有机无机肥配施对冬水田水稻产量和耕层土壤性质的影响

陈琨 喻华 上官宇先 周子军 曾祥忠 郭松 秦鱼生

（四川省农业科学院土壤肥料研究所/农业农村部南方坡耕地植物营养与农业环境科学观测实验站，成都610066；第一作者：chenkun410@163.com；*通讯作者：shengyuq@126.com）

肥料是作物的“粮食”，在作物生产中发挥着不可替代的作用[1]。现阶段，我国总人口达到14.56 亿，但全国耕地面积仅为1.22 亿hm2左右，人均耕地面积不足0.084 hm2，不到世界平均水平的40%[2]，所以在未来较长时期内还是要保证我国粮食的稳产增产。已有研究证实，化肥与我国粮食产量存在正相关关系，但随着单位土地面积化肥投入量的进一步增加，化肥投入对粮食增产的贡献率逐渐下降[3-4]，而过高的化肥投入又带来对环境的不良影响[5-7]。因此，用好肥料资源、提高肥料利用效率是关系到国家粮食安全和环境质量的重大科技问题[1]。氮是植物生长发育最重要的营养元素，在作物产量和品质形成中起着关键作用[8]，氮肥的投入成为提高水稻单产、增加粮食产量的常规途径[9]。目前我国水稻生产中氮肥过量及不合理施用现象日益严重，导致氮肥的当季利用率低[10-12]，浪费了大量资源和能源，并造成水体富营养化、温室现象加剧等一系列环境问题。优化氮肥使用技术是解决上述问题的重要途径。冬水稻田是指全年只种水稻，冬闲期田内蓄存一定水量的农田[13]，其广泛分布于四川盆周山地和川中丘陵区域，由于这类稻田长期淹水的特性，过量施用化肥更容易对环境造成不良影响。因此，科学合理施用氮肥，对于冬水田而言是兼顾水稻产量、增加经济效益、提高氮素利用效率和控制农业面源污染的重要措施。为此，本研究在等氮量替代条件下，设计5 个不同有机-无机肥配施比例，探索稳定水稻产量并能提高氮肥利用率的化肥减施增效优化方案，以期为该区域水稻生产合理施肥和生态环境保护提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年在四川省农业科学院水稻高粱研究所川南示范基地（位于四川泸县大田乡茂盛村）开展。试验所在地年均温度18.5℃左右，≥10℃的活动积温6 000℃左右，年平均降水1 016.2 mm，年平均日照时数1 145.0 h。试验田为长年淹水的冬水稻田，地形部位属沟槽田，土壤为紫色母岩发育经多年水耕熟化而成的暗紫泥水稻土，土壤理化性质为：碱解氮141 mg/kg，有效磷11.5 mg/kg，速效钾82 mg/kg，有机质29.5 g/kg，有效锌2.35 mg/kg，有效硅180 mg/kg，交换性钙16.2 cmo（l1/2 Ca2+）/kg，交换 性 镁4.3 cmo（l1/2 Mg2+）/kg，pH 值5.59。根据测定结果，该土壤有效磷、速效钾缺乏，有效硅丰富，有机质含量较丰富，属中等肥力水平。

表1 不同处理对蓉18 优1015 产量及产量构成的影响

在等氮量替代条件下，试验设5 个处理：N0，不施氮（CK）；T1，单施化肥N、P、K；T2，30%有机肥N+70%化肥N；T3，50%有机肥N+50%化肥N；T4，100%有机肥N。每个处理3 次重复，小区面积20 m2（4 m×5 m），田间随机排列。氮、磷、钾肥用量分别为N 150 kg /hm2、P2O575 kg/hm2和K2O90 kg/hm2。氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用磷酸一铵（含N 11%，P2O544%），钾肥用氯化钾（含K2O 60%）。有机肥为猪粪发酵处理后的产品，施用前测定N、P、K 含量（全氮3.40%，全磷2.40%，全钾1.80%，水分25%），N、P、K 肥扣除有机肥中的含量，不足部分用化肥补充。N 肥按底肥∶分蘖肥为6∶4 的比例施入，有机肥、磷肥和钾肥作底肥一次性施入。供试水稻品种为蓉18 优1015，4月28日移栽，栽插规格20 cm×30 cm，水分管理、病虫害防治等田间管理措施同大田生产。

1.2 测定项目及方法

在水稻生长期间的不同发育阶段分别调查水稻基本苗数、分蘖动态、有效穗数、最高苗数、产量等指标。收获前2 d 每个小区采集3 丛代表性水稻植株样，装入尼龙网袋带回室内考察株高、有效穗数、穗长、穗粒质量、千粒重、结实率、秸秆质量等农艺性状。植株样品经风干、研磨后，经H2SO4-H2O2消煮后定容，过滤，采用流动注射分析仪测定全氮含量。收获后在每个试验小区内按“梅花法”采集0～20 cm 耕作层混合土样0.5 kg，风干后测定土壤有机质、碱解氮、有效磷、速效钾。有机质用重铬酸钾容量法、碱解氮用碱解扩散法、有效磷用氟化铵-稀盐酸浸提-分光光度法、速效钾用乙酸铵浸提-火焰光度法。

氮肥贡献率=（施氮区产量－ 不施氮区产量）/施氮区产量×100%；

土壤氮素依存率= 不施氮区地上部吸氮量/施氮区地上部吸氮量×100%；

氮肥农学利用率=（施氮区产量－ 不施氮区产量）/施氮量；

氮肥吸收利用率=（施氮区地上部吸氮量－ 不施氮区地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥生理利用率=（施氮区产量－ 不施氮区产量）/（施氮区地上部吸氮量－不施氮区地上部吸氮量）；

氮肥偏生产力= 施氮区产量/施氮量。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010 和DPS 6.55 进行有关数据的计算、统计和分析。差异显著性水平（p＜0.05）用LSD 法进行检验。

2 结果与分析

2.1 对水稻产量及产量构成因素的影响

从表1 可见，就有效穗数而言，T2 处理最高，T1 处理次之，而T4 处理有效穗数低于CK。从千粒重来看，各处理间无明显差异，但仍以T2 处理最高。株高依然是T2 处理较高，穗长方面施肥处理比CK 略有减少，但无显著性差异，T2 处理在4 个施肥处理中最高。从实粒数来看，T4 处理有效穗数少，实粒数较高，但T2处理的实粒数也不少。不同处理间产量差异较为显著，T2 处理实际产量最高，达8 408.73 kg/hm2，较CK 增产31.43%；其次为T1 处理，较CK 增产30.35%；T3 处理虽较CK 增产17.29%，但相比T1 和T2 处理产量则下降了约10.0%；T4 处理产量最低，较CK 减少3.64%。T2处理与T1 处理的产量相当。理论产量与实际产量所反映的规律基本相同。可见，当有机肥替代无机氮肥比例过高时，水稻产量会大幅减少，用30%有机氮作为无机氮肥替代源在产量表现上完全可行。

2.2 对冬水稻田氮肥贡献率和土壤氮素依存率的影响

由表2 可以看出，随着有机氮增加，无机氮减少，氮肥贡献率（NCR）呈总体下降趋势，土壤氮素依存率（SNDR）呈逐渐上升趋势，表明在等氮量条件下，过高比例的有机肥氮代替化肥氮无法满足水稻生长对氮的需求，更多的依靠土壤氮素的供应。T2 处理和T1 处理的NCR 和SNDR 基本相当，也说明了30%有机N 替代化肥N 的方案可行。

表2 不同处理对冬水稻田氮肥贡献率和土壤氮素依存率的影响

表3 不同处理对冬水稻田氮肥利用率的影响

表4 不同处理对土壤有机质和活性有机质的影响

表5 不同处理对耕层有效养分的影响

2.3 对冬水稻田氮肥利用率的影响

从表3 可见，不同处理对氮肥吸收利用率（NRE）、氮肥农学利用率（NAE）、氮肥生理利用率（NPE）、氮肥偏生产力（PFPN）的影响差异明显。在相同氮素投入量情况下，T2 处理的NRE 最高，达36.62%，T1 处理次之为35.87%，而T3 和T4 处理显著下降，仅分别为29.82%和8.04%；NAE 反映了施肥的增产效应，T2 处理最高，达到了13.41 kg/kg，其次为T1 处理，T3 处理较低，仅7.38 kg/kg，T5 处理为负的增产效应；NPE 反映了氮素吸收与增产的关系，T1 和T2 处理基本相当，均达到35 kg/kg 以上，而T3 处理明显下降，T4 处理则为负效应；从PFPN 看，T1 和T2 处理较高，分别为56.06 kg/kg 和55.60 kg/kg，而T3 和T4 处理仅为50.03 kg/kg 和41.10 kg/kg，表明T1 处理和T2 处理的施肥效益较大。

2.4 对冬水稻田耕层有机质和活性有机质的影响

有机质的增加与有机肥投入量有关，有机肥投入量增大，有机质含量会增加。从表4 可见，当用50%有机氮替代时，约施用有机肥200 kg/667 m2，当100%有机N 替代时，约施用有机肥400 kg/667 m2，有机质含量增幅较大。但是，从活性有机质含量来看，更多有机肥的投入并未带来活性有机质显著增加。

2.5 对冬水稻田耕层有效养分的影响

从表5 可见，土壤pH 值在4.98～5.29 之间；有机氮施用量越大，土壤碱解氮含量降低，但与基础地力相当；有机肥替代部分无机肥方案对有效磷有一定影响，也是呈现有机氮施用量越大，有效磷越低，这主要是因为试验为等养分，有机肥中含有P2O5，以N 替代量为标准，需替代一部分无机磷肥，而且有机氮替代量越大，磷替代量也越大，有机磷的施用可能降低了土壤有效磷含量。土壤速效钾含量处理间变化不大。

2.6 对冬水田田间水总氮和总磷的影响

由表6 可以看出，不同处理对田间水总氮影响较大，对总磷无显著影响。从总氮来看，在施肥后，各处理间有显著差异，T1 处理田间水总氮含量最高，达12.14 mg/L，而随着无机氮肥用量减少，有机氮肥用量增加，田间水总氮含量逐渐下降，表明无机氮肥能快速溶解于水中，对田间水体有一定影响。当无机氮肥减少，可显著降低田间水总氮含量。

3 讨论

有机肥料是农业中养分的再循环和再利用部分，能改善土壤氮、磷、钾等养分的平衡状况，改良土壤理化性状，对提高土壤肥力、作物产量和品质及增强作物抗逆性具有重要作用[14-15]。大量研究表明，有机无机肥配施可稳定或增加水稻产量。侯红乾等[16]在红壤上的试验结果表明，有机无机肥配施，早晚稻平均产量比单施化肥的处理增产3.9%～7.8%（P＜0.05）。唐海明等[17]以湖南双季稻区连续27年定位试验为基础，表明早稻和晚稻产量高低顺序分别表现为30%有机肥＞60%有机肥＞无肥、60%有机肥＞30%有机肥＞无肥。余喜初等[18]研究表明，有机无机肥配施显著增加了晚稻产量，与单施化肥的处理相比，产量增加了10.0%～23.7%。本试验结果表明，30%有机N+70%化肥N 的处理能改善产量构成因子，稳定和提高水稻产量，较单施化肥的处理增产0.84%，与前人研究结果基本一致。

从氮肥利用率来看，刘红江等[19]研究表明，在等氮量替代条件下，50%有机肥替代化肥，在保证水稻高产的同时，显著增加了水稻氮素累积量，并且水稻氮肥农学利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生产力均得到明显提高。张祥明等[20]长期定位试验结果表明，等氮用量下，有机肥替代部分化肥处理提高了水稻产量的稳定性和可持续性，减少了土壤矿质氮损失，增加了土壤氮素表观盈余量，提高了氮肥利用率。徐明岗等[21]在双季稻区长期定位试验结果表明，化肥有机肥配施有利于水稻稳产高产，提高肥料利用率，氮肥利用率平均为36.3%。本研究结果表明，30%有机N+70%化肥N 配施能提高氮肥吸收利用率，达36.62%，同时还能提高氮肥农学效率和氮肥偏生产力，但随着有机N 替代比例达到50%时，氮肥利用率明显下降。

从耕层土壤性状来看，大量研究表明，有机无机配施能提高土壤有机质，改善土壤理化性状，提升土壤肥力。但是，从时间维度来看，这是一个长期的过程，长期有机无机配施有利于土壤有机碳的积累，有利于土壤氮磷钾的平衡，有利于改善土壤微生物学特性，提升土壤肥力[16，22]。本研究仅对1年的土壤数据进行总结，但依然可以看出，有机无机肥配施对培肥地力有重要作用，当有机N 替代比例达50%时土壤有机质含量显著提高，活性有机质含量在有机N 替代比例为30%时就有一定的提高，若长期有机无机配施对培肥土壤作用会更显著。

综上所述，冬水稻田区适宜的施肥方案为30%有机N+70%化肥N，既可稳定水稻产量、降低成本，又可提高氮素利用率和降低对农田环境的不良影响。