有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)水稻產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響

毛偉 李文西 趙雨涵 陳明 徐迅燕 王長(zhǎng)松 王娟娟 錢曉晴

摘要：本文旨在研究不同有機(jī)肥替代化肥比例對(duì)稻麥輪作體系水稻產(chǎn)量及構(gòu)成因素、土壤基本理化性質(zhì)影響，為科學(xué)合理施肥、提高作物產(chǎn)量和提升地力質(zhì)量提供理論依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)在江蘇省儀征市的長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)點(diǎn)，共6個(gè)施肥處理：常規(guī)化肥（M0），有機(jī)肥替代10% （M10）、20% （M20）、30% （M30）、40%（M40）和50% （M50）常規(guī)化肥。分析水稻產(chǎn)量及構(gòu)成，測(cè)定基本理化性質(zhì)。結(jié)果表明：與全單施化肥相比，有機(jī)肥替代化肥后的第一年替代比例過(guò)大（M40、M50）會(huì)導(dǎo)致水稻籽粒產(chǎn)量明顯下降，但在替代的第二年所有替代處理均有一定增產(chǎn)作用，以M30和M40處理增產(chǎn)效果最佳。隨著替代比例的增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著提高，全磷、速效磷含量略下降趨勢(shì)，土壤速效鉀含量稍有上升趨勢(shì)，其他測(cè)定指標(biāo)則差異不大。在穩(wěn)定水稻產(chǎn)量前提下，有機(jī)肥替代20%～30%化肥施具有促進(jìn)作物生長(zhǎng)與養(yǎng)分吸收、提高土壤質(zhì)量的作用。

關(guān)鍵詞：水稻；產(chǎn)量；產(chǎn)量構(gòu)成；有機(jī)肥；土壤理化性質(zhì)；土壤養(yǎng)分

中圖分類號(hào)：S158文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas2020-0143

Effects of Organic Fertilizer Substitute for Chemical Fertilizer on Rice Yield and Soil Physicochemical Properties

Mao Wei1， Li Wenxi1， Zhao Yuhan2， Chen Ming1， Xu Xunyan1， Wang Changsong3， Wang Juanjuan2， Qian Xiaoqing2（1Yangzhou Cultivated Land Quality Protection Station， Yangzhou 225101， Jiangsu， China； 2College of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， Jiangsu， China； 3Yizheng Cultivated Land Quality Management Station， Yangzhou 211400， Jiangsu， China）

Abstract： The study aimed to investigate the response of rice yield and components， and soil physicochemical properties to organic fertilizer （OF） substitute for chemical fertilizer （CF） in rice-grain rotation system， and provide theoretical foundation for rational fertilization， increase yield and promote fertility. The experiments was conducted in long-time fertilizer test point in Yizheng， Jiangsu， 6 treatments were set： convention chemical fertilizer （M0）， OF ratios of 10% （M10）， 20% （M20）， 30% （M30）， 40% （M40）， and 50% （M50）. The yield and composition were studied， and the basic physicochemical property was measured. The results indicated that compared with M0， the rice yield decreased at the ratios of 40% and 50% in the first year， and increased at all treatments in the second year. The highest rice yields were observed at the ratios of 30% and 40% in the second year. With the increase of OF ratio， soil organic matter content increased significantly， whereas there were decrease trends for the concentrations of total phosphorus and available phosphorus， and small increase was found in available potassium， there were no significant differences in other indices. In the precondition of stable rice yield， 20%-30% OF could promote crop growth and nutrient uptake， increase soil fertility.

Keywords： Rice； Yield； Yield Components； Organic Fertilizer； Soil Physicochemical Properties； Soil Nutrient

0引言

水稻是中國(guó)乃至全世界種植面積最廣的作物之一，其穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)關(guān)系到糧食安全[1]。肥料投入是保證作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基本途徑，大量研究表明，化肥對(duì)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率大約在40%甚至更高[2]。由于化肥促進(jìn)作物生長(zhǎng)、增加作物產(chǎn)量的效果十分顯著。1980年后，中國(guó)的化肥用量大幅增長(zhǎng)，但由于肥料供應(yīng)養(yǎng)分的結(jié)構(gòu)不夠合理，造成部分化肥養(yǎng)分的利用率下降，作物產(chǎn)量增加低于預(yù)期[3]。長(zhǎng)期過(guò)度依賴化肥，尤其是氮肥，部分地區(qū)也包括磷肥、甚至鉀肥，忽視其他營(yíng)養(yǎng)元素的科學(xué)合理施用，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，作物生長(zhǎng)量下降，歸還土壤的根茬有機(jī)物減少，引起土壤有機(jī)質(zhì)含量的持續(xù)下降，土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)比例下降，土壤微生物有效活性降低，土壤綜合肥力和生產(chǎn)力下降[4-5]。補(bǔ)充土壤有機(jī)質(zhì)最直接和最有效的方法就是施用有機(jī)肥，科學(xué)合理地施用有機(jī)肥，不僅可以為作物提供大量而平衡的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還可以有效地改良土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性狀，從而促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育與高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的形成[4，6-8]。有機(jī)肥由于來(lái)源多樣、性質(zhì)有所不同，因而不同來(lái)源的有機(jī)肥對(duì)作物生長(zhǎng)、土壤改良的作用效果也很不一致，特別是部分有機(jī)肥養(yǎng)分供應(yīng)速率慢，對(duì)當(dāng)季作物的增產(chǎn)作用不明顯，甚至出現(xiàn)短期內(nèi)有機(jī)肥不如化肥的現(xiàn)象?？梢?jiàn)，有機(jī)肥替代部分化肥將是今后一段時(shí)間內(nèi)中國(guó)肥料結(jié)構(gòu)變化發(fā)展的重要任務(wù)。國(guó)內(nèi)外許多長(zhǎng)期定位試驗(yàn)證明，有機(jī)肥替代部分化肥不僅能有效改良土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)，而且能維持甚至提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)、協(xié)調(diào)高產(chǎn)與高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的矛盾[9-13]。本研究以江蘇省揚(yáng)州市部分長(zhǎng)期肥料試驗(yàn)點(diǎn)為試驗(yàn)基地，設(shè)置不同的有機(jī)肥替代化肥的比例，探討其對(duì)水稻作物產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、土壤基本理化的影響，旨在明確近期內(nèi)既能滿足改良土壤需要，又能保證作物產(chǎn)量的有機(jī)肥替代部分化肥的適宜比例，為區(qū)域性“兩減”戰(zhàn)略實(shí)施提供參考依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)地基本情況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)地點(diǎn)位于儀征市新集鎮(zhèn)毛橋村壯禾合作社生產(chǎn)基地內(nèi)。試驗(yàn)田土種為棕淤泥土，質(zhì)地壤土，土壤有機(jī)質(zhì)含量為32.1 g/kg、有效磷含量為22 mg/kg，速效鉀含量為82 mg/kg，pH 6.13，土壤肥力中等。

1.2田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

有機(jī)肥替代試驗(yàn)開(kāi)始于2017年，本文數(shù)據(jù)來(lái)自2017—2018年的資料。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，各處理氮、磷、鉀養(yǎng)分的總施用量保持一致，分別為270、65、75 kg/hm2。具體處理如下：（1）單施化肥（M0），即所有養(yǎng)分均由無(wú)機(jī)復(fù)合肥（20-12-10）、尿素（N，46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O5，12%）、氯化鉀（K2O，60%）提供；（2）有機(jī)肥替代10%常規(guī)化肥（M10），將總施氮量的10%（27 kg/hm2）用有機(jī)肥替代（根據(jù)有機(jī)肥的含氮量折算），同時(shí)根據(jù)有機(jī)肥的磷、鉀含量計(jì)算出有機(jī)肥帶入的磷、鉀量，減少相應(yīng)化學(xué)肥料的用量；（3）有機(jī)肥替代20%常規(guī)化肥（M20），將54 kg/hm2的化學(xué)肥料氮用有機(jī)肥替代，化學(xué)肥料用量計(jì)算及用法參照（2）；（4）有機(jī)肥替代30%常規(guī)化肥（M30），將81 kg/hm2的化學(xué)肥料氮用有機(jī)肥替代，化學(xué)肥料用量計(jì)算及用法參照（2）；（5）有機(jī)肥替代40%常規(guī)化肥（M40），將108 kg/hm2的化學(xué)肥料氮用有機(jī)肥替代，化學(xué)肥料用量計(jì)算及用法參照（2）：（6）有機(jī)肥替代50%常規(guī)化肥（M50），將135 kg/hm2的化學(xué)肥料氮用有機(jī)肥替代，化學(xué)肥料用量計(jì)算及用法參照（2）。各處理重復(fù)3次，小區(qū)面積20 m×10 m=200 m2，試驗(yàn)區(qū)外設(shè)置保護(hù)行。有機(jī)肥及無(wú)機(jī)磷作為基肥一次性施用；化學(xué)氮肥運(yùn)籌：基肥35%，分蘗肥20%，壯蘗肥10%，穗肥35%；化學(xué)鉀肥運(yùn)籌：基肥60%，穗肥40%。

1.3產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的測(cè)定

實(shí)收小區(qū)產(chǎn)量，各小區(qū)分別在水稻成熟期隨機(jī)取20穴進(jìn)行考種，測(cè)定有效穗數(shù)，每穗粒數(shù)和千粒重。

2結(jié)果與分析

2.1有機(jī)肥替代比例對(duì)水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響

各處理水稻產(chǎn)量見(jiàn)表1。從表中可以看出，2年水稻的產(chǎn)量隨著有機(jī)肥替代比例的提高呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，與全部無(wú)機(jī)肥處理相比，有機(jī)肥替代比例在一定范圍內(nèi)都有增產(chǎn)趨勢(shì)。其中，第一年替代比例10%到20%之間，水稻籽粒產(chǎn)量有增加趨勢(shì)，但超過(guò)該比例時(shí)，水稻籽粒產(chǎn)量不再增加，甚至還有下降趨勢(shì)。第二年的數(shù)據(jù)顯示，水稻籽粒產(chǎn)量在各處理間差異不大，但隨著有機(jī)肥替代比例提高，未出現(xiàn)產(chǎn)量明顯下降的情況。仔細(xì)分析產(chǎn)量結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)肥替代比例的提高，對(duì)水稻有效穗數(shù)的負(fù)面影響在第一年可能出現(xiàn)，但第二年情況就完全不同了，替代比例不大時(shí)反而能增加水稻有效穗數(shù)，只是在替代比例較大時(shí)對(duì)有效穗數(shù)的增加作用才開(kāi)始有所降低。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，對(duì)水稻每穗粒數(shù)的影響在第一、二年作用均較小。有機(jī)肥替代比例對(duì)千粒重的影響在第一年呈明顯的負(fù)相關(guān)，而第二年則完全不同，不僅沒(méi)有表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，反而出現(xiàn)了正相關(guān)的趨勢(shì)。綜合兩年的試驗(yàn)結(jié)果，在稻麥輪作條件下水稻季實(shí)行有機(jī)肥替代化肥的第一年推薦替代比例20%，之后的替代比例可在30%～40%較為穩(wěn)妥。

2.2不同化肥替代措施對(duì)土壤基本理化性質(zhì)的影響

各處理土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2。從表中可以看出，2年的土壤pH均隨著有機(jī)肥替代比例的提高呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，與全部無(wú)機(jī)肥處理相比，有機(jī)肥替代比例在一定范圍內(nèi)都有提高土壤pH的趨勢(shì)。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤有機(jī)質(zhì)含量不斷增加，尤其是在第二年表現(xiàn)得更為明顯。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，對(duì)土壤電導(dǎo)率的影響在兩年間表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，在第一年呈明顯的下降趨勢(shì)，但在第二年卻有上升趨勢(shì)。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，對(duì)土壤容重的影響較小，在第一年有升高趨勢(shì)，但在第二年有降低趨勢(shì)。

2.3不同化肥替代措施對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

各處理土壤養(yǎng)分含量的測(cè)定結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖中可以看出，2年的土壤全氮含量均隨著有機(jī)肥替代比例的提高呈二次多項(xiàng)式關(guān)系，與全部無(wú)機(jī)肥處理相比，有機(jī)肥替代比例在一定范圍內(nèi)（10%～40%）有提高土壤全氮含量的趨勢(shì)。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤全磷含量的變化趨勢(shì)正好與全氮含量的變化趨勢(shì)相反，替代比例在一定范圍內(nèi)，全磷含量隨著有機(jī)肥替代比例的提高有降低趨勢(shì)。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤速效性銨態(tài)氮含量略有提高，尤其是第一年土壤速效性銨態(tài)氮含量提高的幅度較大，而在第二年各處理之間差異較小，總體水平也較低。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤硝態(tài)氮含量變化有所不同，在第一年土壤硝態(tài)氮含量隨著有機(jī)肥替代比例的提高迅速下降，且下降幅度較大。在第二年隨著有機(jī)肥替代比例的提高土壤硝態(tài)氮含量呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，在替代比例為20%～30%時(shí)含量最低。第二年土壤硝態(tài)氮總體水平遠(yuǎn)高于第一年，這與土壤速效性銨態(tài)氮總體水平第一年遠(yuǎn)高于第二年，正好相反。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤有效磷含量有所下降，這在第一年表現(xiàn)得比較明顯，第二年各處理間差異很小，且總體水平要高于第一年。隨著有機(jī)肥替代比例的提高，土壤速效鉀含量各處理間差異很小，第二年總體水平略高于第一年。

3結(jié)論與討論

過(guò)量施用化肥導(dǎo)致的養(yǎng)分利用率和生產(chǎn)率下降的現(xiàn)象已經(jīng)十分普遍[14]。在本研究中，與純化肥施用相比，有機(jī)肥替代20%～30%的常規(guī)化肥后，水稻的產(chǎn)量構(gòu)成因素有所變化，但理論產(chǎn)量不僅無(wú)明顯下降，還有一定的增加趨勢(shì)。有研究表明，有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配合施用往往能夠提高土壤的速效養(yǎng)分含量，調(diào)控土壤與化肥養(yǎng)分的釋放強(qiáng)度和速率，使作物在各生育階段得到均衡穩(wěn)定持續(xù)的養(yǎng)分供給，從而促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，提高結(jié)實(shí)率和產(chǎn)量[15]。長(zhǎng)期有機(jī)肥替代20%～40%的常規(guī)化肥施用量后，能獲得棉花產(chǎn)量與常規(guī)化肥施用量處理相持平的產(chǎn)量[16]。稻麥輪作條件下豬糞有機(jī)肥或豬糞有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合肥替代部分化肥能夠在一定程度上保證水稻和小麥的產(chǎn)量，并有效改善土壤結(jié)構(gòu)[17]。

綜上所述，有機(jī)肥替代20%～30%的化肥不僅不會(huì)造成作物減產(chǎn)，而且在一定程度上還能提高水稻籽粒產(chǎn)量，隨著有機(jī)肥施用年限的增加這種效應(yīng)還能進(jìn)一步增強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳立云，肖應(yīng)輝，唐文幫，等.超級(jí)雜交稻育種三步法設(shè)想與實(shí)踐[J].中國(guó)水稻科學(xué)，2007，21（1）：90-94.

[2]石元亮，王玲莉，劉世彬，等.中國(guó)化學(xué)肥料發(fā)展及其對(duì)農(nóng)業(yè)的作用[J].土壤學(xué)報(bào)，2008，45（5）：852-864.

[3]韓天富，馬常寶，黃晶，等.基于Meta分析中國(guó)水稻產(chǎn)量對(duì)施肥的響應(yīng)特征[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019（11）：1918-1929.

[4]唐繼偉，徐久凱，溫延臣，等.長(zhǎng)期單施有機(jī)肥和化肥對(duì)土壤養(yǎng)分和小麥產(chǎn)量的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2019，25（11）：1827-1834.

[5]謝鈞宇，彭博，王仁杰，等.長(zhǎng)期不同施肥對(duì)塿土大團(tuán)聚體中有機(jī)碳組分特征的影響[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2019，25（7）：1073-1083.

[6]夏昕.長(zhǎng)期施肥對(duì)紅壤旱地和水田有機(jī)碳形態(tài)結(jié)構(gòu)及微生物群落的影響[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015.

[7]陳紅金，章日亮，吳春艷.長(zhǎng)期施用有機(jī)肥對(duì)稻田的改良培肥效應(yīng)[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，60（8）：1356-1358.

[8]董琦，薛世通，董澤鵬，等.施肥對(duì)黃土母質(zhì)生土稻田產(chǎn)量及品質(zhì)的影響[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019（4）：47-51.

[9]歐楊虹，徐陽(yáng)春，沈其榮.有機(jī)氮部分替代無(wú)機(jī)氮對(duì)水稻產(chǎn)量和氮素利用率的影響[J].江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2009，25（1）：106-111.

[10]Li R， Tao R， Ling N ，et al. Chemical， organic and bio- fertilizer management practices effect on soil physicochemical property and antagonistic bacteria abundance of a cotton field： Implications for soil biological quality[J]. Soil and Tillage Research，2017，167：30-38.

[11]Zhang M， Yao Y， Tian Y， et al. Increasing yield and N use efficiency with organic fertilizer in Chinese intensive rice cropping systems[J]. Field Crops Research，2018，227：102-109.

[12]Li F， Chen L， Zhang J， et al. Bacterial community structure after long- term organic and inorganic fertilization reveals important associations between soil nutrients and specific taxa involved in nutrient transformations[J]. Frontiers in microbiology，2017，8：187.

[13]陳志杰.基于防病促生的土壤功能微生物群落構(gòu)建及培養(yǎng)條件優(yōu)化[D].?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2018

[14]閆湘，金繼運(yùn)，梁鳴早.我國(guó)主要糧食作物化肥增產(chǎn)效應(yīng)與肥料利用效率[J].土壤，2017，49（6）：1067-1077.

[15]Ye L， Zhao X， Bao E， et al. Bio-organic fertilizer with reduced rates of chemical fertilization improves soil fertility and enhances tomato yield and quality[J].Scientific Reports，2020，10（1）： 1-11.

[16]陶磊，褚貴新，劉濤，等.有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)長(zhǎng)期連作棉田產(chǎn)量、土壤微生物數(shù)量及酶活性的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2014（21）： 6137-6146.

[17]趙軍，李勇，冉煒，等.有機(jī)肥替代部分化肥對(duì)稻麥輪作系統(tǒng)產(chǎn)量及土壤微生物區(qū)系的影響[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，39（4）：594-602.