長期單施有機肥和化肥對土壤養(yǎng)分和小麥產(chǎn)量的影響

唐繼偉，徐久凱，溫延臣，田昌玉，林治安，趙秉強

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

施肥是影響農(nóng)田土壤養(yǎng)分庫和作物產(chǎn)量的主要因素之一[1-3]。長期以來，化肥和有機肥在作物增產(chǎn)及土壤培肥方面的效果一直是土壤學工作者關注和爭論的熱點問題[4-5]。長期定位施肥試驗具有時間的長期性、氣候的重復性等特點，它能夠系統(tǒng)地揭示土壤肥力的演變規(guī)律及作物產(chǎn)量的變化，為施肥制度合理性的評判提供理論依據(jù)[6]。關于有機肥和化肥對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響已經(jīng)做了大量研究，李彥等[7]通過長期定位試驗研究表明，長期施用有機肥能夠顯著增加土壤有機質、速效養(yǎng)分含量，效果優(yōu)于化肥。長期單施化肥會降低有機質含量[8-9]。溫延臣等[10]研究表明，與單施化肥相比，施用有機肥處理土壤有機質、全氮、有效磷均顯著增加。在增產(chǎn)方面，許多研究結果表明在等量養(yǎng)分條件下，有機肥的當季增產(chǎn)效果不如化肥，但從長期增產(chǎn)效應來看，有機肥料的增產(chǎn)效果不遜于化肥，甚至超過了化肥[11-12]。有機肥和化肥都是農(nóng)田維持土壤肥力、提高產(chǎn)量的重要措施，有機肥和化肥養(yǎng)分的有效性和形態(tài)不同，對土壤養(yǎng)分庫的容量和強度影響也明顯不同，通過長期定位施肥試驗，可正確認識有機肥、化肥對土壤肥力演變和作物增產(chǎn)效果的影響。通過對中國農(nóng)業(yè)科學院陵縣試驗基地近十年長期定位施肥試驗資料整理，研究等養(yǎng)分量施用有機肥和化肥對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響，總結肥料類型在土壤培肥和產(chǎn)量效應方面的差異性。探索實現(xiàn)黃淮海平原耕地質量穩(wěn)步提升、作物增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑，為中國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點基本情況與試驗設計

有機肥、化肥用量長期定位試驗始于2006 年10 月，種植制度為冬小麥-夏玉米一年兩熟。試驗開始前，所在地一直用于種植糧食作物 (小麥、玉米)，地力條件均勻。地點設在中國農(nóng)業(yè)科學院陵縣試驗基地 (北緯37°20′、東經(jīng)116°38′)，海拔21.36 m，屬暖溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候區(qū)，四季分明。土壤類型為鹽化潮土，土壤質地為輕壤土。試驗地初始耕層 (0—20 cm) 土壤化學性質如下:有機質8.50 g/kg，全氮 (N) 0.6 g/kg，有效磷 (P2O5) 9.90 mg/kg，速效鉀 (K2O) 100 mg/kg，pH 為8.00。

試驗共設9 個處理，冬小麥、夏玉米每季作物分別設置5 個施氮量:0、120、240、360、600 kg/hm2，有機肥處理和化肥處理分別按照此施氮量進行，化肥處理以CN120、CN240、CN360、CN600表示，有機肥處理以ON120、ON240、ON360、ON600表示，不施肥處理以CK 表示，重復3 次，小區(qū)面積為25 m2。

施用有機肥的各處理在冬小麥、夏玉米每季作物種植前將有機肥做基肥一次性施入，不再施用磷、鉀肥；具體有機肥用量由施肥前測定的有機肥的含水量及養(yǎng)分含量計算得出，以全氮含量為標準進行折算，有機肥選用當?shù)仞B(yǎng)殖場的腐熟廄糞，主要養(yǎng)分含量氮 (N)1.0%～2.31%、磷 (P2O5)1.04%～2.01%、鉀 (K2O)0.67%～3.00%，氮、磷、鉀三種養(yǎng)分含量均為全氮、全磷、全鉀。2006 年10 月到2009 年6 月施用的有機肥為豬糞，2009 年10 月到2014 年6 月施用的有機肥為牛糞。施用化肥的各處理冬小麥、夏玉米每季作物播種前將60%的氮肥和全部磷、鉀肥做基肥，冬小麥在拔節(jié)期追施40%氮肥，夏玉米在大喇叭口期追施40%氮肥；化肥處理的磷、鉀肥用量與同一氮素水平有機肥處理帶入的磷、鉀量相同，磷、鉀養(yǎng)分施用量按有機肥帶入的全磷、全鉀量計算。氮肥用尿素 (N 46.4%)，磷肥為磷酸二銨 (N18%、P2O546%)，鉀肥用硫酸鉀 (K2O 50%)。試驗日常管理按當?shù)貍鹘y(tǒng)種植習慣。冬小麥、夏玉米每季作物收獲后，作物秸稈均不還田。

1.2 樣品采集、分析方法與數(shù)據(jù)處理

小麥收獲時，各小區(qū)單打單收，測定小麥產(chǎn)量。小麥收獲后，每小區(qū)隨機選取10 個取樣點，采集0—20 cm 土層的混合土樣，風干、混勻后，分別過1 mm 和0.25 mm 篩，用于土壤養(yǎng)分分析。

有機質采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法，全氮采用凱氏定氮法，有效磷采用Olsen 法，速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法測定。試驗數(shù)據(jù)采用Excel2007 和SAS 軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 長期施用有機肥和化肥對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.1.1 長期施用有機肥和化肥對土壤有機質和全氮含量影響 從圖1 中可以看出，各施肥處理有機質含量均高于無肥對照處理。其中，有機肥各處理年際間變化較大，土壤有機質含量隨施肥年限的延長而逐年增加，同時，隨施肥量的增加而升高。從平均含量來看 (表1)，有機肥各處理間差異顯著。化肥處理土壤有機質含量年際間差異不明顯，CN120、CN240、CN360、CN600處理歷年平均值分別為12.15 g/kg、12.43 g/kg、12.59 g/kg、13.24 g/kg，各處理之間差異不顯著。同一施氮水平下，除120 kg/hm2處理，其他處理有機質含量均表現(xiàn)為有機肥處理顯著高于化肥處理。

與不施肥處理相比，無論是施用有機肥還是化肥，均有助于土壤全氮含量的提高。其中，有機肥各處理ON120、ON240、ON360、ON600歷年全氮平均值分別為0.96、1.20、1.37、1.80 g/kg，土壤全氮含量隨施肥量的增加而提升，各處理間差異顯著。化肥各處理CN120、CN240、CN360、CN600歷年全氮平均值為0.84、0.85、0.85、0.90 g/kg，土壤全氮含量基本處于同一水平，各處理間差異不顯著。在相同施氮量條件下，有機肥處理土壤全氮含量均顯著高于化肥，主要原因是化肥氮損失途徑多，損失量較大，而施用有機肥可增加有機氮的來源。無肥對照處理土壤全氮含量基本保持在較低水平而略有下降的趨勢。

圖 1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量的變化Fig. 1 Contents of soil nutrients under different fertilization treatments

表 1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分平均含量Table 1 Soil chemical properties under different fertilization treatments

2.1.2 長期施用有機肥和化肥對土壤有效磷和速效鉀含量影響 長期不同施肥后，各處理土壤有效磷變化幅度隨施肥種類和施肥量不同有較大差異。從圖1 可以看出，對于有機肥處理，除ON120處理的有效磷含量低于CN600處理，其他處理均高于化肥處理，并且有機肥各處理隨著施肥量的增加，土壤有效磷含量增加顯著，ON120、ON240、ON360、ON600處理歷年有效磷平均含量為65.03、129.73、199.12、321.60 mg/kg，各處理間差異顯著。化肥各施肥處理年際變化較小，一直處于緩慢上升的狀態(tài)，不同施肥量各處理間差異不顯著。CN120、CN240、CN360、CN600歷年有效磷平均含量為30.43、45.24、45.36、62.91 mg/kg，除CN600處理，其他各處理差異不顯著。同一施氮水平下，有機肥各處理有效磷含量均高于化肥處理。

對于土壤速效鉀含量，開始5 年內各處理基本處于一個相對穩(wěn)定的水平，之后開始緩慢增長，呈現(xiàn)先上升后穩(wěn)定的規(guī)律，這主要是由于2011 年有機肥的鉀含量較高，導致有機肥和化肥鉀素施用量增加，土壤中鉀素積累量隨之升高。有機肥和化肥均能提高土壤速效鉀的積累，其中，有機肥各處理ON120、ON240、ON360、ON600歷年速效鉀平均值分別為92.76、136.98、202.16、333.63 mg/kg，各處理間差異顯著。化肥各處理CN120、CN240、CN360、CN600歷年速效鉀平均值分別為81.6、122.93、156.36、305.42 mg/kg，各處理間差異顯著。在同一施氮水平下，從平均含量來看，有機肥相對于化肥各處理速效鉀增幅為13.7%、11.4%、29.3%、9.23%，有機肥各處理速效鉀含量均顯著高于化肥，說明有機肥對土壤速效鉀的積累優(yōu)于化肥。

2.2 小麥產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分的影響因子分析

由表2 和表3 可知，肥料類型、肥料用量、采樣年限顯著影響小麥產(chǎn)量以及土壤養(yǎng)分含量，肥料類型、肥料用量、年際之間的交互作用對小麥產(chǎn)量、土壤有機質、土壤全氮、土壤有效磷和速效鉀存在極顯著的影響 (P ＜ 0.01)。

2.3 長期施用有機肥和化肥對小麥產(chǎn)量的影響

從表4 可以看出，不施肥處理在開始的3 年內，作物產(chǎn)量迅速下降，之后維持在一個相對穩(wěn)定的水平。其他施肥處理小麥產(chǎn)量均明顯高于不施肥處理，差異顯著。這表明，肥料是影響小麥產(chǎn)量的重要因素，施肥能顯著提高產(chǎn)量。對于有機肥處理，除2007 年外，其他年份ON240、ON360、ON600處理小麥產(chǎn)量均顯著高于ON120處理，但ON240、ON360、ON600三個處理之間差異不顯著。這主要是由于單獨施用有機肥條件下，低量有機肥在作物關鍵需肥期養(yǎng)分釋放不能滿足作物需要。ON120、ON240、ON360、ON600處理歷年平均產(chǎn)量為5.42 t/hm2、6.85t/hm2、7.27 t/hm2、6.90 t/hm2。對于化肥處理，各年份處理間差異均不顯著，CN120、CN240、CN360、CN600處理歷年平均產(chǎn)量為6.30 t/hm2、6.72 t/hm2、6.62 t/hm2、6.65 t/hm2。化肥作為一種速效養(yǎng)分，能夠及時、迅速地提供作物所需要的營養(yǎng)元素，當化肥用量能夠滿足作物需要時，繼續(xù)提高化肥用量不能持續(xù)提高作物產(chǎn)量。

表 2 小麥產(chǎn)量和有機質含量的影響因子方差分析Table 2 Three-way ANOVA analysis for wheat yield and organic matter in fluvo-aquic soil

表 3 全氮、有效磷、速效鉀的影響因子方差分析Table 3 Three-way ANOVA analysis for total N, available P and available K in fluvo-aquic soil

表 4 不同施肥處理的小麥產(chǎn)量 (t/hm2)Table 4 Wheat yields under different fertilization treatments

從總體來看，在120 kg/hm2施氮水平下，2007年到2009 年，有機肥處理與化肥處理小麥產(chǎn)量差異不顯著。之后，化肥處理小麥產(chǎn)量均顯著高于有機肥，說明在此施肥水平下，化肥對小麥增產(chǎn)效果明顯優(yōu)于有機肥。在240 kg/hm2施氮水平下，除2009 年小麥產(chǎn)量表現(xiàn)為有機肥處理顯著高于化肥處理，其他年份差異均不顯著；在360 kg/hm2施氮水平下，除2008 年和2014 年有機肥處理的小麥產(chǎn)量顯著高于化肥處理外，其他年份差異不顯著；在600 kg/hm2施氮水平下，除2013 年有機肥處理小麥產(chǎn)量顯著高于化肥外，其他年份兩個處理間差異不顯著。這說明由于有機肥和化肥的養(yǎng)分形態(tài)的差異，相對于化肥，有機肥的養(yǎng)分利用效率存在一定滯后性。當有機肥所釋放養(yǎng)分能夠滿足作物需要時，有機肥與化肥對作物的增產(chǎn)效果一致。

3 討論

3.1 長期施用有機肥和化肥對土壤肥力的影響

與供試前土壤相比，施用有機肥能夠顯著提高土壤有機質含量，并且隨施肥量的提高而持續(xù)增加，而長期施用化肥則不能提升土壤有機質含量，無論施肥量多少，有機質含量始終處于一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此研究結果與其他研究結論一致。李彥等[7]通過定位試驗發(fā)現(xiàn)長期施用有機肥能明顯提高土壤有機質含量，且隨有機肥施用年限的增加而增大，增加速率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。烏魯木齊連續(xù)12 年施用有機肥于灰漠土后，土壤有機質增加了38.3%，且有機質的增加和年限之間具有良好的正相關[13]。在華北潮土中經(jīng)過20 年化肥處理，土壤有機質含量平均每10 年下降0.855～1.195 g/kg，同樣在連續(xù)30 年單施化肥的東北黑土上，有機質每年下降1 g/kg[14]。施用化肥處理基本沒有外源有機物的輸入，土壤有機碳主要來源于少量根茬、土壤中小動物及土壤微生物活動，所以土壤有機質含量并未隨施肥量的增加而增加，甚至有下降的風險。土壤有機碳庫的平衡狀況由土壤有機質的形成量和礦化量的相對大小決定[15]，與化肥處理相比，施用有機肥處理土壤固碳水平高、固碳速率大。從本試驗來看，在有機物質繼續(xù)增加的情況下，土壤碳庫還能夠繼續(xù)大幅度增長，遠未達到飽和水平。但土壤碳庫不會無限期增長下去，會達到一個平衡點并保持相對穩(wěn)定[16]。

土壤中氮的形態(tài)分為無機態(tài)和有機態(tài)兩大類，無機態(tài)氮主要為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，一般只占全氮的1%～2%左右，土壤中的氮主要以有機態(tài)存在。長期施用化肥氮能顯著增加土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，但對土壤有機氮影響較小[17-18]，施用有機肥可直接增加土壤有機氮含量，其中富里酸氮、氨基糖態(tài)氮和氨基酸態(tài)氮增加較多[19]。本試驗中有機肥處理土壤全氮含量隨施肥量的增加而增加，隨種植年限的增長而顯著提高。而化肥處理無論是施肥量的變化還是種植年限的變化，全氮含量均變化不明顯。說明有機肥的施用對氮的固定具有重要作用，能夠減緩土壤中氮素的損失，而化肥處理中的氮多為無機態(tài)，易發(fā)生揮發(fā)和硝酸鹽淋失[15]，除了被作物吸收利用以外，大多損失在環(huán)境中。不施肥處理土壤全氮含量隨種植年限的增長有緩慢下降的趨勢，說明土壤氮庫中的氮在不斷礦化、消耗以滿足作物生長的需要。

華北平原土壤作為典型的石灰性土壤，土壤中含有大量CaCO3，有效磷施入土壤后易被Ca2+固定而轉化為緩效態(tài)磷[16]，在本研究中，自試驗開始時，有機肥處理土壤有效磷含量明顯高于化肥處理，主要是因為廄肥本身含有一定數(shù)量易于分解釋放的磷，廄肥施入土壤后，增加了有機質的含量，有機質在轉化過程中產(chǎn)生有機酸等物質，可減少Ca2+對有效磷酸鹽的固定，促進無機磷的溶解[20-21]。有機肥處理增加土壤速效鉀含量的效果同樣優(yōu)于化肥處理，且隨有機肥用量的增加而增加[22]，主要是由于有機肥中鉀素有效轉化效率高于化學鉀肥，與水溶性鉀肥相比，有機肥速效鉀被土壤固定程度明顯降低，故其有效性較高[23]。

3.2 長期施用有機肥和化肥對小麥產(chǎn)量的影響

作物產(chǎn)量是衡量肥料效果的一項重要指標。本長期定位試驗結果表明，在施肥量較低的情況下，化肥的增產(chǎn)效果優(yōu)于有機肥。在施肥量提高之后，有機肥與化肥對小麥產(chǎn)量影響無明顯差異，說明在養(yǎng)分供應充足的情況下，有機肥的增產(chǎn)效果與化肥相當。這一結果與林治安等[16]、陳歡等[24]的研究結果一致，林治安等的研究表明，在較長的一段時間內，常量化肥處理小麥產(chǎn)量高于常量有機肥處理，之后兩個處理產(chǎn)量趨于一致；陳歡等對32 年的長期定位試驗結果進行分析，發(fā)現(xiàn)在有機肥和化肥等氮量 (525 kg/hm2) 投入下，前22 年化肥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機肥，之后有機肥處理小麥產(chǎn)量超過化肥。分析其原因，主要是前期有機肥所提供的養(yǎng)分不能滿足作物的需要，然而隨施肥年限的增長，施用有機肥的土壤養(yǎng)分含量逐漸提升，能夠滿足作物的生長需求，有機肥處理小麥產(chǎn)量與化肥相當甚至超過化肥。另外，無論是有機肥還是化肥，過量施用并不能帶來小麥產(chǎn)量的持續(xù)增加，楊軍等[25]的試驗表明，高量氮肥未能帶來相應高的凈能量產(chǎn)出，而適量氮獲得了高的凈能量產(chǎn)出。

4 結論

1) 與不施肥處理相比，長期施用化肥能夠顯著提高土壤速效鉀、有效磷含量，而有機質、全氮含量基本保持穩(wěn)定；連續(xù)施用有機肥處理均能提高土壤有機質、全氮、有效磷和速效鉀養(yǎng)分含量，且隨施肥量的增加而增加，隨種植年限的延長積累量明顯增加，能夠持續(xù)提高土壤的養(yǎng)分含量。在培肥地力方面，有機肥效果明顯優(yōu)于化肥。

2) 有機肥與化肥均對提高冬小麥產(chǎn)量具有顯著作用，在低于N 120 kg/hm2施肥條件下，化肥增產(chǎn)效果優(yōu)于有機肥。而在高于N 240 kg/hm2時，即養(yǎng)分供應充足的情況下，有機肥和化肥對小麥增產(chǎn)效果無明顯差異，且提高施肥量，有機肥和化肥均不能使小麥產(chǎn)量持續(xù)增加。