牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥对麦玉轮作系统耕层土壤全量养分的影响

聂胜委，张巧萍，潘秀燕，王建超，郑 念，许纪东，张玉亭，陈朝霞

（1. 河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；2. 遂平县农业科学试验站，河南 遂平 463100；3. 宝丰县农业科学研究所，河南 宝丰 467400；4. 商水县农业农村局，河南 商水 466100）

研究表明，有机无机肥配合施用，能降低耕层容重，增强土壤微生物活性[4]，提高土壤有机碳含量[5]和小麦产量[6]，增强稳产性[7]。有机肥还田，土壤有机碳组分[8]和腐植酸态碳含量[9]增加，甲烷氧化速率[10]和氨化细菌活性[11]提高。氮磷钾肥配施有机肥的培肥作用优于化肥配施等养分含量的秸秆[12]，土壤氨排放系数较低[13]，有机氮含量提高，供氮能力增强[14]，土壤速效钾、缓效钾含量提高，供钾能力提升[15]。有机肥替代方面，商品有机肥替代氮、磷和钾肥（替代比例分别为11.3%、13.7%、58.8%）能显著提高土壤有机碳、全氮含量，对小麦产量和产量构成（穗数、穗粒数及千粒质量）影响不显著[16]；施用鸡粪有机肥替代部分化肥能节省投入，实现增产[17]，猪粪有机肥替代20%化肥能提高土壤的养分含量和产量，提高酶活性[18]；牛粪有机肥替代75%氮肥能够减少土壤硝态氮残留，提高氮利用率，实现小麦季增产增效[19]；有机肥与无机肥配合施用，以有机肥替代20%化肥时小麦产量最佳[20]。

将牛粪、秸秆进行腐熟堆沤制作有机肥实现就近还田是解决副产物的有效途径，河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所废弃物资源化利用团队前期研究得出，小麦、玉米两季施用牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥能提高小麦-玉米轮作当季产量和效益[21-22]，节省化肥投入量，但是替代后土壤耕层（0～20 cm）养分及养分总量增减变化尚不明确。鉴于此，研究牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥对小麦-玉米轮作系统土壤全量养分的影响，为实现废弃物资源化利用和种-养循环生产提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018—2020 年在遂平县农业科学试验站（33°15＇N、113°98＇E）进行，该地气候温和，雨量充沛，光照充足，四季分明，亚热带向暖温带过渡性气候特征较明显。年平均气温、日照、降水量、无霜期分别为15.1 ℃、2 126 h、927 mm、226 d。土壤类型为砂姜黑土，重壤偏黏，土地肥沃，基础土样有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为11.60 g/kg、10.62 mg/kg、339.62 mg/kg、108.15 mg/kg。试验选用的牛粪、秸秆经好氧发酵堆肥腐熟后，有机质、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为318.42 g/kg、18.46 mg/kg、27.33 mg/kg、203.51 mg/kg，全氮、全磷、全钾含量分别为168.02、75.16、468.06 mg/kg，堆肥pH 值为7.62。

1.2 试验设计

试验为完全随机区组设计，小麦、玉米种植季，牛粪秸秆好氧发酵堆肥的施用量分别为6 000（M1-20%F）、9 000（M2-20%F）kg/hm2共2个水平，以施氮磷钾化肥为对照（CK-F）。小区面积为144 m2，每个处理重复3次。种植模式为小麦-玉米轮作，当季作物收获后，秸秆均全量粉碎还田。

（1）小麦季，CK-F 处理的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量分别为165、82.5、82.5 kg/hm2；替代处理M1-20%F、M2-20%F 的 氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量分别为132、66、66 kg/hm2。小麦季播种前，用灭茬粉碎机整地1遍，然后在各小区施入相应量的氮磷钾化肥，用豪丰牌1GLS-210（7）型立式旋耕机旋耕1 遍[旋耕深度为（30±5）cm]，再用瑞宸1GQN-150 旋耕机旋耕1 遍（旋耕深度为5～12 cm），划线播种。各处理70%的氮肥和全部的磷、钾肥在整地时作基肥一次施入，其中替代20%全量化肥处理对应的牛粪秸秆腐熟堆肥在整地时均匀撒施于小区田间后进行整地；在小麦拔节期施入剩余30%的氮肥。小麦品种为遂选101（2018—2019 年）、洛麦26（2019—2020 年），机播，播量150 kg/hm2，行距20 cm，分别于2018、2019 年10 月下旬播种，次年（2019、2020 年）6 月初收获，各处理其他田间管理相同。

（2）玉米季，CK-F 处理的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥用量分别为188、94、94 kg/hm2，替代处理M1-20%F、M2-20%F 的氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）肥施用量分别为150.4、75.2、75.2 kg/hm2。将上茬小麦季所用各小区用灭茬粉碎机整地1 遍，分别于2019、2020 年6 月中旬铁茬机播楼播种，玉米品种为郑单1002，等行距种植，行距60 cm，株距25 cm，密度60 000 株/hm2，于当年9 月底收获。玉米季总氮的60%作底肥，其余40%作追肥。玉米苗期，底施氮肥、全部磷钾肥在播种出苗后（3～5 叶期）各小区开沟施入，替代处理对应的牛粪秸秆腐熟堆肥均匀撒施于小区田间；玉米喇叭口期，剩余40%的氮肥作追肥。整个生育期田间管理保持一致。

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1.3 测定项目及方法

小麦第1 季播种期（2018 年10 月）、小麦第1 季成熟期、玉米第1 季播种期（2019 年6 月）、玉米第1季成熟期、小麦第2 季播种期（2019 年10 月）、小麦第2 季成熟期、玉米第2 季播种期（2020 年6 月）、玉米第2 季成熟期（2020 年10 月），按照五点取样法用土钻取每个小区耕层0～20 cm 土壤样品，分析测定有机质、全氮、全磷、全钾养分含量。小麦成熟期，每个小区实收4 m2测产；玉米成熟期，各处理实收2行测产。

1.4 数据处理

数据用SPSS 25.0、Excel 2007等软件进行整理、做图，用LSD法进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后籽粒产量变化

由图1A 可以看出，轮作第1 年，小麦季堆肥替代20%全量化肥，M1-20%F、M2-20%F 小麦产量比CK-F 分 别 增 加50.0、1 349.0 kg/hm2，分 别 增 产0.52%、13.90%，各处理间差异不显著；替代处理之间，小麦产量M2-20%F＞M1-20%F。下茬玉米季，连续替代20%全量化肥后，M1-20%F、M2-20%F 玉米产量比CK-F 分别增加820.2、2 336.8 kg/hm2，分别增产17.65%、50.28%，其中M2-20%F 与CK-F 差异达显著水平；替代处理之间，玉米产量M2-20%F＞M1-20%F（图1B）。

轮作第2 年，M1-20%F、M2-20%F 与CK-F 比小麦产量稍有下降，分别减产1.67%、5.26%，但各处理间差异均未达到显著水平（图1A）。下茬玉米季连续替代20%全量化肥后，与CK-F（10 856.3 kg/hm2）相比，M1-20%F（9 773.7 kg/hm2）处理玉米产量略有下降，M2-20%F（11 748.0 kg/hm2）增产8.21%；替代处理之间，玉米产量M2-20%F＞M1-20%F（图1B）。

图1 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后作物产量Fig.1 Grain yields under compost consisting of cattle manure and wheat straw instead of 20%chemical fertilizer

2.2 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后耕层土壤全量养分变化

2.2.1 全氮含量变化 由表1 可以看出，小麦第1季成熟期各处理耕层土壤全氮含量与播种时比均下降，替代处理M1-20%F（0.850 g/kg）、M2-20%F（0.850 g/kg）均显著高于CK-F（0.710 g/kg）；下茬玉米成熟期，替代处理耕层土壤全氮含量均高于对照，但处理间差异均不显著，表现为M2-20%F＞M1-20%F＞CK-F（表2）。

小麦第2 季成熟期，M1-20%F、M2-20%F 耕层土壤全氮含量分别为0.983、0.910 g/kg，均高于CK-F（0.840 g/kg），但各处理间差异不显著（表1）。下茬玉米成熟期，M1-20%F、M2-20%F 土壤全氮含量分别为0.953、1.053 g/kg，均高于CK-F 的0.923 g/kg（表2）。

2.2.2 全磷含量变化 与CK-F（0.724 g/kg）比，小麦第1 季成熟期，M1-20%F、M2-20%F 处理的耕层土壤全磷含量均升高，分别为0.769、0.858 g/kg，其中M2-20%F 显著升高（表1）。下茬玉米成熟期，替代处理的土壤全磷含量均高于对照，且

M1-20%F（0.938 g/kg）＞M2-20%F（0.759 g/kg）＞CK-F（0.744 g/kg），其中M1-20%F 显著高于其他处理（表2）。

小麦第2 季成熟期，替代处理全磷含量均高于对照，但处理间差异不显著，且M2-20%F＞M1-20%F＞CK-F（表1）。下茬玉米季与小麦季相似，替代处理均高于对照，处理间差异均不显著，且表现为M2-20%F＞M1-20%F＞CK-F（表2）。

2.2.3 全钾含量变化 小麦第1季成熟期，M1-20%F、M2-20%F处理耕层土壤全钾含量较对照均有提高，但处理间差异不显著；与播种时比，替代处理土壤全钾含量均有大幅度增加（表1）。下茬玉米成熟期，所有处理间耕层土壤全钾含量差异均不显著（表2）。

小麦第2 季成熟期，M1-20%F、M2-20%F 耕层土壤全钾含量与CK-F相比持平或增高（表1）；下茬玉米成熟期，M1-20%F、M2-20%F 处理耕层土壤全钾含量均略高于CK-F（表2）。

2.2.4 有机质含量变化 与CK-F（13.863 g/kg）相比，小麦第1 季成熟期，M1-20%F（15.982 g/kg）、M2-20%F（16.178 g/kg）处理耕层土壤有机质含量均增加；所有处理耕层土壤有机质含量与播种时比均有提升（表1）。下茬玉米成熟期，由表2 可以看出，替代处理均高于对照，且表现为M1-20%F（16.161 g/kg）＞M2-20%F（15.286 g/kg）＞CK-F（14.533 g/kg）。

表1 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后小麦季土壤全量养分比较Tab.1 Soil total nutrients content under compost consisting of cattle manure and wheat straw instead of 20%chemical fertilizer during wheat growing season

表2 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后玉米季土壤全量养分比较Tab.2 Soil total nutrients content under compost consisting of cattle manure and wheat straw instead of 20%chemical fertilizer during corn growing season

小麦第2 季成熟期，土壤有机质含量表现为CK-F＞M2-20%F＞M1-20%F，处 理 间 差 异 不 显 著（表1）；玉米第2季成熟期，M1-20%F（20.502 g/kg）＞M2-20%F（18.923 g/kg）＞CK-F（17.131 g/kg），且M1-20%F显著高于对照（表2）。

2.3 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后耕层土壤养分增减比较

2.3.1 全氮含量增减 在作物生长季研究播种开始与成熟收获结束时耕层养分含量的变化，可以从侧面判断出养分的供给状况。由图2A 可以看出，小麦第1 季，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 土壤全氮含量减少量分别为0.467、0.058、0.058 t/hm2，替代处理低于单施化肥处理；玉米第1 季，CK-F 处理耕层土壤全氮含量增加0.146 t/hm2，M2-20%F 持平，M1-20%F 则减少0.038 t/hm2。小麦-玉米轮作第1年，各处理耕层土壤全氮含量较轮作开始时均减少，其中替代处理减少量低于对照，减少量依次为CK-F（0.321 t/hm2）＞M1-20%F（0.096 t/hm2）＞M2-20%F（0.058 t/hm2）。

图2 牛粪秸秆堆肥替代20%全量化肥后耕层土壤养分含量增减变化Fig.2 Increase or decrease of soil total nutrient content under compost consisting of cattle manure and wheat straw instead of 20%chemical fertilizer

小麦第2 季，各处理耕层全氮含量均有增加，M1-20%F（0.426 t/hm2）增加量最大，其次分别为CK-F（0.234 t/hm2）、M2-20%F（0.175 t/hm2）；玉米第2 季，CK-F、M2-20%F 增加量分别为0.242、0.417 t/hm2，M1-20%F 处 理 则 减 少0.088 t/hm2。轮 作 第2年，各处理玉米成熟期耕层土壤全氮含量较小麦第2 季播种时均增加，M2-20%F（0.593 t/hm2）增加量 最 大，其 次 为CK-F（0.476 t/hm2）、M1-20%F（0.339 t/hm2）。

2.3.2 全磷含量增减 由图2B 可知，小麦第1 季，替代处理耕层土壤全磷含量增加量均高于单施化肥 处 理，M2-20%F（1.283 t/hm2）＞M1-20%F（1.023 t/hm2）＞CK-F（0.891 t/hm2）。玉米第1 季，CK-F、M1-20%F 分别增加0.058、0.493 t/hm2，替代处理M2-20%F 则减少0.289 t/hm2。轮作第1 年，各处理玉米季成熟期耕层土壤全磷含量较小麦播种时均增加，其中替代处理增加量均高于单施化肥处理，表现为M1-20%F（1.516 t/hm2）＞M2-20%F（0.994 t/hm2）＞CK-F（0.950 t/hm2）。

小麦第2季，各处理耕层土壤全磷含量均减少，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 分别减少0.809、1.358、0.794 t/hm2；玉米第2 季，所有处理耕层土壤全磷含量均增加，替代处理增加量高于单施化肥处理，M2-20%F（1.293 t/hm2）＞M1-20%F（1.279 t/hm2）＞CK-F（1.258 t/hm2）。轮作第2年，玉米成熟期耕层土壤全磷含量与小麦第2 季播种时相比，CK-F、M2-20%F分别增加0.450、0.499 t/hm2，M1-20%F 处理则减少0.079 t/hm2。

2.3.3 全钾含量增减 由图2C 可以看出，小麦第1季成熟期，所有处理耕层土壤全钾含量均增加，替代处理M1-20%F（28.490 t/hm2）、M2-20%F（28.242 t/hm2）增加量高于CK-F（27.731 t/hm2）；玉米第1 季成熟期，与各处理该季播种时相比，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 处理分别增加1.530、1.203、0.695 t/hm2，替代处理增加量低于对照。轮作第1年，玉米成熟期耕层土壤全钾含量较小麦播种时均增加，M1-20%F（29.693 t/hm2）增加量最大，CK-F（29.261 t/hm2）次之，M2-20%F（28.937 t/hm2）略少。

小麦第2 季成熟期，各处理耕层土壤全钾含量均 减 少，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 分 别 减 少5.185、5.617、2.622 t/hm2。玉米第2 季成熟期，与各处理该季播种时耕层土壤全钾含量相比，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 分别增加6.216、7.316、5.290 t/hm2。轮作第2 年，玉米成熟期耕层土壤全钾含量与该轮作季小麦播种时相比，替代处理的增加量较高，增 加 量 为M2-20%F（2.668 t/hm2）＞M1-20%F（1.699 t/hm2）＞CK-F（1.031 t/hm2）。CK-F、M1-20%F、M2-20%F 处理2 a 全钾累计分别增加30.292、31.392、31.605 t/hm2，替代处理累计增加量均高于单施化肥处理。

2.3.4 有机质含量增减 由图2D 可以看出耕层土壤有机质含量的变化。与各处理当季播种时相比，小麦第1 季成熟期，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 分别增加6.598、12.787、13.371 t/hm2，替代处理增加量是单施化肥处理的2 倍左右。玉米第1 季成熟期，CK-F、M1-20%F 分 别 增 加1.956、0.526 t/hm2，M2-20%F 则减少2.598 t/hm2。轮作第1 年，替代处理增加量高于单施化肥处理，表现为M1-20%F＞M2-20%F＞CK-F，M1-20%F、M2-20%F 分别比单施化肥处理（CK-F）增加4.759、2.219 t/hm2。

小麦第2 季成熟期，替代处理耕层有机质减少量高于单施化肥处理，CK-F、M1-20%F、M2-20%F分别减少3.795、9.809、6.189 t/hm2；玉米第2 季成熟期，耕层土壤有机质含量均增加，替代处理增加幅度高于对照，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 有机质含量分别增加11.386、22.480、16.787 t/hm2。轮作第2年，各处理耕层土壤有机质含量均增加，M1-20%F＞M2-20%F＞CK-F，其中M1-20%F、M2-20%F比CK-F分 别 增 加5.079、3.007 t/hm2。CK-F、M1-20%F、M2-20%F处理2 a有机质含量累计分别增加16.145、25.983、21.371 t/hm2，替代处理累计增加量均高于单施化肥处理。

3 结论与讨论

有机无机肥配施提升总有机质及活性有机质效果突出[23]，化肥配施牛粪后大于0.250 mm 团聚体百分含量显著提高，土壤结构改善明显[24]；土壤磷有效性[25]、钾有效性均得到提升[26]。在有机肥替代比例相同情况下，有机肥（猪粪）替代20%化肥能增加小麦产量，此时氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）施用量分别为112.5、112.5、112.5 kg/hm2[18]；商品化的有机肥与无机肥配合施用以有机肥替代20%化肥时小麦产量最佳，此时氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）施用量分别为217.8、150.0、108.0 kg/hm2[20]。上述替代研究均只有1 a 时间，而本替代研究持续了小麦、玉米2 a 4 季作物，研究更深入。本研究中，小麦、玉米两季替代20%全量化肥，第1 年（2018—2019）均增产，M1-20%F、M2-20%F 在小麦季分别增产0.52%、13.90%，在玉米季分别增产17.65%、50.28%。轮作第2 年（2019—2020）连续替代20%全量化肥，小麦产量均略有下降，但差异不显著；M1-20%F 处理玉米产量略有下降，M2-20%F 则增产8.21%，但差异同样均不显著。说明在6 000 kg/hm2有机肥施用量时，连续替代可能存在养分供应不足的问题；但在9 000 kg/hm2有机肥施用量时，表现出整体上增产、稳产的效果。综上，结合替代技术的连续性及作物产量表现，施用牛粪秸秆堆肥9 000 kg/hm2替代20%全量化肥能够实现节肥和稳产。

本研究中，氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）施用量小麦季分别为165、82.5、82.5 kg/hm2，玉米季分别为188、94、94 kg/hm2。就小麦季来说，氮肥施用量介于前述2 个替代研究之间，考虑到有机肥养分含量和农业生产实际特点，采用替代全量20%化肥时，小麦-玉米轮作第1年，各处理耕层土壤全氮含量均减少，但是替代处理减少量较小，均低于对照；第2年则均增加。全磷含量在第1 年均增加，替代处理增加量高于对照；第2 年，CK-F、M2-20%F 分别增加0.450、0.499 t/hm2，M1-20%F 处 理 则 减 少0.079 t/hm2。全钾和有机质含量均增加，替代处理累计增加量均高于单施化肥处理。这与已有研究结论接近，结合产量，说明在养分的总供给上，本研究的小麦、玉米施肥量和替代比例是适宜的；而且在小麦-玉米轮作区，小麦、玉米两季实行有机肥替代20%全量化肥可以同时实现稳产与节肥。

本研究得出，替代处理小麦、玉米两季耕层（0～20 cm）土壤全氮、全磷含量均高于单施化肥处理，其中玉米成熟期M2-20%F 增加趋势显著；土壤全钾含量有增加趋势；土壤有机质含量较单施化肥处理在小麦第1 季略增，第2 季则下降，在玉米季则增加。

与各处理当季播种时耕层养分含量比，所有处理耕层土壤全氮含量小麦第1 季减少，第2 季增加；玉米季，替代处理整体上第1 季减少，第2 季增加。土壤全磷、全钾、有机质含量小麦第1 季增加，第2季则均减少；玉米第2季均增加，替代处理的全磷、有机质增加量高于对照。小麦-玉米轮作第1年，各处理耕层土壤全氮含量较轮作系统小麦季播种均减少，其中替代处理减少量较小，CK-F（0.321 t/hm2）＞M1-20%F（0.096 t/hm2）＞M2-20%F（0.058 t/hm2）；第2 年 均 增 加，M2-20%F（0.593 t/hm2）＞CK-F（0.476 t/hm2）＞M1-20%F（0.339 t/hm2）。全磷含量在轮作第1年增加，替代处理增加量高于对照，M1-20%F（1.516 t/hm2）＞M2-20%F（0.994 t/hm2）＞CK-F（0.950 t/hm2）；第2 年，CK-F、M2-20%F 分别增 加0.450、0.499 t/hm2，M1-20%F 处 理 则 减 少0.079 t/hm2。全钾和有机质含量均增加，CK-F、M1-20%F、M2-20%F 处 理2 a 累 计 分 别 增 加30.292、31.392、31.605 t/hm2和16.145、25.983、21.371 t/hm2，替代处理累计增加量均高于单施化肥处理。

总之，在小麦-玉米轮作区，小麦、玉米两季实行牛粪秸秆有机肥替代20%全量化肥能够保证土壤养分的有效供给，实现两季节肥和稳产。