有机肥长期替代化肥对水稻产量及土壤养分的影响

杨胜玲， 黄兴成， 李 渝， 刘彦伶， 张雅蓉， 张文安， 蒋太明

(1.贵州大学 农学院， 贵州 贵阳 550025； 2.贵州省农业科学院 土壤肥料研究所， 贵州 贵阳 550006； 3.农业农村部 贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站， 贵州 贵阳 550006； 4.贵州省农业科学院 茶叶研究所， 贵州 贵阳 550006)

0 引言

【研究意义】水稻是我国重要的粮食作物，保证其生产安全是农业发展的重要问题。随着水稻新品种的应用、肥料投入的增加和栽培技术水平的提高，我国水稻单位面积产量不断得到提高，从1961年的2 079 kg/hm2增加到2017年的6 909 kg/hm2[1]。但随着粮食产量的提高，化肥施用量也在不断增加[2]，有机肥施用量在总养分投入中所占比例逐渐减少，导致肥料增产效应低、耕地质量下降等系列问题[3-4]。为此，农业农村部提出“化肥零增长行动方案”，通过有机肥替代化肥实现化肥减施增效。有机无机肥配施是合理利用资源、增强土壤肥力、防止土壤功能退化、保证作物高产稳产的施肥体制[5-7]，也是满足我国粮食生产安全需求、实现生态农业健康发展的重要措施。因此，探究长期有机无机肥合理配置，提升土壤肥力及水稻产量，对指导合理施肥具有重要意义。【前人研究进展】长期定位研究表明，长期单施化肥会降低土壤有机质含量[8]，有机无机肥配施及单施有机肥提高土壤养分的作用显著优于单施化肥[9]，较单施化肥处理，有机无机肥配施能提高耕层土壤有机质、全氮、有效磷以及速效钾等养分含量，提升土壤肥力水平[10]，增强供肥能力，从而减少养分流失、促进作物营养器官对养分吸收利用，提高作物产量[10-13]。在等氮量投入条件下，相较于单施化肥处理，有机无机肥配施对作物的增产效果更为显著，可增产4%～20%[14-15]，最高可达60%[16]，并随着有机肥的累积施用，其作用愈明显[1]。有机无机肥配施比例的差异影响作物的增产效应，各个地域土壤性质不同，最佳的有机肥替代比例也不同[17]。相较于单施化肥，在30%有机肥替代处理下，水稻产量最高[18]；也有研究认为，40%有机肥配施化肥增产效果最好[19]；有机肥替代比例为10%～30%时，可使水稻增产8 242～11 654 kg/hm2[20]；替代比例为30%～70%时，水稻产量提高6.15%～7.75%[21]。有机无机肥配施较单施化肥促进作物增产的同时提高了产量稳定性[22-23]，稳定性增幅可达25.91%～59.78%[21]，作物产量可持续性指数分布在0.712～0.798、作物产量变异系数分布在10.8%～13.0%，使作物维持较高的产量稳定性[24]，促进农田生态系统可持续性生产[25]。【研究切入点】黄壤性水稻土是贵州水稻种植的主要耕地类型，目前长期施肥对作物产量和土壤养分的研究多集中在有机无机肥配施与单施化肥对比上，关于不同有机无机肥比例配施的研究相对较少，黄壤地区兼顾作物产量和土壤养分适宜的有机无机肥配施比例尚不清楚。【拟解决的关键问题】以黄壤长期定位试验为依托，在化肥减施基础上，选取不同比例的有机无机肥配施处理，分析水稻产量、土壤养分及产量因子的相互关系，探究提升水稻产量及产量稳定性的最佳施肥方式，为黄壤地区合理施肥提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于贵州省农业科学院内，是始于1994年的农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站的长期定位监测基地。地处黔中丘陵区，土壤类型为黄壤性水稻土，海拔1 071 m，年均气温15.3℃，年均日照时数1 354 h，相对湿度75.5%，全年无霜期270 d，年降水量1 100～1 200 mm，1994年耕层(0～20 cm)土壤有机质44.9 g/kg，全氮1.96 g/kg，有效磷13.4 mg/kg，速效钾294 mg/kg，pH 6.75。

1.2 试验设计

以黄壤肥力与肥效长期定位监测基地为平台，采用大区对比试验设计，小区面积为201 m2(35.7m×5.6m)，各小区用水泥埂分隔。选取常规化肥(NPK)、低量有机肥替代化肥(1/4M+3/4NP)、中量有机肥替代化肥(1/2M+1/2NP)、全量有机肥替代化肥(M)和全量有机肥化肥配施(MNPK)5个施肥替代处理，以常规化肥(NPK)为对照，各处理施肥情况见表1。选择2016—2019年水稻种植田块(品种为茂优601)，分析不同替代处理水稻产量及土壤养分的变化。水稻栽培方式为育苗移栽，小区种植规格为23行×174列。

表1 1995—2019年不同处理的年均肥料施用量

1.3 测定指标

1.3.1 水稻产量与产量因子 水稻产量为2016—2019年水稻田间实际产量。产量因子数据为2019年测定获得，水稻收获时，每个处理划分为3个取样重复小区，每小区选取长势均匀的10穴水稻进行贴地收割，风干后测定水稻有效穗数、穗粒数、结实率及千粒重等产量构成因子[26]。

1.3.2 土壤理化性质 土壤理化性质数据为2016—2019年测定的平均值。水稻收获后采集0～20 cm耕层土样，每个处理划分3个取样小区，采用5点取样法取样，土样经风干、研磨和过筛处理后待测。重铬酸钾外加热法测定有机质含量，半微量凯氏法测定全氮含量，NaHCO3法测定有效磷含量，火焰光度法测定速效钾含量[27]。

1.3.3 产量可持续性指数和变异系数 产量可持续性指数SYI(sustainable yield index)和产量变异系数CV(coefficient variation)是表示作物产量稳定性的参数[28-29]。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007和IBM SPSS 23.0进行数据统计与分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理水稻的产量表现

从图1看出，不同施肥处理水稻产量差异显著。不同有机无机肥配施比例处理中，以1/4M+3/4NP处理水稻产量最高，其次为1/2M+1/2NP处理，M和NPK处理产量较低。等比例有机无机肥配施处理中，1/2M+1/2NP处理水稻产量明显低于MNPK处理。与NPK处理相比，有机肥部分替代化肥(1/4M+3/4NP和1/2M+1/2NP)和全量有机肥化肥配施(MNPK)均能显著提高水稻产量，增产幅度分别为12.97%、11.02%和24.97%。

注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.2 不同处理水稻产量的稳定性和可持续性

根据各处理水稻产量与变异系数及可持续性指数的平均值划分象限(图2)表明，1/4M+3/4NP和MNPK处理分别处于图中Q4、Z2象限，NPK和M处理分别处于图中Q1、Z3象限，1/2M+1/2NP处理处于图中Q2、Z4象限，各处理的变异系数依次为NPK>M>1/2M+1/2NP>MNPK>1/4M+3/4NP，可持续指数依次为1/4M+3/4NP>MNPK>1/2M+1/2NP >M> NPK。说明，NPK处理的水稻产量稳定性和可持续性均最低，施用有机肥的各处理产量稳定性和可持续性指数均较NPK处理提高，其中，以1/4M+3/4NP处理增幅最大。

图2 水稻产量与变异系数和可持续性指数响应关系(2016—2019年)

2.3 不同处理水稻的产量构成因子

从表2可知，施用有机肥的各处理有效穗数为MNPK>M>1/4M+3/4NP>1/2M+1/2NP，分别较NPK处理增加26.86%、17.77%、13.22%和3.72%，其中，MNPK处理较NPK处理差异达显著水平。结实率以NPK处理最高，分别比1/4M+3/4NP、MNPK、M、1/2M+1/2NP处理高8.52%、14.96%、15.10%和26.88%，与1/2M+1/2NP、M、MNPK处理差异达显著水平。结实率和千粒重各处理间差异不显著。

表2 不同施肥处理水稻产量构成因子(2019年)

2.4 水稻产量构成因子与产量的相关性

从表3看出，水稻有效穗数与产量相关系数为0.819，呈极显著正相关；有效穗数对产量直接影响作用的直接通径系数为0.659，达极显著水平。表明有效穗数是直接影响水稻产量的主要因素。因此，在施肥应用中，能有效提高有效穗的施肥处理可大幅提高水稻产量。

表3 水稻产量构成因子与产量的相关系数和通径(2019年)

2.5 不同处理土壤的养分含量

从表4可知，较NPK处理，1/4M+3/4NP、1/2M+1/2NP、M和MNPK处理的全氮含量分别增加12.71%、9.32%、25.85%和36.02%，M和MNPK处理与NPK处理差异达显著水平；有效磷含量分别增加34.70%、27.92%、23.28%和85.21%，MNPK处理与NPK处理差异达显著水平。土壤有机质含量排序为MNPK>M>1/4M+3/4NP>NPK>1/2M+1/2NP，较NPK处理，1/4M+3/4NP和M处理提高幅度较小，MNPK处理土壤有机质含量增加29.48%，差异达显著水平。

表4 不同施肥处理的土壤养分(2016—2019年)

2.6 土壤养分、产量、产量因子及稳定性关系

由表5可知，有机质分别与其他养分含量呈显著正相关，全氮与速效钾养分含量呈极显著正相关。各土壤养分含量与CV系数及SYI指数相关性均不显著，SYI指数与产量呈正相关关系，除有效磷外，水稻有效穗数与其他养分含量呈极显著或显著性相关，有效磷与产量呈极显著正相关。

表5 土壤养分与产量、产量因子及稳定性的相关系数(2016—2019年)

3 讨论

长期施用有机肥的各处理水稻产量均较单施化肥有不同程度提升，与前人研究结果[5,28]一致。从不同有机肥替代化肥比例看，25%有机肥替代化肥的1/4M+3/4NP处理增产幅度最大，50%有机肥替代化肥的1/2M+1/2NP处理次之，100%有机肥替代化肥的M处理效果最差。其原因可能是在水稻生长前期，有机肥作底肥，速效养分少，有机肥缓慢的肥效无法及时满足作物快速生长对养分的需求，低量有机无机肥配施既可发挥有机肥的培肥作用，又可发挥化肥速效养分作用，协调水稻整个生育前期和后期养分的供应，满足水稻对养分的需求[25]。在等比例有机肥替代的1/2M+1/2NP处理和MNPK处理之间进行比较发现，全量有机无机肥配施的MNPK处理水稻产量最高。

在小麦和玉米上的研究表明，有机无机肥配施显著增加土壤有机质等有效养分含量，促使作物产量及产量稳产性较单施化肥显著提高[30-31]。张国荣等[32-33]研究也得出类似结论。研究表明，有机无机肥配施产量可持续指数(SYI)分布在0.792～0.921，变异系数(CV)分布在3.91%～9.54%，单施化肥和单施有机肥的SYI分布在0.769～0.785，CV分布在10.65%～13.78%。说明有机无机肥配施能降低产量波动性，使作物产量、产量稳定性维持在相对较高水平，与前人研究结果[34-35]类似。此外，在有机无机肥配施各处理中，以25%有机肥替代的1/4M+3/4NP处理稳定性最好，全量有机肥化肥配施的MNPK处理次之。这可能是有机无机肥配施增加了土壤有效养分，土壤养分含量提高后可以持续提供水稻生长发育所需养分，避免外界因素导致水稻产量波动，为水稻可持续性生产奠定基础。

根据2016—2019年水稻产量差异性，对2019年水稻产量构成因子进行分析发现，有效穗数对产量的影响最大，与前人研究结果[36]一致。本研究以有机无机配施的MNPK处理的有效穗数最高，其原因可能是在水稻营养生长时期施一定量的化肥，增加了土壤速效养分含量，满足水稻生育前期分蘖对养分的需求，为有效穗数的形成奠定基础；在水稻生殖生长时期，施用有机肥有利于土壤有机质的积累，保证了水稻幼穗分化和灌浆结实期养分供应的稳定，使水稻的穗数和穗粒结构协调[37-38]。作物的高产稳产在于种植多穗型品种，利用有效分蘖，增加成穗率，进而提升产量[39]，最终实现高产、稳产。因此，产量的增加主要是由于有效穗数的增加，在保证穗数的基础上，通过合理协调穗粒数、结实率、千粒重等产量因子可实现水稻高产的目标[37,40]。

在本研究中，较单施化肥处理，有机无机肥配施对土壤各养分含量均有提升，与前人研究结果[41]类似。土壤有机质主要来源于有机肥，并随着有机肥的增加而增加[32]。此外，有机肥比化肥更有利于土壤氮素积累，提高土壤氮库容量[42]。有机肥中钾易于转化而不被土壤所固定，从而促进作物根系对钾的吸收[43]。有机肥中有机物质的分解，加快其自身含有的有机态磷的分解释放，增加土壤磷含量[44]。水稻产量与土壤肥力呈显著正相关关系，土壤肥力越高，越有利于水稻吸收养分，水稻的产量也就越高[45]。本研究得出，有效穗数是水稻产量的直接产量构成因子，与土壤有机质、全氮、速效钾养分呈显著或极显著正相关，说明有机无机肥配施促进土壤中有机质、全氮、速效钾养分的积累，有利于有效穗数的增加，进而提升产量。

4 结论

与单施化肥NPK处理相比，施用有机肥的各处理均能明显增加土壤养分含量，提高土壤肥力，以有机无机配施效果较为显著。其中，长期低量有机肥替代化肥的1/4M+3/4NP处理，在满足化肥减施的基础上，增加水稻有效穗数，使水稻产量、产量稳定性及可持续性保持在较高水平，是黄壤性水稻土上实现水稻高产、稳产和可持续生产目标较优的施肥模式。