，，

(1.黑龍江省農業(yè)科學院 土壤肥料與環(huán)境資源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.黑龍江省土壤環(huán)境與植物營養(yǎng)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.黑龍江省肥料工程技術研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

黑龍江省是我國大豆的最大產區(qū)，播種面積占全國的50%左右，2015年大豆播種面積達到235.5萬hm2，產量為428.4萬噸[1]，占全國大豆總產量的40%以上[2]。近年來，隨著化肥施用量的逐漸增加、利用率逐漸下降，土地質量受到了嚴重影響，從而導致大豆產量和品質下降[3]。因此，在保證大豆產量的同時，尋求一種環(huán)境良好及可持續(xù)性的大豆施肥方法成為我們關注的問題，而近年來有機農業(yè)的快速發(fā)展為我們提供了新的研究思路。有機農業(yè)定義為：在動植物生產過程中不使用化學合成的物質，如農藥、化肥、生產調節(jié)劑、飼料添加劑及基因工程生物及其產物[4]。有機農業(yè)生產中，通常采用種植豆科植物、輪作、免耕或土地休閑等措施進行土壤肥力的恢復，以及施用有機肥來維持養(yǎng)分平衡，提高土壤肥力和土壤生物活性[5]。施用有機肥不僅能提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤物理性質，還可通過形成有機-無機復合體和微團聚體進一步提高土壤有機質數量，更新和活化土壤中老的有機質，改善土壤腐殖質的品質，進而全面提高土壤肥力[6]，對作物穩(wěn)產和高產有積極作用。以往的研究者對黑土大豆施用有機肥的產量效應、土壤理化性質變化進行了積極的探索。孫煒等[7]指出，施用生物有機肥料后，不僅可以促進大豆生長發(fā)育和早熟，還可改良土壤和增加大豆產量。王家軍等[8]在黑龍江省海倫市研究了不同肥料對大豆產量的影響，指出施用三元復混肥處理的大豆產量較單施有機肥(農家肥)增產9.37%，但會降低土壤pH和增加土壤容重。然而，上述研究的試驗時間較短，而有機肥具有長效性，利用長期定位試驗進行研究十分必要。長期定位試驗首先具有時間的長期性，其次氣候具有代表性，能克服氣候的年際變化對肥料效應的影響，數據信息量豐富且準確可靠，可系統(tǒng)地揭示土壤肥力演變特征和規(guī)律[9]。因此，本研究利用38年的黑土長期定位試驗，分析長期施用有機肥對黑土大豆產量效應、土壤理化性質演變特征的影響，并評價在大豆種植中有機肥替代化肥的可行性，為肥料合理施用、建立區(qū)域有機大豆種植技術和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗原址位于黑龍江省農業(yè)科學院試驗基地(126°35′E，45°40′N)，全年≥10 ℃有效積溫約2 700 ℃，年日照時數2 600～2 800 h，無霜期135 d。土壤類型為黑土。長期試驗于1979年設置，1980年開始按小麥、大豆、玉米輪作，每年一季，1986年起增加二倍量施肥試驗。試驗地初始耕層(0～20 cm)土壤化學性質如下：有機質26.6 g·kg-1，全氮(N)1.47 g·kg-1、全磷(P2O5)1.07 g·kg-1、全鉀(K)25.16 g·kg-1，速效養(yǎng)分堿解氮151.0 mg·kg-1、有效磷51.0 mg·kg-1、速效鉀200.0 mg·kg-1，pH值7.2。2010年12月對黑土長期定位試驗進行了凍土搬遷(搬遷深度1.1 m)，新址為哈爾濱市民主鎮(zhèn)(126°51′E，45°50′N)，距舊址約40 km，氣候、土壤等與舊址基本一致。

1.2 試驗設計

長期試驗設24個處理，本研究選取其中的3個處理：(1)單施化肥(NPK)；(2)常規(guī)有機肥(M)；(3)二倍有機肥(M2)。搬遷前小區(qū)面積為168 m2，不設重復；搬遷后小區(qū)面積36 m2(4 m×9 m)，每個處理設3次重復，隨機排列。小麥季和玉米季化學肥料施用量為N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2；大豆季化學肥料施用量為N 75 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2和K2O 75 kg·hm-2，秋季施肥。有機肥為純馬糞(養(yǎng)分含量、含水量在當季施肥前測定)， 每3 年施一次，于玉米季收獲后秋施。大豆季和玉米季施肥后旋耕起壟，小麥季旋耕平播。作物生育期不灌水。常規(guī)有機肥(M)和二倍有機肥(M2)分別按純氮(N)量75 kg·hm-2(約馬糞18.6 t·hm-2)和150 kg·hm-2(約馬糞37.2 t·hm-2)施用。馬糞養(yǎng)分含量為歷年測定的平均值，養(yǎng)分含量N、P2O5、K2O分別為0.58%、0.65%和0.90%。化肥為尿素(N 46%)、重過磷酸鈣(P2O546%)、磷酸二銨(N 18%，P2O546%)和硫酸鉀(K2O 50%)。

1.3 樣品采集與測定

作物產量于收獲期在小區(qū)中部劃分10 m2采樣區(qū)，作物全部收獲后脫粒，風干稱重并測定含水量，計算作物產量。本研究中，大豆產量選擇1986-2017年的進行分析(2008年大豆大面積倒伏，產量結果沒有代表性，未進行統(tǒng)計)。秋季大豆收獲后采集土樣，每個小區(qū)按“S”形取5個點混合為一個樣品(0～20 cm)，風干并過篩后測定土壤養(yǎng)分含量。作物地上部全部移出小區(qū)，根茬粉碎還田。采用環(huán)刀法測定土壤容重。土壤有機質、速效養(yǎng)分和pH(水土比2.5∶1)測定采用常規(guī)分析方法[10]。土壤養(yǎng)分未連續(xù)測定，試驗前期(1979-1988年)每年測定，之后每3年測定一次。

1.4 數據計算與分析

變異系數=標準差/平均產量

土壤總孔隙度(%)=(1-土壤容重/土壤密度)×100

利用Excel 2007軟件計算和處理試驗數據，應用SPSS 17.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 長期單施有機肥大豆產量變化

大豆產量年際間波動較大(見圖1)，這與氣候條件、品種更換等因素有關。單施化肥處理(NPK)、常規(guī)有機肥(M)與二倍有機肥(M2)處理大豆產量分別在1 140～3 453 kg·hm-2、1 290～3 222 kg·hm-2和1 335～3 409 kg·hm-2之間。NPK、M和M2處理大豆平均產量分別為2 496 kg·hm-2、2 412 kg·hm-2和2 545 kg·hm-2，各處理間差異不顯著(P>0.05)，說明單施有機肥未降低大豆產量，見圖2。比較NPK、M和M2處理大豆產量變異系數(Coefficient of variation，CV)，大小順序為NPK(0.284)>M(0.281)> M2(0.269)。通常，不同處理作物產量變異系數越低，表明作物產量的穩(wěn)定性越高?？梢姡瑔问┯袡C肥的施肥方式更有利于大豆產量的穩(wěn)定。

圖1 不同施肥處理大豆產量變化Fig.1 Changes of soybean yield under different fertilization treatments

圖2 不同施肥處理大豆平均產量Fig.2 Average soybean yield under different fertilization treatments

2.2 長期單施有機肥土壤養(yǎng)分含量變化

NPK、M和M2處理年際間土壤有機質含量分別在23.5～31.7 g·kg-1、24.7～36.6 g·kg-1和24.2～38 g·kg-1之間(圖3)，平均值分別為27.1 g·kg-1、28.6 g·kg-1和28.3 g·kg-1(表1)，較試驗開始前(26.6 g·kg-1)分別增加1.9%、7.5%和6.4%。不同處理間，施用有機肥的M和M2處理，土壤有機質平均含量較單施化肥的NPK處理分別顯著增加5.5%和4.4%(P<0.05)?？梢?，施用有機肥對提高土壤有機質含量效果顯著。

黑土長期定位試驗土壤速效養(yǎng)分含量年際間波動較為劇烈，見圖3。NPK、M和M2處理土壤堿解氮含量變化范圍分別在72.2～198 mg·kg-1、77～212 mg·kg-1和92.2～214 mg·kg-1之間，平均分別為141 mg·kg-1、135 mg·kg-1和132 mg·kg-1。盡管NPK處理輪作周期(3 a)累計氮投入量(N 375 kg·hm-2)顯著高于M(N 75 kg·hm-2)和M2(N 150 kg·hm-2)處理，但M和M2處理土壤堿解氮含量并未明顯降低，原因可能是作物根茬還田和大豆的固氮作用共同影響。

圖3 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量變化Fig.3 Changes of soil nutrition content under different fertilization treatments

表1 不同施肥處理土壤養(yǎng)分含量平均值Table 1 Average value of soil nutrients under different fertilization treatments

注:同列數據后不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

Note: Values followed by different letters in the same column are significantly different among the treatments(P<0.05).

NPK、M和M2處理土壤有效磷含量變化范圍分別在24.9～84.0 mg·kg-1、5.0～27.9 mg·kg-1和11.8～24.9 mg·kg-1之間，平均值分別為56.5 mg·kg-1、16.0 mg·kg-1和17.0 mg·kg-1，NPK處理土壤有效磷平均含量為M和M2處理的3.5和3.3倍。各個年份NPK處理的土壤有效磷含量均要顯著高于M和M2處理(P<0.05)，長期單施化肥土壤有效磷已達到豐磷狀態(tài)，土壤磷素環(huán)境風險增大[11]。

NPK、M和M2處理土壤速效鉀含量分別在88.0～260 mg·kg-1、72.0～245 mg·kg-1和77.0～222 mg·kg-1之間，平均值分別為204 mg·kg-1、181 mg·kg-1和186 mg·kg-1，NPK處理的土壤速效鉀平均含量略高于M和M2處理。盡管黑土鉀素含量較高，但隨著種植年限的增加，作物攜出的鉀素量也不斷增多，長此以往易導致土壤鉀素虧缺，因此農業(yè)生產中應重視鉀肥的持續(xù)投入，特別是草食家畜糞便、秸稈等有機肥類資源的綜合利用。

施用有機肥的M和M2處理土壤pH值年際間波動較為平緩，范圍分別在6.5～7.3、6.8～7.3之間，而且不同年份M和M2處理土壤pH值均要高于NPK處理。從NPK、M和M2處理土壤pH平均值來看，NPK處理為6.3，較試驗開始前(pH 7.2)降低0.9個 pH單位，較M和M2處理分別降低0.6和0.7個pH單位，說明長期施用化肥導致黑土酸化，而施用有機肥土壤pH值變化較小，維持在一個較為穩(wěn)定的水平，從而降低黑土酸化的風險。

2.3 長期單施有機肥土壤物理性質變化

容重是土壤孔隙度與結構性的評價標志。經過38年的連續(xù)施肥和耕作，不同處理的土壤容重發(fā)生了明顯變化，見圖4。單施有機肥，0～20 cm和20～40 cm土壤容重均低于單施化肥處理，特別是0～20 cm土層，M和M2處理較NPK處理分別顯著降低5.9%和7.5%(P<0.05)，反映出長期施用有機肥可以降低土壤容重。

土壤孔隙作為土壤水分和空氣的通道及貯存場所，直接影響土壤水、肥、氣、熱，進而影響作物根系生長和養(yǎng)分吸收。通常土壤孔隙狀況用土壤總孔隙度來表征。0～20 cm土層長期施用化肥處理的土壤總孔隙度顯著低于單施有機肥(P<0.05)，較M和M2處理分別降低7.0%和8.9%；20～40 cm土層各處理間土壤總孔隙度無顯著差異(P>0.05)，見圖5。可見，長期施用有機肥可改善土壤孔隙狀況，土壤通透性增強，而長期施用化肥則會導致土壤孔隙性變差。

圖4 不同施肥措施的土壤容重Fig.4 Soil bulk density under different fertilization treatments

圖5 不同施肥措施下的土壤總孔隙度Fig.5 Soil total porosity under different fertilization treatments

3 討論

施用有機肥培肥地力有積極作用，但與此同時作物產量水平處于較低水平[12]。M?der等[13]指出，在N、P、K養(yǎng)分輸入量減少34%～51%的情況下，有機農業(yè)系統(tǒng)的作物產量較常規(guī)農業(yè)降低20%。還有研究顯示，有機農業(yè)條件下作物減產幅度與作物類型密切相關，農作物通常減產20%～40%，蔬菜和果樹減產20%～50%[14]。Seufert等[15]研究結果顯示，有機農業(yè)較常規(guī)農業(yè)減產幅度在5%～34%，平均降低25%；減產幅度與作物種類、地區(qū)分布有較大關系，通常雨養(yǎng)地區(qū)的豆科作物減產幅度較小，而禾谷類作物及蔬菜減產幅度大。歐盟規(guī)定，通過豆類和綠肥類作物輪作，結合使用有機肥可以進行有機農業(yè)生產并可培肥土壤[5]；美國也推薦通過豆科固氮、牲畜糞便和作物秸稈還田及輪作等措施進行有機農業(yè)種植[16]。有研究指出，施用有機肥能夠明顯促進大豆植株的生長發(fā)育，可促進葉片生長，增大葉面積指數，增加干物質積累、莢數和株粒數等，較單施化肥最高增產18.3%[17]。臺蓮梅等[18]連續(xù)2年在白漿土施用有機肥結果顯示，大豆株高、干物質積累量以及產量均高于對照，且根腐病得到控制。本研究中，單施有機肥的兩個處理大豆平均產量較單施化肥處理無顯著差異，表明有機肥提供的養(yǎng)分能夠維持大豆生長所需。

有機質作為土壤肥力的核心，其含量和組成對土壤團粒結構、微生物種群與活性及土壤保肥能力和緩沖性等有重要影響，并且對作物產量具有決定性的作用[19]。有機肥提供的養(yǎng)分可提高土壤微生物活性，并且有機肥攜入的微生物在土壤中迅速繁殖，活化土壤養(yǎng)分，進而提高了土壤肥力[20]。從作物產量與土壤有機質的關系看，土壤有機質提高0.1%，作物產量的穩(wěn)產性提高10%左右[21]。本研究中，長期單施有機肥土壤有機質含量明顯提升，對于培肥黑土地力有積極作用。此外，本研究還發(fā)現，長期單施有機肥土壤堿解氮、有效磷和速效鉀的供應能力未明顯降低，還可維持土壤酸堿平衡，改善土壤孔隙狀況，增強土壤通透性?？梢?，大豆種植中有機肥替代化肥是可行的。但是，考慮到溫度、水分及有機肥種類等對有機肥礦化的作用，進而影響土壤養(yǎng)分的釋放和供應，因此不同生態(tài)區(qū)應考慮適宜本地區(qū)有機肥資源和施用量，這方面還需深入研究。與此同時，我們也應清晰地認識到，隨著全球人口的增長，糧食需求量也進一步增加，而將有機農業(yè)與常規(guī)農業(yè)二者有機結合，重視循環(huán)農業(yè)，協調土壤有機、無機養(yǎng)分平衡，以較小的環(huán)境代價生產更多的農產品是我國農業(yè)發(fā)展的方向[12,22]。

4 結論

黑土長期單施有機肥未降低大豆產量。長期施用有機肥可以提高黑土有機質含量，提供大豆生長所需養(yǎng)分，維持土壤酸堿平衡，降低土壤容重，改善土壤孔隙狀況?？傊蠖狗N植中有機肥替代化肥是可行的，但應考慮黑土不同生態(tài)區(qū)的有機肥資源和施用量。

參考文獻(References)：

[1] 黑龍江省統(tǒng)計局&國家統(tǒng)計局黑龍江調查總隊.黑龍江統(tǒng)計年鑒[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2016.

Heilongjiang Provincial Bureau of Statistics,NBS Survey Office in Heilongjiang.Heilongjiang statistical yearbook[M].Beijing: China Statistics Press,2016.

[2] 申惠波,劉 峰,滕險峰,等.黑龍江省大豆生產能力與發(fā)展探討[J].科技創(chuàng)新導報,2012(12):133.

SHEN H B,LIU F,TENG X F,et al.Discussion on soybean production capacity and development in Heilongjiang province[J].Science and Technology Innovation Herald,2012(12):133.

[3] 魏 丹,李 艷,李玉梅,等.氮磷鉀元素對黑龍江不同地區(qū)大豆產量和品質的影響[J].大豆科學,2017,36(1):87-91.

WEI D,LI Y,LI Y M,et al.Effect of N,P,K fertilization on yield and quality of soybean in Heilongjiang province[J].Soybean Science,2017,36(1):87-91.

[4] 馬世銘,SAUERBORN J.世界有機農業(yè)發(fā)展的歷史回顧與發(fā)展動態(tài)[J].中國農業(yè)科學,2004,37(10): 1510-1516.

MA S M,SAUERBORN J.Review of history and the recent development of organic farming in the world[J].Scientia Agricultura Sinica,2004,37(10): 1510-1516.

[5] 劉曉梅,余宏軍,李 強,等.有機農業(yè)發(fā)展概述[J].應用生態(tài)學報,2016,27( 4) :1303-1313

LIU X M,YU H J,LI Q,et al.Overview of organic agriculture development[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2016,27( 4) :1303-1313.

[6] 韓曉增,鄒文秀,陸欣春,等.旱作土壤耕層及其肥力培育途徑[J].土壤與作物,2015,4( 4) :145 -150.

HAN X Z,ZOU W X,LU X C.The soil cultivated layer in dryland and technical patterns in cultivating soil fertility[J].Soils and Crops,2015,4(4):145 -150.

[7] 孫 煒,樊雪梅.生物有機肥料對大豆生育性狀和產量的影響[J].黑龍江農業(yè)科學,2009(5):63-64.

SUN W,FAN X M.Effects of bio-organic fertilizer on growing characters and yield of soybean[J].Heilongjiang Agricultural Science,2009(5):63-64.

[8] 王家軍,于佰雙,李進榮,等.寒地不同肥料對大豆產量影響的研究[J].大豆科學，2007,26(4):637-640.

WANG J J,YU B S,LI J R,et al.The effects of fertilizer on soybean yield in cold area[J].Soybean Science,2007,26(4):637-640.

[9] 林治安,趙秉強,袁 亮,等.長期定位施肥對土壤養(yǎng)分與作物產量的影響[J].中國農業(yè)科學，2009,42(8):2809-2819.

LIN Z A,ZHAO B Q,YUAN L,et al.Effects of organic manure and fertilizers long-term located application on soil fertility and crop yield[J].Scientia Agricultura Sinica,2009,42(8):2809-2819.

[10] 鮑士旦.土壤農化分析[M].北京: 中國農業(yè)出版社,2005.

BAO S D.Soil and agricultural chemistry analysis[M].Beijing: China Agriculture Press,2005.

[11] 張福鎖,陳新平,陳 清,等.中國主要作物施肥指南[M].北京: 中國農業(yè)大學出版社,2009.

ZHANG F S,CHEN X P,CHEN Q,et al.Fertilization guide for the main crops of China[M].Beijing: China Agricultural University Press,2009.

[12] 周建斌.作物營養(yǎng)從有機肥到化肥的變化與反思[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2017,23(6): 1686-1693.

ZHOU J B.Reconsideration of the changes of plant nutrition from organic fertilizers to chemical fertilizers[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23(6): 1686-1693.

[14] STOCKDALE E A,LAMPKIN N H,HOVI M,et al.Agronomic and environmental implications of organic farming systems[J].Advances in Agronomy,2000,70: 261-327.

[15] SEUFERT V,RAMANKUTTY N,FOLEY J A.Comparing the yields of organic and conventional agriculture[J].Nature,2012,485(7397): 229-232.

[16] 劉 雪,孟繁錫,郭 麗,等.發(fā)達國家有機農業(yè)種植技術體系及其啟示[J].世界農業(yè),2006(4) : 16-17.

LIU X,MENG F X,GUO L,et al.The technical system of organic farming in developed countries and its enlightenment[J].World Agriculture,2006(4) : 16-17.

[17] 韓秉進,陳 淵,趙殿臣.大豆施用有機肥增產效果研究[J].大豆科學,2001,20(4):305-308.

HAN B J,CHEN Y,ZHAO D C.Study on the effect of organic manure on soybean production[J].Soybean Science,2001,20(4) : 305-308.

[18] 臺蓮梅,郭永霞,范文艷,等.有機肥對連作大豆根腐病、生育及產量影響的研究[J].黑龍江八一農墾大學學報,2001,13(4):28-31.

TAI L M,GUO Y X,FAN W Y,et al.Studies on root rot,development and yield of soybean under organic fertilizers in continuous cropping[J].Journal of Heilongjiang August First Land Reclamation University,2001,13(4) : 28-31.

[19] 徐明崗,盧昌艾,張文菊,等.我國耕地質量狀況與提升對策[J].中國農業(yè)資源與區(qū)劃,2016,37(7):8-14.

XU M G,LU C A,ZHANG W J,et al.Situation of the quality of arable land in china and improvement strategy[J].Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning,2016,37(7):8-14.

[20] 孟慶英,于忠和,賈繪彬,等.不同施肥處理對大豆根際土壤微生物及土壤肥力影響[J].大豆科學,2011,30(3): 471-474.

MENG Q Y,YU Z H,JIA H B,et al.Effects of different fertilizer treatment on rhizosphere soil microoganisms and fertility of soybean[J].Soybean Science,2011,30(3):471-474.

[21] 徐明崗,張文菊,黃紹敏,等.中國土壤肥力演變(第二版)[M].北京: 中國農業(yè)科學技術出版社,2015.

XU M G,ZHANG W J,HUANG S M,et al.Evolution of soil fertility in China(Second Edition)[M].Beijing:China Agricultural Science and Technology Press,2015.

[22] 徐明崗,張旭博,孫 楠,等.農田土壤固碳與增產協同效應研究進展[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2017,23(6): 1441-1449.

XU M G,ZHANG X B,SUN N,et al.Advance in research of synergistic effects of soil carbon sequestration on crop yields improvement in croplands[J].Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2017,23(6):1441-1449.