秸秆还田下有机肥替代部分氮肥对玉米产量及土壤理化性状的影响

刘芳君，田亨达，张 畅，陈雍旭，李 辛，张晓月，蔡艳华，陈虹地

（长春市农业科学院，吉林 长春 130000）

东北黑土具有土壤肥力高、土壤质地良好和有机质含量高等特点[1]。近年来，东北春玉米主产区大量作物秸秆被露天焚烧、堆积或遗弃，使土壤肥力逐年下降，农田生态系统平衡遭受破坏，对农业生态环境造成严重影响[2]。秸秆还田可以改良土壤物理结构，丰富土壤微生物种类，对土壤理化性质具有重要影响[3-4]。我国东北地区化肥的年使用量远超出其他发达国家为防止化肥对土壤和水体造成危害所设置的225 kg/hm2的临界值，位居世界第一。化肥是农业生产不可或缺的资源，在提高产量和质量的同时，也不可避免的对环境和农业生产造成不同程度的污染和破坏[5]。

近年来，我国畜牧业发展迅速，畜禽养殖数量和规模不断扩大，与此同时，伴随而来的畜禽粪便也不断增多，我国每年至少可产生20亿t以上的畜禽粪便，已经对环境造成严重污染[6-7]。这些畜禽粪便含有大量的有机质以及作物需要的氮、磷、钾和各种中微量元素。因此，将畜禽粪便经过简单处理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[8]。

本试验于2017—2020 年选用不同种类有机肥替代氮肥，通过对玉米产量以及土壤理化性质的测定，分析得出有机肥替代氮肥的适宜施肥量，旨在不影响玉米产量的前提下，采用有机肥替代化肥氮肥，为保护黑土地、改善黑土区耕地质量提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在长春市绿园区（125°18′E，43°35′2″N）进行。该区位于松辽平原东部山地向西部平原过渡的伊通河台地上，地势东高西低，地貌由台地和平原组成，气候类型为北温带大陆性季风气候区，年平均气温4.6 ℃，积温2 893 ℃，年均降水650 mm左右，无霜期为140 d左右。土壤类型为黑土，为春玉米连作区，采用玉米秸秆全量覆盖还田模式耕作，年际间采用苗带交替休闲种植，每隔3～4 a采用大型机械深翻还田一次，还田深度为30 cm，旋耕耙平。在试验开始前土壤养分含量情况如表1所示。

表1 试验地基础养分情况Tab.1 Basic soil nutrients of the experiment soil

1.2 试验材料

供试玉米品种为当地普遍栽培品种先玉335。供试粪肥（鸡粪和猪粪）来源于当地养殖场。商品有机肥由吉林省新农科生态农业科技有限公司生产，供试其他肥料选用尿素（N 46%）、硫酸钾（K2O 50%）、过磷酸钙（P2O514%）。3 种不同有机肥的水分和养分含量情况如表2所示。

表2 不同有机肥养分情况Tab.2 Nutrient contents in manures of different organic fertilizers %

1.3 试验设计

试验于2017年开始，采用田间小区试验，小区面积为32.64 m（24.08 m×8.00 m）。试验设置1 个无肥对照（CK）和1个100%化肥对照（CF），100%化肥对照（CF）的施肥量为当地常规施肥量，即玉米每年施N 200 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2、P2O590 kg/hm2。等N 条件下，鸡粪、猪粪和商品有机肥替代部分氮肥，替代百分比分别为25%、50%、75%和100%，试验共设12 个处理，分别为：CM25.鸡粪替代25%氮肥处理；CM50.鸡粪替代50%氮肥处理；CM75.鸡粪替代75%氮肥处理；CM100.鸡粪替代100%氮肥处理；PM25.猪粪替代25%氮肥处理；PM50.猪粪替代50%氮肥处理；PM75.猪粪替代75%氮肥处理；PM100.猪粪替代100%氮肥处理；COF25.商品有机肥替代25%氮肥处理；COF50.商品有机肥替代50%氮肥处理；COF75.商品有机肥替代75%氮肥处理；COF100.商品有机肥替代100%氮肥处理。每个处理3次重复，随机区组排列。全部磷肥、钾肥和40%氮肥作为底肥施入，60%氮肥用于玉米拔节期追肥。各处理肥料养分用量如表3所示。

表3 不同处理养分用量Tab.3 Details of nutrient input in each treatment kg/hm2

1.4 测定项目及方法

2017 年秋收后，采集0～20、20～40 cm 耕层土壤样品，初次取样在施入有机肥前，然后各年度取样均在玉米收获后进行。

土壤容重测定采用环刀法，分别取0～10、10～20、20～30 cm土层进行；土壤碱解氮采用扩散吸收法测定；土壤有效磷采用碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法测定；土壤速效钾采用火焰光度法测定。

土壤有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定[9]。取样时，每小区选取0～30 cm 土壤进行分析，初次取样在施入粪肥前，然后各年度取样均选在玉米收获后进行[10]。

在玉米成熟后，每个小区选取长势均匀的2垄玉米收获，并统计收获的穗数，从收获的玉米中选取大小均匀的10 穗玉米测量百粒质量和穗粒数，以含水量14%折算小区玉米产量[11]。

1.5 数据统计及分析

数据经Microsoft Excel 整理后作图，并对数据进行方差分析，LSD法多重比较采用SPSS 13.0软件进行[9]。

2 结果与分析

2.1 不同种类有机肥对土壤容重的影响

土壤容重是指在自然结构状况下，单位体积土壤的质量，是土壤肥力指标之一，也是影响作物生长的重要因素之一。容重小，表明土壤疏松、孔隙多，反之，表明土壤紧实、结构性差、孔隙少，土壤容重是衡量是否适宜作物种植的一个重要指标[12-13]。

由图1 可知，随着有机肥替代N 肥的比例增加土壤容重呈减小趋势。与无肥对照（CK）相比，鸡粪在替代N肥量为50%时，土壤容重差异显著（P＜0.05），较CK减少4.42%。而猪粪和商品有机肥在替代N肥量为75%时，土壤容重出现显著性差异（P＜0.05），分别比CK 减少4.01%、5.06%。其他处理未表现出显著性差异，但土壤容重均低于CK。

与常规施肥（CF）相比，鸡粪、猪粪、商品有机肥在替代N 肥量为25%时，土壤容重均较CF 分别增加1.20%、0.12%、2.76%，但差异不显著，随后在替代N肥量50%～75%时，土壤容重有所减小，但仍未达显著差异。3种有机肥均在替代N肥量为100%时，土壤容重才出现显著差异，较CF 分别减少6.55%、5.29%、5.25%。综合比较，鸡粪对土壤容重变化影响较大，即鸡粪＞猪粪＞商品有机肥。

2.2 不同种类有机肥对土壤有机质和速效养分的影响

从表4 可以看出，在0～20 cm 土层，鸡粪处理中CM25 的有机质含量最高，达到5.79%，比CF 高6.62%，差异显著；猪粪处理中PM75 的有机质含量最高，达到5.48%，比CF低0.92%，差异不显著；有机肥处理中COF100 的有机质含量最高，达到5.71%，比CF高5.16%，差异显著，即25%鸡粪＞100%有机肥＞75%猪粪＞100%化肥对照。

表4 0～20 cm土层有机质和速效养分含量Tab.4 Organic matter content and available nutrients in 0-20 cm soil

在0～20 cm土层，鸡粪处理中CM75的碱解氮含量最高，达到126.39 mg/kg，比CF低5.42%；猪粪处理中PM75 的碱解氮含量最高，达到130.95 mg/kg，比CF 低2.00%；有机肥处理中COF100 的碱解氮含量最高，达到141.68 mg/kg，比CF 高6.02%。即100%有机肥＞100%化肥对照＞75%猪粪＞75%鸡粪，但与100%%肥对照间均无显著差异。

在0～20 cm 土层，鸡粪处理中CM75的有效磷含量最高，达到54.17 mg/kg，比CF低7.45%；猪粪处理中PM50的有效磷含量最高，达到61.80 mg/kg，比CF高5.59%；有机肥处理中COF25的有效磷含量最高，达到65.17 mg/kg，比CF高11.34%。即25%有机肥＞50%猪粪＞100%化肥对照＞75%鸡粪，但与100%化肥对照间均无显著性差异。

在0～20 cm 土层，鸡粪处理中CM75的速效钾含量最高，达到183.67 mg/kg，比CF高15.03%；猪粪处理中PM75的速效钾含量最高，达到158.67 mg/kg，比CF低0.63%；有机肥处理中COF75的速效钾含量最高，达到219.00 mg/kg，比CF 高37.16%。即75%有机肥＞75%鸡粪＞100%化肥对照＞75%猪粪，但与100%化肥对照均无显著性差异。

从表5可以看出，在20～40 cm土层，鸡粪处理中CM25 的有机质含量最高，达到2.88%，比CF 高14.28%；猪粪处理中PM100 的有机质含量最高，达到2.89%，比CF 高14.68%；有机肥处理中COF50 的有机质含量最高，达到2.53%，比CF 高1.19%。即100%猪粪＞25%鸡粪＞50%有机肥＞100%化肥对照，但与100%化肥对照间均无显著性差异。

表5 20～40 cm土层有机质和速效养分含量Tab.5 Organic matter content and available nutrients in 20-40 cm soil

在20～40 cm土层，鸡粪处理中CM75的碱解氮含量最高，达到118.48 mg/kg，比CF高4.38%；猪粪处理中PM75 的碱解氮含量最高，达到128.26 mg/kg，比CF高12.90%；有机肥处理中COF100的碱解氮含量最高，达到140.88 mg/kg，比CF 高24.11%。即100%有机肥＞75%猪粪＞75%鸡粪＞100%化肥对照，100%有机肥与100%化肥对照间差异显著，其他处理与100%化肥对照间均无显著性差异。

在20～40 cm 土层，鸡粪处理中CM75 的有效磷含量最高，达到51.20 mg/kg，比CF高0.53%；猪粪处理中PM25的有效磷含量最高，达到56.60 mg/kg，比CF 高11.13%；有机肥处理中COF50 的有效磷含量最高，达到64.63 mg/kg，比CF 高26.89%。即100%有机肥＞25%猪粪＞75%鸡粪＞100%化肥对照，但均与CF间无显著性差异。

在20～40 cm土层，鸡粪处理中CM50的速效钾含量最高，达到155.67 mg/kg，比CF高0.65%；猪粪处理中PM25 的速效钾含量最高，达到154.68 mg/kg；有机肥处理中COF100 的速效钾含量最高，达到160.67 mg/kg，比CF 高3.88%。即100%有机肥＞50%鸡粪＞25%猪粪＞100%化肥对照，但与100%化肥对照间均无显著性差异。

2.3 不同种类有机肥对玉米产量的影响

由图2 可知，CF 处理的玉米产量最高，达到12 231.31 kg/hm2。差异不显著情况下，CM25、CM50、PM25、COF25 处理较CF 处理分别减少8.36%、3.29%、8.39%、7.90%；在差异显著条件下，CM75、CM100、PM50、PM75、PM100、COF50、COF75、COF100 处理较CF 处理分别减少20.48%、21.64%、18.07%、18.62%、19.68%、14.32%、15.25%、19.16%。从玉米产量上比较，CF＞CM＞COF＞PM。

3 讨论

本试验在等N 条件下，选用不同比例鸡粪、猪粪和商品有机肥替代氮肥，通过比较施肥后土壤理化性质变化和玉米产量变化，选取适宜吉林省地区玉米种植的有机肥施用量，为农户提供施肥依据，在保证产量的同时，也保护黑土耕地。

本试验结果显示，土壤容重总体变化趋势为，随着有机肥替代化肥比例增大，土壤容重呈下降趋势，从效果上看，鸡粪＞猪粪＞商品有机肥。分析原因可能为，秸秆还田主要集中分布在土壤的0～30 cm，秸秆与土壤颗粒均匀接触，加快了秸秆腐解，有利于土壤大团聚体的形成，从而降低了容重，此结果与邱琛等[14]的研究结果一致。

本试验结果表明，在0～20 cm 土层，施入有机肥会使土壤有机质增多，其中，鸡粪和商品有机肥效果显著，与CF 间存在显著差异，鸡粪效果最好，这一结果与薛同宣等[15]、罗兴录等[16]、唐继伟等[17]研究结果相同。但薛同宣等[15]研究表明，土壤有机质含量与鸡粪施用量呈正相关，本试验中此关系不明显，分析原因可能为，本试验研究年份较短，且在秸秆还田条件下进行试验，随着鸡粪、猪粪等投入加大，更多微生物参与了秸秆的降解，矿化利用了一部分有机质。在20～40 cm 土层，施入有机肥会使土壤有机质有所升高，但效果均不显著，分析原因可能为20～40 cm土层较深，导致施肥效果不明显。

本试验结果显示，随着有机肥替代化肥比例的增加，没有对土壤碱解氮含量有提升，反而有下降趋势，土壤速效磷、土壤速效钾也出现了类似现象。分析原因可能是由于秸秆的连年还田改善了表层土壤通气性，而有机物料投入的加大有利于硝化细菌进行硝化作用，加剧了由浅层到深层土壤硝态氮的淋溶风险，另一方面，改善了深层土壤通气性，促进作物根系对深层土壤硝态氮的利用[18-20]。综合比较分析，商品有机肥的施入使得土壤中的碱解氮、有效磷、速效钾均有提高，且均高于CF。

薛同宣等[15]研究表明，玉米产量以鸡粪替代40%化肥处理最高，与本试验结果接近，说明鸡粪与化肥合理的配施比例，既能保证土壤中微生物功能的最大化，又能减少氮、磷、钾等营养元素与土壤间的化学反应，提高肥料的有效性和利用率[21-22]，鸡粪的施用能促进土壤有机质含量的增加，且含量提高幅度与鸡粪施入量呈正相关。

4 结论

本研究表明，秸秆全量还田条件下，随着有机肥等氮替代化肥处理有机肥比例的增大，有效降低了黑土的土壤容重，提高了土壤有机质，其中，效果最明显的为鸡粪。秸秆全量还田条件下，25%鸡粪、50%鸡粪、25%猪粪、25%有机肥处理能取得与100%化肥处理接近的玉米产量，产量没有显著下降，其中鸡粪处理与猪粪和商品有机肥处理相比较，产量较高且稳定。

通过本次研究，初步认为鸡粪处理既能改善土壤容重、有机质，在产量上也与化肥处理产量无显著差异。因此，在吉林省玉米种植上适宜的鸡粪替代量为25%～50%，在保证产量的同时，也改善了土壤环境，保护了黑土地。