有機(jī)肥部分替代化肥對培肥地力和水稻產(chǎn)量的影響

摘要：基于水稻生產(chǎn)中氮肥施用偏高的現(xiàn)狀以及“雙碳”背景對農(nóng)業(yè)的要求，為有機(jī)肥部分替代化肥提供理論參考。通過設(shè)計(jì)等氮量條件下有機(jī)肥替代10%、20%、30%化肥以及常規(guī)施肥等處理，研究有機(jī)肥替代部分化肥對土壤肥力、植株養(yǎng)分吸收和水稻產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，有機(jī)肥部分替代化肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效鐵、有效銅、有效鋅、有效硼等土壤養(yǎng)分指標(biāo)及土壤重要特性pH值向好的方向發(fā)展，隨有機(jī)肥替代化肥比例增加，土壤pH值升高，有機(jī)質(zhì)、有效氮含量增加，有效銅、有效鋅、有效硼與有機(jī)肥替代比例正相關(guān)；有機(jī)肥部分替代化肥對土壤有效磷及速效鉀含量無顯著影響，替代20%N和30%N處理土壤各項(xiàng)指標(biāo)均處于較高水平；與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥處理水稻體內(nèi)氮、磷、鉀含量略有下降，但下降幅度不大，仍能維持較高的濃度水平；有機(jī)肥部分替代化肥對水稻產(chǎn)量和養(yǎng)分積累量有明顯提升，替代比例為20%時(shí)，水稻產(chǎn)量及氮、鉀積累量最高。綜合考慮，本試驗(yàn)條件下有機(jī)肥替代化肥比例為20%時(shí)最為適宜。

關(guān)鍵詞：水稻；有機(jī)肥；部分替代；產(chǎn)量；養(yǎng)分吸收

中圖分類號：S511.06" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）04-0122-05

收稿日期：2023-04-17

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃（編號：SJCX21_1606）。

作者簡介：田麗云（1998—），女，河北滄州人，碩士研究生，研究方向?yàn)橘Y源利用與植物保護(hù)。E-mail：1458443046@qq.com。

通信作者：盛海君，高級農(nóng)藝師，碩士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)資源高效利用與設(shè)施障礙土壤修復(fù)研究。E-mail：hjsheng@yzu.edu.cn。

水稻在我國糧食的地位不言而喻，目前水稻的面積變化趨勢決定水稻產(chǎn)量是依靠單產(chǎn)而非增加水稻種植面積，提高單產(chǎn)的最有效舉措就是施用化學(xué)肥料［1］。據(jù)《中國統(tǒng)計(jì)年鑒2021》記載的1980—1985年農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)可知，這5年間化肥用量增幅39.9%，糧食產(chǎn)量增幅18.3%，到2015年化肥用量增幅374%，糧食產(chǎn)量僅增幅106%［2］。相關(guān)研究指出，在肥料與產(chǎn)量的關(guān)系中存在著報(bào)酬遞減的現(xiàn)象，當(dāng)施肥量超過最佳值，單位化肥增加的作物產(chǎn)量反而下降，由于農(nóng)民認(rèn)識不夠，很容易陷入施肥越多產(chǎn)量越多的誤區(qū)，盲目追求最高產(chǎn)量，從而過量施肥，引發(fā)一系列問題［3-4］。我國化肥施用量在不同地區(qū)間雖差異較大，但施氮量一致偏高，其中江蘇省不僅在水稻生產(chǎn)上偏施氮肥現(xiàn)象嚴(yán)重，還存在有機(jī)肥資源浪費(fèi)、施肥結(jié)構(gòu)失衡的問題，因此科學(xué)施用有機(jī)肥勢在必行［5-6］。

有機(jī)肥最早應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可以追溯到“火耕水耨”時(shí)期的草木灰，再到戰(zhàn)國時(shí)的糞肥，近代商品有機(jī)肥的形成是由于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)產(chǎn)出非常多有機(jī)固體廢棄物，亟待消納利用［7］。在過去的30年間，國家出臺了很多鼓勵有機(jī)肥施用的政策措施，例如沃土工程、土十條、化肥使用量零增長等，促進(jìn)了有機(jī)肥的快速發(fā)展。有機(jī)肥的肥料養(yǎng)分循環(huán)利用已經(jīng)受到國內(nèi)外學(xué)者和政府職能部門的廣泛關(guān)注，增加有機(jī)肥投入、有機(jī)肥部分替代化肥及有機(jī)-無機(jī)肥配合施用，這些施肥舉措對作物生長、產(chǎn)量形成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化遷移的影響及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)已有不少的研究報(bào)道，取得了多方面的進(jìn)展［8-11］。由于有機(jī)肥特性，單施有機(jī)肥肥效釋放時(shí)間長、見效慢，需要多年施用才能達(dá)到單施化肥的水平［8］。在大田試驗(yàn)以及實(shí)際生產(chǎn)中，大多采用有機(jī)肥、無機(jī)肥相互搭配的施肥方式［9-11］。由于不同地區(qū)的土壤肥力不同，加之有機(jī)肥本身的特性，試驗(yàn)結(jié)論以及適宜的替代比例并不一致，所以有機(jī)肥替代化肥的具體比例還有待因地制宜地進(jìn)行研究。

本研究以大田試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室檢測結(jié)合的方式，探究有機(jī)肥部分替代化肥對培肥地力和水稻產(chǎn)量的影響，旨在協(xié)調(diào)水稻高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、資源高效與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，發(fā)展高質(zhì)量水稻種植，降低肥料成本，優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮肥料對水稻的作用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整與可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)以試驗(yàn)示范為主要手段，加強(qiáng)了有機(jī)肥替代化肥的推廣和應(yīng)用，通過試驗(yàn)示范以點(diǎn)帶面，讓農(nóng)民實(shí)實(shí)在在感受到有機(jī)肥替代化肥的施用效果，幫助農(nóng)民提高科學(xué)施肥水平，改變不合理的用肥習(xí)慣，有助于江蘇省化肥使用量零增長的落實(shí)，配合“節(jié)能減排”的國家政策，助力我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2021年6月21日至2021年10月27日在江蘇省鹽城市鹽都區(qū)學(xué)富鎮(zhèn)稻-麥?zhǔn)痉秴^(qū)（119.86°E，33.26°N）內(nèi)進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤：試驗(yàn)田土地平整，其土壤（0～20 cm）基本性質(zhì)為：pH值為6.79、有機(jī)質(zhì)含量為20.9 g/kg、堿解氮含量為142 mg/kg、有效磷含量為10.1 mg/kg、速效鉀含量為117 mg/kg、有效鐵含量為80.0 mg/kg、有效錳含量為26.6 mg/kg、有效銅含量為2.57 mg/kg、有效鋅含量為0.56 mg/kg。土壤肥力中等，有代表性。

供試水稻品種：當(dāng)?shù)刂魍破贩N淮稻5號。

供試肥料品種：尿素（46% N）、過磷酸鈣（12% P2O5）、氯化鉀（60% K2O）、商品有機(jī)肥（1.10% N、1.06% P2O5、0.77% K2O）。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為常規(guī)施肥（CK）、有機(jī)肥替代10%化學(xué)氮肥（替代10%N）、有機(jī)肥替代20%化學(xué)氮肥（替代20%N）、有機(jī)肥替代30%化肥氮肥（替代30%N）。常規(guī)施肥處理全部用化學(xué)肥料，用量為氮（360 kg/hm2 N）、磷（90 kg/hm2 P2O5）、鉀（90 kg/hm2 K2O），有機(jī)肥替代處理分別用有機(jī)肥替代10%、20%、30%的化學(xué)氮肥，每個(gè)小區(qū)因有機(jī)肥引入的磷、鉀，應(yīng)從化學(xué)磷、鉀肥中相應(yīng)扣除，保證所有小區(qū)磷、鉀用量一致。有機(jī)肥和磷、鉀肥作基肥一次性施用，氮肥分3次施，分別為基肥50%、分蘗肥20%、孕穗肥30%。2021年6月21日施基肥，2021年6月22日水稻直播（用種量 150 kg/hm2），2021年7月19日施分蘗肥，2021年8月13日施穗肥。小區(qū)面積30 m2（長6 m，寬5 m），小區(qū)之間用隔板隔開防止串肥，試驗(yàn)區(qū)外圍設(shè)置保護(hù)行，保護(hù)行寬 2 m。每個(gè)處理重復(fù)3次，共12個(gè)小區(qū)，隨機(jī)區(qū)組排列。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

于水稻成熟期（2021年10月27日）按五點(diǎn)取土法，每個(gè)小區(qū)采集0～20 cm土層土樣，制成一個(gè)混合樣。剔除雜草與石塊，風(fēng)干、磨細(xì)、過篩，20目土樣用于測定土壤pH值和有效養(yǎng)分，60目土樣用于測定有機(jī)質(zhì)含量。同時(shí)采集植株樣，割方（1 m2）考察水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量結(jié)構(gòu)。

1.3.1 土壤pH值及有效養(yǎng)分

土壤測定方法參照文獻(xiàn)［12-13］。pH值以2.5 ∶1的水土比浸提，用pH計(jì)測定；有機(jī)質(zhì)含量以重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；有效氮含量采用堿解擴(kuò)散法測定；有效磷含量用碳酸氫鈉浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量用乙酸銨浸提，火焰光度法測定；有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量用DTPA浸提，火焰原子吸收法測定；有效硼含量用沸水提取，甲亞胺比色法測定。

1.3.2 植物體內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分含量及積累量

全氮含量采用硫酸-雙氧水消煮，靛酚藍(lán)比色法測定；全磷含量采用硫酸-雙氧水消煮，鉬銻抗比色法測定；全鉀含量采用硫酸-雙氧水消煮，火焰光度法測定；（氮、磷、鉀）積累量=（氮、磷、鉀養(yǎng)分含量）×生物量。

1.3.3 產(chǎn)量考察

產(chǎn)量計(jì)算公式為割方稱質(zhì)量：產(chǎn)量（kg/hm2）=1 m2水稻產(chǎn)量×104。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)及圖片使用Excel 2016，單因素方差分析和顯著性分析使用SPSS 19.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥部分替代化肥對土壤養(yǎng)分及pH值等其他重要土壤特性的影響

2.1.1 對土壤pH值的影響

從圖1可知，不同處理水稻成熟期土壤pH值為6.13～6.22，呈現(xiàn)弱酸性。pH值為土壤重要化學(xué)性質(zhì)，本試驗(yàn)結(jié)果表明，施用有機(jī)肥可有效提高土壤pH值，土壤pH值隨有機(jī)肥替代比例增加而增加，說明有機(jī)肥替代化肥有減輕土壤酸化的趨勢。

2.1.2 對有機(jī)質(zhì)含量的影響

從圖2可知，施用有機(jī)肥有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)含量。隨有機(jī)肥替代比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸增大。與常規(guī)施肥處理相比，替代10%、20%、30%處理土壤有機(jī)質(zhì)含量為32.46、33.94、34.76 g/kg，分別較CK（31.98 g/kg）增加了1.50%、6.13%、8.69%。

2.1.3 對土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

從表1可知，不同處理土壤有效氮含量在122.71～152.86 mg/kg。隨有機(jī)肥替代比例增加，有效氮含量增加，替代30%N處理有效氮含量最高，為152.86 mg/kg，與常規(guī)施肥處理相比，差異顯著，其次是替代20%處理，為147.28 mg/kg，與常規(guī)施肥處理相比，差異也達(dá)到了顯著水平，替代10%處理土壤有效氮含量（136.35 mg/kg）與常規(guī)處理相比雖不顯著，但也有明顯增加，約增加了11.11%。

有機(jī)肥替代化肥有增加土壤有效磷、速效鉀含量的趨勢但差異不顯著，各處理間有效磷和速效鉀含量基本持平。

2.1.4 對土壤部分微量元素含量的影響

由表2可知，與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥處理有效鐵、有效銅、有效鋅、有效硼含量均有明顯提高，且隨替代比例的增加而增加，各處理（替代比例從低到高）有效鐵含量分別較常規(guī)增加了11.83%、11.30%、15.64%，有效銅含量增加了9.06%、9.36%、10.23%，有效鋅含量增加了6.67%、9.33%、45.33%，有效硼含量增加了1.12%、8.99%、16.85%；部分處理（替代30%）有效鋅、硼含量增加較多，與常規(guī)處理相比差異達(dá)到了顯著水平；施用有機(jī)肥對土壤有效錳含量影響無明顯規(guī)律。

2.2 有機(jī)肥部分替代化肥對水稻產(chǎn)量的影響

成熟期水稻產(chǎn)量和產(chǎn)量結(jié)構(gòu)如圖3所示。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨有機(jī)肥替代比例增加，水稻產(chǎn)量呈先增加后下降的趨勢，其中替代20%處理產(chǎn)量最高，為10.51 t/hm2，其次是替代10%處理，產(chǎn)量為 10.19 t/hm2，與常規(guī)施肥處理相比產(chǎn)量基本持平，替代30%處理水稻產(chǎn)量較常規(guī)施肥處理有所下降，但處理間差異不顯著。

2.3 有機(jī)肥部分替代化肥對水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分含量及積累量的影響

2.3.1 對水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

水稻籽粒中氮、磷含量高于秸稈部位，鉀含量低于秸稈（表3）。有機(jī)肥部分替代化肥降低了水稻籽粒中氮含量，增加了秸稈中氮含量，整體表現(xiàn)為下降但降幅不大，與常規(guī)施肥處理相比，差異不顯著（Pgt;0.05），植物體內(nèi)仍可保持較高的氮水平。

水稻籽粒和秸稈中磷含量隨有機(jī)肥替代比例增加而下降趨勢，籽粒中磷含量下降幅度在0.58%～5.82%、秸稈中磷含量下降幅度在2.25%～8.56%，整體下降了0.61%～6.95%。與常規(guī)施肥處理相比，替代20%N處理和替代30%N處理下降幅度較大，差異達(dá)到了顯著水平（Plt;0.05）。

有機(jī)肥替代化肥降低了水稻籽粒和秸稈中鉀含量（除替代10%N處理籽粒鉀），但整體降幅不大，差異不顯著。

2.3.2 對氮、磷、鉀積累量的影響

由表4可見，不同處理水稻植株整體氮、磷、鉀積累量變化幅度不大，分別為133.33～142.59、80.17～86.32、195.83～209.32 kg/hm2，各處理間均不存在顯著性差異。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥降低了3.39%～8.95%的籽粒氮積累量，增加了4.07%～14.03%的秸稈氮積累量，整體表現(xiàn)有增有減，替代20%N處理提高了1.04%氮積累量，替代10%N和替代30%N則較常規(guī)施肥處理分別下降了3.98%和5.52%氮積累量。

水稻植物體內(nèi)磷積累量與磷養(yǎng)分含量表現(xiàn)基本一致，隨有機(jī)肥替代比例增加，磷積累量下降。替代10%N和替代20%N處理磷積累量減少不多，替代30%N處理磷積累量減少較多，減少了7.13%。有機(jī)肥部分替代化肥處理比常規(guī)施肥處理降低了0.08%～7.15%的籽粒磷積累量以及0.48%～7.13%的整株磷積累量，籽粒和整株磷積累量隨有機(jī)肥替代比例增加而下降；除替代20%N處理提高了2.70%的秸稈磷積累量，其他有機(jī)肥處理秸稈磷積累量均低于常規(guī)施肥。

有機(jī)肥替代化肥對水稻植物體內(nèi)鉀積累量影響很小，替代20%N處理提高了4.34%，替代10%N和替代30%N處理分別下降了0.38%和2.38%。

有機(jī)肥部分替代化肥與常規(guī)施肥處理相比氮、磷、鉀積累量均無顯著差異，不會對水稻氮、磷、鉀養(yǎng)分積累產(chǎn)生明顯負(fù)面影響，可以保證水稻體內(nèi)氮、磷、鉀養(yǎng)分正常積累，其中，替代20%處理水稻氮、鉀養(yǎng)分積累量較常規(guī)處理更高。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

許多學(xué)者認(rèn)為，由于氮肥不合理施用以及酸雨帶來的酸沉降，部分地區(qū)土壤酸化現(xiàn)象嚴(yán)重。本試驗(yàn)表明，在偏酸的土壤上施用有機(jī)肥會明顯提高土壤pH值，緩解土壤酸化進(jìn)程。這一結(jié)論與很多研究［14-16］相符。原因在于，有機(jī)肥可以將自身所帶堿性物質(zhì)輸入土壤來中和酸度，或是等氮量替代化肥，減少投入土壤的化肥總量，從而降低硝態(tài)氮聚積以及淋溶損失，緩解因氮肥導(dǎo)致的酸化。潘丹丹等研究卻發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥會在短期內(nèi)使中性土壤變酸，pH值降低了0.58～1.18，這是因?yàn)樵囼?yàn)地位于設(shè)施大棚中，雨水淋溶作用小，且試驗(yàn)所用的豬糞（pH值6.12）和餅肥（pH值5.92）有機(jī)肥pH值低于試驗(yàn)土壤pH值，但試驗(yàn)中單施無機(jī)肥處理土壤變酸更明顯［17］。何江勇等研究也認(rèn)為，有機(jī)肥降低了土壤pH值，這是因?yàn)樗x擇的試驗(yàn)土壤是pH值為8.08的堿性土壤，在施用了含腐殖酸和氨基酸的有機(jī)肥后土壤pH值降低，恰恰說明有機(jī)肥既能減緩酸性土壤的酸化進(jìn)程，也能改善堿性土壤［18］。

很多研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥可以絡(luò)合固態(tài)金屬元素，提高其有效性。本試驗(yàn)同樣表明，耕層土壤有效鐵、有效錳、有效銅、有效鋅含量比試驗(yàn)前明顯提高，且有機(jī)肥替代比單施化肥在有效鐵、有效銅、有效鋅、有效硼含量上有一定提高，微量元素的提高水平與有機(jī)肥替代比例呈正相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)橥寥乐械慕饘僭貢c有機(jī)肥分解過程中的腐殖酸絡(luò)合成金屬有機(jī)絡(luò)合物。配施有機(jī)肥可以提高土壤有效態(tài)微量元素含量這項(xiàng)研究結(jié)果也驗(yàn)證了孔樟良等的結(jié)果［19-20］。本研究認(rèn)為有機(jī)肥對有效銅含量影響很大，但他們一致認(rèn)為有機(jī)肥對有效銅含量影響很小，這種不一致可能是由于種植作物對銅的吸收能力有所差異。同時(shí)二者試驗(yàn)分別選在砂田和黃綿土這種養(yǎng)分低的土壤，土壤基礎(chǔ)性質(zhì)差，經(jīng)寇長林等驗(yàn)證，此類土施用有機(jī)肥對有效銅影響很小［21］。而商和平等試驗(yàn)證明，在與本試驗(yàn)一致的酸性土上施用有機(jī)肥，土壤有效銅含量會隨有機(jī)肥施用量增加而增加［22］，本研究結(jié)論與之一致。

本研究結(jié)果還表明，有機(jī)肥與無機(jī)肥合理配比才能提高產(chǎn)量，過量的有機(jī)肥投入可能會導(dǎo)致作物產(chǎn)量下降，這和很多學(xué)者結(jié)果［23-26］相同。Ding等研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥替代無機(jī)肥的比例與水稻產(chǎn)量變化呈顯著負(fù)相關(guān)，隨著替代比例提高，產(chǎn)量響應(yīng)反而下降，在替代比例大于60%時(shí)，產(chǎn)量顯著降低，需要將有機(jī)肥替代化肥比例控制在20%以下才能保持水稻穩(wěn)產(chǎn)［27］。周江明在浙江不同肥力的沙壤土上進(jìn)行水稻試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)中等肥力的試驗(yàn)區(qū)在化肥正常施用的情況下加施有機(jī)肥，對水稻產(chǎn)量會有進(jìn)一步的提升，增產(chǎn)率為8.76%～13.1%；而在高肥力水平地區(qū)加施有機(jī)肥則會導(dǎo)致水稻減產(chǎn)，減產(chǎn)率為0.65%～2.29%［28］。

3.2 結(jié)論

有機(jī)肥部分替代化肥有利于土壤有機(jī)質(zhì)、有效氮、有效鐵、有效銅、有效鋅、有效硼等土壤養(yǎng)分指標(biāo)及土壤重要特性pH值向好的方向發(fā)展。隨有機(jī)肥替代化肥比例增加，土壤pH值升高，有機(jī)質(zhì)、有效氮含量增加。綜合來看，替代化學(xué)肥料中20%N和30%N的處理土壤各項(xiàng)指標(biāo)均處于較高水平；有機(jī)肥部分替代化肥對土壤有效磷及速效鉀含量無顯著影響；有效鐵、有效銅、有效鋅、有效硼與有機(jī)肥替代比例正相關(guān)。

與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥部分替代化肥處理水稻體內(nèi)氮、磷、鉀含量略有下降但下降幅度不大，仍能維持較高的濃度水平；積累量也無顯著性差異；替代20%處理氮、鉀積累量最高，替代10%處理磷積累量最高。

隨有機(jī)肥替代比例增加，水稻產(chǎn)量呈先增加后下降的趨勢，其中替代20%處理產(chǎn)量最高，為 10.51 t/hm2，其次是替代10%處理，產(chǎn)量為 10.19 t/hm2，與常規(guī)施肥處理相比產(chǎn)量基本持平，替代30%處理水稻產(chǎn)量較常規(guī)施肥處理有所下降。

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