中国是化肥生产和使用大国，农村农业部发布的《到2020年化肥使用量零增长行动方案》指出，目前，我国在化肥施用中存在着化肥施用量偏高，有机肥资源利用率低等问题，有机肥替代氮肥减施是有效、合理地解决这些问题的途径之一。有机肥替代氮肥减施既能解决化肥使用量高、有机肥利用率低的问题，又能够实现化肥施用零增长甚至负增长。黑土区有机肥储量大，养分含量丰富，大面积实行有机肥替代化肥具有较高可行性。以往研究中，有机肥替代多集中在植物对土壤养分的吸收和土壤化学性质的影响上 [1-3]，对土壤物理性质的影响鲜有报道，有机肥替代在种植玉米上对土壤物理性质的影响研究较少 [4]。《黑龙江省畜禽粪尿资源处理利用技术指导意见》中只给出具体的有机肥替代公式，而没有明确指出玉米种植过程中有机肥替代化肥比例。本研究通过田间试验，设置不同比例有机肥替代处理，探讨其对土壤物理性质、有机质和速效养分含量的影响，提出随着有机肥替代氮肥比例提高对土壤理化性状的变化状况，为明确有机肥替代氮肥适宜的比例提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
试验地点位于黑龙江省嫩江县中储粮北方公司四场科技园区(东经125°42′58″，北纬49°56′58″)。试验地点为嫩江，土壤类型为厚层粘底黑土，年均气温为-0.1 ℃，无霜期105 d，降水570 mm，蒸发量719 mm。土壤理化性质如表1。
表1 试验地点土壤状况
Tab.1 Soil status of the test site
地点Site土层/cmSoil layer有机质/(g/kg)Organic matter全氮/(g/kg)Total nitrogen全磷/(g/kg)Total phosphorus全钾/(g/kg)Total potassium碱解氮/(mg/kg)Alkaline nitrogen有效磷/(mg/kg)Available phosphorus速效钾/(mg/kg)Available potassium pH嫩江0-2037.05 2.310.8927.10186.1940.03 167.76.09Nenjiang20-4035.72 2.280.8827.23180.3136.87 182.566.13
1.2 供试材料
种植作物为玉米，品种为屯玉188。有机肥由七星泡农场提供，有机肥为腐熟的牛粪，pH值为6.9，有机质含量为213 g/kg，全氮磷钾含量分别为：5.8，3.9，16.0 g/kg，有机肥施用量15 000 kg/hm2。化肥为磷酸二铵(P2O5 46%，N 18%)，尿素(N 46%),硫酸钾(K2O 50%)。
1.3 试验方法
1.3.1 试验设计 试验区内共设18个小区，以不施肥处理为对照(CK)，共设6个处理(表2)，分别为不施肥处理(CK)、单施化肥(NPK)、单施有机肥(OM)、有机肥+化肥(OM100)、有机肥+氮肥减氮30%(OM70)、有机肥+氮肥减氮50%(OM50)。每个处理均3次重复、小区面积28 m2(4垄、10 m长)，氮总量70%做基肥，30%做追肥。
1.3.2 土壤采样 土壤物理性质采用环刀法，于玉米种植前、收获后，分别采集土壤0～20 cm和20～40 cm土壤。土壤化学养分的测定采用S点法取样，用铲在每个小区取0～20 cm土样，田间采集的土壤样品装入硬质塑料盒中，确保在运输过程中不受挤压，室温风干后，用手轻轻地把土块沿自然结构面掰开，除去粗跟和小石块，磨土后筛出2.000，0.149 mm土样测定速效养分和有机质。
表2 试验设计方案
Tab.2 The design of the test program
编号Number处理Treatment化肥施肥量/(kg/hm2)Amount of fertilizer appliedNP2O5K2OCK不施肥000NPK化肥130.673.660OM有机肥000OM100有机肥+化肥(氮肥不减)130.673.660OM70有机肥+化肥(氮肥减氮30%)91.4273.660OM50有机肥+化肥(氮肥减氮50%)65.373.660
1.3.3 测定项目及方法 土壤容重、含水量、田间持水量测定采用环刀法，环刀规格为100 cm3。土壤总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度测定采用环刀法，土壤三相比通过土壤总孔隙度、含水量计算得出，气相比例=总孔隙度-含水量，固相比例=1-总孔隙度，液相比例=含水量。土壤有机质和速效养分含量测定：土壤有机质含量采用高温外热重铬酸钾氧化-容量法测定，碱解氮含量采用碱解扩散法测定，有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定，速效钾含量采用乙酸铵浸提-火焰光度计法测定。测定方法参照鲁如坤主编的《土壤农业化学分析方法》[5]。
1.3.4 统计分析 采用Excel 2016进行数据处理，SPSS 20.0进行Duncan′s多重比较、主成分回归等分析。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对土壤容重的影响
总体上，不同的有机肥替代施肥处理，对黑土0～20 cm和20～40 cm的容重产生重大影响(图1)。在黑土0～20 cm中，与对照处理CK相比，均显著减轻了(P<0.05，下同)土壤容重；其中，处理OM下降的最多，降低13.8%；其次是处理OM50，降低9.8%；处理NPK下降最少，降低5.0%；而处理OM100和处理OM70下降量，介于处理NPK和处理OM50之间，下降8.0%和7.9%。在0～20 cm黑土中，各处理土壤容重大小为CK>NPK>OM70≈OM100>OM50>OM。在黑土20～40 cm中，与对照处理CK相比，有机肥替代处理显著降低土壤容重；其中，处理OM50和OM70下降10.1%和7.7%。在20～40 cm黑土中，各处理土壤容重大小为CK>NPK>OM70≈OM100>OM50>OM;说明有机肥一定程度替代化肥能明显降低土壤的容重，改善土壤结构。
图1 不同施肥处理对土壤容重的影响
Fig.1 The effect of different fertilization
treatments on soil bulk density
2.2 对土壤田间持水量的影响
有机肥替代施入土壤中，通过影响土壤容重，进而也影响了土壤的田间持水量(图2)。总体上，与对照处理CK相比，0～20 cm和20～40 cm黑土田间持水量均有所增加，部分处理之间达到了显著性差异。在0～20 cm黑土中，与对照处理CK相比，处理OM增加最多，增加了27.3%；其次是处理OM50、OM70和NPK，分别增加19.3%，13.1%和6.0%；增加最少的是处理OM100，增加了3.9%。在0～20 cm黑土中，各处理田间持水量大小为OM>OM50>OM70>NPK>OM100>CK。在20～40 cm黑土中，与对照CK相比，处理OM增加最多，达到51.3%；处理OM50、OM70和OM100也有显著的增加，分别增加为36.4%，27.2%和18.3%。在20～40 cm黑土中，各处理田间持水量大小为OM>OM50>OM100>OM70>NPK>CK。说明有机肥一定程度的替代化肥能显著提高土壤田间持水量。
图2 不同施肥处理对土壤田间持水量的影响
Fig.2 The effect of different fertilization
treatments on field water capacity
2.3 对土壤孔隙度的影响
土壤中大小孔隙的分配及连续性和稳定性，是直接影响作物根系生长和养分运输的至关因素[6]。在总孔隙度上(表3)，有机肥处理(OM、OM100、OM70、OM50)无显著性差异；在毛管孔隙度上，最高为处理OM，最低为OM100；处理OM和OM50毛管孔隙度较高，比对照处理分别增加了8.6，7.3百分点;各处理毛管孔隙度大小为OM>OM50>OM70>NPK>CK>OM100。在非毛管孔隙度上，除处理OM100外，各处理非毛管孔隙度均低于对照处理CK,处理OM降低最多，降低5.4百分点，其次是OM50，降低5.1百分点；各处理非毛管孔隙度大小为：OM100>CK>OM70>NPK>OM50>OM。
表3 不同施肥处理对土壤孔隙度的影响
Tab.3 The effect of different fertilization
treatment on porosity %
处理Treatment非毛管孔隙度Noncapillary porosity毛管孔隙度Capillary porosity总孔隙度Total porosityCK13.52±0.12b48.59±0.23c62.11±0.33bcNPK10.29±0.33c51.24±0.22b61.53±0.21cOM8.16±0.24d57.17±0.12a65.33±0.24aOM10015.84±0.22a47.99±0.33c63.83±0.45abOM7010.53±0.52c52.93±0.32b63.46±0.22abOM508.39±0.43d55.88±0.21a64.27±0.34a
2.4 不同施肥处理对土壤三相比的影响
不同施肥处理施入土壤中，也对土壤三相比起到影响(图3)。总体上与对照处理CK相比，各处理气相比例上升，液相比例减少，固相比例有增有减。在气相比例上，部分处理呈现显著性差异，与对照CK相比，增加最多的是处理OM，增加了11.9百分点，其次是处理OM50,增加了8.9百分点,增加较少的是OM70，增加了6.7百分点，增加最少的是处理NPK和OM100,都是增加了5.0百分点。各处理气相比例大小为：OM>OM50>OM70>NPK≈OM100>CK,这说明有机肥处理能显著增加土壤气相比例。在液相上，与对照相比，降低最多的是处理OM，降低了8.6百分点，其次是处理OM50，降低了7.7百分点；处理NPK和处理OM70降低量相近，分别降低5.6，5.3百分点。各处理液相比例大小为CK>OM100>OM70>NPK>OM50>OM，这说明有机肥替代处理降低土壤液相比例。在固相上，与对照处理CK相比，与有机肥替代处理无显著性差异。
图3 不同施肥处理对土壤三相比影响
Fig.3 The effect of different fertilization
treatments on tree-phase ratio
2.5 不同施肥处理对土壤有机质的影响
不同有机肥替代处理进入黑土，必然会对土壤有机质含量造成影响。如图4，单施化肥处理和有机肥替代处理有机质含量无显著性差异；而OM处理有机质含量要比NPK处理低5.3%，这说明对比单施化肥，短期内有机肥替代对土壤有机质含量提升不明显。
图4 不同施肥处理对土壤有机质的影响
Fig.4 The effect of different fertilization
treatments on organic matter
2.6 不同施肥处理对土壤速效养分的影响
不同有机肥处理对土壤速效养分造成不同程度的影响(表4)。从碱解氮上来看，与对照处理CK相比，处理NPK增加最多，增加了7.7%。有机肥替代处理(OM70、OM50)碱解氮含量均低于单施化肥处理(NPK)。各处理碱解氮含量大小为： NPK>OM50>OM100>CK≈OM70>OM。对于有效磷，稳定在40 mg/kg左右。对于速效钾，处理NPK含量最低，与对照CK相比，处理OM50、OM70、OM100分别增加7.5%，7.8%，10.1%，收获后各处理速效钾含量大小为OM100>OM70>OM50>OM>CK>NPK。
表4 不同施肥处理对土壤速效养分的影响
Tab.4 The effect of different fertilization treatment
on readily available nutrient contents mg/kg
指标Index碱解氮含量Alkaline nitrogen content有效磷含量Available phosphorus content速效钾含量Available potassium contentCK177.70±1.97d40.06±0.04c160.49±0.55cNPK191.35±0.49a40.26±0.05a155.81±1.37dOM173.85±2.47e39.85±0.03d162.51±0.58cOM100182.95±0.49c40.16±0.07b176.65±1.39aOM70177.70±0.49d40.17±0.05b173.08±1.29bOM50189.25±0.49b40.05±0.01c172.57±0.35b
2.7 不同施肥处理对玉米产量的影响
不同施肥处理对玉米产量造成不同程度的影响(表5)。从百粒质量上来看，部分处理间呈显著性差异，对照处理CK百粒质量最小，比单施化肥处理NPK低20.2%；处理OM70、OM50均比单施化肥处理NPK的百粒质量小，只有处理OM100百粒质量比处理NPK多3.5%。在玉米产量上，有机肥替代处理(OM70、OM50)产量与单施化肥处理NPK无显著性差异。这说明一定程度的有机肥替代能维持玉米产量。
表5 不同施肥处理的玉米产量
Tab.5 Maize yield under different treatments
处理Treatment百粒质量/g100-grain weight玉米产量/(kg/hm2)Maize yield增产率/%The yield-increase rateCK31.1±0.7e7 414.4±5.3d-9.6NPK37.4±0.9b8 198.8±148.2b0.0OM33.6±0.4d7 881.2±147.7c-3.9OM10038.7±0.3a8 496.7±61.1a3.6OM7036.9±0.3b8 402.9±161.7ab2.5OM5035.6±0.2c8 230.1±25.3b0.4
2.8 对土壤理化性状及作物产量的综合评价
2.8.1 有机肥处理土壤理化性状及作物产量的相关性评价 对有机肥处理(OM、OM100、OM70、OM50)在收获后0～20 cm土样数据中，对其理化指标进行相关性分析(表6)，物理指标和部分化学指标(有机质、有效磷)表现出较好的相关性。有机质与土壤物理指标呈现显著或极显著的相关性，其中与容重、固相比例、液相比例呈显著或极显著正相关，与总孔隙度、气相比例呈显著和极显著负相关；本研究认为，这与外源有机物进入有机质丰富的土壤产生正激发效应有关。碱解氮与物理性状和有机质无显著相关性，这与有机肥替代处理中存在氮肥减施有关。有效磷与总孔隙度、气相比例呈显著和极显著负相关，速效钾与气相比例呈极显著负相关，二者同时与容重、固相比例、液相比例和有机质含量呈极显著正相关，这说明在一定水平上，有效磷、速效钾含量与土壤水分、空气动态运动，外源有机物施用有关。玉米产量与有机质含量、容重、固相比例和液相比例呈极显著的正相关，与气相比例呈极显著负相关，这也佐证了本研究认为一定范围内，外源有机物进入有机质丰富的土壤产生正激发效应的观点。由于正激发效应，通过微生物作用，有机质矿化和更新，部分养分供植物吸收利用，同时塑造土壤物理性状，即外源有机物进入土壤物理性状有显著或极显著影响。
表6 黑土质量指标及产量相关系数矩阵
Tab.6 Correlation coefficients and yield matrix among black soil quality indices
X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11 X2-0.620∗1 X30.952∗∗-0.655∗1 X40.842∗∗-0.5130.788∗∗1 X5-0.908∗∗0.572-0.878∗∗-0.987∗∗1 X60.898∗∗-0.663∗0.919∗∗0.606∗-0.714∗∗1 X70.396-0.2050.3540.159-0.2180.5211 X80.958∗∗-0.623∗0.984∗∗0.845∗∗-0.918∗∗.0894∗∗0.4401 X90.894∗∗-0.4630.872∗∗0.818∗∗-0.867∗∗0.843∗∗0.637∗0.933∗∗1 X100.851∗∗-0.5250.821∗∗0.815∗∗-0.850∗∗0.723∗∗0.2980.829∗∗0.794∗∗1
注：X1. 容重；X2. 总孔隙度；X3. 固相比例；X4. 液相比例；X5. 气相比例；X6. 有机质；X7. 碱解氮；X8. 有效磷；X9. 速效钾；X10. 产量。* .差异显著(P<0.05), **.差异极显著(P<0.01)。
Note: X1.Bulk density; X2.Total porosity; X3.Solid phase ratio; X4.Liquid phase ratio; X5.Gas phase ratio; X6.Organic matter; X7.Alkaline nitrogen; X8.Available phosphorus; X9.Available potassium; X10.Yield. * represents significant difference (P<0.05), ** represents extremely significant difference (P<0.01).
2.8.2 不同处理对土壤理化性状的综合评价 各理化指标在不同的施肥处理变化趋势不同，所以不能简单地用一个或几个土壤性质指标进行评价，直接利用上述指标进行黑土性质评价，会造成信息重叠，形成偏差，故采用主成分综合得分法对黑土性质进行全面评价。将各处理指标数据进行Z-score法标准化，用X1(0～20 cm土壤容重)、X2(20～40 cm土壤容重)、X3(0～20 cm田间持水量)、X4(20～40 cm田间持水量)、X5(毛管孔隙度)、X6(非毛管孔隙度)、X7(总孔隙度)、X8(固相比例)、X9(液相比例)、X10(气相比例)、X11(有机质)、X12(碱解氮)、X13(速效钾)和X14(速效磷)14个标准化的数据进行主成分分析，以此综合评价不同施肥处理对土壤理化性状的影响，对土壤理化性状进行科学评价。对标准化的数据进行KMO和Bartlett的球形度检验，得出KMO检验系数为0.643(>0.6)，球形检验P值特征值为0.000，故可以采用Kaiser标准化的正交旋转法，整理得出主成分因子负荷、方差贡献率和累计贡献率(表7)。前3个主成分特征值大于1，累计贡献率为92.411%(>85.000%)，所以可以采用第一、第二和第三主成分全面评价不同有机肥替代处理对土壤理化性质质量的影响。结合三大主成分，第一主成分的0～20 cm田间持水量(-0.900)、毛管孔隙度(-0.954)、非毛管孔隙度(0.945)、液相比例(0.953)、气相比例(-0.899)有较大因子载荷，可知土壤的水气运动显著影响着土壤理化性状；第二和第三主成分中速效钾(0.940)、有机质(0.947)有着较高的因子载荷，且为正数，说明土壤速效钾、有机质含量显著影响着土壤理化性状，且呈正效应。
通过主成分分析得出三大主成分得分系数(旋转后因子载荷除以相对应的特征值算术平方根)，乘以土壤理化指标标准化后的系数，再乘以三大主成分方差贡献率，可得出主成分解析表达式，公式为：
①
②
表7 主成分分析结果
Tab.7 The result of principal component analysis
指标Index第一主成分First principal component第二主成分Second principal component第三主成分Third principal componentX10.790-0.5110.144X20.633-0.7170.125X3-0.9000.308-0.245X4-0.6560.641-0.329X5-0.9540.108-0.153X60.9450.1860.012X7-0.4370.682-0.361X80.543-0.7260.404X90.953-0.226-0.123X10-0.8990.415-0.044X11-0.0100.1910.947X12-0.090-0.2390.832X130.479-0.1900.824X140.1390.9400.214特征值 Characteristic value0.790-0.5110.144方差贡献率/% Variance contribution rate46.64625.38920.376累计贡献率/% Cumulative contribution rate46.64672.03592.411
式中：Fia代表i处理a主成分综合得分，Yaj代表a主成分j指标得分系数，Zaj代表a主成分j指标数据，Wa代表a主成分的方差贡献率，Fi代表i处理总得分，a=1,2,3…，n，为第a个主成分，i=1,2,3…，m，为第i个试验处理，j=1,2,3,…，f，为第j个标准化的土壤理化性状数据。
将数据代入①、②中，得出各不同处理土壤理化性状指标得分(图5)。
由图5可知，在上述土壤理化性状指标上，各处理得分大小为OM100>OM70>CK>OM50>NPK>OM，可知一定程度的有机肥替代(OM70、OM50)能改善土壤理化性状；不施肥处理(CK)得分高于单施化肥处理(NPK)说明本地区黑土本身理化性状，特别是物理性状较好。单施有机肥处理(OM)得分最低，结合以上研究分析，原因为单施有机肥处理不能塑造良好的水气平衡状况；且在速效养分上，除速效钾外，均低于单施有机肥处理(NPK)。
图5 不同处理土壤理化性状指标得分
Fig.5 The scores of physical and chemical
properties of different treatments
3 讨论与结论
有机肥替代化肥，对于改善土壤理化性状，调节水、肥、气关系，具有相当重要的作用。土壤物理性状包括土壤容重、孔隙度、土壤水分等，直接影响土壤肥力状况，有研究表明，有机肥替代化肥可以改善土壤物理性质[7-8]。本研究结果表明，与对照相比，单施有机肥和有机肥替代均降低土壤容重，李潮海等[9-10]认为玉米生长适宜的容重0～20 cm为1.2 g/cm3，20～40 cm为1.3 g/cm3，张喜亭等[11]认为土壤容重在1.00～1.30 g/cm3适宜大豆生长，所以结合上述土壤容重范围，单施有机肥和有机肥替代的土壤容重合适植物生长。显然在一定范围内，随着有机肥替代化肥比例的增加，土壤容重逐渐降低，这与李静等[12]的研究结果一致。对于田间持水量，与对照CK相比，在一定范围内，单施有机肥(OM)和有机肥替代处理提高了0～20 cm，20～40 cm田间持水量，单施有机肥(OM)和有机肥替代化肥氮肥减施50%(OM50)效果最为明显。这说明单施有机肥和适度有机肥替代化肥能显著提高土壤田间持水量。对土壤孔隙度，与对照CK相比，单施有机肥(OM)和适度有机肥替代能显著提高毛管孔隙度，这一点与邓超等[13]研究结果一致；刘光荣等[14]认为有机肥配施化肥对土壤总孔隙度提升不显著，与本研究结果一致。对于土壤三相比例，虽然在理想状态下，土壤三相比应该是土壤固相占50%，气相和液相各占25%[15]，但也要因地制宜，具体分析。本研究结果，与对照处理CK相比，有机肥处理气相普遍偏高，液相普遍偏低，这与外源有机物施入土壤，产生正激发效应，使土壤中有机无机复合体增加，形成团粒结构，土壤即透气、透水又保水有关。
土壤物理性状和化学性状密不可分。对于土壤有机质，本研究结果表明，有机肥替代处理与单施化肥无显著差异，吴长昊[16]试验结果表明部分有机肥替代处理有机质含量低于对照处理。本研究认为，这与正激发效应有关，对有机质丰富的土壤，施用新鲜有机肥产生正激发效应，促进土壤原来有机质的矿化和更新。对于碱解氮，有机肥替代处理(OM50、OM70)碱解氮含量低于单施化肥处理(NPK)，原因可能是外来有机物料进入土壤，微生物的大量繁殖[17-18]，争抢氮素有关，也可能为本试验存在氮减施，植物吸收利用有关。对于速效磷各处理间差异之不大，可能是因为原因可能是有机肥只替代氮肥，没有替代磷肥，所以影响不明显。对于速效钾，在有机肥替代的各处理中，有机肥替代(OM50、OM70)的速效钾含量显著高于单施化肥(NPK)，说明有机肥替代可提高土壤速效钾含量。对于作物产量，单施化肥处理与适度有机肥替代可以维持作物产量，这与徐明岗等[19]化肥有机肥配施和温延臣等[20]商品有机肥替代化肥能提高作物产量的试验部分结果一致。
综合理化性状指标，适度有机肥替代，要比单施化肥和单施有机肥能更好地改善土壤物理性状和土壤肥力。适度有机肥替代能显著降低土壤容重，显著提高田间持水量，增加土壤毛管孔隙度，显著提高土壤气相比例，降低液相比例；短时间内，施用有机肥替代土壤有机质提升不明显，因此，有机培肥需要长期的过程；外源有机物施入土壤对土壤物理性状有显著或极显著影响。随着有机肥替代化肥比例的增加，土壤理化性状有下降的现象。其中有机肥替代化肥减施30%(OM70)既能维持作物产量，又能优化资源配置，提高肥料利用率，改善土壤理化性状。
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