CN105453787A - 一种在农田施用有机肥的方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在农田施用有机肥的方法，通过如下方法确定有机肥的施用量：根据所选择的有机肥对化肥的目标元素，(必要基肥中该元素的养分量*有机肥对化肥的替代率)/(有机肥中该元素的养分含量*有机肥对化肥的肥效率)。本发明所公开的有机肥施用方法有效提高了肥料的利用率，通过将化肥与有机肥合理配比提高了对肥料中营养元素的利用。

Description

一种在农田施用有机肥的方法及其应用

技术领域

本发明公开了一种在农田中科学施用有机肥的方法以及该方法在棉田中的具体应用，属于肥料和农业科学领域。

背景技术

为了提高农作物的成长，在现代农业中化肥得到了普遍应用。多年来的研究均显示，化学肥料的长期施用已显现肥料利用率低下、肥效下降、土壤板结酸化及面源污染等生态环境问题。针对这一问题，主要的解决方案是改用有机肥。但有机肥中的营养元素含量远低于化肥，因此单纯的将有机肥替代化肥是不合理的。也就是说，单施化肥或单施有机肥对于农业生产都存在一定的弊端。在此情况下，如何合理调整有机肥相对化肥的用量以使得二者科学搭配对于保证农作物的产量，提高农作物的品质，保证农业的可持续发展成为至关重要的问题。

目前，本领域对上述问题并未提供系统化的解决方案，过往的研究均未能充分考虑有机肥的单位营养元素并不等价于化肥所提供的植物可利用形态的问题，导致过高估计了有机肥的实际利用率，无法实现预期的技术效果。

因此，本领域依旧存在在有机肥与化肥配施条件下准确评价有机肥肥料利用率，从而科学、有效地提高肥效的需要。

发明内容

针对现有技术的不足，申请人多年来在农田中进行了大量实验，科学分析了有机肥、化肥配施模式，并从中获得了根据有机肥施用量如何折合成化肥量计算方法，准确计算了有机肥、化肥配施的营养元素利用率，从而发明了一种在农田中更加科学的施用有机肥的方法。

具体地说，本发明是通过如下技术方案实现的：

一种在农田施用有机肥的方法，通过如下方法确定有机肥的施用量：根据所选择的有机肥对化肥的目标元素，(必要基肥中该元素的养分量*有机肥对化肥的替代率)/(有机肥中该元素的养分含量*有机肥对化肥的肥效率)。

在上述方法中，目标元素是指通过施肥为农田中的作物补充的营养元素，通常是指氮元素、磷元素等对农作物生长具有重要影响的营养元素。

在上述方法中，必要基肥中该元素的养分量指的是在农田中预期施加的目标营养元素的总用量。

在上述方法中，有机肥对化肥的替代率是指在农田中预期施加的目标营养元素的总用量中希望用有机肥提供目标营养元素所占的比例。

在上述方法中，有机肥中该元素的养分含量是指在所用的有机肥中，目标营养元素的含量。

在上述方法中，有机肥对化肥的肥效率是指以目标营养元素评价，在作物生长期内，有机肥中所释放出的能够替代化肥养分量与有机肥中该养分总量的比值。常见有机肥的肥效率可从《土壤诊断与施肥基准》一书查询。

如下表1所示，显示了常见有机肥中必要营养元素的肥效率：

表1不同种类有机肥的肥效率

在上述得到有机肥施用量的基础上，可进一步得到有机肥相应替代的化肥量，也就是有机肥替代(消减)化肥量，为有机肥施用量*有机肥养分含量*肥效率。

申请人多年来对本发明在各种农田中的应用进行了广泛深入的研究，尤其对其在棉田中的应用进行了大量实验，发现施用3000-6000kg/hm²的有机肥，替代20-40％的化肥用量，能够显著提高结铃性与单铃重并显著增加棉花产量，且其增产效应随有机肥施用比例量而增加。在最优化的情况下，减量40％化肥配施6000kg·hm^-2生物有机肥对提升产量贡献表现最优。

在上述应用中，所用的有机肥可以是各种家禽、家畜等的粪便，考虑到使用的方便，一般是所用有机肥为猪粪和/或牛粪。

附图说明

图1表示为有机肥养分与化肥养分在作物当季释放的示意图(以N为例)，其中1代表作物N素需求量(A)。2表示有机无机肥配施时，化肥氮用量(B)。3表示有机肥可在当季替代的化肥N量，也可表示为有机肥在作物当季可矿化无机氮量(C)。4表示有机肥的总含N量，包括有机N和无机N(D)。

图2表示不同施肥处理对棉花蕾期、铃期和吐絮期地上部分生物量的影响；

图3为不同施肥处理对棉花氮素吸收量的影响；

图4为不同施肥处理对棉花蕾期磷素吸收量的影响；

图5为不同施肥处理对棉田土壤全氮含量的影响。

图6为不同施肥处理对棉田土壤微生物量氮含量的影响。

具体实施方式

为了说明本发明的具体操作方法和效果，申请人在如下实施中进行了详细解释和说明。如下所提供的方案仅为示意的，并不对本发明构成特别限定。本领域技术人员在理解和掌握本发明技术方案的基础上，相应调整具体的操作方式或在其它种类农田中应用等均属本发明的保护范围。

在本发明中，以图1为例，涉及到了如下技术概念：

(一)有机替代率(％)＝C/A×100

(二)有机肥肥效率(％)＝C/D×100。

(三)营养元素利用率＝(U-U₀)/(F₀+F)，其中U为施肥后作物收获时地上部的吸收目标营养元素总量，U₀为未施肥作物成熟期地上部的目标营养元素吸收总量，F代表化肥投入量，F₀为有机肥替代的化肥量。

在上述基础上，可基于本发明的方法计算有机肥施用量。以猪粪为例，其中的氮含量为1.8％，如果按照氮肥180kg·hm^-2的比例来施基肥，计算其30％的氮肥用有机肥代替，根据表1可知猪粪有机肥的肥效率为30％，因此有机肥施用量为＝(180×30％)/(1.8％×30％)＝10000kg·hm^-2。

在获得有机肥施用量情况下，可计算有机肥替代(消减)化肥量(kg·hm^-2)＝有机肥施用量(kg·hm^-2)×有机肥养分含量(％)×肥效率(％)。

下面以在棉田中的具体研究为例，说明本发明方法的实际应用。为期5年定位施肥试验，分别设置不施肥，单施化肥以及减少当地常规化肥施用量20-40％，配施不同比例及不同种类的有机肥。

具体处理如下：

(1)CK(不施肥)；

(2)CF(单施化肥，300kg·Nhm^-2；90kg·P₂O₅hm^-2；60kg·K₂Ohm^-2)；

(3)80％CF+OF₁(化肥减量20％，配施3000kg/ha普通有机肥)；

(4)60％CF+OF₂(化肥减量40％，配施6000kg/ha普通有机肥)；

(5)80％CF+BF₁(化肥减量20％，配施3000kg/ha生物有机肥)；

(6)60％CF+BF₂(化肥减量40％，配施6000kg/ha生物有机肥)；

(7)80％CF+OF₃+BF₃(化肥减量20％，配施2250kg/ha和750kg/ha生物有机肥)；

(8)60％CF+OF₄+BF₄(化肥减量20％，配施4500kg/ha和1500kg/ha生物有机肥)。

计算出各处理所施有机肥能替代的化肥量，进而得出各处理当季有效施肥量。在试验中，所用普通有机肥为腐熟牛粪，含氮量1.7％，肥效率30％，含磷量(P₂O₅)1.3％，肥效率80％；生物有机肥原料猪粪，含氮量4.4％，肥效率40％，含磷量(P₂O₅)1.0％，肥效率80％。

3000kg/hm²普通有机肥和生物有机肥替代的氮、磷量：

3000kg普通有机肥(OF)消减的氮肥量＝3000×0.017×0.3＝15.3kg；消减的磷肥量＝3000×0.007×0.8＝16.8kg/hm²；

3000kg生物有机肥(BF)消减的氮肥量＝3000×0.044×0.4＝52.8；消减的磷肥量＝3000×0.01×0.8＝24kg/hm²；

因此，处理80％CF+OF₁的有效施氮总量为300×0.8kg+15.3＝255.3kg；有效施磷总量为72+16.8＝88.8kg/hm²；

处理80％CF+BF₁的施氮总量为300×0.8kgkg+52.8＝292.8kg/hm²；施磷总量为72+24＝96kg/hm²；

6000kg/hm²普通有机肥或生物有机肥替代的氮、磷量：

6000kgOF替代(消减)的氮肥量＝6000×0.017×0.3＝30.6kg/hm²；消减的磷肥量＝6000×0.007×0.8＝33.6kg/hm²；

6000kgBF替代(消减)的氮肥量＝6000×0.044×0.4＝105.6kg；(替代)消减的磷肥量＝6000×0.01×0.8＝48kg/hm²；

因此，处理60％CF+OF₂的施氮总量为：300×0.6kg+30.6kg＝210.6kg；施磷总量为：54+33.6kg＝87.6kg/hm²；

处理60％CF+BF₂的施氮总量为：300×0.6kg+105.6＝285.6kg；有效施磷总量为:54+48＝102kg；

化肥+普通有机肥+生物有机肥配施(CF+OF₃+BF₃)替代的氮、磷量：

750kgBF+2250OF替代的氮肥量：750×0.044×0.4+2250×0.017×0.3＝24.675kg/hm²；消减的磷肥量＝750×0.01×0.8+2250×0.007×0.8＝18.6kg/hm²；

750kgBF+2250kgOF处理的施氮总量：300×0.8kg+24.675＝264.675kg/hm²；施磷总量：90×0.8kg+18.6＝90.6kg/hm²；

1500kgBF+4500kgOF替代的氮肥量：

1500×0.044×0.4+4500×0.017×0.3＝49.35kg/hm²；替代的氮磷肥量(1500×0.01×0.8)+(4500×0.007×0.8)＝37.2kg/hm²

1500kgBF+4500kgOF处理的施氮总量：300×0.6kg+49.35＝229.35kg/hm²；施磷总量：90×0.6kg+37.2kg＝91.2kgkg/hm²

根据图3可知各处理棉株地上部分吸氮量，其中地上棉株吸氮量分别为CK148.8，CF234.6，

80％CF+OF₁246kg/ha，60％CF+OF₂255.4g/ha，80％CF+BF₁275.94kg/ha，60％CF+BF₂309kg/ha，80％CF+BF₃+OF₃260.3kg/ha，60％CF+BF₄+OF₄271.6kg/hm²。

在上述基础上可计算有机-无机肥配施对滴灌棉花的氮肥利用率:

80％CF+OF₁的氮肥利用率＝(246-148.8)/255.3×100％＝38.1％

60％CF+OF₂的氮肥利用率＝(255.4-148.8)/210.6＝47.4％

80％CF+BF₁的氮肥利用率＝(275.94-148.8)/292.8＝41.1％

也就是说，化肥减量20％，配施3000kg/hm²的生物有机肥的氮肥利用率为41.1％。

60％CF+BF₂的氮肥利用率＝(309-148.8)/285.6＝53.7％，也就是说化肥减量40％，配施6000kg/hm²的生物有机肥的氮肥利用率为53.7％

80％CF+BF₃+OF₃的氮肥利用率＝(309-148.8)/264.675＝39.6％，也就是说化肥减量20％，配施750kg/hm²的生物有机肥和2250普通有机肥的氮肥利用率为39.6％。

60％CF+BF₄+OF₄处理的氮肥利用率＝(271.6-148.8)/229.35＝50.6％，也就是说化肥减量40％，配施1500kg/hm²的生物有机肥和4500普通有机肥的氮肥利用率为50.6％。

磷肥等利用率计算同样原理如上，参考图4，各处理地上棉株吸磷量分别为CK34.1，CF52.3，80％CF+OF₁55.5kg/ha，60％CF+OF₂58.7kg/ha，80％CF+BF₁56.5kg/ha，60％CF+BF₂66.1kg/ha，80％CF+BF₃+OF₃58.6kg/ha，60％CF+BF₄+OF₄61.5kg/hm²，

80％CF+OF₁的磷肥利用率＝(55.5-34.1)/88.8×100％＝24.1％，也就是说化肥减量20％，配施3000kg/hm²的普通有机肥的磷肥利用率为24.1％。

60％CF+OF₂的磷肥利用率＝(58.7-34.1)/87.6×100％＝28.1％，也就是说化肥减量40％，配施6000kg/hm²的普通有机肥的磷肥利用率为29.1％。

80％CF+BF1的磷肥利用率＝(56.5-34.1)/96×100％＝23.3％，也就是说，化肥减量20％，配施3000kg/hm²的生物有机肥的磷肥利用率为29.1％。

60％CF+BF2处理的磷肥利用率＝(66.1-34.1)/102×100％＝31.3％，也就是说化肥减量40％，配施6000kg/hm²的生物有机肥的P肥利用率为31.3％。

80％CF+BF₃+OF₃处理的磷肥利用率＝(58.6-34.1/90.6＝27％，也就是说化肥减量20％，配施750kg/hm²的生物有机肥和2250普通有机肥的P肥利用率为27％。

60％CF+BF₄+OF₄的磷肥利用率＝(58.6-34.1)/91.2＝26.9％，也就是说化肥减量40％，配施1500kg/hm²的生物有机肥和4500普通有机肥的P肥利用率为26.9％。

将上述方案，进行了为期5年的定位施肥试验，试验田位于石河子大学农试场，供试土壤属灌耕灰漠土，施肥处理前0-20cm土壤基础有机质含量13.5g·kg^-1；全氮0.95g·kg^-1；全磷0.30g·kg^-1；碱解氮88.6g·kg^-1；速效磷23.4g·kg^-1；速效钾136.0g·kg^-1；pH值8.1。

试验设置8个处理：(1)CK，(2)CF，(3)80％CF+OF₁，(4)60％CF+OF₂，(5)80％CF+BF₁，(6)60％CF+BF₂，(7)80％CF+OF₃+BF₃，(8)60％CF+OF₄+BF₄。小区面积4.5m×20m＝90m²，播幅内宽、窄行距为(30+60+30)cm，1膜4行，株距为10cm。各处理重复3次，随机区组排列，共计24个小区，小区之间设1m保护行。

于2013年的棉花蕾期(7月7日)、盛铃期(8月12日)和吐絮期(9月11日)分别在各处理24个小区内采取植株样，具体操作如下：每次在各小区选取固定采样区4m²，在取样区内选取长势一致的3株。样品带回实验室内，分器官称重，测定植株氮磷。计算养分吸收量及肥料利用效率。

于棉花铃期(8月12日)、吐絮期(9月11日)在各试验小区采集供分析用的土壤样品，采样深度为0-20cm耕层土壤，每小区选15个样点，混合为一个样品，剔除砾石和植物残根，一部分置于-4℃冰箱保存待测，其余风干过1mm筛。铃期土壤用于测定土壤微生物量氮，吐絮期土壤用于测定土壤全氮。

棉花生物量测定：分别于棉花蕾期、铃期和吐絮期采取各小区有代表性3株，取其地上部分，分器官称鲜重，然后在105℃烘箱中杀青30min，75℃条件下烘干至恒重，冷却后测定干物质量；植株全氮采用凯氏定氮法测定；植株全磷采用钒钼黄比色法测定。最后棉花以全小区实收记产。

植株全氮测定：采用凯氏定氮法测定。

植株全磷含量测定：采用钒钼黄比色法测定。

棉花产量：以全小区实收计产。

土壤全氮采用凯氏定氮法。

微生物量氮采用氯仿熏蒸-K₂SO₄提取法。

通过大田取样，测定棉株地上部分生物量、棉株N、P养分含量，计算N、P元素利用率，通过对比产量、生物学效应和养分利用率等寻求滴灌条件下最佳有机肥替代率，对农户进行指导施肥。

由表2可知，与不施肥处理(CK)相比，各施肥处理棉花产量均显著提高(P<0.05)，增幅为40.5％～66.5％，其中以60％CF+BF₂处理产量最高；与100％NPK滴施处理(CF)相比，化肥减量20-40％配施3000-6000kg·hm^-2有机肥的各处理棉花产量增幅为6.9％～18.5％。各施肥处理的单株铃数、单铃重、衣分分别比CK增加了19.0％～48.4％、3.1％～10.6％、2.4％～10.1％，各施肥处理对籽指的影响差异不显著。与CF相比，化肥减量20～40％配施3000～6000kg·hm^-2有机肥的各处理显著增加了棉花单株铃数(P<0.05)，但有机肥配施处理间差异不显著；不同施肥对单铃重和衣分的影响均表现为：60％CF+(OF/BF)＞80％CF+(OF/BF)≥CF≈CK。由此表明在滴灌棉田，施用3000-6000kg·hm^-2的有机肥，替代20-40％化肥可提高结铃性与单铃重并显著增加棉花产量，且其增产效应随有机肥施用比例量而增加，40％化肥配施6000kg·hm^-2生物有机肥对提升产量贡献表现最优。

表2不同施肥处理对棉花产量及其影响因子的影响

肥料利用率是指当季作物对施入土壤中肥料的回收效率。由表3可以看出，有机、无机肥配施各处理较单施化肥(CF)均显著提高了氮肥利用率(P<0.05)，增幅36.5％～93.9％，其中60％CF+BF2的氮肥利用率高达53.7％。不同有机肥配施的磷肥利用率比CF提高25.2％～119％，减量化肥配施BF较配施OF处理提高17.5％～51.1％，其中T6的磷肥利用率最高，为40.8％。在所有施肥处理中，60％CF+BF2和60％CF+OF4+BF4的磷肥利用率与CF相比差异明显(P<0.05)，其余施肥处理间差异不显著。由此表明，施用3000-6000kg·hm^-2的有机肥，替代20％-40％化肥可明显提高滴灌棉花氮肥利用率，磷肥利用率也均有不同程度的提高，有机肥高量配施更有利于提升氮、磷养分利用率。

表3不同施肥处理对氮、磷素利用效率的影响

图2中的A、B和C分别表示棉花蕾期、铃期和吐絮期植株地上部分干物质量。由图可以看出，蕾期、铃期和吐絮期干物质量对各施肥处理的响应总趋势一致，即各施肥处理较不施肥(CK)相比均能显著提高棉花地上部分的干物质量(P<0.05)，与100％NPK(CF)相比，化肥减量20％-40％配施3000-6000kg·hm^-2有机肥的各处理均能提高棉花的生物量，尤其在棉花铃期和吐絮期均达到显著性差异(P<0.05)。与CK相比，各施肥处理棉花生物量在蕾期、铃期和吐絮期的增幅分别为7.7％～40.0％、28.3％～73.3％和28.8％～77.7％；与CF相比，化肥减量20-40％配施3000-6000kg·hm^-2各有机肥处理棉花生物量在蕾期、铃期和吐絮期分别提高4.3％～30.0％、16.8％～35.1％和18.5％～38.8％。棉花生物量对有机无机肥配施处理整体表现为：60％CF+(OF/BF)＞80％CF+(OF/BF)，由此表明化肥减量20％-40％配施3000kg-6000kg·hm^-2有机肥相比长期单施化肥可显著促进棉花生长，在相同有机肥配施水平下，生物有机肥的效果大于普通有机肥。

图3中的A表示棉花蕾期植株氮素吸收量。由图可知，在棉花蕾期，有机无机肥配施各处理比CK显著提高了棉株吸氮量(P<0.05)，其增幅为37.9％～86.0％；与CF相比，有机-无机肥配施各处理(除80％CF+OF₁)可显著促进棉株对氮素的吸收(P<0.05)。在铃期(图3的B)各施肥处理下棉株的氮素吸收量为162.3kg～217.3kg·hm^-2，均显著高于CK(72.8kg·hm^-2)，增加幅度为123.1％～198.7％，其中60％CF+BF₂和60％CF+OF₄+BF₄处理的吸氮量与CF相比差异显著，其它施肥处理间差异不显著。

各处理在吐絮期的棉株吸氮量顺序为：60％CF+BF₂＞80％CF+BF₁＞60％CF+OF₄+BF₄＞80％CF+OF₃+BF₃≈80％CF+BF₁≈80％CF+OF₁≈CF＞CK(图3，C)，化肥减量20-40％配施3000-6000kg·hm^-2有机肥的各处理棉株吸氮量较CK和CF分别增加57.6％～106.7％和4.9％～31.7％。由此表明连续3年在减少化学肥料用量20-40％的情况下，配施3000-6000kg·hm^-2的有机肥可明显促进棉株对氮素的吸收。

图4表示不同处理棉花植株在蕾期、铃期和吐絮期的吸磷量，由图可知，各施肥处理较CK相比均能显著提高棉株的吸磷量，其增加幅度为21.0％～79.6％(蕾期)、77.0％～185.2％(铃期)和53.4％～93.8％(吐絮期)，与CF相比，化肥减量20-40％配施3000-6000kg·hm^-2有机肥各处理的棉株吸磷量增幅分别为11.2％～48.5％、10.2％～56.5％和6.1％～26.4％。在各施肥处理中，60％CF+BF₂处理在各生育期的棉株吸磷量均高于其他施肥处理，有机无机配施处理间表现趋势为：60％CF+(OF/BF)>80％CF+(OF/BF)；CF+BF>CF+OF，说明减少化学肥料用量20-40％，配施3000-6000kg·hm^-2有机肥能提高棉株对P素的吸收，显著改善了棉花的P素营养。

土壤全氮是体现土壤肥力水平的关键指标。图5表示不同施肥处理对棉田铃期土壤全氮含量的影响。由图可知，不同有机无机肥配施处理较CK和CF均能显著提高土壤全氮含量(P＜0.05)，其增幅分别为24.7％～37.1％和13.3％～24.5％。增碳施肥各处理的土壤全氮表现趋势为：CF+BF≥CF+OF+BF≥CF+OF；且以配施高量有机肥(6000kg·hm^-2)增加效果显著；不同种有机肥等量施用时，生物有机肥效果优于普通的有机肥，表明连续3年增施有机肥或生物有机肥可明显提高土壤全氮含量，配施生物有机肥效果优于普通有机肥，同类有机肥配施条件下，高量配施优于低量。

土壤微生物量氮是土壤氮素的重要储备库，在土壤氮素转化过程中起重要调节作用。由图6可知，与CK和CF处理相比，有机无机肥配施均能显著提高土壤微生物量氮(P＜0.05)，分别比CK和CF增加53.8％～98.5％和32.2％～70.5％，各处理微生物量氮表现趋势为60％CF+BF/OF≥80％CF+BF/OF。表明连续3年增施有机肥或生物有机肥可明显提高微生物量氮含量，配施生物有机肥效果优于普通有机肥，同类有机肥配施条件下，高量配施优于低量。

Claims (4)

1.一种在农田施用有机肥的方法，其特征在于通过如下方法确定有机肥的施用量：根据所选择的有机肥对化肥的目标元素，(必要基肥中该元素的养分量*有机肥对化肥的替代率)/(有机肥中该元素的养分含量*有机肥对化肥的肥效率)。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于有机肥替代的化肥量为有机肥施用量*有机肥养分含量*肥效率。

3.权利要求1的方法在棉田中的应用，施用3000-6000kg/hm²的有机肥，替代20-40％的化肥用量。

4.根据权利要求3的应用，其特征在于所用有机肥为猪粪和/或牛粪。