有機無機肥配施對冬水田水稻產量和耕層土壤性質的影響

陳琨 喻華 上官宇先 周子軍 曾祥忠 郭松 秦魚生

（四川省農業科學院土壤肥料研究所/農業農村部南方坡耕地植物營養與農業環境科學觀測實驗站，成都610066；第一作者：chenkun410@163.com；*通訊作者：shengyuq@126.com）

肥料是作物的“糧食”，在作物生產中發揮著不可替代的作用[1]。現階段，我國總人口達到14.56 億，但全國耕地面積僅為1.22 億hm2左右，人均耕地面積不足0.084 hm2，不到世界平均水平的40%[2]，所以在未來較長時期內還是要保證我國糧食的穩產增產。已有研究證實，化肥與我國糧食產量存在正相關關系，但隨著單位土地面積化肥投入量的進一步增加，化肥投入對糧食增產的貢獻率逐漸下降[3-4]，而過高的化肥投入又帶來對環境的不良影響[5-7]。因此，用好肥料資源、提高肥料利用效率是關系到國家糧食安全和環境質量的重大科技問題[1]。氮是植物生長發育最重要的營養元素，在作物產量和品質形成中起著關鍵作用[8]，氮肥的投入成為提高水稻單產、增加糧食產量的常規途徑[9]。目前我國水稻生產中氮肥過量及不合理施用現象日益嚴重，導致氮肥的當季利用率低[10-12]，浪費了大量資源和能源，并造成水體富營養化、溫室現象加劇等一系列環境問題。優化氮肥使用技術是解決上述問題的重要途徑。冬水稻田是指全年只種水稻，冬閑期田內蓄存一定水量的農田[13]，其廣泛分布于四川盆周山地和川中丘陵區域，由于這類稻田長期淹水的特性，過量施用化肥更容易對環境造成不良影響。因此，科學合理施用氮肥，對于冬水田而言是兼顧水稻產量、增加經濟效益、提高氮素利用效率和控制農業面源污染的重要措施。為此，本研究在等氮量替代條件下，設計5 個不同有機-無機肥配施比例，探索穩定水稻產量并能提高氮肥利用率的化肥減施增效優化方案，以期為該區域水稻生產合理施肥和生態環境保護提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗于2017年在四川省農業科學院水稻高粱研究所川南示范基地（位于四川瀘縣大田鄉茂盛村）開展。試驗所在地年均溫度18.5℃左右，≥10℃的活動積溫6 000℃左右，年平均降水1 016.2 mm，年平均日照時數1 145.0 h。試驗田為長年淹水的冬水稻田，地形部位屬溝槽田，土壤為紫色母巖發育經多年水耕熟化而成的暗紫泥水稻土，土壤理化性質為：堿解氮141 mg/kg，有效磷11.5 mg/kg，速效鉀82 mg/kg，有機質29.5 g/kg，有效鋅2.35 mg/kg，有效硅180 mg/kg，交換性鈣16.2 cmo（l1/2 Ca2+）/kg，交換 性 鎂4.3 cmo（l1/2 Mg2+）/kg，pH 值5.59。根據測定結果，該土壤有效磷、速效鉀缺乏，有效硅豐富，有機質含量較豐富，屬中等肥力水平。

表1 不同處理對蓉18 優1015 產量及產量構成的影響

在等氮量替代條件下，試驗設5 個處理：N0，不施氮（CK）；T1，單施化肥N、P、K；T2，30%有機肥N+70%化肥N；T3，50%有機肥N+50%化肥N；T4，100%有機肥N。每個處理3 次重復，小區面積20 m2（4 m×5 m），田間隨機排列。氮、磷、鉀肥用量分別為N 150 kg /hm2、P2O575 kg/hm2和K2O90 kg/hm2。氮肥用尿素（含N 46%），磷肥用磷酸一銨（含N 11%，P2O544%），鉀肥用氯化鉀（含K2O 60%）。有機肥為豬糞發酵處理后的產品，施用前測定N、P、K 含量（全氮3.40%，全磷2.40%，全鉀1.80%，水分25%），N、P、K 肥扣除有機肥中的含量，不足部分用化肥補充。N 肥按底肥∶分蘗肥為6∶4 的比例施入，有機肥、磷肥和鉀肥作底肥一次性施入。供試水稻品種為蓉18 優1015，4月28日移栽，栽插規格20 cm×30 cm，水分管理、病蟲害防治等田間管理措施同大田生產。

1.2 測定項目及方法

在水稻生長期間的不同發育階段分別調查水稻基本苗數、分蘗動態、有效穗數、最高苗數、產量等指標。收獲前2 d 每個小區采集3 叢代表性水稻植株樣，裝入尼龍網袋帶回室內考察株高、有效穗數、穗長、穗粒質量、千粒重、結實率、秸稈質量等農藝性狀。植株樣品經風干、研磨后，經H2SO4-H2O2消煮后定容，過濾，采用流動注射分析儀測定全氮含量。收獲后在每個試驗小區內按“梅花法”采集0～20 cm 耕作層混合土樣0.5 kg，風干后測定土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀。有機質用重鉻酸鉀容量法、堿解氮用堿解擴散法、有效磷用氟化銨-稀鹽酸浸提-分光光度法、速效鉀用乙酸銨浸提-火焰光度法。

氮肥貢獻率=（施氮區產量－ 不施氮區產量）/施氮區產量×100%；

土壤氮素依存率= 不施氮區地上部吸氮量/施氮區地上部吸氮量×100%；

氮肥農學利用率=（施氮區產量－ 不施氮區產量）/施氮量；

氮肥吸收利用率=（施氮區地上部吸氮量－ 不施氮區地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥生理利用率=（施氮區產量－ 不施氮區產量）/（施氮區地上部吸氮量－不施氮區地上部吸氮量）；

氮肥偏生產力= 施氮區產量/施氮量。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010 和DPS 6.55 進行有關數據的計算、統計和分析。差異顯著性水平（p＜0.05）用LSD 法進行檢驗。

2 結果與分析

2.1 對水稻產量及產量構成因素的影響

從表1 可見，就有效穗數而言，T2 處理最高，T1 處理次之，而T4 處理有效穗數低于CK。從千粒重來看，各處理間無明顯差異，但仍以T2 處理最高。株高依然是T2 處理較高，穗長方面施肥處理比CK 略有減少，但無顯著性差異，T2 處理在4 個施肥處理中最高。從實粒數來看，T4 處理有效穗數少，實粒數較高，但T2處理的實粒數也不少。不同處理間產量差異較為顯著，T2 處理實際產量最高，達8 408.73 kg/hm2，較CK 增產31.43%；其次為T1 處理，較CK 增產30.35%；T3 處理雖較CK 增產17.29%，但相比T1 和T2 處理產量則下降了約10.0%；T4 處理產量最低，較CK 減少3.64%。T2處理與T1 處理的產量相當。理論產量與實際產量所反映的規律基本相同。可見，當有機肥替代無機氮肥比例過高時，水稻產量會大幅減少，用30%有機氮作為無機氮肥替代源在產量表現上完全可行。

2.2 對冬水稻田氮肥貢獻率和土壤氮素依存率的影響

由表2 可以看出，隨著有機氮增加，無機氮減少，氮肥貢獻率（NCR）呈總體下降趨勢，土壤氮素依存率（SNDR）呈逐漸上升趨勢，表明在等氮量條件下，過高比例的有機肥氮代替化肥氮無法滿足水稻生長對氮的需求，更多的依靠土壤氮素的供應。T2 處理和T1 處理的NCR 和SNDR 基本相當，也說明了30%有機N 替代化肥N 的方案可行。

表2 不同處理對冬水稻田氮肥貢獻率和土壤氮素依存率的影響

表3 不同處理對冬水稻田氮肥利用率的影響

表4 不同處理對土壤有機質和活性有機質的影響

表5 不同處理對耕層有效養分的影響

2.3 對冬水稻田氮肥利用率的影響

從表3 可見，不同處理對氮肥吸收利用率（NRE）、氮肥農學利用率（NAE）、氮肥生理利用率（NPE）、氮肥偏生產力（PFPN）的影響差異明顯。在相同氮素投入量情況下，T2 處理的NRE 最高，達36.62%，T1 處理次之為35.87%，而T3 和T4 處理顯著下降，僅分別為29.82%和8.04%；NAE 反映了施肥的增產效應，T2 處理最高，達到了13.41 kg/kg，其次為T1 處理，T3 處理較低，僅7.38 kg/kg，T5 處理為負的增產效應；NPE 反映了氮素吸收與增產的關系，T1 和T2 處理基本相當，均達到35 kg/kg 以上，而T3 處理明顯下降，T4 處理則為負效應；從PFPN 看，T1 和T2 處理較高，分別為56.06 kg/kg 和55.60 kg/kg，而T3 和T4 處理僅為50.03 kg/kg 和41.10 kg/kg，表明T1 處理和T2 處理的施肥效益較大。

2.4 對冬水稻田耕層有機質和活性有機質的影響

有機質的增加與有機肥投入量有關，有機肥投入量增大，有機質含量會增加。從表4 可見，當用50%有機氮替代時，約施用有機肥200 kg/667 m2，當100%有機N 替代時，約施用有機肥400 kg/667 m2，有機質含量增幅較大。但是，從活性有機質含量來看，更多有機肥的投入并未帶來活性有機質顯著增加。

2.5 對冬水稻田耕層有效養分的影響

從表5 可見，土壤pH 值在4.98～5.29 之間；有機氮施用量越大，土壤堿解氮含量降低，但與基礎地力相當；有機肥替代部分無機肥方案對有效磷有一定影響，也是呈現有機氮施用量越大，有效磷越低，這主要是因為試驗為等養分，有機肥中含有P2O5，以N 替代量為標準，需替代一部分無機磷肥，而且有機氮替代量越大，磷替代量也越大，有機磷的施用可能降低了土壤有效磷含量。土壤速效鉀含量處理間變化不大。

2.6 對冬水田田間水總氮和總磷的影響

由表6 可以看出，不同處理對田間水總氮影響較大，對總磷無顯著影響。從總氮來看，在施肥后，各處理間有顯著差異，T1 處理田間水總氮含量最高，達12.14 mg/L，而隨著無機氮肥用量減少，有機氮肥用量增加，田間水總氮含量逐漸下降，表明無機氮肥能快速溶解于水中，對田間水體有一定影響。當無機氮肥減少，可顯著降低田間水總氮含量。

3 討論

有機肥料是農業中養分的再循環和再利用部分，能改善土壤氮、磷、鉀等養分的平衡狀況，改良土壤理化性狀，對提高土壤肥力、作物產量和品質及增強作物抗逆性具有重要作用[14-15]。大量研究表明，有機無機肥配施可穩定或增加水稻產量。侯紅乾等[16]在紅壤上的試驗結果表明，有機無機肥配施，早晚稻平均產量比單施化肥的處理增產3.9%～7.8%（P＜0.05）。唐海明等[17]以湖南雙季稻區連續27年定位試驗為基礎，表明早稻和晚稻產量高低順序分別表現為30%有機肥＞60%有機肥＞無肥、60%有機肥＞30%有機肥＞無肥。余喜初等[18]研究表明，有機無機肥配施顯著增加了晚稻產量，與單施化肥的處理相比，產量增加了10.0%～23.7%。本試驗結果表明，30%有機N+70%化肥N 的處理能改善產量構成因子，穩定和提高水稻產量，較單施化肥的處理增產0.84%，與前人研究結果基本一致。

從氮肥利用率來看，劉紅江等[19]研究表明，在等氮量替代條件下，50%有機肥替代化肥，在保證水稻高產的同時，顯著增加了水稻氮素累積量，并且水稻氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力均得到明顯提高。張祥明等[20]長期定位試驗結果表明，等氮用量下，有機肥替代部分化肥處理提高了水稻產量的穩定性和可持續性，減少了土壤礦質氮損失，增加了土壤氮素表觀盈余量，提高了氮肥利用率。徐明崗等[21]在雙季稻區長期定位試驗結果表明，化肥有機肥配施有利于水稻穩產高產，提高肥料利用率，氮肥利用率平均為36.3%。本研究結果表明，30%有機N+70%化肥N 配施能提高氮肥吸收利用率，達36.62%，同時還能提高氮肥農學效率和氮肥偏生產力，但隨著有機N 替代比例達到50%時，氮肥利用率明顯下降。

從耕層土壤性狀來看，大量研究表明，有機無機配施能提高土壤有機質，改善土壤理化性狀，提升土壤肥力。但是，從時間維度來看，這是一個長期的過程，長期有機無機配施有利于土壤有機碳的積累，有利于土壤氮磷鉀的平衡，有利于改善土壤微生物學特性，提升土壤肥力[16，22]。本研究僅對1年的土壤數據進行總結，但依然可以看出，有機無機肥配施對培肥地力有重要作用，當有機N 替代比例達50%時土壤有機質含量顯著提高，活性有機質含量在有機N 替代比例為30%時就有一定的提高，若長期有機無機配施對培肥土壤作用會更顯著。

綜上所述，冬水稻田區適宜的施肥方案為30%有機N+70%化肥N，既可穩定水稻產量、降低成本，又可提高氮素利用率和降低對農田環境的不良影響。