有机肥氮替代化肥氮比例对单季稻产量、土壤养分及氮素吸收的影响

叶 鑫隋世江陈 玥张 鑫

(辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所,辽宁 沈阳 110161)

随着畜禽规模化养殖业的迅速发展,辽宁省畜禽粪便年资源总量超过1. 40 亿t[1],大量有机肥资源得不到合理利用和妥善处理,生产中化肥施用量大幅增加,有机肥施用比重逐渐下降,导致土壤质量退化[2,3]、环境污染问题日益突出[4～6]。 有研究表明,辽宁等6 省市畜禽养殖超过其环境容量,农地氮磷污染风险指数最高,亟待控制养殖总量和强化畜禽粪便的综合利用[7]。 土壤是畜禽粪便消纳、利用的主要场所,因此,将畜禽粪便肥料化进行农田回用是其资源化利用的主要途径[8,9]。 施用有机肥有利于培肥土壤,改善土壤养分平衡状况,增加养分有效性,提高作物产量和养分利用率,从而降低化肥损失率,提高地力[10～13],同时,有利于促进畜禽粪便的资源化利用,减少农业面源污染,保证农业生产的可持续性[14,15]。有关单季稻有机肥氮替代化肥氮对稻田土壤养分、水稻养分吸收、水稻产量的影响文献较少。 本研究通过2 年田间定位试验,旨在研究有机肥替代化肥氮比例对稻田土壤养分、水稻养分吸收及水稻产量的影响,为单季稻可持续生产、有机肥合理施用提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 材料

试验于2018 年5 月～2019 年10 月,在辽宁省灯塔市张台子镇苍三家子村进行,该地区属于北温带大陆性气候,年均气温8.8 ℃,年平均无霜期171 d,年均降水量为686.0 mm。 供试土壤类型为水稻土,耕层土壤含有机质18. 7 g/kg、 全 氮 1. 13 g/kg、 全 磷 1. 11 g/kg、 全 钾24.9 g/kg,碱解氮93. 0 mg/kg、速效磷42. 2 mg/kg、速效钾170.0 mg/kg、pH 7.2。

1. 2 方法

1. 2. 1 试验设计 试验采用随机区组设计,共设5 个处理,(1)无氮肥(CK);(2)单施化肥(F),氮肥施用量为当地农民习惯施用量262.5 kg/hm2(以纯氮计);(3)有机肥替代20% 化肥氮(M1);(4) 有机肥替代40% 化肥氮(M2);(5)有机肥替代60%化肥氮(M3),其中F、M1、M2、M3 处理施用等量氮,CK 为对照,不施氮。 每个处理3 次重复,小区面积为5 m×6 m,小区间田埂高0.2 m,并用塑料薄膜包埂,以减少小区间侧渗和串流,各小区采用单排单灌的灌排系统。 所有处理磷、 钾肥用量为 P2O590 kg/hm2,K2O 135 kg/hm2,磷、钾肥不足时分别用过磷酸钙和氯化钾补齐,有机肥、磷、钾肥全部基施,F、M1、M2处理氮肥施用比例为基肥∶蘖肥∶穗肥=4 ∶4 ∶2;M3 处理氮肥施用比例为基肥∶蘖肥=6 ∶4。 供试肥料为尿素(含氮46.3%),过磷酸钙(含P2O512%),氯化钾(含K2O 60%),有机肥为抚顺宏业牧业有限公司生产(N 2. 13%,P2O51.15%,K2O 1.71%)。 试验于2018 年5 月15 插秧、10 月11 日收获,2019 年5 月20 日插秧、10 月15 日收获,插秧密度为30 cm×16.5 cm,水稻品种选用浑粳218。

1. 2. 2 测定指标 水稻收获后,采用多点混合法采集小区0 ～20 cm 土壤,风干过筛测定土壤养分。 采用重铬酸钾容量法测定有机质,凯氏定氮法测定全氮,碱解扩散法测定速效氮,H2SO4-HClO4消煮-钼锑抗比色法测定全磷,NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定有效磷,NaOH 熔融—火焰光度计法测定全钾,NH4OAC 浸提—火焰光度计法测定速效钾。

水稻收获后每小区取植株样品10 株,烘干称重,测定干物质全氮含量。 植株养分分析方法:H2SO4-H2O2消煮,全氮用靛酚蓝比色法。 各小区单收单打,统计小区产量,并折算成单产。

氮效率计算方法如下[16]:

氮素吸收量=单位面积植株地上部干物重×植株含氮量;

水稻氮素收获指数(N harvest index,NHI)= 籽粒氮素吸收量/植株氮素累积量;

水稻氮素籽粒生产效率(N grain production efficiency,NGPE)= 单位面积水稻籽粒产量/单位面积植株氮素积累量。

1. 3 数据处理与分析

用Excel 进行试验数据整理分析并作图,用SPSS 13.0 软件进行数据统计分析,采用Duncan 法多重比较,显著水平为0.05。

2 结果与分析

2. 1 不同施肥处理对水稻产量的影响

两年试验结果表明(图1),各施氮处理均比对照增产,且产量随着有机肥替代化肥氮量的增加呈现升高降低的趋势,其中2018 年增产幅度为4. 35% ～53. 26%,2019 年增产幅度为14.43%～29.96%。 等氮条件下,2018年各处理中M1 处理稻谷产量最高为9 400.05 kg/hm2,比单施化肥F 处理增产7. 08%;随着有机氮替代化肥氮比例的增加,M2、M3 处理较F 处理稻谷产量有所下降,分别下降111. 11 kg/hm2和2 377.79 kg/hm2,各处理间稻谷产量表现为M1＞F ＞M2＞M3。 2019 年各处理产量变化趋势与2018 年略有不同,与单施化肥F 处理相比,M1、M2处理分别增产5. 64%、2.81%,其中M1 处理稻谷产量最高为 9 888. 94 kg/hm2; M3 处理较 F 处理减产654.17 kg/hm2,随着有机肥施入年限的增加,高比例有机氮替代化肥氮处理与F 处理产量差距有减小的趋势。 各处理间稻谷产量表现为M1＞M2＞F＞M3。

图1 不同施肥处理对稻谷产量的影响Figure 1 Effects of different fertilization treatments on rice yield

2. 2 不同施肥处理对水稻氮素吸收的影响

不同施肥处理对水稻氮素吸收的影响如表1 所示。两年试验结果表明,施氮处理水稻籽粒吸氮量、茎叶吸氮量、总吸氮量等指标均显著高于不施氮处理。 等氮量条件下,水稻籽粒吸氮量、总吸氮量均以M1 处理最高,M1处理比F、M2、M3 处理2018 年水稻籽粒吸氮量分别增加8.96%、11.01%、25. 92%,总吸氮量分别增加6. 26%、12.85%、28. 30%;2019 年水稻籽粒吸氮量分别增加9.65%、9. 70%、25. 79%,总吸氮量分别增加9.43%、9.16%、23.45%。

表1 不同处理对水稻氮吸收量的影响Table 1 Effects of different treatments on nitrogen uptake of rice

2018 年氮素收获指数CK、M1、M2、M3 处理间差异不显著,但较F 处理氮素收获指数显著增加了4. 04% ～6.86%;氮素籽粒生产率以不施氮肥CK 处理最高,CK 处理氮素籽粒生产率较F、M1、M2、M3 处理分别高10.37%、3.87%、3.95%、9. 67%。 CK、M1 和M2 处理间差异不显著,但均显著大于F、M3 处理。 2019 年氮素收获指数M1处理较CK、F、M2、M3 处理显著提高了3. 40% ～9. 41%;氮素子粒生产率不施氮肥CK 处理最高,比F、M1、M2、M3处理分别显著提高9.41%、5.97%、3.40%、5.82%。

2. 3 不同施肥处理对土壤养分含量的影响

两年试验结果表明,与不施氮肥处理相比,施氮处理土壤养分各项指标均有不同程度的提高(表2)。 2018 年和2019 年施氮处理较CK 处理土壤全氮和碱解氮含量显著提高,全氮含量分别提高了8.86%～15.53%和18.85%～30.67%,碱解氮含量分别提高了4. 91% ～21.05%和24.29%～28.93%。 2018 年土壤全磷和有效磷含量除了M3 处理与CK 处理没有显著性差异外,F、M1 和M2 处理较CK 处理分别显著提高了1. 71%～16. 24%和1. 43%～53.45%;2019 年施氮处理土壤全磷含量较CK 处理增加6.72%～13. 45%,且F、M2 和M3 处理与CK 处理差异显著,土壤有效磷含量增加6.31%～17.30%,但处理间无显著性差异。 2018 年和2019 年施氮处理土壤全钾含量较CK 处理分别增加0.43%～2.98%和0.82%～1.65%,速效钾含量分别增加1. 03% ～4. 11%和6. 53% ～18. 17%。2018 年施氮处理较CK 处理土壤有机质含量显著增加1.43%～11.45%;2019 年有机质含量显著增加9. 26% ～18.79%。

表2 不同施肥处理对土壤养分含量的影响Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient content

等氮条件下,与单施化肥F 处理相比,2018 年有机肥氮替代化肥氮(M1、M2、M3)处理土壤有机质含量增加了0.65%～9. 88%,其它土壤养分含量较F 处理略有降低;2019 年有机肥氮替代化肥氮处理较单施化肥F 处理土壤全氮、全磷、全钾含量分别提高了2. 42%～9. 95%、1. 57%～6.30%、0.41%～1.23%;碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加了2. 01% ～3. 73%、0. 79% ～10.34%、0. 57% ～10.92%;有机质含量增加了6.72% ～8. 72%。 随着有机肥施用时间的延长,有机无机肥料配施对土壤养分的提高作用优于单一的化学肥料施用,各项土壤养分指标均有增幅。

3 讨论

许多研究表明,有机肥与化肥合理配施能起到保障水稻稳产增产的作用[17～19]。 刘守龙等研究结果表明,等养分投入情况下,随着培肥时间的延长,土壤基础地力的提高,单施化肥、有机肥替代化肥等施肥方式之间的产量差异将逐渐减小[10]。 徐明岗等研究结果表明,等氮量150 kg/hm2条件下,与单施化肥相比,有机肥氮占总氮50%时水稻产量不下降或略有提高,稳产性增强[12]。 本试验结果显示,等氮条件下,与单施化肥处理相比,施入20%～40%的有机肥氮处理水稻产量增产或持平,有机肥替代60%化肥氮处理产量降低,但第二年产量差异减小,这与前人研究结果基本一致[10,12]。 高比例有机肥的投入导致肥料中矿质养分含量降低,同时高碳氮比造成土壤微生物与水稻争氮,影响水稻早期的氮素供应[20],但随着有机肥施用时间的延长,有机肥养分释放的缓效性可持续为作物生长供应养分,增产作用将逐年得以充分发挥。

张小莉等研究指出,与单施化肥处理相比,有机无机配施用处理显著提高水稻氮素积累量[21]。 周江明研究结果表明,有机肥氮占总氮20%时水稻氮素累积量最高,与高比例70%和100%有机肥氮相比,氮素累积量平均显著增加19. 3%和39. 6%,与单施化肥处理相比差异不显著[13]。 刘红江等研究结果表明,在等氮量替代条件下,50%有机肥替代化肥能够显著提高水稻的氮素累积[16]。本研究结论与前人研究结果基本一致,20%有机肥替代化肥氮处理水稻氮素累积最高,与单施化肥处理相比,氮素累积量平均增加8. 55%;与40%和60%有机肥替代化肥氮处理相比,氮素累积量平均显著增加 12. 41% 和35.05%。 有机无机配施既补充了稻田系统中的土壤养分,同时使土壤中微生物的种群和数量增加[22,23],促进了有机物养分的释放,改善了土壤的养分供应状况,保证了水稻各生育时期的养分供应[24,25],促进茎叶和籽粒产量的提高,进而增加了水稻总吸氮量[13]。

大量研究表明,有机无机配施可以改良土壤结构,增大土壤养分容量及其供应强度,提高土壤微生物种群和数量,提升土壤质量具有积极作用[10,26,27]。 本研究结果表明,经过2 年田间定位试验,与单施化肥F 处理相比,有机肥氮替代化肥氮处理土壤全氮、全磷、全钾含量分别提高了2.42%～9.95%、1. 57%～6. 30%、0. 41%～1. 23%;碱解氮、有效磷、速效钾含量分别增加了2. 01%～3. 73%、0.79%～10. 34%、0. 57% ～10. 92%;有机质含量增加了6.72%～8.72%。 长期施用有机无机肥料对土壤养分的提高作用优于单一的化学肥料。

4 结论

在等氮量替代条件下,有机肥氮占总氮量的20% ～40%比例,有利于水稻的稳产增产,比不施氮处理产量平均增加33.10%～40.36%,比单施化肥处理产量平均增加0.84%～6. 34%;有利于水稻茎叶、籽粒的养分吸收,提高水稻氮素累积量;土壤有机质和氮磷钾的养分含量明显高于单施化肥处理。 由此可见,在北方单季稻生产中,有机肥氮占总氮量的20%～40%是较为适宜的比例。