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水稻种植体系有机肥部分替代化肥的农学和环境效应研究

王新霞  
【摘要】:水稻和小麦是我国主要的粮食作物。化学氮肥的不合理施用不仅使作物单位面积产量和氮肥利用效率提高困难,而且导致土壤肥力下降、农业面源污染加重。本文以稻-稻轮作、稻-麦轮作两种典型的水稻种植体系为对象,通过一系列田间试验,研究了有机肥部分替代化肥的农学效应与环境效应,取得以下主要结果:1.稻-稻轮作条件下,施用化学氮肥的3个处理FP、CM(N)、CM(-N)早稻和晚稻的籽粒产量及地上部生物量均显著大于不施肥处理CK、不施氮处理PK和单施有机肥处理M(20%N);等养分有机肥部分替代化肥处理CM(N)的秸秆生物量(早稻6363.4 kg/ha、晚稻7603.0 kg/ha)、籽粒产量(早稻6433.2 kg/ha、晚稻6771.3 kg/ha)、地上部生物量(早稻13412.1 kg/ha、晚稻15126.6 kg/ha)和两季水稻的总籽粒产量(13204.5 kg/ha)与习惯施肥处理FP无显著差异;CM(N)处理早稻地上各部位含氮量、晚稻糙米和稻壳含氮量与FP处理差异不显著,CM(N)处理早稻和晚稻地上各部位含磷量与FP处理无显著差异,只有晚稻秸秆和瘪粒的含氮量显著低于FP处理(P0.05),但CM(N)处理早稻和晚稻收获期地上各部位的含氮量和含磷量均在适宜的范围;CM(N)处理早稻收获期地上部氮积累量略大于FP处理,晚稻收获期地上部氮积累量显著小于处理FP(P0.05)。CM(N)处理早稻和晚稻收获期地上部磷积累量与FP处理无显著差异。CM(N)处理年际化学氮肥氮肥农学效率为16.58 kg/kg,高于FP处理的15.15 kg/kg,化学氮肥表观利用率为41.0%,高于FP处理的37.9%。说明等养分有机肥料部分替代化肥可以满足早稻和晚稻对氮磷养分的需求,保持双季稻的生长和籽粒产量,有效提高氮肥利用效率。2.稻-稻轮作条件下,施用化学氮肥的3个处理FP、CM(N)、CM(-N)早稻和晚稻主要生育期土壤水溶性总氮浓度和碱解氮含量均显著高于不施肥处理CK和不施氮处理PK(晚稻收获期处理FP土壤水溶性总氮浓度除外);早稻和晚稻收获期处理CM(N)土壤水溶性总氮浓度显著高于FP处理(P0.05),早稻分蘖盛期、晚稻返青期和分蘖盛期处理CM(N)土壤水溶性总氮浓度与FP处理无显著差异,只有早稻返青期处理CM(N)土壤水溶性总氮浓度显著低于FP处理(P0.05)。早稻分蘖盛期、晚稻返青期和分蘖盛期处理CM(N)土壤碱解氮含量均显著高于处理FP(P0.05),早稻或晚稻的其它生育期两处理之间差异不显著,说明等养分有机肥替代化肥能保持较高的土壤供氮水平。施用化学氮肥的3个处理FP、CM(N)、CM(-N)晚稻收获期土壤有机氮和酸解总氮含量均显著高于不施肥处理CK和不施氮处理PK(P0.05),处理CM(N)土壤有机氮和酸解总氮含量显著高于处理FP(P0.05),等养分有机肥替代化肥有利于增加土壤氮库。统计分析结果表明,土壤碱解氮含量与酸解氨基酸态氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖态氮含量均呈极显著正相关,说明土壤碱解氮主要来源于酸解氨基酸态氮、酸解铵态氮和酸解氨基糖态氮。早稻和晚稻主要生育期处理CM(N)土壤脲酶和蔗糖酶活性均高于处理FP,甚至达到显著水平。等养分有机肥替代化肥能增加土壤氮库,提高水解酶活性和水溶性总氮及碱解氮含量,从而增强稻田土壤供氮能力。3.稻-麦轮作条件下,4个施肥处理FP、LRF、RF-OM_N、RF-S_C水稻和小麦的籽粒产量及地上部生物量均显著大于不施肥处理CK(P0.05)。商品有机肥部分替代化肥处理RF-OM_N水稻籽粒产量和地上部生物量分别为7290.0 kg/ha和15234.9 kg/ha,显著高于推荐施肥处理LRF和秸秆部分替代化肥处理RF-S_C(P0.05),与习惯施肥处理FP差异不显著;4个施肥处理小麦籽粒产量和地上部生物量也无显著差异。4个施肥处理FP、LRF、RF-OM_N、RF-S_C水稻和小麦收获期地上各部分含氮量均显著大于不施肥处理CK(P0.05)。处理RF-OM_N水稻各部位含氮量与处理LRF差异不大,糙米、稻壳含磷量与处理FP差异不显著,各部位含钾量高于处理FP;处理RF-OM_N小麦秸秆、籽粒的含氮量和含磷量与处理LRF均无显著差异,秸秆和籽粒含钾量高于处理FP。处理RF-OM_N水稻各部位氮积累量与处理FP差异不显著,糙米和稻壳磷积累量与处理FP并无显著差异,各部位钾积累量高于处理FP,处理RF-OM_N小麦秸秆和籽粒的氮磷积累量与处理LRF差异并不显著,秸秆和籽粒的钾积累量高于处理FP。处理RF-OM_N和RF-S_C的水稻和小麦氮肥氮肥农学效率、氮肥表观利用率和氮肥偏生产力显著高于处理FP和处理LRF(P0.05),说明有机肥部分替代化肥能有效地提高氮肥的利用效率。施肥处理FP、LRF、RF-OM_N、RF-S_C水稻和小麦主要生育期土壤水溶性NH_4~+-N、NO_3~--N和水溶性总氮浓度均显著大于不施肥处理CK(P0.05),处理RF-OM_N水稻和小麦主要生育期水溶性总氮浓度高于处理LRF,甚至达到显著水平,与处理FP差异不显著。处理RF-OM_N水稻和小麦收获期土壤碱解氮含量和有效磷含量与处理LRF无显著差异,速效钾和缓效钾含量高于处理FP和处理LRF。综上,商品有机肥部分替代化肥可以满足水稻和小麦的养分需求,保持正常生长及籽粒产量,有效提高氮肥利用效率,同时可以保持和提高土壤有效养分水平,改善土壤供肥性能。4.田间对比试验得出,优化控制施肥区CM水稻和小麦籽粒产量分别为8066.7 kg/ha和4699.8 kg/ha,与习惯施肥区FP无显著差异;优化控制施肥区CM水稻、小麦秸秆和籽粒氮磷钾含量及积累量与习惯施肥区FP相差不大。优化控制施肥区CM水稻氮肥和磷肥偏生产力为33.61 kg/kg和76.83 kg/kg,小麦氮肥和磷肥的偏生产力为20.89 kg/kg和44.76 kg/kg,均显著高于习惯施肥区FP(P0.05)。优化控制施肥区CM稻田总氮和总磷累积流失量分别降低了40.9%和22.5%,麦田总氮和总磷累积流失量分别降低了14.8%和9.0%,年际农田总氮和总磷累积流失量分别降低34.0%和18.6%,减排效果明显。优化控制施肥可以在满足作物对养分的需求、保持作物的正常生长和籽粒产量、提高氮磷肥利用效率的基础上,有效减少稻麦轮作系统农田氮磷径流流失,可以在农业生产中加以推广和利用。由此,推荐的水稻施肥量为N 240 kg/ha、P_2O_5 105 kg/ha,K_2O 120kg/ha,小麦施肥量为N 225 kg/ha、P_2O_5 105 kg/ha,K_2O 120 kg/ha,并以20%有机肥氮替代化肥氮。


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