有機肥替代20%化肥提高黑鈣土養分有效性及玉米產量

季佳鵬，趙欣宇，吳景貴，孟慶龍，關華建，牛岸秋

（吉林農業大學資源與環境學院，長春 130118）

玉米是我國種植面積最大的作物，在我國糧食生產中的地位舉足輕重[1]。隨著人口的不斷增長，糧食生產迎來前所未有的挑戰[2]。這就使得部分農戶為追求高產，盲目過量施用化肥[3]。據統計，全國過量施肥面積可達20%[4]。東北玉米種植區過量施肥的現象非常普遍。調查表明，大部分農戶施用化肥量普遍超過推薦施肥量[5-6]。過量施用化肥不僅會增加農戶生產成本、降低肥料利用率，還會引起土壤酸化、水體富營養化等環境污染問題，致使糧食安全生產面臨著嚴重威脅[7-8]。因此，化肥減量施用的效果和可行性研究尤為重要，已有報道高化肥投入量農田，適量的減施化肥沒有影響作物產量，同時肥料利用效率有所提升[9]。

隨著現代養殖業和農業的集約化、規模化發展，畜禽糞和農業廢棄物 (秸稈) 也在逐年增長，在化肥工業的發展下，我國養殖業產生的畜禽糞便由原來的有機肥變成了廢棄物[10-11]。2010年時我國畜禽糞便產生量為22.35億t，含有的氮、磷養分量分別達0.19億t和0.04億t，分別占氮、磷肥的79%和50%，但我國有機糞肥的還田率只有39%，還不到資源量的一半[4,12]。有機肥 (畜禽糞便) 富含多種養分和有機物質，施入土壤直接增加了有機物料的投入量，進而有效地增加土壤養分和有機碳含量[13-14]。2014年時我國秸稈總量為8億t，秸稈田間隨意堆放或者焚燒導致農村環境污染的情況隨處可見[15-16]。秸稈還田是解決這一問題的有效途徑，秸稈還田既能夠培肥地力又可以減少對環境的污染[17]。秸稈還田常見方式有覆蓋、翻埋等，東北地區春播時低溫多雨，秸稈覆蓋還田容易導致土壤溫度低，不利于玉米出苗和苗期生長，秸稈翻埋還田對土壤攪動大，容易破壞耕層養分，我們目前選用秸稈條狀還田方式。

綜上所述，在秸稈還田下，化肥減量配施有機肥是保持土壤生產力節約成本的一種行之有效的方法。已有學者相繼開展化肥減量配施有機肥對土壤理化性質和作物產量方面的影響研究[18-19]。有研究表明，化肥減量配施有機肥的效果不同區域、不同作物以及不同土壤類型之間存在明顯差異。如林治安等[20]研究表明，化肥減量50%配施有機肥小麥和玉米產量顯著降低。邢鵬飛等[21]在華北平原通過連續4年的研究表明，化肥減量30%配施有機肥能夠保證糧食產量，化肥減量50%配施有機肥能提高土壤肥力。李孝良等[22]研究得出化肥減量20%配施有機肥，會顯著提高肥料利用率，保證玉米產量。而陳治嘉[23]發現，吉林省降低氮肥用量20%～30%不會影響玉米產量，還可提高肥料利用率。黑鈣土屬于東北地區典型土壤，耕地面積占全省總耕地面積的27%，具有腐殖質層薄、有機質含量低等特點[24]。東北黑鈣土玉米種植區的土壤有機質含量偏低、養分隨降水流失嚴重，因此本試驗在秸稈條狀還田的條件下，以化肥減量20%配施有機肥的方式，研究其對土壤速效養分以及玉米產量的影響，旨在揭示秸稈還田下化肥減量配施有機肥對黑鈣土養分的作用機制，達到提高化肥利用率、減少環境污染的效果，并為東北地區黑鈣土玉米種植的施肥方式提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗地位于吉林省長春市農安縣哈拉海鎮東明村 (東經 124°31′，北緯 43°55′)，地處松遼平原腹地，屬于中溫帶大陸性氣候。全年平均氣溫4.7℃，無霜期145天，降水量507.7 mm，有效積溫2800℃。土壤類型為黑鈣土，其有機碳12.73 g/kg、全氮 1.26 g/kg、堿解氮 103.50 mg/kg、速效磷 19.26 mg/kg、速效鉀 127.02 mg/kg和pH 7.70。

1.2 試驗設計

試驗始于2018年5月，連續進行兩年，玉米品種為奇豐568。將前一年玉米秸稈全量原位堆成條狀，之后覆土壓實，進行小區試驗。試驗共設置4 個處理，具體如下：1) 當地常量施肥 (T1)；2) 減少20%的常量化肥 (T2)：3) 減量20%的常量化肥，以雞糞氮補足 (T3)；4) 減量20%的常量化肥，以牛糞氮補足 (T4)。每個處理3次重復，共12個試驗小區。每個小區面積 20 m2(4 m×5 m)，6 壟玉米種植，自西向東3個小區共18壟，壟寬約0.65 m，東西方向每6壟玉米種植之間設置秸稈條狀帶，秸稈條狀帶寬度50～80 cm左右。南北方向小區之間過道為1 m，過道之間不設置秸稈條狀帶。

供試化肥為復合肥，N–P2O5–K2O 為 26–10–12。常規化肥用量為1000 kg/hm2，其他各處理化肥施用量均為800 kg/hm2。供試雞糞和牛糞均來自農安當地養殖場，風干雞糞氮、磷、鉀養分含量分別為17.40、8.56和14.23 g/kg，風干牛糞氮、磷、鉀含量分別為10.20、3.40和8.22 g/kg。經折算，雞糞施用量為 2988 kg/hm2，牛糞用量為 5098 kg/hm2。化肥和有機肥全部作為基肥一次性施用，其他田間管理均與當地農戶習慣保持一致。

1.3 樣品采集與測定

2018、2019年拔節期和收獲期，在各小區內采用五點取樣法對各個試驗小區的0—20 cm土層進行取樣，取土點距離秸稈條帶60～70 cm。取好的土壤樣品密封保存，帶回實驗室進行自然風干。采用pH計測定pH，重鉻酸鉀外加熱法測定有機碳含量；堿解擴散法測定堿解氮含量；鉬銻抗比色法測定速效磷含量；火焰光度計測定速效鉀含量。在收獲期，對試驗田所有小區去掉邊行后進行實打實收測產。

1.4 數據處理

數據采用 Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0 和Origin 9.0進行整理分析及作圖。

2 結果與分析

2.1 施肥對土壤化學性質的影響

2.1.1 不同處理對土壤pH的影響 2018和2019兩年結果 (圖1) 表明，拔節期和收獲期T2和T4處理土壤pH均顯著高于T1和T3；T1處理拔節期顯著高于T3，收獲期與T3沒有顯著差異。2018年T4和T2處理的pH沒有顯著差異，2019年拔節期T4處理顯著高于T2處理。總的看來，減施化肥提高了土壤pH，配合雞糞抵消了pH的增加，而配施牛糞進一步提高了pH的增加幅度。

圖 1 不同施肥處理對不同時期土壤pH的影響Fig.1 Effects of different fertilization treatments on soil pH in different periods in 2018 and 2019

2.1.2 不同處理對土壤有機碳含量的影響 由圖2可見，與T1處理相比，2018年T2處理在拔節期和收獲期土壤的有機碳含量均無顯著變化，而2019年顯著降低；T3處理基本上顯著增加了兩個時期的土壤有機碳含量，2018和2019年T3處理土壤有機碳含量較T1處理分別增加15.2%和13.0%；而T4處理2018年的土壤有機碳含量沒有顯著影響，2019年顯著高于T1但低于T3處理。可見，在秸稈條狀還田基礎上，配施有機肥可以增加土壤中有機碳含量，配施雞糞的效果好于牛糞。

圖 2 不同施肥處理對不同時期土壤有機碳含量的影響Fig.2 Effects of different fertilization treatments on soil organic carbon content in different periods in 2018 and 2019

2.1.3 不同處理對土壤堿解氮含量的影響 圖3表明，減施化肥的T2處理在拔節期和收獲期的土壤堿解氮含量高于T1處理，2019年拔節期的堿解氮含量顯著高于T1；與T1氮投入量相同的T3和T4處理土壤中的堿解氮含量均高于T1處理，在拔節期也顯著高于T2處理，但在收獲期與T2處理沒有顯著差異，其中T3處理2018、2019年土壤堿解氮含量分別較T1處理增加12.2%和18.5%。表明在秸稈條狀還田條件下，減施20%的氮投入量不會降低土壤的供氮能力。而將20%的氮素以有機氮替代，則可以顯著提高土壤拔節期和收獲期的供氮能力。

圖 3 不同施肥處理對不同時期土壤堿解氮含量的影響Fig.3 Effects of different fertilization treatments on the content of soil alkali-hydrolyzable nitrogen in different periods in 2018 and 2019

2.1.4 不同處理對土壤速效磷含量的影響 從圖4可以看出，降低20%的磷素投入量 (T2) 2018年的土壤速效磷含量沒有顯著影響，但2019年玉米拔節期和收獲期的土壤速效磷含量均顯著降低。減施化肥后配施雞糞和牛糞則可以顯著增加土壤速效磷含量，且拔節期的增加幅度大于收獲期，其中T3處理2018、2019年土壤速效磷含量分別較T1處理增加16.7%和34.2%。兩個有機肥處理相比，T3處理提高土壤速效磷含量的效果好于T4處理。

圖 4 不同施肥處理對不同時期土壤速效磷含量的影響Fig.4 Effects of different fertilization treatments on available phosphorus content in different periods in 2018 and 2019

2.1.5 不同處理對土壤速效鉀含量的影響 由圖5可知，T2處理土壤的速效鉀含量，除2018年拔節期外，均顯著低于T1處理。T3和T4處理的土壤速效鉀含量均高于T1，其中T3處理土壤速效鉀含量分別比T1處理增加7.75%和18.5%；T3處理的土壤速效鉀含量高于T4處理。

圖 5 不同施肥處理對不同時期土壤速效鉀含量的影響Fig.5 Effect of different fertilization treatments on soil available potassium content in different periods in 2018 and 2019

2.2 施肥對作物生長發育及產量的影響

2.2.1 不同處理對玉米生長發育特征的影響 表1表明，2018年T4處理玉米莖粗高于其他3個處理，T3和T4處理株高和SPAD值均高于T1和T2處理，但T3和T4處理間無明顯差異。2019年玉米莖粗各處理高低順序表現為 T4 > T3 > T1 > T2，但所有處理之間差異均不顯著。而株高表現為 T3 > T4 > T2> T1，SPAD 值表現為 T3 > T4 > T1 > T2，但各個處理的莖粗和SPAD值均無顯著差異。

表 1 不同處理對拔節期玉米生長指標的影響Table 1 Effects of different treatments on maize growth indexes at jointing stage

2.2.2 不同處理對玉米產量特征的影響 連續兩年秸稈條狀還田下化肥減量配施不同種類有機肥對玉米生長產量的影響見表2。2018和2019年在秸稈還田的條件下，化肥減量配施有機肥處理產量較高。2018年T4處理產量最高，為9925 kg/hm2，其次是T3處理和T1處理，產量分別為9750和9398 kg/hm2，最低產量為T2處理。T3和T4處理產量顯著高于T1處理，分別較T1處理增產5.60%和3.75%。2019年玉米產量規律與2018年相似，T4處理產量最高為13770 kg/hm2，其次為T3和T1處理，產量分別為13150和11400 kg/hm2，T2處理玉米產量依舊最低，T3和T4處理產量均高于T1處理，分別較T1處理增產20.8%和15.4%。綜合兩年試驗結果，連續兩年減施化肥20%處理產量與常規化肥處理產量相比差異不大，說明適量減少化肥對玉米的產量并沒有顯著的影響。但是在減氮基礎上增加有機肥 (牛糞和雞糞均可)，可提高玉米產量。

表 2 不同處理對玉米產量的影響Table 2 Effect of different treatments on maize yield

3 討論

兩年的田間試驗表明，有機無機肥配合能顯著提高拔節期和收獲期土壤有機碳、速效氮、速效磷和速效鉀的含量，為土壤微生物活動及作物生長提供充足的養分，相似的研究結果在我們之前土壤培肥的工作中也有報道[14,25]。由于有機肥在改善土壤養分和提高土壤肥力方面有化肥所不具備的優勢，化肥減量配合有機肥施用能夠更好的實現作物增產并有效提高土壤質量[26-27]。

本次試驗結果表明，連續兩年收獲期各處理土壤pH均高于拔節期，各個時期T2處理土壤pH均顯著高于T1處理。由于大量肥料施入土壤，一些未被利用的銨態氮肥在土壤中發生硝化作用，同時產生氫離子，從而降低土壤pH[28]。而T2處理化肥施用量較少，使其土壤pH高于T1處理，可見適量減少化肥用量可以提高土壤pH。張秀芝等[29]研究表明，有機肥配合氮磷鉀化肥可以快速有效提高土壤有機碳含量。2018年拔節期和收獲期T3處理土壤有機碳含量較T1處理土壤有機碳含量分別提高5.8%和15.2%，2019年分別為7.7%和13.0%。2019年拔節期和收獲期T4處理土壤有機碳含量較T1處理土壤有機碳含量分別提高4.6%和7.2%。可見有機肥與減量化肥配合施用可以提高土壤有機碳含量。由于有機肥 (畜禽糞便) 本身含有一定數量的有機碳，有機肥與化肥配施處理直接增加了有機碳的輸入，另外，雞糞和牛糞這兩種糞肥在作物生長過程中逐步分解，從而更加有利于土壤中有機碳的積累[30-31]。與范圍等[25]報道的秸稈覆蓋還田處理下表層土壤 (黑鈣土) 有機碳含量增加了15.9%相比較，本試驗中秸稈條帶對土壤有機碳含量的影響并不明顯，這也說明了土壤有機碳含量提升主要是由于有機肥提供。但是，牛糞和雞糞施入氮量一致，帶入的C量比例約為1∶0.7，即施用牛糞的處理C投入量大于施用雞糞的處理，然而兩年4個時期的土壤有機碳含量均表現為雞糞處理大于牛糞處理，可見不同處理土壤中C和N含量和比例的不同產生了不同的培肥效果和過程[32]。兩類有機糞肥與減量化肥配施對土壤有機碳含量的影響機理還有待探究。

速效養分是作物可以直接利用吸收的養分形態，因此土壤中速效養分含量的多少是影響作物生長的重要因素。劉思佳等[33]研究了不同比例化肥配施有機肥對黑土速效養分的影響，發現化肥減量配施有機肥可以提高土壤的速效養分含量。鄒文秀等[34]提出，施用有機物料可以顯著增加土壤中堿解氮的含量。本試驗兩年內施用不同有機肥處理土壤堿解氮含量在各時期均高于T1處理，可見化肥減量配施雞糞和牛糞可以提高土壤中堿解氮的含量。有機肥的施用會促進土壤有益菌的生長，改變土壤的供氮特性，從而使得土壤中堿解氮含量增加[35]。2018和2019年各時期T3和T4處理土壤速效磷含量均高于T1處理，原因是施用的有機肥本身含有一部分磷素，而且有機肥的施用會導致土壤有機質含量的增加，有機質可以減少無機磷的固定，促進無機磷的溶解，最終導致土壤速效磷含量的增加[36]。連續兩年化肥減量配施有機肥處理后能顯著提高土壤速效磷含量，這一結果也與申長衛等[37]研究結果一致。周曉芬等[38]研究表明，與水溶性鉀肥相比，有機肥中的速效鉀和緩效鉀被土壤固定的程度明顯降低。本研究結果表明，兩年內各時期T3和T4處理土壤速效鉀含量均高于T1處理，2019年收獲期T3處理土壤速效鉀含量顯著高于T4處理，其他時期兩個處理之間差異并不顯著。綜合來看T3處理效果優于T4處理，由于本試驗選用的雞糞基礎養分含量均高于牛糞，可以改變土壤物理、化學和生物特征，增加了土壤中有機膠體的含量，使得土壤顆粒形成穩定的團粒結構，從而提升土壤的保水和保肥能力。

秸稈條狀還田下化肥減量配施有機肥的研究有利于當地農戶根據土壤自身問題因地制宜[39]。連續兩年的試驗中單純的減量施用化肥并沒有使玉米過度減產，兩年玉米產量T3和T4處理之間沒有顯著差異，但均高于T1處理，也說明了適量增加土壤有機碳和速效養分可以使玉米增產。究其原因，可能因為化肥提供的礦質養分易被作物吸收，同時也會隨雨水淋溶；而有機肥提供的礦質養分占比很小，絕大部分養分會隨著礦化過程釋放出來，所以在玉米生長期雞糞處理和牛糞處理肥效較長，從而提高了作物產量。

4 結論

在秸稈條狀還田下，連續兩年減施20%的化肥用量沒有顯著降低玉米產量，但以雞糞和牛糞補足減去的氮素可以顯著增加玉米的產量；減少20%的化肥投入量，對第一年 (2018年) 土壤有機碳、速效磷和速效鉀含量的影響較小，但顯著降低了第二年(2019年) 三者的含量，但是對堿解氮的供應沒有不利影響；減少20%的化肥投入量，以雞糞或牛糞補足氮素后，土壤中的有機碳和速效氮磷鉀含量在拔節期和收獲期均高于常規施肥，而且補充雞糞的土壤養分狀況好于牛糞。

綜合產量和土壤養分狀況的變化，在秸稈條狀還田下，減少化肥投入，可能降低土壤磷和鉀的供應。而用有機肥補足減少的養分，可以維持和提高土壤的養分供應能力，提高玉米的產量。