有机肥替代化肥对双季稻产量和土壤养分的影响

刘增兵,束爱萍,刘光荣,李祖章*,张文学,袁福生,胡启锋

(1.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所/国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 330200;2.江西省农业科学院 水稻研究所,江西 南昌 330200)

长期以来,我国粮食安全面临巨大压力,过度追求产量的生产方式,不断推高粮食产量,增加化肥施用量,自2003年以来,我国实现了连续11年的增收,粮食单产从1978年的2527.34 kg/hm2增加到2014年的5385.13 kg/hm2,增幅113%,但化肥施用量(折纯量)从884万t增加到5995.94万t,增幅578%,远远超过粮食单产的增加幅度[1]；在粮食生产中有机肥施用比例持续下降,1949年有机肥施用比例占99.9%,2003年已经降至25.0%,目前有机肥施用比例更低[2]。

化肥有机肥配施对作物生长和土壤养分的影响一直是国内外研究的热点。有机肥或化肥有机肥配合施用可以有效改善土壤氮、磷、钾等养分的平衡状况,改良土壤理化性状,增加土壤有机质含量和养分的有效性,从而降低化肥损失率,提高土壤肥力和生态系统的生产力[3-4]。但由于有机肥的生产、使用及有关配套技术滞后、农民培肥土地的积极性不高、农业废弃物的质量下降等原因,有机肥施用的比例持续降低[2]。商品有机肥作为有机肥利用的重要途径,利用自身技术条件和加工优势,在作物生产中努力寻求市场的突破,获得了普遍的认可,在生产中应用比例较高。双季稻生产耕地利用强度大、产出率高、化肥施用量大,耕地培肥需求更加迫切。本文通过双季稻生产中商品有机肥施用比例对水稻产量和土壤养分的影响分析,研究了有机肥的合理施用比例,以期为区域双季稻持续丰产提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试品种

供试水稻品种为早稻株两优4024,晚稻五丰优T025,均为近年来江西省主推品种。

1.2 试验设计

试验为始于2012年的定位试验,地点位于兴国县高兴镇,耕作制度为稻-稻-闲,0～20 cm土层土壤基本理化性质:有机质35.62 g/kg,全氮1.96 g/kg,全磷0.51 g/kg,碱解氮114.11 mg/kg,有效磷15.97 mg/kg,速效钾45.62 mg/kg。

试验处理设计:处理1(NPK),NPK(全量化肥)+秸秆不还田;处理2(NPK+S),NPK(全量化肥)+秸秆全量还田;处理3(80%NPK+20%M+S),NPK(用有机肥替代20%的全量化肥,以氮为标准,下同)+秸秆全量还田;处理4(60%NPK+40%M+S),NPK(用有机肥替代40%的全量化肥)+秸秆全量还田;处理5(40%NPK+60%M+S),NPK(用有机肥替代60%的全量化肥)+秸秆全量还田;处理6(20%NPK+80%M+S),NPK(用有机肥替代80%的全量化肥)+秸秆全量还田;处理7(NPK+50%M+S),NPK(全量化肥)+50%有机肥+秸秆全量还田;处理8:不施肥(CK)，为空白对照。本研究数据为定位第4年即2016年的数据。

有机肥采用商品有机肥,含全氮0.683%、有效磷1.12%、氧化钾2.20%、水分18.25%。养分元素采用等养分处理(以氮为标准),其余元素采用单质肥料补齐。每个处理3次重复,共24个小区,每个小区面积30 m2。早稻每667 m2施纯N 10 kg、P2O54 kg、K2O 8 kg;晚稻每667 m2施纯N 12 kg、P2O53 kg、K2O 9 kg。施肥品种:N用尿素,P用钙镁磷肥,K用氯化钾。施肥方法:早稻、晚稻的磷肥、钾肥和有机肥均作基肥;早稻50%的N肥作基肥,40%的N肥作分蘖追肥,10%的N肥作穗肥;晚稻50%的N肥作基肥,30%的N肥作分蘖追肥,20%的N肥作穗肥。

1.3 产量、土壤养分含量、酶活性测定及数据处理

1.3.1 产量测定 每小区取10株成熟稻穗,自然风干后用于测定产量构成因素;每小区在成熟期单独收割、脱粒、晒干、称产,然后折算成单产。

1.3.2 样品养分测定 土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾容量法;全氮含量的测定采用半微量凯氏法;有效磷含量的测定用Olsen法;速效钾含量的测定用火焰光度法;土壤蔗糖酶活性的测定用3,5—二硝基水杨酸比色法;蛋白酶活性的测定用酪蛋白酸钠水解—福林试剂(Folin)比色法;磷酸酶活性的测定用对硝基苯磷酸二钠法;脲酶活性的测定用靛酚蓝比色法;过氧化氢酶活性的测定采用高锰酸钾滴定法。以各种酶活性的几何平均值表示土壤酶活性的综合指数(GMea),其计算公式如下:

式中:Inv表示蔗糖酶的活性；Pro表示蛋白酶的活性；Ure表示脲酶的活性；AcP表示酸性磷酸酶的活性；Cat表示过氧化氢酶的活性。

1.3.3 数据处理 用Excel和SPSS 13.0对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代比例对双季稻产量的影响

经4年定位试验后,水稻产量已经趋于稳定,双季稻周年产量呈现随着有机氮替代无机氮比例的增加而增加的趋势(表1),在秸秆还田条件下，有机氮替代80%、60%、40%和20%处理的产量分别比NPK处理增加了2.10%、7.19%、10.32%和7.99%;在施用全量化肥条件下增施50%有机肥处理的产量比NPK处理增加了12.25%。上述结果说明,用有机氮替代无机氮呈现稳定状态后能够实现水稻产量的稳定或增加,随着有机氮替代无机氮比例的升高,产量呈现增加趋势。

表1 用不同比例有机氮替代无机氮对双季稻产量的影响kg/667 m2

将有机氮替代无机氮的比例x与水稻产量y之间的关系进行二次方程拟合,计算在当前管理条件下的理论最高产量及其出现时的理论最佳有机替代比例。 结果(见表2)显示:早稻、晚稻和双季稻分别在有机替代比例为0.69、0.79和0.71时实现理论最高产量499.90、563.16和1062.78 kg/667 m2;早稻、晚稻和双季稻的秸秆则分别在有机替代比例为0.71、0.80和0.73时达到理论最高产量421.68、464.82和886.28 kg/667 m2。结果表明,晚稻实现籽粒产量与秸秆产量最大化的理论最佳有机替代比例均明显高于早稻的。

表2 有机氮替代比例x与水稻产量y之间关系的拟合方程

2.2 不同有机肥替代比例对稻田土壤养分含量的影响

经过4年连续施肥后,不同处理间稻田土壤养分差异逐渐显现(见表3)。结果显示,各处理土壤有机质含量表现为处理5>处理6>处理4>处理3>处理2>处理1>处理8(CK),其中处理5、处理6和处理4分别比处理1增加了20.79%、15.36%和13.99%,说明在秸秆还田条件下高比例有机肥替代处理的土壤有机质含量显著高于低比例替代处理和全量化肥处理的。土壤全氮含量表现为处理6>处理4>处理5>处理3>处理2>处理1>CK,其中处理6、处理5和处理4分别比处理1增加了0.099、0.069和0.075个百分点。土壤有效磷含量表现为处理6>处理5>处理4>处理3>处理2>处理1>CK，处理6、处理5和处理4分别比处理1增加了76.16%、45.00%和23.12%,说明土壤有效磷含量与商品有机肥替代比例呈正相关。土壤速效钾含量表现为处理6>处理5>处理4>处理3>处理2>处理1>CK,其中处理6、处理5和处理4分别比处理1增加了35.77%、30.66%和20.44%。上述结果表明,商品有机肥长期高比例替代化肥能有效提升土壤中有机质及养分的含量。

表3 不同施肥处理稻田的土壤养分含量

2.3 不同有机肥替代比例对土壤酶活性的影响

土壤酶来自微生物、植物和动物的活体或残体,通过催化土壤中的生物化学反应发挥重要作用。土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指标并与土壤环境条件紧密相关,被广泛地用于评价土壤质量和土壤生物活性[5-6],土壤脲酶、磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶对土壤环境的变化比较敏感,对土壤C、N、P元素的转化及循环起着重要作用[7-9]。

由表4可知,有机无机肥配施处理的土壤酶活性和酶活性综合指数(GMea)均显著高于化肥处理和CK的，与化肥处理相比,各有机无机肥配施处理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性和GMea提高幅度分别为9.64%～21.73%、6.67%～18.10%、10.42%～40.71%、6.90%～41.38%、0.29%～13.17%和7.55%～21.71%。随有机肥配施比例的提高,土壤脲酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性及酶活性综合指数均表现出增加的趋势,且配施高比例有机肥处理的土壤酶活性及GMea均显著高于配施低比例有机肥处理的。单施化肥处理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性和GMea也均显著高于CK的。

3 讨论与结论

3.1 有机肥替代化肥条件下双季稻产量的变化趋势

国内外有很多长期试验涉及到长期施肥条件下不同有机无机肥配施比例对作物产量的影响。很多研究者认为,有机肥比例越高越好；但也有学者认为,存在最佳有机肥替代比例。长期定位试验表明,红壤稻田系统的增产效果和稳产性能均以有机无机肥配施最好,以高量有机肥配施处理的产量最高,所有有机无机肥配施处理的产量均高于单施化肥(NPK)处理的,且高量有机肥配施更有利于稻田的长期增产[10]。

本研究结果表明：在秸秆还田条件下，有机肥替代80%、60%、40%和20%无机肥处理的双季稻周年产量分别比NPK处理增加了2.10%、7.19%、10.32%和7.99%;在全量化肥条件下增施50%有机肥处理的产量比NPK处理增加了12.25%。方程拟合结果显示,双季稻稻谷产量理论上在有机肥替代比例为0.73下取得最高值1062.78 kg/667 m2。说明长期用有机氮肥替代无机氮肥能够实现水稻产量的稳定或增加,而且有机氮替代比例越高,产量增加趋势越明显。但在当前的生产条件下,存在实现籽粒产量最高化的最佳有机肥替代比例,而且晚稻的有机肥替代比例可以稍高于早稻的。

表4 不同施肥处理的土壤酶活性和酶活性综合指数

3.2 有机肥替代化肥对土壤养分含量的影响

有研究表明,在稻田生产系统下,有机无机肥配施有利于提高土壤有机质含量和氮素利用率:单施化肥处理的土壤有机质含量较5年前提高了6.5%,化肥有机肥配施提高了18.5%[3]。同时大量研究表明,有机肥可以改善土壤结构性能,提高土壤养分供应能力,提高土壤微生物数量,对改土培肥、提高土壤质量具有积极作用[12-14]。

本试验结果表明：处理6、处理5和处理4的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均明显高于全量化肥处理(处理1)的,说明商品有机肥长期高比例替代化肥能有效提升土壤中的有机质及养分含量；在全量化学肥料施用条件下增施部分有机肥同样能够提升土壤养分供应能力。

3.3 有机肥替代化肥对土壤酶活性的影响

土壤酶活性的几何平均值GMea是指示土壤生物质量的综合评价指标[15]。Garci-Ruiz R等研究表明有机肥处理的GMea显著高于常规处理的。国内研究表明有机无机肥料配施显著提高了土壤的 GMea,其中高量配施有机肥处理的GMea值高于低量配施有机肥处理的,主要原因是有机物促进了土壤微生物的生长繁殖,提高了大多数酶的活性[16]。

本研究结果表明,有机无机肥配施处理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶活性和酶活性综合指数(GMea)均显著高于化肥处理和空白对照的，且随有机肥配施比例的提高,各酶的活性及酶活性综合指数均呈现显著增加的趋势;单施化肥处理的土壤酶活性和GMea也显著高于不施肥处理的。说明有机无机肥配施特别是高比例配施能够提高土壤酶活性,可能原因是有机肥的投入增加了土壤微生物的活性及数量,促进了酶活性的进一步提升。同时在全量化学肥料投入的基础上增施部分有机肥可显著提高土壤酶活性,改善土壤养分供应的微生物环境,促进水稻对养分的利用。