近年来, 人们在农业生产中长期大量施用化肥, 造成土壤酸化, 土壤养分失调, 面源污染等问题.这不仅降低作物对氮素和磷素的吸收利用率, 而且严重影响作物的产量和品质^[1].因此, 减少化肥施用量并配合其他有机肥来缓解过量施肥带来的土壤质量退化是农业生产中亟需解决的问题.生物炭作为一种新型有机肥主要来源于工农业生产中的废弃物, 其在降低土壤容重, 提高土壤肥力等方面具有多重效益, 已逐步在农业生产中广泛利用^[2]；秸秆还田已成为我国农作物肥料结构变化的关键性技术措施之一, 我国每年秸秆总资源可以达到8亿t, 占世界总量的1/3左右^[3].秸秆中含有大量的氮素、磷素, 将秸秆还田后, 可以有效减少化肥的施用量, 提高肥料利用率, 从而达到土壤培肥的效果^[4~6].秸秆作为新兴的生物质能源, 通过合理的还田, 不仅能实现资源循环再利用, 还可以缓解化肥过量施用带来的土壤退化等问题.

生物炭和秸秆还田对土壤养分和作物的影响已成为国内外研究的热点.随着向土壤中施用生物炭数量和年限的增加, 土壤pH值和碳氮比呈现上升趋势, 土壤容重降低^[7], 同时生物炭具有丰富的孔隙度和较大的比表面积, 因此具有较强的吸附性, 可以显著地减少土壤养分流失^[8].Alburquerque等^[9]通过小区试验, 向土壤中加入生物炭后发现植株生物量增加了26%~31%, 并有效促进了植株叶片的生长.Jeffery等^[10]通过统计分析生物炭与作物生产力之间的关系发现, 施用生物炭可以使作物平均增产10%左右；秸秆还田对土壤养分和作物产量具有一定的影响.陈淼等^[11]研究表明, 与单施化肥相比, 秸秆还田可以提高辣椒产量7.57%.陈正刚等^[12]通过3 a田间试验, 在翻压15 t·hm^-2光叶苕子并配合减少45%化肥用量发现玉米产量可达到当地常规产量, 减少15%~30%的化肥用量, 玉米产量可显著增加13.52%~25.70%, 同时可以提高土壤有机质、全氮、速效氮含量, 保持有效磷和有效钾含量, 降低土壤容重.

目前对于化肥减量配施生物炭或者秸秆还田的研究主要集中在东北和华北等北方地区^[13~15], 对南方地区的研究较少, 主要集中在配施不同比例的肥料、耕作方式和不同肥料施加量等方面^[16~19], 特别是在三峡库区紫色土旱坡地的配施生物炭和秸秆还田对土壤养分及油菜/玉米轮作产量等的影响方面鲜见研究.长江上游的紫色丘陵区是我国西南地区重要的农业区域.本试验通过研究化肥减量配施生物炭或秸秆还田对紫色土旱坡地土壤不同氮素、磷素形态以及作物各部位氮、磷养分含量及产量的影响, 揭示减量施肥配施生物炭或秸秆在协调土壤养分供应方面的作用机制, 达到提高化肥利用率, 减少环境污染, 以期为三峡库区施肥方式提供科学依据, 实现农业资源可持续利用.

本试验位于中国科学院成都山地所三峡库区水土保持与环境研究试验站(E108°10′, N30°22′).研究区属亚热带东南季风区, 年均温度19.2℃, 年均降雨量为1 150 mm, 无霜期320 d左右.试验小区位于长江主河道北岸, 土壤为紫色土, 坡度为15°, 在三峡库区坡耕地类型上具有很强的代表性, 土壤基本理化性质为：pH 8.3, 有机质7.6 g·kg^-1, 速效磷9.2 mg·kg^-1, 速效钾100 mg·kg^-1, 全氮0.35 g·kg^-1, 全磷0.30 g·kg^-1, 全钾32.3 g·kg^-1.试验中所用生物炭全氮含量为5.2 g·kg^-1, 全磷含量为3.1 g·kg^-1, 还田玉米秸秆的全氮含量为8.2 g·kg^-1, 全磷含量为3.2 g·kg^-1.

试验小区为长方形, 小区投影面积为100 m²(20 m×5 m), 底面以及四周均为混凝土修筑, 坡度为15°, 土层厚度为60 cm.本试验设置5个处理, 分别为：①不施肥处理(对照处理)；②常规施肥处理；③优化施肥处理；④减量施肥配施生物炭处理；⑤减量施肥配施秸秆处理.各处理分别标记为对照、常规、优化、生物炭和秸秆, 各处理3次重复, 具体施肥量见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 各处理施肥量/kg·hm-2 Table 1 Amount of fertilizer applied in each treatment/kg·hm-2 项目 处理 纯N P2O5 K2O 硼砂 对照 0 0 90 15 常规施肥 150 90 90 15 油菜季 优化施肥 120 75 90 15 85%优化施肥+4.5×103kg·hm-2(以秸秆计) 102 64.5 90 15 85%优化施肥+1×104 kg·hm-2(以生物炭计) 102 64.5 90 15 对照 0 0 135 — 常规施肥 300 150 135 — 玉米季 优化施肥 270 120 135 — 85%优化施肥+4.5×103kg·hm-2(以秸秆计) 229.5 102 135 — 85%优化施肥+1×104 kg·hm-2(以生物炭计) 229.5 102 135 —

表 1 各处理施肥量/kg·hm-2 Table 1 Amount of fertilizer applied in each treatment/kg·hm-2

本试验种植模式采用“油菜-玉米两熟”制, 于2017年10月23日种植油菜开始, 2018年10月22日结束, 油菜和玉米的肥料用量依照当地农民种植施用量进行减量施用, 各季作物栽培方式和田间管理措施均按照当地习惯进行.其中油菜于2017年10月23日栽种, 2018年4月29日收获.玉米于2017年4月13号栽种于油菜行间, 2018年7月20日收获.油菜季氮肥分基肥和薹肥两次施用(基肥占80%), 磷肥、钾肥、硼肥做基肥一次性施入, 基肥和薹肥施用时间分别为2017年11月7日和2017年12月5日, 于小雨前后撒施.玉米季肥料分2次施入, 第1次为玉米移栽时, 各处理均施入2.5 kg尿素, 其余肥料于4月27日一次性施入.

土样采集：在各个小区中作3次随机采样表层土(0~20 cm), 并将各个小区采样的土壤混合, 用四分法取1 kg鲜土带回实验室, 用于分析土壤的氮、磷等基本理化性质.试验过程共采样3次, 第1次(2017年10月22日)是试验处理前进行基础土样采集, 第2次(2018年4月29日)是油菜收获后采样, 第3次(2018年7月20日)是玉米收获后采样.

植株样采集：油菜和玉米在成熟后, 采用人工采摘法.每个试验小区的植株随机整取3株, 将其晒干后, 分别计算油菜、玉米产量和肥料利用率.

测定方法：土样测定的指标中, 全氮用H₂SO₄消煮-凯氏定氮法测定；全磷用NaOH熔融-钼锑抗比色法测定；全钾用NaOH熔融-火焰光度计法测定；铵态氮用KCl提取-靛酚蓝比色法测定；硝态氮用KCl提取-紫外分光光度法测定；速效磷用钼蓝比色法测定.泥沙样全氮、全磷测定方法与土样相同.植株样测定的指标中, 全氮用H₂SO₄-H₂O₂消煮, 蒸馏滴定测定；全磷用H₂SO₄-H₂O₂消煮, 钒钼黄比色法测定.

肥料农学利用率(kg·kg^-1)=(施肥处理产品-不施肥处理产品)/施肥量

具体测定详细步骤参见文献[20, 21].

利用SPSS 23.0和Excel 2016软件进行数据统计分析和图表制作.本文所有结果由3次重复数据的平均值表示.采用LSD法对各处理的数据进行方差分析和显著性检验, 显著性水平为0.05.

从图 1可以看出, 化肥减量及配施有机肥同样可以达到常规施肥对土壤铵态氮增加的效果.在油菜季中, 秸秆处理土壤铵态氮含量最高(4.51 mg·kg^-1), 较常规处理提高了88.7%.且常规处理、优化处理和生物炭处理之间均无显著差异(P>0.05)；同样在玉米季中, 各施肥处理间土壤铵态氮含量亦无显著性差异(P>0.05).试验小区中, 不同处理下的玉米季土壤铵态氮含量均显著高于油菜季.

图 1

Fig. 1

不同小写字母表示不同处理之间差异达显著水平(P < 0.05), 下同 图 1 不同施肥处理下土壤铵态氮含量的变化 Fig. 1 Contents of soil ammonium nitrogen under different fertilization treatments

化肥减量及配施有机肥可以有效提高土壤硝态氮含量.如图 2所示, 在油菜季中, 秸秆处理土壤硝态氮含量最高(4.16 mg·kg^-1), 是常规处理的1.22倍, 而生物炭处理的增加量却低于常规处理；在玉米季中, 优化处理以及配施生物炭和秸秆处理的土壤硝态氮均高于常规处理.相较于优化处理, 秸秆和生物炭处理均未明显表现出增加土壤硝态氮含量的趋势.在试验小区中, 各施肥处理下, 玉米季的土壤硝态氮含量均高于油菜季.

图 2

Fig. 2

图 2 不同施肥处理下土壤硝态氮含量的变化 Fig. 2 Contents of soil nitrate nitrogen under different fertilization treatments

如图 3所示, 在油菜季中, 化肥减量配施有机肥的土壤碱解氮含量均高于常规处理.其中, 秸秆处理下土壤碱解氮含量最高(41.11 mg·kg^-1), 同时生物炭处理与常规处理比较土壤碱解氮的含量也有所提高.但各施肥处理间碱解氮含量差异不显著(P>0.05)；在玉米季中, 秸秆处理的土壤碱解氮含量最高(49.29 mg·kg^-1), 优化处理的土壤碱解氮含量最低(34.58 mg·kg^-1).其中, 秸秆处理和生物炭处理表现出土壤碱解氮增加的趋势, 且较常规处理分别提高了12.6%和8.4%.在油菜季中, 各处理的土壤碱解氮含量均高于玉米季.同样, 化肥减量并配施生物炭和秸秆的处理均达到常规处理的土壤碱解氮含量的水平.

图 3

Fig. 3

图 3 不同施肥处理下土壤碱解氮含量的变化 Fig. 3 Contents of soil available nitrogen under different fertilization treatments

如图 4所示, 在油菜季中, 秸秆处理的土壤全氮含量表现为最高(0.55 g·kg^-1), 并且显著高于其他处理(P < 0.05), 秸秆处理较常规处理显著提高了69.70%.而生物炭处理较常规处理提高33.33%；在玉米季中, 秸秆处理的土壤全氮含量最高(0.60 g·kg^-1), 较常规处理提高了7.14%, 其次为生物炭处理(0.57 g·kg^-1), 其中秸秆处理和生物炭处理分别较优化处理提高了20%和14%.此外, 玉米季的各处理的土壤全氮含量同样高于油菜季.除玉米季优化处理外, 两季作物在化肥减量以及配施生物炭和秸秆处理下的土壤全氮含量均高于常规处理.

图 4

Fig. 4

图 4 不同施肥处理下土壤全氮含量的变化 Fig. 4 Contents of soil total nitrogen under different fertilization treatments

图 5所示, 在油菜季中, 秸秆处理下的土壤有效磷含量达到最高(10.76 mg·kg^-1).其中秸秆处理和生物炭处理分别较常规处理显著提高了128.7%和106.9%；在玉米季中, 秸秆处理的土壤有效磷含量达到最高水平(8.48 mg·kg^-1), 其次为生物炭处理(6.79 mg·kg^-1), 生物炭和秸秆处理分别较常规施肥处理显著提高了31.84%和64.66%, 而优化处理较常规处理含量显著降低了30.91%(P < 0.05).除常规处理外, 油菜季各处理的土壤有效磷含量均高于玉米季.另外, 化肥减量配施生物炭和秸秆处理也达到了有效提高土壤有效磷含量的目的.

图 5

Fig. 5

图 5 不同施肥处理下土壤有效磷含量的变化 Fig. 5 Contents of soil available phosphorus under different fertilization treatments

由图 6可以发现, 在油菜季中, 优化施肥处理可以较常规处理显著有效地提高土壤全磷含量, 并且含量表现最高(0.39g·kg^-1), 但其余各施肥处理之间差异不显著(P>0.05)；在玉米季中, 常规处理的土壤全磷含量最高(0.34g·kg^-1), 且各种优化、减量施肥配施生物炭和秸秆均未能达到常规施肥提供的全磷含量.但总体来说, 化肥减量以及配施生物炭和秸秆处理的土壤全磷含量也和常规处理的施肥效果相近.

图 6

Fig. 6

图 6 不同施肥处理下土壤全磷含量的变化 Fig. 6 Contents of soil total phosphorus under different fertilization treatments

从表 2中可以看出, 在油菜中, 各处理籽粒的全氮含量均显著高于植株其他部位(P<0.05), 且秸秆处理下含量最高(23.65 g·kg^-1), 较常规处理提高了4.09 g·kg^-1.而在茎秆、根系和果壳和果荚部位常规处理的全氮含量均表现为最高, 分别为3.46、3.04和5.07 g·kg^-1, 而各种优化、减量施肥配施生物炭和秸秆均未能达到常规施肥提供的全氮含量.在玉米中, 全氮含量同样集中在玉米的籽粒部分.优化处理的玉米籽粒全氮含量最高(14.01 g·kg^-1), 各施肥处理间并无显著差异；玉米根系和果壳/果荚的生物炭处理的全氮含量均表现为最高, 分别为6.39 g·kg^-1和4.97 g·kg^-1, 均显著高于其他各处理.从两种植株的全氮含量特征可以看出, 各处理下, 两种植株的全氮含量都主要集中在籽粒部位.此外, 化肥减量以及配施生物炭和秸秆处理的全氮含量均达到或超过常规处理的效果.

表 2 (Table 2)

表 2 不同施肥处理下油菜和玉米的全氮含量/g·kg-1 Table 2 Total nitrogen content of rapeseed and maize under different treatments/g·kg-1 作物 处理 籽粒 茎秆 根系 果壳/果荚 对照 15.45±1.15d 2.18±0.16b 1.99±0.15c 3.21±0.31b 常规 19.56±2.19b 3.46±0.21a 3.04±0.14a 5.07±0.48a 油菜 优化 17.06±2.21c 2.44±0.57b 2.47±0.08b 4.03±1.16ab 生物炭 16.25±1.56cd 2.6±0.14b 2.86±0.23a 2.87±0.19b 秸秆 23.65±1.81a 2.13±0.12b 2.16±0.13bc 3.89±0.31ab 对照 8.38±1.2d 2.91±0.27e 2.91±0.11d 2.66±0.06c 常规 13.77±2.31ab 6.71±1.23b 4.93±0.25c 3.75±0.43b 玉米 优化 14.01±2.53a 5.53±0.74d 5.11±0.47bc 4.45±0.63ab 生物炭 13.04±2.03c 8.44±0.64a 6.39±0.27a 4.97±0.78a 秸秆 13.27±0.92bc 5.87±0.75c 5.41±0.39b 3.96±0.12b 1)不同小写字母表示植株同一部位不同处理之间差异达显著水平(P<0.05), 下同

表 2 不同施肥处理下油菜和玉米的全氮含量/g·kg-1 Table 2 Total nitrogen content of rapeseed and maize under different treatments/g·kg-1

从表 3中可以看出, 在油菜中, 全磷含量主要集中在籽粒部分, 其中生物炭处理的籽粒全磷含量最高(7.81 g·kg^-1), 与常规处理相比提高了23.58%, 其他各处理间无显著差异性；常规处理下茎秆的全磷含量最高(2.58 g·kg^-1), 是全磷含量最低(0.67 g·kg^-1)的秸秆处理的2.85倍；在根系的全磷含量中, 生物炭处理含量最高(1.19 g·kg^-1), 较常规处理显著提高了15.53%, 其余各处理间未达到显著水平；常规处理的果壳/果荚全磷含量最高(1.84 g·kg^-1), 除与秸秆处理差异不显著外, 与其他各处理间均有显著性差异(P<0.05).在玉米中, 全磷含量同样集中在籽粒中.其中, 生物炭处理下的全磷含量表现为最高(3.21 g·kg^-1).且在其余3个玉米植株部位生物炭处理的全磷含量均表现为最高, 分别为1.19、1.61和0.72 g·kg^-1.同时, 优化施肥和秸秆还田处理植株各部位的全磷含量也与常规处理相近.总之, 从两种植株的全磷含量特征可以看出, 油菜和玉米的全磷含量都主要集中于籽粒中.同时也可以看出化肥减量配施有机肥可以有效提高植株的全磷含量.

表 3 (Table 3)

表 3 不同施肥处理下油菜和玉米的全磷含量/g·kg-1 Table 3 Total phosphorus of rapeseed and maize under different treatments/g·kg-1 作物 处理 籽粒 茎秆 根系 果壳/果荚 对照 6.29±0.28b 1.53±0.11c 0.70±0.13b 1.03±0.11c 常规 6.32±0.97b 2.58±0.34a 0.60±0.11b 1.84±0.30a 油菜 优化 6.03±0.86b 1.9±0.43ab 0.64±0.08b 1.48±0.16b 生物炭 7.81±0.93a 2.24±0.23ab 1.19±0.28a 1.08±0.15c 秸秆 6.43±0.28b 0.67±0.18d 0.79±0.13b 1.71±0.19ab 对照 2.45±0.45b 1.35±0.11a 1.59±0.14a 0.84±0.32a 常规 2.9±0.14ab 0.65±0.05b 1.03±0.09b 0.68±0.07a 玉米 优化 2.61±0.08ab 0.84±0.13b 0.86±0.07bc 0.61±0.04a 生物炭 3.21±0.21a 1.19±0.12a 1.61±0.16a 0.72±0.05a 秸秆 3.13±0.16a 1.14±0.16a 0.82±0.04c 0.55±0.05a

表 3 不同施肥处理下油菜和玉米的全磷含量/g·kg-1 Table 3 Total phosphorus of rapeseed and maize under different treatments/g·kg-1

由表 4可以看出, 就油菜产量而言, 各施肥处理中生物炭处理的油菜产量最高(2 328 kg·hm^-2), 较常规处理增产5.1%.各施肥处理均无显著差异性(P>0.05)；就玉米产量而言, 常规处理玉米产量最高(5 838 kg·hm^-2), 与各施肥处理相比提高了5.46%~22.51%, 但各施肥处理同样无显著差异性.总体而言, 化肥减量以及配施生物炭和秸秆处理能有效地达到减肥增产的效果.

表 4 (Table 4)

表 4 不同施肥处理下油菜和玉米产量/kg·hm-2 Table 4 Yields of rapeseed and maize and maize under different treatments/kg·hm-2 处理 油菜产量 玉米产量 对照 813±59b 3 446±623b 常规 2 215±411a 5 838±1 064a 优化 2 207±343a 5 162±859a 生物炭 2 328±372a 4 765±897a 秸秆 1 962±363a 5 536±827a

表 4 不同施肥处理下油菜和玉米产量/kg·hm-2 Table 4 Yields of rapeseed and maize and maize under different treatments/kg·hm-2

通过计算各施肥处理的肥料农学利用率发现(表 5), 油菜季, 各减量施肥处理均可提高氮肥和磷肥的利用率.其中, 生物炭处理肥料农学利用率提高幅度最大, 氮和磷利用率分别为14.85 kg·kg^-1和23.76 kg·kg^-1, 氮肥和磷肥利用率分别较常规处理提高了58.99%和52.60%.玉米季, 秸秆处理的肥料利用率最高, 氮和磷利用率分别为9.10 kg·kg^-1和20.48 kg·kg^-1, 氮、磷肥利用率较常规处理分别提高了99.12%和30.74%.总之, 化肥减量以及配施生物炭和秸秆的油菜和玉米的肥料利用率普遍高于常规处理.

表 5 (Table 5)

表 5 不同处理下油菜和玉米的肥料农学利用率/kg·kg-1 Table 5 Agronomic fertilizer utilization efficiency of plants under different treatments for rapeseed and maize and maize/kg·kg-1 处理 油菜 玉米 氮肥 磷肥 氮肥 磷肥 常规 9.34 15.57 4.57 15.94 优化 11.61 18.58 6.35 14.29 生物炭 14.85 23.76 5.75 12.93 秸秆 11.26 18.02 9.10 20.48

表 5 不同处理下油菜和玉米的肥料农学利用率/kg·kg-1 Table 5 Agronomic fertilizer utilization efficiency of plants under different treatments for rapeseed and maize and maize/kg·kg-1

氮素是植物在生长过程中需求量最大的元素之一, 其含量高低是衡量土壤肥力的重要依据^[22].化肥减量配施有机肥可以改善土壤养分^[23~24], 张迎春等^[25]通过研究生物有机肥部分替代化肥对莴笋生长情况及土壤理化性质的影响发现, 生物有机肥替代化肥可以显著提高土壤氮素含量, 改善莴笋根际土壤的理化性质.殷大伟等^[26]的研究表明生物炭基肥等量替代化肥可以增加土壤铵态氮和硝态氮的含量, 达到减肥增效的效果.本试验结果表明, 化肥减量配施生物炭和秸秆的土壤铵态氮、硝态氮、碱解氮和全氮含量普遍达到甚至超过常规处理, 本研究认为化肥减量配施秸秆和生物炭可以提高土壤氮素的含量.其中秸秆处理的土壤氮素含量较常规处理有显著的增加, 这是因为秸秆的含氮量高, 在分解的过程中可以释放更多氮素, 并且秸秆还田可以防止雨水冲击, 阻挡雨水下渗从而降低地表径流和壤中流的径流量, 使更多的氮素保存在土壤中, 可以有效减少径流量, 从而减少氮素流失, 提高土壤氮素滞留时间^[27]；化肥减量配施生物炭对土壤氮素增长的原因在于生物炭可以改善土壤的通气状况, 增加阳离子交换量, 也可以促使土壤中氮的固定, 减少氮素流失, 提高氮素供应能力, 从而增加土壤氮素含量^[28], 另外生物炭具有丰富的孔隙度和较大的比表面积, 因此具有较强的吸附性, 可以有效吸附土壤中的氮素, 减少氮素的淋溶, 从而提高土壤氮含量, 达到降低施肥成本、提高土壤氮素含量的要求^[28].

土壤速效磷可以直接影响微生物的活性, 进而对化肥养分的释放速率和强度造成影响^[29], 黄绍敏等^[30]认为化肥减量配施秸秆可以降低土壤的固磷能力, 提高土壤磷的有效性.本研究中化肥减量配施秸秆处理较常规处理能显著提高土壤有效磷含量, 且达到最高水平, 这与王秀娟等^[31]的研究结果一致, 因为秸秆经过长期腐解, 其内部易矿化的有机磷加速释放到土壤, 提升了土壤有效磷的含量^[32].同时, 生物炭含有丰富的氮磷养分^[27], 本试验化肥减量配施生物炭提高了土壤有效磷的含量.对于土壤全磷含量而言, 化肥减量配施生物炭和秸秆处理较常规处理有所提高, 这不仅验证了Wang等^[33]的研究结果, 也说明化肥减量有机替代可以有效提高土壤全磷的含量, 达到化肥减量和增效的目标.

化肥减量配施有机肥不仅能提高作物的养分利用效率, 减少肥料损失, 还可以防止因化肥过量施用而造成的环境问题^[34].本试验发现, 化肥减量配施有机肥后, 油菜和玉米的氮、磷含量均为籽粒部分最高, 且秸秆还田的油菜籽粒较其他各处理的氮含量提高幅度最大, 这与邬梦成等^[34]的研究结果相印证.生物炭处理明显提高了油菜和玉米籽粒的磷含量, 这是因为生物炭本身含磷量较高且具有较强的吸附性, 可以有效减少土壤磷素流失^[8].作物养分的积累和分配因施肥方式不同而异, 合理的施肥有利于作物养分的积累和高效利用.通过计算肥料农学利用率发现, 油菜季, 生物炭和施秸秆处理的氮肥、磷肥利用率均高于常规施肥处理, 说明减量施肥配施生物炭或秸秆可以提高油菜的氮肥和磷肥利用率, 这可能是因为生物炭和秸秆可以有效增加土壤氮素, 改善土壤环境, 促进土壤微生物的生长和繁殖, 增加土壤微生物的生物量碳、氮以及土壤养分含量, 提高相关酶的活性, 从而增加油菜易吸收利用养分的转化量和转化速率, 进而提高氮素和磷素的利用效率^{[35, 36]}.李杰等^[37]的研究发现化肥减量配施有机肥可以提高作物氮、磷养分的利用率以及其积累量, 与本文的研究结果一致.说明化肥减量配施有机肥可促进养分向有效态转化, 提高土壤氮和磷养分含量, 协调土壤养分平衡供应, 对提高养分资源的利用效率有显著作用.

化肥减量配施有机肥可以增加土壤氮、磷养分, 促进作物生长发育, 提高作物产量, 从而达到经济效益与环境效益的相统一.本研究发现, 化肥减量配施有机肥没有出现减产的现象, 甚至可以达到稳产以及略有增产的效果.黄容等^[5]的研究发现秸秆全量覆盖与化肥减量20%~30%配合使用, 可以提高水稻产量.另外, 有研究表明生物炭基肥与肥料混施也可以显著提高作物的产量^[38], 这和本研究结果基本一致.因此化肥减量配施有机肥技术能实现节约生产成本、保护生态环境、作物产量不减产的多重目标.

对肥料农学利用率与作物产量的相关关系分析发现(表 6), 油菜产量和玉米产量都与氮肥、磷肥的肥料农学利用率显著相关(P < 0.05), 这说明作物产量与氮肥、磷肥的施用量密切相关, 且油菜籽粒和玉米籽粒中全氮、全磷的含量都高于其他部位, 这和油菜、玉米在生长发育时籽粒部位对氮素、磷素的需求量较大有关, 氮肥和磷肥的施用可明显促进油菜生长发育, 能显著提高油菜和玉米的产量^{[39, 40]}.同时, 化肥减量配施有机肥的肥料农学利用率也达到甚至高于常规施肥处理, 说明化肥减量配施有机肥可以提高作物对养分的有效吸收, 增加作物的产量.因此在种植油菜、玉米等作物的时候可以通过化肥减量合理搭配生物炭和秸秆来改善土壤质量、增强作物吸收养分能力、提高作物产量.

表 6 (Table 6)

表 6 肥料农学利用率与作物产量的相关关系1) Table 6 Correlation between fertilizer utilization rate and crop yield N(油菜) P(油菜) N(玉米) P(玉米) 油菜产量 玉米产量 N(油菜) 1 0.999** — — 0.716* — P(油菜) 1 — — 0.745* — N(玉米) 1 0.936** — 0.745* P(玉米) 1 — 0.740* 油菜产量 1 — 玉米产量 1 1) *表示在0.05水平上显著相关, **表示在0.01水平上显著相关

表 6 肥料农学利用率与作物产量的相关关系1) Table 6 Correlation between fertilizer utilization rate and crop yield

三峡库区紫色土旱坡地在油菜/玉米轮作下, 通过化肥减量配施生物炭和秸秆能够有效提高土壤氮素和磷素含量, 同时提高油菜、玉米的产量和肥料农学利用率.其中, 化肥减量配施有机肥的作物产量普遍达到甚至超过常规处理的水平.化肥减量配施生物炭提高油菜肥料利用率最高；秸秆处理提高玉米的肥料利用率最高.因此, 合理地进行化肥减量配施有机肥不仅能保证作物的稳产增产, 而且能降低环境污染的风险, 实现农业资源循环再利用.