不同有机肥与化肥配施对氮素利用率和土壤肥力的影响

李燕青，温延臣，林治安，赵秉强

（1 中国农业科学院果树研究所/农业部园艺作物种质资源利用重点实验室/辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100；2 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；3 中国农业科学院德州盐碱土改良实验站，山东德州 253015）

据估计，我国每年至少可产生20亿吨以上的畜禽粪便[1]。如果这些畜禽粪便得不到合理处置，不仅是对有机废弃物资源的一种浪费，还会因堆放产生各种环境问题。这些畜禽粪便含有大量的有机质、农作物需要的氮磷钾和各种中微量营养元素。因此，将畜禽粪便经过简单处理作为肥料施入土壤是实现畜禽粪便科学资源化利用的重要方向之一[2]。

畜禽粪便有机肥类型复杂多样，其成分和养分矿化过程均有所不同，因此对作物生长和土壤肥力的影响也明显不同。陈贵等[3]5年的田间定位试验结果表明，猪粪有机肥和牛粪有机肥在同等施用量 (重量) 条件下，猪粪有机肥与化肥减量配施或单独施用时，水稻在生长和产量形成、养分吸收利用方面与常规化肥处理相比无显著性差异；牛粪有机肥与化肥配施和单独施用时，氮磷钾生理利用效率有所提高，但水稻产量和氮磷钾累积量均有不同程度下降；与化肥相比，牛粪处理和猪粪处理的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度提升，等量猪粪处理土壤全氮、有效磷、速效钾提升程度大于牛粪有机肥，但有机质含量无明显差异。吴家梅等[4]在保证了两种有机肥 (鸡粪、猪粪) 处理总施入碳含量一致，且通过添加尿素控制总施氮量与单施化肥处理一致的条件下，研究发现试验前两年有机肥处理的水稻产量与单施化肥处理没有显著性差异，第三年有机肥处理的水稻产量则显著超过了化肥处理的产量，但鸡粪处理和猪粪处理之间没有显著性差异。周博等[5]利用盆栽番茄试验，在保证有机肥等氮施入条件下研究了鸡粪、牛粪、猪粪的氮素有效性，结果发现鸡粪的平均氮素利用率和当量矿质氮率显著高于猪粪和牛粪。从以往的研究[6-12]来看，单一种类有机肥与及其与化肥配施后对土壤肥力、作物生长及环境方面影响的研究颇多，且在试验设计中有机肥的施用量多以重量计，未考虑到其中养分元素对化学肥料的替代问题。

氮效率是评价作物品种氮素吸收和利用的重要指标，也是评价相关施肥制度的重要依据[13]。根据研究对象和目的，大致可分为反映施入肥料氮效益的指标 (氮肥回收率、氮肥农学利用率、氮肥生理利用率、氮肥偏生产力等) 和反映土壤中氮素效益的指标(氮素籽粒生产效率、氮素干物质生产效率、氮素收获指数、氮素运转效率)[14]。土壤肥力是农业可持续发展的基础资源，土壤培肥是建立科学施肥制度的重要内容[15-16]。本文以农田中常用的牛粪、鸡粪和猪粪有机肥为试验材料，在同一定位试验中设计等养分 (全氮) 条件下不同类型有机肥与化肥以不同比例配施试验。研究和讨论不同类型有机肥与化肥配施后对作物氮素吸收利用以及土壤养分含量的影响，以期从氮效率和土壤培肥角度为建立科学的施肥制度提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验位于山东省中国农业科学院禹城试验基地 (116°34′E、36°50′N)，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温13.4℃，＞ 10℃积温4441℃，年降水量569.6 mm，蒸发量2095 mm，无霜期206 d。试验地土壤类型为盐化潮土，土壤质地为轻壤土，成土母质为黄河冲积物。种植制度为冬小麦-夏玉米一年两熟轮作制，供试小麦、玉米品种分别为‘济麦22’、‘郑单958’。试验开始前土壤表层养分含量见表1。

1.2 试验设计

试验设置1个不施肥对照 (CK)。常规施肥处理采用当地推荐养分量，即：小麦和玉米每季施N 225 kg/hm2，小麦季施 P2O575 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2。常规养分量下，设1个100%化肥对照 (CF)，牛粪、鸡粪、猪粪的氮素比例分别为25%、50%、75%、100%的 12个处理 (CM25、CM50、CM75、CM100，CHM25、CHM50、CHM75、CHM100，PM25、PM50、PM75、PM100)；在常规养分量基础上，设4个加倍施肥量单一肥料处理，分别为高量化肥 (DCF)、高量鸡粪 (DCHM)、高量猪粪 (DPM)、高量牛粪 (DCM)。全部试验共18个处理，随机区组设计，每处理重复3次。小区面积29.7 m2(4.5 m ×6.6 m)。

供试氮肥用尿素 (N 46 %)，磷肥为磷酸二铵 (N 18%、P2O546%)，钾肥用硫酸钾 (K2O 50%)。有机肥具体肥料用量根据所用粪肥风干样品中养分分析测定结果，以全氮含量为标准折算，经测定本试验2014—2015年度施用的三种有机肥具体养分含量及性质见表2。试验从2014年10月小麦季开始。按照全年施肥总量，化学氮肥在冬小麦、夏玉米每季作物各50%，每季作物中无机氮肥50%做基肥，50%做追肥，小麦在拔节期追施，玉米在8叶期追施。磷肥、钾肥和有机肥在冬小麦播前一次性施入，常规有机肥与高量有机肥处理不再施用磷钾肥，其余处理磷、钾肥根据化学氮肥的比例依次施入。各处理具体肥料用量及施用时期见表3。

1.3 样品采集及测定

2015年10月份玉米收获后于各小区内“S”形分别取0—20 cm，20—40 cm层次8个点的土样混匀后，风干，磨碎过筛后按照常规方法测定土壤全氮、有效磷、速效钾含量。小麦玉米收获时，在小区中间取有代表性的一行计算生物量产量，调查构成因素。籽粒及秸秆样品粉碎后，按照常规方法测定其氮、磷、钾含量。

1.4 数据处理及分析

氮素收获指数 (NHI，%)=籽粒吸氮量/地上部吸氮量×100。

表1 试验地基础土样养分含量Table 1 Basic soil nutrients of the experiment soil

表2 鸡粪、猪粪、牛粪养分含量Table 2 Nutrition contents of chicken manure, pig manure and cow manure

表3 各处理养分用量 (kg/hm2)Table 3 Details of nutrient input in each treatment

氮素生理利用率 (NPE，kg/kg)=籽粒产量/地上部吸氮量。

氮素生产力 (PFP，kg/kg)=籽粒产量/施氮量。

氮素回收率 (NRE，%)=(施氮处理吸氮量-未施氮处理吸氮量)/施氮量×100[17]。

数据经Excel整理后作图，并对数据进行方差分析，LSD法多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同类型有机肥与化肥配施对作物吸氮量的影响

由图1可知，施氮量为450 kg/hm2时，施用猪粪处理的小麦和玉米地上部总吸氮量最高，与施用鸡粪和化肥的处理差异达到了显著性水平，施用牛粪处理的作物总吸氮量最低。施氮量为225 kg/hm2时，施用鸡粪、猪粪的处理与化肥处理的作物总吸氮量没有显著性差异，三者均显著高于施用牛粪处理。与常规施氮量相比，高量施用化肥和牛粪没有显著提高小麦、玉米地上部总吸氮量，而高量施用猪粪和鸡粪处理的地上部总吸氮量显著高于常规用量的猪粪和鸡粪处理。施氮量为225 kg/hm2时，鸡粪和化肥配施的三个处理间、猪粪和化肥配施的三个处理间均未显示出显著性差异，且与单施化肥的处理作物总吸氮量相当；牛粪与化肥配施的三个处理中，随着化肥比例的增加作物吸氮量呈增加趋势，处理CM25和CM50的作物总吸氮量基本达到了单施化肥处理的总吸氮量水平。

2.2 不同有机肥化肥配施对作物氮素利用效率的影响

氮素收获指数 (NHI) 定义为成熟期籽粒中氮的累积量与植株氮累积量的比值，反映了氮素在籽粒中氮素的分配比例。由表4可知，施氮量为450 kg/hm2时，猪粪处理NHI最低，其次是施用鸡粪和化肥的处理，牛粪处理的NHI最高，显著高于施用猪粪和化肥的处理。施氮量为225 kg/hm2时，施用牛粪、鸡粪、猪粪处理的NHI与施用化肥处理的NHI没有表现出显著性差异。与常规施氮量相比，高量施用牛粪、鸡粪处理的NHI没有明显降低，而高量施用猪粪和化肥处理均降低了作物NHI。施氮量为225 kg/hm2时，各有机肥化肥的三个配施处理间NHI均未显示出显著性差异，且与单施化肥处理也都没有表现出显著性差异。

氮素生理利用率 (NPE) 是籽粒产量与植株氮累积量的比值，也被称作氮素籽粒生产效率，反映了作物吸收的氮用于形成产量的能力。由表4可知，施氮为450 kg/hm2时，猪粪处理的NPE最低，其次是施用鸡粪和化肥的处理，牛粪处理的NPE最高，显著高于施用鸡粪、猪粪和化肥的处理。施氮量为225 kg/hm2时，鸡粪、猪粪处理的NPE与化肥处理没有显著性差异，施用牛粪处理的NPE显著高于施用鸡粪、猪粪、化肥的处理。与常规施氮量相比，高量施用鸡粪和猪粪均显著降低了NPE，而高量施用化肥和牛粪处理的氮素生理利用率均没有显著降低。施氮量为225 kg/hm2时，牛粪和化肥配施的三个处理间、鸡粪和化肥配施的三个处理间、猪粪和化肥配施的三个处理间NPE均未显示出显著性差异，且与单施化肥的处理没有显著性差异。

图1 不同处理小麦和玉米吸氮总量Fig. 1 Total N uptake of wheat and maize in each treatment[注（Note）：CF—单施化肥 Chemical fertilizer; CM—牛粪 Cow manure; CHM—鸡粪 Chicken manure; PM—猪粪 Pig manure. 处理中的数字代表有机肥氮在全部氮投入中的比例 The values in each treatment code represent the percentage of manure N in the total N input of the treatment. 方柱上不同小写字母表示处理间差异在5%水平显著Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments at the 5% level.]

表4 不同处理氮素利用效率Table 4 Nitrogen use efficiencies of different treatments

氮素偏生产力 (PFP) 定义为作物产量与氮肥施用量的比值，反映的是单位施氮量所生产的作物籽粒产量。由表4可知，施氮量为450 kg/hm2时，施用鸡粪、猪粪和化肥处理的氮肥偏生产力略高于施用牛粪的处理，但未表现出显著性差异。施氮量为225 kg/hm2时，施用鸡粪、猪粪、化肥处理的氮肥偏生产力均显著高于施用牛粪处理。与常规施氮量相比，高量施用牛粪、鸡粪、猪粪和化肥均显著降低了氮肥的偏生产力。施氮量为225 kg/hm2时，牛粪配施化肥的三个处理间、鸡粪配施化肥的三个处理间、猪粪配施化肥的三个处理间均未表现出显著性差异，且与单施化肥处理的PFP相当。单施鸡粪和猪粪处理的PFP平均为39.67 kg/kg。

氮素回收率 (NRE) 定义为施氮区地上部氮素累积量与不施氮区地上部氮素累积量之差占施氮总量的百分比。由表4可知，施氮量为450 kg/hm2时，施用鸡粪、猪粪处理的氮素回收率高于施用化肥的处理，但未表现出显著性差异，三者均显著高于施用牛粪的处理。施氮量为225 kg/hm2时，施用鸡粪、猪粪处理的氮素回收率略低于施用化肥的处理，但未表现出显著性差异，三者均显著高于施用牛粪的处理。与常规施氮量相比，高量施用牛粪、鸡粪、猪粪和化肥均明显降低了氮素的回收率。施氮量为225 kg/hm2时，牛粪与化肥配施的三个处理间、鸡粪配施化肥的三个处理间、猪粪配施化肥的三个处理间氮素回收率均未表现出显著性差异，且随化肥比例的增加氮肥利用率有升高的趋势。其中猪粪与化肥配施的三个处理、鸡粪与化肥配施的三个处理均与单施化肥的氮素回收率相当，牛粪与化肥配施的三个处理中只有处理CM25和CM50的氮素回收率基本和单施化肥处理的相当。单施鸡粪和猪粪处理的NRE平均为41.85%。

2.3 不同有机肥与化肥配施对土壤肥力因素的影响

化肥或有机肥单施、有机无机配施均可不同程度地提高土壤中全氮的含量 (表5)。与常规施肥量相比，高量施用化肥、牛粪、鸡粪和猪粪并未显著提高土壤中全氮的含量。限于试验年限较短，施氮量为225 kg/hm2时，不同有机肥各处理0—20 cm、20—40 cm土壤全氮含量均无显著性差异。

表5 各处理0—20 cm、20—40cm土壤全氮、有效磷、速效钾含量Table 5 Total N and available P and K contents in 0-20 cm and 20-40 cm deep of soils under different fertilizer treatments

常规和高量施肥条件下，在化肥处理的0—20 cm、20—40 cm土层有效磷含量与空白处理的有效磷含量均无显著性差异。常规施肥量条件下，单施牛粪处理0—20 cm土壤有效磷含量是单施化肥处理的1.62倍，单施鸡粪和猪粪处理的0—20 cm土壤有效磷含量显著高于牛粪和化肥处理，分别是牛粪处理的3.59和4.05倍，化肥处理的5.82和7.06倍；20—40 cm土壤单施鸡粪、牛粪和化肥处理有效磷含量没有表现出显著性差异，单施猪粪处理有效磷含量显著高于单施化肥和牛粪处理。高量施肥条件下，牛粪处理0—20 cm土壤有效磷含量是化肥处理的3.64倍 (P ＜ 0.05)，20—40 cm土层差异不显著；施用鸡粪和猪粪处理0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量均显著高于化肥处理，0—20 cm土层有效磷含量分别是DCF的9.77、7.64倍 (P ＜ 0.05)。三个牛粪与化肥配施处理中，0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量与单施化肥处理相当；鸡粪与化肥配施的三个处理以及猪粪与化肥配施的三个处理中，粪肥比例较高处理的0—20 cm和20—40 cm土壤有效磷含量均超过了单施化肥处理。三种粪肥处理均值间在0—20 cm土层有效磷含量均表现出显著性差异，猪粪处理均值最高，其次是鸡粪处理，牛粪处理均值最低；20—40 cm土层有效磷含量没有显著性差异。

常规施肥和高量施肥条件下，化肥处理0—20 cm、20—40 cm土壤速效钾含量与对照无显著性差异。常规施肥条件下，单施牛粪、鸡粪、猪粪处理0—20 cm土壤速效钾含量分别是化肥处理的1.20、1.32、1.11倍，牛粪和鸡粪处理与化肥处理之间的差异显著；20—40 cm土壤速效钾含量差异不明显。高量施肥条件下，单施牛粪、鸡粪、猪粪处理0—20 cm土壤速效钾含量均显著高于化肥处理，分别是化肥处理的1.64、1.47、1.41倍，20—40 cm土壤速效钾含量差异不显著。有机肥与化肥配施的9个处理，0—20 cm、20—40 cm土壤速效钾含量与化肥处理差异均未达显著水平。三种有机肥处理均值在0—20 cm、20—40 cm土壤速效钾含量也无显著性差异。

3 讨论

氮素收获指数 (NHI) 和生理利用率 (NPE) 分别反映了作物吸收氮素后在籽粒中的分配比例和作物吸收氮素后形成籽粒的能力。本研究表明，在施氮量为450 kg/hm2时，施用牛粪处理的NHI和NPE均处于较高水平，主要原因可能是由于牛粪中氮的有效性很低，可供作物吸收的氮始终处于较低水平，进而导致施用牛粪处理的作物吸氮量处于较低水平(图1)，而较高的地上部氮素积累量往往会导致较低的氮素利用效率和氮素收获指数[18-19]。施氮量为225 kg/hm2时，与施用化肥、鸡粪、猪粪的处理相比，施用牛粪处理的地上部氮素积累量仍然较低，其氮素利用效率仍处于较高的水平，可能是此施氮量条件下施用牛粪的处理提高了作物冠层利用所吸收的氮素进行干物质生产的能力。

氮肥利用率低是我国作物生产的突出问题，其中优化改善氮肥管理是提高氮肥利用率行之有效的措施之一。减少氮肥的损失、改善土壤氮素供应和作物氮素吸收的协同关系是氮肥管理的主要内容。一般而言，化肥氮可以迅速改善土壤氮的供应，但也有易损失的缺陷；有机肥中的氮素释放缓慢，不易损失，但也很难提供足够的氮素供作物吸收利用。研究表明，在等氮磷钾条件下，合理的有机无机配施可以显著提高作物氮肥利用率。李菊梅等[20]的研究发现，等NPK条件下有机无机各半配合施用水稻的氮肥利用率为34.9%，显著高于化肥处理(33.2%) 和有机肥处理 (28.0%)。罗佳等[21]研究了三种堆肥原料的有机无机复合肥处理的氮肥利用率，等氮磷钾条件下氮肥的回收效率、农学利用效率、生理效率和偏生产力均显著高于化肥处理。本研究发现，鸡粪和猪粪不论以何种比例与化肥配施，氮肥偏生产力和氮肥利用率均与单施化肥相当；低量牛粪与化肥配施的处理CM25和CM50的氮肥偏生产力和利用率基本和单施化肥处理相当，高量配施处理 (CM75) 的氮肥利用率显著低于单施化肥。此试验结果与陈贵等[3]的研究结果有相似之处。这主要是由于相对于牛粪，鸡粪和猪粪在作物生长过程中具有较快的分解速率。另外，孟琳等[22]的研究表明，氮的用量在240 kg/hm2以内，并且有机肥料氮占总氮量的10%～20%时，有机无机配施处理的氮素回收率、农学效率和氮素积累率均比单施化肥处理高或持平；周江明[23]试验表明，有机肥比例为20%时，水稻氮素积累量达到高峰，氮素的回收利用量最高。因此，有机肥中氮素的有效性和有机肥料氮占总氮量的比例是决定有机无机配施是否可以提高作物氮肥利用率的重要因素。研究认为，有机无机之所以能在等氮磷钾条件下提高氮肥利用率的原因主要是合理的有机无机配施不仅改善了土壤的理化性质[24]，更重要的是改善了土壤的C/N；合理的碳氮比能刺激土壤微生物的繁殖和活动[25]，相对于单施化肥的处理，有机无机配施为土壤微生物提供了额外的能源物质 (有机碳)，在施肥初期可利用微生物的增殖将过多的无机氮固定在微生物体内，从而避免了无机肥的无效损失；随着作物生长，需肥量增加，土壤中供微生物利用的能量和物质减少，微生物会大量死亡，释放出体内的氮素供作物吸收利用[25-29]。单施有机肥由于有机氮释放缓慢，可能会导致早期土壤碳氮比过高，引起作物生长早期与微生物争氮的现象，从而影响氮素的供应。合理的有机无机配施可以实现土壤肥料供肥性与作物需肥时期的协调一致，在作物整个生育期内实现了养分的均衡稳定的供给，从而提高了氮肥的利用率[30]。

不同有机肥物质组成及其转化过程中的合成产物不同，导致其对土壤的培肥效果也有所不同[31]。艾天成等[32]认为秸秆在改良土壤密度、硬度等土壤结构方面有显著效果，而饼肥、猪粪能提高土壤有机质含量。陈贵等[3]研究表明牛粪处理和猪粪处理的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均有不同程度提升，等量猪粪处理土壤全氮、有效磷、速效钾提升程度大于牛粪有机肥，但有机质含量无明显差异。魏宇轩等[33]研究了不同种类有机肥对黑土团聚体有机碳及腐殖质组成的影响，发现化肥分别配施等量 (重量) 牛粪、鸡粪、猪粪和堆肥后，堆肥处理土壤有机碳及 ＞ 0.25 mm粒级团聚体有机碳含量均高于其它有机肥处理，但牛粪、鸡粪和猪粪处理三者之间没有显著性差异。本试验中三种有机肥与化肥施用量是按照等氮量设计，单施牛粪、鸡粪、猪粪的处理施入氮量一致。与猪粪和鸡粪相比，牛粪中N的矿化释放更为缓慢因此更易保存在土壤中。由于本结果为田间试验第一年，试验中误差因素导致土壤全氮含量在各有机肥单施处理之间的规律不明显。

李书田等[34]的研究表明，鸡粪、猪粪、牛粪中的磷含量 (P2O5) 分别比上世纪90年代增加65.7%、93.7%和52.0%，钾含量 (K2O) 分别比上世纪90年代增加139%、54.8%和71.9%。本文中单施化肥处理的P2O5和K2O的投入量均为每年150 kg/hm2，换算为P和K分别为65.5和125 kg/hm2。等氮量条件下单施牛粪、鸡粪和猪粪处理带入P的量分别为324、691和719 kg/hm2，分别是化肥处理的4.9、10.6和11.0倍；带入K的量分别为667、626和356 kg/hm2，分别是化肥处理的5.3、5.0、2.9倍。本试验中，施用鸡粪第一年末，0—20 cm土壤有效磷和速效钾含量分别达到了80.2 mg/kg和120mg/kg；施用猪粪分别达到了97.4 mg/kg和100 mg/kg，施用牛粪土壤速效钾含量也达到了109 mg/kg。推荐施肥条件下，化肥处理0—20 cm土壤有效磷和速效钾含量分别为13.8 mg/kg和90.6 mg/kg。施用鸡粪和猪粪处理使得土壤有效磷和速效钾含量均大量增加，牛粪处理的速效钾含量也大量增加，因此长期施用必然导致土壤中磷、钾的富集和累积。土壤中钾富集带来的负面效应较小，而磷富集带来的问题需引起注意。因此，在有机无机配施过程中应该避免或减少磷、钾化肥的施用，减少资源浪费和环境风险[35]。

4 结论

1) 推荐养分施用量下，猪粪、鸡粪单独施用或与化肥配施对作物吸氮量、氮效率基本没有影响，牛粪单独施用或与少量化肥 (25%) 配施降低了作物的吸氮量、氮素偏生产力和氮素回收率，但提高了作物氮素生理利用率。

2) 牛粪、猪粪、鸡粪单施或与化肥配施没有明显提高土壤全氮含量。但单施猪粪和鸡粪处理土壤速效钾、有效磷含量及单施牛粪处理的土壤速效钾含量均明显超过了单施化肥。

3) 在实际生产中，鸡粪或猪粪单施或配施少量氮肥，牛粪配施约75%左右氮肥，可以保证作物养分需求和土壤肥力的提升。