有機肥替代化肥對土壤質量、稻谷產量及農田水氮含量的影響

張緒美 沈文忠 李 梅 （江蘇省太倉市土壤肥料站 215400）

有機肥替代化肥對土壤質量、稻谷產量及農田水氮含量的影響

張緒美 沈文忠 李 梅 （江蘇省太倉市土壤肥料站 215400）

為給稻麥兩熟制農田有機肥、無機肥配施技術的推廣提供技術支撐，在蘇南稻麥輪作地區采用大田定位方法，研究了有機肥、無機肥不同配施條件下對稻田土壤養分、水稻產量及農田氮流失的影響。結果表明，與單施無機氮相比，有機氮替代不同比例無機氮均能有效增加土壤有機質含量與全氮含量，提高土壤碳氮比（C/N）；有機氮替代適宜比例的無機氮比單施無機氮或單施有機氮均能提高水稻產量，在有機氮替代55%無機氮時，水稻產量最高（11025 kg/hm2）；增施有機氮的農田表層水保持養分能力總體上高于單施無機氮的田塊，水稻生育后期單施有機氮的農田表層水中全氮（TN）濃度最高（1.61 mg/L），而單施無機氮的農田表層水中全氮（TN）濃度最低（0.38 mg/L）。同時，有機氮、無機氮合理配施既能實現稻谷高產，又能提高氮肥利用率，達到減排的效果。

有機肥；化肥；農田水氮含量；水稻產量；土壤質量

稻麥兩熟種植制度主要分布在東亞和南亞的亞熱帶－暖溫帶地區，包括中國、印度、巴基斯坦等國家，其中以我國的種植面積最大。在我國長江中下游地區，僅江蘇省稻麥兩熟制的年種植面積就高達130萬hm2左右，稻麥兩熟制農田的可持續生產對保證江蘇省乃至全國的糧食安全至關重要。近年來，由于人口的快速增長，迫于糧食壓力和經濟需求，土地集約化生產程度進一步提高，江蘇省太湖流域稻麥產區年均施肥量高達550～650 kg/hm2，大大超過了全國平均水平[1]，對該區域的土壤質量產生了巨大威脅，成為了影響江蘇省農業生產進一步發展的主要障礙[2]。因此，研究施肥方式對土壤質量、水稻產量的影響具有非常重要的實際意義。

目前，已有許多文獻報道認為長期施用化肥會導致土壤質量下降，單施有機肥能提高土壤有機質含量，但由于有機肥養分供應緩慢，會導致作物產量低，而有機肥、無機肥配合施用既能培肥土壤，又能確保作物高產穩產[3-14]。高菊生等[3]研究結果表明，有機肥、無機肥配施能使水稻持續高產穩產；商躍鳳[13]也認為有機無機復混肥處理的水稻產量最高，與單施化肥相比，氮肥利用率可提高7%～18%。這是因為有機肥中含有大量有機質和作物生長必需的營養元素，長期施用既可提高土壤全氮水平，又能持續增加土壤中微生物氮含量，為作物及時提供養分，促進干物質的積累，為作物增產奠定了基礎。但目前卻鮮有關于有機氮肥與無機氮肥最佳配比的研究報道。為此，筆者選擇在蘇南典型稻麥輪作區，在充分考慮蘇南地區適宜氮肥用量（N 240～285 kg/hm2）的基礎上，采用有機氮肥替代無機氮肥的方法，研究了蘇南地區有機肥與無機肥的適宜配施比，以期為稻麥農田有機肥、無機肥配施技術的推廣提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年6月～2016年11月設在太倉市浮橋鎮綠化村生態農場內進行，供試田塊為稻-麥輪作的種植模式。試驗田土壤為海相沉積物母質發育的沙夾垅，pH為7.86，有機質含量為2.65%，全N含量為0.951 mg/g，有效磷含量為12.6 mg/kg，速效鉀含量為174 mg/kg。

供試作物為水稻，品種為“南粳46”。供試無機肥為化肥（尿素和氯化鉀），供試有機肥為“豐綠稼”牌商品有機肥（N+P2O5+K2O含量總和為6.03%，有機質含量為55.1%）。

1.2 試驗設計

試驗以氮用量為無機肥與有機肥用量的核算指標，在施氮總量相同的條件下，設計無機氮與有機氮的配比處理，共設6個肥料處理（見表1）。每處理小區面積為1534.1 m2，小區間田埂用防水塑料薄膜覆蓋，均單設進、排水口，以防肥、水相互滲透。

表1 有機氮與無機氮不同配比處理試驗設計

氮肥運籌：按基肥、分蘗肥、長粗肥、穗肥施用，比例為0.2∶0.2∶0.40∶0.2；有機肥全部基施，化肥進行追施。不施磷肥，K2O 用量為150 kg/hm2（補施KCl，K2O含量為60%），基肥與長粗肥各占50%施用。其他管理措施同常規田間管理。

1.3 樣品采集及測定

土壤樣品：在水稻收割前、后分別采集土壤樣品，采集時每個小區均采用五點法采樣，采樣深度為土壤表層0～20 cm，再用四分法取1個綜合土樣。采回的土樣在室內風干磨細，分別過1 mm篩和0.25 mm篩備用。有機質測定，用重鉻酸鉀-硫酸油浴加熱，硫酸亞鐵滴定法；全氮測定，用硫酸消煮與凱氏定氮蒸餾法；全磷測定，用高氯酸消解，釩鉬酸銨顯色比色法；速效氮測定，用強堿還原-硼酸顯色-硫酸滴定法；速效磷測定，用碳酸氫鈉浸提-釩鉬酸銨顯色比色法；速效鉀測定，用醋酸銨浸提-火焰光度計法。

農田表層水樣：于2015年7月10日、7月27日、8月17日、9月10日、10月8日分次采集，共采5次。全氮（TN）濃度測定，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法。

2 結果與分析

2.1 對土壤有機質、全氮含量及碳氮比的影響

土壤有機質含量是土壤養分的重要來源，直接影響著土壤的保肥性、保水性、緩沖性、耕性和通氣狀況等，是決定土壤質量的基本指標。試驗結束時測定，與處理（6）相比，處理（1）～（5）的有機質含量分別高出43.8%、35.4%、23.8%、15.4%、13.1%；與試驗前相比，處理（1）增加最為明顯，增3.94 g/kg，處理（2）、（3）、（4）分別增加2.49、3.94、1.54 g/kg，處理（5）、（6）略有下降，分別減少 0.67、1.06 g/kg。

土壤全氮含量通常用于衡量土壤的基礎肥力。不同施肥處理的土壤全氮含量變化趨勢與有機質含量基本一致。試驗結束時測定，與處理（6）相比，處理（1）～（5）的土壤全氮含量分別高出 25.0 %、21.2 %、12.0 %、8.5%、5.3%。

土壤碳氮比（C/N）是土壤質量的敏感指標，是衡量土壤 C、N營養平衡狀況的指標，其演變趨勢對土壤碳、氮循環有重要影響，土壤碳、氮含量是生態系統在特定條件下的動態平衡值，其庫容的大小與氣候、植被、地形等環境因子密切相關。試驗結束時測定，處理（1）～（6）的土壤碳氮比分別為 9.32、8.56、8.25、8.01、8.00、8.12。整體而言，施用有機氮處理的土壤碳氮比高于全無機氮處理，說明在全無機氮條件下，土壤氮素礦化速率較高，進而也表明施用有機氮后土壤中碳素的增加速度明顯高于氮素，這有利于土壤有機碳的固定。同時，土壤碳氮比越高，越不利于有機質的分解，越有利于有機碳的保存，使施用有機氮后土壤有機碳含量可能比全無機氮處理的土壤更穩定，在同樣的氮含量下可積累更多的有機碳，有利于有機碳的貯存，增加了土壤匯集碳、氮的能力[8-12]。

2.2 對水稻產量的影響

由表2可知，隨有機氮施用量的減少、無機氮施用量的增加，處理（1）～（6）的水稻株高、有效穗數大體呈現先增加后降低的趨勢，其中處理（5）的株高約為處理（1）的1.16倍，處理（6）的有效穗數約為處理（1）的1.24倍；千粒重無明顯規律，但處理（1）的千粒重約為處理（6）的1.14倍，可見有機氮配施比例高能提高稻谷的千粒重。

從實際產量來看，處理（3）的產量最高（11025 kg/ hm2），處理（1）的產量最低（8975 kg/hm2）。處理（2）～（6）比單施有機氮的處理（1）分別增產22.30%、22.84%、5.01%、21.17%、18.66%；處理（1)～(5）比單施無機氮的處理（6）分別增產-15.73%、3.06%、3.52%、-11.5%、 2.11%。因此，與單施有機氮或無機氮相比，有機氮、無機氮合理配施可實現水稻較高產量，其中以有機氮替代55%無機氮的施肥措施可確保水稻高產穩產。究其原因，有機氮、無機氮配施，可在作物生長的不同時期提供充足的養分，滿足了其生長所需。

表2 有機氮與無機氮不同配比處理對水稻產量及其構成因素的影響

2.3 對農田表層水中氮濃度的影響

農田表層水中的養分濃度可反映出稻田養分供應狀況。由表3可知，隨著肥料養分的釋放和作物吸收肥料的變化，農田表層水中全氮濃度也發生相應變化，大體呈逐漸下降的趨勢，下降幅度最大的是處理（4），由7月10日的69.1 mg/L下降到10月8日的0.53 mg/L，其次是處理（6），由7月10日的43.8 mg/L下降到10月8日的0.38 mg/L，下降幅度最小的是處理（1），由7月10日的27.6 mg/L下降到10月8日的1.61 mg/L。而在水稻生育后期，增施有機氮處理的農田表層水中全氮含量總體上要高于單施無機氮處理，在10月8日，全氮（TN）濃度由高到低依次為處理（1）、處理（5）、處理（3）、處理（4）、處理（2）、處理（6），表明單施有機氮農田的養分保持性最好，單施無機氮農田的養分保持性最差。

表3 有機氮與無機氮不同配比處理水稻田表層水中全氮（T N）濃度變化趨勢

3 結論與討論

大量研究表明，在稻麥輪作條件下，合理施用氮肥能有效提高作物對養分的吸收，從而促進作物產量的提高。在本試驗條件下，實施有機氮替代55%無機氮施肥措施的增產效果最好，這可能是因為有機氮、無機氮的混合施用為土壤蔗糖酶提供了充足的碳源，對土壤蔗糖酶活性有促進作用，而土壤蔗糖酶不僅能表征生物學活性程度，而且其活性反映了土壤有機碳累積與分解轉化的規律，其活性與土壤C/N相關，所以在很大程度上影響著水稻對于施用氮肥后的吸收利用，提高了作物產量；同時，有機氮與無機氮的混合施用可促進土壤微生物數量增加和代謝活動增強，從而提升了土壤酶活性及土壤肥力，有利于作物對養分的吸收利用，促進產量增加。

歐楊虹等[15]研究表明，有機氮100%替代無機氮處理的水稻產量較不施肥對照增加，但顯著低于全無機氮處理和有機氮部分替代無機氮處理，且25%有機氮與75%無機氮配合施用處理的水稻產量最高，認為有機氮可在一定范圍內替代部分無機氮。本試驗中，有機氮替代55%無機氮處理能顯著提高水稻產量，而有機氮100%替代無機氮處理顯著降低了水稻產量，雖然本研究替代比例與已有的研究結果存在差異性，但也證明了有機氮替代部分無機氮是可行的。因此，從保護水環境的角度出發，結合水稻高產穩產的糧食安全需求，本研究認為，有機氮替代55%無機氮施肥措施具有良好的環境效應和經濟效應。同時，長期施用有機肥可能會導致農田土壤重金屬累積、抗生素殘留及農產品安全風險。因此，對于稻麥兩熟制農田合理施用商品有機肥而言，需要從水環境、土壤質量、作物產量及農產品安全等多角度綜合考慮并進行大量長期試驗，進而為實際生產提供可靠的理論支撐。

本研究結果表明，有機氮替代55%無機氮處理的水稻產量最高（11025 kg/hm2），單施有機氮的水稻產量最低（8975 kg/hm2）；有機氮、無機氮配施處理的農田表層水中全氮（TN）濃度明顯高于單施化肥處理。綜上，有機氮、無機氮合理配施既能實現稻谷較高產量，促進作物養分吸收，又能提高氮肥利用率，達到減排的效果。

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2016-09-23

江蘇省太倉市農業面源污染綜合治理試點項目；江蘇省農業“三新”工程項目（編號：SXGC[2016]100）；2015年太倉市重點研發計劃—現代農業（編號：TC2015NY03）。