張水清，岳 克，杜麗君，王更新，宋 曉，郭斗斗，張珂珂，張玉亭，黃紹敏*

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；2.河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000；3.西平縣農(nóng)業(yè)局，河南 西平 463900）

有機肥與化學(xué)肥料配合施用是提高農(nóng)田生產(chǎn)力和改善土壤質(zhì)量的有效措施，也是農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求［1-3］。王伯仁等［4］利用湖南祁陽紅壤長期定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，在紅壤旱地長期堅持有機肥與無機肥配合施用，不但可提高土壤有機質(zhì)含量，同時使作物穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。邢素麗等［5］研究表明，長期有機肥配施化肥可以增加土壤有機質(zhì)含量和土壤氮素儲量，大幅度增加土壤有效磷含量，顯著增加土壤速效鉀含量，提高小麥增產(chǎn)穩(wěn)定性，且效果優(yōu)于秸稈直接還田。盡管有機肥料在提高土壤肥力、增加作物產(chǎn)量、改善作物品質(zhì)等方面具有舉足輕重的作用，但施用方法不當(dāng)同樣會引發(fā)一系列的問題。研究表明長期施用大量有機肥料，會造成土壤硝酸鹽的富集以及淋溶，可能造成地下水污染［6-7］。袁新民等［8］通過長期定位試驗，發(fā)現(xiàn)土壤中的累積量隨有機肥施用量的增加而增加，過量施用有機肥會引起2 m 以下深層次土壤中的大量累積，當(dāng)有機肥和無機肥配合施用時土壤中的累積量隨總施氮量的增加而增加?？梢?，有機肥對土壤累積的影響和對地下水的潛在威脅不容忽視。黃紹敏等［9］研究發(fā)現(xiàn)在華北潮土上，長期有機無機肥料配施會造成土壤有效磷含量持續(xù)增加，8 年之后會達(dá)到淋溶閾值，存在環(huán)境風(fēng)險；并且在西北黃土、東北黑土、南方紅壤和西南紫色土上土壤有效磷達(dá)到一定閾值后均會存在淋溶風(fēng)險［10-12］。

耕作是改變土壤理化性質(zhì)的重要人為因素，其頻率和強度等直接影響土壤養(yǎng)分的周轉(zhuǎn)速率［13］。呂瑞珍等［14］研究表明，與翻耕相比，深耕與秸稈覆蓋等措施顯著提高0 ～40 cm 土層活性有機碳占總有機碳比率，有利于土壤質(zhì)量的改善。李娟等［15］通過3 年定位試驗發(fā)現(xiàn)，高量有機肥配合深松可以增加旱地土壤貯水量，增加春玉米產(chǎn)量，是旱區(qū)連作玉米田最優(yōu)的耕作和施肥處理組合。綜上所述，耕作方式和施肥模式的改變均可影響土壤性質(zhì)的變化及作物產(chǎn)量的提高。華北平原是我國糧食主產(chǎn)區(qū)，2017 年糧食產(chǎn)量占全國的34.6%［16］；然而，該區(qū)域過量施肥現(xiàn)象十分突出，但并未顯著增加作物產(chǎn)量［17-18］。如何通過優(yōu)化耕作方式及有機肥施用模式，改善土壤質(zhì)量和提高作物生產(chǎn)力，成為生產(chǎn)上亟待解決的問題。因此，本文開展不同有機肥施用量和不同耕作方式對潮土理化性質(zhì)及作物產(chǎn)量影響的研究，旨在為華北地區(qū)小麥玉米兩熟制探明合理有機肥施用量及適宜耕作方式。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2017 年10 月在河南省新鄉(xiāng)市平原新區(qū)師寨鎮(zhèn)小趙莊村（E113°46′27″，N 35°5′53″）進(jìn)行，該區(qū)地處暖溫帶，年均氣溫14.4℃，年降水量645 mm，無霜期約225 d，年日照時數(shù)2 400 h。主要種植方式為冬小麥/夏玉米輪作。供試冬小麥品種為鄭麥7698、玉米品種為先玉335。供試土壤類型為石灰性潮土，砂粒、粉粒和粘粒分別占14.0%、54.3%和31.7%，按照國際制分類標(biāo)準(zhǔn)為粉砂質(zhì)粘土。整地前采集0 ～20 cm 耕層土壤樣品進(jìn)行基礎(chǔ)養(yǎng)分測定，其有機質(zhì)含量為22.64 g/kg，全N 1.53 g/kg，有效磷和速效鉀分別為33.46 和235.38 mg/kg，pH 值為8.05。試驗所用有機肥為商品有機肥，購置于河南某公司，以牛糞為原料，有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量分別為28.98%、1.55%、1.06%和1.72%。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用裂區(qū)設(shè)計，以耕作方式為主區(qū)，有機肥施用量為副區(qū)。耕作方式（T）設(shè)深翻（使用鏵式犁翻耕，耕作深度27 ～30 cm）和旋耕（使用旋耕機，耕作深度15 ～18 cm）2 個水平，分別以DT 和RT 表示，有機肥在冬小麥播種前一次性撒施后深翻或者旋耕進(jìn)入土壤，玉米季不再施用；有機肥施用量（M）設(shè)0、7.5、15 和22.5 t/hm24 個水平，分別以M0、M7.5、M15、M22.5表示?；视昧克刑幚砭恢?，小麥季施氮量為210 kg/hm2，其中基肥和拔節(jié)期追肥分別占60%和40%；各小區(qū)磷、鉀肥用量相同，分別為P2O5120 kg/hm2和K2O 60 kg/hm2，全部做基肥一次施入。玉米季施氮量為240 kg/hm2，基肥和大喇叭口期追肥分別占70%和30%；各小區(qū)磷、鉀肥用量相同，分別為P2O575 kg/hm2和K2O 90 kg/hm2，全部做基肥一次施入。每個處理3 次重復(fù)，小區(qū)面積30 m2（長6 m，寬5 m），小區(qū)間隔1 m。供試氮、磷、鉀肥分別為尿素（N，46%），過磷酸鈣（P2O5，12%）和氯化鉀（K2O，60%）。小麥在2017 年10 月13 日播種，次年6 月2 日收獲；玉米在2018 年6 月10 日播種，當(dāng)年9 月30 日收獲。田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)田一致。

1.3 樣品采集與測定

在試驗第2 季夏玉米收獲后采集0 ～20 cm 耕層土壤樣品，按四分法分取兩份，一份取回后風(fēng)干研磨，分別過0.85 和0.15 mm 篩測定土壤養(yǎng)分含量；另一份鮮土帶回后放入4℃冰箱保存，測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。分別在小麥、玉米成熟期，每個小區(qū)單獨收割6 m2分別測定小麥、玉米籽粒產(chǎn)量。

土壤和有機肥的基本理化性質(zhì)參照《土壤農(nóng)化分析》常規(guī)方法測定［19］。土壤有機質(zhì)（SOM）采用K2Cr2O7氧化-外加熱法測定；土壤全氮（TN）采用凱氏蒸餾法測定；全磷（TP）采用鉬銻抗比色法；全鉀（TK）采用氫氟酸消解法測定；有效磷（AP）采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀（AK）采用乙酸銨提取-火焰光度法；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用0.1 mol/L CaCl2溶液浸提-SEALAA3 流動注射分析儀測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

土壤性質(zhì)及作物產(chǎn)量采用Sigmaplot 12.0 軟件進(jìn)行方差分析，多重比較采用LSD 最小極差法；相關(guān)性分析采用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理的土壤性質(zhì)

由表1 可知，耕作方式和有機肥施用量對土壤有機質(zhì)（SOM）含量均具有顯著影響（P＜0.05）。深翻條件下，不同有機肥施用量間的土壤SOM 含量無顯著差異；而旋耕條件下，RT-M7.5和RT-M22.5處理的土壤SOM 含量最高，分別為28.47 和28.92 g/kg，分別比不施用有機肥RT-M0處理的24.70 g/kg 高15.3%（P＜0.01）和17.1%（P＜0.01），而施用有機肥處理間無顯著差異。有機肥施用量對土壤全氮（TN）含量無顯著差異，而旋耕處理的土壤TN含量平均值為1.69 g/kg，顯著比深翻處理高11.4%（P＜0.05）。耕作方式和有機肥施用量對土壤有效磷（AP）含量均具有顯著影響。與深翻相比，旋耕顯著提高了土壤AP 含量（P＜0.05）。在深翻條件下，不同有機肥施用量間的土壤AP 含量無顯著差異；而旋耕條件下，RT-M22.5處理的土壤AP 含量最高，為47.42 mg/kg，顯著高于不施用有機肥處理，而施用有機肥處理間無顯著差異。耕作方式對土壤速效鉀（AK）含量無顯著差異，而施用有機肥對土壤AK 含量有極顯著提升（P＜0.01）。不管是深翻還是旋耕條件下，不同有機肥施用量處理間的土壤AK含量無顯著差異，但與不施有機肥處理相比，均顯著提高土壤AK 含量，提高幅度為50.8%～90.9%。耕作方式對土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異，而有機肥施用量對土壤含量有顯著影響；耕作方式與有機肥施用量之間存在顯著交互作用，有機肥施用量對土壤含量的效果受到不同耕作方式的影響。在深翻條件下，DT-M15和DT-M22.5處理的土壤含量最高，分別為125.28 和137.7 mg/kg，顯著高于DT-M0處理和DT-M7.5處理（P＜0.05）。在旋耕條件下，RT-M7.5、RT-M15和RTM22.5處理的土壤含量最高，三者之間無顯著差異，均顯著高于RT-M0處理（P＜0.05）。

表1 不同處理對土壤性質(zhì)的影響

2.2 不同處理的作物產(chǎn)量

由表2 可知，有機肥施用量對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量具有極顯著影響（P＜0.01），而耕作方式對作物產(chǎn)量無顯著影響；耕作方式與有機肥施用量之間存在顯著交互作用，也就是說有機肥施用量對作物產(chǎn)量的影響受到耕作方式的限制。在深翻條件下，DT-M15和DT-M22.5處理的小麥產(chǎn)量最高，分別比DT-M0處理的小麥產(chǎn)量顯著高14.1%和19.0%，而施用有機肥處理間小麥產(chǎn)量無顯著差異；DT-M15和DT-M22.5處理的玉米產(chǎn)量也最高，分別比DT-M0處理的玉米產(chǎn)量顯著高19.9%和23.5%，比DT-M7.5處理的玉米產(chǎn)量顯著高8.4%和11.7%。

在旋耕條件下，RT-M7.5處理的小麥產(chǎn)量最高，分別比RT-M0和RT-M15處理的小麥產(chǎn)量顯著高22.6%和21.4%；RT-M7.5和RT-M22.5處理間小麥產(chǎn)量無顯著差異；RT-M7.5處理的玉米產(chǎn)量也最高，但旋耕條件下不同有機肥施用量處理之間玉米產(chǎn)量無差異。

表2 不同處理對冬小麥和夏玉米籽粒產(chǎn)量的影響

2.3 土壤性質(zhì)相關(guān)性分析

通過Pearson 雙側(cè)檢驗對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量及土壤肥力構(gòu)成因素進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），冬小麥產(chǎn)量與AP、AK 含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）；夏玉米產(chǎn)量與AK 含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。SOM 和TN 含量與其他土壤性質(zhì)指標(biāo)之間均具有顯著或極顯著的正相關(guān)性（P＜0.05 或P＜0.01）。

表3 作物產(chǎn)量與土壤性質(zhì)相關(guān)性分析

3 討論

3.1 耕作方式和有機肥施用量對土壤性質(zhì)的影響

土壤SOM 作為衡量土壤肥力水平的重要指標(biāo)之一，被認(rèn)為是土壤質(zhì)量和功能的核心［20-21］。本研究發(fā)現(xiàn)，同一耕作方式下，施用有機肥可顯著提高土壤SOM 含量，然而SOM 含量并不是隨著有機肥施用量的增加而顯著增加的。王建紅等［22］在浙江油菜-水稻輪作體系上設(shè)置5 個有機肥施用量（15、30、45、60、75 t/hm2），結(jié)果發(fā)現(xiàn)一年后較低量有機肥處理（30 t/hm2）與高量有機肥處理土壤有機質(zhì)無顯著差異，本試驗與之結(jié)果一致。主要原因是不同條件下有機物料轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)的效率不一樣［23-24］，如湖南祁陽的有機碳轉(zhuǎn)化效率為10.6%［25］，而江西旱地紅壤上僅為8.6%［26］。本研究結(jié)果表明，深翻方式下的中量有機肥處理（M15）和旋耕條件下低量有機肥處理（M7.5）均與施用高量有機肥處理（M22.5）土壤速效養(yǎng)分無顯著差異，這與柳玲玲等［27］在辣椒上的結(jié)果一致，可能與有機肥自身的速效養(yǎng)分釋放過程緩慢有關(guān)。

3.2 耕作方式和有機肥施用量對作物產(chǎn)量的影響

有機肥對作物生長的影響分直接影響與間接影響兩部分，直接影響是有機肥提供作物生長必要的養(yǎng)分等［28-29］；而間接影響是有機肥施用改變土壤微環(huán)境，如：土壤容重、孔隙度、結(jié)構(gòu)、pH 值以及微生物群落等，進(jìn)而影響作物生長［30-32］。本研究表明，有機肥施用量對冬小麥和夏玉米產(chǎn)量具有極顯著影響（P＜0.01），并且有機肥施用量對作物產(chǎn)量的影響受到耕作方式的限制；深翻條件下DTM15處理，旋耕條件下RT-M7.5處理的小麥、玉米產(chǎn)量最高。張建省等［33］研究發(fā)現(xiàn)，小麥、玉米輪作體系下，不同耕作措施與培肥措施存在交互作用，且交互作用顯著影響玉米的千粒重，小麥、玉米產(chǎn)量也受到交互作用的影響，與本研究結(jié)果一致。

綜合土壤理化性質(zhì)與作物產(chǎn)量，研究結(jié)果表明，深翻-中量有機肥（15 t/hm2）和旋耕-低量有機肥（7.5 t/hm2）是較為理想的耕作與施肥方式。首先，高量有機肥將帶入大量有機質(zhì)，在作物生長前期碳氮比較大，容易造成微生物與作物出現(xiàn)爭氮現(xiàn)象，本研究耕作方式對土壤SOM、TN、AP 和NH4+-N 含量有顯著影響，旋耕均要顯著高于深翻處理。主要原因是深翻處理耕作深度為27 ～30 cm，而旋耕耕作深度為15 ～18 cm，施用有機肥后，深翻將有機肥帶入到土壤下層，而本研究取樣深度僅為0 ～20 cm。

4 結(jié)論

華北潮土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作體系，短期內(nèi)深翻條件下施用中量有機肥顯著提升了土壤NO3--N 含量；旋耕條件下施用低量有機肥顯著提高了土壤SOM、AK 和NH4+-N 含量；且二者與不施用有機肥相比，顯著提升了小麥、玉米周年產(chǎn)量17.5%和13.2%。由此可見，深耕條件下施用中量有機肥、旋耕條件下施用低量有機肥對提升土壤肥力和作物產(chǎn)量的效果最佳，是華北潮土區(qū)較為理想的有機肥施用量與耕作方式。