黑土有机氮肥替代率演变及其对土壤有机碳的响应

龚海青，付海美，徐明岗*，郜红建，朱 平，高洪军

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/耕地培育技术国家工程实验室, 北京 100081；2 农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院，安徽合肥 230036；3 吉林省农业科学院农业资源与环境研究所，长春 130033）

合理施用有机肥是维持农业生态系统物质与能量平衡的重要措施，而且能提高农业生态系统对于扰动的抵抗力和恢复力[1]。我国有机肥资源丰富，每年产生动物源有机肥 (畜禽粪便) 约2.7 × 109t，而有机肥利用率却不足40%[2]。尤其是，近年来有机肥的施用量和有机肥的施用耕地面积大幅递减[3–4]，造成有机肥资源浪费和环境污染[5]。因此，如何有效地利用有机肥显得尤为重要，即用有机肥替代部分化肥。有机肥替代化肥是在保证作物高产的情况下实现有机肥替代部分化肥，培肥土壤，从而减少化肥施用量，提高肥料利用率[6]。有机肥替代率一般通过有机肥氮磷钾养分折合所替代的化学肥料养分的百分比进行计算。研究表明，土壤肥力不同，有机肥替代率存在显著差异[7]，明确有机肥替代率与土壤肥力的关系是有机肥合理利用的关键。探究高产条件下有机肥替代率与土壤肥力的关系，不仅可达到减肥增效和提高养分资源高效利用，而且有利于土壤可持续利用，是实现我国化肥零增长目标的重要途径之一。由于土壤肥力水平不同，有机肥替代化学的有机肥替代率存在很大差异。Guo等[8]在棕壤上研究发现，有机肥替代率为25% 时作物产量与化肥处理 (NPK) 的产量无显著差异；刘红江等[9]研究表明，黄泥土有机肥替代率为50% 时能维持水稻高产，减少了农田地表径流水体总氮流失量和流失率；许小伟等[10]在红壤上的研究表明，有机肥替代率为40%时更有利于红壤地区土壤肥力及产量的改善。关于不同有机肥替代率对作物产量的影响研究较多，但关于不同土壤肥力条件下有机肥替代率及其与土壤肥力的关系研究鲜见报道。有关作物高产条件下有机肥替代率的研究多局限于推荐的化肥用量基础上配施有机肥，实际上增加了肥料的总投入，没有达到减肥增效的目的；研究的高产条件下有机肥替代率，没有考虑土壤肥力因素的影响，导致研究结果不一致。本文利用我国黑土区土壤肥力与肥料效益监测网站长期定位试验数据，基于作物氮素吸收量，研究高产条件下有机肥替代率的演变特征。探讨长期施肥高产条件下有机肥替代率与土壤肥力的定量关系，揭示有机肥替代率对土壤肥力的响应关系，为农田土壤培肥和有机替代提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本试验土壤采自国家黑土区土壤肥力与肥料效益监测基地。该试验基地位于吉林省公主岭市 (东经124°48′34″，北纬 43°30′23″，海拔 220 m)。试验始于1980年，年平均气温4～5℃，无霜期125～140 d，有效积温2600～3000℃，年降水量450～600 mm，年蒸发量1200～1600 mm，年日照时数2500～2700 h。种植制度为一年一熟，玉米连作，收获后作物地上部分全部移走，秋季常规耕作15～20 cm深度。小区按国家土壤肥力长期定位监测标准统一设置，面积为100 m2(20 m × 5 m)，无重复，随机排列。供试土壤为黑土，成土母质为第四纪黄土状沉积物。试验前土壤基本理化性质：有机质27.8 g/kg、全氮1.90 g/kg、全磷1.39 g/kg、全钾22.1 g/kg、碱解氮114 mg/kg、有效磷27.0 mg/kg、速效钾190 mg/kg、pH 值 7.60。

1.2 试验设计

长期试验设有24个处理，本研究选取其中的4个处理，即，不施肥 (CK)、单施化学氮磷钾肥 (NPK)、单施常量有机肥 (M1) 和单施高量有机肥 (M2)，试验用化肥为尿素、过磷酸钙和硫酸钾，年施用N 150 kg/hm2、P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，有机肥为猪粪和牛粪堆肥，平均含水量为68.7%，鲜基堆肥平均含N 20.9 g/kg、P2O58.96 g/kg、K2O 11.2 g/kg。有机肥作底肥，磷、钾和1/3氮肥作基肥随播种时同时施入，其余2/3氮肥于拔节前追施于表土下10 cm处。常量有机肥 (M1) 年施用量为30 t/hm2，高量有机肥(M2) 年施用量为60 t/hm2；供试作物为玉米，品种为玉米杂交种吉单101 (1980—1988年)、丹玉13(1989—1993 年)、吉单 304 (1994—1996 年)、吉单209 (1997—2003年)、郑单958 (2004—2011年)，于4月末播种，9月末收获，按常规进行统一田间管理，10月对土壤进行取样分析测定。

1.3 测定项目与方法

土样和植株样的测试均参考鲍士旦[11]的分析方法，分别测定作物产量、植株含氮量以及土壤全氮、碱解氮、全磷、有效磷、全钾、速效钾、有机碳含量。

1.4 计算方法

氮素是影响作物生长的最主要限制因子，本文有机肥替代率主要是指有机氮肥替代率，基于作物氮素养分吸收量计算公式为：

式中：NM—指长期施有机肥处理 (M) 作物地上部吸收的氮素养分量，其数值=施有机肥处理作物秸秆产量 × 秸秆氮素浓度+施有机肥处理作物籽粒产量 × 籽粒氮素浓度；NCK—土壤氮素养分自然供给能力，是指长期未施氮素处理 (CK)，作物地上部从土壤和环境中吸收的氮素养分量，其数值=不施肥处理作物秸秆产量 × 秸秆氮素浓度+不施肥处理作物籽粒产量 ×籽粒氮素浓度；NHNPK—指现阶段高强度集约化农田施肥措施下，长期均衡施化肥处理 (NPK)，32年作物达到最高产量时 (11892 kg/hm2) 地上部吸收的氮素养分量，其数值=施化肥处理作物秸秆最高产量 × 秸秆氮素浓度+施化肥处理作物籽粒最高产量 × 籽粒氮素浓度；NM−NCK—有机肥料替代部分化肥提供作物吸收的氮素养分量；NHNPK−NCK—施NPK化肥的作物达到最高产量时，化肥提供的作物吸收的氮素养分量。

1.5 数据处理

采用Excel 2010 和SPSS 20.0进行数据计算和统计，采用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 长期培肥对有机肥替代率的影响

长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2) 的有机肥替代率随施肥年限增加呈上升趋势 (图1)。相同的施肥年限，施用高量有机肥处理 (M2) 的有机肥替代率高于常量有机肥处理 (M1)。常量有机肥处理(M1) 的有机肥替代率 (y) 与施肥年限 (x) 之间的关系为 y = 1.33x + 33.75 (R2= 0.84，P ＜ 0.01)，采用线性加平台模型拟合施用高量有机肥处理 (M2) 的有机肥替代率 (y) 与施肥年限 (x) 之间的关系为y = 2.21x +35.99(x ＜ 29)，y = 100(x ＞ 29) (R2= 0.97，P ＜ 0.01)。在定位试验前20年，M1和M2处理的有机肥替代率差异不显著，且有机肥替代率增加比较平缓，年增加速率分别为1.33%和2.21%。之后M1和M2的有机肥替代率差异逐渐增大，到32年，M1的有机肥替代率达到89%，有持续增加的趋势；M2的有机肥替代率趋于100%，并保持稳定不变。表明施用高量有机肥 (M2) 29年后可以完全替代化学氮肥，并保持作物高产。

2.2 有机肥替代率与土壤肥力要素关系综合分析

图1 长期不同有机肥施用量下有机氮对化学氮肥的替代率Fig. 1 The substitution rate of chemical N by organic N under normal and high manure input conditions

通过通径分析，探讨不同的土壤肥力要素对高产条件下有机肥替代率直接和间接效应影响，结果(表1) 表明，土壤肥力要素对高产条件下有机肥替代率直接贡献的大小依次为土壤有机碳 (0.56) ＞ 土壤全磷 (0.54) ＞ 土壤全钾 (0.45) ＞ 土壤速效钾 (|–0.23|) ＞土壤有效磷 (|–0.18|) ＞ 土壤全氮 (0.15) ＞ 土壤碱解氮(0.11)。对高产条件下有机肥替代率直接贡献较大且为正效应的土壤肥力要素为土壤有机碳、土壤全磷、土壤全钾、土壤全氮、土壤碱解氮，而且与土壤有机碳、土壤全磷、土壤全氮和土壤碱解氮显著正相关，表明提高这4个土壤肥力要素有利于高产条件下有机肥替代率的增加。与有机肥替代率直接通径系数为负值的是土壤有效磷和土壤速效钾。相关分析中土壤速效钾与有机肥替代率相关性不显著，而土壤有效磷与有机肥替代率呈显著正相关。这主要是因为土壤有效磷对有机碳、全氮、速效氮、全磷、全钾和速效钾的间接正效应远大于间接负效应，增加了土壤有效磷对有机肥替代率的正相关性，土壤有效磷增大对有机肥替代率的增加有一定的正效应。即土壤有效磷增加有助于有机肥替代率的提高。土壤全氮和碱解氮的直接通径系数较小，但在相关性分析中，土壤全氮和碱解氮对有机肥替代率呈显著正相关。

为进一步分析已确定的4个显著直接贡献土壤肥力要素对高产条件下有机肥替代率的直接效应与间接效应，对土壤有机碳 (X1)、土壤全氮 (X2)、土壤碱解氮 (X3) 和土壤全磷 (X4) 再次进行通径分析，结果表明 (表2) 自变量X1、X2、X3和X4对有机肥替代率 (Y) 的直接作用 P1Y= 0.52、P2Y= −0.16、P3Y= 0.11、P4Y= 0.41，其大小为|P1Y| ＞ |P4Y| ＞ |P2Y| ＞ |P3Y|，即土壤有机碳 (X1)、土壤全磷 (X4)、土壤全氮 (X2) 和土壤碱解氮 (X3) 的直接效应依次降低，且土壤全磷(X4)、土壤全氮 (X2) 和土壤碱解氮 (X3) 通过影响有机碳 (X1) 对有机肥替代率间接效应分别为P = 0.31、P = 0.27和P = 0.36。

表1 长期有机培肥下土壤肥力要素与有机肥替代率通径分析Table 1 Path analysis of soil nutrient and substitution rate under long-term organic amendments

表2 长期有机培肥下有机肥替代率决定因子的通径分析Table 2 Path analysis of the substitution rate under long-term organic amendments

以7个土壤肥力要素为自变量，以高产条件下有机肥替代率 (Y) 为因变量进行逐步回归，经过分析将碱解氮 (X3)、全氮 (X2)、全磷 (X4)、有效磷(X5)、全钾 (X6)、速效钾 (X7) 土壤肥力要素剔除，筛选影响高产条件下有机肥替代率的土壤肥力要素为有机碳 (X1)，建立了高产条件下有机肥替代率与土壤肥力要素的最优回归模型：

Y = 7.72X1−79.26 (R2= 0.70，F = 29.70，P ＜ 0.01)

多元逐步回归分析结果表明，模型中筛选出土壤有机碳 (X1) 含量是决定有机肥替代率差异的最主要肥力要素，决定了高产条件下有机肥替代率70%的变异。这与通径分析确定土壤有机碳含量是高产条件下有机肥替代率直接贡献最大的肥力要素研究结果一致。

通过通径分析和多元逐步回归分析，明确了土壤有机碳含量对高产条件下有机肥替代率有显著正效应。

2.3 长期有机培肥对土壤有机碳的影响

长期不同施肥条件下土壤有机碳含量的变化趋势存在较大差异 (图 2)。不施肥处理 (CK) 的有机碳含量略有下降，下降速率为0.04 g/(kg·a)，但不显著；长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2) 均可极显著提高土壤有机碳含量 (P ＜ 0.01)，且长期高量有机肥处理 (M2) 的土壤有机碳年增加速率高于常量有机肥处理 (M1)，其常量和高量有机肥处理(M1和M2) 的土壤有机碳年增加速率分别为0.17和0.27 g/kg。与试验初期 (土壤有机碳含量16.3 g/kg)相比，不施肥处理 (CK) 和单施化肥处理 (NPK) 土壤有机碳含量分别下降至14.8 g/kg和15.8 g/kg，分别下降了9.2%和3.1%；长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2) 的土壤有机碳含量为24.6 g/kg和26.5 g/kg，分别提高50.9%和62.6%。表明通过长期持续施肥，施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2)可显著提高土壤有机碳含量，提升土壤肥力。

2.4 有机肥替代率与土壤有机碳的响应关系

从图3可以看出，土壤有机碳含量与有机肥替代率之间呈极显著非线性相关关系 (P ＜ 0.01)。通过数据拟合发现，在一定范围内，有机替代率随着土壤有机碳含量的增加显著增大；在土壤有机碳含量增加到一定程度后，有机肥替代率逐渐趋于稳定，即土壤养分到达一定平衡后，有机肥替代率不再增加。供试黑土条件下，土壤有机碳含量为24.89 g/kg时，有机肥替代率趋近最大值的95%，达到平衡 (图3)。

图2 不同处理土壤有机碳含量随试验年限的变化Fig. 2 Variation of soil organic carbon content with experimental years

图3 土壤有机碳含量与有机肥替代率的响应关系Fig. 3 Coupling relationship between the substitution rate and soil organic carbon content

3 讨论

3.1 长期有机培肥对有机肥替代率的影响

本文研究结果表明，高产条件下长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2) 的有机肥替代率呈逐渐上升趋势，且高量有机肥处理 (M2) 的高产条件下有机肥替代率高于常量有机肥处理 (M1)。研究表明，长期施用有机肥显著提高了土壤有机碳含量 (P ＜0.01)，外源碳的长期大量投入是土壤肥力提高的主要原因，长期施用有机肥条件下农田土壤有机碳累积，提高了碳的容量和强度，从而增加土壤肥力，提高土壤的供肥量，作物达到高产的需肥量来自化肥供应的相应减少，导致高产条件下有机肥替代率呈逐渐上升趋势。梁尧等[12]研究表明，适当提高有机肥的施用量可以提高土壤肥力及其固碳能力，有利于土壤生产力的提升。邹文秀等[13]研究表明，长期施用有机肥可以增加黑土有机碳和全氮含量，并且随着有机肥施入量的增加，土壤有机碳和全氮含量呈增加的趋势。增施有机肥有利于黑土土壤肥力的快速提升，改善黑土的土壤质量。本研究的结果表明，有机肥施用量增加 (M2 ＞ M1)，导致长期高量有机肥处理 (M2) 的土壤肥力高于常量有机肥处理(M1)。土壤肥力提高，土壤供肥能力增强。作物达到高产的需肥量是一定的，是长期单施化肥 (NPK)下，肥料养分均衡供给作物达到高产的需肥量，土壤肥力提高，土壤供肥量增加，导致作物达到高产的需肥量来自化肥供应的氮素相应减少，使得高量有机肥处理 (M2) 的有机肥替代率高于常量有机肥处理 (M1)。

3.2 有机肥替代率与土壤肥力要素关系综合分析

通过通径分析和逐步回归分析表明，土壤有机碳含量是决定有机肥替代率差异的主要土壤肥力要素，决定了有机肥替代率70%的变异。土壤有机碳是衡量土壤肥力的的核心要素，土壤有机碳含量水平决定于碳输入和输出平衡[14]，研究表明长期施用有机肥可显著改变土壤有机碳含量，使土壤肥力发生变化。

本研究表明，长期不施肥处理 (CK)，土壤有机碳含量降低，其主要原因是长期不施肥条件下，土壤养分供应不均衡限制了作物生长，导致土壤碳投入数量较少，长期不施肥作物根茬归还量不能维持土壤有机碳的矿化损失，从而使土壤有机碳含量相对于初始土壤呈下降趋势[15]。单施化肥处理 (NPK)增加土壤速效养分含量，提高土壤供肥强度，利于作物的生长，增加作物光合产物的归还量，但降低了土壤碳氮比值，加速了土壤有机碳的分解矿化，不仅消耗作物光合产物的归还量增加的有机碳，而且还会消耗土壤原始有机碳，不利于其在土壤中的累积[16]。本研究结果表明，长期施用常量和高量有机肥处理 (M1和M2)，土壤有机碳含量显著增加 (P ＜0.01)。一方面是由于有机肥直接向土壤提供了大量活性有机物质，增加土壤的碳投入量；另一方面施有机肥提高了作物生物量，增加了土壤中残茬和根的归还量[17]，同时也影响了微生物的数量和活性[18–19]，施用有机肥能增加土壤微生物碳源，充足的碳源和养分投入刺激微生物大量繁殖，土壤微生物数量的增加会促进土壤有机物的分解。进而影响到有机物的生物降解过程[20–21]，土壤肥力提高。而且有研究表明，高量有机肥处理的土壤中微生物群落结构、数量以及原生动物的丰度显著高于低量有机肥[22]。本研究表明，高量有机肥处理 (M2) 的土壤有机碳年增加速率高于常量有机肥处理 (M1)。长期有机培肥显著增加土壤有机碳含量，高量有机肥处理 (M2) 的土壤肥力高于常量有机肥处理 (M1)，土壤肥力提高，土壤养分供应量增加，作物达到高产所需的化肥养分减少，从而导致有机肥替代率增加。

3.3 有机肥替代率与土壤有机碳的响应关系

本研究通过拟合作物高产条件下有机肥替代率与土壤有机碳含量关系发现，在一定范围内，作物高产条件下有机肥替代率随着土壤有机碳含量的增大显著增加，在土壤有机碳含量增加到一定程度后，有机肥替代率逐渐趋于稳定。当土壤有机碳含量为24.89 g/kg时，有机肥替代率趋近最大值的95%。说明当黑土土壤肥力增加到一定程度，有机肥提供的养分可替代化肥并作物达到高产，这主要因为土壤有机碳含量的增加可以提高作物产量，维持作物高产。研究表明，长期有机培肥下土壤有机碳与作物产量呈显著相关 (P ＜ 0.001)，土壤有机碳含量的增加可以显著促进作物增产[23]。Pan等[24]研究认为，作物在土壤有机碳含量较高时可以有较高的机率能够达到高产，产量所受的波动性较小。因此，长期施用有机肥，土壤有机碳含量增加，土壤肥力提高，作物产量增加，从而提升作物高产条件下有机肥替代率，作物高产条件下有机肥替代率是土壤肥力的函数。

4 结论

高产条件下有机肥替代率提高与土壤肥力的增加具有协同效应，土壤肥力提高，有机肥替代率也增加。在土壤有机碳含量增加到一定程度后，高产条件下有机肥替代率逐渐趋于稳定。当土壤有机碳含量为24.89 g/kg时，高产条件下有机肥替代率趋近最大值的95%，即当土壤肥力足够高时，有机肥可以替代化肥并保持作物高产。