有机肥替代20%化肥提高黑钙土养分有效性及玉米产量

季佳鹏，赵欣宇，吴景贵，孟庆龙，关华建，牛岸秋

（吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118）

玉米是我国种植面积最大的作物，在我国粮食生产中的地位举足轻重[1]。随着人口的不断增长，粮食生产迎来前所未有的挑战[2]。这就使得部分农户为追求高产，盲目过量施用化肥[3]。据统计，全国过量施肥面积可达20%[4]。东北玉米种植区过量施肥的现象非常普遍。调查表明，大部分农户施用化肥量普遍超过推荐施肥量[5-6]。过量施用化肥不仅会增加农户生产成本、降低肥料利用率，还会引起土壤酸化、水体富营养化等环境污染问题，致使粮食安全生产面临着严重威胁[7-8]。因此，化肥减量施用的效果和可行性研究尤为重要，已有报道高化肥投入量农田，适量的减施化肥没有影响作物产量，同时肥料利用效率有所提升[9]。

随着现代养殖业和农业的集约化、规模化发展，畜禽粪和农业废弃物 (秸秆) 也在逐年增长，在化肥工业的发展下，我国养殖业产生的畜禽粪便由原来的有机肥变成了废弃物[10-11]。2010年时我国畜禽粪便产生量为22.35亿t，含有的氮、磷养分量分别达0.19亿t和0.04亿t，分别占氮、磷肥的79%和50%，但我国有机粪肥的还田率只有39%，还不到资源量的一半[4,12]。有机肥 (畜禽粪便) 富含多种养分和有机物质，施入土壤直接增加了有机物料的投入量，进而有效地增加土壤养分和有机碳含量[13-14]。2014年时我国秸秆总量为8亿t，秸秆田间随意堆放或者焚烧导致农村环境污染的情况随处可见[15-16]。秸秆还田是解决这一问题的有效途径，秸秆还田既能够培肥地力又可以减少对环境的污染[17]。秸秆还田常见方式有覆盖、翻埋等，东北地区春播时低温多雨，秸秆覆盖还田容易导致土壤温度低，不利于玉米出苗和苗期生长，秸秆翻埋还田对土壤搅动大，容易破坏耕层养分，我们目前选用秸秆条状还田方式。

综上所述，在秸秆还田下，化肥减量配施有机肥是保持土壤生产力节约成本的一种行之有效的方法。已有学者相继开展化肥减量配施有机肥对土壤理化性质和作物产量方面的影响研究[18-19]。有研究表明，化肥减量配施有机肥的效果不同区域、不同作物以及不同土壤类型之间存在明显差异。如林治安等[20]研究表明，化肥减量50%配施有机肥小麦和玉米产量显著降低。邢鹏飞等[21]在华北平原通过连续4年的研究表明，化肥减量30%配施有机肥能够保证粮食产量，化肥减量50%配施有机肥能提高土壤肥力。李孝良等[22]研究得出化肥减量20%配施有机肥，会显著提高肥料利用率，保证玉米产量。而陈治嘉[23]发现，吉林省降低氮肥用量20%～30%不会影响玉米产量，还可提高肥料利用率。黑钙土属于东北地区典型土壤，耕地面积占全省总耕地面积的27%，具有腐殖质层薄、有机质含量低等特点[24]。东北黑钙土玉米种植区的土壤有机质含量偏低、养分随降水流失严重，因此本试验在秸秆条状还田的条件下，以化肥减量20%配施有机肥的方式，研究其对土壤速效养分以及玉米产量的影响，旨在揭示秸秆还田下化肥减量配施有机肥对黑钙土养分的作用机制，达到提高化肥利用率、减少环境污染的效果，并为东北地区黑钙土玉米种植的施肥方式提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于吉林省长春市农安县哈拉海镇东明村 (东经 124°31′，北纬 43°55′)，地处松辽平原腹地，属于中温带大陆性气候。全年平均气温4.7℃，无霜期145天，降水量507.7 mm，有效积温2800℃。土壤类型为黑钙土，其有机碳12.73 g/kg、全氮 1.26 g/kg、碱解氮 103.50 mg/kg、速效磷 19.26 mg/kg、速效钾 127.02 mg/kg和pH 7.70。

1.2 试验设计

试验始于2018年5月，连续进行两年，玉米品种为奇丰568。将前一年玉米秸秆全量原位堆成条状，之后覆土压实，进行小区试验。试验共设置4 个处理，具体如下：1) 当地常量施肥 (T1)；2) 减少20%的常量化肥 (T2)：3) 减量20%的常量化肥，以鸡粪氮补足 (T3)；4) 减量20%的常量化肥，以牛粪氮补足 (T4)。每个处理3次重复，共12个试验小区。每个小区面积 20 m2(4 m×5 m)，6 垄玉米种植，自西向东3个小区共18垄，垄宽约0.65 m，东西方向每6垄玉米种植之间设置秸秆条状带，秸秆条状带宽度50～80 cm左右。南北方向小区之间过道为1 m，过道之间不设置秸秆条状带。

供试化肥为复合肥，N–P2O5–K2O 为 26–10–12。常规化肥用量为1000 kg/hm2，其他各处理化肥施用量均为800 kg/hm2。供试鸡粪和牛粪均来自农安当地养殖场，风干鸡粪氮、磷、钾养分含量分别为17.40、8.56和14.23 g/kg，风干牛粪氮、磷、钾含量分别为10.20、3.40和8.22 g/kg。经折算，鸡粪施用量为 2988 kg/hm2，牛粪用量为 5098 kg/hm2。化肥和有机肥全部作为基肥一次性施用，其他田间管理均与当地农户习惯保持一致。

1.3 样品采集与测定

2018、2019年拔节期和收获期，在各小区内采用五点取样法对各个试验小区的0—20 cm土层进行取样，取土点距离秸秆条带60～70 cm。取好的土壤样品密封保存，带回实验室进行自然风干。采用pH计测定pH，重铬酸钾外加热法测定有机碳含量；碱解扩散法测定碱解氮含量；钼锑抗比色法测定速效磷含量；火焰光度计测定速效钾含量。在收获期，对试验田所有小区去掉边行后进行实打实收测产。

1.4 数据处理

数据采用 Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0 和Origin 9.0进行整理分析及作图。

2 结果与分析

2.1 施肥对土壤化学性质的影响

2.1.1 不同处理对土壤pH的影响 2018和2019两年结果 (图1) 表明，拔节期和收获期T2和T4处理土壤pH均显著高于T1和T3；T1处理拔节期显著高于T3，收获期与T3没有显著差异。2018年T4和T2处理的pH没有显著差异，2019年拔节期T4处理显著高于T2处理。总的看来，减施化肥提高了土壤pH，配合鸡粪抵消了pH的增加，而配施牛粪进一步提高了pH的增加幅度。

图 1 不同施肥处理对不同时期土壤pH的影响Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH in different periods in 2018 and 2019

2.1.2 不同处理对土壤有机碳含量的影响 由图2可见，与T1处理相比，2018年T2处理在拔节期和收获期土壤的有机碳含量均无显著变化，而2019年显著降低；T3处理基本上显著增加了两个时期的土壤有机碳含量，2018和2019年T3处理土壤有机碳含量较T1处理分别增加15.2%和13.0%；而T4处理2018年的土壤有机碳含量没有显著影响，2019年显著高于T1但低于T3处理。可见，在秸秆条状还田基础上，配施有机肥可以增加土壤中有机碳含量，配施鸡粪的效果好于牛粪。

图 2 不同施肥处理对不同时期土壤有机碳含量的影响Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic carbon content in different periods in 2018 and 2019

2.1.3 不同处理对土壤碱解氮含量的影响 图3表明，减施化肥的T2处理在拔节期和收获期的土壤碱解氮含量高于T1处理，2019年拔节期的碱解氮含量显著高于T1；与T1氮投入量相同的T3和T4处理土壤中的碱解氮含量均高于T1处理，在拔节期也显著高于T2处理，但在收获期与T2处理没有显著差异，其中T3处理2018、2019年土壤碱解氮含量分别较T1处理增加12.2%和18.5%。表明在秸秆条状还田条件下，减施20%的氮投入量不会降低土壤的供氮能力。而将20%的氮素以有机氮替代，则可以显著提高土壤拔节期和收获期的供氮能力。

图 3 不同施肥处理对不同时期土壤碱解氮含量的影响Fig.3 Effects of different fertilization treatments on the content of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in different periods in 2018 and 2019

2.1.4 不同处理对土壤速效磷含量的影响 从图4可以看出，降低20%的磷素投入量 (T2) 2018年的土壤速效磷含量没有显著影响，但2019年玉米拔节期和收获期的土壤速效磷含量均显著降低。减施化肥后配施鸡粪和牛粪则可以显著增加土壤速效磷含量，且拔节期的增加幅度大于收获期，其中T3处理2018、2019年土壤速效磷含量分别较T1处理增加16.7%和34.2%。两个有机肥处理相比，T3处理提高土壤速效磷含量的效果好于T4处理。

图 4 不同施肥处理对不同时期土壤速效磷含量的影响Fig.4 Effects of different fertilization treatments on available phosphorus content in different periods in 2018 and 2019

2.1.5 不同处理对土壤速效钾含量的影响 由图5可知，T2处理土壤的速效钾含量，除2018年拔节期外，均显著低于T1处理。T3和T4处理的土壤速效钾含量均高于T1，其中T3处理土壤速效钾含量分别比T1处理增加7.75%和18.5%；T3处理的土壤速效钾含量高于T4处理。

图 5 不同施肥处理对不同时期土壤速效钾含量的影响Fig.5 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium content in different periods in 2018 and 2019

2.2 施肥对作物生长发育及产量的影响

2.2.1 不同处理对玉米生长发育特征的影响 表1表明，2018年T4处理玉米茎粗高于其他3个处理，T3和T4处理株高和SPAD值均高于T1和T2处理，但T3和T4处理间无明显差异。2019年玉米茎粗各处理高低顺序表现为 T4 > T3 > T1 > T2，但所有处理之间差异均不显著。而株高表现为 T3 > T4 > T2> T1，SPAD 值表现为 T3 > T4 > T1 > T2，但各个处理的茎粗和SPAD值均无显著差异。

表 1 不同处理对拔节期玉米生长指标的影响Table 1 Effects of different treatments on maize growth indexes at jointing stage

2.2.2 不同处理对玉米产量特征的影响 连续两年秸秆条状还田下化肥减量配施不同种类有机肥对玉米生长产量的影响见表2。2018和2019年在秸秆还田的条件下，化肥减量配施有机肥处理产量较高。2018年T4处理产量最高，为9925 kg/hm2，其次是T3处理和T1处理，产量分别为9750和9398 kg/hm2，最低产量为T2处理。T3和T4处理产量显著高于T1处理，分别较T1处理增产5.60%和3.75%。2019年玉米产量规律与2018年相似，T4处理产量最高为13770 kg/hm2，其次为T3和T1处理，产量分别为13150和11400 kg/hm2，T2处理玉米产量依旧最低，T3和T4处理产量均高于T1处理，分别较T1处理增产20.8%和15.4%。综合两年试验结果，连续两年减施化肥20%处理产量与常规化肥处理产量相比差异不大，说明适量减少化肥对玉米的产量并没有显著的影响。但是在减氮基础上增加有机肥 (牛粪和鸡粪均可)，可提高玉米产量。

表 2 不同处理对玉米产量的影响Table 2 Effect of different treatments on maize yield

3 讨论

两年的田间试验表明，有机无机肥配合能显著提高拔节期和收获期土壤有机碳、速效氮、速效磷和速效钾的含量，为土壤微生物活动及作物生长提供充足的养分，相似的研究结果在我们之前土壤培肥的工作中也有报道[14,25]。由于有机肥在改善土壤养分和提高土壤肥力方面有化肥所不具备的优势，化肥减量配合有机肥施用能够更好的实现作物增产并有效提高土壤质量[26-27]。

本次试验结果表明，连续两年收获期各处理土壤pH均高于拔节期，各个时期T2处理土壤pH均显著高于T1处理。由于大量肥料施入土壤，一些未被利用的铵态氮肥在土壤中发生硝化作用，同时产生氢离子，从而降低土壤pH[28]。而T2处理化肥施用量较少，使其土壤pH高于T1处理，可见适量减少化肥用量可以提高土壤pH。张秀芝等[29]研究表明，有机肥配合氮磷钾化肥可以快速有效提高土壤有机碳含量。2018年拔节期和收获期T3处理土壤有机碳含量较T1处理土壤有机碳含量分别提高5.8%和15.2%，2019年分别为7.7%和13.0%。2019年拔节期和收获期T4处理土壤有机碳含量较T1处理土壤有机碳含量分别提高4.6%和7.2%。可见有机肥与减量化肥配合施用可以提高土壤有机碳含量。由于有机肥 (畜禽粪便) 本身含有一定数量的有机碳，有机肥与化肥配施处理直接增加了有机碳的输入，另外，鸡粪和牛粪这两种粪肥在作物生长过程中逐步分解，从而更加有利于土壤中有机碳的积累[30-31]。与范围等[25]报道的秸秆覆盖还田处理下表层土壤 (黑钙土) 有机碳含量增加了15.9%相比较，本试验中秸秆条带对土壤有机碳含量的影响并不明显，这也说明了土壤有机碳含量提升主要是由于有机肥提供。但是，牛粪和鸡粪施入氮量一致，带入的C量比例约为1∶0.7，即施用牛粪的处理C投入量大于施用鸡粪的处理，然而两年4个时期的土壤有机碳含量均表现为鸡粪处理大于牛粪处理，可见不同处理土壤中C和N含量和比例的不同产生了不同的培肥效果和过程[32]。两类有机粪肥与减量化肥配施对土壤有机碳含量的影响机理还有待探究。

速效养分是作物可以直接利用吸收的养分形态，因此土壤中速效养分含量的多少是影响作物生长的重要因素。刘思佳等[33]研究了不同比例化肥配施有机肥对黑土速效养分的影响，发现化肥减量配施有机肥可以提高土壤的速效养分含量。邹文秀等[34]提出，施用有机物料可以显著增加土壤中碱解氮的含量。本试验两年内施用不同有机肥处理土壤碱解氮含量在各时期均高于T1处理，可见化肥减量配施鸡粪和牛粪可以提高土壤中碱解氮的含量。有机肥的施用会促进土壤有益菌的生长，改变土壤的供氮特性，从而使得土壤中碱解氮含量增加[35]。2018和2019年各时期T3和T4处理土壤速效磷含量均高于T1处理，原因是施用的有机肥本身含有一部分磷素，而且有机肥的施用会导致土壤有机质含量的增加，有机质可以减少无机磷的固定，促进无机磷的溶解，最终导致土壤速效磷含量的增加[36]。连续两年化肥减量配施有机肥处理后能显著提高土壤速效磷含量，这一结果也与申长卫等[37]研究结果一致。周晓芬等[38]研究表明，与水溶性钾肥相比，有机肥中的速效钾和缓效钾被土壤固定的程度明显降低。本研究结果表明，两年内各时期T3和T4处理土壤速效钾含量均高于T1处理，2019年收获期T3处理土壤速效钾含量显著高于T4处理，其他时期两个处理之间差异并不显著。综合来看T3处理效果优于T4处理，由于本试验选用的鸡粪基础养分含量均高于牛粪，可以改变土壤物理、化学和生物特征，增加了土壤中有机胶体的含量，使得土壤颗粒形成稳定的团粒结构，从而提升土壤的保水和保肥能力。

秸秆条状还田下化肥减量配施有机肥的研究有利于当地农户根据土壤自身问题因地制宜[39]。连续两年的试验中单纯的减量施用化肥并没有使玉米过度减产，两年玉米产量T3和T4处理之间没有显著差异，但均高于T1处理，也说明了适量增加土壤有机碳和速效养分可以使玉米增产。究其原因，可能因为化肥提供的矿质养分易被作物吸收，同时也会随雨水淋溶；而有机肥提供的矿质养分占比很小，绝大部分养分会随着矿化过程释放出来，所以在玉米生长期鸡粪处理和牛粪处理肥效较长，从而提高了作物产量。

4 结论

在秸秆条状还田下，连续两年减施20%的化肥用量没有显著降低玉米产量，但以鸡粪和牛粪补足减去的氮素可以显著增加玉米的产量；减少20%的化肥投入量，对第一年 (2018年) 土壤有机碳、速效磷和速效钾含量的影响较小，但显著降低了第二年(2019年) 三者的含量，但是对碱解氮的供应没有不利影响；减少20%的化肥投入量，以鸡粪或牛粪补足氮素后，土壤中的有机碳和速效氮磷钾含量在拔节期和收获期均高于常规施肥，而且补充鸡粪的土壤养分状况好于牛粪。

综合产量和土壤养分状况的变化，在秸秆条状还田下，减少化肥投入，可能降低土壤磷和钾的供应。而用有机肥补足减少的养分，可以维持和提高土壤的养分供应能力，提高玉米的产量。