环巢湖流域有机肥替代对土壤肥力、氮磷利用率和水稻产量的影响评价

Evaluation of the Impact of Organic Fertilizer Substitution on Soil Fertility, Nitrogen and Phosphorus Utilization Efficiency and Rice Yield in Chaohu Lake Basin

doi: 10.3969/j.issn.2096-7047.2024.02.010

王浩 Hao WANG , 李延君 Yanjun LI , 孙孝根 Xiaogen SUN , 郑兴来 Xinglai ZHENG , 熊启中 Qizhong XIONG , 徐刚 Gang XU , 陈晓辉 Xiaohui CHEN , 景建元 Jianyuan JING , 叶新新 Xinxin YE

1 农田生态保育与养分资源高效利用安徽省重点实验室/安徽省绿色磷肥智能制造与高效利用工程研究中心/自然资源部江淮耕地资源保护与生态修复重点实验室/安徽农业大学资源与环境学院安徽合肥 230036 Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Nutrient Utilization/Anhui Province Engineering and Technology Research Center of Intelligent Manufacture and Efficient Utilization of Green Phosphorus Fertilizer/Key Laboratory of JiangHuai Arable Land Resources Protection and Eco-restoration, Ministry of Natural Resources/College of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei, Anhui 230036, China 2 中盐安徽红四方肥业股份有限公司绿色智能复合肥研究院安徽合肥 230001 CNSG Anhui Hongsifang Fertilizer Co., Ltd., Green Intelligent Compound Fertilizer Research Institute, Hefei, Anhui 230001, China

Author notes:

Correspondence to: 叶新新(1982—)，男，博士，教授，主要从事植物养分资源利用与管理；yexx@ahau.edu.cn

摘要：

为考察相同磷施用水平下有机肥料部分替代化肥对水稻产量、养分利用情况、氮磷肥效率和土壤肥力的影响，开展了田间小区试验。试验共设置6个处理，分别为不施肥(CK)、常规施肥(CF)以及100%、70%、50%、30%商品有机肥替代化肥(M1、M2、M3、M4)处理。结果表明：M4处理的水稻产量最高，较CF处理的提升了8.18%；M4处理的氮磷肥偏生产力、氮磷肥农学效率、氮磷肥利用率均最大，且随着有机肥替代比例的增大，氮磷肥偏生产力、氮磷肥农学效率、氮磷肥利用率逐渐降低；M1~M4处理的水稻地上部氮素积累量无显著性差异，M2、M3处理的水稻地上部磷素积累量比CF处理的分别提高了37.73%、36.30%；水稻收获后，M1~M4处理的土壤pH和有机质含量随有机肥替代比例的增加而增大。有机肥替代化肥的比例为30%~50%时较合适。

关键词：

有机肥替代; 土壤肥力; 肥料效率; 巢湖流域; 水稻;

Abstract：

In order to investigate the effects of partial substitution of chemical fertilizer with organic fertilizer on rice yield, nutrient utilization, nitrogen and phosphorus fertilizers efficiency and soil fertility under the same phosphorus application level, a field plot experiment is carried out. A total of 6 treatments are set up in the experiment, including no fertilization (CK), conventional fertilization (CF), and treatments of 100%, 70%, 50%, and 30% commercial organic fertilizer replacing chemical fertilizers (M1, M2, M3, M4). The results show that the yield of rice of treatment M4 is the highest, which is 8.18% higher than that of treatment CF. The partial productivity, agronomic efficiency, and utilization efficiency of nitrogen and phosphorus fertilizers of treatment M4 are the highest, and as the proportion of organic fertilizer substitution increases, the partial productivity, agronomic efficiency, and utilization efficiency of nitrogen and phosphorus fertilizers gradually decrease; there is no significant difference in nitrogen accumulation in the aboveground parts of rice treatments M1 to M4, while the phosphorus accumulation in the aboveground parts of rice treatments M2 and M3 increase by 37.73% and 36.30%, respectively, compared to the CF treatment. After harvest of rice, the soil pH and organic matter content of treatments M1 to M4 increases with the increase of organic fertilizer substitution. The appropriate proportion for organic fertilizer to replace chemical fertilizers is 30% to 50%.

Keyword：

organic fertilizer substitution; soil fertility; fertilizer efficiency; Chaohu Lake basin; rice;

巢湖是长江中下游五大淡水湖之一，作为国家“三河三湖”重点治理的对象之一，巢湖水体的污染主要表现为富营养化严重，其原因是水体中氮磷含量过高，这也是巢湖蓝藻暴发的一个最根本的原因^[1]。农业源是巢湖水体氮磷污染的主要来源之一，所以区域农业氮磷综合管理与绿色发展势在必行。由于农作物秸秆中含有大量的氮素、磷素，将秸秆还田后，可以有效减少化肥的施用量，从而达到土壤培肥的效果，因此秸秆还田已成为我国农作物施肥结构变化的关键性技术措施之一^[2]。张福锁等^[3]的研究表明，若同时实现作物高产与资源高效利用，须挖掘作物产量潜力、提高土壤生产力，通过以提高土壤基础生产力为核心的土壤调控，可稳定实现大面积作物高产高效。提高农田土壤的肥力，藏粮于土是确保我国粮食安全和生态环境安全的重要基础和战略选择。当前，化肥减量采取的重要措施为有机肥替代技术，其中有机无机肥配施有利于扬长避短，发挥有机肥和无机肥的各自优势，可改善土壤生态环境、增加土壤微生物活性和多样性、培肥土壤，同时可为作物高产提供充足的养分^[4-5]。已有研究表明，长期施用有机肥、秸秆还田及有机肥与化肥配施，有利于促进早稻和晚稻的生长发育、干物质积累和产量提高^[6-7]。本文通过田间小区试验，研究有机无机肥配施对巢湖流域水稻产量、土壤肥力和作物养分利用、氮磷效率指标等的影响，结合经济效益，得到有机肥替代无机磷的最优比例。通过在巢湖流域开展定位试验，以期为该地区实现化肥合理减施、作物提质增产增效提供合理依据。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

田间试验设在安徽省庐江县同大镇灵台村(31°54′38″ N，117°39′33″ E)，该地区属于亚热带湿润性季风气候，四季分明，雨量充沛，光照充足，年均气温15.8 ℃，年均降雨量1 188 mm，日照时数2 000 h以上，无霜期238 d，主要种植作物为稻麦。试验地土壤为潴育型水稻土，0~20 cm耕层土壤pH为5.25，w(有机质)为24.9 g/kg，w(全氮)为1.3 g/kg，w(碱解氮)为55.70 mg/kg，w(有效磷)为27.7 mg/kg，w(速效钾)为35.98 mg/kg。

1.2 试验设计

试验以等养分投入为基础(N：210 kg/hm²，P₂O₅：90 kg/hm²，K₂O：90 kg/hm²)，采用单因素随机区组设计，共设7个施肥处理：CK，不施肥；CF，常规施肥，N、P₂O₅、K₂O均为15%(质量分数，后同)；M1，商品有机肥，执行行业标准《有机肥料》(NY 525—2012)，有机质≥45%，N为2.42%，P₂O₅为3.37%，K₂O为2.38%，施用量为2 671 kg/hm²；M2，商品有机肥替代磷肥70%，商品有机肥施用量为1 870 kg/hm²；M3，商品有机肥替代磷肥50%，商品有机肥施用量为1 336 kg/hm²；M4，商品有机肥替代磷肥30%，商品有机肥施用量为801 kg/hm²。商品有机肥施用后，氮、磷、钾养分不足部分分别用尿素(N为46%)、磷酸二铵(N为18%、P₂O₅为46%)和氯化钾(K₂O为60%)补充。商品有机肥购自黄山农华生物科技股份有限公司，其余的复合肥、常规化肥均购自中盐安徽红四方肥业股份有限公司。

在小麦秸秆当季全量还田的基础上进行试验，每个施肥处理重复3次，小区面积均为80 m²。小区间的田埂用塑料薄膜附泥包裹隔离防渗，四周设保护行，每个小区独立灌排。试验时间为2021年5月20日—10月12日，氮肥采用6∶3∶1的方式施用(基肥60%、分蘖肥30%、穗粒肥10%)，磷、钾肥作为基肥一次性施入，均采用人工撒施。2021年5月20日施入基肥后翻耕土壤，进行机插秧，种植密度为20.0×10⁴穴/hm²，每穴定植2株，株、行距分别为25、13 cm。2021年6月10日追施分蘖肥，8月17日追施穗粒肥，10月10日水稻收获。病虫草防治及其他栽培措施与当地常规田间管理相同。

供试品种：水稻为全香优19，上季小麦为扬麦25。

1.3 测定项目与方法

每小区随机选取10穴及时考种，随机统计每个小区1 m²调查框内的水稻有效穗数和结实的总穗粒数，计算每株有效穗粒平均数，称量千粒质量，然后对各小区水稻进行单独收割实测。水稻种植前、分蘖期、成熟期进行植株、土壤样品采集。土壤、植株养分的分析采用文献[7]中的方法。

计算公式：

水稻理论产量(kg/hm²)=有效穗数(穗/hm²)×穗粒数(粒/穗)×千粒质量(g)×10^-3；

氮磷肥料吸收量(kg/hm²)=植株籽粒氮磷吸收量+植株秸秆氮磷吸收量；

氮磷素积累量(kg/hm²)=植株茎、叶、穗干物质量×各部位氮磷浓度的总和；

氮磷肥偏生产力(kg/kg)=施肥区产量/氮磷肥用量；

氮磷肥农学效率(kg/kg)=(施肥处理产量-对照处理产量)/施氮磷量；

氮磷肥利用率(%)=(施肥处理地上部吸氮磷量-对照处理地上部吸氮磷量)/施氮磷量×100%；

氮磷肥生理利用率(kg/kg)=(施肥处理产量-对照处理产量)/(施肥处理地上部吸氮磷量-对照处理地上部吸氮磷量)；

经济效益(元/hm²)=稻谷效益-(肥料成本+人工成本+机械成本+农药成本)。

1.4 数据处理

采用Excel 2010、SPSS 17.0软件对数据进行统计分析，使用单因素方差分析进行显著性检验(P＜0.05)，并使用最小显著差异法(LSD)和Duncan法进行均值比较，利用Origin 8.5软件制图。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代比例对稻田土壤肥力的影响

水稻收获后，不同施肥处理的土壤养分含量见表 1。

表 1

不同施肥处理的土壤养分含量

处理	pH	w(有机质)/(g·kg^-1)	w(全氮)/(g·kg^-1)	w(铵态氮)/(mg·kg^-1)	w(硝态氮)/(mg·kg^-1)	w(全磷)/(g·kg^-1)	w(有效磷)/(mg·kg^-1)
CK	6.03±0.07 b	17.86±2.03 d	0.62±0.11 bc	2.60±0.40 b	3.73±0.32 c	0.66±0.03 d	25.56±4.59 b
CF	6.08±0.16 a	20.62±2.22 c	0.60±0.02 c	6.50±1.40 a	3.15±0.22 c	0.80±0.02 b	28.57±3.42 b
M1	5.85±0.10 bc	28.95±1.10 a	0.76±0.03 a	5.23±0.37 a	6.17±0.12 b	0.88±0.03 a	31.90±1.27 a
M2	5.81±0.12 bc	26.25±0.60 b	0.73±0.03 a	4.10±0.27 ab	6.17±0.31 b	0.62±0.01 f	15.99±1.32 d
M3	5.80±0.19 bc	26.79±0.60 b	0.75±0.15 a	6.30±0.21 a	5.80±0.03 b	0.72±0.03 c	22.67±1.35 bc
M4	5.70±0.08 c	19.38±0.78 c	0.63±0.01 b	4.67±0.35 ab	9.74±0.04 a	0.65±0.02 e	28.47±0.48 b
注：1)同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P＜0.05)，下同

由表 1可知，有机肥替代处理的pH比CF处理的下降了0.23~0.38。经过水稻的种植，有机肥替代处理的土壤有机质含量随替代比例的增加而增加，M1处理的为最大值，较CF处理的提高了40.40%。在土壤氮素方面，全氮的变化趋势与有机质的相似，M1处理的为最大值；CF处理的土壤铵态氮含量最高，M4处理的土壤硝态氮含量最高，在有机肥替代处理中并未出现随替代比例增大铵态氮和硝态氮含量上升的现象；有机肥替代处理的铵态氮含量比CF处理的下降了3.08%~36.92%，而硝态氮含量上升了84.13%~209.21%；从方差分析来看，除M4处理外，有机肥替代各处理间硝态氮含量无显著性差异，铵态氮含量存在差异但不显著。在土壤磷素方面，M2处理的全磷含量比CK处理的下降了6.06%，其他处理的全磷含量都显著高于CK处理的，其原因可能是在水稻生长后期，土壤对磷素的固定增加了。M1处理的有效磷含量最大，与其他处理的差异性显著。

2.2 不同有机肥替代比例对水稻产量及其构成因子的影响

水稻有效穗数、穗粒数、千粒质量、结实率在一定程度上影响着水稻产量，不同施肥处理的水稻产量构成因子见表 2。

表 2

不同施肥处理的水稻产量构成因子

处理	有效穗数/(×10⁴穗·hm^-2)	每穗粒数/粒	千粒质量/g	结实率/%	实际产量/(kg·hm^-2)
CK	146.36±0.66 d	94±3.18 c	22.53±0.75 d	72 e	6 315.30±8.66 e
CF	225.32±10.50 c	128±2.96 b	23.23±0.20 d	84 c	9 473.70±76.97 c
M1	247.57±0.95 b	129±2.31 ab	26.73±0.20 b	85 b	8 456.20±166.43 d
M2	242.78±4.70 bc	129±1.76 ab	29.54±0.32 a	83 d	9 693.40±58.95 bc
M3	292.18±4.78 a	137±1.33 a	25.12±0.20 c	83 d	9 923.15±51.88 b
M4	290.51±7.17 a	133±2.08 ab	27.08±0.38 b	86 a	10 249.00±22.18 a

由表 2可知：在试验条件下，水稻产量随着有机肥替代比例的降低而增加，各处理水稻产量由高到低依次为M4＞M3＞M2＞CF＞M1＞CK；M4处理的产量最高，比CF处理的增长8.18%，M3、M2、M1处理的产量分别较CF处理的增加4.74%、2.32%、-10.74%；M4、M3处理的产量都显著高于CF处理的；M3、M2处理的产量显著低于M4处理的，但M3和M2处理的产量无显著性差异；M4、M3处理的有效穗数无显著性差异，M2、M1处理的有效穗数差异也不显著；各有机肥替代处理的每穗粒数的差异不显著或无差异；M2处理的千粒质量最优，比CF处理的提升27.16%；M4处理的结实率与其他处理的有显著性差异。

2.3 不同有机肥替代比例对土壤有效磷含量的影响

不同施肥处理的土壤有效磷含量见图 1。

图 1

不同施肥处理的土壤有效磷含量

在分蘖期，M4处理的土壤有效磷含量最高，为48.13 mg/kg，比CF处理的增加29.01%，这可能是因为合理的碳氮比例增强了土壤微生物活性所致；其余有机肥替代处理间土壤有效磷含量呈阶梯式上升。

在成熟期，各处理的土壤有效磷含量由高到低依次为M1＞M4＞CF＞M3＞M2＞CK，M1处理的土壤有效磷含量为29.76 mg/kg，与其他各处理存在显著性差异；M4、M3、CF处理的土壤有效磷含量无显著性差异，M2处理的土壤有效磷含量与CF处理的存在差异但不显著。这可能是因为土壤含水量降低后，减弱了土壤微生物的活性，有效磷重新被土壤固定造成的。

2.4 不同有机肥替代比例对成熟期水稻氮磷积累量的影响

不同施肥处理的成熟期水稻植株地上部氮素积累量见图 2。从成熟期植株地上部氮素积累量总体来看，M4处理的氮素积累量最高，为228.8 kg/hm²，比CF处理的提高了19.60%；其次为M2、M3处理的，CK处理的最低。从方差分析结果来看，有机肥的施用对植株地上部氮素积累量有一定的影响, 各有机肥替代处理比CF处理提升了7.82%~19.60%，有机肥替代处理间差异不显著。

图 2

不同施肥处理的成熟期水稻植株地上部氮素积累量

不同施肥处理的成熟期水稻植株地上部磷素积累量见图 3。由图 3可知：磷素积累量由高到低依次为M2＞M3＞M1＞M4＞CF＞CK，M2处理的最高，比CF处理的提高了37.73%，M2、M3处理间无显著性差异；M3、M1、M4处理的分别比CF处理的提升了36.30%、20.32%、18.42%。可见，合适的有机肥替代比例能有效提高作物地上部的磷素积累量。

图 3

不同施肥处理的成熟期水稻植株地上部磷素积累量

2.5 不同有机肥替代比例对氮磷肥效率的影响

不同施肥处理的水稻氮磷肥效率见表 3和表 4。

表 3

不同施肥处理的氮肥效率

处理	氮肥偏生产力(PFP_N)/(kg·kg^-1)	氮肥农学效率(AE_N)/(kg·kg^-1)	氮肥利用率(RE_N)/%	氮肥生理利用率(PE_N)/(kg·kg^-1)
CF	45.11	15.04	18.06	83.26
M1	40.27	10.19	11.81	72.87
M2	46.16	16.09	13.99	136.20
M3	47.25	17.18	23.23	73.94
M4	48.80	18.73	30.09	62.26

表 4

不同施肥处理的磷肥效率

处理	磷肥偏生产力(PFP_P)/(kg·kg^-1)	磷肥农学效率(AE_P)/(kg·kg^-1)	磷肥利用率(RE_P)/%	磷肥生理利用率(PE_P)/(kg·kg^-1)
CF	105.26	35.09	4.39	176.44
M1	93.96	23.79	13.50	131.43
M2	107.70	37.53	10.54	123.09
M3	110.26	40.09	15.69	120.33
M4	113.88	43.71	20.49	146.55

从表 3可知：除PE_N外，M4处理的PFP_N、AE_N、RE_N均为最大值；随着有机肥替代比例的降低，PFP_N、AE_N、RE_N呈增大的趋势。

从表 4可看出：磷肥效率因有机肥替代比例的不同而不同，M4处理的PFP_P、AE_P、RE_P均为最大值，比CF处理的分别提高了8.19%、24.57%、366.74%；随着有机肥替代比例的增大，PFP_P、AE_P逐渐降低；CF处理的PE_P最大，可能是因为有机肥前期养分释放慢，造成水稻前期磷素吸收量减少。可见，施用适量的有机肥能够提高PFP_P、AE_P、RE_P。

2.6 不同有机肥替代比例对稻田经济效益的影响

水稻、肥料、人工均以市场价格计，不同施肥处理的经济收益(见表 5)由高到低依次为M4＞M3＞CF＞M2＞M1＞CK；M4处理的经济收益比CF处理的提升12.23%，平均增收106.82元/亩(1亩=667 m²)；CF处理的经济收益大于M2、M1处理的，其原因是尽管有机肥的市场价格较便宜，但施用量较大，增大了人工成本；从产投比来看，CK处理最优，这是因多年的养分积累所致。

表 5

不同施肥处理的水稻经济效益

处理	产出值/(元·hm^-2)	投入值/(元·hm^-2)	产投比	经济收益/(元·hm^-2)
CK	16 167.17	5 652.00	2.86	10 515.17
CF	24 252.67	11 150.00	2.18	13 102.67
M1	21 647.87	8 927.00	2.42	12 720.87
M2	24 815.10	11 758.20	2.11	13 056.90
M3	25 403.26	11 646.90	2.18	13 756.36
M4	26 237.44	11 532.40	2.28	14 705.04

3 讨论

3.1 不同有机肥替代比例对稻田土壤养分含量的影响

在探究不同有机肥替代比例对土壤养分含量的影响时, 因土壤养分含量受制因素较多，本文通过与当地常规施肥模式的对比，发现养分含量会随着时间的推移逐渐减少，前人的较多研究也印证了这一点^[8-10]。与试验前相比，4种不同的有机肥替代比例，除M4处理的土壤有机质含量低于试验前的，其余处理的均高于试验前的；全氮含量均有不同程度的下降，而pH均有所上升，这说明有机肥替代化肥磷素，促进了全效养分向速效养分的转化。在试验中，有机肥配施化肥能够促进硝态氮、速效磷转化，增加活性养分比例。相关研究表明，生物炭等有机肥料对土壤活性有机磷、中等活性有机磷的含量有较大提升作用，施化学磷肥和有机肥显著提高了土壤无机磷和全磷含量，施有机肥增幅高于施化学磷肥的^[11]。在高量的有机肥与化肥配施下，提升了土壤的pH、有机质含量，同时降低了全氮含量，这与前人的研究结果一致。

3.2 不同有机肥替代比例对水稻产量和氮磷吸收量的影响

水稻是喜铵作物，有机肥与化肥配施能够改善土壤微生物的活性、土壤肥力，提高养分的释放效率。研究发现，有机肥替代比例为30%~50%时，水稻有效穗数与其他替代比例相比存在显著性差异，产量比常规施肥提高了4.74%~8.18%。在有机肥替代比例为30%~70%时，不仅产量没有降低，而且出现小幅提升。欧杨虹等^[10]的研究发现，总氮用量在240 kg/hm²以内时，有机肥料氮替代10%~20%的无机氮最合适。适当的有机肥替代比例能增加有效穗数、千粒质量、结实率等，对水稻产量的提高起重要的作用，同时在有机肥替代磷肥50%的基础上实施秸秆还田，也能提升水稻产量^[11-13]，这与本研究的结果一致。适当的有机无机配施比例能够大幅提升水稻产量，对于水稻植株地上部氮素积累量无较大的影响，但M2、M3处理的水稻植株地上部磷素积累量较优。与常规施肥相比，有机无机配施能够大幅提高水稻产量和地上部植株磷素积累量的主要原因是有机肥中含有多种元素、微生物等有机大分子物质，能够活化被土壤固定的磷素，并改善氮素的供应^[14-17]。

3.3 不同有机肥替代比例对氮磷效率的影响

长期施用化肥可造成土壤硬化、肥力下降。合理施用有机肥可改善土壤碳氮比，刺激土壤中微生物的繁殖活动^[18]，增大氮磷效率。同时，有机肥中含有大量的碳源和稳定的速效养分，既能提高根际微生物的数量，也能刺激微生物的活性，从而在作物需肥量较大时，出现正向循环，供作物吸收利用。试验结果表明，有机肥替代比例为30%时的氮磷肥偏生产力、氮磷肥利用率较高，M2处理的氮肥生理利用率最优，其原因可能是较优的有机肥替代比例既增大了土壤碳氮比，又活化了土壤中被固定的磷素，同时有合适的无机磷素的引入，可保证作物在需肥期有稳定的养分供应。

3.4 环巢湖流域水稻有机肥替代最优比例

有较多研究指出，有机肥料替代无机氮的最优比例由于土壤基础地力的不同存在差异。孟琳等^[19]的研究发现，最优氮替代比例为10%~25%时，能显著提高作物产量和氮肥利用率。黄红英等^[20]的研究表明，稻、麦轮作系统下化肥配施50%~75%的沼液，能促进作物生长和氮磷素的吸收利用。试验结果表明，有机肥替代比例为70%时，地上部磷素积累量较常规施肥提高了37.73%。有机肥替代部分化肥可以改善土壤养分供应状况，是提高肥料利用率的有效措施^[8]。覃莎莎^[9]研究发现，30%~50%有机养分替代，水稻氮磷肥利用率较高。试验结果表明，有机肥替代比例为30%时，磷肥利用率、磷肥偏生产力较高。过高的有机肥替代比例(如M1处理)造成水稻贪青晚熟，导致水稻减产；合理的替代比例(如M4处理)，水稻产量较常规施肥提升8.18%。从经济角度来看，与有机肥替代比例30%~50%的处理相比，常规施肥处理经济收益减少43.58~106.82元/亩。在环巢湖流域，有机肥替代比例为30%~50%时，能够保持土壤肥力持久、作物增产、氮磷吸收量增加、肥料利用率增大。

4 结语

研究发现，30%有机养分替代处理时水稻产量最优，而在全量有机肥处理时，水稻产量与其他施肥处理相比均显著降低；30%~50%有机养分替代时，氮磷肥利用率和氮磷肥偏生产力较高；通过水稻收获前后土壤肥力的对比，有机肥替代比例为30%~50%时，能够最大程度保持土壤肥力，促进全效氮磷素向速效氮磷素的转化。结合实际生产情况，30%~50%有机养分替代，不仅可以提高水稻产量，而且有较好的经济收益，同时也能促进土壤全效养分的活化。

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