砂姜黑土区小麦玉米轮作制下有机肥适宜替代比例研究

王文军，王道中

（安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室，合肥 230031）

0 引言

新中国成立以来，化肥施用在保障粮食安全、推动经济发展、维护社会稳定等方面发挥了巨大作用[1]，2010年以后，中国粮食年人均稳定超过400 kg，粮食安全的压力有所减轻[2]，因化肥不合理施用带来的土壤质量退化及农田面源污染等问题受到了受到越来越广泛的重视[3-5]，2015年2月，农业部印发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，2017年9月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发《关于创新体制机制推进农业绿色发展的意见》，中国肥料的使用目标从过去单一的保证粮食安全转变为保证粮食安全与环境安全的双目标[2]。通过有机肥替代部分化肥，在不减产甚至增产的前提下减少化肥的施用，是中国深入开展化肥零增长行动，加快推进绿色农业发展的重要措施[6]。国内外大量的试验结果均表明有机肥无机肥配施能提高作物产量和土壤养分含量[7-9]，但对有机肥替代化肥适宜比例的研究结论却不尽相同，仅以小麦、玉米为例，赵隽等[10]在山东省的研究表明，小麦上牛粪替代50%的化肥时，平均增产3%以上，而高飞等[11]在江苏省的研究结果，商品有机肥替代化肥比例为20%～80%时，小麦产量明显降低，有机肥氮替代50%化肥氮，玉米产量一直高于其他处理，吕凤莲等[12]在塿土上的研究结果，牛粪为有机肥源替代75%化肥氮，玉米产量最高。前人的研究结果可以看出，不同地区、不同土壤类型、不同作物上适宜的有机肥替代比例不同，此外，有机肥残效迭加效应随着试验年限的增加而变化，因此，只有通过连续多年的定位研究，才能得出适合区域的有机肥替代化肥的适宜比例；砂姜黑土是黄淮海平原主要土壤类型之一，小麦玉米轮作为主要轮作方式，以往的研究多集中在有机肥与无机肥配合施用或固定的有机肥替代比例对作物产量的影响[13-14]，而对轮作制下适宜有机肥替代比例的研究未见报道。本研究利用开展8年的定位试验，旨在探明连续多年有机肥替代部分化肥对小麦、玉米产量及土壤肥力的影响，提出砂姜黑土区小麦玉米轮作制适宜的有机肥替代比例，以期为减少化肥用量、实现作物高产稳产和培肥土壤提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验在国家土壤质量太和观测实验站蒙城马店基地进行(116°37′E，33°13′N)，地处淮北平原，暖温带半湿润季风气候区，年平均气温14.8℃，无霜期212天，常年降水量600～900 mm。供试土壤为砂姜黑土。

试验于2012年开始，设7个处理：（1）不施氮肥对照(CK)；（2）常量化肥(F)；（3）在常量化肥基础上有机肥氮替代20%化肥氮(F0.8M0.2)；（4）在常量化肥基础上有机肥氮替代40%化肥氮(F0.6M0.4)；（5）在常量化肥基础上有机肥氮替代60%化肥氮(F0.4M0.6)；（6）在常量化肥基础上有机肥氮替代80%化肥氮(F0.2M0.8)；（7）有机肥氮替代100%化肥氮(M)。小区面积30 m2，重复3次，随机区组排列。氮肥品种为尿素，含氮46%，磷肥品种为普通过磷酸钙，含P2O512%，钾肥品种为氯化钾，含K2O 60%，有机肥为牛粪，施用量根据当年养分测定结果，以全N含量为标准折算。除不施氮肥处理外，所有处理等氮等磷设计，牛粪处理不足的部分用尿素和过磷酸钙补齐，牛粪中含量超出的，与牛粪中含量保持一致。牛粪于小麦、玉米种植整地前一次性施入各处理小区，人工或机械耕翻，与土壤充分混匀。各处理在小麦、玉米季施肥量见表1。

表1 试验处理及施肥量 kg/hm2

1.2 研究方法

1.2.1 小麦、玉米产量 于收获期将各处理小区的小麦、玉米全部收获，单独脱粒计产。

1.2.2 土壤样品采集与分析 2019年秋季玉米收获后采集不同处理土样。农化分析样取样深度0～20 cm，用土钻从每个小区中随机采取5个样点，混合后为1个混合样，室温下风干后磨细。pH使用电位法测定，有机质重铬酸钾容量法-外加热法测定，全氮开氏蒸馏法测定，碱解氮碱解扩散法测定，速效磷碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾乙酸铵浸提-火焰光度法测定;土壤容重测定方法为环刀法，取样深度0～15 cm，每小区随机采集5个样点。

1.3 数据处理

采用Excel作图，不同处理间的数据用SPSS进行差异性检验和多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同替代比例对作物产量的影响

2.1.1 不同替代比例对小麦产量的影响 由图1可以看出，各年度产量和多年平均产量均以CK处理最低，单施化肥、有机肥或有机肥无机肥配施均能提高小麦产量，多年平均增产117.3%～347.2%，表明在砂姜黑土上增施氮肥仍是提高小麦产量的关键。施肥处理间，F0.8M0.2处理多年平均产量最高，较F处理增产1.8%，随着有机肥替代比例增加，小麦产量逐渐降低，F0.6M0.4处理较F处理减产1.8%，差异并不显著，F0.4M0.6、F0.2M0.8、M处理较单施化肥处理产量分别下降12.0%、24.6%、35.1%，产量差异均达到显著水平。进一步分析可以得出，F0.6M0.4、F0.4M0.6、F0.2M0.83个处理，前4年平均产量分别为单施化肥处理的95.8%、81.3%、73.3%，而后4年则分别为100.3%、94.2%、81.9%，表明随着有机肥无机肥配施年限的增加，土壤肥力水平提高，小麦产量水平有逐渐升高的趋势。

图1 连续有机替代小麦产量变化趋势

根据有机肥替代比例和多年平均产量的关系，拟合出小麦产量(y)和有机肥替代比例(x)之间的一元二次方程(1)。根据公式计算得出，有机肥替代比例为10.4%时小麦产量最高。

2.1.2 不同替代比例对玉米产量的影响 由图2可知，各年度产量和多年平均产量同样以CK处理最低，单施化肥、有机肥或有机肥无机肥配施均能提高玉米产量，多年平均增产46.7%～72.7%，同样表明在砂姜黑土上增施氮肥仍是提高玉米产量的关键。施肥处理间，F0.8M0.2处理多年平均产量最高，较F处理增产5.2%，其次为F0.6M0.4处理，较F处理增产0.2%。F0.4M0.6、F0.2M0.8处理虽然产量低于F处理，但差异并不显著。M处理产量低于F处理，差异达显著水平。

图2 连续有机替代玉米产量变化趋势

根据有机肥替代比例和多年平均产量的关系，拟合出玉米产量(y)和有机肥替代比例(x)之间的一元二次方程(2)。根据公式计算得出，有机肥替代比例为25.6%时玉米产量最高。

2.1.3 不同替代比例对年度产量的影响 图3可以看出，小麦玉米轮作制下，小麦玉米两季作物周年产量以不施肥处理最低，单施化肥、有机肥或有机肥无机肥配施均能提高小麦玉米周年产量，多年平均增产79.9%～141.0%。施肥处理间，F0.8M0.2处理多年平均产量最高，较F处理增产3.5%，随着有机肥替代比例增加，周年平均产量逐渐降低，F0.6M0.4、F0.4M0.6处理较单施化肥处理产量分别下降0.7%、6.0%，差异不显著。F0.2M0.8和M处理周年平均产量较单施化肥处理分别下降12.8%、22.7%，差异达显著水平。

图3 连续有机替代年度产量变化趋势

根据有机肥替代比例和多年周年平均产量的关系，拟合出周年产量(y)和有机肥替代比例(x)之间的一元二次方程(3)。根据公式计算得出，有机肥替代比例为15.4%时周年产量最高。

2.2 不同替代比例对土壤理化性质的影响

2.2.1 不同替代比例对土壤pH的影响 图4的结果看出，F处理较CK处理pH下降了0.55个单位，说明增施氮肥能够促进土壤酸化。与单施化肥相比，有机肥无机肥配施均能提高土壤pH，随着有机肥替代比例的提高，土壤pH逐渐提高，F0.8M0.2、F0.6M0.4处理pH分别增高0.46、0.57个单位，但未达到显著水平；F0.4M0.6、F0.2M0.8、M处理pH分别增高0.89、0.99、1.07个单位，差异均达显著水平，可见适当增施有机肥可以减缓土壤酸化进程。

图4 不同处理对土壤pH的影响

2.2.2 不同替代比例对土壤容重的影响 图5看出，CK、F处理土壤容重较高，分别达1.38 g/cm3和1.37 g/cm3，配施有机肥处理，土壤容重均有不同程度降低。与F处理相比，F0.8M0.2、F0.6M0.4、F0.4M0.6处理容重分别下降0.030、0.05、0.062 g/cm3，降幅为2.2%、4.0%和4.5%，方差分析结果，差异不显著。F0.2M0.8和M处理与F处理相比，容重分别下降0.076、0136 g/cm3，降幅为5.6%和9.8%，方差分析结果，差异达显著水平。

图5 不同处理对土壤容重的影响

2.2.3 不同替代比例对土壤有机质和养分含量的影响土壤有机质是土壤肥力的核心，土壤有机质的变化是作为反映土壤肥力演变的重要指标。表2结果可知，CK处理有机质最低，与其他处理间的差异均达显著水平。原因是CK处理产量最低，返回土壤中的有机碳量最低。施用氮肥处理间，F处理有机质最低，增施有机肥均可以提高有机质含量，且随着有机肥替代比例的增加，土壤有机质含量逐渐增高，F0.8M0.2、F0.6M0.4处理较F处理有机质含量分别提高7.9%和10.0%，但差异并不显著，F0.4M0.6、F0.2M0.8和M处理较F处理有机质含量分别提高22.1%、25.2%%和30.7%，差异均达显著水平。

土壤全氮和碱解氮的含量均能反映土壤氮素肥力水平的高低。不施氮肥的CK处理，土壤氮素处于耗竭状态，全氮和碱解氮含量均最低，与施氮处理间的差异均达显著水平。施氮处理间，F处理土壤全氮含量最低，增施有机肥可以提高土壤全氮含量，且随着有机肥替代比例的增加，土壤全氮含量逐渐增高，但差异并不显著；碱解氮含量的变化规律与全氮并不一致，F处理土壤碱解氮含量高，但与其他处理间的差异并不显著（表2）。

土壤有效磷(Olsen-P)能够反映土壤磷素状况与供磷水平。不同处理间以CK处理有效磷含量最高，F、F0.8M0.2、F0.6M0.4处理含量较低，与不同处理间作物产量水平不同有关，CK处理产量较低，作物收获带走的磷较少，而F、F0.8M0.2、F0.6M0.4处理产量较高，作物收获带走的磷较多（表2）。

表2 不同替代比例对土壤养分含量的影响

表2的结果还可以看出，CK处理土壤速效钾含量高于F、F0.8M0.2处理，其原因还是因为CK处理产量较低，作物收获带走的钾较少。有机肥与无机肥配施处理土壤速效钾的含量均高于F处理，与钾素投入量的多少及作物收获携出钾量多少有关。

3 结论

砂姜黑土区小麦玉米轮作下，小麦季适宜的有机替代比例为20%，玉米上为40%，高于这一比例，小麦、玉米产量下降，随着试验年限的延长，有机肥残效迭加效应增加。有机肥替代部分化肥可以有效控制土壤pH值下降，降低土壤容重，改善土壤生态环境，可以提高土壤有机质和全氮含量，提高土壤肥力水平；作物的产量效应受有机肥替代比例、土壤性质、气候条件、试验持续年限和施肥水平等众多因素的影响，只有通过连续多年的定位研究，才能得出适合区域的有机肥氮替代化肥氮的最佳比例。

4 讨论

4.1 有机肥适宜替代比例

化肥减施并合理配施有机肥可确保粮食安全与环境友好，是保障集约与可持续农业双赢局面的一个重要因素[15]。中国有长期施用有机肥的传统和习惯，施用有机肥保证了中国几千年来农业的发展和土壤肥力的维持。但一段时间内，由于化肥的推广普及，有机肥施用比例不断降低，为了获得较高的产量，化肥用量不断增加，化肥利用率和利用效率大幅度下降，由此引发了一系列资源环境问题。2015年，中国化肥使用量零增长行动实施以来，围绕有机替代，国内学者开展了大量的研究，涉及的作物种类有小麦、水稻、玉米、油菜、蔬菜、水果等，土壤类型有黑土、红壤、潮土、塿土、黄绵土、水稻土等，地域分布上从东南沿海直到西北内陆，从总体上看，有机肥替代部分化学氮肥能够保证作物稳产，但不同生态条件下有机肥适宜替代比例却不尽相同，表明有机肥适宜的替代比例与土壤、气候、施肥水平、产量水平及试验年限等关系密切，因此，有必要开展不同区域适量施肥下适宜的有机肥替代比例研究，为指导有机肥的合理施用提供依据。

本试验的研究结果，有机肥替代比例为20%时，小麦增产1.8%，有机肥替代比例为40%时，小麦产量低于全部施用化肥处理，有机肥替代比例为10.4%时，可获得最高小麦产量；而在玉米上有机肥替代40%时，玉米产量略有增加，有机肥替代比例为25.6%时，可获得最高玉米产量，可见在玉米上，有机肥适宜替代比例高于小麦。原因是温度影响有机肥中的氮素矿化，随着温度升高，一方面土壤中可溶性矿化底物扩散增强，易矿化氮库容增加，更易于被微生物利用，另一方面土壤嗜温微生物含量增加，有机肥氮素矿化量也随之增加[16-17]。降水也影响有机肥氮素矿化，在一定的含水量范围内，有机肥氮素净矿化量随水分含量增加而增加[18-19]，这主要是因为充足的水分条件利于微生物繁衍、利于提高微生物活性。玉米生长期正值砂姜黑土区高温多雨季节，有机氮矿化速率和矿化量较高，能够有效补充因化学氮肥减施而引发的氮素不足。

有机肥替代化肥对作物产量的影响受有机肥施用年限的影响，本试验的研究结果，有机肥替代比例为40%～80%时，试验后4年各处理产量与F处理产量比值呈上升趋势，2019、2020年F0.6M0.4处理产量甚至高于F处理。赵隽等[10]在山东省的研究结果，试验第一、二年，有机肥无机肥配施处理产量低于单施尿素处理，其后3年，有机肥无机肥配施处理产量高于单施尿素处理。Yang等[20]试验结果也表明，试验初期有机无机肥配施对产量没有显著影响，而随着时间的延长，其增产效果显著。主要原因是有机肥中的氮大部分为有机氮，而有机氮必须矿化为无机氮后才能被作物吸收利用，有机肥中的有机氮当季或当年矿化率较低，因而，有机肥料中的氮均有一定残效，并存在明显的残效迭加现象，随着有机肥替代年限的增长，土壤氮素矿化量增多，作物产量也随之提高。

4.2 有机肥替代化肥对土壤理化性状的影响

在当前高投入高产出的现代农业中，土壤pH的持续下降，即土壤酸化，已成为全球耕地最为普遍的过程[21]。过量使用氮肥是中国土壤酸化的主要原因，其次为作物收获产量带走盐基离子[1]。本试验研究结果，F处理土壤pH最低，较不施氮肥的CK处理下降了0.55个单位，配施有机肥处理，土壤pH均有所提高，除了氮肥用量减少，有机物料投入弥补农产品移除引起的土壤碱性物质损失，是有机肥替代化肥延缓土壤酸化的主要原因。

本试验结果，有机肥替代部分化肥后，表层土壤土壤有机质、全氮含量均有所提高，与前人的研究结果一致[22]。陶玥玥等[23]、张奇茹等[24]研究认为，有机肥替代部分化肥，能降低无机磷的固定并促进无机磷的溶解，减少磷、钾固持，提高土壤有效磷和速效钾含量。而本试验结果，等量磷投入条件下，CK处理有效磷含量最高，F0.8M0.2处理土壤有效磷含量低于F处理，表明土壤有效磷和速效钾含量的变化除与磷、钾固持和溶解有关外，还与磷、钾素投入与携出量有关。在等量磷素投入下，F0.8M0.2处理小麦、玉米产量均高于F处理，因而作物收获携出的磷素量较高，因而土壤有效磷含量较低；CK处理产量较低，磷素的盈余量最高，土壤有效磷含量最高；F0.4M0.6、F0.2M0.8、M处理产量较低，作物收获携出的磷量较低，加上磷素的有效性提高，土壤有效磷含量高于F处理。