0 引言
【研究意义】随着中国粮食产量的不断增长,化肥在保障粮食安全方面发挥了重要的作用。但化肥的不合理施用,易造成环境污染、土壤退化等负面影响。由于化肥施用简便且增产效果显著、有机肥来源不足以及劳动力成本不断增加等原因[1,2,3,4],导致有机肥的应用被忽视。【前人研究进展】有机肥兼有全养分、缓效性等功能,能有效增加、更新土壤有机质,改善土壤理化性质和提高土壤酸碱缓冲性能,促进微生物繁殖[5,6,7,8],改善农产品品质[9]。另外,有机肥替代化肥还能减少氧化亚氮等温室气体排放[10]。林治安等[11]研究长期不同施肥制度对作物产量的影响,等氮量常规施肥条件下,约15年后施有机肥与化肥的作物产量水平趋于一致。宁建凤等[12]研究不同有机无机氮比例对作物产量和土壤氮淋洗的影响,认为随着有机氮比例的增加,土壤氮淋洗量显著降低,提高了氮肥利用率。徐明岗等[13]研究认为化肥有机肥配施有利于水稻的稳产和高产,有利于水稻生长中后期的养分吸收,并且能培肥土壤,提高肥料利用率。韩晓增等[14]研究长期施用有机肥对黑土肥力的影响,表明长期施用有机肥能使土壤pH稳定在一个适宜作物生长的范围,能显著增加>0.25 mm水稳性团聚体的数量,改善土壤理化性质,提高土壤肥力。LIU等[15]研究结果表明,长期施用有机肥显著增加0—100 cm土层保水能力,提高水分利用效率。宋震震等[16]研究长期施用有机肥对土壤生物学特征的影响,发现长期施用有机肥能显著增加土壤微生物碳和氮,能提高土壤碱性磷酸酶和蔗糖酶的活性。罗华等[17]研究不同有机肥对桃品质的影响,表明施用有机肥显著提高果实可溶性固形物、固酸比和维生素C含量,还能改善果实的香气品质。单独施用有机肥,由于其速效养分供应能力差,很难实现高产、稳产,并且大大增加了人力成本;而单施化肥,虽然能保证产量,但土壤培肥能力差,不利于土壤可持续利用[18]。【本研究切入点】长期进行有机无机配合施肥的研究较多,而长期施用商品有机肥对土壤肥力、作物产量及环境定位监测鲜见报道。【拟解决的关键问题】本文旨在通过连续3年的商品有机肥定位施肥试验,在华北平原冬小麦-夏玉米轮作的种植制度下开展定位监测,研究分析商品有机肥替代化肥对作物产量和土壤肥力的影响,为华北平原地区农田（粮食作物）科学施用商品有机肥提供理论依据。1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验地点在山东省禹城市中国农业科学院禹城试验基地。本区域位于华北平原东南部,东经116º34′,北纬36º49′,属暖温带半湿润季风气候,年均气温13.4℃,≥10℃积温 4 441℃,年降雨量569.6 mm,年蒸发量2 095 mm,无霜期206 d,年日照时数2 640 h。土壤母质为黄河冲积物,土壤类型为潮土,耕层质地为轻壤,试验地耕层含有机质10.26 g·kg-1、有效氮98.5 mg·kg-1、速效磷17.4 mg·kg-1、速效钾130.5 mg·kg-1,属中高肥力土壤,在本区域具有广泛代表性,图1是试验开展年际间每月降雨情况。试验设3个处理：（1）对照（不施肥,T1,CK）;（2）常量化肥（T2,CF）;（3）化肥+有机肥1 500 kg·hm-2（其中化肥用量扣除有机肥料中的N、P、K养分,T3,MF）,其中处理（2）和（3）是等氮、磷、钾量投入,测试分析有机肥养分含量分别为N 1.13%、P2O5 0.55%、K2O 2.35%,有机质含量为45%。有机肥中的氮、磷、钾分别替代化肥的比例分别为11.3%、13.7%和58.8%。
本试验所用商品有机肥是由山东泉林造纸厂提供,该有机肥以植物秸秆为原料,由亚铵法造纸工艺中的产生的造纸黑液,进行浓缩、转化、分离、提纯其中的黄腐酸类物质,进行工厂化生产的一种有机肥料。
试验安排在四周由混凝土封闭的4 m×7 m=28 m2试验池中,重复3次,随机区组排列。试验作物为冬小麦-夏玉米轮作,每季作物化肥施用量150 kg N·hm-2,60 kg P2O5·hm-2,60 kg K2O·hm-2,化肥氮肥为尿素（含N 46%）、磷肥为磷酸二铵（含P2O5 46%,N 18%）、钾肥为硫酸钾（含K2O 50%）。
按照各处理全年施肥总量,氮肥在冬小麦、夏玉米生长季每季作物各50%,磷肥、钾肥和有机肥在冬小麦播种前做基肥一次性施入,在每季作物中,无机氮肥40%做基肥,60%做追肥,试验开始于2011年10月。
1.2 样品采集
2014年10月夏玉米收获后,采用多点混合取样法用土钻在每个小区取0—20 cm土层土样,并及时去除土壤表层枯叶、石砾及根系。样品风干后分别过1 mm和0.25 mm筛后保存,以供土壤理化性状分析;小区测产采用去除边行后剩余全部收割称重测产,穗数、千粒重、穗粒数采用人工调查计数方法进行。1.3 测试项目与方法
土壤pH采用电位计法（水土比2.5﹕1）测定,土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法,土壤全氮采用凯氏定氮法,土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法,土壤有效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定[19]。1.4 数据处理
运用SPSS 17.0单因素方差分析（one-way ANOVA）对不同施肥处理各项指标进行显著性检验（P<0.05）,LSD法进行均值比较,运用Origin 8.0进行作图。2 结果
2.1 不同施肥处理对作物产量及产量构成因素的影响
2.1.1 作物产量 作物产量高低是评价施肥效果好坏的重要指标之一。表1为试验开始后3年间不同施肥处理冬小麦和夏玉米产量的变化情况。Table 1
表1
表1不同施肥处理作物产量分析
Table 1Yield of crop yield under different treatments
| 年份 Year | 冬小麦 Winter wheat | 夏玉米 Summer maize | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| T1 | T2 | T3 | T1 | T2 | T3 | |
| 2012 | 7299.2±122.5b | 7612.1±164.1a | 7785.0±149.0a | 8577.2±725.0b | 9885.9±333.8a | 9425.7±132.1a |
| 2013 | 3801.9±385.7b | 7840.4±1151.9a | 7980.4±899.9a | 4421.7±524.6b | 7789.4±639.3a | 7279.8±161.3a |
| 2014 | 2041.9±243.3b | 7475.8±118.0a | 7334.4±478.7a | 4137.9±186.6b | 10761.4±1451.7a | 10820.4±306.2a |
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不施肥处理（T1）在试验开始的2—3年间产量迅速下降,施肥处理（T2和T3）产量均显著高于不施肥处理（T1）,差异达显著水平,可以得出,施肥具有显著增产作用。
单施化肥（T2）与有机肥部分替代化肥处理（T3）相比,产量水平趋于一致,3年保持在一个相对稳定的水平,处理间没有显著性差异。冬小麦和夏玉米产量为7 000—8 000 kg·hm-2和7 000—11 000 kg·hm-2,产量水平与当地高产水平基本一致,夏玉米年际间变化波动较大,可能与年际间气温、降雨量（图1）不同有关。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图12011年10月至2014年6月每月降雨情况
-->Fig. 1Rainfall record from 2011 to 2014
-->
2.1.2 产量构成因素 不同施肥处理对产量构成因素的影响有所不同,不同作物表现也不相同。（1）与不施肥对照相比,施肥显著增加了冬小麦单位面积的穗数,而对夏玉米穗数未产生显著性影响;（2）试验持续进行2年后,与不施肥的对照相比,施肥显著增加了冬小麦和夏玉米的穗粒数,试验进行3年后,施肥显著增加了夏玉米的千粒重;（3）等养分投入条件下,单施化肥和有机肥替代化肥处理之间产量构成指标未表现出显著性差异。
2.2 不同施肥处理土壤肥力特征
表3为各施肥处理3年后0—20 cm土层有机碳、全氮、速效磷、速效钾的含量变化情况。（1）与试验开始时相比,各施肥处理土壤有机碳呈上升趋势。分析结果显示,单施化肥处理土壤有机碳与不施肥处理相比,未表现出显著性差异,有机肥部分替代化肥后土壤有机碳含量显著高于不施肥和单施化肥处理,差异达显著性水平。土壤全氮变化与有机碳呈相似规律,等养分投入条件下,有机肥部分替代化肥后,土壤全氮呈显著增加趋势,不施肥与单施化肥相比,未表现出显著性差异。
（2）与不施肥处理相比,单施化肥和有机肥部分替代化肥处理,土壤速效磷含量呈显著增加趋势,从统计分析结果来看,单施化肥与有机肥部分替代化肥处理对速效磷的增加效果等同。土壤速效钾含量变化与速效磷变化呈相似规律。
Table 2
表2
表2不同施肥处理冬小麦和夏玉米产量构成
Table 2Crop yield composition under different treatments
| 年份 Year | 处理 Treatment | 冬小麦Winter wheat | 夏玉米Summer maize | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 穗数 Spike numbers (×104·hm-2) | 穗粒数 Grain numbers per spike | 千粒重 1000-grain weight (g) | 穗数 Spike numbers (×104·hm-2) | 穗粒数 Grains per spike | 千粒重 1000-grain weight (g) | |||
| 2012 | T1 | 544.5b | 29a | 47.0a | 7.1a | 435a | 279a | |
| T2 | 622.5a | 26ab | 46.4a | 7.1a | 478a | 291a | ||
| T3 | 630.0a | 26ab | 47.9a | 7.0a | 464a | 292a | ||
| 2013 | T1 | 384.0b | 26b | 45.0a | 6.5a | 261b | 262a | |
| T2 | 597.0a | 32a | 46.1a | 6.6a | 429a | 273a | ||
| T3 | 600.0a | 33a | 47.3a | 6.6a | 418a | 266a | ||
| 2014 | T1 | 277.5b | 17b | 48.0a | 7.3a | 230b | 247b | |
| T2 | 504.0a | 32a | 46.9a | 7.3a | 478a | 305a | ||
| T3 | 498.0a | 31a | 48.0a | 7.3a | 501a | 300a | ||
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Table 3
表3
表3不同施肥处理的土壤肥力特征（0—20 cm土层）
Table 3Soil fertility indices under different treatments at 0-20 cm soil layer
| 处理 Treatment | pH | 有机碳 Organic C (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 速效磷 Olsen-P (mg·kg-1) | 速效钾 Exchangeable K (mg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| T1 | 8.60a | 6.05b | 0.63b | 13.4b | 110.5b |
| T2 | 8.58a | 6.15b | 0.65b | 30.5a | 147.0a |
| T3 | 8.57a | 7.35a | 0.73a | 32.3a | 150.2a |
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3 讨论
3.1 有机肥部分替代化肥对作物产量的影响及其培肥效应
化肥具有肥效快、易被作物吸收等特点,而有机肥肥效缓慢,不能及时满足作物关键生育时期对养分的需求[20],而采取有机肥部分替代化肥施用,可满足作物生长需求并能获得高产[21]。本研究中,等养分有机肥替代化肥施用后,与单施化肥相比,产量无显著差异。说明,有机肥部分替代化肥后,有机与无机养分能协调平衡供应,满足作物对养分的需求,使作物产量保持稳产及高产,同时可以减少化肥用量,研究结果与YU等[22]、LIU等[23]、MANNA等[24]、杨晓梅等[25]一致。长期施用有机肥能显著增加土壤有机碳含量,改善土壤理化性质。本试验研究中,有机肥部分替代化肥后,与单施化肥处理相比,土壤有机碳增加了19.5%,土壤全氮增加12.3%,有机肥部分替代化肥处理对土壤全氮、有机碳的累积显著好于单施化肥,主要是因为有机肥的施入在提高有机碳的同时,也增加了土壤有机态氮的含量。另外,本试验材料所用有机肥源自植物秸秆,有机质含量为45%,是土壤有机质增加的主要因素。而单独施用化肥处理,与对照相比,土壤有机质含量略有增加,主要由于根及根系分泌物残留在土壤中所致,与部分长期定位试验的结果一致[11,26-28]。
3.2 正确认识商品有机肥
随着人们对绿色以及有机农产品理念的不断深入,有机肥在农产品生产过程中引起大家广泛关注。有机肥是一把“双刃剑”,合理使用能提高作物产量、改善品质,同时改善土壤肥力。反之,则会造成污染风险。商品有机肥中含有一定数量的重金属元素,随着有机肥的使用而被作物吸收利用,随后进入食物链而危害人体健康。王飞等[29]通过调查分析发现华北商品有机肥按照我国有机肥行业标准,铅超标率高达81%;习斌等[30]研究有机无机配施对氮、磷淋溶影响时发现,长期单施有机肥年平均带入总磷量为543 kg·hm-2,土壤磷素的大量累积,在降雨或灌溉条件下,极易产生淋溶,增加环境污染风险。因此,开展商品有机肥定位监测试验非常必要并且意义重大。目前,商品有机肥应用推广主要存在：（1）养分有效性差,增产幅度小,目前主要应用于大棚蔬菜、果树、草坪[31]以及有机食品等高效益生产链上,在粮食作物上应用较少;（2）由于商品有机肥进行工厂化生产,价格偏高,产品价格高于农民的承受能力,市场销售受限;（3）生产工艺落后,技术不完善,导致有机肥产业的脆弱性,工业化程度较弱,企业竞争力不强,当前,急需国家予以更多的政策支持、补贴、扶持来改进有机肥的生产工艺,提高生产数量,降低生产成本,逐步形成规模化效益[32,33]。
4 结论
有机肥替代化肥（氮、磷、钾替代比例分别为11.3%、13.7%和58.8%）能保证冬小麦和夏玉米高产、稳产。等养分投入条件下,有机肥部分替代化肥处理与单施化肥间作物产量差异不显著,但能显著提高土壤有机碳和全氮含量,试验连续进行3年后土壤有机碳和全氮分别增加了19.5%和12.3%。The authors have declared that no competing interests exist.
