化肥減量配施有機肥對粵西地區水稻產量和養分利用的影響

何國和，陳海斌，杜建軍，張偉麗，郭麗華，胡益波，顏肇華，張婧

（1仲愷農業工程學院，資源與環境學院/廣東省普通高校農業產地污染綜合防治工程技術研究中心，廣州 510225；2仲愷農業工程學院，農業與生物學院，廣州 510225；3德慶仲愷農業產業科技創新研究有限公司，廣東德慶 526642；4德慶縣農業技術推廣中心，廣東德慶 526600；5德慶縣農業科學研究所，廣東德慶 526600）

0 引言

廣東是中國雙季稻的主要產區之一，同時作為全國人口最多的省份，也是稻米的主要消費市場[1]。然而從2011年至2019年，廣東省水稻種植面積與產量呈逐年下降趨勢，水稻種植成本逐年上漲[2]，水稻的種植直接影響著廣東的糧食安全。在廣東省農業生產中存在化肥過量施用以及有機肥投入量不足等問題，化肥的過量施用容易導致土壤酸化板結，土壤碳排放量增加以及污染環境[3]，有機肥施用量過低降低了肥料的農學效率，甚至給環境帶來不利影響，這些對于中國農業綠色轉型以及可持續發展帶來嚴峻的挑戰[4]。近年來農業農村部在各省市多舉措開展化肥減量增效行動，其中因土按需施肥的測土配方施肥技術和科學施用有機肥替代化肥技術等措施在廣東省大力推廣。有研究表明適當減少化肥施用量、改進施肥關鍵技術，有利于農戶實現水稻增產增收[5]。有機肥替代化肥施用技術是一種在滿足作物生產需要、提升地力的同時可以減少環境污染、提高肥料效率的技術措施[6-8]。目前，國家關于有機肥替代化肥施用對作物產量和土壤肥力的研究較多，魯偉丹等[9]研究發現，有機氮磷替代率為18%～24%時，可以增加土壤速效養分含量、提高肥料利用率并實現作物穩產；溫延臣等[10]研究發現，商品有機肥部分替代化肥較單施化肥相比，土壤有機碳增加了19.5%，土壤全氮提高了12.3%；任科宇等[11]研究發現，商品有機肥部分替代化肥能夠提高長江流域水稻的產量和籽粒含氮量，以30%～60%替代比例為宜；但在粵西地區以水稻為研究對象的文獻研究較少，粵西地區是廣東省重要的農作物種植區域，水稻產業更是該地區農業結構的重要組成部分，因此，研究粵西地區水稻優化施肥技術對于保障廣東省糧食安全具有重要性意義。

本文田間試驗點位于廣東省肇慶市德慶縣，以水稻為研究對象分析了4 種優化施肥方式[優化施肥處理(OPT)、增有機肥處+化肥減量處理1(OM1)、增施有機肥處+化肥減量處理2(OM2)和增施有機肥處+化肥減量處理3(OM3)]對水稻產量、肥料偏生產力及土壤養分平衡的影響。研究結果將對粵西地區減少化肥損失浪費、提高養分利用效率具有一定的實際指導價值，以期為科學評價化肥減量效果以及示范推廣提供理論依據和支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

水稻田間試驗于2021年3月28日至2021年7月4日進行，試驗點位于廣東省德慶縣官圩鎮五福村(23°26′N，111°8′E)，該地區屬亞熱帶地區，年均日照時數1848 h，年平均氣溫22.3℃，年均降雨量1513 mm。試驗地常年種植水稻，供試土壤類型為水稻土，水稻品種為當地自留種常規稻。該地區的熟制為一年兩熟制。田間試驗前土壤基礎養分狀況見表1。

表1 供試土壤0～20 cm深度種植前土壤養分狀況

1.2 試驗材料與設計

在德慶縣五福村水稻核心種植區域中選擇具有代表性的田塊，試驗采用隨機區組設計，設置4 個處理，包括：優化施肥處理(OPT)、增有機肥處+化肥減量處理1(OM1)、增施有機肥處+化肥減量處理2(OM2)和增施有機肥處+化肥減量處理3(OM3)，每個處理3 次重復，共12個小區，小區面積為20 m2（長5 m，寬4 m），小區之間用尼龍薄膜隔離防止竄肥，試驗地四周設置保護行。

優化施肥處理依據測土配方施肥技術確定氮肥、磷肥、鉀肥的施用量，肥料品種為尿素（含N 量為46%）、過磷酸鈣（含P2O5量為14%）、氯化鉀（含K2O量為60%）；尿素做基肥、回青肥、幼穗分化肥的施用比例為40%:40%:20%，過磷酸鈣全部做基肥施用，氯化鉀做基肥和幼穗分化肥的比例為50%:50%。

OM1 處理、OM2 處理和OM3 處理分別在農戶習慣施肥量基礎上減少10%、20%和30%化肥施用量并添加1500 kg/hm2商品有機肥，農戶習慣施肥施肥量依據當地農戶習慣制定，且僅施用化肥，3個處理肥料品種為碳酸氫銨（含N量為17%），尿素（含N量為46%），復合肥(15-15-15)。商品有機肥含N 1.10%、P2O50.63%、K2O 1.13%。有機肥全部做基肥施用，碳銨、尿素和復合肥分別做基肥、回青肥和幼穗分化肥施用。3個時期肥料的氮素投入占比為53%：18%：29%，磷素、鉀素投入均源于復合肥。各處理施肥用量見表2。各處理間除肥料用量不一致外，除草、除蟲、灌溉、防治病害等田間管理措施均相同。

表2 試驗期各處理施肥量 kg/hm2

在試驗區外為農戶常規施肥(CK)管理區域，施肥種類為碳酸氫銨（含N量為17%）、復合肥(15-15-15)和尿素（含N 量為46%），施用總量見表2 注釋。在管理區域內劃定265.72 m2，全區收獲測產，同時抽取3 個1 m2（長1 m，寬1 m）樣方測樣，測定指標與小區試驗相同。其他田間管理措施與試驗區均一致。

1.3 樣品采集與測定

水稻成熟時采用全區收割法進行脫粒測產，分別稱量水稻秸稈和谷粒的鮮重。取適量的水稻秸稈和谷粒樣品于105℃殺青20 min，然后在75℃下烘干至恒重并記錄干重。烘干后的樣品粉碎過篩，實驗室采用H2SO4-H2O2消煮，奈氏比色法、鉬銻抗比色法和火焰光度計法測定植株中的全氮、全磷和全鉀含量[12]。

1.4 收獲后土壤養分的測定

在收獲完水稻后，將管形取土器鉆入0～20 cm 深度土層，采集土壤樣品裝袋保存，每小區多點取樣，組成混合樣品，并測定其pH、堿解氮、有效磷和速效鉀等基礎理化性質，操作方法具體參照《土壤農化分析》[13]分別采用pH計、堿解擴散法、碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法、乙酸銨浸提—火焰光度法進行測定。

1.5 參數計算

（1）氮肥偏生產力。計算公式如式(1)所示。

公式中PFPN為氮肥偏生產力(kg/kg)；Y為水稻籽粒產量(kg/hm2)；FN為氮肥（折純）投入量(kg/hm2)。磷肥和鉀肥的偏生產力計算同氮肥[14]。

（2）氮素吸收率。計算公式如式(2)所示。

公式中UPEN為氮素吸收率(kg/kg)；Ntotal為水稻全生育期地上部分氮素積累量(kg/hm2)；FN為氮肥施用量(kg/hm2)。磷素和鉀素吸收率的計算同氮素[15]。

（3）土壤氮素表觀平衡。計算公式如式(3)所示。

公式中?P為土壤氮素表觀平衡(kg/hm2)，P2為施入土壤中化肥和有機肥的總氮肥量(kg/hm2)，P1為水稻籽粒和秸稈收獲帶走的總氮量(kg/hm2)。水稻收獲帶走的總氮量(kg/hm2)=水稻秸稈干重×秸稈養分含量+水稻籽粒干重×籽粒養分含量。土壤磷素和鉀素表觀平衡計算同氮肥[16]。

（4）氮素表觀盈余率。計算公式如式(4)所示。

公式中NASR為氮素表觀盈余率(%)；FN為氮肥（折純）投入量(kg/hm2)，Ntotal為水稻全生育期地上部分氮素積累量(kg/hm2)。磷素和鉀素表觀盈余率的計算同氮素[17]。

1.6 數據處理與分析

利用SPSS19.0軟件中One-way ANOVA分析方法進行方差分析和多重比較，用Excel 2016 軟件進行數據整理與作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥措施對水稻產量的影響

4種施肥方式下水稻籽粒產量在5667～5967 kg/hm2之間，且不同施肥方式之間水稻籽粒產量差異不顯著（圖1）。從植株光合產物轉化效率來看，4種施肥方式下水稻谷桿比在1.09～1.31 之間，其中OM3 處理谷桿比最高(1.31)，光合產物轉化效率最高；OPT 處理谷桿比顯著高于OM1 處理(P＜0.05)；3 個增施有機肥處理（OM1、OM2 和OM3）中，OM3 處理谷桿比顯著高于OM1 和OM2 處理(P＜0.05)（圖1）。與農戶習慣施肥相比，4 種施肥處理谷桿比均增加。在增施有機肥的處理中（OM1、OM2 和OM3），隨著化肥施用量的減少，谷桿比呈現逐漸增加的趨勢。

圖1 不同優化施肥措施對水稻產量和谷桿比的影響

2.2 不同施肥措施對植株養分含量的影響

3個增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）籽粒含氮量之間沒有顯著差異，優化施肥處理(OPT)籽粒含氮量顯著高于OM3處理(P＜0.05)；不同處理秸稈含氮量之間沒有顯著差異（圖2）。不同處理籽粒和秸稈含磷量之間均沒有顯著差異。與農戶習慣施肥(CK)相比，4種施肥處理籽粒和秸稈含磷量均增加。3個增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）中，OM3處理籽粒含鉀量顯著低于OM1 處理(P＜0.05)；優化施肥處理(OPT)秸稈含鉀量顯著低于增施有機肥處理（OM1、OM2 和OM3）(P＜0.05)。與農戶習慣施肥相比，4 種施肥處理籽粒和秸稈含鉀量均增加。

圖2 不同施肥處理對植株養分含量的影響

2.3 不同施肥措施對肥料農學效率的影響

由表3 可知，不同施肥處理的肥料偏生產力基本表現為磷肥＞鉀肥＞氮肥。OPT、OM1、OM2 和OM3處理氮肥、磷肥和鉀肥偏生產力分別在30.4～47.2、96.0～122.1、47.2～105.9 kg/kg 之間。其中OPT 處理氮肥偏生產力最高(47.2 kg/kg)，且顯著高于其他3 個處理(P＜0.05)；OM3處理磷肥偏生產力最高(122.1 kg/kg)，顯著高于OM1 處理(P＜0.05)；OM3 處理鉀肥偏生產力最高(105.9 kg/kg)，顯著高于OM1 和OPT 處理(P＜0.05)。在增施有機肥的處理中（OM1、OM2和OM3），隨著化肥施用量的降低，氮肥、磷肥和鉀肥偏生產力均呈現逐漸增加的趨勢。

表3 不同肥料優化措施對肥料農學效率的影響 kg/kg

由表3可知，OPT、OM1、OM2和OM3處理植株氮素、磷素和鉀素吸收率分別在0.40～0.62、0.50～0.65、0.44～1.02 kg/kg之間。其中OPT處理氮素吸收率最高(0.62 kg/kg)，且顯著高于其他3個處理(P＜0.05)；OM3處理磷素吸收率最高(0.65 kg/kg)，各處理組間差異不顯著；OPT處理鉀素吸收率最低(0.44 kg/kg)，顯著低于OM1、OM2 和OM3 處理(P＜0.05)。在增施有機肥的處理中（OM1、OM2 和OM3），隨著化肥施用量的降低，磷素和鉀素吸收率均呈現逐漸增加的趨勢。

2.4 不同施肥措施對水稻收獲后土壤養分狀況的影響

由表4 可知，4 種施肥措施中，增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）水稻收獲后土壤在pH 4.56～5.42之間，高于優化施肥處理(OPT，pH 4.53)；OM1和OM2處理水稻收獲后土壤pH高于水稻種植前，優化施肥處理(OPT)相反。增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）水稻收獲后土壤堿解氮在150.47～159.12 mg/kg 之間，速效鉀在100.54～119.92 mg/kg 之間，高于優化施肥處理（OPT，堿解氮和速效鉀分別為134.76、97.90 mg/kg）。OM1、OM2 和OM3 處理有效磷含量（在123.42～125.68 mg/kg 之間）顯著高于OPT 處理(100.45 mg/kg)(P<0.05)。4 種施肥措施的有效磷與速效鉀均高于水稻種植前含量（分別為20.46、58.90 mg/kg），4 種施肥措施的堿解氮均低于水稻種植前含量(159.26 mg/kg)。

表4 水稻種植前后土壤養分狀況

2.5 不同施肥措施對土壤氮、磷、鉀表觀平衡的影響

由表5 可知，4 種施肥措施氮素、磷素和鉀素表觀平衡均處于盈余狀態。增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）氮素平衡在86.0～115.3 kg/hm2之間，顯著高于優化施肥處理（OPT，氮素平衡為54.2 kg/hm2）(P<0.05)。增施有機肥處理（OM1、OM2 和OM3）磷素平衡在17.1～29.8 kg/hm2之間，其中OM1處理顯著高于優化施肥處理（OPT，磷素平衡為19.83 kg/hm2）(P<0.05)。增施有機肥處理（OM1、OM2和OM3）鉀素平衡在1.2～5.8 kg/hm2之間，顯著低于優化施肥處理（OPT，鉀素平衡為67.0 kg/hm2）(P<0.05)。在增施有機肥的處理中（OM1、OM2和OM3），隨著化肥施用量的降低，氮素、磷素和鉀素表觀平衡均呈現逐漸降低的趨勢。

表5 氮、磷、鉀表觀平衡

3 討論

商品有機肥與化肥配合施用是中國農作物可持續生產的主要方向。近年來，有關化肥減量、增施有機肥等不同優化施肥處理對水稻產量及農學效率的研究較多[18-20]。測土配方施肥技術通過精準施肥，一方面有效減少化肥（比如氮肥）的過量施用，進而有效緩解農業面源污染；另一方面有效解決作物生長營養元素補充不均衡問題，提高土壤生產潛力和作物產量。增施有機肥可以增加土壤有機質含量，提高水稻有效穗數與穎花數，穩定結實率與千粒重，從而增加水稻產量。本研究表明，與農戶常規施肥相比，4種優化施肥方式產量差異不顯著，優化施肥和增施有機肥措施均可以起到穩產效果，其中OM3處理最好；4種措施谷桿比、籽粒和秸稈含磷量、含鉀量均高于農戶常規施肥措施。而在增施有機肥條件下，有機肥替代農戶習慣施肥量30%組合方式水稻產量最高。使用有機肥替代化肥比例并非越高越好，而是需要最佳比例，超過界限時反而會使產量降低，這與孟琳等[20]在江蘇省研究所得在氮用量180 kg/hm2下，有機肥料氮的替代率在15%至30%的配施處理時可以獲得更高的肥料利用率的結果相比基本一致。商品有機肥替代處理較僅施化肥處理，植株氮素吸收率顯著降低，一方面因為在本研究中商品有機肥處理的施氮量較高[在式(1)中盡管分子氮素積累量無顯著變化，但分母施氮量更大]，另一方面是因為有機肥中養分礦化釋放是一個很緩慢的過程。本研究在施氮量低于農戶常規施肥條件下，產量依舊保持穩定，可能由于農戶長期高量施氮肥增加了土壤殘留，而試驗合理施氮減少土壤的殘留與損失，增加了對土壤氮庫的消耗，導致試驗后土壤堿解氮含量均略微減少（表4）。因本研究為單季水稻試驗，且商品有機肥替代農戶常規施肥量30%為最大有機肥替代率，所以減少化肥用量更高的有機肥替代率是否可以更好地穩定作物產量、提升土壤肥力則需要進一步研究。

偏生產力是反映土壤基礎養分水平和肥料施用量綜合效應的重要指標[21]。本研究中，與僅減量施用化肥的方式相比，增施有機肥處理的氮肥偏生產力顯著降低（P＜0.05，見表3），增施有機肥處理的鉀肥偏生產力顯著提高(P＜0.05)，磷肥偏生產力無顯著變化；與華南地區水稻的氮肥偏生產力39.6 kg/kg[21]相比，增施有機肥處理(OM3)的氮肥偏生產力無明顯變化，僅減量施用化肥的氮肥偏生產力有所提高。增施有機肥相較僅施用化肥而言，化肥能快速補充水稻生長所需養分，而有機肥中的養分在土壤中礦化分解速率較緩慢，可以滿足水稻長期養分需求，從而對水稻穩產起到一定的效果，這與前人研究結果[22-23]基本一致。由于增施有機肥對土壤是一個長期影響過程，本試驗研究僅有一個生長季，還需要進行長期定位試驗進一步研究。綜合產量、谷桿比、磷鉀肥偏生產力考慮，有機肥替代農戶常規施肥量30%在4種措施中效果最好。

在土壤養分含量方面有研究結果表明，氮肥減量施用能夠有效降低水稻生態系統中氮、磷元素徑流的損失[24]；測土配方施肥在維持產量、土壤肥力和稻田土壤養分表觀平衡的基礎上，通過減少肥料用量，提高肥料農學效率、降低環境徑流等損失[25]。長期施用商品有機肥能夠有效提升地力，增加土壤有效養分含量[26]。前人研究結果表明有機肥化肥配施處理比單施用化肥處理顯著提高土壤氮素含量，改善土壤供氮特性，提高了氮素利用率[27]。無論是僅施用化肥還是配合施用有機肥均對土壤有效磷和速效鉀含量均有提升作用[28]、合理利用商品有機肥配合氮、磷、鉀肥施用可以穩定較高水平生產力和維持稻田生態系統的養分平衡[29]。本研究結果也顯示，經過4 種優化施肥措施處理后，土壤有效磷、速效鉀含量顯著提高。合理施肥配比提高了土壤養分含量。

土壤養分表觀平衡是土壤作物系統輸入養分與所輸出養分的差值，是養分回收率的一種表達式[30]，養分盈余是衡量養分輸入生產力、環境影響和土壤肥力變化最有效的指標[31]。在本研究中，養分表觀平衡計算中考慮輸入輸出的源因素（肥料養分總投入量和作物移走量），不考慮其轉移因素（如徑流、淋溶等）和其他因素（秸稈還田、生物固氮、干濕沉降和氣態損失等），因此，養分表觀平衡可以看作肥料投入的回收率，值越低說明養分從系統回收的可能性越大。本研究結果表明，4種優化施肥處理后土壤養分表觀平衡均為正值，這說明土壤中的氮素、磷素、鉀素仍有盈余。與優化施肥處理相比，有機肥替代處理的土壤氮素表觀平衡顯著提高，有機肥替代處理后的土壤氮素表觀盈余率高于僅施化肥處理，土壤鉀素表觀平衡顯著降低，土壤鉀素表觀盈余率顯著降低，說明增施有機肥處理既可以實現土壤鉀素培肥目的，又可以避免農業生產中肥料過量投入導致對環境造成的潛在威脅[32]。

產投比是在給定作物生產條件下對農作物產量和農業經濟效益的綜合分析。通過不同肥料優化措施經濟效益分析（表6），可得4 種優化施肥措施中OM3 產量最高(5967 kg/hm2)，OM1 為本試驗最高產量施氮量。4 種優化處理的產值在23801.4～25061.4 元/hm2之間，OM1 處理的肥料成本最高，產投比最低。4 種優化處理施肥間OPT 處理的肥料成本最低，施肥收入和產投比最高，OPT 處理為本試驗經濟最佳施氮量。在本研究中，合理施肥范圍在經濟最佳施氮量和最高產量施氮量之間（OPT 與OM3 之間）。與OM1、OM2 和OM3 處理相比，OPT 處理的產投比平均分別顯著提高了121%、100%、85% (P<0.05)。綜合產量、氮肥偏生產力、氮素吸收率、土壤中氮素表觀盈余率和產投比考慮，優化施肥措施在4種措施中效果最好。

表6 不同肥料優化措施經濟效益分析

4 結論

（1）優化施肥和增施有機肥措施均可以起到穩產效果，4 種措施谷桿比、籽粒和秸稈含磷量、含鉀量均高于農戶常規施肥措施。（2）綜合產量、谷桿比、磷鉀肥偏生產力考慮，有機肥替代農戶常規施肥量30%在4種措施中效果最好。（3）綜合產量、氮肥偏生產力、氮素吸收率、土壤中氮素表觀盈余率和產投比考慮，優化施肥措施在4種措施中效果最好。