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有机肥部分替代化肥对水稻土壤供氮特征和氮素表观盈亏的影响
摘 要：利用在江淮流域5 年定位试验研究有机肥部分替代化肥下水稻产量、氮肥利用率和土壤矿质氮的变化,为该地区合理利用有机养分资源和水稻施肥结构的调整提供科学依据.结果表明：与施化肥比较,有机肥部分替代化肥对0~20 cm 土层土壤铵态氮和硝态氮含量均有显著影响,显著减少了水稻施蘖、穗肥后土壤铵态氮含量,但提高了水稻生育期土壤氮素的表观盈余量.在本试验条件下,连续5 年有机肥部分替代化肥处理中,水稻产量随逐年增加.等氮量下,不同施肥处理水稻产量影响不显著,但从第4 年开始有机肥部分替代化肥处理水稻产量高于HY,HECF和HEDM分别比HY增加氮肥利用率
14.7%和8.6%.等氮用量下,有机肥替代化肥处理提高了水稻产量的稳定性和可持续性,减少了土壤矿质氮损失,增加了土壤氮素表观盈余量,提高了氮肥利用率.有机肥部分替代化肥是实现水稻增产稳产、氮肥增效的合理施肥方式.
关键词：水稻产量；有机肥替代化肥；铵态氮；硝态氮；氮肥利用率
0 引言
由于中国人口众多,资源缺乏,粮食保障和环境问题面临巨大的挑战.化肥过量使用造成的环境压力逐渐引起人们的重视[1-2].随着城乡一体化进程的加快和工业科技的发展,施用大量化学肥料逐渐取代原来有机无机化肥配合的施肥制度,造成生态环境压力大.
在可持续生产前提下,采用有机肥部分替代化肥的施肥方式可实现水稻高产和环境友好,对保证中国粮食安全、改善农业生态环境具有重要意义.作物高产是土壤、气候、栽培技术综合作用的结果.良好的土壤肥力是作物高产的基础,氮、磷、钾肥合理调控是水稻高产的重要措施.水稻高产栽培一般选用耐氮品种,施氮量高达240~285 kg/hm2[3-4],高施氮量虽然可以显著增加土壤矿质态氮的含量,但过量氮素通过氨(NH3)挥发、硝态氮(NO3--N)淋失、氧化亚氮(N2O)释放等多种途径进入环境,引起地表和地下水体硝酸盐污染及大气温室效应等多种环境问题[5-6],合理的氮肥运筹方式是减少氮的损失和提高氮肥的利用效率的重要措施[7-9].
有机肥可以有效地恢复和提高土壤肥力,维持土壤环境稳定,使农田生产力得到改善和提高,也是作物超高产可持续性的重要条件.不同有机肥料矿质态氮在土壤中的释放速率不尽相同,但施用有机肥料可以调节土壤中矿质氮的释放速率,根据作物的生长需求,为作物提供更加合适的生长条件[10-11].研究表明,要使作物产量高产稳产,又达到培肥的目的,有机肥不能完全替代化肥,可能存在最佳比例[12-13].当15%~30%有机肥氮替代无机氮时最有助于水稻的生长,产量、氮累积量和氮素利用率最高[14-15].中国的水稻高产研究已取得重要进展,不仅育成一批超级稻品种（组合）,而且较广泛地开展了高产栽培技术的试验与研究,全国范围内的水稻高产纪录也是屡有出现.但众多的超高产栽培过程中,仅注重水稻实际单产水平的提高,但通过减量化肥增施有机肥实现水稻长期稳定高产及环境友好的演变规律仍缺乏系统的研究.本试验以具有高产潜力的杂交中籼稻品种为材料,在明确杂交中籼稻土壤基础产量与高产形成规律等研究的基础上[17-18],以牛粪和菜籽饼肥为有机肥试验材料,研究不同有机肥部分替代化肥及氮肥运筹对水稻产量、水稻生育期内0~20 cm土层土壤矿质氮以及土壤氮素的表观盈亏量的影响,以期为有机肥替代部分化肥在高产水稻生产中的合理利用提供科学依据.
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地点位于安徽省巢湖市中垾镇(31°39´7" N,117°47´52" E),属北亚热带湿润季风气候区,太阳辐射总量为110~120 kcal/cm2,年均日照时数为2019.2~2074.1 h,年均降水量为1032~1205 mm,该地区以粮食作物种植为主,为稻麦（油）轮作方式,土壤类型为潜育型水稻土.0~20 cm 土壤理化性状：有机质34.07 g/kg,全氮1.58 g/kg,硝态氮8.98 mg/kg,全磷0.78 mg/kg,有效磷25.97 mg/kg,有效钾136.31 mg/kg,pH 6.99.
1.2 试验设计
采用田间小区试验,设5 个处理,3 次重复,随机区组排列.小区间做田埂,并用农膜包裹以防止小区间养分的侧渗,重复间设排灌沟,每个小区均单设进、排水口,四周设保护行.小区面积36 m2.水稻密度25 万穴/hm2.试验设置如下：处理1 对照(CK)：不施肥料；处理2 为高产处理(HY)：氮肥(N)用量270 kg/hm2,氮肥运筹基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥比例为4:3:2:1,磷肥(P2O5)用量90 kg/hm2,钾肥(K2O)用量150 kg/hm2,磷肥全部基施,钾肥运筹基肥、穗肥比例为6:4；处理3 为高效处理(HE)：在高产处理(HY)的基础上分别减N、P2O5 和K2O 为22% 、33%和40% ,即氮肥(N) 用量240 kg/hm2,氮肥运筹基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥比例为5:3:2:0,磷肥(P2O5)用量60 kg/hm2,钾肥(K2O)用量 90 kg/hm2,磷、钾肥全部基施.处理4 为高效+饼肥处理(HECF)：饼肥分别替代化肥N、P2O5和K2O为22%、34%和21%,氮肥运筹基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥比例为4:3:3:0,有机肥和磷、钾肥全部基施.处理5 为高效+牛粪(HEDM)：牛粪替代分别替代化肥N、P2O5 和K2O为22%、34%和21%,氮肥运筹基肥、分蘖肥、穗肥和粒肥比例为4:3:3:0,有机肥和磷、钾肥全部基施.各处理有机肥与无机肥的配比均以氮为基准计算.腐熟的饼肥N、P2O5 和K2O 含量分别为79.86、34.65、15.08 g/kg,腐熟的牛粪N、P2O5 和K2O 含量分别为3.66、3.75、2.15 g/kg.不同处理的肥料用量见表1.化肥品种：氮肥为尿素,磷肥为过磷酸钙,钾肥为氯化钾.供试超级稻品种为‘两优1128’、‘徽两优996’、‘Y两优900’.
1.3 分析、测定指标及计算方法
土壤样品采集和处理：于施基肥前1 天,蘖肥前3天、0 天、后4 天和后18 天,穗肥前10 天、3 天和后4 天以及粒肥前1 天和后4 天、10 天,抽穗灌浆期移栽后71天和81 天,成熟期在试验小区内按对角线布点,0~20 cm采集土样,每个小区取5 点混合样,3 次重复,样品采集后立即冰冻保存,土壤样品测定鲜土样NH4+-N和NO3--N含量及含水率.采用2 mol/L CaCl2浸提土壤（液土比为5:1,恒温震荡30 min）,连续流动分析仪（Alliance,法国）测定浸提液NH4+-N和NO3--N含量.
各指标计算公式如(1)~(5)所示.
土壤硝（铵）态氮累积量(kg/hm2)等于土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×土壤硝（铵）态氮含量(mg/kg)/10[18] … (1)土壤氮素表观盈亏量计算参照朱兆良[19]的方法：
表观盈亏量等于(土壤无机氮起始总量+施氮量+土壤氮素的矿化量)-(土壤无机氮残留量+作物吸氮量+土壤中生物固定的化肥氮)等于(土壤无机氮起始总量+施氮量)-(土壤无机氮残留总量+作物吸氮量) ……… (2)
1.4 数据分析
本文数据均采用SAS9.0 软件和Excel 2016 软件进行统计分析.采用LSD 法对试验数据进行方差分析和显著性测验.
2 结果与分析
2.1 有机肥部分替代化肥对高产水稻产量的影响
5年有机肥替代对水稻产量的影响见表2.不施肥对照CK 水稻产量为6698~7870 kg/hm2,平均达7106 kg/hm2.随种植年数的增加CK水稻产量呈下降的趋势,前3 季的下降幅度大,降幅达333~486 kg/hm2,平均达364.3 kg/hm2,而后2季降幅较小,20~59 kg/hm2,平均达39.5 kg/hm2.说明试验前的土壤肥力较高,在不施肥条件下,而随着种植年限的增加趋于稳定的肥力水平.与CK比较,施化肥和有机肥部分替代化肥处理均能显著水稻产量.等氮量处理(HY、HECF、HEDM),第1 季水稻,有机肥替代处部分化肥处理(HECF、HEDM)比HY处理产量有一定的减产,HECF处理减产4.2%,HEDM处理减产5.9%；与HY相比,第2、3 季有机肥替代处部分化肥处理的减产幅度有所减少,HECF处理两季平均减产3.3%,HEDM处理两季平均减产1.6%；从第4 季开始,与HY相比,有机肥替代处部分化肥处理产量开始增加,到第5 季增幅已达显著水平,其中HECF 处理增产6.5%,HEDM处理增产11.1%.说明有机肥替代部分化肥初期对水稻产量有一定的负效应,但随着有机肥施用时间的增加,有机肥有利于水稻产量的提高.
2.2 有机肥部分替代化肥对高产水稻土壤供氮特征的影响
2.2.1 有机肥部分替代化肥对高产水稻土壤铵态氮含量的动态变化
水稻高产生产体系中土壤矿质氮含量及其变化过程受施肥量、施肥时期和水浆管理等综合因素的影响.2016 年不同处理水稻生育期内0~20 cm土层土壤矿质氮的动态变化研究表明（图1）,基蘖肥施用后超高产水稻生育前期表层0~20 cm土层中的矿质氮含量在施用氮肥后10 天内迅速出现高峰,然后随着水稻的吸收、灌溉和雨水的淋洗而急剧下降,在晒田结束时（移栽后43 天）降至较低的NH4+-N浓度；而在穗肥施用后,因水稻进入旺盛生长阶段,对氮素的吸收强度较大而使后期土壤中矿质氮一直维持在一个相对较低的水平.在水稻进入抽穗扬花期后,对氮素的吸收强度进一步加大而使土壤中矿质氮一直维持在一个相对低的水平.从各处理来看,CK处理NH4+-N含量在水稻整个生育期含量变化不大,在2.12~15.48 mg/kg；施肥处理每次使用氮肥后对土壤NH4+-N含量均会出现一个峰值,其中以分蘖肥的峰值最大,单施化肥氮的HE、HY处理土壤NH4+-N含量最高,分别达到66.81、70.92 mg/kg；而有机肥氮部分替代化氮的HECF、HEDM 处理分别为56.52、55.72 mg/kg,比HY 处理低+-N含量逐渐下降,移栽后43 天土壤NH4+-N含量达到最低值,但有机肥氮部分替代化肥的处理HECF 和HEDM 分别比HY处理高1.96、2.66 mg/kg,提高了46.63%和63.40%,晒田结束后灌水施肥,水浆管理以干干湿湿为主,土壤NH4+-N含量随之提高,但不同的是HECF和HEDM都达到较高的NH4+-N含量,其中HEDM达到24.94 mg/kg.
这是尿素氮NH4+-N的转化需要一定的过程,溶解土壤溶液中的NH4+-N 含量易产生浓度过高；而HECF 和HEDM处理由于腐熟有机肥存在一定的矿质氮,能够迅速溶解为土壤中的可溶性NH4+-N；同时施用有机肥施入土壤后提高土壤微生物活性,促使部分化态氮被微生物固定,使土壤NH4+-N含量保持一定的水平.由此可以看出,分蘖肥施用后,有机肥处理出现了明显的生物固持的现象,矿质氮数量与化肥处理相比下降了57.7 kg/hm2,说明有机肥有利于肥料氮在土壤中的固持,减少生育前期肥料氮的损失.水稻开花期和灌浆期,施用有机肥部分替代化肥的处理土壤溶液中NH4+-N含量较单施化肥氮肥处理高,说明有机肥氮的施入可以维持土壤氮素的稳定供应.
2.2.2 有机肥部分替代化肥对高产水稻土壤硝态氮含量的动态变化
在水稻生育前期土壤NO3--N含量的增加和降低主要是由土壤中水分含量的变化引起的.本研究表明水稻季土壤中NO3--N并不是氮素重要存在形式.由图2 可以看出,硝化过程指氨或铵盐在微生物作用下转化成硝酸态氮化合物的过程.施肥后所有处理土壤中铵态氮和硝态氮增均有上升趋势,水稻各生育期土壤溶液中NO3--N总的含量低于NH4+-N（图1、2）,在整个水稻生育期土壤中不同处理的施肥处理中NO3--N浓度随水份管理变化的趋势相同,硝态氮含量均低于7.50 mg/kg,NO3--N浓度变化有差异,其变化趋势与NH4+-N 不同,硝态氮移栽后4 天出现第一个峰值,晒田后硝态氮逐渐升高,到43~49 天不同处理土壤中NO3--N 出现第二个峰值,且峰值最高,最高值达7.50 mg/kg,土壤中NO3--N仅在2 个峰值时达到差异显著,其中施肥的处理达到高值.进入生殖生长阶段各处理NO3--N浓度逐渐减少.由此可得,施肥后短期内可以提高NO3--N 含量,NH4+-N 浓度的提高可减小NO3--N的浓度,搁田可以提高NO3--N的浓度,有机肥能抑制NH4+-N浓度的增加.
2.3 有机肥部分替代化肥对高产水稻生育期内土壤氮素盈亏量的表观估算
氮肥施入后减去被作物吸收和残留在土壤中矿质氮外的那部分氮素被称作氮素的表观盈余[7],水稻全生育期0~20 cm 土层土壤氮素表观盈亏量（各生育阶段盈余量之和）的估算结果显示,各处理均表现为土壤氮素的表观盈余（表3）,但从各生育阶段来看,不同处理间差异较大.从移栽—有效分蘖临界期,由于氮肥的大量施用,各处理均表现为土壤氮素的大量盈余,而有机肥处理其土壤氮素表观盈余量显著高于单施化肥,虽处理HE和HY处理基蘖肥的用量差异较小,因是定位试验第3 年的测试结果,土壤肥力间有一定的差异,因此HY处理高于HE处理.在水稻进入分蘖盛期后,生长迅速,HE处理迅速表现为土壤氮素的亏缺；最高分蘖期HECF 处理土壤氮素出现大量盈余,这是因为饼肥的腐解慢而产生的,施肥处理中HE 处理有亏缺,HY和HEDM接衡；而在穗肥的施用下,各处理水稻的土壤亏缺氮以缓解,表现为HEDM＞HECF＞HY＞HE＞CK,HEDM 处理氮素盈余量达到93 kg/hm2；成熟期除HEDM处理处理外,其他处理表现不同程度地亏缺.
2.4 有机肥部分替代化肥对水稻生产氮肥利用率的影响
氮素吸收利用率是水稻氮素利用状况重要指标,有机肥部分替代化肥水稻养分累积量及氮素利用率,等氮量条件下有机肥部分替代化肥养分调控都有利于养分的积累,提高养分利用效率,比单施化肥HY处理相比,HECF 和HEDM 处理的氮肥吸收利用率分别提高了14.5%和8.6%,差异均达到显著水平.氮素收获指数在不同施肥处理间差异不显著,这可能是由于合理的氮肥运筹方式可提高营养器官中氮素向籽粒中的转移量,但由于转移率降低,相应在营养器官中滞留的氮素较多,因而氮素收获指数并没有显著变化.养分调控对超水稻生产氮肥利用率和土壤氮素依存率的影响,随着施养分用量的增加,每100 kg籽粒需氮量、土壤氮素依存率逐渐降低,且同等氮量下,差异很小,因此可以看出,5年连续施用有机肥的氮养分完全可以部分替代化肥.
3 结果与讨论
3.1 有机肥氮部分替代化肥氮对水稻产量影响
研究表明,有机肥和化肥的配合施用能发挥肥料的交互作用,长期定位试验高效处理施氮量不足,生育前期铵态氮含量太高,而后期又嫌不足,水稻有脱肥的现象,导致水稻产量低；高产处理适宜的氮量和合理的氮肥运筹方式,能够获得高产.有机无机肥适当配比长期配合施用,水稻产量均能保持相对较高,水稻产量随着施肥时间的延长,与高产处理(HY)之间的差异逐渐增大,这是由于其施肥量仅为高产处理(HY)的N78%、磷67%和钾60%有关.在等氮量下以合理比例有机肥氮替代化肥氮水稻产量差异,5 年水稻生产中前3 年均是以相同氮量的单施化肥处理产量最高.而后2 年水稻产量结果显示,随着有机肥施用年限的增加,水稻产量的提高幅度也呈逐年增加趋势,说明有机化肥配施具有肥效缓长的特点,前期氮素供应能力虽不及化肥单施,但随着有机肥氮的分解及微生物体内固定的氮素释放量的增多,水稻生长后期氮素营养状况好于单施化肥.降低氮磷钾化肥施用量增施有机肥,即可增肥地力,又可以达到水稻高产的目标.
3.2 有机肥氮部分替代化肥氮对土壤氮素含量影响
有机肥与化肥配施对于提高土壤不同氮素含量有重要意义,谢秋发等[20]研究表明单施化肥氮土壤中的NH4+-N前期来自肥料中的比例高于有机化肥配施的处理,中后期则相反.这是由于有机肥氮部分替代化肥氮后,水稻生育前期有机肥的施入为土壤微生物提供了大量的碳源,其活动加剧,将相当一部分氮固定到体内,使得土壤溶液中的NH4+-N 浓度降低,减少损失.这既能快速提高土壤中有效氮的含量,又能长久保持土壤氮素.增施有机肥会对水稻生长前期产生抑制作用,对后期产生促进作用,本研究表明,增施有机肥初期,由于有机肥进一步腐熟使稻田土壤微生物数量迅速增多,会固定一部分土壤中的矿质氮,导致NH4+-N含量降低,而NO3--N的含量提高.水稻分蘖期有机肥氮部分替代化肥氮处理的土壤NH4+-N浓度较单施化肥氮的低,同时土壤中NO3--N的含量随NH4+-N含量的变化而波动,在晒田期间由于NH4+-N浓度的降低,土壤中NO3--N浓度显著提高.因此分蘖期土壤中NH4+-N的浓度降低,适当提高土壤中NO3--N的含量,既可减少了水稻生育前期氮素的流失,又可促进水稻的生长.化肥处理水稻氮肥后移有利于需氮高峰期不缺氮素,而有机替代氮水稻在前期吸收氮主要源于化肥中的氮,生育后期,水稻需要从土壤中吸收大量的氮素维持生长,这时单施化肥氮处理土壤溶液中的NH4+-N浓度较低,而有机肥氮部分替代化肥氮的处理中被微生物固定的氮就逐渐释放出来供水稻生长所用.
3.3 有机肥部分替代化肥对高产水稻生育期内土壤氮素盈亏量和氮肥利用率
李延等[21]研究表明单施无机肥,则生育前期铵态氮含量太高,而后期又嫌不足,水稻有严重随着脱肥的现象.有机肥氮部分替代无机氮具有肥效缓长的特点,前期氮素供应能力虽不及单施化肥,但随着有机肥氮的分解及微生物体内固定的氮素释放量的增多,水稻生长后期氮素营养状况好于单施化肥氮.有机无机肥配施,有机肥既补充了稻田土壤养分,又通过调节土壤与化肥养分的释放强度和速率,使水稻各生育阶段得到更为均衡的矿质营养[22].水稻进入生殖生长期,其对氮素的吸收量增加,土壤中NH4+-N含量也迅速降低,到拔节期各处理间已没有差异.
在高产水稻生产中,氮肥利用率是衡量施氮是否合理的一个重要指标.随着施氮量的增加,水稻氮肥利用率降低,氮素损失量显著增加本试验结果表明,在等氮量条件下,有机替代化肥对水稻氮素收获指数、氮肥农艺利用率、籽粒需氮量影响不显著,但能显著提高水稻氮肥的吸收利用率.HECF和HEDM处理的氮肥吸收利用率分别提高了14.5%和8.6%.土壤氮素表观盈余量计算结果进一步表明,随着有机替代化肥氮素表观盈余量表观盈余量最大,其中全部化肥处理(HY)的表观盈余量亏缺.土壤氮损失是盈余氮素的一个主要去向,而氨挥发是水稻生育期间土壤氮素损失的一个重要途径,即土壤氮表观盈余量越高,盈余的氮素向氨挥发的量就可能性越大.因此,从提高氮肥利用率、减少氮素损失和降低硝态氮淋洗的角度,在水稻高产生产中应避免减少氮肥作基肥比例的策略,而应该将氮肥施用时期适当后移,并适当提高后期追肥比例,这有利于提高氮肥吸收利用率和降低土壤氮素的表观盈余量,或者用有机肥替代化肥,从而减轻氮肥施用对环境的污染.
连续5 年长期不同施肥后,稻谷产量随着施肥量的增加而增加,在等氮投入下,有机肥替代化肥处理产量始终保持稳定且最高,因此,在农业生产实际中,HECF和HEDM处理是较理想的施肥模式.
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