菌渣替代部分化肥養(yǎng)分施用對土壤養(yǎng)分含量及稻麥產(chǎn)量的影響

劉唯佳，毛昆明，唐祺超，楊元智，鄧良基*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，成都 611130）

近年來，由于過量施肥造成的土壤養(yǎng)分失衡、生態(tài)環(huán)境惡化、病害加劇等問題日趨嚴重[1-2]，雖然肥料施用量逐年上升，但作物產(chǎn)量卻并未增加甚至降低[2]。因此，土壤質(zhì)量和化肥報酬率下降正成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的限制因素[3]，而施用有機肥則能夠明顯提高作物產(chǎn)量和改善土壤質(zhì)量[4]。

中國食用菌產(chǎn)量在世界占比中高達70%，每年產(chǎn)生約5～214萬t的菌渣[5]。然而廢棄菌渣被丟棄或燃燒不僅浪費資源，而且會滋生害蟲和霉菌孢子污染空氣和生態(tài)環(huán)境，但菌渣作為有機肥加以利用則可促進生態(tài)環(huán)境與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的正向發(fā)展[6]。菌渣還田既能降低田面水氮磷濃度和流失風(fēng)險[7]，在減氮20%情況下還能夠保證小麥產(chǎn)量和降低農(nóng)田綜合增溫潛勢[8]，分別減少34.1%和86.2%的NH3和N2O排放[6]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，菌渣還田在提高青椒和番茄品質(zhì)及產(chǎn)量的同時[9-10]，還能夠改善土壤理化性質(zhì)，例如：菌渣施用可以降低土壤容重，改善土壤透氣性和透水性[11]，改變土壤團聚體結(jié)構(gòu)[12]；菌渣還田能夠提供豐富的氨基酸、多糖等營養(yǎng)物質(zhì)，提高酶活性和促進碳氮循環(huán)[13-14]，顯著影響土壤微生物量碳氮、可溶性碳氮和礦化碳含量[15]等。此外，菌渣含有豐富的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，因此菌渣還田對土壤氮、磷、鉀含量具有顯著影響[16]，能有效提高土壤氮素含量[17]，增加速效磷含量可達1.30～1.60倍[18]?？梢姡€田在保護生態(tài)環(huán)境和促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，且眾多學(xué)者已對菌渣還田引起的作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分及生理性質(zhì)變化進行了深入研究。但我們發(fā)現(xiàn)，不同類型菌渣的養(yǎng)分含量并不一致，對于不同類型菌渣還田是否會導(dǎo)致作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分含量存在差異方面的研究較少，而對菌渣和化肥配施條件下的菌渣氮、磷、鉀養(yǎng)分替代量（率）對土壤全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）含量和產(chǎn)量的影響方面的研究更還鮮見報道。因此，本研究選取成都平原稻麥輪作為研究對象，以養(yǎng)分含量存在差異的兩種代表性菌渣-茶樹菇菌渣和平菇菌渣為有機肥料（表1），以尿素、過磷酸鈣和氯化鉀為化學(xué)肥料，開展菌渣和化肥配施田間試驗，研究不同菌渣的化肥氮、磷、鉀養(yǎng)分替代率對土壤養(yǎng)分全量和作物產(chǎn)量的影響，以期優(yōu)選出成都平原稻麥輪作模式下菌渣的化肥養(yǎng)分元素替代率與菌渣化肥配施方式，為成都平原菌渣資源化利用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于成都平原四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地（103°38′34"E，30°33′27"N），平均海拔512.4 m，中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，全年溫暖潮濕，四季分明，年平均降水量1 100 mm左右，年平均氣溫為15.2℃。土壤類型為成都平原灰色沖積物發(fā)育而成的滲育型水稻土亞類、灰潮田土屬和潮泥田土種，稻麥輪作為該地區(qū)最主要的耕作制度。供試土壤pH平均值為6.17，有機質(zhì)（SOM）含量平均值為33.67 g/kg，全氮（TN）含量平均值為 2.14 g/kg，全磷（TP）含量平均值為0.06 g/kg，全鉀（TK）含量平均值為8.51 g/kg，有效磷含量平均值為11.71 mg/kg，速效鉀含量平均值為113.41 mg/kg。按照全國土壤養(yǎng)分含量分級標(biāo)準(zhǔn)[19]，該土壤有機質(zhì)（SOM）含量為2級，屬較高水平；全氮（TN）含量為1級，達到極高水平；全磷（TP）和全鉀（TK）含量均為5級，屬較低水平，因此，田間試驗中充分考慮磷、鉀養(yǎng)分的補充。

1.2 試驗材料與設(shè)計

供試菌渣為草本類菌渣（茶樹菇菌渣）和木本類菌渣（平菇菌渣），兩種菌渣養(yǎng)分含量見表1；供試肥料為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）；小麥和水稻品種分別為內(nèi)麥836和岡優(yōu)188。

表1 菌渣養(yǎng)分含量Table 1 The nutrient concentrations of mushroom residue

田間試驗以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)化肥施用量為基礎(chǔ)，以菌渣對化肥氮的替代率為標(biāo)準(zhǔn)計算菌渣施用量，并用菌渣施用量反算各處理的磷和鉀養(yǎng)分元素替代量和替代率。試驗共設(shè)6個處理，分別為空白處理（CK）、常規(guī)化肥處理（CF，常規(guī)化肥氮替代率0.0%）、茶樹菇菌渣的常規(guī)化肥氮替代率25%（TMR1）和50%（TMR2），以及平菇菌渣的常規(guī)化肥氮替代率的25%（POR1）和 50%（POR2），菌渣的各處理在小麥和水稻季施肥方案如表2和表3所示。每個處理設(shè)3次重復(fù)，共18個小區(qū)，每個小區(qū)面積均為4 m×5 m，隨機排列，小區(qū)之間用6絲薄膜相互間隔并筑土埂。小麥和水稻分別在播種與施肥前測定個處理土壤理化性質(zhì)，以此作為對比分析的基礎(chǔ)。小麥于2019年10月播種，先施入氮、磷、鉀肥后施入菌渣，2020年5月收獲測產(chǎn)，之后旋耕整田移栽水稻，氮肥分基肥（70%）和拔節(jié)肥（30%）兩次施入，磷、鉀肥和菌渣一次性施入，同年9月收獲測產(chǎn)。

表2 水稻季田間試驗方案Table 2 Fertilization plans of rice kg·hm-2

表3 小麥季田間試驗方案Table 3 Fertilization plans of wheat kg·hm-2

1.3 樣品采集與測定

在小麥和水稻的分蘗期、拔節(jié)期和成熟期，按照5點混合取樣法采集各小區(qū)0～40 cm土層的土壤樣品混勻，去除雜物分別裝入3個密封袋，存儲于4℃冰箱中待測，測之前土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、研磨和過篩。土壤SOM采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定；pH按土∶水為1∶2.5體積比酸度計法測定；TN采用濃硫酸消解-凱氏定氮儀測定；TP采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法測定；TK采用NaOH熔融-火焰光度法測定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理分析

用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理，SPSS 20.0進行差異顯著性檢驗（LSD，P＜0.05）與相關(guān)性分析，Origin 2019b完成數(shù)據(jù)作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型菌渣和化肥配施對土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量的影響分析

2.1.1 對土壤養(yǎng)分含量的影響分析

不同處理的土壤TN含量變化如圖1所示。除TMR2處理外，水稻生育期內(nèi)其他處理土壤TN含量呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，且TN最高含量均出現(xiàn)在拔節(jié)期；而小麥生育期內(nèi)CK處理的土壤TN含量持續(xù)降低，CF、TMR2和POR2處理呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，最高含量均出現(xiàn)在拔節(jié)期，TMR1和POR1處理則呈現(xiàn)出先減后增趨勢，最高含量均出現(xiàn)在成熟期。相比于稻麥分蘗期，成熟期CK和CF處理的TN含量均降低，而菌渣還田處理的TN含量均升高。與CF處理相比，水稻生育期內(nèi)TMR1、TMR2、POR1和POR2處理的土壤TN平均含量分別顯著（P＜0.01）提高 22%、24%、23%和 23%，小麥生育期內(nèi)分別提高30%、10%、4%和12%，且TMR1處理顯著（P＜0.01）高于其他處理，說明茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能夠顯著提升水稻和小麥生育期內(nèi)土壤全氮平均含量，且茶樹菇菌渣對提升小麥生育期內(nèi)土壤TN平均含量的效果更好。

圖1 不同處理在不同生育期的土壤TN含量Figure 1 Soil TN concentrations of different treatments in different growth periods

從圖2可看出，稻麥生育期內(nèi)CK處理土壤TP含量呈現(xiàn)出持續(xù)降低趨勢，其他處理土壤TP含量在水稻生育期內(nèi)呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，并且TP最高含量均出現(xiàn)在拔節(jié)期；而小麥生育期土壤TP含量變化趨勢并不一致，具體表現(xiàn)為CF和POR1處理呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，在拔節(jié)期出現(xiàn)土壤TP含量最大值，TMR1、TMR2和POR2處理則呈現(xiàn)出先減后增的變化趨勢，最高含量均出現(xiàn)在成熟期。相比于稻麥分蘗期，CK和CF處理的成熟期TP含量均降低，而菌渣還田處理的水稻成熟期土壤TP含量升高，但小麥成熟期TP含量降低。與CF處理相比，水稻生育期內(nèi)TMR1、TMR2、POR1、POR2處理的土壤TP平均含量分別顯著（P＜0.05）提高9%、41%、26%和20%，小麥生育期內(nèi)分別提高21%、12%、2%和19%，TMR1處理同樣顯著（P＜0.05）高于其他處理。說明茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能夠較顯著提升水稻和小麥生育期內(nèi)土壤TP平均含量。

圖2 不同處理在不同生育期的土壤TP含量Figure 2 Soil TP concentrations of different treatments in different growth periods

不同處理的土壤TK含量變化如圖3所示。稻麥生育期內(nèi)CK處理土壤TK含量呈現(xiàn)出持續(xù)降低趨勢，其他處理的土壤TK含量在水稻生育期內(nèi)均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，均在拔節(jié)期出現(xiàn)最高值；在小麥生育期，CF、TMR1和TMR2處理的土壤TK含量也呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，同樣在拔節(jié)期出現(xiàn)最高值，但POR1和POR2處理變化趨勢并不一致，其土壤TK最高含量出現(xiàn)在成熟期。相比于稻麥分蘗期，在水稻成熟期各處理的土壤TK含量均降低，而在小麥成熟期POR1和POR2處理土壤TK含量升高，其他處理也均降低。與CF處理相比，水稻生育期內(nèi) TMR1、TMR2、POR1 和 POR2 處理的土壤TK平均含量分別提高11%、55%、53%和19%；小麥生育期內(nèi)卻分別提高13.29%、21.11%、17.58.0%和4.20%。說明茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能提升稻麥生育期內(nèi)土壤TK平均含量。

圖3 不同處理在不同生育期的土壤TK含量Figure 3 Soil TK concentrations of different treatments in different growth periods

2.1.2 對稻麥產(chǎn)量的影響分析

不同處理的稻麥產(chǎn)量存在顯著（P＜0.05）差異（圖4）。POR2處理的水稻產(chǎn)量最高為（9 201.08±501.24）kg/hm2，其次為 TMR2（8 913.36±545.44）kg/hm2；而小麥產(chǎn)量最高的處理為TMR1（5 048.55±464.17）kg/hm2，其次為 POR2（4 862.79±431.83）kg/hm2，CK處理的稻麥產(chǎn)量均最低，分別為（7 110.66±218.47）kg/hm2和（3330.27±295.39）kg/hm2。與 CF 處理相比，TMR1、TMR2、POR1 和 POR2水稻產(chǎn)量顯著（P＜0.05）提高7%、9%、6%和12%，小麥產(chǎn)量分別顯著（P＜0.05）提高9%、16%、5%和12%。說明茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能夠較顯著地提升水稻和小麥產(chǎn)量。

圖4 不同處理的作物產(chǎn)量Figure 4 Crop yields of different treatments

2.2 菌渣的化肥養(yǎng)分替代率對土壤養(yǎng)分含量和作物產(chǎn)量的影響分析

2.2.1 對土壤養(yǎng)分含量的影響分析

菌渣的化肥氮磷鉀養(yǎng)分替代率和土壤養(yǎng)分含量的相關(guān)性分析表明（表4），稻麥生育期內(nèi)土壤TN、TP和TK含量與菌渣的化肥養(yǎng)分替代率呈現(xiàn)出極顯著（P＜0.01）和顯著（P＜0.05）正相關(guān)關(guān)系；在水稻生育期，土壤pH和土壤SOM含量分別與菌渣的化肥養(yǎng)分替代率呈正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系，但并不顯著，表明養(yǎng)分替代對土壤pH和SOM含量影響不大；而在小麥生育期卻相反，土壤pH和SOM含量分別與菌渣的化肥養(yǎng)分替代率呈負相關(guān)和正相關(guān)關(guān)系，且 pH（P＜0.05）和 SOM（P＜0.01）相關(guān)性顯著，表明養(yǎng)分替代能夠顯著降低土壤pH值、提高土壤SOM含量。

表4 菌渣的化肥養(yǎng)分替代率與土壤養(yǎng)分含量和稻麥產(chǎn)量的相關(guān)性分析Table 4 The correlation analysis between the nutrient replacement rate of mushroom residues and soil nutrient concentrations，rice and wheat yields

氮素養(yǎng)分替代率對土壤TK的影響。稻麥生育期內(nèi)菌渣的氮素替代率與土壤TN含量呈現(xiàn)出顯著（P＜0.01）正相關(guān)關(guān)系，稻麥兩季生育期內(nèi)土壤TN含量分別平均提高23%、14%，說明隨著氮素養(yǎng)分替代率的增加，能夠有效提升土壤TN含量，水稻季增加土壤TN含量的效果更好。

磷素養(yǎng)分替代率對土壤TP的影響。稻麥生育期內(nèi)菌渣磷素替代率與土壤TP含量呈現(xiàn)出顯著（P＜0.01）正相關(guān)關(guān)系，稻麥兩季生育期內(nèi)土壤TP含量分別平均提高24%、13.5%，說明隨著磷素養(yǎng)分替代率的增加，能夠有效提升土壤TP含量，水稻季增加土壤TP含量的效果更好。

鉀素養(yǎng)分替代率對土壤TK的影響。稻麥生育期內(nèi)菌渣的鉀素替代率與土壤TK含量呈現(xiàn)出顯著（P＜0.05）正相關(guān)關(guān)系，稻麥兩季生育期內(nèi)土壤TK含量分別平均提高34.5%、14.05%，說明隨著鉀素養(yǎng)分替代率的增加，能夠有效提升稻麥兩季土壤TK含量。

2.2.2 對作物產(chǎn)量影響分析

相關(guān)性分析（表4）顯示，菌渣的化肥氮磷鉀養(yǎng)分替代率與稻麥產(chǎn)量呈現(xiàn)出極顯著（P＜0.01）正相關(guān)關(guān)系。同時，與 CF 處理比較，TMR1、TMR2、POR1 和POR2處理的水稻平均產(chǎn)量分別提高7.32%、8.54%、6.10%、12.04%，小麥平均產(chǎn)量分別提高9.39%、15.87%、5.43%、11.61%，說明菌渣對部分化肥氮磷鉀替代施用能顯著提高稻麥產(chǎn)量，稻麥產(chǎn)量的提升效率隨菌渣的化肥氮磷鉀養(yǎng)分替代率的增加而增加。

2.3 土壤養(yǎng)分含量與pH、SOM相關(guān)性分析

土壤pH、SOM與TN、TP和TK含量相關(guān)性分析顯示（表5）：土壤pH與SOM、TN含量之間呈顯著（P＜0.05）負相關(guān)，與土壤TP和TK含量分別呈現(xiàn)出正相關(guān)和負相關(guān)關(guān)系；而土壤SOM含量與土壤TN和TP含量呈顯著（P＜0.05）正相關(guān)，與TK呈正相關(guān)關(guān)系但并不顯著；此外，土壤TN、TP和TK之間均呈現(xiàn)出極顯著（P＜0.01）正相關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果說明土壤養(yǎng)分含量之間相互促進、相互影響，而菌渣還田能夠改變土壤pH和SOM，從而進一步影響土壤TN和TP。

表5 土壤pH、SOM和養(yǎng)分含量相關(guān)性分析Table 5 The correlation analysis of soil pH，organic matter and nutrient concentration

3 討論

稻麥輪作模式下，傳統(tǒng)的化學(xué)氮肥施用和水分管理將導(dǎo)致氮素通過地表徑流流失造成水體氮素污染[20]，且科學(xué)地管理氮素是維持小麥和水稻可持續(xù)生產(chǎn)的重要途徑[21]。因此，利用養(yǎng)分含量豐富的有機物料替代部分化肥養(yǎng)分施用是農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理的有效方法，而本研究結(jié)果也表明菌渣還田與優(yōu)化施肥相結(jié)合更有利于提高土壤養(yǎng)分含量和稻麥產(chǎn)量。

菌渣其本身含有豐富的氮、磷和鉀等營養(yǎng)元素以及木質(zhì)素、纖維素等富碳物質(zhì)[22]，這些物質(zhì)通過微生物分解釋放后對提高土壤肥力和促進作物生長具有積極作用。我們的研究結(jié)果顯示：與CF處理相比，水稻生育期菌渣還田處理分別提高土壤TN、TP和TK的養(yǎng)分含量分別處于22%～24%、9%～41%和11%～55%之間，小麥生育期分別提高土壤TN、TP和TK養(yǎng)分含量分別處于4%～30%、2%～21%和6%～7%之間，且菌渣的化肥養(yǎng)分替代率與土壤TN、TP、TK含量呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系，這說明菌渣替代部分化肥氮磷鉀養(yǎng)分施用能夠提高土壤養(yǎng)分含量，與眾多[16，23-24]研究結(jié)果一致。胡留杰等[25]研究表明，菌渣還田顯著提高土壤SOM和pH，而SOM和pH是驅(qū)動土壤微生物群落和代謝的最主要因素，我們的相關(guān)性分析也表明SOM和pH顯著影響土壤TN、TP、TK含量，因此菌渣還田不僅可以直接提供作物生長所需營養(yǎng)元素，還可通過影響微生物間接促進養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程。本研究結(jié)果表明，土壤TK含量在水稻生育期大幅提高，在小麥生育期氮素替代率25%、鉀素替代率252.32%時，土壤TK含量略有降低，這可能與菌渣用量和鉀素替代率不足有關(guān)，具體原因還需進一步探索。鄧歐平等[13]研究表明，菌渣還田使土壤脫氫酶、蔗糖酶、脲酶和中性磷酸酶活性均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，增強了微生物數(shù)量和代謝，顯著提高土壤酶活性，因此在整個水稻生育期土壤養(yǎng)分含量均呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢，養(yǎng)分最高含量均出現(xiàn)在拔節(jié)期，這也與菌渣腐解速率為前期快后期慢顯著相關(guān)[26]。然而，土壤養(yǎng)分含量在小麥生育期變化趨勢并不同于水稻生育期較為一致的表現(xiàn)，這可能是由于小麥在不同生長期對養(yǎng)分吸收不同于水稻所致，但最主要原因或許歸因于土壤微生物代謝和酶活性降低[26]，因為相比于水稻生育期，小麥生育期土壤水分缺乏甚至造成土壤干旱，這并不利于微生物生長。在本研究中我們發(fā)現(xiàn)，雖然菌渣還田提高了土壤養(yǎng)分含量，但TMR2和TMR1處理分別在水稻和小麥生育期提高土壤養(yǎng)分含量高于其他處理，說明茶樹菇菌渣提高土壤養(yǎng)分含量優(yōu)于平菇菌渣，這或許與菌渣生理特性緊密相關(guān)。

眾多研究[23-24，26]已經(jīng)表明菌渣還田能夠顯著提高作物產(chǎn)量，這與本研究結(jié)果一致。在本研究中，TMR1、TMR2、POR1和POR2處理的稻麥產(chǎn)量與CF相比分別顯著提高提高7.32%、8.54%、6.10%、12.04%和9.39%、15.87%、5.43%、11.61%，這主要由于菌渣還田能顯著提高作物氮素利用率[28]，促進作物吸收氮磷鉀等元素[23]，增強作物抑制病蟲害能力[25]等，還能有效改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)、透氣和透水性等[11-12]，促進作物根系呼吸和養(yǎng)分吸收，從而提高稻麥的株高、分蘗數(shù)、有效穗數(shù)、成穗率和千粒重[29]。此外，我們發(fā)現(xiàn)POR2和TMR2處理的水稻和小麥產(chǎn)量分別高于其他處理，說明菌渣的常規(guī)化肥氮替代率為50%時，能夠極大提高稻麥產(chǎn)量，但綜合考土壤對有機物料的容量和經(jīng)濟效益等，在土壤有機質(zhì)（SOM）和全氮（TN）含量高、全磷（TP）和全鉀（TK）含量低的稻麥輪作農(nóng)田上，適宜選用菌渣的化肥氮替代率25%或磷（P205）替代率35%或鉀替代率（K2O）250%，進行菌渣化肥配合施用。

4 結(jié)論

在土壤有機質(zhì)（SOM）和全氮（TN）含量高、全磷（TP）和全鉀（TK）含量低的稻麥輪作農(nóng)田中，草本類（茶樹菇）和木本類（平菇）菌渣替代部分化肥養(yǎng)分施用，能夠顯著提高土壤TN、TP、TK含量和稻麥產(chǎn)量。

①茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能夠顯著提升水稻和小麥生育期內(nèi)土壤TN、TP和TK平均含量，小麥生育期內(nèi)茶樹菇菌渣對提升土壤TN平均含量的效果更好。而隨著菌渣的氮、磷、鉀素替代率的增加，水稻季增加土壤氮、磷、鉀素含量的效果更好。

②茶樹菇菌渣和平菇菌渣配施化肥能夠較顯著地提升水稻和小麥產(chǎn)量，且菌渣替代常規(guī)施氮量的50%時增產(chǎn)效果最佳。與CF處理比較，TMR1、TMR2、POR1和POR2處理的水稻平均產(chǎn)量分別提高7.32%、8.54%、6.10%和12.04%，小麥平均產(chǎn)量分別提高9.39%、15.87%、5.43%和11.61%。

③稻麥生育期內(nèi)土壤TN、TP和TK含量和稻麥產(chǎn)量與菌渣的化肥養(yǎng)分替代率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。