有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量和土壤理化性質(zhì)的影響

徐有祥，朱真令，王昱妃，童璐，周凌霄，張燕，邵國勝，尹獻(xiàn)遠(yuǎn)

(1.龍游縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 龍游 324400；2.龍游縣種植業(yè)發(fā)展中心，浙江 龍游 324400；3.中國水稻研究所，浙江 杭州 310006；4.衢州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 衢州 324000)

水稻是我國的主要糧食作物之一，施用化肥對(duì)提升水稻產(chǎn)量、確保我國糧食供給安全具有重要意義[1]。然而，偏施或過施化肥反而會(huì)限制水稻增產(chǎn)，同時(shí)加劇土壤酸化、重金屬鎘活性增加以及微生物豐度、活性下降等一系列耕地土壤質(zhì)量問題[2-4]。另外，氮營養(yǎng)是維持水稻高產(chǎn)的主要養(yǎng)分，目前因?yàn)E用氮肥導(dǎo)致我國氮肥利用率遠(yuǎn)低于世界平均水平[5]。因此，探究適宜水稻生產(chǎn)的化肥減量增效技術(shù)措施對(duì)于我國水稻可持續(xù)生產(chǎn)極為重要。有機(jī)肥含有大量有機(jī)質(zhì)，長期施用能提高土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)土壤保水保肥能力[6-9]。另外，有機(jī)肥能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁┗顒?dòng)所需的碳、氮源及營養(yǎng)物質(zhì)，提升代謝功能，豐富土壤微生物多樣性[10-12]。已有研究[13-15]表明，施用有機(jī)肥能夠改善稻米加工與食味品質(zhì)，減緩?fù)寥浪峄约敖档偷久祖k污染風(fēng)險(xiǎn)。然而，單純使用有機(jī)肥相對(duì)化肥而言肥效較低，已有研究[16-17]認(rèn)為，有機(jī)肥部分替代化肥能夠有效促進(jìn)土壤碳循環(huán)，提高土壤肥力，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物可持續(xù)性高產(chǎn)。本研究以早、晚雙季稻為研究對(duì)象，探究不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤理化性質(zhì)的作用效果，為促進(jìn)有機(jī)肥在水稻生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用和水稻生產(chǎn)的化肥減量增效技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

田間試驗(yàn)于浙江省衢州市龍游縣富穗家庭農(nóng)場(chǎng)基地內(nèi)(28°97′47″N、119°17′5″E)進(jìn)行，該地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量1 602.6 mm，年平均相對(duì)濕度79%，無霜期為257 d，土壤為水稻土。試驗(yàn)前于0～20 cm采集土樣，土壤pH值為5.58，有機(jī)質(zhì)含量29.4 g·kg-1，全氮含量1.8 g·kg-1，全磷含量503.9 mg·kg-1，全鉀含量11.3 g·kg-1，堿解氮含量151.9 mg·kg-1，有效磷含量20.7 mg·kg-1，速效鉀含量47.0 mg·kg-1，土壤陽離子交換量(CEC)12.7 cmol·kg-1，土壤容重為1.3 g·cm-3。供試早稻品種為中組100，晚稻品種為甬優(yōu)7860。供試化肥復(fù)合肥(N 20%，P2O58%，K2O 12%)、尿素(N 46%)、鈣鎂磷(P2O512%)、氯化鉀(K2O 60%)、商品有機(jī)肥(含有機(jī)質(zhì)55.2%、N 3.23%、P 0.94%、K 1.05%，購自浙江開啟能源科技有限公司)。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置包括不施肥和常規(guī)施肥對(duì)照在內(nèi)的4個(gè)處理，分別為CK1(不施肥)、CK2(常規(guī)施肥)、T1(有機(jī)肥替代15%氮肥)、T2(有機(jī)肥替代30%氮肥)，各處理重復(fù)3次，小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)面積為20 m2，各處理單排單灌，試驗(yàn)區(qū)外設(shè)置保護(hù)行(表1)。

表1 不同處理早、晚稻肥料用量Table 1 Fertilizer dosage of early and late rice under different treatments 單位 kg·hm-2

1.3 試驗(yàn)管理

各處理施肥量均采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥用量，即各生長季氮、磷、鉀施肥總量分別為150 kg·hm-2(以N計(jì))、60 kg·hm-2(以P2O5計(jì))、90 kg·hm-2(以K2O計(jì))，晚稻與早稻期間施肥量一致。有機(jī)肥分別于早、晚稻種植前作為基肥一次性施用，早、晚稻常規(guī)施肥化學(xué)氮、磷、鉀肥由復(fù)合肥提供，替代處理化學(xué)氮、磷、鉀肥則分別由尿素、鈣鎂磷、氯化鉀提供。肥料運(yùn)籌均為基肥∶壯蘗肥=60%∶40%。不同施肥處理栽培管理參照本地高產(chǎn)栽培管理，處理間保持一致。

1.4 取樣與指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)開始前取0～20 cm原始土樣，并于晚稻種植結(jié)束后，針對(duì)各處理小區(qū)參照對(duì)角線法布置5個(gè)取樣點(diǎn)，進(jìn)行土壤樣品采集。使用電位法測(cè)定土壤pH值，使用重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)含量，使用凱氏定氮法測(cè)定全氮含量，使用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷含量，使用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測(cè)定全鉀含量，使用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量，使用醋酸銨浸提火焰光度法測(cè)定速效鉀含量，使用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量，使用乙酸銨交換法測(cè)定陽離子交換量，使用環(huán)刀法測(cè)定土壤容重。以上方法參考《土壤農(nóng)化分析》[18]第三版。土壤經(jīng)HCl-HNO3-HClO4過夜消解后測(cè)定元素總量，有效態(tài)元素采用DTPA-TEA浸提法[19]提取，元素含量使用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-OES)測(cè)定，各處理重復(fù)測(cè)量4次，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

水稻成熟期，各小區(qū)單打單收，自然風(fēng)干后進(jìn)行實(shí)際稱重。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010整理數(shù)據(jù)，Statistix 9方差分析軟件進(jìn)行方差分析，采用LSD法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)早、晚稻產(chǎn)量的影響

有機(jī)肥部分替代化肥試驗(yàn)早、晚稻各處理產(chǎn)量數(shù)據(jù)見表2。不施肥對(duì)照早、晚稻產(chǎn)量均顯著低于其余各施肥處理，其中，相較于常規(guī)施肥分別降低了39.03%、43.83%。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理早、晚稻產(chǎn)量均有不同程度的提升，早稻產(chǎn)量增幅分別為10.13%和5.03%，晚稻產(chǎn)量增幅分別為12.96%和6.17%，其中，有機(jī)肥替代15%氮肥處理的早、晚稻產(chǎn)量均顯著高于常規(guī)施肥。以上結(jié)果表明，施肥對(duì)于保障水稻高產(chǎn)至關(guān)重要，有機(jī)肥替代15%、30%氮肥均能有效提高水稻產(chǎn)量，其中替代比例15%效果更為顯著。

表2 不同處理水稻產(chǎn)量Table 2 Rice yield under different treatments

2.2 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)稻米品質(zhì)的影響

表3顯示，相較于各施肥處理，不施肥對(duì)照其早、晚稻糙米率均有所下降，其中晚稻期間呈顯著性降低，其余指標(biāo)無明顯變化趨勢(shì)。相較于常規(guī)施肥對(duì)照，不同比例有機(jī)肥替代氮肥處理其糙米率、精米率、整精米率以及堊白粒率均無顯著差異。以上說明，本試驗(yàn)條件下施肥有利于提高稻米糙米率，施用有機(jī)肥對(duì)稻米糙米率、精米率、整精米率以及堊白粒率影響較小。

表3 不同處理稻米品質(zhì)Table 3 Rice quality with different treatments

2.3 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

從表4可以看出，不施肥和常規(guī)施肥對(duì)照的土壤pH值接近，而有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理土壤pH值均顯著上升。由于經(jīng)過兩季水稻的種植，不施肥對(duì)照有機(jī)質(zhì)含量相較于各施肥處理均有所降低，相較于有機(jī)肥替代氮肥處理均顯著下降。與常規(guī)施肥相比，有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理的有機(jī)質(zhì)含量分別提升了1.97和1.60 g·kg-1，差異并不顯著。各施肥處理的陽離子交換量均顯著高于不施肥對(duì)照，相較于常規(guī)施肥，有機(jī)肥替代能夠顯著提升土壤陽離子交換量。各處理土壤容重則無顯著差異。以上表明，水稻生產(chǎn)過程施用有機(jī)肥替代部分氮肥能夠有效提升土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量和土壤的保水保肥能力。

表4 不同處理土壤基本理化性質(zhì)分析Table 4 Basic physicochemical properties of soils under different treatments

2.4 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

晚稻后各處理土壤養(yǎng)分含量測(cè)定結(jié)果見圖1。不施肥處理除全鉀外，全氮、全磷以及堿解氮、有效磷、速效鉀養(yǎng)分含量均顯著降低。相較常規(guī)施肥，有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理的全氮含量無顯著差異，堿解氮含量均顯著增加，增幅分別為19.31%、14.48%。有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理的全磷含量較常規(guī)施肥同樣顯著增加，增幅為26.90%、24.04%；有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理的有效磷含量分別為29.3、27.5 mg·kg-1，相較于常規(guī)施肥分別顯著增加了51.03%和41.49%。有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理的全鉀含量雖略有提升但并無顯著性差異，速效鉀含量相較于常規(guī)施肥則顯著提升了22.08%、19.48%。有機(jī)肥部分替代氮肥能夠有效提升土壤氮、磷、鉀有效養(yǎng)分水平。

柱上無相同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理對(duì)土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響Fig.1 Effects of different treatments on soil nitrogen，phosphorus and potassium nutrient contents

2.5 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)土壤微量元素含量的影響

晚稻后各處理土壤微量元素含量測(cè)定結(jié)果見表5。不施肥、常規(guī)施肥以及不同比例有機(jī)肥替代化肥處理總鐵、錳、鋅、銅含量均無顯著差異，其中，總鋅、銅在不同比例有機(jī)肥替代氮肥處理中較常規(guī)施肥含量均略有提升。相較于總量，不同施肥方式下元素有效態(tài)含量差異較大。有機(jī)肥替代15%、30%氮肥處理有效態(tài)錳、鋅、銅含量較常規(guī)施肥均顯著增加，有效態(tài)錳含量增幅分別為4.45%、5.59%；有效態(tài)鋅含量增幅分別為11.35%、15.72%；有效態(tài)銅含量增幅分別為16.25%、10.00%。此外，有效態(tài)鐵含量則均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中有機(jī)肥替代15%氮肥處理顯著降低，降幅為7.36%。以上說明，本試驗(yàn)條件下除鐵素外，有機(jī)肥部分替代氮肥能夠有效提升土壤礦質(zhì)元素錳、鋅、銅的有效態(tài)含量。

表5 不同處理土壤微量元素含量分析Table 5 Soil trace element content in different treatments 單位：mg·kg-1

2.6 有機(jī)肥部分替代化肥對(duì)氮肥農(nóng)學(xué)利用率與偏生產(chǎn)力的影響

早、晚稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率與氮肥偏生產(chǎn)力結(jié)果見表6。等氮量施肥條件下，施用有機(jī)肥處理的早、晚稻氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均高于常規(guī)施肥，晚稻的差異顯著，且隨著有機(jī)肥替代比例的增加呈現(xiàn)先升高后降低的變化。其中，有機(jī)肥替代15%氮肥處理早、晚稻氮肥偏生產(chǎn)力和氮肥農(nóng)學(xué)利用率均為最高，早稻期間分別達(dá)到了45.63和20.37 kg·kg-1，較常規(guī)施肥分別提高了10.11%和25.97%；晚稻期間分別達(dá)到了61.03和30.68 kg·kg-1，較常規(guī)施肥分別提高了12.96%和29.56%。有機(jī)肥部分替代氮肥能夠有效提高水稻生產(chǎn)上氮肥農(nóng)學(xué)利用率和氮肥偏生產(chǎn)力，其中15%氮肥替代比例效果最佳。

表6 不同處理水稻氮肥農(nóng)學(xué)利用率與氮肥偏生產(chǎn)力Table 6 Agronomic use efficiency and partial productivity of nitrogen fertilizer in rice with different treatments

3 討論

通過研究不同比例有機(jī)肥替代氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量、品質(zhì)以及耕地土壤理化性質(zhì)、礦質(zhì)營養(yǎng)的影響，能夠?yàn)橛袡C(jī)肥在水稻生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)水稻生產(chǎn)化肥減量增效提供參考。本研究中，不同比例有機(jī)肥替代氮肥處理早稻分別增產(chǎn)10.13%、5.03%，晚稻增產(chǎn)12.96%、6.17%，說明有機(jī)肥部分替代氮肥對(duì)水稻產(chǎn)量起積極作用，這與前人研究結(jié)果一致[20]。早、晚稻糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率相關(guān)品質(zhì)指標(biāo)則并未呈現(xiàn)明顯變化趨勢(shì)，這與相關(guān)研究報(bào)道結(jié)果有所區(qū)別[21-22]。由于稻米的加工品質(zhì)屬于典型的種子性狀，與其種質(zhì)資源特性密切相關(guān)，且除受基因型調(diào)控外相應(yīng)品質(zhì)指標(biāo)還受環(huán)境效應(yīng)的互作影響[23]，因此，有機(jī)肥對(duì)稻米品質(zhì)影響還需要通過多品種、多年、多點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

本研究中，通過兩季連續(xù)施用有機(jī)肥能夠顯著提升土壤pH值，這與解艷玲等[24]研究結(jié)果一致。有機(jī)肥富含多種有機(jī)酸和腐殖酸，能有效提升土壤有機(jī)質(zhì)含量與陽離子交換量，提升土壤保肥供肥能力。由于有機(jī)酸、腐殖酸對(duì)于土壤礦物質(zhì)部分具有一定的溶解能力，一方面促進(jìn)礦物風(fēng)化，另一方面有機(jī)肥中碳水化合物與氮、磷、鉀素競(jìng)爭(zhēng)土壤吸附位點(diǎn)，降低了土壤對(duì)養(yǎng)分的吸附固定能力[25]。正因?yàn)槿绱?，本研究施用有機(jī)肥的處理土壤全磷含量顯著提升，增幅分別達(dá)到26.90%和24.04%，同時(shí)，堿解氮、有效磷、速效鉀等有效養(yǎng)分含量均得到顯著提升。通過對(duì)比有機(jī)肥施加后土壤鐵、錳、鋅、銅等元素全量及有效態(tài)含量，發(fā)現(xiàn)土壤全鋅、銅含量有所增加，這可能是由于有機(jī)肥產(chǎn)品本身富含這些元素相關(guān)。目前，有機(jī)肥肥源主要來源于集約化的養(yǎng)殖場(chǎng)，富含鋅、銅的飼料添加劑常被用于養(yǎng)殖飼養(yǎng)，絕大部分被排出體外[26]。本研究中有效態(tài)錳、鋅、銅含量伴隨有機(jī)肥的使用均呈現(xiàn)含量增加趨勢(shì)，主要是由于有機(jī)肥分解產(chǎn)生的大量有機(jī)酸易于金屬離子絡(luò)合，從而保留于土壤溶液中不易被沉淀，而導(dǎo)致其有效性增強(qiáng)[27-29]。然而，有效態(tài)鐵呈下降趨勢(shì)，這可能與有機(jī)肥提升土壤pH值過程有關(guān)，游離態(tài)鐵極易被氧化、吸附固定，趙征宇等[30]同樣發(fā)現(xiàn)，施用牛糞、豬糞為原料的有機(jī)肥能夠使土壤有效鐵含量降低。

綜合分析水稻產(chǎn)量、土壤基本理化性質(zhì)、養(yǎng)分水平、氮肥農(nóng)學(xué)利用率以及氮肥偏生產(chǎn)力，研究認(rèn)為，在當(dāng)?shù)貙?shí)行有機(jī)肥替代15%氮肥的施肥技術(shù)既能維持水稻高產(chǎn)，提升耕地地力水平，又能提高氮肥利用率，有利于該區(qū)域水稻種植業(yè)的綠色發(fā)展。