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有机无机氮肥比例对稻田土壤肥力和作物产量的短期效应

来源：花匠小妙招时间：2024-11-04 20:26

土壤肥力是土壤物理、化学和生物学性质的综合和客观反映[1−3]。土壤综合肥力指数法[4]，即模糊综合评判法，是基于土壤理化或生物学指标对土壤肥力的隶属度值和权重计算的土壤肥力综合评价指数值[1, 5] (integrated fertility index , IFI )，相比于单因子评价，更能准确反映土壤肥力的真实水平[6−8]，表征作物的高产潜力。“万物土中生，有土斯有粮”，耕地是保障国家粮食安全的根本[9]。我国耕地地力总体偏低，中低产田面积占耕地总面积比例高达 70%，基础地力对粮食生产的贡献率约为 52%，比发达国家低20%～30%[10−11]。近些年，随着我国工业化和城镇化进程的加速，耕地面积有所减少，一些土壤出现了肥力退化现象 [12−13]。施肥是提高土壤综合肥力指数的有效措施[3, 7, 14]，施用有机肥可提高土壤肥力，改善土壤结构，有效缓解我国农田土壤酸化、有机质含量下降、土壤生物多样性降低等一系列耕地退化问题，有利于农田生态系统可持续生产[15−19]。我国有机肥资源丰富，有机肥料实物量约57 亿t/年，折合 N 约 3000 万t、P 2O5约 1300 万t 和 K2O 约 3000 万t [5, 20] 。然而，有机肥中养分含量不高且分解缓慢，需与养分含量高且速效的化肥结合施用以实现维持作物产量兼顾地力提升的效果[1, 21]，且化肥与有机肥的配比不同，对作物增产和土壤培肥的效果也不同[22]。短期试验(<5年)报道指出，有机肥与化肥氮比例为8:2时可获得水稻产量与环境效应的“双赢”[23]，麦田连续3年有机肥比例在18%～24%时的培肥与产量效果最佳[21]，玉米、棉花、花生等作物的最优有机氮比例为20%～30% [24]，鸡粪氮比例为25%～50%时的土壤肥力与水稻产量最高[25]。而长期(>20年)试验结果则证实70%的有机氮比例对水稻增产和土壤肥力提高的效果最好[26−27]。因此，试验时期的长短也影响着有机无机肥料配施的效果。

当前我国三大粮食作物氮肥、磷肥和钾肥的当季平均利用率仅分别为 33%、24%和42%[16]，配施有机肥可迅速提升化肥的利用率[28]，同时促进农作物健康生长，维持系统生产力稳定[29]。以南方红壤双季稻为研究对象，探究稻田培肥初期有机肥与化肥适宜的配施比例，优选出地力与产量同步提升的有机肥配施比例，为保障粮食安全以及化肥减施技术提供科学的理论依据。

1. 材料与方法

1.1 试验地点

田间试验在江西省农业科学院高安试验基地(28°14′50′′N, 115°07′32′′E)进行，该区属于亚热带湿润气候，海拔高度47 m，年平均气温17.5℃，无霜期长达240～307天，年降水量1560 mm，降水季节分配不均，全年降水60%以上集中在4—6月。土壤类型为近代河流冲积物发育的潮沙泥田，质地为砂质粘壤，种植制度为早稻和晚稻一年两季。播种前土壤有机质含量28.54 g/kg，全氮含量1.91 g/kg，全磷0.59 g/kg，全钾13.88 g/kg，有效磷23.7 mg/kg，速效钾81.24 mg/kg，pH 5.27。

1.2 试验设计

试验共设6个处理：不施肥(CK)；单施化肥(CF)；25%、50%、75%和100%的4个比例猪粪有机氮配施化肥氮处理，分别记作25%ON、50%ON、75%ON、100%ON。供试化肥为尿素(N 46%)、钙镁磷肥(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)，猪粪为符合NY525—2011标准的商品有机肥，其理化性质为：pH8.09、有机碳33.12%、全氮1.20%、全磷(P2O5) 1.36%、全钾(K2O) 1.46% (以干基计)。除对照外，按等量原则，各处理N、P2O5、K2O施入量早稻季为150、75和150 kg/hm2，晚稻季为180、60和180 kg/hm2，猪粪施用量以氮素总量的比例计算，猪粪有机肥带入的磷、钾养分在相应的化肥投入量中扣除。猪粪有机肥作为基肥一次性施入，化肥中的氮肥分3次施入，40%作基肥，30%作分蘖肥，30%作孕穗肥，磷、钾肥作为基肥一次性施入。小区面积40 m2 (5 m × 8 m)，小区间以50 cm的分隔行隔开，且保持小区间的田埂高出地面40 cm，并用塑料薄膜包裹田埂以防止相互串水串肥，每个处理3次重复，随机区组排列。试验于2017年4月早稻移栽开始定位监测，2021年11月晚稻收割后结束。种植制度为一年两季，供试早稻品种为‘中嘉早17’，晚稻为‘五优航1573’，水稻种植密度以及各项栽培管理措施与当地农民习惯保持一致。各处理化肥和有机肥具体投入量见表1，按等氮磷钾原则，在50%ON、75%ON与100%ON处理下，高比例有机氮替代化肥氮时，有机肥带入的P2O5已大于试验设计施肥量，因此，化肥P2O5投入量为0，同理，100%ON处理带入的K2O也大于设计施肥量，故化肥K2O投入量为0。与CF处理相比，50%ON、75%ON与100%ON处理只做到了N投入量相同，P2O5投入量不一致，100%ON处理K2O投入量也不一致。

表 1 有机和无机养分年投入量 (kg/hm2)

Table 1. The annual nutrient input from organic and chemical fertilizers of each treatment

处理 Treatment有机肥料 Pig manure化肥 Chemical fertilizer NP2O5K2O有机碳 Organic CNP2O5K2O CK0000000 CF0000330135330 25%ON82.593.50100.382277247.5041.50229.63 50%ON165187.00200.754554165.000129.25 75%ON247.5280.50301.13683182.50028.88 100%ON330374.00401.5091080.0000 1.3 测定方法与计算

2021年早、晚稻收获时，各小区单独收割记录产量。2021年晚稻收获后，采集耕层土壤样品，分析土壤物理、化学、生物学指标。

1.3.1 土壤物理、化学性状的测定与计算

物理指标中容重采用环刀法[30]测定；孔隙度由土壤比重、容重值计算得出；水稳性团聚体测定方法采用湿筛法，具体操作根据仪器(日本DAIKI/DIK2001)说明进行，套筛孔径依次为2、1、0.5、0.25、0.106 mm，分级结束后，将各级粒径的土样收集烘干称重。水稳性大团聚体含量与平均重量直径计算方法[31]如下：

水稳性大团聚体含量(R0.25) = Mr>0.25/MT

式中：Mr>0.25为粒径>0.25 mm的团聚体重量，MT为团聚体的总重量。

团聚体平均重量直径 (MWD，mm)：

式中：xi为i粒级团聚体的平均直径，wi为i粒级团聚体占总重的百分含量。

化学指标pH、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量(CEC)、有效锌、有效硅测定方法参照鲁如坤的《土壤农业化学分析方法》[30]。

1.3.2 土壤生物学性状

微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)的测定采用氯仿熏蒸—K2SO4溶液浸提法，新鲜土壤放入真空干燥器，放置适量氯仿(除去乙醇)遮光、密闭熏蒸24 h后，用0.5 mol/L的K2SO4溶液浸提，测定滤液中的有机碳、氮含量[30]，计算方法如下：

式中：EC、EN为熏蒸和未熏蒸样品碳、氮含量之差；KC、KN为回收系数，分别为KC=0.45[32−33]，KN=0.54[34]。

土壤脲酶活性使用脲酶试剂盒 (Solarbio Science and Technology Co., Ltd.，Beijing，China)，方法为靛酚蓝比色法，试验步骤严格遵循说明书进行，酸性磷酸酶活性以及β-葡糖苷酶活性测定采用荧光微型板酶检测技术，具体操作参见文献[35]。

1.3.3 土壤肥力综合性评价指数

将所有指标与水稻产量进行相关性分析，将相关性>0.2的指标选为肥力参评指标[36]，用于计算土壤肥力综合性评价指数。根据模糊数学中的加权乘法原则，土壤肥力综合指数IFI采用下列公式计算[1, 37]：

式中：qi为第i项土壤肥力评价指标的隶属度值，wi为第i项土壤肥力评价指标的权重值。土壤肥力综合指数(IFI)范围在0～1，数值越高，土壤肥力越高。

隶属度函数值qi：将土壤肥力评价指标测定值通过相应的隶属度函数转化为0～1的无量纲值。根据常用的理化指标与作物生长反应间的关系，符合正S型函数的指标为：团聚体、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾与阳离子交换量；符合抛物线型函数的指标为：pH；各指标的上限、下限临界值以及最优值参照[1, 38−40]，具体如下：

正S型计算公式：

f(x)={0.1x⩽L0.1+0.9(x−L)/(U−L)L<x<U1.0x⩾U" role="presentation">f(x)={0.1x⩽L0.1+0.9(x−L)/(U−L)L<x<U1.0x⩾U

式中：f (x)表示隶属度值，x表示指标实测值，L和U分别表示下限和上限临界值。

抛物线型计算公式：

f(x)={0.1x⩽L,x⩾U0.1+0.9(x−L)/(O1−L)L<x<O11.0O1⩽x⩽O21−0.9(x−O2)/(U−O2)O2<x<U" role="presentation">f(x)={0.1x⩽L,x⩾U0.1+0.9(x−L)/(O1−L)L<x<O11.0O1⩽x⩽O21−0.9(x−O2)/(U−O2)O2<x<U

式中：f (x)表示隶属度值，L和 U分别表示下限和上限临界值，O1和O2分别表示最优值的下限和上限临界值。

对于生物学指标，采用简单线性评分法，按照“越高越好”原则，指标测定值最高的视其隶属度为1，其他测定值与该最高值的比值为各自的隶属度值[41−42]，计算公式如下：

式中：f (x)为隶属度值，x为指标测定值，xmax为指标最高测定值。

权重值wi：将所有参评指标进行主成分分析，各指标的公因子方差与所有指标公因子方差和的比值为该指标的权重值。

1.4 数据处理

按照与产量相关性原则筛选，本研究的参评指标为大团聚体含量R0.25、pH、有机质、全氮、全磷、全钾、有效氮、有效磷、速效钾、阳离子交换量、脲酶、酸性磷酸酶、β-葡糖苷酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮等15项用于土壤肥力分析。

所有数据首先采用 IBM SPSS 23.0 进行正态分布检验与方差齐性检验，对于不符合正态分布的数据通过正态得分法进行转化使其符合正态分布，方差不齐的则采用取对数或者开根号处理。数据采用SAS v8软件进行方差分析与描述统计，SPSS 23.0进行主成分分析。采用 Origin 2018对土壤综合肥力指数参评指标的隶属度函数绘制雷达图；采用R(4.2.0)的“corrplot”程序包对土壤物理、化学以及生物学性状的18个指标作相关性分析，运用“plspm”程序包对土壤物理性状、化学性状、生物学性状、综合肥力指数、产量以及有机氮与无机氮投入进行偏最小二乘路径回归分析(PLS-PM)。

2. 结果与分析

2.1 有机氮肥替代化肥对土壤物理、化学、生物性质的影响

由表2可见，所有处理间土壤容重、孔隙度无显著差异，土壤容重范围在1.07～1.15 g/cm3，孔隙度的范围在56.72%～59.76%，物理性状总体适宜作物生长[43]。施肥处理对大团聚体(R0.25)和微团聚体(粒径<0.25 mm)的百分比均有显著影响。与CK相比，施肥处理显著降低了粒径<0.25 mm微团聚体含量，提高了大聚体R0.25含量与平均重量直径MWD。与CF相比，50%ON、75%ON、100%ON处理显著提高了大聚体R0.25的含量以及平均重量直径MWD。以上结果说明有机氮比例在50%以上，促进了土壤大团聚体的形成，提高了土壤结构的稳定性，且有机肥比例越高越好。

表 2 土壤物理指标

Table 2. Physical properties of soil

处理
Treatment容重 (g/cm3 )
Bulk density孔隙度 (%)
Porosity土壤团聚体分布 Distribution of soil aggregates (%)平均重量直径 (mm)
MWD>2 mm1～2 mm0.5～1 mm0.25～0.5 mmR0.25<0.25 mm CK1.15±0.01 a56.72±3.73 a6.71±0.47 d6.17±0.64 d11.77±0.87 b17.25±1.38 b41.90±1.88 d58.10±1.88 a45.48±0.75 eCF1.12±0.03 a57.64±0.99 a8.88±0.67 bc4.78±0.47 e15.06±0.98 a17.52±1.14 b46.24±0.75 c53.76±0.75 b49.74±1.31 d25%ON1.10±0.03 a58.47±1.32 a6.55±0.62 d7.63±0.26 c12.20±0.17 b20.29±1.28 a46.67±0.84 c53.33±0.84 b48.40±1.31 d50%ON1.09±0.02 a58.72±0.57 a8.62±0.49 c8.78±0.50 b15.34±0.81 a17.71±0.76 b50.45±1.34 b49.55±1.34 c54.92±1.23 c75%ON1.11±0.05 a58.11±1.75 a9.71±0.52 ab9.61±0.44 b15.46±0.79 a20.21±0.07 a55.00±1.41 a45.00±1.41 d58.89±1.59 b100%ON1.07±0.03 a59.76±1.10 a10.16±0.47 a11.71±0.43 a15.30±0.46 a19.95±0.35 a57.12±0.73 a42.88±0.73 d62.52±1.09 a 注：CK—不施肥对照；CF—全部化肥处理；25%ON、50%ON、75%ON和100%ON分别代表有机肥氮比例为25%、50%、75%、100%的处理，R0.25—粒径>0.25 mm团聚体总量。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: CK—No fertilizer control; CF—Chemical fertilizer; 25%ON, 50%ON, 75%ON and 100%ON represent the treatments with organic N ratio of 25%, 50%, 75%, and 100%, respectively. R0.25—Total content of size>0.25 mm aggregates; MWD—Average weight diameter. Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P<0.05).

由表3可知，与CF相比，25%ON处理显著提高了全磷、有效磷和有效锌含量3项指标，50%ON处理显著提高了除pH、全钾、有效硅含量外的8项指标，而75%ON和100%ON处理显著提高了除全钾含量外的10项指标，表明高比例的有机氮肥投入更有利于整体提升土壤养分状况。

表 3 土壤化学指标

Table 3. Chemical properties of soil

处理
TreatmentpH有机质
Organic matter
(g/kg)全氮
Total N
(g/kg)全磷
Total P
(g/kg)全钾
Total K (g/kg)有效氮
Available N
(mg/kg)有效磷
Available P
(mg/kg)速效钾
Available K
(mg/kg)阳离子交换量
CEC
(cmol/kg)有效锌
Available Zn
(mg/kg)有效硅
Available Si
(mg/kg) CK5.17±0.15 c29.09±1.66 c2.45±0.16 b0.56±0.04 d14.71±1.39 a238.96±8.85 c25.47±1.66 d105.95±8.85 d12.66±0.85 c5.37±0.36 e32.88±1.68 bCF5.33±0.10 bc29.95±1.45 c2.50±0.11 b0.59±0.02 d15.29±1.62 a243.99±9.50 bc28.06±2.09 d115.78±2.84 cd13.17±0.31 bc5.27±0.20 e33.44±3.44 b25%ON5.42±0.10 bc31.23±1.41 bc2.65±0.14 ab0.71±0.04 c15.88±0.59 a266.19±18.08 ab35.54±3.09 c123.48±4.24 c14.19±1.08 b14.06±2.12 d35.97±0.66 b50%ON5.49±0.21 b33.11±1.74 ab2.79±0.17 a0.83±0.03 b16.18±0.48 a277.94±17.83 a53.30±3.91 b139.65±10.37 b15.79±0.19 a42.02±0.70 c36.47±3.45 b75%ON5.88±0.22 a34.03±0.94 a2.81±0.12 a0.89±0.04 a16.18±1.73 a286.75±13.07 a63.21±1.90 a149.47±6.15 b15.81±0.45 a53.25±1.93 b41.28±2.46 a100%ON5.94±0.15 a35.52±1.72 a2.79±0.07 a0.94±0.02 a16.30±1.02 a289.64±11.77 a67.46±3.88 a171.02±7.09 a16.20±1.12 a62.40±3.47 a42.40±2.24 a 注: CK—不施肥对照；CF—全部化肥处理；25%ON、50%ON、75%ON和100%ON分别代表有机肥氮比例为25%、50%、75%、100%的处理。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: CK—No fertilizer control; CF—Chemical fertilizer; 25%ON, 50%ON, 75%ON and 100%ON represent the treatments with organic N ratio of 25%, 50%, 75%, and 100%, respectively. Cation exchange capacity Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P<0.05).

有机肥比例显著影响着土壤中与碳、氮、磷转化相关的酶活性以及微生物生物量碳氮含量 (表4)。与单施化肥CF相比，25%ON处理显著提高了β-葡糖苷酶活性；50%ON显著提高了除酸性磷酸酶外的其余2个酶的活性，以及MBC和MBN含量；75%ON和100%ON提升了所有测定酶活性和微生物生物量碳、氮含量，且高有机肥比例的提升效果更显著。

表 4 不同施肥处理土壤酶活性及微生物生物量碳、氮含量

Table 4. The enzyme activities and MBC and MBN contents in soils under different fertilizations

处理
Treatment脲酶
Urease
[NH4＋-N mg/(g·d)]酸性磷酸酶
Acid phosphatase
[mg/(g·d)]β-葡糖苷酶
β-Glucosidase
[nmol/(g·h)]微生物生物量碳
MBC
(mg/kg)微生物生物量氮
MBN
(mg/kg) CK65.42±6.07 d1936.43±107.33 c509.63±11.54 c127.37±4.75 c10.49±0.58 cCF79.94±3.42 c2005.86±119.69 bc534.17±34.31 c131.89±7.48 c11.88±0.72 bc25%ON84.81±4.10 bc2147.41±36.56 abc613.07±21.40 b143.09±9.00 bc12.77±1.31 b50%ON89.84±8.56 ab2243.05±179.85 ab704.47±33.79 a158.75±5.62 ab14.41±0.72 a75%ON90.98±2.89 ab2336.01±91.14 a708.32±24.34 a163.86±12.66 a14.82±0.98 a100%ON98.87±5.23 a2320.28±204.33 a723.26±32.59 a172.36±12.65 a15.39±0.50 a 注：CK—不施肥对照；CF—全部化肥处理；25%ON、50%ON、75%ON和100%ON分别代表有机肥氮比例为25%、50%、75%、100%的处理。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: CK—No fertilizer control; CF—Chemical fertilizer; 25%ON, 50%ON, 75%ON and 100%ON represent the treatments with organic N ratio of 25%, 50%, 75%, and 100%, respectively. MBC—Microbial biomass carbon; MBN—Microbial biomass nitrogen. Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P<0.05).

对所有指标进行相关性分析，结果(图1)表明，土壤容重与其他指标均呈负相关关系，特别是与土壤大团聚体(R0.25)、β-葡糖苷酶、有机质含量负相关关系达显著水平；全钾与大多数指标相关性较弱，与土壤阳离子交换量(CEC)、脲酶活性、速效钾、β-葡糖苷酶、有机质含量呈显著正相关关系(P<0.05)；其余指标之间相关性均达到显著、极显著水平(P<0.05, P<0.01)；在所有指标中，有机质含量以及β-葡糖苷酶活性与其余指标的相关性均达到显著水平，说明土壤有机碳含量以及碳循环对土壤物理结构、养分以及微生物活性均有较强烈的影响。

图 1 各指标的相关关系

注：R0.25—粒径>0.25mm团聚体；OM—有机质；TN—全氮；TP—全磷；TK—全钾；AN—有效氮；AP—有效磷；AK—速效钾；CEC—阳离子交换量；MBC—微生物生物量碳；MBN—微生物生物量氮.

Figure 1. Correlation between indicators

Note: R0.25—Size>0.25 mm aggregate; OM—Organic matter; TN—Total N; TP—Total P; TK—Total K; AN—Available N; AP—Available P; AK—Available K; CEC—Cation exchange capacity; MBC—Microbial biomass carbon; MBN—Microbial biomass nitrogen.

2.2 土壤肥力单因素评价与综合肥力评价

变异系数大小说明了变异程度大小，按照变异系数<10%为弱变异性，变异系数=10%～100%为中等变异性，变异系数>100%为强变异性[44−46]的原则，利用SAS软件对15项土壤指标进行描述统计分析(表5)。从表5可以看出，属于弱变异性的指标有R0.25、pH及有机质、全氮、全钾、有效氮含量和酸性磷酸酶，换句话说，这7个指标在土壤中相对稳定，受外界因子的影响较小；中等强度变异的指标有全磷、有效磷、速效钾含量及阳离子交换量、脲酶、β-葡糖苷酶、微生物生物量碳、微生物生物量氮，其中又以全磷与有效磷的变异系数较大，分别为20.07%和38.01%，说明全磷和有效磷对施肥处理的响应相对灵敏，具体到本试验，有机肥投入比例对土壤磷素养分的影响较大。

表 5 土壤属性描述性统计量

Table 5. Descriptive statistics of soil properties

变量 Variable 均值 Mean 极差 Range 最小值 Min. 最大值 Max. 标准差 SD 变异系数 CV (%) R0.25 47.14 14.34 39.89 54.23 3.62 7.68 pH 5.54 1.02 5.06 6.08 0.32 5.76 有机质 Organic matter (g/kg) 32.15 9.57 27.46 37.03 2.66 8.27 全氮 Total N (g/kg) 2.67 0.68 2.27 2.95 0.19 6.99 全磷 Total P (g/kg) 0.76 0.46 0.51 0.97 0.15 20.07 全钾 Total K (g/kg) 15.76 4.78 13.33 18.11 1.20 7.59 有效氮 Available N (mg/kg) 267.24 74.33 228.83 303.16 23.34 8.73 有效磷 Available P (mg/kg) 45.51 48.30 23.60 71.90 17.30 38.01 速效钾 Available K (mg/kg) 134.22 79.81 96.92 176.72 23.28 17.34 阳离子交换量 CEC (cmol/kg) 14.64 5.33 12.02 17.35 1.56 10.65 酸性磷酸酶 Acid phosphatase [mg/(g·24 h)] 2164.84 722.17 1833.82 2555.99 197.90 9.14 脲酶 Urease [NH4+-N mg/(g·24 h)] 84.97 44.96 58.61 103.57 11.71 13.78 β-葡糖苷酶 β-glucosidase [nmol/(g·h)] 632.15 241.27 501.91 743.18 91.41 14.46 微生物生物量碳 MBC (mg/kg) 149.55 64.94 122.00 186.94 18.77 12.55 微生物生物量氮 MBN (mg/kg) 13.29 5.89 10.06 15.95 1.93 14.49 Note: CEC—Cation exchange capacity; MBC—Microbial biomass carbon; MBN—Microbial biomass nitrogen; SD—Standard deviation; CV—Coefficient of variation.

根据土壤肥力综合指数(IFI)的公式计算各处理的IFI。15项肥力评价指标的隶属度值由各指标对应的隶属度函数得出，各指标的权重值由主成分分析得到。隶属度值分析结果由雷达图呈现(图2)，由图2可知，全钾(TK)距中心点的距离较近，说明供试土壤缺钾严重，且不同施肥处理对钾素养分提升效果甚微，其余指标分布比较分散，说明不同施肥处理对其有着明显影响。

图 2 各指标隶属度值的雷达图

注：R0.25—粒径>0.25mm团聚体；OM—有机质；TN—全氮；TP—全磷；TK—全钾；AN—有效氮；AP—有效磷；AK—速效钾；CEC—阳离子交换量；MBC—微生物生物量碳；MBN—微生物生物量氮。

Figure 2. Radar plot of membership value of indicators

主成分分析结果表明，KMO检验(KMO值为0.8)说明原有变量适宜做主成分分析，得到每个指标的公因子方差及其权重值(表6)。由表6可知，前2个主成分(特征值大于1)对于总方差的累计贡献率达到84.22%，同时各指标公因子方差均大于70.7%，说明前2个主成分能够较好的反映土壤各指标以及整体信息。

表 6 肥力指标主成分分析

Table 6. Principal components analysis (PCA) of soil fertility indicators

指标
Index主成分
Principal component公因子方差
Communality权重
Weight12 特征值 Eigenvalues11.4921.140贡献率 (%)
Contribution76.6167.602累积贡献率 (%)
Cumulative contribution76.61684.218因子载荷 Factor loadingR0.250.858−0.1810.7690.061pH0.854−0.3590.8580.068有机质 Organic matter0.886−0.1490.8080.064全氮 Total N0.8130.2130.7070.056全磷 Total P0.9720.0060.9440.075全钾 Total K0.5390.7600.8680.069有效氮 Available N0.8720.2580.8260.065有效磷 Available P0.965−0.0700.9360.074速效钾 Available K0.943−0.2340.9440.075阳离子交换量 CEC0.918−0.0350.8440.067酸性磷酸酶
Acid phosphatase0.7800.3340.7210.057脲酶 Urease0.842−0.2810.7880.062β-葡糖苷酶
β-Glucosidase0.9560.0510.9170.073微生物生物量碳 MBC0.9130.0940.8420.067微生物生物量氮 MBN0.926−0.0620.8620.068 注：加粗数字代表高权重指标。
Note: Bold character indicate highly weighted indicators. CEC—Cation exchange capacity; MBC—Microbial biomass carbon; MBN—Microbial biomass nitrogen.

由图3可知，与CK相比，所有施肥处理均显著提高了土壤肥力综合指数；与CF相比，所有配施有机氮肥处理均显著提高了土壤肥力综合指数，且随着有机氮肥配施比例的升高，肥力指数呈现递增趋势。以上结果表明，施肥可以提高土壤肥力，配施有机肥效果更好，而且有机肥的配施比例越高，培肥效果越好。

图 3 土壤肥力综合指数

注：CK—不施肥对照；CF—化肥；25%ON，50%ON，75%ON，100%ON—分别为25%、50%、75%、100%有机氮占总氮量比例。柱上不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。

Figure 3. Integrated fertility index (IFI) of soil

Note: CK—No fertilizer; CF—Chemical fertilizer; 25%ON, 50%ON, 75%ON, 100%ON—the ratio of organic fertilizer-N in total N supply is 25%, 50%, 75%, 100%, respectively. Different lowercase letters above the bars mean significant difference among treatments (P<0.05).

2.3 水稻产量及其与土壤肥力的关系

由表7可知，与不施肥处理相比，施肥处理均显著提高了稻谷产量，有机氮配施比例为25%与50%时，早、晚稻以及年总产量与单施化肥处理无显著差异，而有机氮比例升高至75%与100%时，早稻产量和年总产量均显著低于单施化肥处理，可能由于高比例有机肥中的养分释放速度过慢，无法满足当季水稻形成产量的需要，尤其是对早稻影响更大，早稻生长期间气温较低不利于有机肥中养分释放，晚稻因有前一季的养分残留效应，受影响相对较小。以上结果说明，培肥5年内施入高比例(>50%)有机氮肥不利于产量的维持。

表 7 不同处理的稻谷产量 (t/hm2)

Table 7. Rice grain yield of different treatments

处理
Treatment早稻
Early rice晚稻
Late rice总产量
Total yield CK2.33±0.22 c4.18±0.16 c6.51±0.25 dCF5.66±0.10 a6.10±0.16 a11.76±0.14 a25%ON5.60±0.29 a6.15±0.27 a11.75±0.36 a50%ON5.51±0.22 a6.11±0.19 a11.61±0.09 a75%ON4.81±0.342 b5.82±0.72 ab10.62±0.34 b100%ON4.52±0.25 b5.52±0.21 b10.04±0.40 c 注：CK—不施肥对照，CF—全部化肥处理，25%ON、50%ON、75%ON 和 100%ON分别代表有机肥氮比例为25%、50%、75%、100%的处理。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著 (P<0.05)。
Note: CK—No fertilizer control, CF—Chemical fertilizer. 25%ON, 50%ON, 75%ON and 100%ON represent the treatments with organic N ratio of 25%, 50%, 75%, and 100%, respectively. Values followed by different small letters in the same column mean significant difference among treatments (P<0.05).

为了研究有机氮、无机氮投入量与土壤物理、化学以及生物学性状、综合肥力指数和产量的相互关系，构建了偏最小二乘路径模型 (PLS-PM, 图4)。物理、化学与生物学指标均为参与综合肥力指数评价的相应集合。结果显示，拟合度为0.744，整体模型性能较好。有机氮与化肥氮对物理、化学性状以及综合肥力指数的路径系数均达到显著水平，且有机氮投入对综合肥力指数的路径系数远大于无机氮，说明有机肥与化肥的施入对综合土壤肥力有着直接显著的影响，有机肥的影响大于化肥。对于产量，只有化肥氮投入量的路径系数达到显著水平，而有机肥对产量无此效应，由此导致土壤肥力随有机氮投入比例升高而递增，产量则随着化肥投入比例增加而递增，这说明产量的高低主要取决于速效养分的供应情况，而非长效养分的释放，再次证明了化肥对当季作物产量的突出贡献，有机肥对土壤肥力的重要作用，因此，必须均衡考虑高比例有机肥利于培肥，低比例有机肥有利于稳定产量，适宜的配施比例才能达到土壤培肥与稻谷增产的“双赢”目的。

图 4 有机无机氮肥投入对土壤肥力综合指数与产量影响的偏最小二乘路径模型分析

注: 路径系数由 1000 次自助抽样法计算得出，变量间箭头和联线粗细分别表示路径系数方向和大小，数字旁“*”表示路径系数达显著水平 (P<0.05).

Figure 4. Effects of organic and chemical fertilizer input on integrated fertility index and rice yield analyzed by the partial least squares path mode (PLS−PM)

Note: Path coefficients are calculated after 1000 bootstraps. The arrow indicates the effect direction, and the thickness of line between indicators represents the values of path coefficient, the thicker, the higher of the path coefficient, and the “*” beside data indicates significant path coefficient (P<0.05).

3. 讨论

土壤质量评价方法有很多种，其中运用最多的是综合指数法和内梅罗指数法[4]。土壤肥力质量评价优先考虑综合指数法，而土壤环境质量或健康质量评价，则首选内梅罗指数法[4]。本研究表明，施肥可以显著提高土壤养分含量与综合肥力指数，与单施化肥处理相比，不同比例有机肥的配施处理对土壤大团聚体含量、团聚体平均重量直径、土壤养分、土壤酶活性以及微生物生物量碳氮均有明显提高，且高比例有机肥配施效果更好，最终的土壤综合肥力指数 (IFI) 也呈现出一致规律：所有施肥处理的IFI显著高于不施肥处理，有机肥处理的IFI显著高于单施化肥处理，有机氮配施比例越高IFI也越大，说明IFI可以比较准确地反映土壤肥力。

有机肥还可以改善土壤结构，提高土壤养分含量从而提升土壤肥力[1, 22]，且随着有机肥施用量的增加其提升效果越明显[9]。在本研究中，与单施化肥相比，配施50%及以上有机肥均促进了大团聚体的形成，提高了土壤结构的稳定性，配施25%有机肥仅显著提高了全磷、有效磷和有效锌含量以及β-葡糖苷酶活性，配施50%有机肥时显著提高了有机质、全氮、全磷、有效氮、有效磷、速效钾、有效锌、阳离子交换量、微生物生物量碳氮含量以及脲酶、β-葡糖苷酶活性等12项化学与生物学指标，而75%ON和100%ON处理显著提高了除土壤全钾含量外的其余16项指标，最终的IFI随有机肥配施比例升高而递增，说明配施有机肥对土壤理化特性与生物学特性均有较好的改善与提高，利于土壤生态环境的整体提升，且高比例有机肥的提升效果更好。

高比例有机肥培肥效果更好可能与其带入大量的养分有关。本研究所用猪粪有机肥所含的N、P2O5、K2O、有机碳养分极其丰富，由于所有施肥处理均以等量氮磷钾投入为原则，以氮素等量为标准计算，因此，随着有机肥配施比例的升高，P2O5、K2O、有机碳养分带入量增加，当配施比例大于50%时，磷、钾养分不同程度地高于单施化肥处理，相关性分析表明有机质含量与容重呈显著负相关，与其它指标显著正相关，说明有机质对提升肥力其余指标也有着重要的影响。因此，高比例有机肥除了直接带入大量的养分外，改善土壤结构与提高微生物活性的间接效应也是显而易见的，可见，有机肥比例越高，对土壤理化性状与生物学特性提升效果越好，这可能正是土壤综合肥力随有机肥比例升高而递增的内在原因。

有机无机肥不同配施比例以及不同施用年限对土壤培肥效果以及作物产量的影响均有差异[22−25]。在长达20年培肥期限时，有机肥配施比例70%对于提高土壤肥力与稻谷产量均达到最佳状态[26]，本研究表明，有机氮配施化肥氮连续施用5年，有机肥配施比例越高土壤肥力综合指数越高，而产量则表现为有机肥配施比例在75%以上时产量呈下降趋势，尤其是早稻更明显，这可能由于有机肥的缓释性导致的当季利用率偏低、养分供应不及时影响产量的提高。因为水稻关键生育期只有几十天，而有机肥的养分分解与释放则是一个漫长的过程，如果在水稻关键生育期有机肥释放的养分不能满足其生长所需，在一定程度上会影响产量的发挥；在早稻生长时期，整体气温偏低，不利于有机肥分解，而且早稻生育期较短，因此高比例有机肥的缓慢分解很可能对早稻产量造成不利影响；相比之下，晚稻生长期间，气温偏高，利于有机肥分解，加上前茬残留效应，高比例有机肥对晚稻产量的影响小于早稻。本试验采集的土壤样品为晚稻收获后，土壤中的养分含量为肥料的残留量，高比例有机肥处理下土壤中养分残留量也较高，进一步证明在水稻生育期被吸收利用的养分较少，导致有机肥养分残留较多，因此，后续还需要进一步探讨不同有机肥配施比例下有机肥有效养分的释放规律与水稻养分需求规律的吻合性，更好地解释稻田施用适宜比例有机肥提高产量的原因。本研究与已有报道结论不同，可能由于培肥年限差距较大所致，随着培肥时间延长，有机肥处理下土壤中长期积累的有效养分足以在很大程度上满足水稻生长发育需要，则可以同步达到培肥与增产的目的。本试验结果表明，有机氮和无机氮对土壤肥力与产量的影响截然不同。PLS-PM路径分析说明，有机氮肥与无机氮肥的投入量对土壤肥力的影响均达到显著水平，尤其是有机肥的影响更大，而产量则只受到无机氮肥投入量的显著影响，即化肥对产量的当季贡献占绝对优势，而有机肥对土壤肥力提升极其重要。因此，要兼顾土壤培肥效果与增产效应就需要平衡无机肥与有机肥的投入比例，还要考虑培肥年限的影响。本试验证明，在短期内，有机肥配施比例宜控制在50%以下才能达到培肥与稳产双赢目的，随着培肥时间的延长，土壤中养分逐渐累积，可以适当提高有机肥配施比例。