砂姜黑土區(qū)小麥玉米輪作制下有機肥適宜替代比例研究

王文軍，王道中

（安徽省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

新中國成立以來，化肥施用在保障糧食安全、推動經(jīng)濟發(fā)展、維護社會穩(wěn)定等方面發(fā)揮了巨大作用[1]，2010年以后，中國糧食年人均穩(wěn)定超過400 kg，糧食安全的壓力有所減輕[2]，因化肥不合理施用帶來的土壤質量退化及農(nóng)田面源污染等問題受到了受到越來越廣泛的重視[3-5]，2015年2月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)《到2020年化肥使用量零增長行動方案》，2017年9月，中共中央辦公廳、國務院辦公廳印發(fā)《關于創(chuàng)新體制機制推進農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的意見》，中國肥料的使用目標從過去單一的保證糧食安全轉變?yōu)楸ＷC糧食安全與環(huán)境安全的雙目標[2]。通過有機肥替代部分化肥，在不減產(chǎn)甚至增產(chǎn)的前提下減少化肥的施用，是中國深入開展化肥零增長行動，加快推進綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要措施[6]。國內外大量的試驗結果均表明有機肥無機肥配施能提高作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量[7-9]，但對有機肥替代化肥適宜比例的研究結論卻不盡相同，僅以小麥、玉米為例，趙雋等[10]在山東省的研究表明，小麥上牛糞替代50%的化肥時，平均增產(chǎn)3%以上，而高飛等[11]在江蘇省的研究結果，商品有機肥替代化肥比例為20%～80%時，小麥產(chǎn)量明顯降低，有機肥氮替代50%化肥氮，玉米產(chǎn)量一直高于其他處理，呂鳳蓮等[12]在塿土上的研究結果，牛糞為有機肥源替代75%化肥氮，玉米產(chǎn)量最高。前人的研究結果可以看出，不同地區(qū)、不同土壤類型、不同作物上適宜的有機肥替代比例不同，此外，有機肥殘效迭加效應隨著試驗年限的增加而變化，因此，只有通過連續(xù)多年的定位研究，才能得出適合區(qū)域的有機肥替代化肥的適宜比例；砂姜黑土是黃淮海平原主要土壤類型之一，小麥玉米輪作為主要輪作方式，以往的研究多集中在有機肥與無機肥配合施用或固定的有機肥替代比例對作物產(chǎn)量的影響[13-14]，而對輪作制下適宜有機肥替代比例的研究未見報道。本研究利用開展8年的定位試驗，旨在探明連續(xù)多年有機肥替代部分化肥對小麥、玉米產(chǎn)量及土壤肥力的影響，提出砂姜黑土區(qū)小麥玉米輪作制適宜的有機肥替代比例，以期為減少化肥用量、實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和培肥土壤提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在國家土壤質量太和觀測實驗站蒙城馬店基地進行(116°37′E，33°13′N)，地處淮北平原，暖溫帶半濕潤季風氣候區(qū)，年平均氣溫14.8℃，無霜期212天，常年降水量600～900 mm。供試土壤為砂姜黑土。

試驗于2012年開始，設7個處理：（1）不施氮肥對照(CK)；（2）常量化肥(F)；（3）在常量化肥基礎上有機肥氮替代20%化肥氮(F0.8M0.2)；（4）在常量化肥基礎上有機肥氮替代40%化肥氮(F0.6M0.4)；（5）在常量化肥基礎上有機肥氮替代60%化肥氮(F0.4M0.6)；（6）在常量化肥基礎上有機肥氮替代80%化肥氮(F0.2M0.8)；（7）有機肥氮替代100%化肥氮(M)。小區(qū)面積30 m2，重復3次，隨機區(qū)組排列。氮肥品種為尿素，含氮46%，磷肥品種為普通過磷酸鈣，含P2O512%，鉀肥品種為氯化鉀，含K2O 60%，有機肥為牛糞，施用量根據(jù)當年養(yǎng)分測定結果，以全N含量為標準折算。除不施氮肥處理外，所有處理等氮等磷設計，牛糞處理不足的部分用尿素和過磷酸鈣補齊，牛糞中含量超出的，與牛糞中含量保持一致。牛糞于小麥、玉米種植整地前一次性施入各處理小區(qū)，人工或機械耕翻，與土壤充分混勻。各處理在小麥、玉米季施肥量見表1。

表1 試驗處理及施肥量 kg/hm2

1.2 研究方法

1.2.1 小麥、玉米產(chǎn)量 于收獲期將各處理小區(qū)的小麥、玉米全部收獲，單獨脫粒計產(chǎn)。

1.2.2 土壤樣品采集與分析 2019年秋季玉米收獲后采集不同處理土樣。農(nóng)化分析樣取樣深度0～20 cm，用土鉆從每個小區(qū)中隨機采取5個樣點，混合后為1個混合樣，室溫下風干后磨細。pH使用電位法測定，有機質重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定，全氮開氏蒸餾法測定，堿解氮堿解擴散法測定，速效磷碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定，速效鉀乙酸銨浸提-火焰光度法測定;土壤容重測定方法為環(huán)刀法，取樣深度0～15 cm，每小區(qū)隨機采集5個樣點。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel作圖，不同處理間的數(shù)據(jù)用SPSS進行差異性檢驗和多重比較。

2 結果與分析

2.1 不同替代比例對作物產(chǎn)量的影響

2.1.1 不同替代比例對小麥產(chǎn)量的影響 由圖1可以看出，各年度產(chǎn)量和多年平均產(chǎn)量均以CK處理最低，單施化肥、有機肥或有機肥無機肥配施均能提高小麥產(chǎn)量，多年平均增產(chǎn)117.3%～347.2%，表明在砂姜黑土上增施氮肥仍是提高小麥產(chǎn)量的關鍵。施肥處理間，F(xiàn)0.8M0.2處理多年平均產(chǎn)量最高，較F處理增產(chǎn)1.8%，隨著有機肥替代比例增加，小麥產(chǎn)量逐漸降低，F(xiàn)0.6M0.4處理較F處理減產(chǎn)1.8%，差異并不顯著，F(xiàn)0.4M0.6、F0.2M0.8、M處理較單施化肥處理產(chǎn)量分別下降12.0%、24.6%、35.1%，產(chǎn)量差異均達到顯著水平。進一步分析可以得出，F(xiàn)0.6M0.4、F0.4M0.6、F0.2M0.83個處理，前4年平均產(chǎn)量分別為單施化肥處理的95.8%、81.3%、73.3%，而后4年則分別為100.3%、94.2%、81.9%，表明隨著有機肥無機肥配施年限的增加，土壤肥力水平提高，小麥產(chǎn)量水平有逐漸升高的趨勢。

圖1 連續(xù)有機替代小麥產(chǎn)量變化趨勢

根據(jù)有機肥替代比例和多年平均產(chǎn)量的關系，擬合出小麥產(chǎn)量(y)和有機肥替代比例(x)之間的一元二次方程(1)。根據(jù)公式計算得出，有機肥替代比例為10.4%時小麥產(chǎn)量最高。

2.1.2 不同替代比例對玉米產(chǎn)量的影響 由圖2可知，各年度產(chǎn)量和多年平均產(chǎn)量同樣以CK處理最低，單施化肥、有機肥或有機肥無機肥配施均能提高玉米產(chǎn)量，多年平均增產(chǎn)46.7%～72.7%，同樣表明在砂姜黑土上增施氮肥仍是提高玉米產(chǎn)量的關鍵。施肥處理間，F(xiàn)0.8M0.2處理多年平均產(chǎn)量最高，較F處理增產(chǎn)5.2%，其次為F0.6M0.4處理，較F處理增產(chǎn)0.2%。F0.4M0.6、F0.2M0.8處理雖然產(chǎn)量低于F處理，但差異并不顯著。M處理產(chǎn)量低于F處理，差異達顯著水平。

圖2 連續(xù)有機替代玉米產(chǎn)量變化趨勢

根據(jù)有機肥替代比例和多年平均產(chǎn)量的關系，擬合出玉米產(chǎn)量(y)和有機肥替代比例(x)之間的一元二次方程(2)。根據(jù)公式計算得出，有機肥替代比例為25.6%時玉米產(chǎn)量最高。

2.1.3 不同替代比例對年度產(chǎn)量的影響 圖3可以看出，小麥玉米輪作制下，小麥玉米兩季作物周年產(chǎn)量以不施肥處理最低，單施化肥、有機肥或有機肥無機肥配施均能提高小麥玉米周年產(chǎn)量，多年平均增產(chǎn)79.9%～141.0%。施肥處理間，F(xiàn)0.8M0.2處理多年平均產(chǎn)量最高，較F處理增產(chǎn)3.5%，隨著有機肥替代比例增加，周年平均產(chǎn)量逐漸降低，F(xiàn)0.6M0.4、F0.4M0.6處理較單施化肥處理產(chǎn)量分別下降0.7%、6.0%，差異不顯著。F0.2M0.8和M處理周年平均產(chǎn)量較單施化肥處理分別下降12.8%、22.7%，差異達顯著水平。

圖3 連續(xù)有機替代年度產(chǎn)量變化趨勢

根據(jù)有機肥替代比例和多年周年平均產(chǎn)量的關系，擬合出周年產(chǎn)量(y)和有機肥替代比例(x)之間的一元二次方程(3)。根據(jù)公式計算得出，有機肥替代比例為15.4%時周年產(chǎn)量最高。

2.2 不同替代比例對土壤理化性質的影響

2.2.1 不同替代比例對土壤pH的影響 圖4的結果看出，F(xiàn)處理較CK處理pH下降了0.55個單位，說明增施氮肥能夠促進土壤酸化。與單施化肥相比，有機肥無機肥配施均能提高土壤pH，隨著有機肥替代比例的提高，土壤pH逐漸提高，F(xiàn)0.8M0.2、F0.6M0.4處理pH分別增高0.46、0.57個單位，但未達到顯著水平；F0.4M0.6、F0.2M0.8、M處理pH分別增高0.89、0.99、1.07個單位，差異均達顯著水平，可見適當增施有機肥可以減緩土壤酸化進程。

圖4 不同處理對土壤pH的影響

2.2.2 不同替代比例對土壤容重的影響 圖5看出，CK、F處理土壤容重較高，分別達1.38 g/cm3和1.37 g/cm3，配施有機肥處理，土壤容重均有不同程度降低。與F處理相比，F(xiàn)0.8M0.2、F0.6M0.4、F0.4M0.6處理容重分別下降0.030、0.05、0.062 g/cm3，降幅為2.2%、4.0%和4.5%，方差分析結果，差異不顯著。F0.2M0.8和M處理與F處理相比，容重分別下降0.076、0136 g/cm3，降幅為5.6%和9.8%，方差分析結果，差異達顯著水平。

圖5 不同處理對土壤容重的影響

2.2.3 不同替代比例對土壤有機質和養(yǎng)分含量的影響土壤有機質是土壤肥力的核心，土壤有機質的變化是作為反映土壤肥力演變的重要指標。表2結果可知，CK處理有機質最低，與其他處理間的差異均達顯著水平。原因是CK處理產(chǎn)量最低，返回土壤中的有機碳量最低。施用氮肥處理間，F(xiàn)處理有機質最低，增施有機肥均可以提高有機質含量，且隨著有機肥替代比例的增加，土壤有機質含量逐漸增高，F(xiàn)0.8M0.2、F0.6M0.4處理較F處理有機質含量分別提高7.9%和10.0%，但差異并不顯著，F(xiàn)0.4M0.6、F0.2M0.8和M處理較F處理有機質含量分別提高22.1%、25.2%%和30.7%，差異均達顯著水平。

土壤全氮和堿解氮的含量均能反映土壤氮素肥力水平的高低。不施氮肥的CK處理，土壤氮素處于耗竭狀態(tài)，全氮和堿解氮含量均最低，與施氮處理間的差異均達顯著水平。施氮處理間，F(xiàn)處理土壤全氮含量最低，增施有機肥可以提高土壤全氮含量，且隨著有機肥替代比例的增加，土壤全氮含量逐漸增高，但差異并不顯著；堿解氮含量的變化規(guī)律與全氮并不一致，F(xiàn)處理土壤堿解氮含量高，但與其他處理間的差異并不顯著（表2）。

土壤有效磷(Olsen-P)能夠反映土壤磷素狀況與供磷水平。不同處理間以CK處理有效磷含量最高，F(xiàn)、F0.8M0.2、F0.6M0.4處理含量較低，與不同處理間作物產(chǎn)量水平不同有關，CK處理產(chǎn)量較低，作物收獲帶走的磷較少，而F、F0.8M0.2、F0.6M0.4處理產(chǎn)量較高，作物收獲帶走的磷較多（表2）。

表2 不同替代比例對土壤養(yǎng)分含量的影響

表2的結果還可以看出，CK處理土壤速效鉀含量高于F、F0.8M0.2處理，其原因還是因為CK處理產(chǎn)量較低，作物收獲帶走的鉀較少。有機肥與無機肥配施處理土壤速效鉀的含量均高于F處理，與鉀素投入量的多少及作物收獲攜出鉀量多少有關。

3 結論

砂姜黑土區(qū)小麥玉米輪作下，小麥季適宜的有機替代比例為20%，玉米上為40%，高于這一比例，小麥、玉米產(chǎn)量下降，隨著試驗年限的延長，有機肥殘效迭加效應增加。有機肥替代部分化肥可以有效控制土壤pH值下降，降低土壤容重，改善土壤生態(tài)環(huán)境，可以提高土壤有機質和全氮含量，提高土壤肥力水平；作物的產(chǎn)量效應受有機肥替代比例、土壤性質、氣候條件、試驗持續(xù)年限和施肥水平等眾多因素的影響，只有通過連續(xù)多年的定位研究，才能得出適合區(qū)域的有機肥氮替代化肥氮的最佳比例。

4 討論

4.1 有機肥適宜替代比例

化肥減施并合理配施有機肥可確保糧食安全與環(huán)境友好，是保障集約與可持續(xù)農(nóng)業(yè)雙贏局面的一個重要因素[15]。中國有長期施用有機肥的傳統(tǒng)和習慣，施用有機肥保證了中國幾千年來農(nóng)業(yè)的發(fā)展和土壤肥力的維持。但一段時間內，由于化肥的推廣普及，有機肥施用比例不斷降低，為了獲得較高的產(chǎn)量，化肥用量不斷增加，化肥利用率和利用效率大幅度下降，由此引發(fā)了一系列資源環(huán)境問題。2015年，中國化肥使用量零增長行動實施以來，圍繞有機替代，國內學者開展了大量的研究，涉及的作物種類有小麥、水稻、玉米、油菜、蔬菜、水果等，土壤類型有黑土、紅壤、潮土、塿土、黃綿土、水稻土等，地域分布上從東南沿海直到西北內陸，從總體上看，有機肥替代部分化學氮肥能夠保證作物穩(wěn)產(chǎn)，但不同生態(tài)條件下有機肥適宜替代比例卻不盡相同，表明有機肥適宜的替代比例與土壤、氣候、施肥水平、產(chǎn)量水平及試驗年限等關系密切，因此，有必要開展不同區(qū)域適量施肥下適宜的有機肥替代比例研究，為指導有機肥的合理施用提供依據(jù)。

本試驗的研究結果，有機肥替代比例為20%時，小麥增產(chǎn)1.8%，有機肥替代比例為40%時，小麥產(chǎn)量低于全部施用化肥處理，有機肥替代比例為10.4%時，可獲得最高小麥產(chǎn)量；而在玉米上有機肥替代40%時，玉米產(chǎn)量略有增加，有機肥替代比例為25.6%時，可獲得最高玉米產(chǎn)量，可見在玉米上，有機肥適宜替代比例高于小麥。原因是溫度影響有機肥中的氮素礦化，隨著溫度升高，一方面土壤中可溶性礦化底物擴散增強，易礦化氮庫容增加，更易于被微生物利用，另一方面土壤嗜溫微生物含量增加，有機肥氮素礦化量也隨之增加[16-17]。降水也影響有機肥氮素礦化，在一定的含水量范圍內，有機肥氮素凈礦化量隨水分含量增加而增加[18-19]，這主要是因為充足的水分條件利于微生物繁衍、利于提高微生物活性。玉米生長期正值砂姜黑土區(qū)高溫多雨季節(jié)，有機氮礦化速率和礦化量較高，能夠有效補充因化學氮肥減施而引發(fā)的氮素不足。

有機肥替代化肥對作物產(chǎn)量的影響受有機肥施用年限的影響，本試驗的研究結果，有機肥替代比例為40%～80%時，試驗后4年各處理產(chǎn)量與F處理產(chǎn)量比值呈上升趨勢，2019、2020年F0.6M0.4處理產(chǎn)量甚至高于F處理。趙雋等[10]在山東省的研究結果，試驗第一、二年，有機肥無機肥配施處理產(chǎn)量低于單施尿素處理，其后3年，有機肥無機肥配施處理產(chǎn)量高于單施尿素處理。Yang等[20]試驗結果也表明，試驗初期有機無機肥配施對產(chǎn)量沒有顯著影響，而隨著時間的延長，其增產(chǎn)效果顯著。主要原因是有機肥中的氮大部分為有機氮，而有機氮必須礦化為無機氮后才能被作物吸收利用，有機肥中的有機氮當季或當年礦化率較低，因而，有機肥料中的氮均有一定殘效，并存在明顯的殘效迭加現(xiàn)象，隨著有機肥替代年限的增長，土壤氮素礦化量增多，作物產(chǎn)量也隨之提高。

4.2 有機肥替代化肥對土壤理化性狀的影響

在當前高投入高產(chǎn)出的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，土壤pH的持續(xù)下降，即土壤酸化，已成為全球耕地最為普遍的過程[21]。過量使用氮肥是中國土壤酸化的主要原因，其次為作物收獲產(chǎn)量帶走鹽基離子[1]。本試驗研究結果，F(xiàn)處理土壤pH最低，較不施氮肥的CK處理下降了0.55個單位，配施有機肥處理，土壤pH均有所提高，除了氮肥用量減少，有機物料投入彌補農(nóng)產(chǎn)品移除引起的土壤堿性物質損失，是有機肥替代化肥延緩土壤酸化的主要原因。

本試驗結果，有機肥替代部分化肥后，表層土壤土壤有機質、全氮含量均有所提高，與前人的研究結果一致[22]。陶玥玥等[23]、張奇茹等[24]研究認為，有機肥替代部分化肥，能降低無機磷的固定并促進無機磷的溶解，減少磷、鉀固持，提高土壤有效磷和速效鉀含量。而本試驗結果，等量磷投入條件下，CK處理有效磷含量最高，F(xiàn)0.8M0.2處理土壤有效磷含量低于F處理，表明土壤有效磷和速效鉀含量的變化除與磷、鉀固持和溶解有關外，還與磷、鉀素投入與攜出量有關。在等量磷素投入下，F(xiàn)0.8M0.2處理小麥、玉米產(chǎn)量均高于F處理，因而作物收獲攜出的磷素量較高，因而土壤有效磷含量較低；CK處理產(chǎn)量較低，磷素的盈余量最高，土壤有效磷含量最高；F0.4M0.6、F0.2M0.8、M處理產(chǎn)量較低，作物收獲攜出的磷量較低，加上磷素的有效性提高，土壤有效磷含量高于F處理。