有机肥替代部分化学氮肥对连作棉田土壤氮分布及氮肥吸收利用的影响

罗雪梅，陈明媛，王宁宁，郭睿，刘建国

（石河子大学农学院新疆兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832003）

0 引言

2015年，为贯彻落实中央农村工作会议、中央1号文件和全国农业工作会议精神，推进化肥减量提效、农药减量控害，探索产出高效、产品安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路，原国家农业部制定了《到2020 年化肥使用量零增长行动方案》，方案提出了“精、调、改、替”4条技术路径，其中的“替”就是有机肥替代化肥。具体是指通过合理利用有机养分资源，用有机肥替代部分化肥，实现有机无机相结合，提升耕地基础地力。家畜粪便作为简便易得的有机废弃物，与化肥配合施用不仅能够增加土壤有机物归还量，提高土壤酶活性与微生物数量[1]，还能促进土壤中活性有机质积累，改善土壤质量[2]。杨清龙等[3]通过长期定位施肥试验表明有机无机肥配施能够促进作物干物质与氮素积累量增加，提高氮素利用效率，并与单施化肥相比氨挥发损失减小，与单施有机肥相比N2O 排放降低。梁浩等[4]也认为有机无机肥配施在保证作物获得较高产量情况下，能减少硝态氮向下淋洗，提高水氮利用效率，有利于保持土壤氮素平衡关系。在一定范围内增加有机肥比例，有利于促进光合产物与氮素向作物生殖器官中积累和转运，提高作物对氮素的吸收利用，进一步减少氮素在土壤中残留损失[5]。但也有其他学者认为在有机肥替代作用下作物产量与氮素利用效率会随着氮肥施用量的增加而增加[6]。

目前，有机无机配施在替代比例[7]、作物种类[5,7]、作物生理指标[8-10]、土壤养分变化[4]等多方面均有研究，但其受环境气候、土壤类型、田间管理等方式的不同而表现出较高差异性，因此，在匹配当地种植特征条件下研究施肥量与施肥种类对作物生长发育与土壤养分状况变化具有十分重要的指导意义。自2000 年以来新疆棉花种植面积整体呈现不断增加态势，并逐步趋于平稳，至2021年新疆植棉面积达250.62万hm2[11-12]，连年大面积种植棉花不可避免产生连作障碍，棉田土壤微环境发生改变[13-14]。另一方面，北疆棉田长期采用“连作+全量棉秆还田+高化肥投入”种植模式下的农业培肥制度，棉花种植农户的化肥施用量（折纯量）平均达到610.20 kg/hm2，过量施用率就已占到实际施用量的59.6%[15]，长期不合理施肥管理显著地改变了土壤养分的比例和形态组成，导致土壤养分有效性降低，制约着农业和环境的可持续发展。因此本试验探究不同比例有机肥替代化肥氮条件下，新疆长期连作棉田土壤氮素吸收、分布与利用规律，将化肥减量增效行动与新疆地域性生产特征结合，以期为提高新疆棉花氮肥利用率，优化施肥方案提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2021年4—10月在新疆石河子市石河子大学农试场(85°48′E，44°44′N)进行，供试土壤类型为灌耕灰漠土，质地为中壤土，其他土壤基本理化性质见表1。

表1 不同土层土壤基本理化性质

供试棉花品种为‘惠远720’，试验地块常年连续种植棉花，每年机采收获时棉秆全量粉碎还田。供试肥料为尿素（含N 46%）、磷酸一铵（含N-P2O5-K2O：12-60-0）、硫酸钾（含K2O 51%），以羊粪为主的商品有机肥（含N 4%）。

1.2 试验设计

试验共设8 个处理，分别为：CK（不施肥）；CF（当地常规纯氮施用量，360 kg N/hm2）；CF-8%（比常规施氮量减少8%）；CF-16%（比常规施氮量减少16%）；CF-24%（比常规施氮量减少24%，273.6 kg N/hm2）；8% OF（总施氮量360 kg N/hm2不变，有机肥等量替代纯氮施用量的8%）；16% OF（有机肥等量替代纯氮施用量的16%）；24% OF（有机肥等量替代纯氮施用量的24%）。其中，有机肥全部一次性基施，均匀撒施后翻耕，深度20～25 cm，N、P、K化肥全做追施,磷肥施用量为P2O5144 kg/hm2，钾肥施用量为K2O 144 kg/hm2。全生育期共灌水量为4500 m3/hm2，灌水9 次，灌水周期7～10 d，化肥均随水滴施，按需肥规律少量多次施用，见表2。本试验采用随机区组设计，各处理3 次重复，共计24 个小区，每小区面积为46 m2，采用膜下滴灌，宽窄行种植模式，行距66 cm + 10 cm，株距9.5 cm，一膜6 行，3条滴灌带。2021年4月25号播种，干播湿出，4月28号滴出苗水，其他田间管理措施同大田生产一致。

表2 棉花全生育期施肥比例 %

1.3 样品采集与测定

分别在棉花蕾期、花铃期、吐絮期取样，在各试验小区选取长势均匀的3株棉花植株，带回实验室，分为茎、叶、生殖器官3 部分，烘干称重。棉花吐絮后各试验小区选取20 株测定单株铃数、单铃重，各小区单收测定籽棉产量。棉花机采收获后在各试验小区内采用“之”字形采样方法选取5 个样点，用土钻分别钻取0～20、20～40、40～60 cm 深度土样，剔除植物残体和其他杂物，把同一土层深度土样混匀，避光风干处理，磨细后过2 mm筛，用于室内养分分析。

土壤铵态氮含量测定采用KCL 浸提—靛酚蓝比色法，硝态氮含量测定采用酚二磺酸比色法，土壤全氮含量采用凯氏定氮法，土壤有机碳采用重铬酸钾容量法—外加热法。氮肥农学利用率、氮肥偏生产力与氮肥贡献率计算公式如式(1)～(3)所示。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010 软件处理数据，采用SPSS 17.0 软件进行方差分析(P＜0.05)，利用Sigmaplot 14.0软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下棉花干物质积累与分配变化

如表3 所示，不同施肥处理下棉花干物质积累总量在花铃期达到最高，且不同生育时期内随着化肥施用量的不断减少与有机肥比例的不断增加干物质积累总量均表现出先增加后减小的变化趋势，花铃期16% OF处理棉花干物质积累总量最高，分别比24% OF、8% OF、CF-24%、CF-16%、CF-8%、CF 高出40.87%、41.70%、110.08%、96.27%、98.20%、111.50%。且总体来看，棉花各处理间茎、叶与生殖器官单株干物质量也表现出相同变化趋势。在棉花蕾期减施氮肥各处理间、有机肥替代各处理间茎、叶、生殖器官单株干物质量差异均不显著，但16% OF 处理下的单株茎、叶干物质量均显著高于减施氮肥各处理；花铃期各器官单株干物质量则表现为16% OF 显著高于8% OF、24% OF，同时又显著高于减施氮肥与CF处理，但各减施氮肥处理间差异不明显；吐絮期16% OF生殖器官单株干物质量较8% OF、24% OF 分别高出54.94%、48.68%，CF-16%与CF-8%、CF-24%与CF处理间差异不显著，但前者较后者间显著增高。

表3 不同施肥处理下干物质积累与分配变化

棉花各器官干物质积累动态表现为叶片和茎秆的干物质积累随生育时期先上升后下降，生殖器官则是逐渐增加。从植株不同部位分配占比来看，棉花蕾期主要以营养生长为主，有机肥替代处理下茎占比较CF高，叶占比较CF低；花铃期茎叶干物质占比与吐絮期叶占比有机肥替代均较CF高，而生殖器官占比则相反。

2.2 不同施肥处理下棉花产量及氮肥利用率变化

不同施肥处理对棉花产量及产量构成的影响见表4，不同施肥处理间单株结铃数、单铃重、籽棉产量表现为有机肥替代化肥处理最高，其次是减施氮肥处理，再次为CF，CK 处理最低。各施肥处理间单株结铃数无明显变化规律，仅16% OF处理显著高于CF，CF与CF-24%处理间差异不明显。各施肥处理单铃重变化范围在5.25～5.52 g，16% OF 与24% OF 单铃重差异不明显，但均显著高于其他施肥处理。在棉花高密度种植下，加上各施肥处理间单株结铃数与单铃重的相似变化规律，籽棉产量也表现出相同变化趋势且与单株结铃数、单铃重之间呈现正向关系，16% OF处理籽棉产量最高可达8624.7 kg/hm2，分别较24% OF、8% OF、CF、CK 高了2.36%、7.48%、17.96%和46.53%，有机肥替代处理产量较CF 均显著增加，减施氮肥处理间表现为CF-16%＞CF-8%＞CF-24%＞CF，CF-16%较CF 差异增加。除CK 外，其他施肥处理较CF 增产率均大于0，CF-24%较CF增产率最低，与CF产量接近。

表4 不同施肥处理下棉花产量及产量构成变化

不同施肥处理下氮肥农学利用率、氮肥偏生产力、氮肥贡献率变化见图1。氮肥农学利用效率随着化学氮肥施用量的减少先增加后下降，CF-16%显著高于CF，配施有机肥各处理间表现为16% OF＞24% OF＞8% OF，且均显著高于CF。减施氮肥处理产量没有明显下降但施氮量减少，氮肥偏生产力表现为减量施氮处理显著高于CF，有机肥替代处理间16% OF最高，但均显著高于CF。氮肥贡献率也表现为16% OF、24% OF处理间显著高于减施氮肥处理与CF处理，CF-16%显著高于CF。

图1 不同施肥处理下氮肥农学利用率、氮肥偏生产力与氮肥贡献率变化

2.3 不同施肥处理下土壤有机碳分布变化

棉花收获后较播前基础地力有机碳含量变化见图2。从0～60 cm 土层有机碳总量来看，除CF-24%处理较播前基础地力有所下降外，其他减施氮肥与CF处理间差异均不明显，随着有机肥替代比例的增大有机碳总量也不断增加。有机碳含量主要集中在0～40 cm土层中，0～20 cm土层中减施氮肥各处理间差异不明显，而有机肥替代处理随替代比例的不断增大含量不断增加，且互为差异显著性关系；20～40 cm 土层24% OF 与16% OF处理间差异不显著，但均显著高于8% OF、CF，CF、CF-8%、CF-16%处理较基础地力含量无明显增加，但CF-24%含量显著降低。40～60 cm 土层各施肥处理间有机碳含量均无显著差异，但均显著高于CK。

图2 不同施肥处理下土壤有机碳分布变化

2.4 不同施肥处理下土壤全氮分布变化

不同施肥处理间土壤全氮含量的变化见图3，随土层深度的加深，各施肥处理土壤全氮逐渐下降，变化范围在0.75～1.40 g/kg。随着化肥施用量的不断减少0～60 cm土层全氮总量不断降低，其中CF处理较播前基础地力增加；16% OF 与24% OF 处理分别较播前基础地力高出7.79%、1.56%，而16% OF 又较CF 高出2.06%。0～20 cm 土层内随着化肥的减施全氮含量逐渐减少，16% OF 与24% OF 处理较CF 含量增加，16% OF增幅最高，为7.69%。20～40 cm土层中单施化肥处理表现为CF最高，其次为CF-16%、CF-24%，有机肥替代处理中仅16% OF 处理较CF 含量增高，增幅为3.25%。40～60 cm土层中CF含量最高，其他施肥处理间无明显变化规律。

图3 不同施肥处理下土壤全氮分布变化

2.5 不同施肥处理下土壤硝态氮与铵态氮分布变化

如图4 所示，棉田基础地力0～60 cm 土层硝态氮含量随深度变化为先增加后下降的趋势，20～40 cm土层含量最高，而施肥处理均表现为随着土层深度的加深逐渐下降。棉田收获后各施肥处理除CK处理外硝态氮含量均显著增加，单施化肥处理0～60 cm 土层表现为CF＞CF-8%＞CF-16%＞CF-24%，CF处理与其他处理间差异显著，CF-16%与CF-24%处理间差异不显著。有机肥替代处理间0～20 cm土层变化为16% OF＞CF＞24% OF＞8% OF，20～60 cm 土层为CF＞16% OF＞24% OF＞8% OF。0～20 cm 土层16% OF 处理与24% OF、8% OF 间差异显著，但24% OF 和8% OF 间差异不显著。20～60 cm 土层硝态氮含量随有机肥替代比例的增加逐渐下降，CF、16% OF、24% OF和8% OF处理间差异显著。

图4 不同施肥处理下土壤硝态氮分布变化

不同施肥处理铵态氮含量变化与硝态氮一致，均表现为随土层的加深含量逐渐下降（图5），40～60 cm土层的铵态氮含量明显低于0～20 cm 和20～40 cm 土层。在0～40 cm 土层内随有机肥替代比例、化肥氮施用量的增加铵态氮含量不断增加。0～20 cm 土层内，16% OF与8% OF处理间铵态氮含量差异不显著，但均显著低于24% OF；20～40 cm土层有机肥替代处理间差异不显著。0～40 cm土层CF与CF-8%、CF-16%与CF-24%处理间差异均不显著，但CF、CF-8%显著高于CF-16%、CF-24%处理。总体来看，40～60 cm 各施肥处理间差异不显著，但均高于CK对照，CK处理0～60 cm各土层硝态氮含量均低于棉田基础地力。

图5 不同施肥处理下土壤铵态氮分布变化

3 结论

在本试验针对新疆棉田长期“连作+高化肥投入+全量棉秆还田”培肥条件下，通过减少施用化肥与有机肥替代部分化肥均能提高棉花对氮肥的吸收利用同时不减少产量，总体表现为有机肥替代部分化肥＞减施氮肥＞常规施肥，可以作为减氮保产的施肥方案。化肥施用量的减少让棉田土壤收获后各土层中盈余有效态氮铵态氮与硝态氮含量下降，避免了氮素浪费，而有机肥的替代施用让深层土壤硝态氮累积逐渐减少，表层土壤铵态氮含量逐渐增加，降低了氮素损失风险，土壤肥力状况也得到改善。因此，从优化施肥量来看CF-16%表现最佳，从提高氮肥吸收利用、棉株产量与改善氮素含量及分布、土壤肥力状况角度综合分析，16% OF为最优施肥处理。

4 讨论

土壤有机碳对土壤肥力及环境具有重要意义。施用有机肥是农田土壤有机碳输入的主要来源，不仅可以改善耕地土壤肥力状况，还能提高土壤高产、稳产性能[16]。在本试验中有机肥替代0%～24%化肥范围内0～40 cm土层有机碳含量表现为随着有机肥替代比例的增大而逐渐增加，这与GUO等研究结果一致[17]。施用有机肥进入土壤中的有机碳，属于土壤有机碳中活跃、易被转化的组分，在土壤微生物作用下经矿化作用会被转化为矿质养分供给植物吸收利用[16]，而继续增施有机肥，土壤C/N 升高，导致其分解速度减慢，在土壤中留存数十年之后才能被完全降解。除CF-24%外，各土层CF、CF-8%、CF-16%有机碳含量与播前基础地力无显著差异。

土壤全氮是所有形式有机态氮与无机态氮的总和，为作物生长发育提供稳定氮源，是综合评价土壤供氮能力的重要指标[18]。曲文凯等[19]研究结果表明土壤全氮含量随着施氮量的增加而增加，且土壤全氮的累积主要集中在0～40 cm 土层中，过量施用氮肥会导致土壤中硝态氮的淋失与残留[20]，这与本研究结果相一致。与CF相比较，有机肥替代处理中16% OF 0～40 cm土层全氮含量增加，表明在相同施氮量情况下，有机肥替代16%化肥能够增大0～40 cm土层氮库容量。一方面有机肥的施入会导致土壤微生物大量繁殖，土壤中氮素固持作用加强，有利于有机态氮贮存于土壤当中，进而增大土壤氮库容量[21]。另一方面棉株生长发育中后期对氮素需求量增大，土壤中固持的氮素被微生物释放供给植物利用[22]，土壤全氮含量也会增加。本试验中有机肥替代处理下硝态氮含量主要集中在0～20 cm土层中，16% OF显著高于CF，而20～60 cm土层随着有机肥替代比例的增大逐渐减少。有机无机肥配施可以更有效的减少硝态氮向深层土壤迁移，这与YANG等[23]研究结果一致，考虑与基施有机肥有关，有机肥通过增加表层土壤有机质含量，增强表层土壤对硝态氮的吸附固持，从而抑制硝态氮向下迁移[24]。0～20 cm土层24% OF 处理铵态氮含量较CF 增加，40～60 cm 土层减少同上理，亦或24% OF 处理施用有机肥增多，收获后或由于棉株吐絮期汲取养分较少，缺少植株利用这一环节后，土壤中残留氮素微生物固持作用加强，导致铵态氮含量增加。而8% OF 与24% OF 棉田土壤收获后全氮、硝态氮含量较CF却并未增加，分析原因可能是本试验按作物需肥规律少量多次的施肥模式导致，CF 各生育阶段中未被利用氮素除损失外在土壤当中不断累积，而8% OF处理较CF化肥施用占比下降且配施少量有机肥，有机肥的施用能促进土壤微生物的生长繁殖，在棉花生育前期土壤微生物能将多余氮素固定在微生物体内，到棉株需氮关键期又将氮素释放以供植物吸收利用，进而棉花收获后土壤中残留氮素减少；24% OF 处理施用有机肥占比较高，导致土壤微生物数量增多固定的氮素增加，同时又因减氮比重较大，致使作物生长关键期土壤中矿质态氮含量减少，植株与土壤微生物间产生竞争关系，易引起供给作物养分不足[25]，但有机肥又具缓效性、分解缓慢等特点[16]，能在作物全生育期内缓慢释放养分，持续供应作物吸收利用，故土壤中盈余氮素较少。这点也与前人研究一同证实了合理的有机无机肥配施比例能良好的调控土壤中氮素固持与释放关系，进而协调土壤氮素的供应[3,26]。

土壤、作物、环境三者之间相互影响、相互制约。施用有机肥进入土壤后土壤氮素形态、含量、分布发生转变，进一步影响植株对氮素的吸收利用。干物质累积是作物产量形成的基本保证，养分吸收又作为干物质累积的前提，因而干物质累积及分配可以反映养分的有效吸收状况。本试验结果表明在施氮量相同条件下，不同有机肥替代部分化肥处理干物质积累、产量构成及产量、氮肥贡献率、氮肥农学利用率与氮肥偏生产力均较CF增加，且各指标间变化趋势也相一致，随着有机肥替代比例的增大先增加后下降，16% OF处理最高，这与哈丽哈什·依巴提等研究结果一致[7]。当土壤氮素供给与作物氮素需求高度吻合时，氮素利用效率高，反之氮素利用效率低，损失高。合理的有机无机肥配施能够促进土壤养分释放动态与作物养分需求特性相一致，保持作物对养分的均衡吸收，避免前期徒长与后期早衰，有利于全生育期作物干物质的积累[27]，而继续增施有机肥，土壤中碳数量随之增加，微生物固持作用增强，导致土壤中能被植株利用的矿质态氮减少，最终影响植株的氮素吸收[28]。另外，通过分析棉株各器官的分配占比变化规律可以看出，施用有机肥对棉株前期茎秆、叶片的营养生长具有明显促进作用，且最终收获产量没有下降，说明有机肥可以通过促进棉株生育前期营养器官的生长，进一步增加后期蕾铃增产的潜力，并且施用有机肥延缓了棉株生育后期叶片的衰老，这些都与有机肥能促进增产相关。

在研究报道中普遍认为适量减氮能提高作物氮肥利用效率而过量减施化肥即化肥施用量不足情况下与常规施肥相比作物干物质积累会减少、产量下降[29-30]，在本试验中减施氮肥CF-16%、CF-24%氮肥偏生产力较CF 明显增加，尤其是减氮比重更大的CF-24%，且CF-24%干物质积累量及产量指标变化与CF 相似，并未出现明显下降趋势，分析这些变化的原因可能是基于本试验“连作+全量秸秆还田+高氮肥投入”农田现状背景所产生的变化，当施氮量一致情况下并不考虑共同试验条件所带来的影响，但当施氮量不同时，农田基础条件对不同施氮量响应也不同。在本试验中具体表现为一方面可能是受到第一年试验土壤本底值中以往年份的氮素养分残留影响，对减施氮肥处理产生氮素补充作用，尤其对CF-24%处理效用明显；另一方面，全量秸秆还田对常规施肥与减施氮肥两者发挥作用不一，李春喜等[31]与李红星等[32]都认为与常规施肥相比作物全量秸秆还田条件下适当减施氮肥能够增加土壤中速效养分含量，促进作物氮素吸收及积累，氮肥利用效率与产量得以提高，同时CF-24%有机碳含量的下降也说明了其对土壤基础条件中养分更多的分解及利用，最终导致CF-24%较CF没有减产。