有機肥替代化肥對雙季稻產量和土壤養分的影響

劉增兵,束愛萍,劉光榮,李祖章*,張文學,袁福生,胡啟鋒

(1.江西省農業科學院 土壤肥料與資源環境研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心,江西 南昌 330200;2.江西省農業科學院 水稻研究所,江西 南昌 330200)

長期以來,我國糧食安全面臨巨大壓力,過度追求產量的生產方式,不斷推高糧食產量,增加化肥施用量,自2003年以來,我國實現了連續11年的增收,糧食單產從1978年的2527.34 kg/hm2增加到2014年的5385.13 kg/hm2,增幅113%,但化肥施用量(折純量)從884萬t增加到5995.94萬t,增幅578%,遠遠超過糧食單產的增加幅度[1]；在糧食生產中有機肥施用比例持續下降,1949年有機肥施用比例占99.9%,2003年已經降至25.0%,目前有機肥施用比例更低[2]。

化肥有機肥配施對作物生長和土壤養分的影響一直是國內外研究的熱點。有機肥或化肥有機肥配合施用可以有效改善土壤氮、磷、鉀等養分的平衡狀況,改良土壤理化性狀,增加土壤有機質含量和養分的有效性,從而降低化肥損失率,提高土壤肥力和生態系統的生產力[3-4]。但由于有機肥的生產、使用及有關配套技術滯后、農民培肥土地的積極性不高、農業廢棄物的質量下降等原因,有機肥施用的比例持續降低[2]。商品有機肥作為有機肥利用的重要途徑,利用自身技術條件和加工優勢,在作物生產中努力尋求市場的突破,獲得了普遍的認可,在生產中應用比例較高。雙季稻生產耕地利用強度大、產出率高、化肥施用量大,耕地培肥需求更加迫切。本文通過雙季稻生產中商品有機肥施用比例對水稻產量和土壤養分的影響分析,研究了有機肥的合理施用比例,以期為區域雙季稻持續豐產提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 供試品種

供試水稻品種為早稻株兩優4024,晚稻五豐優T025,均為近年來江西省主推品種。

1.2 試驗設計

試驗為始于2012年的定位試驗,地點位于興國縣高興鎮,耕作制度為稻-稻-閑,0～20 cm土層土壤基本理化性質:有機質35.62 g/kg,全氮1.96 g/kg,全磷0.51 g/kg,堿解氮114.11 mg/kg,有效磷15.97 mg/kg,速效鉀45.62 mg/kg。

試驗處理設計:處理1(NPK),NPK(全量化肥)+秸稈不還田;處理2(NPK+S),NPK(全量化肥)+秸稈全量還田;處理3(80%NPK+20%M+S),NPK(用有機肥替代20%的全量化肥,以氮為標準,下同)+秸稈全量還田;處理4(60%NPK+40%M+S),NPK(用有機肥替代40%的全量化肥)+秸稈全量還田;處理5(40%NPK+60%M+S),NPK(用有機肥替代60%的全量化肥)+秸稈全量還田;處理6(20%NPK+80%M+S),NPK(用有機肥替代80%的全量化肥)+秸稈全量還田;處理7(NPK+50%M+S),NPK(全量化肥)+50%有機肥+秸稈全量還田;處理8:不施肥(CK)，為空白對照。本研究數據為定位第4年即2016年的數據。

有機肥采用商品有機肥,含全氮0.683%、有效磷1.12%、氧化鉀2.20%、水分18.25%。養分元素采用等養分處理(以氮為標準),其余元素采用單質肥料補齊。每個處理3次重復,共24個小區,每個小區面積30 m2。早稻每667 m2施純N 10 kg、P2O54 kg、K2O 8 kg;晚稻每667 m2施純N 12 kg、P2O53 kg、K2O 9 kg。施肥品種:N用尿素,P用鈣鎂磷肥,K用氯化鉀。施肥方法:早稻、晚稻的磷肥、鉀肥和有機肥均作基肥;早稻50%的N肥作基肥,40%的N肥作分蘗追肥,10%的N肥作穗肥;晚稻50%的N肥作基肥,30%的N肥作分蘗追肥,20%的N肥作穗肥。

1.3 產量、土壤養分含量、酶活性測定及數據處理

1.3.1 產量測定 每小區取10株成熟稻穗,自然風干后用于測定產量構成因素;每小區在成熟期單獨收割、脫粒、曬干、稱產,然后折算成單產。

1.3.2 樣品養分測定 土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法;全氮含量的測定采用半微量凱氏法;有效磷含量的測定用Olsen法;速效鉀含量的測定用火焰光度法;土壤蔗糖酶活性的測定用3,5—二硝基水楊酸比色法;蛋白酶活性的測定用酪蛋白酸鈉水解—福林試劑(Folin)比色法;磷酸酶活性的測定用對硝基苯磷酸二鈉法;脲酶活性的測定用靛酚藍比色法;過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法。以各種酶活性的幾何平均值表示土壤酶活性的綜合指數(GMea),其計算公式如下:

式中:Inv表示蔗糖酶的活性；Pro表示蛋白酶的活性；Ure表示脲酶的活性；AcP表示酸性磷酸酶的活性；Cat表示過氧化氫酶的活性。

1.3.3 數據處理 用Excel和SPSS 13.0對試驗數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同有機肥替代比例對雙季稻產量的影響

經4年定位試驗后,水稻產量已經趨于穩定,雙季稻周年產量呈現隨著有機氮替代無機氮比例的增加而增加的趨勢(表1),在秸稈還田條件下，有機氮替代80%、60%、40%和20%處理的產量分別比NPK處理增加了2.10%、7.19%、10.32%和7.99%;在施用全量化肥條件下增施50%有機肥處理的產量比NPK處理增加了12.25%。上述結果說明,用有機氮替代無機氮呈現穩定狀態后能夠實現水稻產量的穩定或增加,隨著有機氮替代無機氮比例的升高,產量呈現增加趨勢。

表1 用不同比例有機氮替代無機氮對雙季稻產量的影響kg/667 m2

將有機氮替代無機氮的比例x與水稻產量y之間的關系進行二次方程擬合,計算在當前管理條件下的理論最高產量及其出現時的理論最佳有機替代比例。 結果(見表2)顯示:早稻、晚稻和雙季稻分別在有機替代比例為0.69、0.79和0.71時實現理論最高產量499.90、563.16和1062.78 kg/667 m2;早稻、晚稻和雙季稻的秸稈則分別在有機替代比例為0.71、0.80和0.73時達到理論最高產量421.68、464.82和886.28 kg/667 m2。結果表明,晚稻實現籽粒產量與秸稈產量最大化的理論最佳有機替代比例均明顯高于早稻的。

表2 有機氮替代比例x與水稻產量y之間關系的擬合方程

2.2 不同有機肥替代比例對稻田土壤養分含量的影響

經過4年連續施肥后,不同處理間稻田土壤養分差異逐漸顯現(見表3)。結果顯示,各處理土壤有機質含量表現為處理5>處理6>處理4>處理3>處理2>處理1>處理8(CK),其中處理5、處理6和處理4分別比處理1增加了20.79%、15.36%和13.99%,說明在秸稈還田條件下高比例有機肥替代處理的土壤有機質含量顯著高于低比例替代處理和全量化肥處理的。土壤全氮含量表現為處理6>處理4>處理5>處理3>處理2>處理1>CK,其中處理6、處理5和處理4分別比處理1增加了0.099、0.069和0.075個百分點。土壤有效磷含量表現為處理6>處理5>處理4>處理3>處理2>處理1>CK，處理6、處理5和處理4分別比處理1增加了76.16%、45.00%和23.12%,說明土壤有效磷含量與商品有機肥替代比例呈正相關。土壤速效鉀含量表現為處理6>處理5>處理4>處理3>處理2>處理1>CK,其中處理6、處理5和處理4分別比處理1增加了35.77%、30.66%和20.44%。上述結果表明,商品有機肥長期高比例替代化肥能有效提升土壤中有機質及養分的含量。

表3 不同施肥處理稻田的土壤養分含量

2.3 不同有機肥替代比例對土壤酶活性的影響

土壤酶來自微生物、植物和動物的活體或殘體,通過催化土壤中的生物化學反應發揮重要作用。土壤酶活性是土壤生物活性和土壤肥力的重要指標并與土壤環境條件緊密相關,被廣泛地用于評價土壤質量和土壤生物活性[5-6],土壤脲酶、磷酸酶、過氧化氫酶和蔗糖酶對土壤環境的變化比較敏感,對土壤C、N、P元素的轉化及循環起著重要作用[7-9]。

由表4可知,有機無機肥配施處理的土壤酶活性和酶活性綜合指數(GMea)均顯著高于化肥處理和CK的，與化肥處理相比,各有機無機肥配施處理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性和GMea提高幅度分別為9.64%～21.73%、6.67%～18.10%、10.42%～40.71%、6.90%～41.38%、0.29%～13.17%和7.55%～21.71%。隨有機肥配施比例的提高,土壤脲酶、蛋白酶、過氧化氫酶活性及酶活性綜合指數均表現出增加的趨勢,且配施高比例有機肥處理的土壤酶活性及GMea均顯著高于配施低比例有機肥處理的。單施化肥處理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶活性和GMea也均顯著高于CK的。

3 討論與結論

3.1 有機肥替代化肥條件下雙季稻產量的變化趨勢

國內外有很多長期試驗涉及到長期施肥條件下不同有機無機肥配施比例對作物產量的影響。很多研究者認為,有機肥比例越高越好；但也有學者認為,存在最佳有機肥替代比例。長期定位試驗表明,紅壤稻田系統的增產效果和穩產性能均以有機無機肥配施最好,以高量有機肥配施處理的產量最高,所有有機無機肥配施處理的產量均高于單施化肥(NPK)處理的,且高量有機肥配施更有利于稻田的長期增產[10]。

本研究結果表明：在秸稈還田條件下，有機肥替代80%、60%、40%和20%無機肥處理的雙季稻周年產量分別比NPK處理增加了2.10%、7.19%、10.32%和7.99%;在全量化肥條件下增施50%有機肥處理的產量比NPK處理增加了12.25%。方程擬合結果顯示,雙季稻稻谷產量理論上在有機肥替代比例為0.73下取得最高值1062.78 kg/667 m2。說明長期用有機氮肥替代無機氮肥能夠實現水稻產量的穩定或增加,而且有機氮替代比例越高,產量增加趨勢越明顯。但在當前的生產條件下,存在實現籽粒產量最高化的最佳有機肥替代比例,而且晚稻的有機肥替代比例可以稍高于早稻的。

表4 不同施肥處理的土壤酶活性和酶活性綜合指數

3.2 有機肥替代化肥對土壤養分含量的影響

有研究表明,在稻田生產系統下,有機無機肥配施有利于提高土壤有機質含量和氮素利用率:單施化肥處理的土壤有機質含量較5年前提高了6.5%,化肥有機肥配施提高了18.5%[3]。同時大量研究表明,有機肥可以改善土壤結構性能,提高土壤養分供應能力,提高土壤微生物數量,對改土培肥、提高土壤質量具有積極作用[12-14]。

本試驗結果表明：處理6、處理5和處理4的土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量均明顯高于全量化肥處理(處理1)的,說明商品有機肥長期高比例替代化肥能有效提升土壤中的有機質及養分含量；在全量化學肥料施用條件下增施部分有機肥同樣能夠提升土壤養分供應能力。

3.3 有機肥替代化肥對土壤酶活性的影響

土壤酶活性的幾何平均值GMea是指示土壤生物質量的綜合評價指標[15]。Garci-Ruiz R等研究表明有機肥處理的GMea顯著高于常規處理的。國內研究表明有機無機肥料配施顯著提高了土壤的 GMea,其中高量配施有機肥處理的GMea值高于低量配施有機肥處理的,主要原因是有機物促進了土壤微生物的生長繁殖,提高了大多數酶的活性[16]。

本研究結果表明,有機無機肥配施處理的土壤蔗糖酶、脲酶、蛋白酶、酸性磷酸酶、過氧化氫酶活性和酶活性綜合指數(GMea)均顯著高于化肥處理和空白對照的，且隨有機肥配施比例的提高,各酶的活性及酶活性綜合指數均呈現顯著增加的趨勢;單施化肥處理的土壤酶活性和GMea也顯著高于不施肥處理的。說明有機無機肥配施特別是高比例配施能夠提高土壤酶活性,可能原因是有機肥的投入增加了土壤微生物的活性及數量,促進了酶活性的進一步提升。同時在全量化學肥料投入的基礎上增施部分有機肥可顯著提高土壤酶活性,改善土壤養分供應的微生物環境,促進水稻對養分的利用。