2019, Vol. 51
2. 山东农业大学农学院，山东泰安 271018
近年来，随着经济与社会的发展，在农业生产中，为了追求作物高产，化肥的施用量逐年增加。增施化肥在提高农作物产量的同时，也对生态环境产生了负面影响，并已经严重威胁到我国农业的可持续发展[1]。众多研究表明我国化肥施用量已经超过了经济意义上的最优施用量[2]，并已给农民带来经济效益上的损失[3]。有研究证明化肥的过量施用使农田生态系统中物质和能量循环平衡发生改变，降低了耕作土壤的质量，造成了严重的环境污染问题，已成为农业点源污染的主要来源[4-6]。因此，优化施肥方式，提高土壤肥力和作物产量，实现农业的可持续发展迫在眉睫。而合理利用有机肥资源，有机肥替代部分化肥，是实现中国到2020年化肥零增长目标的重要途径之一[7]。有机肥替代部分化肥不仅可以减少化肥过量施用引起的农业污染问题，还可以改善农田土壤质量，提高农作物品质[8]。
面对耕地数量不断减少、质量逐渐下降以及粮食安全等问题，加强土地综合治理，提高土地开发利用率，开发利用一定数量的耕地后备资源成为补充耕地、保障粮食安全的重要途径之一[9]。在我国可耕地中盐碱地面积占总耕地面积的20%以上[10]，盐碱地是广泛分布的一种低产土壤类型，土壤盐渍化使土壤内盐分大量积累，并引起一系列问题，如土壤结构黏滞、通气性差、土温上升慢、养分释放慢等，导致表层土壤盐渍化进一步加剧，造成土壤冷、硬、板现象[11]，还严重制约着作物的生长发育，显著降低作物产量[12-13]，从而使土地的利用率降低，荒地增多，加深了人多地少的矛盾。盐碱地作为我国重要的后备耕地战略资源，其开发利用改良工作的开展对保障我国粮食安全、促进农业可持续发展、改善生态环境以及推动区域经济协调发展具有重要意义[14]。此外，长期施用化肥容易导致土壤板结、盐分在土壤表层积聚，加剧土壤盐碱化程度。
为此，前人对施用有机肥改良盐碱地做了大量研究，研究表明盐碱土施用有机肥，可以增加土壤有机质，促进土壤团聚体形成，改善土壤结构[15]，降低土壤pH[16]，为作物提供持久营养[17]，是一种改善土壤盐碱化的有效措施; 吕品[18]的研究表明：增施有机肥可改善盐碱土生态环境，促进脱盐、抑制返盐; 杨明等[19]通过田间与盆栽模拟试验研究了有机肥对苏打盐碱土的改良效果，研究也表明施用有机肥后土壤pH显著下降，土壤盐基离子组分发生显著变化，土壤有机质、全氮、全磷、全钾含量显著增加; 而徐阳春和沈其荣[20]的研究结果表明，长期施用有机肥能够改变土壤不同粒级的组成，促进土壤团粒结构的形成，改善土壤的理化性质; 周伟红[21]通过研究施用有机肥对土壤理化性质的影响，验证了施用有机肥使土壤的容重降低、孔隙度增大、透水性增强，促进盐分淋洗下移。
由此可见，前人的研究大部分集中在施用有机肥对盐碱地土壤理化性质的改良方面，而本文从减肥角度出发，通过在山东省滨州市无棣县渤海粮仓实验示范基地布置大田试验，研究有机肥替代部分化肥对土壤盐分和养分的影响，探讨有机肥替代部分化肥对盐碱地土壤的改良效应; 同时研究了有机肥替代部分化肥对盐碱地小麦产量的影响，为滨海盐碱地改良与小麦的合理施肥提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验区概况试验在山东省滨州市无棣县渤海粮仓试验基地(37°55′4″N，117°55′18″E)进行。该试验点属于温带季风气候，土壤类型为滨海盐渍土，土壤基本理化性质见表 1。
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表 1 试验前0~20和20~40 cm土层基础地力 Table 1 Basic soil characteristics in 0-20 cm and 20-40 cm depths |
该试验地耕作制度一年两熟，前茬作物为玉米，秸秆还田。供试小麦品种为“山农22”。第一年在2014年10月20日播种，2015年6月13日收获。第二年在2015年10月22日播种，2016年6月17日收获。
试验设5个处理(表 2)。试验小区面积为40 m2 (4 m × 10 m)，小麦播种量为300 kg/hm2，行间距28.5 cm。每个处理重复3次，小区随机排列。有机肥总养分(氮磷钾)≥50 g/kg，速效氮含量2.7 g/kg。有机肥氮含量以速效氮计，基施氮肥(化肥+有机肥)等氮量施入。
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表 2 化肥及有机肥施用量 Table 2 Application rates of chemical fertilizers and organic fertilizers in experiment |
土壤样本分别于小麦返青期、拔节期、开花期、灌浆期、成熟期取样，每个处理均用土钻分别采集0~20、20~40 cm土层的土壤样品，作为供试土样。每个小区取9个样点，混合均匀，作为一个重复。取得土壤样品后，挑出土壤中的石块和动植物残体，风干，研磨，分别过1 mm和0.25 mm筛，用于测定土壤盐分和养分。小麦于成熟期采集，测定产量。
1.3 测定项目及方法 1.3.1 土壤理化性质测定土壤水溶性盐总量及pH的测定，水土比5:1;全氮采用半微量凯氏定氮法; 有效磷采用0.05 mol/L NaHCO3溶液浸提-紫外分光光度计比色法; 速效钾采用1 mol/L NH4Ac溶液浸提-火焰光度计法; 有机质含量采用重铬酸钾外加热法; 测定方法参考鲍士旦[22]和鲁如坤[23]。
水溶性离子的测定，水土比5:1;交换性离子的测定，1 mol/L、pH 7.0 CH3COONH4:土= 5:1，相关计算公式如下：
| $ {\rm{SAR}} = \frac{{\left[ {{\rm{N}}{{\rm{a}}^ + }} \right]}}{{0.5{{\left[ {{\rm{C}}{{\rm{a}}^{2 + }} + {\rm{M}}{{\rm{g}}^{2 + }}} \right]}^{1/2}}}} $ | (1) |
| $ {\rm{ESP}} = \frac{{{\rm{Na}}_{{\rm{ex}}}^ + }}{{{\rm{CEC}}}} $ | (2) |
成熟期在每个小区1.0 m2的微区内进行单位面积穗数的调查; 在长势均匀一致的区域随机取30个单穗用于每穗粒数的调查; 小麦收获后脱粒，风干后调整为含水量为12%的籽粒产量(干物质含量为88%)，并用于籽粒千粒重的调查。
1.4 数据处理采用Excel 2003软件处理数据和绘表，采用DPS 7.05软件进行统计分析，采用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验(P＜0.05)。
2 结果与分析 2.1 有机肥替代部分化肥对盐碱地土壤盐分的影响 2.1.1 有机肥替代部分化肥对盐碱地土壤水溶性盐总量的影响如图 1所示，4月5日前后，由于气候条件，水分蒸发量大，土壤水溶性盐总量上升，其他时期相对稳定。0~20 cm和20~40 cm土层盐分含量变化规律基本相同，且0~20 cm土层盐分含量普遍高于20~40 cm。在0~20 cm土层，4月5日前土壤水溶性盐总量呈现为CK＞CCF＞各有机肥替代处理，4月5日后土壤水溶性盐总量呈现为CCF＞CK＞各有机肥替代处理，特别在5月26日小麦灌浆期，与CK相比，CCF处理的土壤水溶性盐总量上升了20.4%，而LOM、MOM、HOM处理分别下降了28.3%、21.2%、22.0%。在20~40 cm土层，土壤水溶性盐总量基本呈现CK＞CCF＞LOM＞HOM＞MOM的趋势; 且与CK相比，CCF与之差距较小，而LOM、MOM、HOM 3个处理土层水溶性盐分含量普遍低于CK，特别是在5月9日小麦返青期和6月8日小麦成熟期处理间差异显著; 小麦成熟期LOM、MOM、HOM处理与CK相比土层水溶性盐总量分别下降了34.3%、36.7%、26.6%。0~20 cm和20~40 cm土层水溶性盐分含量变化均说明有机肥替代部分化肥能够降低盐碱地耕层土壤盐分含量，进而改善盐碱地土壤环境。
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图 1 有机肥替代不同量化肥对土壤水溶性盐分含量的影响 Fig. 1 Soil water-soluble salt contents under different organic fertilizers substituting for chemical fertilizers |
如图 2所示，不同时期各个土层土壤pH差异明显，4月5日前后，土壤pH达到峰值，后期呈明显下降趋势。0~20 cm土层pH在峰值时各处理均高于CK，但在其他时期各处理的土壤pH均明显低于CK，特别是在3月3日、5月26日及6月8日前后各处理间差异显著，基本表现为CK＞CCF＞LOM＞MOM＞HOM; 在6月8日小麦成熟期时，有机肥替代处理LOM、HOM、MOM的pH较CCF处理分别下降了27.7%、33.8%、31.4%。20~40 cm土层各处理间pH差异不明显。说明有机肥替代化肥处理对盐碱地0~20 cm土层pH影响明显，且随着有机肥替代量的增加土壤pH呈逐渐下降趋势。
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图 2 有机肥替代不同量化肥对土壤pH的影响 Fig. 2 Soil pH under different organic fertilizers substituting for chemical fertilizers |
如表 3所示，ESP值＞15，说明盐碱化程度较高。但有机肥替代部分化肥的处理阳离子交换量CEC值、交换性Na含量及二者比值ESP普遍低于CCF处理，且随着有机肥替代量的增加而逐渐降低，表明有机肥可以改善土壤盐碱化程度，促进土壤脱盐。各处理之间前期差异较小，后期差异较大，并随着时间变化各指标呈逐渐减小趋势。
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表 3 有机肥替代不同量化肥对土壤交换性钠和钠饱和度的影响 Table 3 Soil exchangeable Na and ESP under different organic fertilizers substituting for chemical fertilizers |
如表 4所示，土壤在盐碱化程度下，土层水溶性Na含量较高且20~40 cm土层高于0~20 cm土层，与CK相比，只施普通化肥的CCF处理在0~20 cm和20~40 cm土层均增加了土层水溶性Na含量，加剧了土壤的盐碱化程度; 而各土层有机肥替代化肥处理的土层水溶性Na含量普遍低于CK处理。说明单施化肥处理只能加剧土壤的盐碱化程度，而使用有机肥替代部分化肥则能够明显降低土层水溶性Na含量，改善土壤盐碱环境。对于土层水溶性Ca、Mg离子0~20 cm土层含量高于20~40 cm土层，与CK相比，有机肥替代处理普遍高于CK，CCF与CK处理差异不明显。说明施用有机肥能够增加土壤中水溶性Ca、Mg的含量，改善根际营养状态，有利于作物生长。钠吸收比率(SAR)20~40 cm土层要高于0~20 cm土层，且随着时间变化各处理的钠吸收比率下降，各处理间的差异与土层水溶性Na含量变化趋势基本一致。
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表 4 有机肥替代不同量化肥对土壤水溶性钠、钙、镁和钠吸附比的影响 Table 4 Soil water-soluble Na, Ca, Mg and SAR under different organic fertilizers substituting for chemical fertilizers |
如图 3A所示，由于秸秆还田等诸多因素的影响，各处理间土壤有机质含量存在差异，但变化无明显规律，可以看出各土层有机肥替代处理的有机质含量高于CK、CCF，说明有机肥替代化肥，可增加土壤中有机质的含量。如图 3B、3C所示，全氮和有效磷含量在施肥处理间存在一定差异但变化无明显规律，0~20 cm土层全氮和有效磷含量普遍高于20~40 cm。0~20 cm土层，4月5日左右CK处理的全氮含量明显高于其他处理，但在6月8日小麦收获期时，LOM、MOM、HOM处理的全氮含量已经超过CK处理，较CK处理分别提高14.2%、2.4%、15.7%。6月8日小麦收获期，0~20 cm土层，CCF处理有效磷含量最低，LOM、MOM、HOM处理较CCF分别高39.0%、67.0%、46.8%;20~40 cm土层，CK处理有效磷含量最低，CCF、LOM、MOM、HOM处理较CK分别高241.8%、14.7%、309.5%、36.4%。如图 3D所示，0~20 cm土层速效钾含量高于20~40 cm土层，0~20 cm和20~40 cm土层速效钾含量变化规律基本一致。在各个时期HOM处理土壤速效钾含量均为最大值，且明显高于其他处理; 其次为MOM处理，其他处理间差异较小。到6月8日小麦收获期时，与CK处理相比，0~20 cm土层CCF、LOM、HOM、MOM速效钾含量分别高13.2%、21.2%、27.2%、27.1%;20~40 cm土层CCF、LOM、HOM、MOM速效钾含量分别高17.7%、17.6%、17.9%、42.3%。
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图 3 有机肥替代不同量化肥对土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量的影响 Fig. 3 Soil organic matter, total nitrogen, available P and K under different organic fertilizers substituting for chemical fertilizers |
由表 5可知，2014—2016年两个生长季小麦产量变化趋势一致，试验处理从CK到HOM，产量依次递增，其中以高量有机肥替代处理效果最优。与CK相比，施肥处理增产58%以上，说明在盐碱地上，肥料(有机肥和无机肥)的投入能够获得较高的产量。
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表 5 小麦产量及其构成因素 Table 5 Yield and yield components of wheat under different treatments |
与CCF相比，LOM、MOM、HOM分别增产7.5%、18.8%、26.4%，说明有机肥替代部分化肥能够促进小麦增产，并且产量随有机肥替代化肥量的增加而增加。从产量构成因素来看，各处理间的穗粒数差异较小，穗数和粒重差异较大，且在小麦两年的收获季中，表现出相同的变化趋势，说明该试验条件下，穗数和粒重是影响盐碱地小麦产量的关键因素。
3 讨论 3.1 有机肥替代部分化肥对盐碱地土壤盐分的影响土壤水溶性盐分含量，是判断土壤的盐渍状况的重要指标，当土壤中盐分达到一定数量后，将直接影响作物种子的萌发和植株正常生长，通常认为土壤中可溶性盐分质量分数大于0.2%时，农作物受害[24]，本试验条件下土壤盐浓度在0.2%左右，表明小麦受到盐害的影响。土壤pH对土壤微生物活性、有机质转化和土壤养分迁移具有重要影响，滨海盐碱土pH在8.0~8.8之间变化，呈碱性环境，抑制了微生物活性，影响小麦对养分的吸收。前人研究表明增施有机肥料，有机无机结合，可以改善盐渍土土壤生态环境，促进脱盐、抑制返盐，以有机物质调控土壤水盐平衡和肥盐平衡[25-28]。本研究结果表明，有机肥替代部分化肥能够降低土壤耕层盐分含量(图 1)，使小麦在生长发育部分时期盐分含量低于0.2%。而在4月5日左右，土壤盐分较高，是因为这一时期气温升高，而降水稀少，使土壤水分蒸发剧烈; 另一方面由于小麦处于拔节期，需水较多，导致土壤表层盐分的积累。而有机肥对土壤的改良作用减少了土壤表层水分的蒸发，降低了盐分从下层向表层的移动速率，抑制了土壤返盐。结合表 3中K、Na、Ca、Mg等阳离子含量的变化，可以看出有机肥替代部分化肥降低了土壤盐分含量，同时促进了离子含量的变化。Na含量降低，K、Ca和Mg升高，改善了根际养分状况，有利于小麦的生长。其中有机肥替代部分化肥降低土壤pH，这与其减少土壤盐分含量和促进盐离子比例变化有关。土壤钠含量处于动态变化，用有机肥替代部分化肥，可降低土壤表层水溶性钠和交换性钠的含量和比例(表 3)，有利于作物生长。Beck等人[29]认为交换性钠解离会产生OH-，OH-是土壤碱度的重要来源，即交换性钠解离会促进土壤碱化，pH升高。SAR和ESP值的降低表明有机肥替代部分化肥能够降低根部Na引起的单盐毒害，有利于增加小麦对其他矿质元素的吸收。
耿泽铭[30]研究发现，施用有机肥对土壤阳离子交换量、水溶性盐离子的含量、pH、碱化度具有明显改善作用; 刘媛媛等[31]通过室内模拟培养试验，发现土壤含盐量与有机肥施用量呈极显著正相关，而与尿素用量无明显的相关性; 罗佳等[32]证实了等量供肥条件下，有机肥处理对不同生育期的土壤总盐含量有一定影响，总体上呈减少趋势。本研究结果与此一致，在等氮量施入水平条件下，以有机肥替代高量化肥对土壤盐分的改良效果最显著，并随有机肥替代量的增加，土壤盐分依次减少。这可能是随着有机肥替代量增加，有机肥改良土壤结构、吸收性能和理化性质的作用加强，说明有机肥确实有促进脱盐、抑制反盐的作用。
3.2 有机肥替代部分化肥对盐碱地土壤有机质和N、P、K的影响土壤有机质含量是土壤肥力及土壤-作物生态系统发展的重要指标，它是形成土壤团粒结构的粘合剂，它不仅能改良土壤结构、吸收性能和理化性质，而且还能为植物提供一定的养分[33]。大量研究表明，有机肥可以有目的地提高土壤表层中有机质含量，使土壤形成良好的团聚体结构，提高土壤养分，从而增强土壤保肥供肥能力[34]，弥补长期耕作或土壤贫瘠带来的不利影响。本试验研究也表明，有机肥替代部分化肥能增加土壤中有机质含量，有利于有机质的积累。而不同施肥处理之间有机质含量存在差异，但变化无明显规律，但可以看出各土层有机肥替代处理的有机质含量要高于不施有机肥的处理，说明有机肥替代部分化肥能够提高土壤中有机质的含量，改良盐碱地土壤理化性质，但受到秸秆还田等诸多因素的影响，短期内增加效果较小，需要长期投入。
N、P、K作为土壤肥力最重要的指标，是影响作物生长的重要大量元素，也是施肥的三大主要元素。与化肥相比，有机肥料在提供作物养分、维持地力、改善土壤结构和保护农业生态环境方面具有不可替代的作用[32]。前人研究表明施用有机肥能够显著提高土壤全效养分含量[35-36]，而田小明等[37]通过温室盆栽试验，研究了连续3年施用不同量的有机肥对土壤养分含量的影响，结果表明随着有机肥用量的增加, 土壤养分也在增加。本研究也表明有机肥替代部分化肥对滨海盐土N、P、K的含量有一定作用。在等氮量施入条件下，由于秸秆还田等诸多环境因素差异，不同有机肥替代部分化肥处理对土壤全氮、有效磷的影响存在一定差异但不明显。而本试验中盐碱土速效钾含量较高(图 3)，尤其有机肥替代高量化肥处理速效钾明显高于其他处理。K作为小麦所需的大量元素，而同等量的Na则成为有害元素。由于有机肥对土壤的改良作用，使高含量的K+存在，在一定程度上抑制了对Na+的吸收，减少了Na的毒害作用。K充足可以提高小麦的抗逆性，更有利于适应盐碱条件。因此，有机肥能够一定程度提高土壤肥力，改善土壤环境。
3.3 有机肥替代部分化肥对盐碱地小麦产量的影响盐碱环境下，土壤盐分和不均匀的养分分布均会影响小麦的产量。刘艳等[38]通过在黄河三角洲盐碱地上进行增施有机肥对杂交狼尾草产量的研究表明，增施有机肥能明显增加杂交狼尾草的产量，改善其饲草品质。宿庆瑞等[26]也证实了在盐渍化土壤上施用有机肥，有机无机结合，可以改善盐渍土土壤环境，提高水稻产量。本研究结果表明，在等氮量施入条件下，有机肥替代部分化肥能显著提高小麦产量，并且随着有机肥替代量的增加而增加。这主要是由于有机肥改善了土壤的理化性质，增加土壤中有机质含量，培肥土壤，更新土壤腐殖质组成，提高土壤的保墒和保肥能力[39]。等氮量施入条件下，有机肥替代部分化肥使土壤盐分降低，改善土壤肥力和物理结构，从而形成良好的土壤环境，从而为小麦生长奠定坚实基础。随着有机肥替代量的增加，对土壤改良作用增强，根系获得有效养分的能力提高，从而使小麦的氮素利用率得到提高，小麦产量逐渐增加。
孟祥浩等[40]通过盐碱地上8个小麦品种(系)的研究，表明了穗数是影响盐碱地小麦产量的重要因素; 而李树华等人[41]研究发现盐胁迫导致产量下降的主要原因是穗数的减少和粒重的下降。本研究发现单位面积穗数和粒重是影响小麦产量的关键因素，其中不施肥处理产量最低，其亩穗数和粒重也最低; 在等氮量施入水平条件下，随有机肥替代量的增加，单位面积穗数和千粒重显著增加，使产量也呈正相关增加。这与施用有机肥后增加了土壤养分积累、提高了土壤供肥能力密切相关。说明在等氮量施入水平条件下，有机肥是通过对滨海盐碱土的改良，改善了土壤理化性质，促进小麦根系发育，根系获得养分的能力提高，促进小麦分蘖和小穗分化，来增加穗数和粒重，保障产量的增加。其中有机肥替代高量化肥处理使小麦产量达到最高，这可能是随着有机肥替代量的增加，有机肥对盐碱土的改良作用增强，改善了小麦根际营养状态，促进了小麦生长。
4 结论有机肥替代部分化肥对滨海盐碱地有较好改良效果，能够显著降低土壤盐碱化程度。不同有机肥替代处理间对土壤水溶性盐和pH等影响显著，并随着有机肥替代量的增加，土壤盐分依次降低，并显著降低了土壤中水溶性钠和交换性钠的比例，使ESP和SAR值减小; 施用有机肥能够提高土壤肥力，虽对土壤全氮、有效磷的含量影响不明显，但土壤速效钾含量明显高于其他处理，在一定程度上抑制了Na的毒害，还明显提高了土壤有机质的含量，改善了土壤环境。此外，盐碱环境下，施用有机肥替代部分化肥可明显提高小麦单位面积穗数和籽粒重量，从而提高小麦产量，且小麦产量随着有机肥替代量的增加而增加。
综上所述，在减少化肥施用量的情况下，有机肥替代部分化肥既能通过降低土壤盐分、提高土壤肥力，改良盐碱地土壤理化性质，又能使小麦产量得到提高。本研究表明，在等氮量施入水平条件下，有机肥替代高量化肥处理，即当有机肥施用量为15 t/hm2时，对盐碱地土壤改良效应最强，小麦产量达到最高，但不一定会是最优替代量。若要确定对土壤改良效应的最优替代量，则需要做进一步研究。
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2. College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271018, China