葉 鑫隋世江陳 玥張 鑫

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與環(huán)境資源研究所,遼寧 沈陽(yáng) 110161)

隨著畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展,遼寧省畜禽糞便年資源總量超過(guò)1. 40 億t[1],大量有機(jī)肥資源得不到合理利用和妥善處理,生產(chǎn)中化肥施用量大幅增加,有機(jī)肥施用比重逐漸下降,導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化[2,3]、環(huán)境污染問(wèn)題日益突出[4～6]。 有研究表明,遼寧等6 省市畜禽養(yǎng)殖超過(guò)其環(huán)境容量,農(nóng)地氮磷污染風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)最高,亟待控制養(yǎng)殖總量和強(qiáng)化畜禽糞便的綜合利用[7]。 土壤是畜禽糞便消納、利用的主要場(chǎng)所,因此,將畜禽糞便肥料化進(jìn)行農(nóng)田回用是其資源化利用的主要途徑[8,9]。 施用有機(jī)肥有利于培肥土壤,改善土壤養(yǎng)分平衡狀況,增加養(yǎng)分有效性,提高作物產(chǎn)量和養(yǎng)分利用率,從而降低化肥損失率,提高地力[10～13],同時(shí),有利于促進(jìn)畜禽糞便的資源化利用,減少農(nóng)業(yè)面源污染,保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性[14,15]。有關(guān)單季稻有機(jī)肥氮替代化肥氮對(duì)稻田土壤養(yǎng)分、水稻養(yǎng)分吸收、水稻產(chǎn)量的影響文獻(xiàn)較少。 本研究通過(guò)2 年田間定位試驗(yàn),旨在研究有機(jī)肥替代化肥氮比例對(duì)稻田土壤養(yǎng)分、水稻養(yǎng)分吸收及水稻產(chǎn)量的影響,為單季稻可持續(xù)生產(chǎn)、有機(jī)肥合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 材料

試驗(yàn)于2018 年5 月～2019 年10 月,在遼寧省燈塔市張臺(tái)子鎮(zhèn)蒼三家子村進(jìn)行,該地區(qū)屬于北溫帶大陸性氣候,年均氣溫8.8 ℃,年平均無(wú)霜期171 d,年均降水量為686.0 mm。 供試土壤類型為水稻土,耕層土壤含有機(jī)質(zhì)18. 7 g/kg、 全 氮 1. 13 g/kg、 全 磷 1. 11 g/kg、 全 鉀24.9 g/kg,堿解氮93. 0 mg/kg、速效磷42. 2 mg/kg、速效鉀170.0 mg/kg、pH 7.2。

1. 2 方法

1. 2. 1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)5 個(gè)處理,(1)無(wú)氮肥(CK);(2)單施化肥(F),氮肥施用量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施用量262.5 kg/hm2(以純氮計(jì));(3)有機(jī)肥替代20% 化肥氮(M1);(4) 有機(jī)肥替代40% 化肥氮(M2);(5)有機(jī)肥替代60%化肥氮(M3),其中F、M1、M2、M3 處理施用等量氮,CK 為對(duì)照,不施氮。 每個(gè)處理3 次重復(fù),小區(qū)面積為5 m×6 m,小區(qū)間田埂高0.2 m,并用塑料薄膜包埂,以減少小區(qū)間側(cè)滲和串流,各小區(qū)采用單排單灌的灌排系統(tǒng)。 所有處理磷、 鉀肥用量為 P2O590 kg/hm2,K2O 135 kg/hm2,磷、鉀肥不足時(shí)分別用過(guò)磷酸鈣和氯化鉀補(bǔ)齊,有機(jī)肥、磷、鉀肥全部基施,F、M1、M2處理氮肥施用比例為基肥∶蘗肥∶穗肥=4 ∶4 ∶2;M3 處理氮肥施用比例為基肥∶蘗肥=6 ∶4。 供試肥料為尿素(含氮46.3%),過(guò)磷酸鈣(含P2O512%),氯化鉀(含K2O 60%),有機(jī)肥為撫順宏業(yè)牧業(yè)有限公司生產(chǎn)(N 2. 13%,P2O51.15%,K2O 1.71%)。 試驗(yàn)于2018 年5 月15 插秧、10 月11 日收獲,2019 年5 月20 日插秧、10 月15 日收獲,插秧密度為30 cm×16.5 cm,水稻品種選用渾粳218。

1. 2. 2 測(cè)定指標(biāo) 水稻收獲后,采用多點(diǎn)混合法采集小區(qū)0 ～20 cm 土壤,風(fēng)干過(guò)篩測(cè)定土壤養(yǎng)分。 采用重鉻酸鉀容量法測(cè)定有機(jī)質(zhì),凱氏定氮法測(cè)定全氮,堿解擴(kuò)散法測(cè)定速效氮,H2SO4-HClO4消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定全磷,NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷,NaOH 熔融—火焰光度計(jì)法測(cè)定全鉀,NH4OAC 浸提—火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀。

水稻收獲后每小區(qū)取植株樣品10 株,烘干稱重,測(cè)定干物質(zhì)全氮含量。 植株養(yǎng)分分析方法:H2SO4-H2O2消煮,全氮用靛酚藍(lán)比色法。 各小區(qū)單收單打,統(tǒng)計(jì)小區(qū)產(chǎn)量,并折算成單產(chǎn)。

氮效率計(jì)算方法如下[16]:

氮素吸收量=單位面積植株地上部干物重×植株含氮量;

水稻氮素收獲指數(shù)(N harvest index,NHI)= 籽粒氮素吸收量/植株氮素累積量;

水稻氮素籽粒生產(chǎn)效率(N grain production efficiency,NGPE)= 單位面積水稻籽粒產(chǎn)量/單位面積植株氮素積累量。

1. 3 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析并作圖,用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,采用Duncan 法多重比較,顯著水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2. 1 不同施肥處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

兩年試驗(yàn)結(jié)果表明(圖1),各施氮處理均比對(duì)照增產(chǎn),且產(chǎn)量隨著有機(jī)肥替代化肥氮量的增加呈現(xiàn)升高降低的趨勢(shì),其中2018 年增產(chǎn)幅度為4. 35% ～53. 26%,2019 年增產(chǎn)幅度為14.43%～29.96%。 等氮條件下,2018年各處理中M1 處理稻谷產(chǎn)量最高為9 400.05 kg/hm2,比單施化肥F 處理增產(chǎn)7. 08%;隨著有機(jī)氮替代化肥氮比例的增加,M2、M3 處理較F 處理稻谷產(chǎn)量有所下降,分別下降111. 11 kg/hm2和2 377.79 kg/hm2,各處理間稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為M1＞F ＞M2＞M3。 2019 年各處理產(chǎn)量變化趨勢(shì)與2018 年略有不同,與單施化肥F 處理相比,M1、M2處理分別增產(chǎn)5. 64%、2.81%,其中M1 處理稻谷產(chǎn)量最高為 9 888. 94 kg/hm2; M3 處理較 F 處理減產(chǎn)654.17 kg/hm2,隨著有機(jī)肥施入年限的增加,高比例有機(jī)氮替代化肥氮處理與F 處理產(chǎn)量差距有減小的趨勢(shì)。 各處理間稻谷產(chǎn)量表現(xiàn)為M1＞M2＞F＞M3。

圖1 不同施肥處理對(duì)稻谷產(chǎn)量的影響Figure 1 Effects of different fertilization treatments on rice yield

2. 2 不同施肥處理對(duì)水稻氮素吸收的影響

不同施肥處理對(duì)水稻氮素吸收的影響如表1 所示。兩年試驗(yàn)結(jié)果表明,施氮處理水稻籽粒吸氮量、莖葉吸氮量、總吸氮量等指標(biāo)均顯著高于不施氮處理。 等氮量條件下,水稻籽粒吸氮量、總吸氮量均以M1 處理最高,M1處理比F、M2、M3 處理2018 年水稻籽粒吸氮量分別增加8.96%、11.01%、25. 92%,總吸氮量分別增加6. 26%、12.85%、28. 30%;2019 年水稻籽粒吸氮量分別增加9.65%、9. 70%、25. 79%,總吸氮量分別增加9.43%、9.16%、23.45%。

表1 不同處理對(duì)水稻氮吸收量的影響Table 1 Effects of different treatments on nitrogen uptake of rice

2018 年氮素收獲指數(shù)CK、M1、M2、M3 處理間差異不顯著,但較F 處理氮素收獲指數(shù)顯著增加了4. 04% ～6.86%;氮素籽粒生產(chǎn)率以不施氮肥CK 處理最高,CK 處理氮素籽粒生產(chǎn)率較F、M1、M2、M3 處理分別高10.37%、3.87%、3.95%、9. 67%。 CK、M1 和M2 處理間差異不顯著,但均顯著大于F、M3 處理。 2019 年氮素收獲指數(shù)M1處理較CK、F、M2、M3 處理顯著提高了3. 40% ～9. 41%;氮素子粒生產(chǎn)率不施氮肥CK 處理最高,比F、M1、M2、M3處理分別顯著提高9.41%、5.97%、3.40%、5.82%。

2. 3 不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響

兩年試驗(yàn)結(jié)果表明,與不施氮肥處理相比,施氮處理土壤養(yǎng)分各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的提高(表2)。 2018 年和2019 年施氮處理較CK 處理土壤全氮和堿解氮含量顯著提高,全氮含量分別提高了8.86%～15.53%和18.85%～30.67%,堿解氮含量分別提高了4. 91% ～21.05%和24.29%～28.93%。 2018 年土壤全磷和有效磷含量除了M3 處理與CK 處理沒(méi)有顯著性差異外,F、M1 和M2 處理較CK 處理分別顯著提高了1. 71%～16. 24%和1. 43%～53.45%;2019 年施氮處理土壤全磷含量較CK 處理增加6.72%～13. 45%,且F、M2 和M3 處理與CK 處理差異顯著,土壤有效磷含量增加6.31%～17.30%,但處理間無(wú)顯著性差異。 2018 年和2019 年施氮處理土壤全鉀含量較CK 處理分別增加0.43%～2.98%和0.82%～1.65%,速效鉀含量分別增加1. 03% ～4. 11%和6. 53% ～18. 17%。2018 年施氮處理較CK 處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加1.43%～11.45%;2019 年有機(jī)質(zhì)含量顯著增加9. 26% ～18.79%。

表2 不同施肥處理對(duì)土壤養(yǎng)分含量的影響Table 2 Effects of different fertilization treatments on soil nutrient content

等氮條件下,與單施化肥F 處理相比,2018 年有機(jī)肥氮替代化肥氮(M1、M2、M3)處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了0.65%～9. 88%,其它土壤養(yǎng)分含量較F 處理略有降低;2019 年有機(jī)肥氮替代化肥氮處理較單施化肥F 處理土壤全氮、全磷、全鉀含量分別提高了2. 42%～9. 95%、1. 57%～6.30%、0.41%～1.23%;堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了2. 01% ～3. 73%、0. 79% ～10.34%、0. 57% ～10.92%;有機(jī)質(zhì)含量增加了6.72% ～8. 72%。 隨著有機(jī)肥施用時(shí)間的延長(zhǎng),有機(jī)無(wú)機(jī)肥料配施對(duì)土壤養(yǎng)分的提高作用優(yōu)于單一的化學(xué)肥料施用,各項(xiàng)土壤養(yǎng)分指標(biāo)均有增幅。

3 討論

許多研究表明,有機(jī)肥與化肥合理配施能起到保障水稻穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的作用[17～19]。 劉守龍等研究結(jié)果表明,等養(yǎng)分投入情況下,隨著培肥時(shí)間的延長(zhǎng),土壤基礎(chǔ)地力的提高,單施化肥、有機(jī)肥替代化肥等施肥方式之間的產(chǎn)量差異將逐漸減小[10]。 徐明崗等研究結(jié)果表明,等氮量150 kg/hm2條件下,與單施化肥相比,有機(jī)肥氮占總氮50%時(shí)水稻產(chǎn)量不下降或略有提高,穩(wěn)產(chǎn)性增強(qiáng)[12]。 本試驗(yàn)結(jié)果顯示,等氮條件下,與單施化肥處理相比,施入20%～40%的有機(jī)肥氮處理水稻產(chǎn)量增產(chǎn)或持平,有機(jī)肥替代60%化肥氮處理產(chǎn)量降低,但第二年產(chǎn)量差異減小,這與前人研究結(jié)果基本一致[10,12]。 高比例有機(jī)肥的投入導(dǎo)致肥料中礦質(zhì)養(yǎng)分含量降低,同時(shí)高碳氮比造成土壤微生物與水稻爭(zhēng)氮,影響水稻早期的氮素供應(yīng)[20],但隨著有機(jī)肥施用時(shí)間的延長(zhǎng),有機(jī)肥養(yǎng)分釋放的緩效性可持續(xù)為作物生長(zhǎng)供應(yīng)養(yǎng)分,增產(chǎn)作用將逐年得以充分發(fā)揮。

張小莉等研究指出,與單施化肥處理相比,有機(jī)無(wú)機(jī)配施用處理顯著提高水稻氮素積累量[21]。 周江明研究結(jié)果表明,有機(jī)肥氮占總氮20%時(shí)水稻氮素累積量最高,與高比例70%和100%有機(jī)肥氮相比,氮素累積量平均顯著增加19. 3%和39. 6%,與單施化肥處理相比差異不顯著[13]。 劉紅江等研究結(jié)果表明,在等氮量替代條件下,50%有機(jī)肥替代化肥能夠顯著提高水稻的氮素累積[16]。本研究結(jié)論與前人研究結(jié)果基本一致,20%有機(jī)肥替代化肥氮處理水稻氮素累積最高,與單施化肥處理相比,氮素累積量平均增加8. 55%;與40%和60%有機(jī)肥替代化肥氮處理相比,氮素累積量平均顯著增加 12. 41% 和35.05%。 有機(jī)無(wú)機(jī)配施既補(bǔ)充了稻田系統(tǒng)中的土壤養(yǎng)分,同時(shí)使土壤中微生物的種群和數(shù)量增加[22,23],促進(jìn)了有機(jī)物養(yǎng)分的釋放,改善了土壤的養(yǎng)分供應(yīng)狀況,保證了水稻各生育時(shí)期的養(yǎng)分供應(yīng)[24,25],促進(jìn)莖葉和籽粒產(chǎn)量的提高,進(jìn)而增加了水稻總吸氮量[13]。

大量研究表明,有機(jī)無(wú)機(jī)配施可以改良土壤結(jié)構(gòu),增大土壤養(yǎng)分容量及其供應(yīng)強(qiáng)度,提高土壤微生物種群和數(shù)量,提升土壤質(zhì)量具有積極作用[10,26,27]。 本研究結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)2 年田間定位試驗(yàn),與單施化肥F 處理相比,有機(jī)肥氮替代化肥氮處理土壤全氮、全磷、全鉀含量分別提高了2.42%～9.95%、1. 57%～6. 30%、0. 41%～1. 23%;堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別增加了2. 01%～3. 73%、0.79%～10. 34%、0. 57% ～10. 92%;有機(jī)質(zhì)含量增加了6.72%～8.72%。 長(zhǎng)期施用有機(jī)無(wú)機(jī)肥料對(duì)土壤養(yǎng)分的提高作用優(yōu)于單一的化學(xué)肥料。

4 結(jié)論

在等氮量替代條件下,有機(jī)肥氮占總氮量的20% ～40%比例,有利于水稻的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn),比不施氮處理產(chǎn)量平均增加33.10%～40.36%,比單施化肥處理產(chǎn)量平均增加0.84%～6. 34%;有利于水稻莖葉、籽粒的養(yǎng)分吸收,提高水稻氮素累積量;土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀的養(yǎng)分含量明顯高于單施化肥處理。 由此可見(jiàn),在北方單季稻生產(chǎn)中,有機(jī)肥氮占總氮量的20%～40%是較為適宜的比例。