长期外源有机物料添加对双季稻产量、土壤肥力及土壤质量的影响

Effects of exogenous organic materials on the yield of double cropping rice, soil fertility and soil quality

摘要

为探究连续13年不同有机物料添加对双季稻产量、土壤养分含量、团聚体及土壤质量的影响，在浙江省金华市水稻田，采用育秧移栽种植模式，设置单施化肥（NPK）、化肥配施秸秆添加快腐熟剂（RS）和控释掺混肥（BB）配施腐熟牛粪（CM）3个施肥处理，分析了长期外源有机物料添加对双季稻产量、土壤肥力及土壤质量的影响。结果表明：各处理双季稻产量由高到低均表现为CM>RS>NPK；与NPK相比，CM和RS的土壤pH分别升高0.40和0.09（P<0.05），CM的土壤容重降低13.69%（P<0.05），CM和RS的土壤有机质、有机碳、全氮和硝态氮含量的差异均达到显著水平，由高到低均表现为CM>RS>NPK；CM的碱解氮、铵态氮和交换性镁含量显著高于NPK（P<0.05），分别较NPK升高49.59%、66.26%和106.06%，CM的土壤团聚体几何平均直径（GMD）和平均重量直径（MWD）分别为1.05和1.90，分别较NPK升高9.38%和9.54%，CM的土壤质量指数（SQI）最高，为0.71。综上，控释BB肥配施腐熟牛粪可显著提升浙中黄泥田土壤肥力和水稻产量。

Abstract

To investigates the effects of 13 consecutive years of different organic amendments on the yield of transplanting double-cropping rice， soil nutrient content， soil aggregates， and soil quality， straw and decomposed cow manure were taken as materials.In the field of Jinhua city of Zhejiang Province， three treatments， e.g.， chemical fertilizer alone （NPK）， chemical fertilizer combined with straw and a rapid decomposer （RS）， and controlled-release Bulk blending（BB） fertilizer combined with cattle manure （CM） were evaluated. The impacts of long-term organic amendments on the yield of double-cropping rice， soil nutrient content and soil quality were analyzed. The results showed that： The average yield of double-cropping rice from high to low was CM > RS > NPK. Compared to the NPK treatment， soil pH was significantly increased by 0.40 and 0.09 units under the CM and RS treatments， respectively （P<0.05）. The bulk density was significantly reduced by 13.69% in the CM treatment （P<0.05）. Compared to the NPK treatment， Soil organic matter， organic carbon， total nitrogen， and nitrate nitrogen contents were significantly enhanced under CM and RS treatments， which in descending order was CM， RS and NPK. Furthermore， the contents of alkaline nitrogen， ammonium nitrogen and exchangeable magnesium were significantly increased by 49.59%， 66.26% and 106.06% in the CM treatment， respectively （P<0.05）. Soil aggregate stability， as indicated by the geometric mean diameter （GMD） and mean weight diameter （MWD）， was also improved under the CM treatment， with the increases of 9.38% and 9.54%， respectively， compared to the NPK treatment. Soil quality index （SQI） was highest in the CM treatment， with a value of 0.71. In summary， the soil fertility and rice yield were significantly improved by applying controlled-release BB fertilizer combined with cattlle manure in the yellow mud field of central Zhejiang.

Graphical abstract

关键词

黄泥田 / 秸秆还田 / 有机肥 / 产量 / 土壤养分含量 / 水稳团聚体 / 土壤质量指数

Key words

yellow mud field / straw returning / organic fertilizer / yield / soil nutrient / water-stable aggregates / soil quality index

施肥是提升土壤肥力和提高作物产量的重要措施之一^［1］，不合理的施肥方式会造成土壤容重增加、板结、酸化、土壤肥力下降^［2-5］、有机质含量下降和肥料利用率降低等一系列问题，不仅影响了土壤质量和作物产量，还会造成农业面源污染^［6-7］。黄泥田是我国南方最重要的一类低产稻田^［8-9］，存在土质较粘重、透气性差、透水性差、微生物活性低^［10-12］和营养元素转化困难等问题^［13-14］。因此，探究提高中低产黄泥田土壤质量的培肥模式，对提升黄泥田土壤肥力和保障当地粮食安全具有重要作用。

有机肥富含有机质和微量元素，具有改善土壤结构，提升土壤肥力，促进微生物繁殖，加速团聚体形成等作用^［15-17］，已有研究表明，有机肥单施或与化学肥料配施能够有效提高土壤有机质和土壤养分含量、增加土壤有益微生物数量、提高土壤酶活性、增加作物产量，还可以促进土壤微团聚体胶结向大团聚体转化，提高土壤有机碳和全氮含量，以及土壤团聚体的稳定性^［18-20］。秸秆还田是一种利用秸秆粉碎后进行还田的措施。Li等^［21］研究表明，秸秆还田可以提高土壤有机质和养分含量，增加微生物数量，促进养分循环，提高耕地质量和土壤生产力^［22］；还可以促进土壤大团聚体的形成^［23-24］。因此施用有机肥和秸秆还田等环境友好型作物生产技术正越来越受到重视，同时秸秆和牛粪是来源广泛的农业有机肥料资源，在废弃物处置利用方面具有重要意义和广阔的前景。虽然目前关于有机、无机肥配施对水稻产量及土壤养分含量的影响已有大量报道，但长期（>10年）化肥与不同有机物料配施对浙中红壤地区双季稻生长效果鲜有报道。本研究以浙中黄泥田为供试土壤，分别设置单施化肥、化肥配施秸秆添加快腐熟剂和控释BB肥配施腐熟牛粪3个施肥模式，测定土壤养分含量、水稳团聚体和土壤质量指数等指标，旨在探究连续13年不同有机物料施用对双季稻产量、土壤养分含量、团聚体及土壤质量的影响，以期为浙中双季稻的可持续发展提供参考。

1　材料与方法

1.1　试验地概况

2011年起在浙江省金华市婺城区琅琊镇新朱村“浙江金华水稻科技小院”（29º 01´19" N，119º 27´99" E，85 m）水稻田开展长期定位研究，到2023年已经持续13年。试验地区属于中亚热带季风气候区，温和湿润，四季分明，光照充足，年降雨量较为充沛，平均为1 424 mm。历年月平均降雨量和气温见图1。该试验地土壤类型为黄泥田，其基本理化性状：pH 5.24，有机质含量28.10 g/kg，全氮含量1.75 g/kg，有效磷含量11.60 mg/kg，速效钾含量78.00 mg/kg，铵态氮含量5.65 mg/kg，硝态氮含量7.12 mg/kg。

1.2　试验设计

试验共设3个处理，分别为单施化肥（NPK）、化肥配施秸秆添加快腐熟剂（RS）、控释BB肥配施腐熟牛粪（CM），水稻种植模式为育秧移栽双季稻，早稻和晚稻种植过程中各处理均为等氮、等磷、等钾投入：N 180 kg/hm²，P₂O₅ 90 kg/hm²，K₂O 120 kg/hm²（仅为化学肥料施入量，不包括秸秆、牛粪中氮磷钾含量）。供试腐熟牛粪、秸秆及菌剂投入量分别为13 500、3 000、30 kg/hm²，所投入的秸秆和牛粪的C含量分别为438和289 g/kg，N含量为9.0和21.0 g/kg，P含量为1.0和10.0 g/kg，K含量为20和12 g/kg；供试化肥中氮肥为尿素（N 46 g/100 g），磷肥为过磷酸钙（P₂O₅ 12 g/100 g），钾肥为氯化钾（K₂O 60 g/100 g），控释BB肥（N 24 g/100 g、P₂O₅ 12 g/100 g、K₂O 60 g/100 g），控释期为3个月，由金正大生态工程集团股份有限公司提供），其中尿素施用早稻按照当地施肥习惯，基肥、蘖肥、穗肥质量比为4∶3∶3，分次施用，晚稻按基肥、蘖肥质量比为4∶6分次施用，磷肥、钾肥、秸秆、腐熟牛粪、菌剂和控释BB肥均作为基肥一次施入，将腐熟牛粪均匀的撒到土壤表面，菌剂与肥料拌匀后立即撒施到铺好秸秆的田内，然后进行人工翻耕，深度为20 cm。各处理重复3次，随机区组排列，小区面积30 m² （6 m×5 m），小区之间设田埂，并覆盖塑料薄膜。

1.3　数据采集及分析

1.3.1　样品采集和处理

水稻成熟后分小区实收，计算历年早晚稻产量，土壤于2023年晚稻收获后，用土钻在试验田按S形路线随机采集10个点的土样，取样深度为0~20 cm，混合后带入实验室，剔除石块和动植物残体等杂质，过2 mm筛后分为2份，1份待自然风干后研磨过100目筛后装入自封袋保存，另外1份放入于-20 ℃待用。

1.3.2　土壤理化性质测定

土壤pH、有机质（SOM）、有机碳（SOC）、全氮（TN）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、硝态氮（NO₃^--N）和铵态氮（NH₄⁺-N）含量参照鲍士旦^［25］的方法进行；交换性钾（Exchangeable potassium，EK）、交换性钠（Exchangeable sodium，ENa）、交换性钙（Exchangeable calcium，ECa）、交换性镁（Exchangeable magnesium，EMg）用NH₄OAc浸提-原子吸收分光光度法测定。

1.3.3　土壤团聚体测定

土壤团聚体分级采用湿筛法进行水稳定性团聚体分级。将风干土粒细分为4个不同的粒径组，即分为<0.25、>0.25~1.00、>1.00~2.00和>2.00 mm团聚体。最终计算得到各粒径水稳定性团聚体质量的百分比。团聚体平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）分别按以下公式计算：

MWD={\sum }_{i=\mathrm{1}}^n(\overline{d_{\mathrm{i}}}{w}_i)

GMD=exp\left[\frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{m}_i\mathrm{l}\mathrm{n}\overline{d_i}}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{m}_i}\right]

式中：\overline{d_{\mathrm{i}}}，团聚体平均直径，mm；w_{\mathrm{i}}，粒级团聚体重量的百分比，%；m_{\mathrm{i}}，土壤不同粒级团聚体的重量，g。

1.3.4　土壤质量指数计算

根据土壤质量指数（SQI）进行土壤质量评价，包括指标选择、指标评价、指标权重分配和SQI计算4个步骤。

1）指标选择 采用全量数据集（TDS）法，选取试验地土壤容重、pH、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、交换性钾、交换性钠、交换性钙、交换性镁、平均重量直径和几何平均直径作为土壤质量评价指标。

2） 根据标准评分功能（Standard scoring function，SSF）模型 采用正S型效应方程对各土壤质量指标进行无量纲、归一化评分赋值。

式中：i，土壤样本；j，土壤质量指标；S_ij，i土壤样本的第j项质量指标经归一化转换后的得分值；a、b分别为第j项土壤质量指标的评价上限值和下限值。

3） 指标权重分配 先计算第i项土壤质量指标与其他各项土壤质量指标相关系数的平均值（R_i ），再计算各项土壤质量指标的R_i 之和，两者比值即为第i项土壤质量评价指标的权重。

W_{\mathrm{i}}=\frac{R_i}{{\sum }_i^n{R}_i}

式中：R_i，第i项土壤质量指标与其他各项土壤指标相关系数的平均值；n，土壤质量指标的个数；W_i代表第i项土壤质量指标的权重。

4）SQI计算 各土壤质量指标的得分和权重乘积之和即为其SQI。

\mathrm{S}\mathrm{Q}{\mathrm{I}}_{\mathrm{i}}={\sum }_{\mathrm{i}=\mathrm{1}}^{\mathrm{n}}{W}_{\mathrm{i}}{\mathrm{S}}_{ij}

式中：i，第i项土壤指标；n表示土壤质量指标的个数；S_ij 为归一化转换后的第j个土壤样本的第i个质量指标的得分值；W_i 表示第i项土壤质量指标的权重。

1.4　数据处理

试验数据采用Excel 2019软件计算处理，采用SPSS13.0统计软件进行差异显著性检验，采用IBM SPSS 22.0进行方差分析（Analysis of variance，ANOVA）。

2　结果与分析

2.1　长期外源有机物料添加对双季稻产量的影响

由图2可知，各处理的双季稻产量历年变化趋势基本一致。与常规施肥（NPK）相比，2011—2012、2015—2019、2021—2023年的RS和CM的早稻产量均有显著性差异（P<0.05），早稻产量从高到低均为CM>RS>NPK，2013—2015、2020年CM的早稻产量均显著高于RS和NPK（P<0.05）；2011—2012、2016—2018、2021—2022年各处理晚稻产量均有显著差异（P<0.05），晚稻产量从高到低均为CM>RS>NPK，2013—2015、2019—2020、2023年RS和CM的晚稻产量均显著高于NPK（P<0.05），而RS与CM的晚稻产量无显著差异（P>0.05）。

2.2　长期外源有机物料添加对土壤养分含量的影响

由表1可知，连续13年长期定位试验后，与NPK相比，RS和CM的土壤有机质、有机碳、全氮和硝态氮含量均达到显著差异（P<0.05）。与2011年土壤初始相比，2023年RS和CM的土壤有机质、有效磷、全氮和碱解氮含量均有一定幅度升高，增幅分别为33.84%~58.79%、64.66%~267.07%、2.29%~12.51%和21.75%~46.05%；NKP的有机质和有效磷含量均有不同幅度升高，分别为11.28%和29.91%，但其全氮、碱解氮、以及速效钾含量分别下降9.71%、2.37%和53.42%。土壤速效钾含量以RS最高，且显著高于其他2个处理（P<0.05）；与NPK相比，CM的铵态氮和硝态氮含量均有显著增加（P<0.05），分别为9.56和12.13 mg/kg，增幅分别为66.26%和69.65%。

2.3　长期外源有机物料添加对土壤pH、容重和盐基离子的影响

由表2可知，与NPK相比，RS和CM可显著提高土壤pH（P<0.05），分别升高了0.09和0.40。此外CM容重最低，较NPK降低13.69%（P<0.05），RS和NPK两者间无显著差异（P>0.05）。在土壤盐基离子含量方面，与NPK相比，RS交换性钾和CM交换性镁离子含量分别升高194.32%和106.06%（P<0.05）。虽然各处理间土壤交换性钠、钾离子无显著差异，但由高到低均表现为CM>RS>NPK。

2.4　土壤养分含量与双季稻产量的相关性

由图3可知，早稻产量与土壤pH、全氮、碱解氮、有效磷、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、土壤容重、交换性镁离子含量以及平均重量直径（MWD）均呈极显著正相关（P<0.01），土壤交换性钠和几何平均直径（MWD）达到显著正相关性（P<0.05）；晚稻产量与土壤pH、全氮、碱解氮、有效磷、有机质、有机碳和硝态氮、土壤容重、交换性镁离子含量、MWD均达到了极显著正相关性（P<0.01），土壤铵态氮和交换性钠和几何平均直径之间达到了显著正相关（P<0.05），土壤速效钾含量与双季稻产量均没有显著性差异（P>0.05）。说明除了速效钾、交换性钾和交换性钙离子，其他养分含量是影响水稻产量的重要因子。

2.5　长期外源有机物料添加对土壤水稳团聚体的影响

由图4可知，不同施肥模式显著影响土壤团聚体的稳定性（P<0.05）。与NPK相比，CM显著提高了土壤团聚体GMD和MWD，分别升高9.38%和5.28%。RS和NPK两者土壤团聚体GMD没有显著性差异，但土壤团聚体MWD存在显著性差异（P<0.05），各处理土壤团聚体GMD和MWD从大到小均依次表现为CM>RS>NPK。

2.6　长期外源有机物料添加对土壤质量指数的影响

由图5可知，各处理间的土壤质量指数（SQI）差异达极显著水平（P<0.01），其中CM的SQI最高，RS的SQI次之，NPK的SQI最低，分别为0.71、0.34和0.12，这表明长期有机物料培肥后可极显著提高土壤SOI。同时相关性分析表明，双季稻均值产量与SQI呈显著正相关（R²=0.95，P=0.000）。

3　讨论

3.1　长期外源有机物料添加对双季稻产量及土壤养分含量的影响

有机培肥模式是提高土壤肥力和增加作物产量的重要措施^［26］。本研究发现，与常规施肥（NPK）相比，施用不同有机物料不仅能增加双季稻产量，还提高了土壤养分含量，以控释BB肥配施腐熟牛粪效果最显著。其原因可能是牛粪含有丰富的矿质养分和有机养分^［27］，相对于秸秆还田培肥模式，腐熟牛粪碳氮比较低，有利于有机养分向矿质养分转化，使土壤中潜在养分得到激活，并且控释BB肥具有缓慢释放养分的特性，经过长期有机培肥后，土壤养分含量明显升高，同时土壤物理结构得到改善，扩大了作物根部的生长空间，有利于作物根系对养分的吸收和利用，从而增加作物产量，这与袁嫚嫚等^［28］的研究结果一致。另本研究结果发现，秸秆还田可显著提高土壤速效钾含量，其原因可能是长期秸秆还田为农田土壤微生物提供了养分和良好的生长环境，加速秸秆中有机物的转化，增加了土壤养分含量，另外秸秆本身钾含量较高，导致土壤速效钾含量增加高于其他处理。侯红乾等^［29］研究结果表明，化肥配施有机肥不仅能有效提高土壤养分含量，还可以增加水稻产量。宓文海等^［30］研究结果也表明，与单施化肥比，有机物料的添加对于土壤养分含量的增加效果更显著，且猪粪堆肥处理效果好于秸秆还田。高菊生等^［31］在红壤性稻田的研究中发现，长期化肥配施牛粪处理不但能增加水稻产量还可以提高土壤肥力。

3.2　长期外源有机物料添加对土壤水稳定性团聚体及土壤质量指数的影响

团聚体作为土壤结构的构成单元是土壤的重要组成部分^［32-33］，对土壤的许多物理、化学和生物学性质起到了重大影响^［34］，众多研究都用团聚体稳定性表示土壤结构的稳定性和团聚程度^［35］，本研究发现，与NPK相比，长期有机物料培肥模式（RS和CM）土壤团聚体稳定性有一定幅度增加，且CM土壤团聚体水稳定性效果好于RS，其原因可能与秸秆和牛粪两者有机物料本身理化性质不同有关^［36］，且秸秆添加腐熟菌剂后，存在秸秆腐熟较慢，养分释放缓慢，有机酸积累等问题^［37］，不利于土壤结构形成和土壤养分的积累，而CM施用的是充分腐熟的牛粪，能快速分解及时释放养分，同时一次性施用控释BB肥，能够保证作物整个生育期养分的供给，减少了人为因素对土壤结构的扰动，进一步促进了黄泥田团聚体结构的形成^［38］。土壤质量评价作为评估管理措施及土地利用变化等人类活动对土壤影响的有效手段，有助于及时掌握土壤质量的现状和变化动态^［39］，在构建土壤质量指数上采用全量数据集（TDS）法，选取试验地土壤容重、pH、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、有机碳、铵态氮、硝态氮、交换性钾、交换性钠、交换性钙、交换性镁离子含量、平均重量直径和几何平均直径作为土壤质量评价指标基本涵盖了本研究涉及的土壤指标。本研究结果表明，长期有机培肥模式（RS和CM）均可以提高土壤质量指数，且CM处理土壤质量指数显著高于RS和NPK，由高到低依次为CM>RS>NPK。今后需进一步增加对土壤生物学性质的关注，以期系统阐明长期有机培肥对土壤质量的影响。

4　结论

经过13年的长期定位试验结果表明，控释BB肥配施腐熟牛粪（CM）和化肥配施秸秆添加快腐熟剂（RS）处理的有机物料年总用量分别为27 000 kg/hm²（早稻和晚稻用量均为13 500 kg/hm²）和6 000 kg/hm²（早稻和晚稻用量均为3 000 kg/hm²）对浙中黄泥田双季稻产量均有显著提升作用，并且CM双季稻增产效果显著优于RS；CM能显著提高土壤pH、有机质、有机碳、全氮、碱解氮、有效磷、铵态氮和硝态氮含量；而对于土壤速效钾含量的升高，RS效果更显著；在土壤团聚体结构方面，CM能显著提高土壤团聚体几何平均直径（GMD）和平均重量直径（MWD）。综上，控释BB肥配施腐熟牛粪可显著提升浙中黄泥田土壤肥力和水稻产量。

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基金资助

浙江省科技计划项目(2022C02018)

2023年农业农村部化肥减量增效“三新”升级样板试点县项目