化肥施用对于保障农业生产、促进农业可持续发展具有重要意义[1]。化肥的不当施用会导致作物减产，同时可能造成土壤酸化、水土流失等问题[2]。因此，开展水稻等重要粮食作物化肥减量研究，不仅是提升农业可持续性的需要，也是实现环境保护和生态文明建设的必然选择[3]。水稻作为一种重要的粮食作物，生长过程中施用化肥较多。随着环境保护意识的增强和农业可持续发展的需求，在水稻生产中利用有机肥替代化肥的研究逐渐增多。有机肥含有腐植酸、有机质和多种微量元素，有机肥替代部分化肥不仅能够快速提供作物生长所需的氮磷钾养分，而且可以补充其所需的微量元素[4]。有机肥的施用在消纳有机废弃物的同时，可改善土壤环境，促进养分循环，推动农业绿色发展[5]。梅婷婷等[6]研究表明，采取减施50%化肥配施有机肥，水稻产量较单施氮磷钾肥不会大幅下降，但对水稻氮肥利用率产生一定影响。邱诗春等[7]探究不同有机肥施用量对水稻产量及其构成因素的影响，结果表明，当秸秆类有机肥施用量为2 500 kg/hm2时，能够明显增加水稻产量，提高水稻净光合速率。尽管有机肥替代化肥在水稻生产中表现出诸多益处，如改善土壤健康、降低环境负荷及提升农产品质量等，但在实际应用中仍面临成本、技术等方面的挑战，同时在不同肥力的土壤上施用有机肥的效果也存在差异[8-9]。本研究通过田间试验，测定不同肥力水平下有机肥部分替代化肥后有机质和碱解氮等养分及水稻千粒重、分蘖数和株高等指标，分析养分吸收和肥料投入与产出情况，为化肥减量及水稻绿色生产提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验地点及材料
试验点位于浙江临海永丰镇，121.029 584°E，28.873 419°N，属亚热带季风气候型，温暖湿润、四季分明。选择3种肥力的土壤进行有机肥部分替代化肥试验，不同肥力地块土壤理化性质为pH 5.31～5.77，有机质含量13.64～30.81g/kg，碱解氮含量116.10～211.40 mg/kg，有效磷含量9.55～37.50 mg/kg，速效钾含量29～46 mg/kg。供试肥料：配方肥（N∶P2O5∶K2O为20∶10∶15，江苏华昌化工股份有限公司）；有机肥（N 1.7%，P2O5 0.2%，K2O 0.9%，临海市永丰西北畜牧养殖有限公司粪肥）；尿素（N≥46%，中盐安徽红四方肥业股份有限公司）。供试水稻品种为甬优1540。
1.2 试验设计
每种土壤设2个处理，具体处理见表1。处理1：常规施肥（基肥，450.0 kg/hm2配方肥；追肥，225 kg/hm2尿素）。处理2：15%有机肥替代（基肥，382.5 kg/hm2配方肥+794 kg/hm2有机肥；追肥，225 kg/hm2尿素）。田间排列采用日字型设计，常规施肥以当地农户施肥水平为依据。
表1 试验处理 |
| 编号 | 肥力水平 | 处理 |
|---|---|---|
| T1-1 | 低 | 常规施肥 |
| T1-2 | 15%有机肥替代 | |
| T2-1 | 中 | 常规施肥 |
| T2-2 | 15%有机肥替代 | |
| T3-1 | 高 | 常规施肥 |
| T3-2 | 15%有机肥替代 |
1.3 测定指标与方法
1.3.1 土壤养分测定
在每个小区采用五点法进行土壤样品采集，风干后研磨过2 mm筛，并测定土壤有机质、碱解氮、有效磷和速效钾含量。土壤有机质含量采用重铬酸钾法测定；碱解氮含量采用碱解扩散法测定；有效磷含量采用钼锑抗比色法测定；速效钾含量采用火焰光度计法测定。
1.3.2 水稻生长指标和产量测定
测定千粒重、分蘖数和株高；在水稻成熟期进行水稻取样，每个小区取3个样方（各样方1 m2）进行测产。
1.3.3 水稻养分测定
测产后的水稻分为稻谷和稻草，使用纯水分别将其润洗后在105 ℃烘箱里杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，取出磨样后过0.25 mm筛，采用浓硫酸—过氧化氢法消解，其全氮、全磷和全钾含量分别采用蒸馏法、钼蓝比色法和火焰光度法进行测定。
1.3.4 肥料投入与产出
肥料投入与产出相关数据按照以下方法计算：肥料成本（元/hm2）=配方肥单价（元/kg）×用量（kg/hm2）+尿素单价（元/kg）×用量（kg/hm2）；产值（元/hm2）=稻谷单价（元/kg）×产量（kg/hm2）；产出/肥料成本=产值/肥料成本。其中，配方肥单价2.775元/kg，尿素单价2.2元/kg，稻谷单价2.6元/kg。
1.4 数据处理
试验所得数据均为3次重复结果的平均值，利用Microsoft Excel 2019和SPSS 25软件对数据进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 对土壤养分的影响
由表2可知，15%有机肥替代在3种肥力的地块上均可提高土壤有机质、碱解氮和速效钾含量。在低水平肥力地块上，15%有机肥替代的有机质和碱解氮等土壤养分含量较常规施肥差异均无统计学意义（P>0.05）。在中肥力水平地块上，15%有机肥替代的有效磷含量较常规施肥提高24.22%，差异具有统计学意义（P<0.05）。在高肥力地块上，15%有机肥替代的速效钾含量较常规施肥明显增加27.71%（P<0.05）。表明15%有机肥替代在中、高肥力水平地块上对提升土壤养分含量的效果较好。
表2 不同肥力下有机肥替代对土壤养分的影响 |
| 编号 | 有机质/（g/kg） | 碱解氮/（mg/kg） | 有效磷/（mg/kg） | 速效钾/（mg/kg） |
|---|---|---|---|---|
| T1-1 | 13.65±1.05 | 128.03±10.85 | 11.35±0.95 | 21±1.24 |
| T1-2 | 15.43±1.62 | 131.21±9.25 | 10.78±1.08 | 22±1.56 |
| T2-1 | 23.11±1.94 | 181.31±12.35 | 29.73±1.51 | 41±3.28 |
| T2-2 | 24.91±1.27 | 201.19±13.50 | 36.93±1.96* | 44±2.76 |
| T3-1 | 32.03±2.86 | 231.40±11.25 | 18.64±2.04 | 83±8.51 |
| T3-2 | 33.91±2.48 | 253.67±20.85 | 17.41±1.48 | 106±7.19* |
|
2.2 对水稻生长和产量的影响
由表3可知，在不同肥力水平土壤中进行有机肥替代试验，对水稻生长和产量造成一定影响。与常规施肥相比，15%有机肥替代在低肥力水平地块上的水稻千粒重、分蘖数、株高和产量分别增加0.60 g、2.39个/株、0.13 cm和29 kg/hm2；中肥力水平地块上的千粒重、株高和产量分别增加0.51 g、3.86 cm和143 kg/hm2；高肥力水平地块上的千粒重、分蘖数和产量分别增加0.94 g、2.67个/株和55 kg/hm2。表明在3种肥力水平地块上采取15%有机肥替代对水稻千粒重和产量的提高促进作用较好。
表3 不同肥力下有机肥替代对水稻生长和产量的影响 |
| 编号 | 千粒重/g | 分蘖数/（个/株） | 株高/cm | 产量/（kg/hm2） |
|---|---|---|---|---|
| T1-1 | 20.83±0.21 | 16.04±1.56 | 95.38±1.30 | 6 360±325 |
| T1-2 | 21.43±0.67 | 18.43±2.71 | 95.51±3.19 | 6 389±285 |
| T2-1 | 21.67±0.67 | 22.53±2.05 | 98.42±2.06 | 6 211±315 |
| T2-2 | 22.18±0.95 | 16.38±1.02 | 102.28±2.77 | 6 354±518 |
| T3-1 | 23.74±0.93 | 22.53±2.05 | 107.08±2.99 | 6 562±285 |
| T3-2 | 24.68±1.19 | 25.20±1.22 | 104.03±4.47 | 6 617±452 |
2.3 对水稻养分利用的影响
由表4可知，在低肥力水平地块上采用15%有机肥替代的水稻稻谷和稻草的全氮、全磷和全钾含量均有所提升，在中、高肥力地块上对水稻养分产生的影响存在差异。3种肥力水平下15%有机肥替代的稻谷全氮量均高于常规施肥，表明有机肥的施入可以在一定程度上促进植物的生长发育；有机肥的施入能够提高稻草的全钾含量，其中3种肥力水平地块上15%有机肥替代的稻草全钾含量明显高于常规施肥，分别提高78.08%、28.85%和29.44%，差异具有统计学意义（P<0.05）。说明15%有机肥替代在低肥力水平地块上对水稻养分利用表现较为稳定。
表4 不同肥力下有机肥替代对水稻养分利用的影响单位：（g/kg） |
| 编号 | 稻谷全氮含量 | 稻谷全磷含量 | 稻谷全钾含量 | 稻草全氮含量 | 稻草全磷含量 | 稻草全钾含量 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| T1-1 | 11.3±1.02 | 3.6±0.25 | 1.8±0.15 | 7.0±0.56 | 1.5±0.12 | 7.3±0.43 |
| T1-2 | 14.9±0.95* | 3.8±0.18 | 2.0±0.09 | 9.1±0.47* | 1.8±0.08* | 13.0±0.98* |
| T2-1 | 11.5±1.20 | 5.0±0.31 | 2.8±0.14 | 8.1±0.21 | 2.6±0.18 | 25.3±1.56 |
| T2-2 | 12.1±1.18 | 4.6±0.24 | 2.8±0.19 | 6.6±0.83* | 2.1±0.16* | 32.6±1.39* |
| T3-1 | 13.7±0.84 | 5.3±0.22 | 3.4±0.21 | 7.1±0.34 | 5.4±0.31 | 21.4±2.17 |
| T3-2 | 13.9±1.31 | 5.6±0.29 | 3.1±0.18 | 8.3±0.42* | 3.7±0.28* | 27.7±1.95* |
2.4 肥料投入与产出
由表5可知，15%有机肥替代处理较常规施肥化肥施用量减少了67.5 kg/hm2，消纳畜禽粪便量794.1 kg/hm2，节约肥料成本187.4元/hm2，产值平均增加196.7元/hm2。常规施肥模式下平均产出/肥料成本为9.51，有机替代模式下平均产出/肥料成本为10.78，说明15%有机肥替代一定程度上减少了化肥成本，合理消纳了畜禽粪便，同时增加了作物产量。
表5 肥料投入与产出情况 |
| 编号 | 化肥减少量/（kg/hm2） | 消纳畜禽粪便量/（kg/hm2） | 肥料成本/（元/hm2） | 产值/（元/hm2） | 产出/肥料成本 |
|---|---|---|---|---|---|
| T1-1 | 0 | 0 | 1 743.8 | 16 536.0 | 9.48 |
| T1-2 | 67.5 | 794.1 | 1 556.4 | 16 611.4 | 10.67 |
| T2-1 | 0 | 0 | 1 743.8 | 16 148.6 | 9.26 |
| T2-2 | 67.5 | 794.1 | 1 556.4 | 16 520.4 | 10.61 |
| T3-1 | 0 | 0 | 1 743.8 | 17 061.2 | 9.78 |
| T3-2 | 67.5 | 794.1 | 1 556.4 | 17 204.2 | 11.05 |
3 结论与讨论
本试验表明，与常规施肥相比，有机肥部分替代化肥明显提高了土壤有机质、碱解氮和速效钾含量。林光号等[10]、张军等[11]研究发现，相比于单施化肥，有机肥替代处理明显提高土壤有机质含量，减缓土壤酸化以及提高土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量，本试验结果与此基本一致。有机质作为土壤养分的主要来源之一，具有增加土壤肥力和提高土壤缓冲性的特性[12]。有机质的增加有利于提高土壤中的碱解氮含量，从而提高土壤的氮素供应能力。土壤pH的提高，会降低土壤有效磷含量，有利于缓解常规施肥可能出现的土壤酸化问题[13-14]。本试验结果发现，有机肥部分替代化肥后的土壤pH较常规施肥土壤仅有微弱变化，整体呈酸化趋势，其对土壤pH的提高效果不明显，可能与以往不当施用化学肥料有关。因此，在后续追肥中应添加适量的磷肥，以保证磷元素的充足供应。
氮素是作物增产的重要因素之一，有机肥、无机肥配施能大幅度提高化肥的利用率，通过提高氮素的利用率来促进作物对氮素的积累，从而提高作物产量[15-16]。尹彩侠等[17]研究表明，有机肥替代部分化肥施用后，水稻产量、水稻的氮素累积量、氮肥利用率、水稻氮肥吸收利用率及水稻偏生产力均有所提高；郭喜军等[18]研究发现，提高基施氮肥中有机氮肥的比例，较不施氮肥处理具有一定增产作用，氮肥偏生产力和氮肥农学利用效率呈上升趋势，较单施化肥具有稳产作用。本研究发现，15%有机肥替代能够明显提高水稻产量和养分利用率，降低其对氮肥的依赖，改善土壤质量和微生物环境，促进作物根系吸收利用养分，有利于水稻生长发育。肥料投入与产出方面，有机肥替代在减少化肥施用量的同时，节约了肥料成本，增加了产值，与樊仙等[19]研究结果一致。
综上，15%有机肥替代化肥可以提高土壤有机质、碱解氮和速效钾含量；在3种不同肥力水平地块上对水稻千粒重和产量的提高促进作用较好；在低肥力水平地块上对水稻养分利用表现较为稳定；减少了化肥成本，合理消纳了畜禽粪便，同时增加了作物产量。在实际生产中，在低、中和高肥力水平地块可采取15%有机肥替代化肥的施肥方式，对土壤养分增加和水稻增产具有益处。