摘要： 為了探究不同比例有機肥替代化肥條件下稻田氮磷養(yǎng)分利用特征，為肥料利用率提高和氮磷減排提供理論技術支撐，在云南省洱海流域進行田間試驗，試驗設置不施肥（CK）、單施化肥（CF）、30%有機肥替代（T1）、50%有機肥替代（T2）、70%有機肥替代（T3）、100%有機肥（T4）共6個處理。結果表明，T1～T4處理水稻總產量與CF相比分別下降9.74%、22.30%、27.26%和36.47%，施用有機肥水稻有效穗數(shù)下降趨勢明顯；隨著有機肥替代比例增加，氮素農學利用率呈先下降后上升趨勢，單施有機肥處理達到最大值14.63 kg/kg，磷素農學利用率呈持續(xù)下降趨勢，氮素及磷素生理利用率均呈上升趨勢，水稻氮素偏生產力呈先上升后下降的趨勢，在50%有機肥替代下達到最大值39.24 kg/kg，磷素偏生產力呈不斷下降趨勢；單施化肥水稻氮素及磷素吸收利用率均達到最大值（43.63%和24.75%）；氮素攜出量隨著有機肥配比增加而提高，與CF處理相比T1～T4提高16.21%～61.74%，而磷素攜出量降低19.84%～23.80%，氮表觀損失呈下降趨勢，而磷表觀損失呈上升趨勢，單施化肥處理土壤氮素盈余達到最大值93.74 kg/hm2， 單施有機肥處理土壤磷素盈余達到最大值167.63 kg/hm2。不同比例有機肥替代施肥均導致水稻減產和土壤氮素磷素養(yǎng)分盈余，水稻氮素利用率上升，磷素利用率下降；推薦施肥量下，30%有機肥替代化肥為最佳施肥方案。

關鍵詞： 有機肥；水稻產量；氮素利用率；磷素利用率；氮磷平衡

中圖分類號：S511.06 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0093-06

水稻是我國重要的糧食作物，2021年種植面積為2.99×107 hm2，總產量為2.13×108 t，達到我國糧食總產量近1/3［1］，因此，維持水稻高產、穩(wěn)產對保障我國糧食安全具有重要意義。施肥在水稻生產中具有重要作用，但盲目過量施用化肥會造成作物減產和環(huán)境污染等問題［2-4］，研究表明，農田過量化肥投入，不僅會造成水稻貪青晚熟，稻米品質下降［5］，還會導致化肥利用率降低［6］。 我國為世界上最大的化肥消耗國，據統(tǒng)計，2020年我國化肥施用量達到5.25×107 t， 但目前我國氮肥當季利用率僅有30%～35%［7］，磷肥當季利用率僅有10%～20%［8］，遠低于世界平均水平［9］，過量的養(yǎng)分盈余會造成土壤酸化板結［10］，引起土壤結構退化［11］，嚴重影響農田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展。此外，氮、磷是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子［12］，而農田是水體氮磷養(yǎng)分的主要來源［13］，速效氮磷化肥極易通過徑流淋溶等方式進入自然水體［14］，研究表明，洱海流域氮磷流失量分別為6.82、1.31 kg/hm2，占到施肥總量的8.92%和16.27%［15］。因此，減少化肥施用，提高作物氮磷利用率對我國農業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全具有重要作用。

通過合理施肥，平衡土壤養(yǎng)分的輸入和輸出，減少養(yǎng)分的積累與流失，是提高作物養(yǎng)分利用率、維持作物產量及綜合治理農業(yè)面源污染的重要技術措施［16］。有機肥的有機質含量高，養(yǎng)分全面［6］，施用有機肥能改善土壤微生物群落結構和數(shù)量［17］，培肥土壤，提高作物品質［18］。李燕青等研究發(fā)現(xiàn)，在推薦施肥量下，豬糞或雞糞單獨施用或配施少量尿素，牛糞配施75%左右尿素作物可實現(xiàn)與化肥相當?shù)牡乩寐?，同時提升土壤肥力［19］。杜白等通過有機肥配施磷鉀肥處理發(fā)現(xiàn)，水稻比單施化肥增產9.45%，同時堊白米率降低，直鏈淀粉和蛋白質含量提高，稻米外觀品質和營養(yǎng)品質有所改善［20］。劉紅江等通過有機無機肥配施研究發(fā)現(xiàn)，在滿足作物需氮條件下，控制無機氮與有機氮配比為1 ∶ 1時，既可以提高水稻增產潛力，又降低了稻田氮素流失風險［21］。目前研究大多集中在施氮量對肥料利用率以及農田生產力的影響方面［22］，對不同有機肥配施比例及氮磷養(yǎng)分利用狀況研究較少，適宜比例的有機肥替代化肥對提高肥料利用率以及減少農田氮磷流失具有重要意義。本研究設置不同比例有機肥替代化肥處理，通過田間定位試驗探究不同比例有機肥替代化肥對水稻產量、氮磷利用率以及土壤養(yǎng)分平衡的影響，為提高肥料利用率和減少氮磷排放提供理論與技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省大理白族自治州喜洲鎮(zhèn)，云南大理農田生態(tài)系統(tǒng)國家野外觀測研究站（100°10′27″E， 25°53′34″N），地處典型西南高原湖泊流域——洱海流域，氣候為低緯度高原中亞熱帶西南季風氣候，平均海拔1 980 m，年平均氣溫14.6 ℃，年平均日照時數(shù)2 277 h，多年平均降水量為1 048 mm，且多集中在6—10月［23］。供試土壤為暗棕壤，試前試驗地 0～20 cm土層土壤理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗共設6個處理：CK，空白，不施用肥料；CF，單施化肥；T1，70%化肥+30%牛糞有機肥；T2，50%化肥+50%牛糞有機肥；T3，30%化肥+70%牛糞有機肥；T4，100%牛糞有機肥。以傳統(tǒng)化肥施肥量（施N 195 kg/hm2）氮素折純計算各處理施肥量，施肥量見表2。每個處理設3組重復，共18個小區(qū)，各小區(qū)面積為30 m2（5 m×6 m）。試驗時間為2021年6月10日至10月10日，供試水稻品種為云粳25。供試化肥包括尿素（含N 46%）、過磷酸鈣（含P 2O 5 16%）和硫酸鉀（含K 2O 50%），有機肥為牛糞有機肥（精制商品有機肥），氮含量為2.3%，磷含量為2.4%，鉀含量為5.7%；施肥方式為有機肥用作基肥，在翻耕前一次性施入，磷鉀肥在分蘗期一次性施入，單施化肥處理和有機無機配施處理的尿素分2次施入，在分蘗期（6月30日）施入70%， 在穗肥期（7月30日）施入30%。

1.3 樣品采集與測定

水稻種植前及試驗結束后用5點法采集各小區(qū)0～20 cm土樣，混合后測定土壤養(yǎng)分含量，包括土壤全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷含量。水稻收獲前3 d，在每小區(qū)隨機采樣5株水稻用于考種，調查株高、有效穗數(shù)、穗粒數(shù)、結實率、千粒質量，收獲時按小區(qū)分別測定籽粒與秸稈產量，并測定籽粒和秸稈全氮和全磷含量。樣品測定方法參考《土壤農業(yè)化學分析方法》［24］。

1.4 計算方法與數(shù)據處理

肥料農學利用率（kg/kg）=（施肥區(qū)籽粒產量-空白區(qū)籽粒產量）/施肥養(yǎng)分含量；

肥料吸收利用率=（施肥區(qū)水稻養(yǎng)分吸收量-空白區(qū)水稻養(yǎng)分吸收量）/施肥養(yǎng)分含量×100%；

肥料生理利用率（kg/kg）=（施肥區(qū)籽粒產量-空白區(qū)籽粒產量）/（施肥區(qū)水稻養(yǎng)分吸收量-空白區(qū)水稻養(yǎng)分吸收量）；

肥料偏生產力（kg/kg）=水稻產量/施肥養(yǎng)分含量；

養(yǎng)分表觀損失量（kg/hm2）=施肥養(yǎng)分含量+土壤起始無機養(yǎng)分量+土壤礦化養(yǎng)分量-作物攜出養(yǎng)分量-土壤殘留無機養(yǎng)分量［25］。

計算公式中養(yǎng)分為氮素和磷素。

用SPSS 25對數(shù)據進行方差分析及顯著性差異分析，用Origin 2019繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻產量及其構成因素的影響

不同比例有機肥替代處理下水稻產量及其構成因子差異較大。由表3可知，隨著有機肥替代比例增加，水稻總產量呈下降趨勢，T1～T4處理水稻總產量與CF相比分別下降9.74%、22.30%、27.26%和36.47%，水稻籽粒產量不同處理間差異顯著，T1～T4處理水稻籽粒產量與CF相比分別下降8.09%、19.90%、17.62%和28.30%，T4處理與CK相比，水稻總產量與籽粒產量差距較小，僅增產6.63%和12.92%，單施化肥處理，株高顯著大于其他施肥處理，達到97.58 cm，有效穗數(shù)受施肥影響較大，隨著有機肥施用比例增加有效穗數(shù)下降趨勢明顯，與CF相比T2、T4處理千粒質量提升顯著，分別增加12.11%和12.23%，結實率受施肥影響較小。

2.2 不同施肥處理對水稻氮素及磷素利用率特征的影響

不同比例有機肥替代處理下水稻氮素磷素利用率如表4所示。在不施有機肥處理下，氮素農學利用率最低， 而磷素農學利用率最高，隨著有機肥施用量的增加，水稻氮素及磷素農學利用率具有不同變化趨勢，氮素農學利用率呈先下降后上升趨勢，在單施有機肥的處理下達到最大值14.63 kg/kg， 而磷素農學利用率呈不斷下降趨勢；單施化肥處理下，水稻氮素及磷素吸收率均達到最大，分別為43.63%和24.75%， 分別比單施有機肥高2.40、4.37百分點，說明無機養(yǎng)分較易被作物吸收；水稻氮素、磷素生理利用率變化趨勢均隨有機肥施加量的增加而上升，在單施有機肥處理下達到最大，水稻磷素生理利用率提升顯著，與單施化肥相比提升41.08%，說明施加有機肥有利于水稻籽粒增產；隨著有機肥施用比例的增加，水稻氮素偏生產力呈先上升后下降的趨勢，在50%有機肥替代下達到最大，而磷素偏生產力呈不斷下降趨勢；總體來看，不同比例有機肥替代施肥水稻氮素利用率無明確規(guī)律，不同有機肥替代比例具有不同效果，而水稻磷素利用率變化趨勢明顯且處理間差異極顯著，可能與增施有機肥施磷量上升有關。

2.3 不同施肥處理對水稻田土壤氮素磷素平衡變化的影響

不同比例有機肥替代處理下稻田土壤氮素平衡結果如表5所示。在氮素輸入項中，施肥起主要作用，占到總輸入項的57.05%；而在氮素輸出項中，在相同施氮水平下，作物攜出量不同，而是隨著有機肥使用比例的增加而提高，與CF相比T1～T4提高16.21%～61.74%；除CK土壤殘留礦質氮較試前土壤起始氮下降30.07%外，各施肥處理土壤殘留礦質氮較試前土壤起始氮均有所上升，CF～T4 處理分別上升76.20%、78.25%、85.17%、103.62% 和116.54%；氮素表觀損失在單施化肥處理下達到最大值103.92 kg/hm2，隨著有機肥替代比例的增加，氮素表觀損失呈逐漸下降趨勢，T1～T4處理與CF相比，分別下降17.32%、44.25%、65.15%和90.27%， 各施肥處理均造成土壤氮素盈余，在相同施氮量條件下，隨著有機肥替代比例的增加作物攜出量逐漸增加，因此土壤氮素盈余隨有機肥替代比例的增加而減少。

不同比例有機肥替代處理下稻田土壤磷素平衡結果如表6所示。在磷素輸入項中，因試驗中有機肥為等氮替代，導致隨有機肥配比增加施磷量也隨之增加，T1～T4處理磷輸入量與CF相比分別提升48.77%、91.67%、129.17%和183.33%；施磷量提高并沒有增加作物磷素攜出量，CF作物攜出量最高，達到47.73 kg/hm2，有機肥替代處理作物攜出量隨有機肥替代比例的增加而降低；有機肥配比增加導致施磷量大幅上升，導致土壤磷素大量盈余，與CF相比，T1～T4處理磷表觀損失分別提升113.83%、156.51%、183.93%和226.89%，T1～T4處理土壤磷素盈余分別提升199.71%、314.22%、428.14%和590.69%。

3 討論

3.1 不同比例有機肥替代化肥對水稻產量及養(yǎng)分利用率的影響

水稻各產量構成因素協(xié)調決定了作物產量，施肥類型對水稻構成因素有顯著影響［26-27］。王秋菊等研究發(fā)現(xiàn)，相同施氮量條件下5種處理間水稻穗數(shù)差異和每穗粒數(shù)差異均達到極顯著水平［28］。本研究中除T3處理和T4處理外，其余處理間水稻穗數(shù)存在顯著性差異，因此施肥類型是影響水稻穗數(shù)的主要原因。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機肥替代比例的增加，水稻產量與有效穗數(shù)呈下降趨勢，而千粒質量呈上升趨勢，原因可能是有機肥在水稻分蘗期養(yǎng)分供應不足，魯耀雄等研究發(fā)現(xiàn)，有機肥配施化肥處理較單施有機肥處理均顯著提高水稻株高、有效穗數(shù)、秸稈和籽粒產量，原因是有機肥氮素礦化養(yǎng)分釋放緩慢使水稻發(fā)育前期缺氮，而配施化肥為水稻提供了發(fā)育所需的速效養(yǎng)分［29］。因此在實際生產中應配施一定量的化肥，以保障水稻穩(wěn)產，雖然有機肥施用造成作物一定程度的減產，但考慮到有機肥對土壤養(yǎng)分具有長期改善作用，后續(xù)可通過長期定位試驗，闡明施用有機肥對作物產量的長期影響。

肥料利用率常用的定量指標有吸收利用率、生理利用率、農學利用率和偏生產力，這些指標從不同角度描述了作物對肥料養(yǎng)分的利用率［30］。水稻氮素利用率與施氮水平直接相關，一般認為，隨著施氮量增加氮素利用率呈下降趨勢［31-32］，這是由于高施氮量超出了作物的需氮量，造成作物氮素浪費甚至會使作物減產。本研究通過等氮條件下不同比例有機肥替代化肥發(fā)現(xiàn)，有機無機配施處理的氮素生理利用率和偏生產力均大于單施有機肥處理，即有機肥的施用對水稻籽粒增產有促進作用，而有機肥養(yǎng)分釋放緩慢在一定程度上影響了水稻氮素吸收利用率和農學利用率，整體來看，30%有機肥替代化肥水稻氮素利用率較高。

由于磷在土壤液相中的遷移速率僅為1×10-15～ 1×10-12 m/s［33］，土壤液相中的磷主要通過擴散作用被作物根系吸收，因此作物的總根干質量、總根長和根表面積與作物對磷的吸收利用密切相關［34］。馬琴等研究發(fā)現(xiàn)，與不施磷處理相比，施有機磷處理玉米的根干質量、總根長和根表面積均增加，提高根系吸收和利用土壤磷的能力，從而促進作物磷素養(yǎng)分的積累和產量的提高［35］。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著磷素施加量遞增，作物磷素生理利用率也不斷提高，與上述研究結果相同，因有機肥磷素含量較高，施用大量有機肥也帶來磷素農學利用率、吸收利用率和偏生產力下降等問題。

3.2 不同比例有機肥替代化肥對水稻田土壤養(yǎng)分平衡的影響

土壤養(yǎng)分平衡主要受肥料投入量和作物吸收量的影響，土壤養(yǎng)分輸出項主要為作物攜出，在不施肥條件下，由于作物連年攜出，土壤養(yǎng)分長期處于虧缺狀態(tài)，因此作物產量較低［36］。研究表明，當?shù)使^作物養(yǎng)分需求時，會導致土壤中大量氮素盈余［37］，部分氮素留在土壤中，可被后期作物吸收利用，另一部分氮素通過硝態(tài)氮淋溶、反硝化作用和氨揮發(fā)流失，對環(huán)境造成污染［38-39］。因此判斷施肥是否合理，關注土壤中氮素殘留及損失量十分重要。本研究中，在相同施氮水平下，隨著有機肥配施比例的提高，作物攜出氮素量增高，同時氮素流失減少，說明施用有機肥對促進作物養(yǎng)分吸收、減少農田氮素流失有積極作用，單施化肥處理土壤氮素基本保持平衡，但施用有機肥的處理土壤有機氮素殘留量上升，由此可見，施入土壤中有機氮素不可避免會產生一定數(shù)量積累，因此，在短期的實際生產中，在滿足作物對氮素需求的前提下，減少有機肥施用量有利于維持土壤氮素平衡。

土壤磷素表觀損失反映當季土壤磷素盈余或虧缺狀態(tài)。由于磷肥施入土壤后流失途徑和流失量較少，所以土壤磷素的盈虧決定了土壤磷素含量的發(fā)展方向［40］，當土壤磷素輸入量等于或稍大于作物磷素輸出量時，農田磷素養(yǎng)分平衡才得以維持。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機肥替代比例的增加，土壤中磷素的盈余也增多，但作物攜出量卻在減少，原因是供試有機肥中磷素含量與氮素含量相近，作物需磷量遠小于施氮量，有機肥等氮替代化肥施肥不可避免導致過量施磷，且有機肥磷素礦化釋放緩慢，更容易造成土壤磷素累積，這與楊軍等和樊紅柱等的研究結果［41-42］相似。 因此在實際生產中，盡量根據作物對養(yǎng)分的需求比例選擇有機肥，可避免由于有機肥養(yǎng)分不均衡導致過量磷素殘留在土壤中，有利于提高作物磷素利用率，減少農田土壤磷素流失風險。

4 結論

有機肥等氮替代化肥施肥均導致水稻減產，隨有機肥替代比例的增加，水稻減產程度隨之增加，施用有機肥同時導致水稻有效穗數(shù)顯著下降。有機肥配施化肥可降低有機肥養(yǎng)分釋放緩慢帶來的不利影響，維持水稻產量。

隨著有機肥替代比例的增加，氮素農學利用率呈先下降后上升趨勢，在單施有機肥的處理下達到最大值，氮素磷素生理利用率均呈上升趨勢，氮素偏生產力呈先上升后下降的趨勢，在50%有機肥替代下達到最大，磷素農學利用率、吸收利用率以及偏生產力下降顯著。綜合來看，施用有機肥可提高水稻氮素利用率，降低水稻磷素利用率。

施用有機肥均造成土壤氮素磷素養(yǎng)分盈余，其中土壤磷素盈余量過大；隨著有機肥替代比例的增加，土壤氮表觀損失逐漸下降，而磷表觀損失逐漸上升。因此選擇養(yǎng)分比例合理的有機肥對維持土壤養(yǎng)分平衡具有重要意義。

綜合考慮水稻產量、氮磷素利用率和土壤氮磷素盈余等因素，在推薦施肥量下，30%有機肥等氮替代化肥，是能在維持水稻產量的前提下提高水稻養(yǎng)分利用率同時降低土壤養(yǎng)分盈余的施肥方式。

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收 稿日期：2023-03-22

基金項目： 云南省專家工作站項目（編號：202005AF150204）； 云南省重大科技專項計劃（編號：202102AE090011）； 云南省基礎研究青年基金 （編號：2019FD120）；國家重點研發(fā)計劃（編號：2021YFD1700400）。

作者簡介：萬 辰（1997—），男，河北唐山人，碩士，研究方向為農業(yè)面源污染防治。E-mail：cenwan97@163.com。

通信作者：沈仕洲，博士，助理研究員，主要研究方向為農業(yè)面源污染防治。E-mail：shenshizhou@126.com。