侯紅乾，冀建華，劉秀梅，呂真真，藍賢瑾，劉益仁*

(1 江西省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，南昌 330200；2 國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330200；3 農(nóng)業(yè)部長江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，南昌 330200)

水稻是我國種植面積最大的糧食作物，其產(chǎn)量高低直接影響到我國糧食安全和社會穩(wěn)定。施肥是水稻持續(xù)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的最主要措施之一。據(jù)統(tǒng)計，肥料對提高水稻產(chǎn)量的貢獻率為30% ～ 50%[1-3]。有機無機肥配合施用，結(jié)合了化肥的速效性和有機肥的持久性特點，是合理利用資源、提高土壤肥力、保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的施肥體制[4-10]。但如何進行有機無機肥合理配置，最大限度地提高水稻產(chǎn)量、改善土壤肥力、提高肥料利用率是人們長期以來關(guān)注的問題。研究表明，有機無機肥配施有利于水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、養(yǎng)分吸收，有利于提高肥料利用率、減少環(huán)境污染、培肥土壤[11-16]。周衛(wèi)軍等[17]研究表明，水稻累積吸收的氮量和系統(tǒng)生產(chǎn)力隨著有機肥與氮、磷、鉀化肥配合程度的增加而提高。王敬等[18]認為，有機無機肥配施能有效地減輕硝酸鹽污染，改善土壤肥力并提高作物產(chǎn)量。但是有機肥的施用并不是多多益善，有機肥過多施用也會增加氮損失的風險。目前研究大多集中在農(nóng)田生產(chǎn)力、養(yǎng)分吸收以及土壤肥力方面，對長期不同有機無機肥配施比例及養(yǎng)分搭配狀況的研究較少，合理可行的有機無機肥配施是土壤生產(chǎn)功能和環(huán)境功能協(xié)調(diào)的關(guān)鍵。有機肥與化肥只有施用量在適宜的范圍內(nèi)，交互作用較大，產(chǎn)量最高。本研究以江西省稻田長期(30 a)定位試驗為研究平臺，分析了有機無機肥料不同的施用比例對雙季稻產(chǎn)量以及水稻氮素吸收和氮肥利用率的影響，探討紅壤稻田有機無機合適的配施比例，以期為南方紅壤區(qū)建立合理的有機無機肥配施模式和提高氮素利用率提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

長期定位試驗位于江西省南昌市江西省農(nóng)業(yè)科學院土壤肥料與資源環(huán)境研究所試驗田(28°33′92″ N，115°56′25″ E)。供試土壤為第四紀紅黏土(即蓮塘層)母質(zhì)發(fā)育的中潴黃泥田。該區(qū)域地處中亞熱帶，年平均氣溫 17.5℃，≥10℃積溫 5 400℃，年降雨量1 600 mm，年蒸發(fā)量1 800 mm，無霜期約280 d，水、溫、光、熱資源豐富，適宜大多數(shù)農(nóng)作物生長。圖1為歷年主要氣象因子數(shù)據(jù)。

圖1 主要氣象因子數(shù)據(jù) (南昌臺站)Fig. 1 Data of meteorological factors(Nanchang station)

1.2 試驗設(shè)計

本試驗選用定位試驗5 個處理：①不施氮肥(CK)，②氮磷鉀肥(NPK)，③化肥70% + 有機肥30%(70F＋30M)，④化肥50% + 有機肥50%(50F＋50M)，⑤化肥30% + 有機肥70%(30F＋70M)。早稻施純N 150 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2，晚稻施純 N 180 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 150 kg/hm2。氮肥用尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀。早稻有機肥用紫云英，其鮮草養(yǎng)分含量按多年檢測平均值 N 3.03 g/kg、P2O50.8 g/kg、K2O 2.3 g/kg 計算，紫云英由國家綠肥種質(zhì)資源平臺提供；晚稻有機肥用腐熟豬糞，其養(yǎng)分含量按多年檢測平均值N 4.5 g/kg、P2O51.9 g/kg、K2O 6.0 g/kg 計算。各處理等養(yǎng)分量設(shè)計(除CK 外)，以等氮量為基準，磷、鉀部分不足用化肥補充，只有30F＋70M 處理晚稻鉀素量超過設(shè)計標準。磷肥和有機肥全作基肥；氮肥50% 作基肥，25% 作分蘗肥，25% 作幼穗分化肥；鉀肥全作追肥，50% 作分蘗肥，50% 作幼穗分化肥。各處理小區(qū)面積33.3 m2，3 次重復，隨機區(qū)組排列，各小區(qū)用水泥田埂隔開。試驗自1984 年早稻開始，采用稻-稻-閑的種植方式，水稻品種為當?shù)刂髟云贩N，早稻在每年的4 月中下旬移栽，7 月中旬收獲，晚稻在7 月下旬移栽，10 月下旬收獲，各處理其他管理措施一致。試驗前0 ～ 20 cm 土壤基本農(nóng)化性狀為：pH 6.50，有機質(zhì) 25.6 g/kg，全氮1.36 g/kg，全磷 0.49 g/kg，緩效鉀 240 mg/kg，堿解氮 81.6 mg/kg，有效磷 20.8 mg/kg，速效鉀35.0 mg/kg。

1.3 樣品采集與測定項目

每年早晚稻收獲前每小區(qū)根據(jù)平均分蘗數(shù)取代表性植株5 兜，進行考種和植株養(yǎng)分測定；收獲后分小區(qū)單打、單收，水稻實際產(chǎn)量以風干重計產(chǎn)，用烘干法折算。晚稻收獲后，采集0 ～ 20 cm 土壤，每個小區(qū)隨機采集5 點，混勻后根據(jù)四分法取土壤樣品1 kg 左右，在室內(nèi)風干，磨細過1 mm 和0.25 mm 篩以備分析之用。

植株、土壤全氮測定采用半微量凱氏法；土壤pH 測定采用水提電位法，有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀容量法，全磷測定采用堿熔-鉬銻抗比色法，堿解氮測定采用擴散法，有效磷測定采用Olsen 法，速效鉀測定采用1 mol/L NH4OAc 浸提-火焰光度法，緩效鉀測定采用1 mol/L HNO3浸提-火焰光度法。

1.4 計算公式

氮素收獲指數(shù)、氮素利用率計算公式如下[19]：

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析使用 Excel 2003 和DPS 7.05 完成，多重比較采用Duncan 新復極差法。

2 結(jié)果分析

2.1 長期有機無機肥配施對水稻產(chǎn)量的影響

由圖2A 可以看出，隨著試驗進行，由于受到氣候、品種(每3 ～ 5 a 更換一次品種以避免種子退化)等因素的影響，早稻產(chǎn)量隨年際波動很大，如1993年、2012 年早稻產(chǎn)量較低可能是由于該年份早春溫度較低而引起(圖1)。在各處理中，CK(不施氮)產(chǎn)量最低，顯著低于其他施肥處理，可見施氮肥顯著增加了早稻的產(chǎn)量；NPK 處理產(chǎn)量除在試驗前幾年及試驗中期個別年份外，其余年份均低于有機無機肥配施處理，以30 a 平均產(chǎn)量來看，表現(xiàn)為30F+70M＞70F+30M＞50F+50M＞NPK＞CK(表1)。有機無機肥配施處理產(chǎn)量高于化肥NPK 處理，其中30F+70M、70F+30M處理增量達到顯著水平(P＜0.05)，可見有機無機肥配施有利于早稻的高產(chǎn)，有機肥高量配施和低量配施效果最明顯。不同比例有機無機肥配施處理之間也有顯著性差異，30F+70M 處理顯著高于處理 50F+50M(P＜0.05)。

由圖2B 可知，與早稻產(chǎn)量變化相似，晚稻產(chǎn)量隨年際波動很大，如在2005 年產(chǎn)量明顯低于其他年份，可能是由于該年溫度較低，受到寒露風的影響所致。各處理中CK 產(chǎn)量最低，顯著低于其他施肥處理；等養(yǎng)分條件下，有機無機肥配施處理產(chǎn)量除個別年份外，均高于NPK 處理，30 a 平均產(chǎn)量結(jié)果(表1)顯示，30F+70M＞70F+30M＞50F+50M＞NPK＞CK。其中有機無機肥配施處理均顯著高于NPK 處理(P＜0.05)，不同比例有機無機肥配施處理間也有顯著性差異，30F+70M 處理顯著高于50F+50M 處理(P＜0.05)。

等氮條件下，施肥處理30 a 平均年產(chǎn)量表現(xiàn)為30F+70M＞70F+30M＞50F+50M＞NPK＞CK(表1)。其中有機無機肥配施處理均顯著高于NPK 處理，較其增產(chǎn)幅度為2.47% ～ 5.73%(P＜0.05)，不同比例有機無機肥配施處理間有顯著性差異，30F+70M 處理顯著高于處理50F+50M(P＜0.05)。有機無機肥配施比例以有機肥高量和低量配施增產(chǎn)效果更明顯。

為了充分反映不同有機無機肥配施處理水稻產(chǎn)量演變規(guī)律，將30 a 間雙季稻(早稻和晚稻)總產(chǎn)量以每5 年平均值進行分析，結(jié)果如圖3 所示，與CK、NPK 處理相比，有機無機肥配施處理顯著提高雙季稻年產(chǎn)量；在等氮量條件下，有機無機肥配施比例顯著影響雙季稻年產(chǎn)量，在試驗開始前 5 a(1984—1988)，70F+30M 處理產(chǎn)量最高，顯著高于50F+50M處理，之后均以30F+70M 處理產(chǎn)量最高，顯著高于50F+50M 處理?？梢?，有機無機肥配施在試驗前期表現(xiàn)為有機肥低量配施最佳、中后期以有機肥高量配施最佳，20 a 以后表現(xiàn)為30F+70M＞50F+50M＞70F+30M，隨著有機肥配施比例的增加產(chǎn)量有增加趨勢。

圖2 長期有機無機肥配施早稻(A)、晚稻(B)產(chǎn)量變化Fig. 2 Yields of early rice(A) and late rice(B)under long-term combined application of organic manure and inorganic fertilizer

表1 不同處理平均稻谷產(chǎn)量比較(1984－2013) (kg/hm2)Table 1 Comparison of average grain yield under different treatments (1984—2013)

圖3 長期有機有機肥配施雙季稻年產(chǎn)量變化Fig. 3 Annual average yields of double-cropping rice under long-term combined application of organic manure and inorganic fertilizer

2.2 長期有機無機肥配施對水稻吸氮量的影響

30 a 間水稻平均吸氮量如圖4 所示，可以看出，CK 吸氮量在所有年份均最低；等氮條件下，不同時間段水稻年均吸氮量有所不同，在試驗開始前 5 a(1984—1988)，NPK 處理吸氮量最高，表現(xiàn)為NPK＞70F+30M＞30F+70M＞50F+50M，在之后15 a(1989—2003)，70F+30M、30F+70M 處理較高，50F+50M 處理最低，在后10 a(2004—2013)，50F+50M、30F+70M 處理較高，70F+30M、NPK 處理較低。以30 a 總體平均來看，等氮處理之間無顯著差異。表明在試驗初期，低肥力條件下，化肥處理吸氮量最高，顯著高于有機無機肥配施處理；隨著試驗進行，土壤肥力的提高，有機肥低量配施和高量配施處理吸氮量超過化肥處理和有機肥中量配施處理；在試驗后期階段，隨著土壤肥力的豐富，有機肥中量、高量配施處理吸氮量最高，有機肥低量配施和化肥處理吸氮量較低。

分析顯示，水稻籽粒產(chǎn)量與地上部吸氮量存在極顯著相關(guān)關(guān)系(圖5)，不同施肥處理擬合的關(guān)系式其斜率存在明顯差異，即不同施肥模式下每生產(chǎn)1 t 水稻籽粒對氮的需求量存在差異。CK、NPK、70F+30M、50F+50M、30F+70M 處理每生產(chǎn)1 t 水稻籽粒平均吸收氮素分別為15.17、21.77、20.94、20.60、20.57 kg，其中施氮處理中，有機無機肥配施處理吸氮量均低于NPK 處理，有機無機肥配施處理具有較高的氮利用效率。在有機無機配施處理中，70F+30M、30F+70M處理斜率大于NPK 處理，說明低量、高量有機肥配施具有較高的氮利用效率。

圖4 長期有機有機肥配施雙季稻年吸氮量變化Fig. 4 Nitrogen uptake of double-cropping rice under longterm combined application of organic manure and inorganicfertilizer

圖5 不同施肥處理水稻地上部分吸氮量與產(chǎn)量的關(guān)系Fig. 5 Correlation between nitrogen uptake by rice above ground and rice yield under different fertilization treatments

表 2 長期有機無機肥配施對雙季稻氮素利用率的影響Table 2 Nitrogen use efficiency of double-cropping rice under long-term combined application of organic manure and inorganic fertilizer

2.3 長期有機無機肥配施對水稻氮素利用率的影響

由表2 可知，水稻氮素收獲指數(shù)，以CK 處理最高，顯著高于其他施肥處理(P＜0.05)，有機無機肥配施處理顯著高于NPK 處理(P＜0.05)，比NPK 處理高2.0 ～ 2.4 個百分點；水稻的氮肥吸收利用率，NPK 處理與有機無機肥配施處理之間無顯著差異；水稻氮肥農(nóng)學利用率、偏生產(chǎn)力、生理利用率均以NPK 處理最低，有機無機肥配施處理顯著高于 NPK 處理(P＜0.05)，有機無機肥配施處理之間除偏生產(chǎn)力30F+70M 處理顯著高于50F+50M 處理(P＜0.05)，農(nóng)學利用率和生理利用率之間無顯著差異。

3 討論

3.1 不同有機無機肥配施比例對水稻產(chǎn)量的影響

董春華等[6]、高菊生等[20]研究指出，有機無機肥配施能促進紅壤性稻田早、晚稻稻谷和地上部產(chǎn)量的增加，對水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的促進作用最大。Shah 等[21-22]通過研究不同有機肥源、不同配施比例，指出有機無機肥配施能顯著提升小麥、玉米產(chǎn)量，有機氮比例在25%、礦質(zhì)氮供應比例在75% 時，小麥、玉米獲得最高產(chǎn)。孟琳等[23]指出氮用量為180 kg/hm2并且有機肥料氮的替代率在 15% ～ 30% 或氮用量為240 kg/hm2并且有機肥料氮的替代率在 10% ～ 20%時，能夠顯著提高水稻的稻谷產(chǎn)量；此時土壤氮素養(yǎng)分釋放比較穩(wěn)定，土壤礦質(zhì)氮含量在比較高的水平，水稻氮素累積量最大，因此顯著提高水稻的稻谷含量。這些研究與本研究基本一致，低量有機肥配施處理(70F+30M)在試驗前期對產(chǎn)量提升作用最大，表現(xiàn)為隨配施比例的增加，產(chǎn)量有降低趨勢。原因可能是在試驗前期，肥力水平比較低的情況下，化肥豐富的速效養(yǎng)分供應，對產(chǎn)量水平有很大的提升作用。本研究30 a 長期有機無機肥配施試驗表明，等氮條件下，有機無機肥配施能顯著提高雙季稻產(chǎn)量，不同比例有機無機肥配施處理表現(xiàn)為30F+70M＞70F+30M＞50F+50M＞NPK，高量和低量有機肥配施處理增產(chǎn)效果更加顯著。低量有機肥配施處理在試驗初期產(chǎn)量水平較高，隨著高量有機肥的施入，土壤肥力迅速提升，高量有機肥配施處理水稻產(chǎn)量也迅速提升，試驗中后期一直保持較高的產(chǎn)量。中量有機肥配施處理在試驗前期，土壤肥力較低的條件下，速效養(yǎng)分供應不如低量有機肥配施處理，土壤肥力的提升速度不如高量有機肥配施處理的提升，當土壤肥力提升到一定的水平，其增產(chǎn)幅度也超過70F+30M 處理，產(chǎn)量也達到較高的水平，本試驗表明，水稻產(chǎn)量基本表現(xiàn)為隨著有機肥配施比例的提升而提高?？梢姡煌挠袡C肥配施比例在不同時期對產(chǎn)量的提升作用表現(xiàn)不同。

3.2 不同有機無機肥配施比例對水稻吸氮量和氮素利用率的影響

長期施用化肥、有機肥均能提高土壤供氮能力，但是有機肥的供氮方式有漸進性的特性，其供氮方式更適合作物根系對氮的吸收利用，有機肥與化肥的配施既能快速提升土壤中有效氮的含量，又能長久保存氮素[6]。有機無機肥配施土壤供氮更加協(xié)調(diào)，與施化肥相比，更多的化肥氮被固定在微生物體內(nèi)，避免了前期過多的無機氮存在于土壤中而遭受揮發(fā)損失[23]。隨著有機肥配施比例的增加，微生物固定的氮素增加，引起供給作物的養(yǎng)分不足。本試驗中，低量有機肥配施處理在試驗一開始就具有較高的產(chǎn)量、中高量有機肥配施處理產(chǎn)量較低可能也是這個原因。隨著有機肥殘效的連續(xù)疊加，土壤供氮能力的持續(xù)增加，能滿足作物各時期對氮素的需求，有機肥所能替代比例也逐漸增加。此時，有機肥高量配施處理土壤有機質(zhì)含量最高，供氮能力最強，因此在中后期產(chǎn)量最高。徐明崗等[11]研究指出，有機無機肥配施有利于水稻中后期干物質(zhì)累積和養(yǎng)分吸收，能提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率。不同化肥有機肥料配比，其對水稻增產(chǎn)和土壤培肥效果存在一定差異。劉益仁等[24]研究指出，有機無機肥配施處理的土壤微生物生物量碳、氮和礦質(zhì)態(tài)氮在水稻分蘗期前低于化肥處理，而在抽穗期至灌漿期顯著高于其他處理，土壤氮素供應動態(tài)與水稻吸收利用氮素規(guī)律吻合程度最高，促進了水稻產(chǎn)量、生物量和氮素累積量的增加，顯著提高了水稻的氮肥利用率。Shah 等[21-22]通過2 a 定位試驗得出，有機肥配比在25% 時，小麥、玉米產(chǎn)量最高，氮肥的吸收利用率和農(nóng)學利用率均最高，但有機肥配比在在50%、75% 時，肥料利用率無明顯變化。楊曉梅等[25]認為，有機肥配施比例在30%、50% 時能顯著提高小麥產(chǎn)量，提高肥料利用率。許小偉等[26-27]認為，配施40% 的有機肥能顯著提高作物的產(chǎn)量和經(jīng)濟效益。劉紅江等[28]、方暢宇等[29]認為，有機肥替代化肥的合適比例為50% 時產(chǎn)量最高。強久次仁[30]研究指出，高量有機肥配施(75%)顯著提高了小麥產(chǎn)量和氮生理效率，但氮回收率、農(nóng)學利用率卻低于單施化肥處理。綜上，在不同肥力水平下不同作物上，有機無機肥配施的合適比例有所不同，應該根據(jù)作物生長發(fā)育規(guī)律及養(yǎng)分吸收特點，選擇合適的肥料類型和配施比例。本試驗初始肥力較低的條件下，化肥處理產(chǎn)量、吸氮量最高，有機無機肥配施處理適宜替代比例在30% 左右具有較高產(chǎn)量和吸氮量、氮利用效率，與Shah 等[21-22]、孟琳等[23]結(jié)果一致；之后，70% 有機肥配施處理具有較高的產(chǎn)量，氮肥生理利用效率最高，但吸氮量卻低于低量有機肥配施處理，與強久次仁[30]研究一致；直到試驗進行20 a 后，此時土壤有機質(zhì)含量非常豐富，中高量有機肥配施處理吸氮量才高于有機肥低量配施處理，水稻吸氮量和氮吸收利用效率均較高，表現(xiàn)為隨著有機肥配施比例的增加水稻吸氮量和氮吸收利用率增加。綜合30 a 試驗結(jié)果可以看出，與單施化肥處理相比，有機無機肥配施處理水稻吸氮量、氮肥吸收利用率無顯著差異，但是氮肥生理利用率、農(nóng)學利用率顯著提高。

4 結(jié)論

1) 與不施肥、施化肥處理相比，長期有機無機肥配施處理顯著提高雙季稻年產(chǎn)量，不同配施比例之間隨著年際變化表現(xiàn)出不同的趨勢，30 a 總體表現(xiàn)為30F+70M＞70F+30M＞50F+50M。在試驗前期土壤中低肥力水平下30% 有機肥配施，水稻產(chǎn)量水平最高；在試驗后期土壤高肥力水平下，可以增加有機肥配施比例，50%、70% 有機肥配施比例均保持了較高的水稻產(chǎn)量。

2) 不同時間段水稻年均吸氮量有所不同，總體變化趨勢與產(chǎn)量相似，在試驗前期，化肥處理吸氮量最高，之后是低量有機肥配施處理吸氮量最高，到后期是中高量有機肥配施處理吸氮量最高。以30 a 總體平均來看，等氮處理之間無顯著差異。水稻的地上部吸氮量與產(chǎn)量存在極顯著的相關(guān)性，不同有機肥配施比例之間，以低量配施和高量配施氮利用效率較高。

3) 有機無機肥配施處理與化肥處理比較，30 a平均氮肥吸收利用率無顯著差異，但氮肥農(nóng)學利用率、偏生產(chǎn)力、生理利用率均顯著提高。