张霞 李健 潘孝青 邵乐 秦枫 翟频 杨杰 顾洪如

摘要：  針对中国化肥施用量较高、大田作物畜禽粪污有机肥施用率低等问题，以稻麦轮作体系为研究对象，在相等的施氮量（稻季 300  kg/hm 2 ，麦季 225  kg/hm 2 ）条件下，以熟化垫料不同比例替代化肥[不施肥对照（CK）、施化肥（CF）、熟化垫料氮替代1/4氮素化肥氮（1/4DL）、熟化垫料氮替代1/2氮素化肥氮（1/2DL）、熟化垫料氮替代3/4氮素化肥氮（3/4DL）以及熟化垫料氮全量替代氮素化肥氮]，研究了在相等施氮量条件下熟化垫料替代化肥对稻麦轮作体系作物产量、土壤肥力以及重金属的影响。结果表明，在水稻季施氮量 300  kg/hm 2 条件下，熟化垫料替代处理的产量达到单施化肥处理的产量。不同处理间小麦产量差异极显著，随熟化垫料替代量增加，小麦产量表现出先增加后降低的趋势，1/2DL处理的小麦产量最高。稻麦轮作三季后，熟化垫料替代氮素化肥处理耕层 0～ 20 cm 土壤全氮含量、有机质含量、pH值均表现出先增加后降低的趋势，3/4DL处理最高，而磷含量及电导率则呈线性增加趋势。稻麦轮作三季后，耕层 0～ 20 cm土壤铜、锌总含量均高于试验前土壤铜、锌总含量，各处理铜、锌、镉、砷、铅等指标均在土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）范围内。稻麦轮作三季后，土壤内有效态铜、锌、镉、铅含量均高于试验前土壤，砷则相反。对于施肥处理，土壤内有效态铜、锌含量随熟化垫料施用量增加而增加，有效态铅含量则随垫料用量增加而降低，不同处理间有效态镉含量差异不显著。

关键词：  稻麦轮作; 有机肥; 土壤肥力; 重金属

中图分类号：  X713    文献标识码： A    文章编号：  1000-4440（2021）05-1175-08

Effects of different proportions of spent litters on crop yield， soil fertility and heavy metals in rice-wheat rotation

ZHANG Xia， LI Jian， PAN Xiao-qing， SHAO Le， QIN Feng， ZHAI Pin， YANG Jie， GU Hong-ru

（Institute of Animal Science， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Key Laboratory of Crop and Livestock Integrated Farming， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing 210014， China）

Abstract：  In order to solve the problems of excessive application of chemical fertilizer and low application rate of organic fertilizer in field crops in China， a field experiment was conducted to investigate the effects of spent litters on crop yield， soil fertility and heavy metals content in rice-wheat rotation. Under the condition of equal nitrogen application （300  kg/hm 2  in rice season， 225  kg/hm 2  in wheat season）， inorganic fertilizer was replaced by different proportions of spent litters. The experiment inclued no fertilizer treatment （CK）， inorganic fertilizer treatment （CF）， 1/4 litter fertilizer replacement treatment（1/4DL）， 1/2 litter fertilizer replacement treatment（1/2DL）， 3/4 litter fertilizer replacement treatment（3/4DL） and all litter fertilizer replacement treatment. The results clearly demonstrated that the yield in litters replacement treatment was consistent with that in inorganic fertilizer treatment in rice season. There was a significant difference in wheat yield among different treatments. The yield of wheat increased first and then decreased with the increase of spent litters application rate. The wheat yield in 1/2DL treatment was the highest. After three seasons of rice-wheat rotation， the total nitrogen content， total phosphorus content， organic matter content， pH value and electrical conductivity in 0-20 cm soil increased with the increase of spent litters application amount. The total nitrogen content， organic matter content and pH value increased first and then decreased， and all the parameters in the 3/4DL treatment were the highest. The phosphorus content and electrical conductivity showed linear increasing trend. The total contents of Cu and Zn in 0-20 cm soil were higher than those before the experiment after three seasons of rice-wheat rotation. The total contents of Cu， Zn， As， Pb and Cd in 0-20 cm soil were in the range of soil environmental quality risk control standard for soil contamination of agricultural land （GB 15618-2018）. After three seasons of rice-wheat rotation， the contents of Cu， Zn， Cd and Pb in 0-20 cm soil were higher than those before the experiment， but the content of As decreased. The contents of available Cu， available Zn increased with the increase of spent litters application rate， while the content of available Pb decreased. There was no significant difference in the content of available Cd among different treatments.

Key words：  rice-wheat rotation; organic fertilizer; soil fertility; heavy metals

稻麦轮作是长江流域最重要的种植模式，常年稻麦种植面积高达  1.3× 10  7  hm  2 ，占全国水稻小麦轮作种植总面积的 1/3 以上  [1-2] ，江苏省常年轮作种植稻麦面积达  1.3× 10  6  hm 2  [3] 。中国稻麦轮作农田普遍存在化肥施用量大、有机肥严重不足的不良情况，江苏省稻麦轮作产区年均施氮量高达 550～ 680  kg/hm 2   [4] 。采用有机肥替代部分化肥不仅大大降低了化肥过量施用对土壤的不良影响，而且与单独施有机肥相比，化肥有机肥配施肥效较快、氮素当季利用率相对较高，对于维持稻麦轮作作物的产量及促进农业的可持续发展具有重要的意义  [5-6] 。毛伟等认为，在长江中下游的河网区有机肥氮代替 20%～ 30%的化学肥料氮，对小麦产量可以达到单独施化肥的产量结果，而且明显提高中低肥力田的土壤有机质含量  [7] 。用有机肥替代 20% 化肥时，水稻产量和综合效益均最高  [8] 。欧阳虹等人的多项研究结果表明，用25%的有机肥替代化肥时，水稻产量最高，且明显有利于提高水稻的氮肥利用效率  [9-10] 。Han等也认为稻麦轮作时增施有机肥显著提高了稻麦的产量及氮肥利用效率  [11] 。和单施化肥相比，有机无机肥配施对土壤的培肥作用更好  [12-13] 。印度恒河平原稻麦轮作试验结果表明，多年增施有机肥显著增加了土壤有机碳、水溶性碳含量  [14] ，降低了土壤容重  [15] 。Zhao等在河南封丘做的连续 9 年稻麦轮作试验结果显示，施用有机肥显著提高了土壤有机碳和活性炭含量，提高了土壤团聚体的比例  [16] 。

近年来，中国畜牧业蓬勃发展，随着生产规模的增加，粪尿排量也随之增加，据统计近年来全国每年畜禽粪便产生量约为 3.8× 10  9  t。畜禽粪污尤其是猪场粪污异位发酵床处理，是农业农村部近几年推荐的一种粪污处理方式  [17] 。熟化垫料作为一种优质的有机资源，含有丰富的养分。尽管从 2017 年起国家已经再次提高饲料卫生标准，但只是降低了畜禽饲料中重金属的添加量，饲料内仍然含有一定量的重金属，从而使得发酵床熟化垫料内含有一定量的重金属元素  [18] 。长期施用畜禽粪等有机肥可能引起重金属在土壤及植物中富集，从而对生态环境及人身健康产生危害  [19] 。

本研究针对江苏地区存在的化肥施用量大、有机肥施用比例低等问题，以熟化垫料为有机肥，以稻麦轮作体系作为研究的对象，采用大田试验，在熟化垫料还田的基础上，研究在相等施氮量条件下熟化垫料替代部分化肥对稻麦轮作体系下作物产量、土壤理化特性以及土壤重金属含量的影响，以探究在化肥减施条件下熟化垫料与化肥配施在稻麦轮作生产体系中的适宜比例，构建熟化垫料农田安全施用技术体系，为当地稻麦轮作体系下作物高产高效生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 实验地概况

试验地点设在江苏省农业科学院六合动物科学基地试验田。该基地处于长江中下游，北纬 32.36°，东经118.83°，属于亚热带季风气候。试验田土壤的类型为黄棕壤发育成的马肝土。试验前耕层土壤 （0～ 20 cm）营养成分为：有机质含量9.70  g/kg ，全氮含量0.75  g/kg ，全磷含量0.56  g/kg ，速效鉀含量97.00  mg/kg 。前茬所种作物为紫云英。

1.2 试验设计

试验于 2017 年至 2018 年进行。水稻季施氮 300  kg/hm 2 ，小麦季施氮 225  kg/hm 2 。试验设置不同梯度的熟化垫料用量，共设 6 个处理，分别为：①不施肥对照（CK），②氮素化肥处理（CF），③熟化垫料氮替代1/4氮素化肥氮处理（1/4DL），④熟化垫料氮替代1/2氮素化肥氮处理（1/2DL），⑤熟化垫料氮替代3/4氮素化肥氮处理（3/4DL），⑥熟化垫料氮全量替代氮素化肥氮处理（QDL）。采用随机区组设计，3次重复。小区面积 5 m× 8 m，区组之间隔 1 m，小区之间间隔 50 cm。氮素化肥（CF）以60% N作底肥，熟化垫料氮1/4、1/2、3/4替代及全氮量替代处理以有机肥为底肥，其余以尿素追施，水稻季在分蘖高峰期一次性追施，小麦季在拔节期追施。

所用熟化垫料水分含量为 40%～ 50%，熟化垫料养分含量见表 1。试验田水稻季、小麦季田间管理同大田。第一季水稻品种为杂交稻Ⅱ优 999，第二季小麦品种为宁麦 26，第三季水稻品种为南粳 5055。

1.3 测定方法

1.3.1 水稻产量及产量构成  各处理每小区分别选取 2 个 2.0 m  2 的田块进行收割，人工脱粒，测定实际产量。同时每小区选1.0 m  2 调查单位面积穗数。并随机选取 3 穴整株拔起，带回实验室，剪去根部，测量水稻的株高、穗长、穗粒数等指标。将穗与秸秆分开，杀青后于 60 ℃的烘箱烘干至恒质量。稻谷脱壳后的糙米、秸秆与稻壳烘干后粉碎待测。

1.3.2 小麦的产量及产量构成  各处理每小区分别选取2个2.0 m  2 的田块收割，用小型实验用脱粒机脱粒，测定实际小麦产量。同时每一个小区分别取1.0 m长两行田块调查穗数，每一个小区随机选取两个 0.5 m行长的小麦植株整株拔起，带回实验室，剪去根部，调查其株高、穗长以及穗粒数等指标。小麦穗、秸秆分开，置于 60 ℃烘箱内烘干至恒质量。烘干后的样品粉碎待测。

1.3.3 籽粒、秸秆等全氮含量  采用凯氏定氮法测定。

1.3.4 土壤肥力  在第三季水稻收获时，每一个小区均采集 0～ 20 cm层的 2 个土壤样品混合成一个混合样，放在实验室自然风干，并剔除杂物。土壤样品过 100 目筛后，待测。土壤有机质含量：采用重铬酸钾（K  2 Cr  2 O  7 ）氧化外加热法（ GB 7857-87）测定。全氮含量：采用凯氏定氮法测定。全磷含量：采用钼锑抗混合显色法测定（GB 9837-1988）。速效钾含量：用 1  mol/L  NH  4 OAc溶液浸提，采用火焰原子吸收光度法测定。无机氮含量：采用 2  mol/L 的KCl溶液提取，铵态氮含量直接使用连续流动化学分析仪测定，硝态氮含量采用人工紫外分析光度法测定。pH 值：用水土比为  2.5∶ 1.0（质量比）进行振荡提取，直接使用 Mettler Toledo FiveEasy Plus pH计测定。电导率：使用Hanna instruments ES215 Conductivity Meter电导率仪测定。

重金属含量测定：土壤重金属采用 HF∶  HNO  3 ∶ HClO  4 为 2∶  1∶ 1（体积比）的混酸消煮，不同有效态重金属采用DTPA浸提法浸提，消煮液及提取液用江苏省农业科学院中心实验室的（Inductively Coupled Plasma，ICP）电感耦合等离子体测定。

2 结果与分析

2.1 稻、麦产量

第一季水稻实测产量在 9 222.94～  9 978.32   kg/hm 2 ，氮素化肥处理产量最高（表2），不同处理间水稻实测产量及千粒质量差异均不显著。有效穗不同处理间差异显著，1/2DL处理有效穗最高1 hm 2  1.793× 10  6 穗，其次是熟化垫料全量替代处理（QDL） 1 hm 2  1.730× 10  6 穗，CK最低为1 hm 2  1.490× 10  6 穗。

第二季不同处理之间的小麦产量差异显著 （ P < 0.05），随熟化垫料替代量的增加，小麦产量呈现出先增长后逐渐减少的趋势，1/2DL处理的小麦产量最高（表2），其产量由高到低依次为1/2DL（ 6 153.58   kg/hm 2 ）>1/4DL（ 5 777.41   kg/hm 2 ）>CF（ 5 489.85   kg/hm 2 ）>3/4DL（ 4 959.51   kg/hm 2 ）>QDL（ 3 726.56   kg/hm 2 ）>CK（ 1 585.01   kg/hm 2 ）。小麦穗粒数在 28.02 至38.62 之间，CF处理（38.62）显著高于其他处理，CK（28.02）及QDL（29.11）显著低于其他处理，1/4DL、1/2DL、3/4DL处理穗粒数处于中等水平。有效穗数在不同处理之间差异显著，随熟化垫料替代量增加表现为先增加后减少的趋势，从高到低依次为 1/2DL、1/4DL、CF、3/4DL、QDL、CK。

第三季水稻施肥处理产量 （9 142.72～  9 800.31   kg/hm 2 ）显著高于不施肥对照产量 （8 216.69   kg/hm 2 ）（表2）。4个熟化垫料氮替代氮素化肥氮处理间水稻产量无显著差异，且均与氮素化肥处理无显著差异。施用熟化垫料量较多的QDL、1/2DL、3/4DL处理的水稻穗粒数显著高于CK及CF、 1/4DL 。水稻单位面积有效穗数随熟化垫料替代量的增加而显著降低，从高到低依次为CF、1/4DL、 1/2DL 、3/4DL、QDL、CK。稻谷千粒质量CK最高，为 26.37 g。在施肥处理中，随着熟化垫料替代量增加，千粒质量逐渐增加，1/2DL处理千粒质量达到峰值，在此之后随着熟化垫料替代量增加，千粒质量逐渐减少。

由表3可知，三季稻麦总产量不同处理之间差异显著，CF处理的产量最高，为 25 271.23   kg/hm 2 。其次是 1/2DL處理，产量为 25 266.79   kg/hm 2 。

2.2 土壤理化性质

2.2.1 土壤养分含量  稻麦轮作三季后（表4），土壤全氮含量为  0.53～ 0.80  g/kg ，并随熟化垫料替代量增加表现为先增加后降低的趋势。3/4DL处理全氮含量最高为 0.80  g/kg ，CF处理与1/4DL处理土壤全氮含量均为 0.60  g/kg 。土壤全磷含量为 0.49～ 1.01  g/kg ，不同处理之间表现为随着熟化垫料替代量的增加而显著上升。QDL处理土壤全磷含量最高，为1.01  g/kg 。随着熟化垫料替代量的增加，土壤有机质含量从 1.13%显著上升至 1.52% （ P < 0.05）。1/2DL、3/4DL、QDL处理其耕层土壤有机质含量分别为 1.49%、1.52%、1.50%，显著高于CK及CF处理的 1.13%、1.14% （ P < 0.05）。土壤铵态氮含量随熟化垫料替代量增加呈下降趋势，单施化肥处理（CF）铵态氮含量最高，为15.26  mg/kg ，显著高于CK的11.86  mg/kg ，但1/4DL、1/2DL、3/4DL处理铵态氮含量与CF处理差异不显著。土壤硝态氮含量随熟化垫料替代量增加先增加后降低，各施肥处理土壤硝态氮含量显著高于CK，其中1/4DL处理与1/2DL处理硝态氮含量最高，其次是CF处理，再次是QDL、3/4DL处理。随熟化垫料替代量增加，耕层土壤pH值显著增加， CK与CF处理最低，分别为6.12与6.13，3/4DL处理土壤pH值最高，为6.62。土壤电导率随熟化垫料替代量增加显著增加，从CK的35.17  μS/cm 增加到QDL处理的57.67  μS/cm 。

2.2.2 土壤重金属含量

2.2.2.1 土壤重金属总量 稻麦轮作三季后，耕层 0～ 20 cm土壤总铜含量 30.10～ 33.87  mg/kg 、总锌含量 49.09～ 61.80  mg/kg 、总镉含量0.14～0.23  mg/kg 均高于试验前土壤总铜含量（28.53  mg/kg ）、总锌含量（47.44  mg/kg ）、总镉含量（0.13  mg/kg ）， 总砷含量 24.84～ 27.32  mg/kg ，其中只有 1/4DL处理的总砷含量高于试验前土壤总砷含量。耕层 0～ 20 cm土壤总铅含量 （20.63～ 22.02  mg/kg ）低于试验前土壤总铅含量（22.43  mg/kg ）（表5）。所有处理土壤铜、锌、砷、镉、铅的总含量均在中国土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（GB 15618-2018）对于5.5

2.2.2.2 土壤有效态重金属含量  稻麦轮作三季后，土壤有效态铜含量 （4.54～ 8.60  mg/kg ）、有效态锌含量 （1.29～ 6.71  mg/kg ）、有效态镉含量 （0.043～ 0.048  mg/kg ）、有效态铅含量 （0.98～ 1.26  mg/kg ）均高于试验前土壤有效态铜含量（3.37  mg/kg ）、有效态锌含量（1.47  mg/kg ）、有效态镉含量（0.041  mg/kg ）及有效态铅含量（0.83  mg/kg ），而有效态砷含量 （0.24～ 0.32  mg/kg ）低于试验前土壤有效态砷含量（0.39  mg/kg ）（表6）。对于施肥处理，土壤铜、锌有效态含量随熟化垫料替代量增加呈现增加的趋势，QDL处理的有效态铜含量、有效态锌含量均达到最高值。有效态铅含量则随熟化垫料替代量增加呈现降低的趋势，从CF处理的1.24  mg/kg 与1/4DL处理的1.26  mg/kg 显著降至1/2DL处理的 1.01  mg/kg 、 3/4DL 处理的 0.98  mg/kg 以及QDL处理的 0.99  mg/kg 。有效态镉含量不同处理间无显著差异。

3 讨 论

3.1 熟化垫料对稻麦轮作产量的影响

作物产量是衡量经济效益的重要指标，无论是施用化肥还是用有机肥替代，均要在保证一定产量的前提下进行。本研究是在熟化垫料氮等量替代氮素化肥氮条件下进行。在本大田试验所设计的处理下，第一季的杂交水稻单施氮素化肥（CF）处理水稻产量最高，这是因为在土壤肥力相对较低时，化肥提供丰富的速效养分对产量水平有较大的提升  [20-22] ，但不同处理间的水稻产量差异不大。第二季小麦在相同施氮量（225  kg/hm 2 ）条件下，不同处理之间产量差异达到显著水平，1/2DL处理产量最高，为 6 153.58   kg/hm 2 。主要是通过增加小麦的有效穗数达到增产的效果，也证明了适宜的有机肥氮替代比例替代化肥氮是能够满足作物对氮素养分的需求  [23] 。与1/2DL处理相比，3/4DL与QDL小麦产量显著降低，说明由于有机肥速效养分释放慢，在相对较短的时期内高量有机肥替代化肥尚不能满足作物生长对营养的需求  [12，24-25] 。拔节期追施化肥促进了分蘖的分化，1/2DL处理的有效穗数显著高于其他处理，说明1/2DL处理能满足此阶段营养需要。熟化垫料施用量大的3/4DL、QDL处理，由于有机肥养分释放慢而致使有效穗数显著下降。1/2DL、 3/4DL 、QDL處理的小麦穗粒数显著低于CF处理，说明在籽粒分化形成期对营养敏感，由于有机肥速效氮供应不足，使穗粒数显著下降。第三季粳稻产量施肥处理（熟化垫料氮全量替代氮素化肥氮处理除外）显著高于CK。尤其是1/2DL处理与CF处理水稻产量差异很小，穗粒数以及千粒质量显著高于单施化肥处理，说明 1/2DL处理对土壤肥力提升高于单施化肥处理。与 1/2DL处理相比，QDL处理第三季的水稻产量降低，这主要是由于速效养分的供应较低引起的  [12] 。与水稻相比，小麦对有机肥替代化肥的效果更明显。从三季稻麦产量总和可以看出，CF处理产量最高 ，达到 25 271.23   kg/hm 2 ，1/4DL、1/2DL、3/4DL处理稻麦总产量均达到了单施化肥的产量水平。说明在本试验中， 1/4DL 、 1/2DL 、 3/4DL 处理能够满足稻麦生产的营养需求。

3.2 熟化垫料对稻麦轮作农田土壤养分及pH值的影响

很多研究结果表明，有机肥替代部分化肥可明显提高土壤肥力  [25-26] 。本研究结果显示，稻麦轮作三季后，随熟化垫料替代化肥量的增加，耕层  0～ 20 cm土壤全磷含量及有机质含量增加，这是因为有机肥补充了土壤内的磷素，使土壤磷含量提高。同时，耕层内的土壤及外源有机肥中的大量微生物也通过腐殖化，把耕层外源的有机质转化为土壤有机质的成分  [5，27-28] 。土壤全氮含量随熟化垫料替代量的增加表现为先增加后降低，3/4DL处理达到最高，这说明高量有机肥替代化肥对土壤肥力的提升效果更好，但在短期内由于速效养分释放较慢会使作物的产量受到一定影响，这与侯红乾等对有机肥长期（30年）替代化肥的研究结果一致  [12] 。

长期大量施化肥也是引起农田耕层土壤酸化的主要及重要原因之一  [29-31] 。很多数据表明，随着有机肥使用量的增加，耕层土壤的pH值明显增加。孟红旗通过研究长年施用有机肥条件下，不同类型土壤不同施肥方式下土壤pH值变化，认为长期使用有机肥料，可以弥补因为农產品移除而引起的土壤碱性物质的损失，从而有效缓解耕层土壤的酸化  [30] 。有研究数据证明使用有机肥提高了耕层土壤的pH缓冲容量（pHBC）和抗酸化能力  [32-33] 。很多研究结果表明随着有机肥施用量的增加，土壤pH值提高  [34] 。本研究发现，稻麦轮作三季后，随着有机肥替代化肥比例增加，土壤pH增加。

3.3 熟化垫料对稻麦轮作土壤重金属残留的影响

化肥和有机肥料中均含有一定量的重金属  [35-36] ，长期施用化肥或有机肥均可能造成土壤重金属累积  [37-38] 。Liao等研究认为中国农田土壤重金属的主要来源为大气沉降、施肥和灌水  [39] ，Peng等认为中国南方地区畜禽粪便是土壤重金属的主要来源之一  [40] ，还有其他研究者认为长期施用有机肥使土壤重金属累积  [40-41] 。本研究结果显示，连续施用三季有机肥后，土壤铜、锌、镉总量均有累积现象。但是土壤有效态重金属含量的变化不同，金属元素之间差异较大。稻麦轮作三季后，土壤有效态铜、锌、镉、铅含量均高于试验前土壤，而且随着有机肥替代量增加，有效态铜、锌含量显著增加，这说明施用有机肥对土壤有效态重金属的累积作用。但是土壤有效态铅含量则随有机肥替代量增加而降低，这可能是因为施用熟化垫料显著增加土壤有机质含量，土壤有机质表面的官能基团如羧基、羟基等与Pb结合  [42-43] ，同时熟化垫料提高了土壤的pH值  [44] ，两方面均可以降低土壤有效态铅的含量。

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（責任编辑：蒋永忠）