。小麥季在0～20 cm土層NPK處理分別高于20%M處理2.2%、20%C處理2.9%，但在20～40 cm土層20%M處理、20%C處理分別比NPK處理高3.6%、1.0%。40～60 cm土層各處理在3個(gè)季度中全氮含量無(wú)明顯變化規(guī)律。

表5 不同施肥處理對(duì)土壤全氮含量的影響 g/kg

2.4 不同施肥處理對(duì)土壤全磷的影響

土壤全磷含量在土壤剖面中的變化趨勢(shì)與全氮變化趨勢(shì)大致相同，在0～20、20～40 cm土層全磷含量有顯著變化差異，在40～60 cm土層無(wú)規(guī)律性變化差異（表6）。隨著土壤剖面深度的增加全磷含量逐漸減小。在2018年玉米季0～20 cm土層20%M處理效果最為顯著，20%M處理、20%C處理、NPK處理與CK處理相比分別增加了51.9%、36.5%、44.2%。在0～20、20～40 cm土層5個(gè)處理全磷含量的排列都為20%M＞NPK＞20%C＞20%＞CK?；蕼p量添加了商品有機(jī)肥的20%M處理在0～20 cm層的全磷含量2018年玉米季比2017年玉米季增加了19.7%，添加了干豬糞20%C處理2年相比提高了16.4%。在20～40 cm層20%M處理、20%C處理分別比上一年的增加了32%、29.2%。

表6 不同施肥處理對(duì)土壤全磷含量的影響 g/kg

2.5 不同施肥處理對(duì)土壤速效鉀的影響

本試驗(yàn)并沒有對(duì)鉀肥進(jìn)行減量操作，但受肥料不同配比的影響，不同處理土壤速效鉀含量存在差異，土壤速效鉀含量在0～20、20～40、40～60 cm土層均存在差異但不具有代表性，三季中在0～20 cm土層和20～40 cm土層NPK處理、20%處理、20%M處理和20%C處理速效鉀含量均高于CK處理，NPK處理和20%M處理又顯著高于其他處理（表7）。在三季中，隨著時(shí)間的推移土壤速效鉀的含量總體趨勢(shì)是逐漸下降。

表7 不同施肥處理對(duì)土壤速效鉀含量的影響 mg/kg

2.6 不同施肥處理各元素在土壤剖面上的分布情況（以2018玉米季為例）

2.6.1 全氮 隨著土層深度的增加各處理全氮含量逐漸降低，其他4個(gè)處理全氮含量在3個(gè)土層均高于CK處理，20%處理高于CK處理低于其余3個(gè)處理，20%M處理在0～20、20～40、40～60 cm土層均為最高，20%C處理在0～20 cm土層低于NPK處理但到20～40 cm土層全氮含量超過(guò)了NPK處理。如圖2所示，施加不同肥料后土壤的全氮含量都有所升高，但添加了商品有機(jī)肥和干豬糞的處理變化更為顯著，養(yǎng)分向下淋溶在20～40 cm土層累積。

圖2 不同土層深度全氮含量

2.6.2 全磷 各處理在0～20 cm土層和20～40 cm土層全磷含量遠(yuǎn)高于40～60 cm土層（圖3），在40～60 cm土層無(wú)明顯差異，20%M處理在0～20 cm高于其他處理，在20～40 cm土層20%M處理和20%C處理也顯著高于其他處理，在這一土層20%M處理、20%C處理、NPK處理、20%處理與CK處理差異較大，表明全磷主要分布于淺表土層，含量受不同施肥處理影響較大。

圖3 不同土層深度全磷含量

2.6.3 有機(jī)質(zhì) 隨著土壤剖面深度增加有機(jī)質(zhì)含量逐漸降低，在0～20 cm和20～40 cm土層排列為20%M＞NPK＞20%C＞20%＞CK（圖4），到40～60 cm土層發(fā)生了明顯變化，20%M和20%C處理相對(duì)持平并顯著高于其他處理，表明施加商品有機(jī)肥和豬糞的處理有機(jī)質(zhì)的積累和向下遷移能力高于其他處理。

圖4 不同土層深度有機(jī)質(zhì)含量

2.6.4 有效磷 在不同土層中CK處理有效磷含量均低于其他處理（圖5），NPK處理在0～20 cm土層中低于20%M處理，高于CK處理、20%處理和20%M處理，但在20～40 cm土層就只高于CK處理、20%處理，到40～60 cm土層成為各處理中第二低項(xiàng)。表明常規(guī)肥料在土壤中能迅速供應(yīng)作物吸收利用，但向下淋溶累積的能力低于商品有機(jī)肥和干豬糞。20%M處理在不同土層均為最高，這一現(xiàn)象說(shuō)明施加商品有機(jī)肥能促進(jìn)養(yǎng)分遷移，改善土壤養(yǎng)分分布不均衡的狀況。

圖5 不同土層深度有效磷含量

2.6.5 速效鉀 5個(gè)處理的速效鉀含量在各土層中具有明顯差異，但不受施用不同肥料的顯著影響（圖6），通過(guò)分析可以得出，肥料的施用能提高中層、深層土壤的速效鉀含量。

圖6 不同土層速效鉀含量

3 結(jié)論

對(duì)比5種處理，CK處理在長(zhǎng)期試驗(yàn)中肥力逐漸降低；減量20%的保護(hù)性耕作具有一定保護(hù)地力的作用，但肥力低，見效慢；常規(guī)施肥的NPK處理肥效快，易揮發(fā)，后期肥力流失，不利于土壤保土供肥；干豬糞部分替代處理也具有顯著效果，但在前期不突出，主要展現(xiàn)在后勁足，可以在長(zhǎng)期試驗(yàn)中繼續(xù)探尋最優(yōu)的替代比例；商品有機(jī)肥有機(jī)替代的處理綜合肥力高，養(yǎng)分能向下遷移固定在中層，具有保土培肥的作用，一定比例的商品有機(jī)肥替代是一種有效的、可持續(xù)的管理實(shí)踐措施，能提高華東地區(qū)低生產(chǎn)力土壤的肥力、可持續(xù)作物生產(chǎn)力和環(huán)境質(zhì)量。

4 討論

4.1 不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

土壤養(yǎng)分含量受多因素的影響，本試驗(yàn)旨在探究不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響，在無(wú)任何施肥操作的對(duì)照中可以得出，若不加任何干預(yù)，養(yǎng)分會(huì)隨時(shí)間的推移而逐漸降低，前人的大量研究也已證實(shí)這一現(xiàn)象的存在[16-17]。早期常規(guī)施肥的NPK處理養(yǎng)分在土壤表層較其他處理為最高，但隨深度降低這一優(yōu)勢(shì)不再明顯，表明NPK處理肥料見效快但累積作用不大，不能作為培肥養(yǎng)地的主要方式來(lái)使用。表層土壤養(yǎng)分含量遠(yuǎn)高于中層及深層土壤，養(yǎng)分分布不均衡，各處理之間養(yǎng)分含量差異顯著，隨著土壤深度的增加各處理之間養(yǎng)分含量差異逐漸減小，這和王怡雯等[18]、周玲等[19]研究的結(jié)果一致，這與土壤表層有機(jī)質(zhì)來(lái)源豐富、投入量大于分解量有關(guān)。添加商品有機(jī)肥的20%M處理在本試驗(yàn)中效果最為顯著，在第1個(gè)玉米季是NPK處理各養(yǎng)分含量最高，到小麥季添加了商品有機(jī)肥和干豬糞的處理養(yǎng)分含量較前一季有所上升，第三季已經(jīng)高于NPK處理。如溫延臣[20]的研究中商品有機(jī)肥部分替代化肥施用3年后，與單施化肥相比，土壤有機(jī)碳增加了19.5%、土壤全氮提高了12.3%，顯著高于單施化肥處理。邢鵬飛等[21]的研究也表明，短期內(nèi)低有機(jī)替代量對(duì)土壤養(yǎng)分含量無(wú)顯著影響，有機(jī)肥比例越高，土壤養(yǎng)分含量越高，到一個(gè)類似飽和的點(diǎn)后不再上升。對(duì)于不同施肥處理，由于本試驗(yàn)對(duì)鉀肥沒有減量，在第1季玉米季時(shí)20%、20%M、20%C和NPK處理在耕作層速效鉀的含量并無(wú)差異，經(jīng)過(guò)玉米-小麥-玉米三季輪作后，耕作層的速效鉀含量呈下降趨勢(shì)，且20%、20%M和20%C處理的下降速度明顯快于NPK處理，在第2季小麥季和第3季玉米季NPK處理耕作層速效鉀含量已經(jīng)明顯高于20%、20%M、20%C處理?？芍蕼p量和有機(jī)肥替代短期對(duì)耕作層的速效鉀含量沒有明顯影響，但長(zhǎng)期來(lái)看，會(huì)明顯減少耕作層速效鉀含量，不利于作物生長(zhǎng)發(fā)育。

4.2 不同施肥處理對(duì)土壤剖面養(yǎng)分遷移的影響

試驗(yàn)中添加商品有機(jī)肥和干豬糞的處理，在0～20cm土層各養(yǎng)分含量顯著提高，但在20～40 cm土層增長(zhǎng)幅度更大，這是由于商品有機(jī)肥和干豬糞的施入帶入了大量有益菌微生物，改善了土壤結(jié)構(gòu)促進(jìn)沉積養(yǎng)分的釋放，對(duì)中層土壤的養(yǎng)分含量影響更為顯著[22]。減量施肥的保護(hù)性耕作20%處理對(duì)土壤養(yǎng)護(hù)也有輕微的保護(hù)性作用。對(duì)于土壤全磷和有效磷含量，在土壤0～20 cm NPK處理明顯高于20%化肥減量處理，但在0～60 cm土壤并無(wú)差異，說(shuō)明化肥減量20%處理對(duì)深層土壤磷養(yǎng)分含量影響很小，主要影響耕層土壤。對(duì)化肥減量20%對(duì)于土壤20～40 cm的土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和有效鉀影響顯著，尤其對(duì)土壤有效鉀含量的影響。加商品有機(jī)肥的20%M處理在連續(xù)三季后的各養(yǎng)分含量相較于其他處理在各土層中都高，存在向下（中層）遷移累積的現(xiàn)象。本研究表明，添加部分商品有機(jī)肥有利于提高中層及深層土壤中各養(yǎng)分含量，且經(jīng)歷過(guò)三季玉米和小麥輪作后，商品有機(jī)肥處理組中各土層的有機(jī)質(zhì)、有效磷、全氮和有效磷含量超過(guò)NKP處理，有機(jī)肥養(yǎng)分釋放緩慢，但長(zhǎng)期使用可提高土壤肥力和保肥能力。且全磷、速效磷和有機(jī)質(zhì)的增加主要集中在0～40cm，速效鉀的增加集中在40～60 cm，說(shuō)明添加商品有機(jī)肥的處理養(yǎng)分的增加主要集中在作物能夠吸收利用的范圍內(nèi)，對(duì)土壤的培肥和作物生產(chǎn)更加有利，與此同時(shí)也不會(huì)增加對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。后期研究將繼續(xù)探尋最優(yōu)的有機(jī)肥替代比例。