長期施用菇渣與化肥對潮土地區玉米和小麥產量及穩定性的影響

姚童言，黃綿松，宋亞康，陳瑞蕊，馮有智

(1.中國科學院南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；2. 北京首創股份有限公司，北京 100044)

施肥是農業生產中有效維持和提高糧食產量的重要手段。然而，長期施用化肥，尤其是過量施用化肥造成了一系列環境問題，如水體污染、植物病蟲害、共生固氮降低、土壤酸化和生物多樣性降低等[1]。因此，M?der等[2]提出用有機肥完全代替化肥，并指出施用有機肥可以改善土壤生態系統，如提高土壤肥力、促進土壤團聚結構形成、提高生物多樣性和生物活性、增加地下生物量、增強作物與微生物群落的協作等。但相比化肥，施用有機肥的作物產量普遍偏低[3-4]。究其原因，主要是有機肥中含有的豐富養分需要經過土壤微生物的轉化才能被植物吸收利用，短期肥效無法與化肥相比。鑒于此，用有機肥代替一部分化肥，既可以滿足作物對速效養分的需求，又能夠在一定程度上避免施用化肥造成的環境危害，同時培肥地力，提升土壤質量，是一種兩全其美的方法。

菇渣是食用菌栽培后剩余的有機廢棄物，可在農業生產上作為有機肥料或土壤改良劑應用。食用菌栽培基質一般由木屑、棉籽殼等有機物料混合N、P等養分元素制成，因此菇渣含有豐富的纖維素和木質素、近10%的粗蛋白、近1%的小分子糖類以及P、Ca、Fe、Mn等礦質養分[5]，是優良的有機肥資源。此外，食用菌栽培過程中，真菌分泌各種胞外產物，對有機物料進行分解利用，令菇渣中含有豐富高效的纖維素分解酶、木質素分解酶、木質素過氧化物酶、錳過氧化物酶和漆酶等活性酶類。同時，分解產生的葡萄糖、棉子糖寡糖、氨基酸等多種小分子有機物以及真菌生長過程中產生的生物活性物質[6-8]等都會殘留在菇渣中。因此，菇渣作為微生物“過腹”的有機物料，具備了生物有機肥的優點。此外，菇渣質地疏松，具有良好的物理結構，可有效地改良土壤結構[9]。

我國華北平原以及西北多個地區的土壤有機質含量普遍偏低，理化性狀和緩沖性能較差，不利于保水保肥，土地生產力和承載力低，是典型的潮土地區。目前菇渣作為生物有機肥，在潮土地區施用對于作物的影響尚缺乏系統的研究。菇渣的有機碳含量約為40%[10]，向土壤中施入菇渣能迅速提高土壤有機碳含量。有研究證實提高土壤有機碳含量可以提高作物產量[11]，尤其是在我國華北和西北地區，土壤有機碳含量往往是土壤地力的主控因素，直接影響作物的產量。除了作物產量這一最常用的指標，產量穩定性是一種表征作物種植體系好壞的重要指標，有利于綜合衡量施肥措施對增產和提升土壤質量的效果[12]，但國內對于作物產量穩定性的研究相對匱乏。 因此，研究施用菇渣對作物產量及其穩定性的影響，具有重要意義。

雞糞的氮、磷含量高，相比其他常見糞肥具有豐富的營養元素[13],其作為有機肥施用到土壤中可以顯著增產、穩產，并在世界范圍的農田土壤中廣泛應用[14]。本研究中，筆者選用雞糞這一具有典型性的有機肥作為菇渣的對照，以期客觀地評價菇渣對作物產量及其穩定性的影響。

河南封丘地處華北黃淮海平原，主要土壤類型為潮土，主要種植作物為玉米和小麥。本研究中，筆者利用中國科學院封丘農業生態國家實驗站的長期定位試驗，通過監測和比較不施肥(control)、施化肥(F)、菇渣化肥配施(MRF)和雞糞化肥配施(CMF)4種處理下作物產量，研究施用菇渣對玉米、小麥產量及產量穩定性的影響，同時探究玉米及小麥產量和土壤有機碳含量的關系，以期為制定合理的施肥方案提供科學依據，提升土壤地力，增加作物產量。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

有機物料提升潮土地力長期定位施肥試驗點位于中國科學院封丘農業生態國家實驗站(35°00′N,114°24′E)。該地氣候屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年均溫為13.9 ℃，年均降水量為615.1 mm。試驗開始于2011年夏季，采用玉米-小麥一年兩熟輪作制度，作物品種為當地主推品種，并且保持一致。試驗地每年灌溉情況視當年降水情況而定，一般小麥灌溉2～3次，玉米灌溉1～2次，灌溉量為900～1 200 m3/hm2。供試土壤為輕質黃潮土，試驗初始時有機碳含量為5.8 g/kg，全氮含量為0.56 g/kg，全P(P2O5)含量為0.88 g/kg，全K(K2O)含量為29.3 g/kg，pH(H2O)值為8.5。

1.2 試驗設置

試驗設置4個處理，每個處理4個重復，共16個小區，隨機布置，小區面積為30 m2。4個處理分別為：不施肥的對照(control)、平衡施化肥(F處理)，菇渣化肥配施(MRF處理)和雞糞化肥配施(CMF處理)。F處理的N、 P、 K 化肥分別為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，具體施肥量見表1。菇渣采用雙孢菇菇渣，每季用量為2.1×104kg/hm2；雞糞為常規堆制后的腐熟雞糞，每季用量為3.8×103kg/hm2。

表1 試驗地肥料施用量Table 1 Fertilizer application amount kg·hm-2

2種有機肥使用前先測定其N、P、K含量，以有機肥代替一半氮肥，以等N量為標準，有機肥中P、K不足以P、K化肥補足至等量。與當地農戶大田施肥量相比，試驗地施肥量為當地農戶中等水平。

1.3 采樣及測定

試驗期間連續每季監測作物產量，每個小區在玉米、小麥收獲后脫粒稱質量計產量。同時，作物收獲期后，采集土壤樣品(0～15 cm)，自然風干后用于有機質含量測定。土壤有機質含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定[15]。

1.4 產量穩定性

(1)

1.5 數據處理

試驗數據采用SPSS 20.0進行統計分析，并使用Duncan檢驗進行多重比較，使用Spearman相關檢驗土壤有機碳和作物產量的相關性。

2 結果與討論

2.1 玉米和小麥產量

比較不同施肥處理產量的年際變化，結果如圖1所示。由圖1(a)和(b)可以發現，不施肥處理顯著降低小麥和玉米產量，不論玉米還是小麥產量均呈現逐年下降的趨勢：玉米產量從2011年的3 825 kg/hm2下降到2017年的2 430 kg/hm2，降低了36.4%；小麥產量從2012年的2 415 kg/hm2下降到2017年的1 560 kg/hm2，降低了35.4%。施肥處理顯著提高小麥和玉米產量。單施化肥的F處理，玉米產量前三年持續增加：從2011年的6 285 kg/hm2增加到2013年的10 440 kg/hm2，在之后的4年中基本在10 110 kg/hm2上下波動；而小麥產量基本在5 100 kg/hm2上下波動(除2018年)，沒有明顯的年際變化。CMF處理中，玉米產量的年際變化與F處理基本一致，小麥產量與F處理變化趨勢一致，但產量整體提高，平均增幅為22%。菇渣化肥配施的MRF處理，前3年小麥、玉米的產量與F處理相比沒有顯著差異，施用3年后能繼續保持增產，2015—2017年的玉米產量比F處理增加16.0%，2016—2018年的小麥產量比F處理增加55.0%。

施肥能顯著提高小麥和玉米產量?？傮w而言，與control處理的產量相比，連續施肥6年后，F處理玉米和小麥分別增產3.09倍和2.56倍，CMF處理玉米和小麥分別增產3.00倍和3.59倍，MRF處理玉米和小麥分別增產4.53倍和4.32倍。比較不同施肥處理的增產效果(圖1(c)、1(d))，可以發現，MRF處理對產量的提升作用在前3年與其他施肥處理相似，第3年后顯著高于其他施肥處理。2014—2017年MRF處理玉米的平均產量為11 489 kg/hm2，比F和CMF處理分別提高13.7%和14.1%；2015—2018年MRF處理小麥的平均產量為7 084 kg/hm2，比F和CMF處理分別提高42.7%和13.4%。說明有機肥無機肥配施的增產效果優于單施化肥，而菇渣化肥配施的增產效果優于雞糞化肥配施。值得一提的是，2018年當地小麥嚴重減產(返青時小麥遭遇嚴重凍害)，相比前3年的平均產量，control處理和F處理均減產45.4%左右，而2種有機肥配施的CMF和MRF處理減產率明顯降低，分別減產29.0%和29.7%。

(a)和(b)中，對同一處理的不同年際間產量進行分析，相同顏色的相同字母表示該處理年際間產量沒有顯著差異。(c)和(d)中，對不同處理在同一年份的產量進行分析，同一年份的不同字母表示該年份的處理間產量具有顯著差異圖1 不同施肥處理玉米((a)、(c))和小麥((b)、(d))產量的年際變化Fig.1 Annual variation of maize ((a),(c)) and wheat ((b),(d)) yield under different fertilization regimes

菇渣作為一種優良的有機肥資源，增產的機制是多方面的。首先，菇渣本身具有肥料的特點，可以直接提高土壤速效養分和全量養分含量。張亞軍等[16]研究表明，施用菇渣可以將土壤堿解氮含量維持在一個較高的水平，同時顯著提高土壤有效磷含量。張秀珍等[17]發現，施用雙孢菇菇渣后，土壤有機質含量提高23倍，全氮含量提高18倍，全磷含量提高8倍。其次，施用菇渣能有效改良土壤結構，如降低土壤容重，提高土壤孔隙率，為玉米根系的生長發育提供更好的結構條件，從而提高玉米產量[18]。最后，施用菇渣相當于向土壤中輸入了大量有機碳，而有機碳能促進土壤微生物功能的提升，表現在增加土壤微生物的生物量和豐富度，提高微生物活性和各種水解酶活性，促進有機碳的分解和土壤養分循環[19]。

2.2 產量穩定性

產量穩定性是表征農田生態系統可持續性的重要指標[20]。筆者采用作物產量變異系數評價各施肥處理的產量穩定性，變異系數越小說明產量穩定性越高，結果如圖2所示。由圖2可以發現，玉米季各施肥處理的產量變異系數都低于對照，約為對照的50%。小麥季所有施肥處理產量變異系數都低于對照，其中MRF處理的產量變異系數顯著低于對照(P<0.05)。結果表明，不論玉米還是小麥，施用肥料均有穩產的趨勢，其中菇渣化肥配施相比不施肥可以顯著提高小麥產量的穩定性。

圖2 不同施肥處理下玉米和小麥的產量變異系數Fig.2 Coefficient of variance of maize and wheat yieldunder different fertilization regimes

同樣，魏猛等[21]研究發現在黃潮土區，畜禽糞便配施化肥玉米的產量穩定性最高。施用有機肥能促進植物健康，從而提高產量穩定性，其原因是施用有機肥可以提高作物的抗逆性，促進作物遭受環境脅迫和病蟲害后的恢復[22]。Amin等[23]研究發現，干旱脅迫下，施用有機肥可以通過提高光合速率、降低蒸散來促進玉米生長、提高產量穩定性。施用菇渣可以通過提高大麥超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性來減輕細胞過氧化程度，降低植株體內丙二醛含量，從而緩解鹽脅迫對植株的傷害[24]，進而提高作物產量穩定性。

2.3 產量與土壤有機碳含量的關系

玉米和小麥產量與土壤有機碳含量的關系呈現相同的規律(圖3)。由圖3可知：當土壤有機碳含量在4.5～8.0 g/kg范圍內，玉米和小麥產量均與其對應的土壤有機碳含量呈極顯著線性正相關(Spearman,P<0.01)。由線性擬合方程的斜率可知，在這一范圍內，土壤有機碳含量增加一個單位，玉米產量增加3 330 kg/hm2，小麥產量增加1 770 kg/hm2，說明增加有機碳含量對于玉米的增產效果大于小麥，是小麥的1.89倍。當土壤有機碳含量超過8.0 g/kg時，當地玉米和小麥產量增幅不大，玉米產量基本維持在11 100 kg/hm2，小麥產量基本維持在6 750 kg/hm2，說明潮土地區土壤有機碳增產的閾值為8.0 g/kg，超過閾值繼續投入有機碳對于產量增長的效應不明顯。

圖3 玉米(a)和小麥(b)產量與土壤有機碳含量的關系Fig.3 The relationship between maize (a),wheat (b) yieldand the soil organic carbon content

Lai等[25]研究也表明產量與土壤有機碳含量在一定范圍內呈正相關關系，而在超出范圍后，土壤有機碳含量增加，作物產量不再增加。值得注意的是，土壤有機碳增產的這一閾值在我國不同區域是不同的[26]，可從21.8 mg/hm2變到46.2 mg/hm2，這可能受土壤母質、土壤結構、當地氣候等因素影響。因此，當土壤有機碳含量高于特定閾值時，如潮土地區，土壤有機碳含量大于8.0 g/kg時，可以考慮減施或不施有機肥。筆者還發現，潮土地區單位有機碳含量的增長對玉米增產的效果約為小麥的2倍，從經濟角度考慮，當土壤有機碳含量小于8.0 g/kg時，相比小麥，應更關注玉米季土壤有機肥的投入。

3 結 論

菇渣是一種優良的有機肥，在低有機碳含量的土壤中與化肥配施能顯著增加玉米和小麥產量，提高作物產量穩定性，是實現當地有機廢棄物資源化利用的有效措施。潮土地區，當有機碳含量為4.5～8.0 g/kg時，玉米和小麥產量與土壤有機碳呈線性正相關關系。玉米產量在這一范圍對土壤有機碳提升的響應近乎小麥產量的2倍。從經濟效益上考慮，在土壤有機碳含量小于8.0 g/kg時，應更重視玉米季土壤有機碳的輸入；當土壤有機碳含量大于 8.0 g/kg時，可考慮減施或不施有機肥。