田昌玉，林治安，唐繼偉，徐久凱，孫文彥，程明芳，趙秉強

（中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

我國是有機物料生產大國，年生產總量達49.5億t，每年可提供N 0.31億t、P2O50.14億t、K2O 0.30億t，是全國化肥總投入量的1.06、0.93、3.42倍[1]。合理有效利用有機廢棄物養(yǎng)分，可以大大降低化肥的施用量。反之，有機物料的不恰當處置會造成嚴重的資源浪費和環(huán)境污染問題。耕地是有機物料的主要消納場所，肥料化利用是其資源化利用的重點發(fā)展方向之一[2-3]。從保護環(huán)境、提高土壤肥力、資源充分利用等各方面考慮，有機無機配施是實現土壤可持續(xù)利用的科學施肥方式[4-5]。

有機無機肥配施具有培肥土壤、防止土壤酸化和鹽漬化、提高產量、消納有機排泄物、保護環(huán)境和節(jié)約資源等諸多積極作用[6-13]。人畜糞類有機物料或由其加工的商品有機肥料是肥料的主要形式，占全國有機肥資源量的81.2%，可提供氮磷鉀養(yǎng)分4.90 ×107t，其中 N 2.10 × 107t、P2O51.12 × 107t、K2O 1.68 ×107t[1]。孟琳等[7]研究的最佳有機無機配施比例，氮用量為180 kg/hm2且有機肥氮的替代率在15%～30%時，能顯著提高水稻產量。林治安等[8]通過長期定位試驗研究表明，在總養(yǎng)分投入量一定的條件下，牛糞與化肥氮比例為1∶1 時，可以達到既能培肥土壤又能使當季作物增產效果最好的雙重目的，但是牛糞的增產效果在8～10年后才能與等量化肥的產量效果一樣。Yadav等[9]分析長期定位試驗數據表明，有機無機肥配施對作物的增產效果顯著高于NPK化肥處理。Manna等[10]試驗發(fā)現，不平衡的施用N、NP會導致作物產量降低，而NPK配施有機肥的產量則不斷提高。單施有機氮或無機氮均不能維持生產力的持續(xù)性，而有機氮和無機氮配施可維持高強度的生產系統(tǒng)穩(wěn)定[11-13]。但基于長期定位試驗的不同有機肥料氮和無機氮配比對作物產量和有機肥料氮的經濟替代比例的影響還缺少系統(tǒng)性的研究分析。本文利用2007年布置的有機無機配合長期定位試驗，采用小麥玉米周年產量，分析了在保證最佳經濟效益的前提下，不同試驗年限有機肥料氮可替代化肥氮的比例變化，以針對性地推薦有機肥料的應用比例，為有機肥料資源的可持續(xù)利用提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

定位試驗于2007年10月開始，試驗實施前土壤基本理化性狀[14]見表1。

試驗為冬小麥-夏玉米輪作體系，2007年10月到2009年10月小麥品種為煙農19、玉米品種為浚單20。2010年10月到2017年10月小麥品種為濟麥22、玉米品種為鄭單958。試驗在中國農業(yè)科學院德州站陵縣試驗基地進行。供試肥料為尿素、過磷酸鈣、硫酸鉀和牛糞。

試驗期間供試肥料平均價格：過磷酸鈣 (P2O512%) 800元/t。尿素 (N 46%) 1800元/t。硫酸鉀 (K2O 50%) 3200 元/t。

10年有機肥 (鮮牛糞) 平均購買價100元/m3，含干物質 312 kg/m3、N 2.80 kg/m3、P2O52.80 kg/m3、K2O 3.81 kg/m3。如果所含氮、磷、鉀養(yǎng)分都按化肥價格計算，每立方米有機肥含有的氮、磷、鉀肥料價值是54.11元。

1.2 試驗設計

每季作物設4個有機肥料 (鮮牛糞) 氮投入水平按純氮計分別為0、45、120、240 kg/hm2；6個化肥氮 (尿素) 水平，對應純氮為0、45、90、120、180、240 kg/hm2，共計24 個處理，隨機區(qū)組排列，3次重復，共72個小區(qū)，小區(qū)面積100 m2(9 m ×11.11 m)。

化肥氮50%用作基肥、50%在小麥拔節(jié)或玉米大口期做追肥。有機肥每年施用一次，是將冬小麥、夏玉米兩季的有機肥在冬小麥播種前一次性施用；有機肥年施用二次，是在冬小麥、夏玉米上，有機肥分別作基肥施用。各施肥處理的磷鉀肥用量按足量且等量的原則設計 (冬小麥和夏玉米每季作物P2O5和K2O的用量分別按150 kg/hm2投入)。全年的磷、鉀肥在小麥播種前一次性施用。具體牛糞養(yǎng)分含量見表2。小麥和玉米收獲后秸稈移出農田。

1.3 產量測定

小麥產量測定：收獲期每個小區(qū)選擇兩個取樣點測產，選取10 m2收割，曬干，脫粒、揚凈后稱重，計算籽粒產量。

玉米產量測定：收獲期每個小區(qū)選三個取樣點測產，選取20 m2收取玉米穗，曬干，脫粒、揚凈后稱重，計算玉米籽粒產量。

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2003進行數據預處理，采用SAS軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥料氮和化肥氮對小麥和玉米10年平均產量的影響

表3顯示，從2008—2017年小麥和玉米平均周年產量看，不施有機肥條件下，隨著無機氮用量從0增加到180 kg/hm2，小麥和玉米周年產量顯著增加，之后增產不顯著。施用有機氮45和120 kg/hm2水平下，0、45、90、120 kg/hm2無機氮四個用量間小麥和玉米周年產量差異顯著；施有機氮240 kg/hm2水平下，僅在無機氮0、45、90 kg/hm2用量間小麥和玉米周年產量差異顯著。隨著有機氮量增加，達到相同產量水平需要配施的無機氮量減少。

在無機氮施用量0、45、90 kg/hm2條件下，有機氮量0、45 kg/hm2之間和120、240 kg/hm2之間小麥和玉米周年產量差異顯著。施用無機氮120 kg/hm2條件下，有機氮量120、240 kg/hm2之間小麥和玉米周年產量差異不顯著，但均高于有機氮45 kg/hm2處理的小麥、玉米周年產量。無機氮為180、240 kg/hm2條件下，4個有機氮量處理之間小麥、玉米周年產量沒有顯著差異 (表3)。

以上結果表明，雖然有機氮和無機氮都能供應作物必需的氮素養(yǎng)分，但是兩種肥料的增產效果不同。等養(yǎng)分量下，有機氮需要更大的施用量。比如單施無機氮240 kg/hm2的小麥和玉米周年產量顯著高于單施有機氮240 kg/hm2，再增施有機氮，沒有增產效果，而有機氮240 kg/hm2配施無機氮45～90 kg/hm2，仍然有顯著增產效果。

表1 定位試驗開始時0-40 cm土壤理化特性Table 1 Basic physicochemical properties in 0-40 cm soil at the beginning of the long-term experiment

表2 試驗所用牛糞的養(yǎng)分含量、單施有機肥處理鮮牛糞用量及施用次數Table 2 N, P, K contents, application rate and frequency of cattle manures used in each treatment of the experiment

表3 不同肥料處理對小麥-玉米周年平均產量的影響 (kg/hm2)Table 3 Effects of different N input types and rates on wheat and maize grain yield

2.2 小麥和玉米對有機肥氮和化肥氮年際效應變異

2.2.1 小麥產量對有機肥氮和化肥氮的響應 從10年變化結果看 (圖1)，單施化肥時，無機氮量在240 kg/hm2和180 kg/hm2水平產量比較平穩(wěn)，年際間波動小。不施氮肥和施氮量不足120 kg/hm2，隨著時間的推移產量逐年下降，施氮量越小產量下降速度越快，不施氮肥處理第5年基本降到最低水平。

隨著時間推移，相對于單施化肥，施有機肥產量變化趨勢呈逐年升高。施低量有機氮時，年際間產量波動變化比較大，但在施高量有機肥時，不同化肥氮用量產量趨于穩(wěn)定。過量施化肥氮并沒有帶來小麥產量的持續(xù)增加，配合施用有機肥料氮能實現小麥持續(xù)穩(wěn)產。

圖1 不同有機肥氮水平下各化肥氮處理歷年小麥產量Fig. 1 Winter wheat grain yield under different organic and chemical N combination treatments[注（Note）：OMN—有機肥氮 Organic N; CN—化肥氮 Chemical N.]

圖2 不同有機肥氮水平下各化肥氮處理歷年玉米產量Fig. 2 Summer maize grain yield under different organic N and chemical N combination treatments[注（Note）：OMN—有機肥氮 Organic N; CN—化肥氮 Chemical N.]

2.2.2 玉米產量對有機肥料氮和化肥氮的響應 圖2表明，2010年和2013年，化肥氮處理的玉米年際產量降低明顯，主要是由于在這兩年8月份強降雨和強風造成玉米倒伏減產。有機肥料氮從0 kg/hm2增加至240 kg/hm2，化肥氮處理的玉米產量差異越來越小，表明隨著有機肥氮增加，化肥氮的增產效果逐漸減小。當施用高量有機肥氮 (240 kg/hm2) 時，配施化肥氮已經不能顯著增產；有機肥氮120 kg/hm2時，配施45 kg/hm2、90 kg/hm2化肥氮能獲到增產效果；有機肥氮45 kg/hm2下，配施化肥氮45 kg/hm2、90 kg/hm2、120 kg/hm2能獲得增產效果。不施有機肥氮處理，隨著時間推移，6個化肥氮處理之間產量差異逐年增大；隨著配施有機肥氮的增加，6個化肥氮處理的產量差異逐漸減少，配合施用有機肥氮能保證玉米持續(xù)穩(wěn)產。這說明增加有機肥氮能培肥土壤，降低糧食高產對化肥的依賴。

2.2.3 小麥和玉米產值對有機肥氮和化肥氮的響應有機肥氮和化肥氮的最優(yōu)配比主要決定因素之一是小麥玉米周年產量或周年產值，2.2.1和2.2.2中的結果均不能定量地獲得有機肥氮與化肥氮最優(yōu)配比。通過建立小麥和玉米周年產值與有機肥氮、化肥氮的函數方程，用方程求解極值可以得出最大產值的優(yōu)化配比，求解方程的邊際效益可以得出最佳優(yōu)化配比。

因為小麥與玉米的價格不同，所以把小麥、玉米的產量轉化為產值，小麥按照平均市場價格2.4元/kg、玉米按照平均市場價格1.6元/kg，分別求出各個年份的周年產值，然后配制周年產值與有機肥氮、化肥氮的二元二次函數式，利用逐步回歸法得出各個年份的函數式為：

式中，Y表示小麥和玉米周年產值 (元/hm2)；Xor表示有機肥氮用量 (kg/hm2)；Xch表示化肥氮用量(kg/hm2)；K1、K2、K3、K4、K5和 K0分別是函數式的系數。

表4 為2008—2017年10年間，每年小麥和玉米收獲產值 (Y) 與有機肥料氮 (Xor)、化肥氮 (Xch) 的函數方程式。

從表4 發(fā)現如下規(guī)律：1) 每年產值的效益方程中的常數項逐年降低，從2008年每公頃收入23870元，降低到2017年12107元，表示不施肥處理的年產值逐年下降，10年間下降了50%；2) 化肥氮 (Xch) 在產值效益函數式中的一次項系數大于有機肥氮，但有機肥料氮 (Xor) 逐年增加的速度大于化肥氮 (Xch)；3) 函數式中二次項系數化肥氮 (Xch) 呈先增后減趨勢，有機肥氮系數較小，但逐年增加，說明隨著施肥的增加和時間推移，有機肥氮的肥效回報率減少得快。

2.3 小麥和玉米最大、最佳產值的有機肥料氮和化肥氮配施比

根據表4中函數式計算不同年份的最大、最佳產值的有機肥料氮和化肥氮配比，能更細致準確地反映有機肥料氮和化肥氮的優(yōu)化配比。圖3是最大產值和最佳產值的有機肥料氮和化肥氮的不同年度施氮肥量，其中最佳施肥量是按照邊際產投比為5∶1計算，有機肥料氮和化肥氮都按每公斤3.91元計算。

圖3 和表5表明，1）計算最大產值的有機肥料氮和化肥氮都分別比最佳有機肥料氮和化肥氮的值大，有機肥料氮用量大于化肥氮，有機肥料氮和化肥氮最大產值目標下，10年來有機肥料氮的比例從60%左右下降到50%，有機肥料氮和化肥氮的配比接近于1∶1; 2）最佳施肥量的有機肥料氮基本上都低于化肥氮，在2012年以后，有機肥料氮和化肥氮的比例接近1∶1; 3）最佳產值隨著有機肥料氮的增加和年份推移而逐年增大，從2008年不施有機肥料氮的30481元/hm2，上升到2017年的34230元/hm2。其中2010年和2013年玉米倒伏減產，產值明顯偏低，最佳和最大產量的施肥量都比正常年份低。

表4 有機肥氮、無機氮與小麥、玉米產值函數的年變化 (yuan/hm2)Table 4 The annual change of functions between organic and inorganic N and wheat and maize benefits

圖3 最大和最佳效益的有機肥氮及化肥氮用量Fig. 3 The rates of organic and chemical fertilizer N for maximum and optimum benefits

有機肥料的氮磷鉀含量如果按化肥價格計算，價格約為54元/m3，如果鮮牛糞購買價格100元/m3，有機肥料氮的實際價格接近化肥氮價格的2倍，按此價格，計算出最佳產值、最佳產值施氮量及有機肥料氮的比例 (表6)。

長期定位試驗10年后，若按本試驗的實際有機肥價格，最佳產值有機肥料氮的比例穩(wěn)定在30%左右 (表6)；若按有機肥料氮價格與化肥氮價格等價計算，最佳產值有機肥料氮比例能穩(wěn)定在50%上下(表5)。因此，有機肥料氮對化肥氮的最佳替代率與實際有機肥種類、養(yǎng)分含量及價格緊密相關。

3 討論

3.1 最大施氮量、最佳施氮量和最佳產值 (產量)隨時間的變化

產值或產量與施氮肥量的關系是決定施肥量的重要參考，最佳和最大施肥量計算的依據就是產值(產量) 與氮肥施用量的關系函數，這個關系函數隨時間的推移在不斷變化。當試驗3年以后，最佳和最大產量的施氮量隨時間推移緩慢增加，最佳產值逐年增加，從長期試驗結果看最佳施肥量和最大施肥量均出現在有機肥氮和化肥氮配施處理。這個結果與朱兆良等[15]在太湖地區(qū)的研究結果類似，通過兩個時期氮肥與產量函數曲線關系可看出隨著土壤肥力提高，最大產量增加，最大產量的施肥量也增加。本文通過同一個試驗設計，利用產量與有機肥氮和化肥氮函數關系詳細展示了其逐年變化過程。類似的報道多是從多年平均產量闡述有機無機結合能夠逐年提高作物產量[16-23]，但都沒有通過效應函數分析最佳和最大產量施肥量的逐年變化規(guī)律，也很少建立有機肥氮和化肥氮兩個變量對產值的效應函數。

表5 最大、最佳產值有機肥料氮占總氮比例Table 5 The percentage of organic N in total N for maximum and optimum benefits

表6 最佳產值時有機肥氮占總氮比例Table 6 The percentage of organic N in total N for optimum benefit

3.2 最佳和最大產量下有機肥氮和化肥氮的比例隨時間的變化

有機肥氮比例 (有機肥氮替代率) 在試驗開始時較小，然后逐漸增大，最終趨于一個穩(wěn)定的常數，若有機肥料氮與化肥氮的價格相同，有機肥料氮的替代率能穩(wěn)定在50%上下，若有機肥料氮價格2倍于化肥氮，有機肥料氮的替代率能穩(wěn)定在30%上下。孟琳等[7]在水稻上有機肥料氮替代率的研究結果顯示，不同施氮量處理替代率不一樣，基本上氮用量為 180 kg/hm2、有機肥料氮的替代率在 15%～30%或氮用量為 240 kg/hm2、有機肥料氮的替代率在10%～20%時，能夠顯著提高水稻產量，但此試驗為短期試驗，其替代率只代表短期效應。本文試驗結果表明，試驗初始時的有機肥料氮替代率比較低，隨著時間推移逐年增加，6年以后趨于一個比較穩(wěn)定的替代率。謝軍等[22]通過長期定位試驗也證明，有機肥料氮替代率在50%能夠獲得高產、培肥土壤，但試驗設計僅有兩個有機肥料氮處理。本試驗通過一系列有機肥料氮和化肥氮配比試驗設計，采用回歸函數精準計算的最佳有機肥料氮的替代率更具有科學性和說服力。

3.3 有機廢棄物作為肥料利用的技術研究有待深入

由于社會、經濟、政策、技術及推廣等多方面原因，相當數量的有機廢棄物沒有得到充分利用, 還有進一步合理利用的空間。有機肥料資源收集、貯存和加工過程中養(yǎng)分損失嚴重，不僅導致其利用率低，也成為農業(yè)源環(huán)境污染的根源[1,24]。畜禽糞尿養(yǎng)分資源的利用率在一些地區(qū)也僅僅為50%左右，有待于進一步利用[25-30]，廢棄物利用最大的問題是使用過程中的成本問題，優(yōu)質鮮牛糞在養(yǎng)牛場價格是每立方米30元，運到田間每立方米100多元，商品化有機肥制作成本和集約化處理廢棄物將是重要技術，正如朱兆良提出“依靠科技進步高效利用肥料資源、按照增產潛力做好施肥區(qū)域布局等技術政策，建議針對肥料科學技術的發(fā)展形成穩(wěn)定的政策支持和保障[4]”。增加有機廢棄物農用，降低化肥用量 (降低化肥施用強度)，能夠提高作物產量 (提高化肥環(huán)境安全閥值)，改變目前實際氮肥施用強度超過氮肥環(huán)境安全閥值的狀況[31]。

4 結論

就小麥和玉米周年平均產量而言，有機肥氮與化肥氮配施處理高于單施化肥氮和單施有機肥料氮處理。單施化肥氮低于180 kg/hm2時，小麥和玉米產量隨著時間的推移逐年下降，高于180 kg/hm2時，產量基本能夠保持相對穩(wěn)定；隨著時間推移，有機肥氮與化肥氮配合施用，小麥和玉米產量逐年升高。有機肥氮和化肥氮最大產值目標下，10年后有機肥料氮的比例從60%左右下降到50%，有機肥料氮和化肥氮的配比接近于1∶1；在最佳經濟效益目標下 (邊際產投比5∶1)，有機肥料氮和化肥氮等價格，最佳有機肥料氮從前2年比例0%上升到2017年的50%左右；實際上有機肥料氮價格是化肥氮的2倍，按這種實際肥料價格計算，前3年最佳有機肥氮比例0%，以后最佳有機肥氮比例逐年上升，到2017年提高到30%左右。