有机肥替代化肥对土壤肥力和玉米产量的影响

于跃跃，郭 宁，闫 实，姜言娇，韩 宝，吴万军，贾小红

（1.北京市土肥工作站，北京 100029；2.北京市房山区农业科学研究所，北京 102400；3.北京市通州区农业科学研究所，北京 101113；4.中国农业大学，北京 100094）

化肥是粮食增产的重要原因，据联合国粮农组织宏观估算，化肥对粮食的增产贡献率可以达到30%～50%［1-2］。施用化肥可以提高作物产量，改善作物品质，但过度施用也会造成环境污染、土壤退化等很多环境问题［3］，而且长期单一施用化肥更是会给土壤和环境带来很多问题，比如土壤酸化、板结等［4］。调查显示，大部分农户化肥施用量均超过500 kg/hm2，存在严重的化肥施用超标问题［5］，由于肥料不合理施用、过量投入等问题也会造成农业环境污染和大气污染［6］。如何降低化肥用量、提高肥料利用率是我国农业生产中急需解决的问题。有机肥具有较为丰富的养分，据统计我国目前禽畜粪便累积17 亿t［7］，所含养分相当于尿素1170 万t、过磷酸钙1300 万t、硫酸钾2000万t［8］。试验研究表明有机肥部分替代化肥可以在产生较少污染的同时提高作物产量，经济效益较高［9］，研究有机肥替代化肥对于农业生产具有非常重要的实际意义。

我国已有大量针对粮田有机肥施用的研究报道，关于有机肥替代化肥的相关研究也有很多，邢鹏飞等［10］研究发现在华北地区有机肥替代30%无机肥完全可以保证粮食质量，有机肥替代50%无机肥处理更是可以提高土壤肥力；刘红江等［11］通过研究有机无机肥不同配施比例对水稻氮素吸收利用的影响，发现50%有机肥替代化肥在保证水稻高产的同时可以增加氮素积累，提高水稻的氮肥利用效率；阚建鸾等［12］研究了有机肥氮替代部分化肥对小麦产量及氮肥利用率的影响，发现30%有机肥和70%化肥配施是江苏皋市小麦产量和氮肥利用效率最高的处理；杨雷等［13］研究过有机肥部分替代化肥对土壤肥力和甘薯质量的影响，张长春等［14］通过田间小区试验发现有机肥替代化肥可提高小麦产量和氮肥利用率，纪彦鸿等［15］在陕南洋县也进行了水稻有机肥替代化肥试验，吕凤莲等［16］对土冬小麦-夏玉米轮作中有机肥替代化肥比例研究中发现有机肥替代75%化肥作物产量和氮效率较高，土壤中氮残留少。以往的试验研究基本上都是从水稻、小麦的施肥方式、机理研究方向出发［17］，关于北京地区玉米有机肥替代化肥的试验很少。

本研究通过布置长期定位施肥试验，以北京周边地区粮田推荐施肥用量为试验依据，设置5 个不同施肥方式，探究有机肥替代化肥对土壤培肥和玉米产量的影响，希望可以为北京地区粮田化肥减量、土壤合理培肥等关键参数的量化提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试地点位于北京市房山区阎村镇后十三里村，东经116°6′，北纬39°41′，温带季风气候，年降水量600 mm 左右，春季多旱多风。试验采取夏玉米和冬小麦轮作的种植制度。土壤为粘壤质褐土，土壤基础理化性质如下：有机质13.78 g/kg，碱解氮含量32.1 mg/kg，有效磷含量21.68 mg/kg，速效钾含量81.16 mg/kg，pH 值7.3。

试验种植方式采用夏玉米-冬小麦轮作，玉米品种为平单120（甜玉米）；小麦品种为农大211。氮肥为尿素（N 46%）和磷酸二铵（N 18%），磷肥为磷酸二铵（P2O546%），钾肥为硫酸钾（K2O 50%）。有机肥氮磷钾养分含量总和4.5%，有机质含量31.1%。

1.2 试验设计与方法

采用田间小区试验进行研究，试验布置5 个处理：空白对照（CK），常规化肥（CN），CN 处理等氮量的有机肥（ON）、有机肥使用量是ON 处理的一半（0.5 ON）、一半化肥氮一半有机肥氮（0.5 CN）。设置3 次重复，小区随机排列，共15 个小区，试验区四周设保护行，宽度4.8 m，长度15 m。试验采取夏玉米（上茬）与冬小麦（下茬）轮作的方式，一年两茬。玉米6 月下旬播种，9 月中旬收获，每公顷种植49500 棵；小麦10 月中旬播种，6 月上旬收获。底肥在播种前施用，追肥在返青期施用，底肥均匀撒施，旋耕后播种，追肥均匀撒施后浇返青水。各小区不同施肥量处理详见表1。

表1 各处理施肥量 （kg/hm2）

1.3 测定项目与方法

在玉米收获期取2 株作物之间0～20 cm 表层土壤，每个处理取3 个点，四分法混合，样品4℃保存。测定以下指标：有机质采用外源加热法测定；碱解氮采用扩散法测定；有效磷采用钼锑抗比色法测定；速效钾采用火焰光度法测定［18］；微生物生物量碳采用氯仿熏蒸浸提法测定［19］；脲酶采用奈氏比色法测定（37℃培养24 h）［20］；机械组成采用激光粒径分析仪测定。

1.4 数据处理

数据取3 个重复的平均值，对玉米产量、土壤的微生物生物量碳、脲酶等指标采用SPSS 软件做显著性分析。对各种土壤数据做Pearson 相关性分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米产量的影响

图1 显示，从2012～2016 年，所有施肥处理相比对照平均可提高玉米产量32.2%，不同施肥处理增幅不同，0.5 ON、ON、CN、0.5 CN 处理分别增产18.3%、22.2%、40.2%、48.1%。不施肥处理产量显著减少，由10237 kg/hm2降到8272 kg/hm2，减幅19.2%；单施有机肥ON、0.5 ON 处理玉米减产，减幅低于对照处理，分别由10836 kg/hm2降到10107 kg/hm2，10327 kg/hm2降 到9783 kg/hm2，分别减产6.7%、5.2%；CN、0.5 CN 玉米产量分别由10369 kg/hm2增到11594 kg/hm2，11010 kg/hm2增到12254 kg/hm2，分别增产11.8%、11.3%。

2.2 不同施肥处理对土壤肥力指标的影响

2.2.1 对土壤有机质含量的影响

不同施肥处理均有增加土壤有机质含量的作用。不施肥处理土壤有机质含量由14.26 g/kg 降到13.88 g/kg，减幅为2.7%；单施化肥土壤有机质含量由14.42 g/kg 增加到15.1 g/kg，增幅4.7%；施用有机肥处理显著提高有机质含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 分别增幅11.0%、14.8%、15.5%。5 年来CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 处理相比CK 土壤有机质含量分别提高8.8%、16.0%、18.3%、21.5%。

2.2.2 对土壤全氮含量的影响

由图3 可见，不施肥处理土壤全氮含量由1.14 g/kg 降到1.12 g/kg，减幅为2.2%；单施化肥增加全氮含量，增幅2.4%；施用有机肥处理显著提高全氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 依次增幅9.5%、4.9%、5.6%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 处理相比CK 土壤全氮含量分别提高18.5%、9.9%、16.6%、22.8%。

2.2.3 对土壤碱解氮含量的影响

不同施肥处理土壤碱解氮含量变化有差异。由图4 可见，不施肥处理碱解氮含量由32.1 mg/kg降到26.6 mg/kg，减幅为17.1%；单施化肥增加碱解氮含量，增幅5.9%；施用有机肥处理显著提高碱解氮含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 处理分别增幅7.3%、17.4%、3.1%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON处理相比CK 分别提高45.9%、38.4%、53.2%、36.6%。

2.2.4 对土壤有效磷含量的影响

不同施肥处理对土壤有效磷的影响趋势显著不同。由图5 可见，不施肥处理的有效磷含量由25.8 mg/kg降到21.3 mg/kg，单施化肥增加有效磷含量，增幅32.8%；施用有机肥处理显著提高有效磷含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 处理分别增幅11.6%、14.3%、36.0%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 处理相比CK 土壤有效磷分别提高55.1%、31.6%、32.6%、59.8%。

2.2.5 对土壤速效钾含量的影响

图6 显示，不同施肥处理对土壤速效钾的影响趋势显著不同。不施肥处理速效钾含量由91.3 mg/kg降到89.6 mg/kg，单施化肥增加速效钾含量，增幅20%；施用有机肥处理显著提高速效钾含量，0.5 ON、0.5 CN、ON 处理分别增幅10%、29.8%、15.2%。CN、0.5 ON、0.5 CN、ON 处理相比CK 土壤速效钾含量分别提高25%、20.1%、38%、28.2%。

2.3 不同施肥处理对土壤生物指标的影响

2.3.1 对微生物生物量碳的影响

微生物生物量碳可代表微生物数量，在一定程度上可反应土壤微生物种群数量。2016 年试验结束后土壤微生物生物量碳结果（图7）表明，不同施肥处理影响土壤微生物生物量碳含量，有机肥和化肥处理均可增加土壤微生物生物量碳含量，0.5 ON、ON 处理增加微生物生物量碳51.0～86.5 mg/kg，增幅1.52～2.58 倍，化肥处理增幅79%。ON 处理微生物生物量碳含量最高，其次为0.5 ON 处理。

2.3.2 对脲酶活性的影响

脲酶表征微生物代谢氮素的能力，反应土壤微生物活力。2016 年试验结束后土壤脲酶活性（图8）表明，施肥处理可以增加土壤脲酶活性，其中有机肥处理增幅明显，0.5 ON、ON 处理显著高于CK 处理，增幅平均为49.8%；化肥增幅较小，CN、0.5 CN 分别增幅6%、14.8%。

2.4 不同施肥处理对土壤机械组成的影响

机械组成代表着土壤粒径的分配比例，可以代表施肥措施改良培肥土壤的效果。2016 年试验结束后土壤机械组成结果（图9）表明，施肥处理改变了土壤机械组成，有机肥处理降低了＜0.01 mm粒径比例，降低4.9%～10.8%，增加0.01～0.05 mm粒径比例2.7%～4.2%，其中0.5 ON 处理增加0.01～0.05 mm 粒径比例4.2%，化肥处理增加0.05～1 mm 粒径比例3.6%。

2.5 玉米产量和土壤性质之间的相关性

表2 表明，2013、2014、2015 年玉米产量与碱解氮含量，2015、2016 年玉米产量与速效钾含量呈现显著性正相关关系，随着培肥时间的延长相关性越好，而玉米产量和其他土壤指标并没有很好的相关性。

表2 不同种植时间玉米产量和土壤性质的相关系数

2.6 聚类分析

对土壤性质（养分、微生物指标、机械组成）聚类全过程的系统树（图10）结果表明，将研究的5 个处理分成3 组时，组间距离较大，说明各组的特点比较突出，不同组间土壤性质差异比较明显，而组内则较为相似。第一组包含3 个处理（CK、CN、0.5 ON），该组土壤养分指标、生物指标处于较低水平；第二组为0.5 CN 处理，土壤养分指标和生物指标高于第一组而低于第三组，ON处理为第三组，该处理土壤养分和生物指标含量最高。上述结果表明，粮田种植施用有机肥明显改变土壤性质，相比常规种植（CN），0.5 ON、ON 处理显著增加土壤养分、微生物指标。

3 讨论与结论

3.1 讨论

有机肥全部替代化肥（ON、0.5 ON）处理玉米减产5.2%～6.7%，常规和有机肥替代50%化肥（CN、0.5 CN）处理玉米增产11.3%～11.8%，表明有机肥替代50%的化肥，配合化肥施用增产效果最好。汪洪焦等［21］研究发现有机无机肥配施增产效果最好，水稻、小麦、玉米配施产量明显高于化肥处理，孟琳等［17］研究发现水稻有机肥替代化肥30%增产效果最好，这是由于水田环境需要更多的氮素，而本试验基于旱田，50%的氮素替代率增产效果非常明显，当然今后需要对养分替代率做进一步的研究分析。

施肥处理相比对照均提高了土壤养分含量，有机质、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、微生物生物量碳、脲酶含量平均分别增加15.1%、16.3%、45.8%、45.7%、29%、168%、31%；有机肥含有大量的缓效养分，不能及时满足作物对养分的需求，但是培肥土壤效果最好，这也是ON 处理玉米产量出现下降，土壤各养分指标增幅最高的原因［22］。何浩等［23］研究商品有机肥替代部分化肥对玉米产量和土壤肥力影响时也发现土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质含量等指标会有所变化，土壤的pH 值和容重也会受到影响，分析表明玉米产量和土壤碱解氮、速效钾具有显著性正相关关系，这可能是由于这两种养分指标是北京地区玉米增产的主要决定因素。施肥处理对土壤质地有显著的改变，0.5 CN 处理增加0.01～0.05 mm 粒径比例。有机肥可以显著提高粒径＞0.25 mm 机械稳定性团聚体含量［24］。

使用有机肥显著增加土壤脲酶活性、微生物生物量碳含量，这是因为有机肥处理显著增加土壤溶解性有机碳（DOC）含量，增施有机肥增加DOC组分中结构复杂的芳香化合物的比例［25］，有机肥的施用增加了微生物含量，同时显著增加土壤根系有效成分和有机质含量［26］。有机肥不同比例替代化肥的试验表明，随着有机肥配施比例提高，土壤酶活性等一些酶活性指标会有增加趋势［27］，有机肥施用显著影响了土壤脲酶活性，但是0.5 CN 处理脲酶活性低于0.5 ON 处理，这可能是因为0.5 CN处理尿素的存在抑制了脲酶活性，底物的存在降低了酶的活性。

3.2 结论

有机肥100%替代化肥氮素降低玉米产量5.2%～6.7%，且有进一步降低的趋势；有机肥替代50%化肥处理可提高玉米产量11.8%。

施用有机肥明显提高土壤有机质、速效氮磷钾、微生物生物量碳等指标。有机肥替代50%化肥氮处理对土壤碱解氮、速效钾含量增幅分别为53.2%、38%，且和玉米产量具有显著性正相关关系，表明这两指标可能是北京地区玉米增产的决定因素。有机肥替代50%化肥氮处理增加土壤微生物生物量碳、脲酶活性，增加土壤0.01～0.05 mm 粒径比例。