有機肥替代化肥對土壤肥力和玉米產量的影響

于躍躍，郭 寧，閆 實，姜言嬌，韓 寶，吳萬軍，賈小紅

（1.北京市土肥工作站，北京 100029；2.北京市房山區農業科學研究所，北京 102400；3.北京市通州區農業科學研究所，北京 101113；4.中國農業大學，北京 100094）

化肥是糧食增產的重要原因，據聯合國糧農組織宏觀估算，化肥對糧食的增產貢獻率可以達到30%～50%［1-2］。施用化肥可以提高作物產量，改善作物品質，但過度施用也會造成環境污染、土壤退化等很多環境問題［3］，而且長期單一施用化肥更是會給土壤和環境帶來很多問題，比如土壤酸化、板結等［4］。調查顯示，大部分農戶化肥施用量均超過500 kg/hm2，存在嚴重的化肥施用超標問題［5］，由于肥料不合理施用、過量投入等問題也會造成農業環境污染和大氣污染［6］。如何降低化肥用量、提高肥料利用率是我國農業生產中急需解決的問題。有機肥具有較為豐富的養分，據統計我國目前禽畜糞便累積17 億t［7］，所含養分相當于尿素1170 萬t、過磷酸鈣1300 萬t、硫酸鉀2000萬t［8］。試驗研究表明有機肥部分替代化肥可以在產生較少污染的同時提高作物產量，經濟效益較高［9］，研究有機肥替代化肥對于農業生產具有非常重要的實際意義。

我國已有大量針對糧田有機肥施用的研究報道，關于有機肥替代化肥的相關研究也有很多，邢鵬飛等［10］研究發現在華北地區有機肥替代30%無機肥完全可以保證糧食質量，有機肥替代50%無機肥處理更是可以提高土壤肥力；劉紅江等［11］通過研究有機無機肥不同配施比例對水稻氮素吸收利用的影響，發現50%有機肥替代化肥在保證水稻高產的同時可以增加氮素積累，提高水稻的氮肥利用效率；闞建鸞等［12］研究了有機肥氮替代部分化肥對小麥產量及氮肥利用率的影響，發現30%有機肥和70%化肥配施是江蘇皋市小麥產量和氮肥利用效率最高的處理；楊雷等［13］研究過有機肥部分替代化肥對土壤肥力和甘薯質量的影響，張長春等［14］通過田間小區試驗發現有機肥替代化肥可提高小麥產量和氮肥利用率，紀彥鴻等［15］在陜南洋縣也進行了水稻有機肥替代化肥試驗，呂鳳蓮等［16］對土冬小麥-夏玉米輪作中有機肥替代化肥比例研究中發現有機肥替代75%化肥作物產量和氮效率較高，土壤中氮殘留少。以往的試驗研究基本上都是從水稻、小麥的施肥方式、機理研究方向出發［17］，關于北京地區玉米有機肥替代化肥的試驗很少。

本研究通過布置長期定位施肥試驗，以北京周邊地區糧田推薦施肥用量為試驗依據，設置5 個不同施肥方式，探究有機肥替代化肥對土壤培肥和玉米產量的影響，希望可以為北京地區糧田化肥減量、土壤合理培肥等關鍵參數的量化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試地點位于北京市房山區閻村鎮后十三里村，東經116°6′，北緯39°41′，溫帶季風氣候，年降水量600 mm 左右，春季多旱多風。試驗采取夏玉米和冬小麥輪作的種植制度。土壤為粘壤質褐土，土壤基礎理化性質如下：有機質13.78 g/kg，堿解氮含量32.1 mg/kg，有效磷含量21.68 mg/kg，速效鉀含量81.16 mg/kg，pH 值7.3。

試驗種植方式采用夏玉米-冬小麥輪作，玉米品種為平單120（甜玉米）；小麥品種為農大211。氮肥為尿素（N 46%）和磷酸二銨（N 18%），磷肥為磷酸二銨（P2O546%），鉀肥為硫酸鉀（K2O 50%）。有機肥氮磷鉀養分含量總和4.5%，有機質含量31.1%。

1.2 試驗設計與方法

采用田間小區試驗進行研究，試驗布置5 個處理：空白對照（CK），常規化肥（CN），CN 處理等氮量的有機肥（ON）、有機肥使用量是ON 處理的一半（0.5 ON）、一半化肥氮一半有機肥氮（0.5 CN）。設置3 次重復，小區隨機排列，共15 個小區，試驗區四周設保護行，寬度4.8 m，長度15 m。試驗采取夏玉米（上茬）與冬小麥（下茬）輪作的方式，一年兩茬。玉米6 月下旬播種，9 月中旬收獲，每公頃種植49500 棵；小麥10 月中旬播種，6 月上旬收獲。底肥在播種前施用，追肥在返青期施用，底肥均勻撒施，旋耕后播種，追肥均勻撒施后澆返青水。各小區不同施肥量處理詳見表1。

表1 各處理施肥量 （kg/hm2）

1.3 測定項目與方法

在玉米收獲期取2 株作物之間0～20 cm 表層土壤，每個處理取3 個點，四分法混合，樣品4℃保存。測定以下指標：有機質采用外源加熱法測定；堿解氮采用擴散法測定；有效磷采用鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用火焰光度法測定［18］；微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法測定［19］；脲酶采用奈氏比色法測定（37℃培養24 h）［20］；機械組成采用激光粒徑分析儀測定。

1.4 數據處理

數據取3 個重復的平均值，對玉米產量、土壤的微生物生物量碳、脲酶等指標采用SPSS 軟件做顯著性分析。對各種土壤數據做Pearson 相關性分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米產量的影響

圖1 顯示，從2012～2016 年，所有施肥處理相比對照平均可提高玉米產量32.2%，不同施肥處理增幅不同，0.5 ON、ON、CN、0.5 CN 處理分別增產18.3%、22.2%、40.2%、48.1%。不施肥處理產量顯著減少，由10237 kg/hm2降到8272 kg/hm2，減幅19.2%；單施有機肥ON、0.5 ON 處理玉米減產，減幅低于對照處理，分別由10836 kg/hm2降到10107 kg/hm2，10327 kg/hm2降 到9783 kg/hm2，分別減產6.7%、5.2%；CN、0.5 CN 玉米產量分別由10369 kg/hm2增到11594 kg/hm2，11010 kg/hm2增到12254 kg/hm2，分別增產11.8%、11.3%。

2.2 不同施肥處理對土壤肥力指標的影響

2.2.1 對土壤有機質含量的影響

不同施肥處理均有增加土壤有機質含量的作用。不施肥處理土壤有機質含量由14.26 g/kg 降到13.88 g/kg，減幅為2.7%；單施化肥土壤有機質含量由14.42 g/kg 增加到15.1 g/kg，增幅4.7%；施用有機肥處理顯著提高有機質含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 分別增幅11.0%、14.8%、15.5%。5 年來CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤有機質含量分別提高8.8%、16.0%、18.3%、21.5%。

2.2.2 對土壤全氮含量的影響

由圖3 可見，不施肥處理土壤全氮含量由1.14 g/kg 降到1.12 g/kg，減幅為2.2%；單施化肥增加全氮含量，增幅2.4%；施用有機肥處理顯著提高全氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 依次增幅9.5%、4.9%、5.6%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤全氮含量分別提高18.5%、9.9%、16.6%、22.8%。

2.2.3 對土壤堿解氮含量的影響

不同施肥處理土壤堿解氮含量變化有差異。由圖4 可見，不施肥處理堿解氮含量由32.1 mg/kg降到26.6 mg/kg，減幅為17.1%；單施化肥增加堿解氮含量，增幅5.9%；施用有機肥處理顯著提高堿解氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅7.3%、17.4%、3.1%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON處理相比CK 分別提高45.9%、38.4%、53.2%、36.6%。

2.2.4 對土壤有效磷含量的影響

不同施肥處理對土壤有效磷的影響趨勢顯著不同。由圖5 可見，不施肥處理的有效磷含量由25.8 mg/kg降到21.3 mg/kg，單施化肥增加有效磷含量，增幅32.8%；施用有機肥處理顯著提高有效磷含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅11.6%、14.3%、36.0%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤有效磷分別提高55.1%、31.6%、32.6%、59.8%。

2.2.5 對土壤速效鉀含量的影響

圖6 顯示，不同施肥處理對土壤速效鉀的影響趨勢顯著不同。不施肥處理速效鉀含量由91.3 mg/kg降到89.6 mg/kg，單施化肥增加速效鉀含量，增幅20%；施用有機肥處理顯著提高速效鉀含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 處理分別增幅10%、29.8%、15.2%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 處理相比CK 土壤速效鉀含量分別提高25%、20.1%、38%、28.2%。

2.3 不同施肥處理對土壤生物指標的影響

2.3.1 對微生物生物量碳的影響

微生物生物量碳可代表微生物數量，在一定程度上可反應土壤微生物種群數量。2016 年試驗結束后土壤微生物生物量碳結果（圖7）表明，不同施肥處理影響土壤微生物生物量碳含量，有機肥和化肥處理均可增加土壤微生物生物量碳含量，0.5 ON、ON 處理增加微生物生物量碳51.0～86.5 mg/kg，增幅1.52～2.58 倍，化肥處理增幅79%。ON 處理微生物生物量碳含量最高，其次為0.5 ON 處理。

2.3.2 對脲酶活性的影響

脲酶表征微生物代謝氮素的能力，反應土壤微生物活力。2016 年試驗結束后土壤脲酶活性（圖8）表明，施肥處理可以增加土壤脲酶活性，其中有機肥處理增幅明顯，0.5 ON、ON 處理顯著高于CK 處理，增幅平均為49.8%；化肥增幅較小，CN、0.5 CN 分別增幅6%、14.8%。

2.4 不同施肥處理對土壤機械組成的影響

機械組成代表著土壤粒徑的分配比例，可以代表施肥措施改良培肥土壤的效果。2016 年試驗結束后土壤機械組成結果（圖9）表明，施肥處理改變了土壤機械組成，有機肥處理降低了＜0.01 mm粒徑比例，降低4.9%～10.8%，增加0.01～0.05 mm粒徑比例2.7%～4.2%，其中0.5 ON 處理增加0.01～0.05 mm 粒徑比例4.2%，化肥處理增加0.05～1 mm 粒徑比例3.6%。

2.5 玉米產量和土壤性質之間的相關性

表2 表明，2013、2014、2015 年玉米產量與堿解氮含量，2015、2016 年玉米產量與速效鉀含量呈現顯著性正相關關系，隨著培肥時間的延長相關性越好，而玉米產量和其他土壤指標并沒有很好的相關性。

表2 不同種植時間玉米產量和土壤性質的相關系數

2.6 聚類分析

對土壤性質（養分、微生物指標、機械組成）聚類全過程的系統樹（圖10）結果表明，將研究的5 個處理分成3 組時，組間距離較大，說明各組的特點比較突出，不同組間土壤性質差異比較明顯，而組內則較為相似。第一組包含3 個處理（CK、CN、0.5 ON），該組土壤養分指標、生物指標處于較低水平；第二組為0.5 CN 處理，土壤養分指標和生物指標高于第一組而低于第三組，ON處理為第三組，該處理土壤養分和生物指標含量最高。上述結果表明，糧田種植施用有機肥明顯改變土壤性質，相比常規種植（CN），0.5 ON、ON 處理顯著增加土壤養分、微生物指標。

3 討論與結論

3.1 討論

有機肥全部替代化肥（ON、0.5 ON）處理玉米減產5.2%～6.7%，常規和有機肥替代50%化肥（CN、0.5 CN）處理玉米增產11.3%～11.8%，表明有機肥替代50%的化肥，配合化肥施用增產效果最好。汪洪焦等［21］研究發現有機無機肥配施增產效果最好，水稻、小麥、玉米配施產量明顯高于化肥處理，孟琳等［17］研究發現水稻有機肥替代化肥30%增產效果最好，這是由于水田環境需要更多的氮素，而本試驗基于旱田，50%的氮素替代率增產效果非常明顯，當然今后需要對養分替代率做進一步的研究分析。

施肥處理相比對照均提高了土壤養分含量，有機質、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀、微生物生物量碳、脲酶含量平均分別增加15.1%、16.3%、45.8%、45.7%、29%、168%、31%；有機肥含有大量的緩效養分，不能及時滿足作物對養分的需求，但是培肥土壤效果最好，這也是ON 處理玉米產量出現下降，土壤各養分指標增幅最高的原因［22］。何浩等［23］研究商品有機肥替代部分化肥對玉米產量和土壤肥力影響時也發現土壤堿解氮、有效磷、速效鉀、有機質含量等指標會有所變化，土壤的pH 值和容重也會受到影響，分析表明玉米產量和土壤堿解氮、速效鉀具有顯著性正相關關系，這可能是由于這兩種養分指標是北京地區玉米增產的主要決定因素。施肥處理對土壤質地有顯著的改變，0.5 CN 處理增加0.01～0.05 mm 粒徑比例。有機肥可以顯著提高粒徑＞0.25 mm 機械穩定性團聚體含量［24］。

使用有機肥顯著增加土壤脲酶活性、微生物生物量碳含量，這是因為有機肥處理顯著增加土壤溶解性有機碳（DOC）含量，增施有機肥增加DOC組分中結構復雜的芳香化合物的比例［25］，有機肥的施用增加了微生物含量，同時顯著增加土壤根系有效成分和有機質含量［26］。有機肥不同比例替代化肥的試驗表明，隨著有機肥配施比例提高，土壤酶活性等一些酶活性指標會有增加趨勢［27］，有機肥施用顯著影響了土壤脲酶活性，但是0.5 CN 處理脲酶活性低于0.5 ON 處理，這可能是因為0.5 CN處理尿素的存在抑制了脲酶活性，底物的存在降低了酶的活性。

3.2 結論

有機肥100%替代化肥氮素降低玉米產量5.2%～6.7%，且有進一步降低的趨勢；有機肥替代50%化肥處理可提高玉米產量11.8%。

施用有機肥明顯提高土壤有機質、速效氮磷鉀、微生物生物量碳等指標。有機肥替代50%化肥氮處理對土壤堿解氮、速效鉀含量增幅分別為53.2%、38%，且和玉米產量具有顯著性正相關關系，表明這兩指標可能是北京地區玉米增產的決定因素。有機肥替代50%化肥氮處理增加土壤微生物生物量碳、脲酶活性，增加土壤0.01～0.05 mm 粒徑比例。