有機(jī)肥替代20%化肥提高黑鈣土養(yǎng)分有效性及玉米產(chǎn)量

季佳鵬，趙欣宇，吳景貴，孟慶龍，關(guān)華建，牛岸秋

（吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，長(zhǎng)春 130118）

玉米是我國(guó)種植面積最大的作物，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中的地位舉足輕重[1]。隨著人口的不斷增長(zhǎng)，糧食生產(chǎn)迎來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)[2]。這就使得部分農(nóng)戶為追求高產(chǎn)，盲目過(guò)量施用化肥[3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)過(guò)量施肥面積可達(dá)20%[4]。東北玉米種植區(qū)過(guò)量施肥的現(xiàn)象非常普遍。調(diào)查表明，大部分農(nóng)戶施用化肥量普遍超過(guò)推薦施肥量[5-6]。過(guò)量施用化肥不僅會(huì)增加農(nóng)戶生產(chǎn)成本、降低肥料利用率，還會(huì)引起土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境污染問(wèn)題，致使糧食安全生產(chǎn)面臨著嚴(yán)重威脅[7-8]。因此，化肥減量施用的效果和可行性研究尤為重要，已有報(bào)道高化肥投入量農(nóng)田，適量的減施化肥沒(méi)有影響作物產(chǎn)量，同時(shí)肥料利用效率有所提升[9]。

隨著現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)和農(nóng)業(yè)的集約化、規(guī)模化發(fā)展，畜禽糞和農(nóng)業(yè)廢棄物 (秸稈) 也在逐年增長(zhǎng)，在化肥工業(yè)的發(fā)展下，我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生的畜禽糞便由原來(lái)的有機(jī)肥變成了廢棄物[10-11]。2010年時(shí)我國(guó)畜禽糞便產(chǎn)生量為22.35億t，含有的氮、磷養(yǎng)分量分別達(dá)0.19億t和0.04億t，分別占氮、磷肥的79%和50%，但我國(guó)有機(jī)糞肥的還田率只有39%，還不到資源量的一半[4,12]。有機(jī)肥 (畜禽糞便) 富含多種養(yǎng)分和有機(jī)物質(zhì)，施入土壤直接增加了有機(jī)物料的投入量，進(jìn)而有效地增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)碳含量[13-14]。2014年時(shí)我國(guó)秸稈總量為8億t，秸稈田間隨意堆放或者焚燒導(dǎo)致農(nóng)村環(huán)境污染的情況隨處可見(jiàn)[15-16]。秸稈還田是解決這一問(wèn)題的有效途徑，秸稈還田既能夠培肥地力又可以減少對(duì)環(huán)境的污染[17]。秸稈還田常見(jiàn)方式有覆蓋、翻埋等，東北地區(qū)春播時(shí)低溫多雨，秸稈覆蓋還田容易導(dǎo)致土壤溫度低，不利于玉米出苗和苗期生長(zhǎng)，秸稈翻埋還田對(duì)土壤攪動(dòng)大，容易破壞耕層養(yǎng)分，我們目前選用秸稈條狀還田方式。

綜上所述，在秸稈還田下，化肥減量配施有機(jī)肥是保持土壤生產(chǎn)力節(jié)約成本的一種行之有效的方法。已有學(xué)者相繼開(kāi)展化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)土壤理化性質(zhì)和作物產(chǎn)量方面的影響研究[18-19]。有研究表明，化肥減量配施有機(jī)肥的效果不同區(qū)域、不同作物以及不同土壤類(lèi)型之間存在明顯差異。如林治安等[20]研究表明，化肥減量50%配施有機(jī)肥小麥和玉米產(chǎn)量顯著降低。邢鵬飛等[21]在華北平原通過(guò)連續(xù)4年的研究表明，化肥減量30%配施有機(jī)肥能夠保證糧食產(chǎn)量，化肥減量50%配施有機(jī)肥能提高土壤肥力。李孝良等[22]研究得出化肥減量20%配施有機(jī)肥，會(huì)顯著提高肥料利用率，保證玉米產(chǎn)量。而陳治嘉[23]發(fā)現(xiàn)，吉林省降低氮肥用量20%～30%不會(huì)影響玉米產(chǎn)量，還可提高肥料利用率。黑鈣土屬于東北地區(qū)典型土壤，耕地面積占全省總耕地面積的27%，具有腐殖質(zhì)層薄、有機(jī)質(zhì)含量低等特點(diǎn)[24]。東北黑鈣土玉米種植區(qū)的土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低、養(yǎng)分隨降水流失嚴(yán)重，因此本試驗(yàn)在秸稈條狀還田的條件下，以化肥減量20%配施有機(jī)肥的方式，研究其對(duì)土壤速效養(yǎng)分以及玉米產(chǎn)量的影響，旨在揭示秸稈還田下化肥減量配施有機(jī)肥對(duì)黑鈣土養(yǎng)分的作用機(jī)制，達(dá)到提高化肥利用率、減少環(huán)境污染的效果，并為東北地區(qū)黑鈣土玉米種植的施肥方式提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于吉林省長(zhǎng)春市農(nóng)安縣哈拉海鎮(zhèn)東明村 (東經(jīng) 124°31′，北緯 43°55′)，地處松遼平原腹地，屬于中溫帶大陸性氣候。全年平均氣溫4.7℃，無(wú)霜期145天，降水量507.7 mm，有效積溫2800℃。土壤類(lèi)型為黑鈣土，其有機(jī)碳12.73 g/kg、全氮 1.26 g/kg、堿解氮 103.50 mg/kg、速效磷 19.26 mg/kg、速效鉀 127.02 mg/kg和pH 7.70。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)始于2018年5月，連續(xù)進(jìn)行兩年，玉米品種為奇豐568。將前一年玉米秸稈全量原位堆成條狀，之后覆土壓實(shí)，進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置4 個(gè)處理，具體如下：1) 當(dāng)?shù)爻Ａ渴┓?(T1)；2) 減少20%的常量化肥 (T2)：3) 減量20%的常量化肥，以雞糞氮補(bǔ)足 (T3)；4) 減量20%的常量化肥，以牛糞氮補(bǔ)足 (T4)。每個(gè)處理3次重復(fù)，共12個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)面積 20 m2(4 m×5 m)，6 壟玉米種植，自西向東3個(gè)小區(qū)共18壟，壟寬約0.65 m，東西方向每6壟玉米種植之間設(shè)置秸稈條狀帶，秸稈條狀帶寬度50～80 cm左右。南北方向小區(qū)之間過(guò)道為1 m，過(guò)道之間不設(shè)置秸稈條狀帶。

供試化肥為復(fù)合肥，N–P2O5–K2O 為 26–10–12。常規(guī)化肥用量為1000 kg/hm2，其他各處理化肥施用量均為800 kg/hm2。供試雞糞和牛糞均來(lái)自農(nóng)安當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場(chǎng)，風(fēng)干雞糞氮、磷、鉀養(yǎng)分含量分別為17.40、8.56和14.23 g/kg，風(fēng)干牛糞氮、磷、鉀含量分別為10.20、3.40和8.22 g/kg。經(jīng)折算，雞糞施用量為 2988 kg/hm2，牛糞用量為 5098 kg/hm2?；屎陀袡C(jī)肥全部作為基肥一次性施用，其他田間管理均與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣保持一致。

1.3 樣品采集與測(cè)定

2018、2019年拔節(jié)期和收獲期，在各小區(qū)內(nèi)采用五點(diǎn)取樣法對(duì)各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的0—20 cm土層進(jìn)行取樣，取土點(diǎn)距離秸稈條帶60～70 cm。取好的土壤樣品密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自然風(fēng)干。采用pH計(jì)測(cè)定pH，重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)碳含量；堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮含量；鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷含量；火焰光度計(jì)測(cè)定速效鉀含量。在收獲期，對(duì)試驗(yàn)田所有小區(qū)去掉邊行后進(jìn)行實(shí)打?qū)嵤諟y(cè)產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0 和Origin 9.0進(jìn)行整理分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 施肥對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.1.1 不同處理對(duì)土壤pH的影響 2018和2019兩年結(jié)果 (圖1) 表明，拔節(jié)期和收獲期T2和T4處理土壤pH均顯著高于T1和T3；T1處理拔節(jié)期顯著高于T3，收獲期與T3沒(méi)有顯著差異。2018年T4和T2處理的pH沒(méi)有顯著差異，2019年拔節(jié)期T4處理顯著高于T2處理?？偟目磥?lái)，減施化肥提高了土壤pH，配合雞糞抵消了pH的增加，而配施牛糞進(jìn)一步提高了pH的增加幅度。

圖 1 不同施肥處理對(duì)不同時(shí)期土壤pH的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH in different periods in 2018 and 2019

2.1.2 不同處理對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響 由圖2可見(jiàn)，與T1處理相比，2018年T2處理在拔節(jié)期和收獲期土壤的有機(jī)碳含量均無(wú)顯著變化，而2019年顯著降低；T3處理基本上顯著增加了兩個(gè)時(shí)期的土壤有機(jī)碳含量，2018和2019年T3處理土壤有機(jī)碳含量較T1處理分別增加15.2%和13.0%；而T4處理2018年的土壤有機(jī)碳含量沒(méi)有顯著影響，2019年顯著高于T1但低于T3處理。可見(jiàn)，在秸稈條狀還田基礎(chǔ)上，配施有機(jī)肥可以增加土壤中有機(jī)碳含量，配施雞糞的效果好于牛糞。

圖 2 不同施肥處理對(duì)不同時(shí)期土壤有機(jī)碳含量的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic carbon content in different periods in 2018 and 2019

2.1.3 不同處理對(duì)土壤堿解氮含量的影響 圖3表明，減施化肥的T2處理在拔節(jié)期和收獲期的土壤堿解氮含量高于T1處理，2019年拔節(jié)期的堿解氮含量顯著高于T1；與T1氮投入量相同的T3和T4處理土壤中的堿解氮含量均高于T1處理，在拔節(jié)期也顯著高于T2處理，但在收獲期與T2處理沒(méi)有顯著差異，其中T3處理2018、2019年土壤堿解氮含量分別較T1處理增加12.2%和18.5%。表明在秸稈條狀還田條件下，減施20%的氮投入量不會(huì)降低土壤的供氮能力。而將20%的氮素以有機(jī)氮替代，則可以顯著提高土壤拔節(jié)期和收獲期的供氮能力。

圖 3 不同施肥處理對(duì)不同時(shí)期土壤堿解氮含量的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on the content of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in different periods in 2018 and 2019

2.1.4 不同處理對(duì)土壤速效磷含量的影響 從圖4可以看出，降低20%的磷素投入量 (T2) 2018年的土壤速效磷含量沒(méi)有顯著影響，但2019年玉米拔節(jié)期和收獲期的土壤速效磷含量均顯著降低。減施化肥后配施雞糞和牛糞則可以顯著增加土壤速效磷含量，且拔節(jié)期的增加幅度大于收獲期，其中T3處理2018、2019年土壤速效磷含量分別較T1處理增加16.7%和34.2%。兩個(gè)有機(jī)肥處理相比，T3處理提高土壤速效磷含量的效果好于T4處理。

圖 4 不同施肥處理對(duì)不同時(shí)期土壤速效磷含量的影響Fig.4 Effects of different fertilization treatments on available phosphorus content in different periods in 2018 and 2019

2.1.5 不同處理對(duì)土壤速效鉀含量的影響 由圖5可知，T2處理土壤的速效鉀含量，除2018年拔節(jié)期外，均顯著低于T1處理。T3和T4處理的土壤速效鉀含量均高于T1，其中T3處理土壤速效鉀含量分別比T1處理增加7.75%和18.5%；T3處理的土壤速效鉀含量高于T4處理。

圖 5 不同施肥處理對(duì)不同時(shí)期土壤速效鉀含量的影響Fig.5 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium content in different periods in 2018 and 2019

2.2 施肥對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量的影響

2.2.1 不同處理對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育特征的影響 表1表明，2018年T4處理玉米莖粗高于其他3個(gè)處理，T3和T4處理株高和SPAD值均高于T1和T2處理，但T3和T4處理間無(wú)明顯差異。2019年玉米莖粗各處理高低順序表現(xiàn)為 T4 > T3 > T1 > T2，但所有處理之間差異均不顯著。而株高表現(xiàn)為 T3 > T4 > T2> T1，SPAD 值表現(xiàn)為 T3 > T4 > T1 > T2，但各個(gè)處理的莖粗和SPAD值均無(wú)顯著差異。

表 1 不同處理對(duì)拔節(jié)期玉米生長(zhǎng)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of different treatments on maize growth indexes at jointing stage

2.2.2 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量特征的影響 連續(xù)兩年秸稈條狀還田下化肥減量配施不同種類(lèi)有機(jī)肥對(duì)玉米生長(zhǎng)產(chǎn)量的影響見(jiàn)表2。2018和2019年在秸稈還田的條件下，化肥減量配施有機(jī)肥處理產(chǎn)量較高。2018年T4處理產(chǎn)量最高，為9925 kg/hm2，其次是T3處理和T1處理，產(chǎn)量分別為9750和9398 kg/hm2，最低產(chǎn)量為T(mén)2處理。T3和T4處理產(chǎn)量顯著高于T1處理，分別較T1處理增產(chǎn)5.60%和3.75%。2019年玉米產(chǎn)量規(guī)律與2018年相似，T4處理產(chǎn)量最高為13770 kg/hm2，其次為T(mén)3和T1處理，產(chǎn)量分別為13150和11400 kg/hm2，T2處理玉米產(chǎn)量依舊最低，T3和T4處理產(chǎn)量均高于T1處理，分別較T1處理增產(chǎn)20.8%和15.4%。綜合兩年試驗(yàn)結(jié)果，連續(xù)兩年減施化肥20%處理產(chǎn)量與常規(guī)化肥處理產(chǎn)量相比差異不大，說(shuō)明適量減少化肥對(duì)玉米的產(chǎn)量并沒(méi)有顯著的影響。但是在減氮基礎(chǔ)上增加有機(jī)肥 (牛糞和雞糞均可)，可提高玉米產(chǎn)量。

表 2 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響Table 2 Effect of different treatments on maize yield

3 討論

兩年的田間試驗(yàn)表明，有機(jī)無(wú)機(jī)肥配合能顯著提高拔節(jié)期和收獲期土壤有機(jī)碳、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，為土壤微生物活動(dòng)及作物生長(zhǎng)提供充足的養(yǎng)分，相似的研究結(jié)果在我們之前土壤培肥的工作中也有報(bào)道[14,25]。由于有機(jī)肥在改善土壤養(yǎng)分和提高土壤肥力方面有化肥所不具備的優(yōu)勢(shì)，化肥減量配合有機(jī)肥施用能夠更好的實(shí)現(xiàn)作物增產(chǎn)并有效提高土壤質(zhì)量[26-27]。

本次試驗(yàn)結(jié)果表明，連續(xù)兩年收獲期各處理土壤pH均高于拔節(jié)期，各個(gè)時(shí)期T2處理土壤pH均顯著高于T1處理。由于大量肥料施入土壤，一些未被利用的銨態(tài)氮肥在土壤中發(fā)生硝化作用，同時(shí)產(chǎn)生氫離子，從而降低土壤pH[28]。而T2處理化肥施用量較少，使其土壤pH高于T1處理，可見(jiàn)適量減少化肥用量可以提高土壤pH。張秀芝等[29]研究表明，有機(jī)肥配合氮磷鉀化肥可以快速有效提高土壤有機(jī)碳含量。2018年拔節(jié)期和收獲期T3處理土壤有機(jī)碳含量較T1處理土壤有機(jī)碳含量分別提高5.8%和15.2%，2019年分別為7.7%和13.0%。2019年拔節(jié)期和收獲期T4處理土壤有機(jī)碳含量較T1處理土壤有機(jī)碳含量分別提高4.6%和7.2%?？梢?jiàn)有機(jī)肥與減量化肥配合施用可以提高土壤有機(jī)碳含量。由于有機(jī)肥 (畜禽糞便) 本身含有一定數(shù)量的有機(jī)碳，有機(jī)肥與化肥配施處理直接增加了有機(jī)碳的輸入，另外，雞糞和牛糞這兩種糞肥在作物生長(zhǎng)過(guò)程中逐步分解，從而更加有利于土壤中有機(jī)碳的積累[30-31]。與范圍等[25]報(bào)道的秸稈覆蓋還田處理下表層土壤 (黑鈣土) 有機(jī)碳含量增加了15.9%相比較，本試驗(yàn)中秸稈條帶對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響并不明顯，這也說(shuō)明了土壤有機(jī)碳含量提升主要是由于有機(jī)肥提供。但是，牛糞和雞糞施入氮量一致，帶入的C量比例約為1∶0.7，即施用牛糞的處理C投入量大于施用雞糞的處理，然而兩年4個(gè)時(shí)期的土壤有機(jī)碳含量均表現(xiàn)為雞糞處理大于牛糞處理，可見(jiàn)不同處理土壤中C和N含量和比例的不同產(chǎn)生了不同的培肥效果和過(guò)程[32]。兩類(lèi)有機(jī)糞肥與減量化肥配施對(duì)土壤有機(jī)碳含量的影響機(jī)理還有待探究。

速效養(yǎng)分是作物可以直接利用吸收的養(yǎng)分形態(tài)，因此土壤中速效養(yǎng)分含量的多少是影響作物生長(zhǎng)的重要因素。劉思佳等[33]研究了不同比例化肥配施有機(jī)肥對(duì)黑土速效養(yǎng)分的影響，發(fā)現(xiàn)化肥減量配施有機(jī)肥可以提高土壤的速效養(yǎng)分含量。鄒文秀等[34]提出，施用有機(jī)物料可以顯著增加土壤中堿解氮的含量。本試驗(yàn)兩年內(nèi)施用不同有機(jī)肥處理土壤堿解氮含量在各時(shí)期均高于T1處理，可見(jiàn)化肥減量配施雞糞和牛糞可以提高土壤中堿解氮的含量。有機(jī)肥的施用會(huì)促進(jìn)土壤有益菌的生長(zhǎng)，改變土壤的供氮特性，從而使得土壤中堿解氮含量增加[35]。2018和2019年各時(shí)期T3和T4處理土壤速效磷含量均高于T1處理，原因是施用的有機(jī)肥本身含有一部分磷素，而且有機(jī)肥的施用會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加，有機(jī)質(zhì)可以減少無(wú)機(jī)磷的固定，促進(jìn)無(wú)機(jī)磷的溶解，最終導(dǎo)致土壤速效磷含量的增加[36]。連續(xù)兩年化肥減量配施有機(jī)肥處理后能顯著提高土壤速效磷含量，這一結(jié)果也與申長(zhǎng)衛(wèi)等[37]研究結(jié)果一致。周曉芬等[38]研究表明，與水溶性鉀肥相比，有機(jī)肥中的速效鉀和緩效鉀被土壤固定的程度明顯降低。本研究結(jié)果表明，兩年內(nèi)各時(shí)期T3和T4處理土壤速效鉀含量均高于T1處理，2019年收獲期T3處理土壤速效鉀含量顯著高于T4處理，其他時(shí)期兩個(gè)處理之間差異并不顯著。綜合來(lái)看T3處理效果優(yōu)于T4處理，由于本試驗(yàn)選用的雞糞基礎(chǔ)養(yǎng)分含量均高于牛糞，可以改變土壤物理、化學(xué)和生物特征，增加了土壤中有機(jī)膠體的含量，使得土壤顆粒形成穩(wěn)定的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而提升土壤的保水和保肥能力。

秸稈條狀還田下化肥減量配施有機(jī)肥的研究有利于當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶根據(jù)土壤自身問(wèn)題因地制宜[39]。連續(xù)兩年的試驗(yàn)中單純的減量施用化肥并沒(méi)有使玉米過(guò)度減產(chǎn)，兩年玉米產(chǎn)量T3和T4處理之間沒(méi)有顯著差異，但均高于T1處理，也說(shuō)明了適量增加土壤有機(jī)碳和速效養(yǎng)分可以使玉米增產(chǎn)。究其原因，可能因?yàn)榛侍峁┑牡V質(zhì)養(yǎng)分易被作物吸收，同時(shí)也會(huì)隨雨水淋溶；而有機(jī)肥提供的礦質(zhì)養(yǎng)分占比很小，絕大部分養(yǎng)分會(huì)隨著礦化過(guò)程釋放出來(lái)，所以在玉米生長(zhǎng)期雞糞處理和牛糞處理肥效較長(zhǎng)，從而提高了作物產(chǎn)量。

4 結(jié)論

在秸稈條狀還田下，連續(xù)兩年減施20%的化肥用量沒(méi)有顯著降低玉米產(chǎn)量，但以雞糞和牛糞補(bǔ)足減去的氮素可以顯著增加玉米的產(chǎn)量；減少20%的化肥投入量，對(duì)第一年 (2018年) 土壤有機(jī)碳、速效磷和速效鉀含量的影響較小，但顯著降低了第二年(2019年) 三者的含量，但是對(duì)堿解氮的供應(yīng)沒(méi)有不利影響；減少20%的化肥投入量，以雞糞或牛糞補(bǔ)足氮素后，土壤中的有機(jī)碳和速效氮磷鉀含量在拔節(jié)期和收獲期均高于常規(guī)施肥，而且補(bǔ)充雞糞的土壤養(yǎng)分狀況好于牛糞。

綜合產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分狀況的變化，在秸稈條狀還田下，減少化肥投入，可能降低土壤磷和鉀的供應(yīng)。而用有機(jī)肥補(bǔ)足減少的養(yǎng)分，可以維持和提高土壤的養(yǎng)分供應(yīng)能力，提高玉米的產(chǎn)量。