肥料是作物生长的主要营养物质基础，对实现粮食高产和现代农业的可持续发展具有重要意义。为寻求高产，过量、盲目施肥（尤其是氮肥），导致了肥料利用效率低下，引起耕地板结、土壤酸化、面源污染等生态环境问题^[1]。如何有效地提高肥料利用率、促进节本增效、减肥保产，降低滥用肥料造成的生态环境问题，是当下农业面临的最主要的问题之一^[2]。国内外学者提出了许多解决办法，如控释尿素可依作物对营养元素的需要而缓慢释放，使营养元素的释放与农作物养分的吸收实现基本同步，进而降低氮素损耗，提高氮肥利用效率^[3]。但包膜材料大都是化石原料，价格贵，限制了其进一步的大规模推广应用。施用有机肥也被认作是实现农业绿色可持续发展的有效方法，逄娜等^[4] 研究表明，与无机肥相比，施用有机肥能够提高养分供应水平，更好地调节整个生育期作物对养分的需求，玉米产量较无机肥处理提高 8.40%～13.90%；而王士超^[5]的研究也表明，有机肥能够增加土壤碳氮固持，降低淋溶速率，实现营养元素的释放与作物吸收间的供给平衡；吕凤莲等^[6]运用有机肥替代不同比例无机肥发现，用有机肥替代 75% 无机肥能够显著降低土壤氮素流失，提高氮元素的利用率。有机肥具备满足作物生长所需养分、改良土壤性状等诸多优点^[7]，近年来被作为区域农业面源污染防控中化肥的最佳替代品。但是由于有机肥释放慢，单独施用时见效缓慢，对作物前期生长造成不利影响^[8]。

坡耕地通常指具有一定坡度的旱地，广泛分布于山坡地带，此耕地类型平整度较差，保土保肥能力弱，作物生长受限^[9]。不但具有生产力水平低下的特点，更是产生水土流失的一个重要策源地，对我国乃至全世界生态环境都产生不利影响。沂蒙山区是我国北方较为典型的土石山区，也被认为是东部地区土壤侵蚀最严重的地域之一^[10]，临沂市坡耕地面积较大，坡耕地面积约 15 万 hm²，占全市耕地面积的 24.20%^[11]。坡耕地作物生产力低，较大程度上阻碍了当地农业的可持续发展，其产生的径流亦将大量营养元素带进湖泊、河流等水体，加剧了生态环境恶化和面源污染，已成为一些地区地表水体氮素的主要来源^[12]。

施用有机氮源能够有效降低坡耕地在发生降雨时氮素的流失量^[13]，控释尿素也可以减少坡耕地径流中硝态氮和铵态氮的含量，使农田氮素流失减少 15～25 个百分点^[14]。目前，有关有机-无机配施的研究多集中于有机肥与尿素共同施用的方面，但有机肥与控释尿素配施却鲜有报道。本文通过有机肥替代不同比例的控释尿素，研究等氮条件下有机肥对玉米增产和土壤氮素淋溶的影响，寻求促进氮肥利用率提高、降低坡耕地土壤养分流失的方法，为促进我国坡耕地资源的利用和开发提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验地点位于山东省沂南县牛家小河村试验基地（35°7′4″N，118°16′50″E），坡度为 8°～14°。该地区雨热同季，年均降水量为 772.6 mm，全年平均气温 14.8℃，属于温带季风气候。土壤质地为砂质壤土，其中粉粒、砂粒和黏粒含量分别为 23.94%、55.67% 和 20.39%。土壤速效钾、有效磷、硝态氮和铵态氮含量分别为 155.87、34.98、68.42 和 39.47 mg/kg，pH 值为 6.35，有机质和全氮含量分别为 6.40 和 0.87 g/kg。

供试肥料：过磷酸钙（P₂O₅ 16%）；木薯渣有机肥（N、P₂O₅、K₂O 含量分别为 2.5%、1.2%、 2.1%，pH 值为 6.8，有机质含量为 47.7%）；氯化钾（K₂O 60%）；普通尿素（大颗粒尿素：N 46%）； 控释尿素（树脂包膜尿素：N 42%，静水释放期为 2 个月）。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组试验设计，设 6 个处理：（1）OF1，以有机肥取代 30% 的控释尿素氮量；（2）OF2，以有机肥取代 50% 的控释尿素氮量；（3）OF3，以有机肥取代 70% 的控释尿素氮量；（4）PCU，施控释尿素；（5）CU，施普通尿素；（6）CK，不施氮肥。每个处理 3 次重复，小区面积 30 m² （5 m×6 m）。玉米季 N、P₂O₅、K₂O 施用量分别为 240、150、180 kg/hm²。以总氮量为折算标准，代替等量的化肥氮素，计算木薯渣有机肥用量，其余氮量由控释尿素提供，同时算出有机肥所提供的磷、钾含量，不足量由过磷酸钙和氯化钾供给。尿素在播种前施入 60%，抽穗期施入 40%，其余肥料都在播种前一次性施入。所有的肥料撒匀后，使用翻耕机翻入土中，其余根据常规方法进行管理，且每个小区间保持相同。玉米品种为“郑单 958”，播种量为 150 kg/hm²，玉米种植前茬为小麦，试验处理与玉米季相同， N、P₂O₅、K₂O 施用量分别为 150、180、150 kg/hm²，未进行秸秆还田。

1.3 样品采集与测定

2019 年 6 月 15 日播种玉米，并在苗期（播种后 22 d）、拔节期（播种后 41 d）、抽穗期（播种后 66 d）、收获期（ 播种后 104 d）分别进行土壤样品的采集，按照对角线5点取样法，使用土钻于苗期、拔节期和抽穗期进行表层（0～20 cm）取样，并于收获期进行 0～100 cm 土层取样，样本混匀后带至实验室，于避光通风处风干，研磨过 1.68 和 0.25 mm 筛，用自封袋密封，备用。

玉米收获时，割取 4 m² （2 m×2 m）玉米，测定总生物量，玉米晒干后进行单独脱粒，测定籽粒重和千粒重，折算成单位面积的玉米产量。

土壤样品于 2020 年 5 和 6 月集中测定，铵态氮、硝态氮以及全碳、全氮含量根据鲍士旦^[15]提供的方法进行测定，铵态氮含量采用纳氏试剂显色法，以氯化钾溶液提取土样中的铵根离子，于碱性条件下与纳氏试剂络合产生络合物进行测定；硝态氮含量根据紫外分光光度法，先将土壤浸出液加酸中和酸化，然后采用校正因数法消除有机质的干扰，直接用紫外分光光度计测定硝酸根离子；全碳、全氮含量使用元素分析仪测定。

1.4 数据处理

根据氮素农学利用率 =（施氮区玉米产量-空白区产量）/ 施氮量；氮素偏生产力 = 产量 / 施氮量^[16]，分别计算农学利用率和偏生产力。

本研究运用 Excel 2012 进行数据处理，使用 Sigmaplot 14.0 作图，用 SAS 8.0 对数据进行方差分析和差异显著性分析（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 有机肥与控释尿素配施对坡耕地玉米产量及总生物量的影响

不同处理对玉米总生物量和籽粒重影响显著，但对玉米的秸秆重和千粒重影响不显著（表1）。 OF1 和 OF3 处理较施用无机肥处理总生物量无显著差异，而 OF2 处理增产明显，较 CU 和 PCU 处理分别提高 15.70% 和 11.48%；随着有机肥替代控释氮肥比例的增加，秸秆重也随之上升，各处理间差异不显著，但有机肥的 3 个处理仍高于普通尿素和控释尿素处理；OF2 处理的籽粒重与 OF1 处理无显著性差异，但显著高于其他处理，OF1、OF3、 PCU 和 CU 处理的籽粒重无显著性差异，但显著高于 CK；与 CU 处理相比，PCU、OF1、OF2 和 OF3 处理的籽粒重分别增加 0.4%、5.5%、11.7% 和 2.3%。

注：同列不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 有机肥与控释尿素配施对坡耕地玉米氮素农学利用率与偏生产力的影响

不同类型氮肥处理显著影响了玉米氮肥利用率 （图1a）和偏生产力（图1b），随有机肥替代比例的增加，氮素农学利用率表现出先增后降的趋势， OF2 处理农学利用率最高，达到 18.50%，显著高于 CU、PCU 处理；单施无机肥的处理氮素农学利用率低于有机肥处理，分别为 10.83% 和 11.11%， OF3 与 CU、PCU 处理之间没有表现出显著性差异。 OF2 处理偏生产力最高，达到 73.48 kg/kg，显著高于 CU、PCU 以及 OF3 处理，但与 OF1 处理未表现出显著性差异。

注：柱上不同字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.3 有机肥与控释尿素配施对坡耕地土壤全碳和全氮含量的影响

在整个生育期中，有机肥替代和无机肥处理土壤全碳含量（图2a）表现出显著性差异，未施氮肥以及施普通尿素和控释尿素的 3 个处理大体上表现出下降-上升-下降的变化；施用有机肥的 3 个处理除 OF1 处理外总体上呈上升的趋势。苗期，PCU 处理显著高于其他处理，达到 11.67 g/kg，有机肥的 3 个处理差异不显著；拔节期，OF1 处理全碳含量增加至 11.53 g/kg，与其他处理产生显著性差异；抽穗期至收获期，除 CK 和 CU 处理外均无显著性差异，OF2 和 OF3 处理全碳含量上升，分别达到 11.48 和 11.47 g/kg，在整个生育期，CK 均处于最低值。

土壤全氮含量（图2b）的总趋势表现为苗期至拔节期下降，至抽穗期上升，收获期，除 CK 外，其余各处理上升的趋势。苗期时，土壤样品研磨时未将根系、枯枝落叶等拣出，导致各处理土壤全氮含量偏高，但 PCU 处理显著高于其他处理，达到 1.60 g/kg，OF2 处理含量最低，为 1.14 g/kg，随有机肥用量的增加，全氮含量呈下降的趋势；拔节期急速降至 0.75 g/kg，随后逐渐上升，OF2 处理与 CK 未表现出显著差异，但低于其他 4 个处理；拔节期至抽穗期各处理全氮含量均未表现出显著性差异，PCU 和 OF2 处理全氮含量在此期间上升，分别达到 0.97 和 0.92 g/kg；收获期，土壤全氮含量与有机肥替代比例成正比，OF3 处理全氮含量为 1.33 g/kg，显著高于其他处理，控释尿素处理高于普通尿素处理， CK 在收获期呈下降趋势，且显著低于其他处理。

2.4 有机肥与控释尿素配施对坡耕地土壤硝态氮和铵态氮含量的影响

土壤硝态氮含量苗期至拔节期呈下降的趋势，后至成熟期缓慢上升（图3a）。苗期，土壤硝态氮含量表现为 CU>PCU>OF2>OF1>OF3>CK；拔节期， OF1 处理明显高于其他处理，PCU、OF2 和 OF3 处理差异不显著，显著高于 CU 处理和 CK；抽穗期，施氮处理之间差异不显著，但显著高于 CK；收获期，各施肥处理间无显著性差异，分别为 20.55、 25.45、27.24、28.38、22.97 g/kg。

CK、OF1 和 OF3 处理土壤铵态氮含量从苗期到拔节期呈上升趋势，随后至收获期呈下降的趋势（图3b），苗期，土壤铵态氮含量表现为 CU>PCU>OF2>OF1>OF3>CK；拔节期，OF1 处理显著高于其他处理，OF2、OF3、CU 和 PCU 处理差异不显著，均显著高于 CK；抽穗期，OF1、OF2 和 OF3 处理差异不显著，但均显著高于 PCU 处理，CK 和 CU 处理差异不显著，但显著低于 PCU 处理；收获期，OF2 处理显著高于其他处理，OF1、OF3、CU 和 PCU 处理之间差异不明显，但是均显著高于 CK。

2.5 有机肥与控释尿素配施对坡耕地 0～100 cm 土层土壤硝态氮淋溶的影响

土壤硝态氮含量（图4）的总趋势是 0～60 cm 土层呈下降的趋势，60～80 cm 土层呈上升的趋势， 80～100 cm 土层呈下降的趋势，CK 在各土壤深度均低于其他处理。0～20 cm 土层处，OF1 处理显著高于其他处理，达到 29.52 mg/kg，施控释尿素和有机肥的处理间无显著性差异，CK 和 CU 处理分别为 18.28 和 19.22 mg/kg，显著低于其他处理；20～40 cm 土层处，施控释尿素和有机肥处理硝态氮浓度显著高于普通氮肥处理，控释尿素处理含量最高，为 24.19 mg/kg；40～60 cm 土层处，PCU 处理硝态氮含量最高，与 CU 处理差异不显著，但显著高于有机肥的 3 个处理；60～80 cm 土层处，各施肥处理均显著高于 CK；80～100 cm 土层处，CU 处理的值最高，其余施氮处理未表现出显著性差异。

2.6 有机肥与控释尿素配施对坡耕地 0～100 cm 土层土壤铵态氮淋溶的影响

不同处理的铵态氮含量在 0～100 cm 土层土壤中的变化如图5 所示，CK 在各土层深度都处在最低值。在 0～20 cm 土层处，OF1 显著高于其他处理，PCU 和 OF2 处理之间无显著性差异，其余各处理表现为 OF2>OF3>CU；20～40 cm 土层处， PCU 处理铵态氮含量最高，为 18.71 mg/kg，有机肥处理含量高于普通尿素处理，但未表现出显著性差异；40～60 cm 土层处，3 个有机肥处理铵态氮含量分别增加至 15.39、16.63、16.39 mg/kg，普通尿素处理显著低于其他施肥处理，控释尿素与有机肥处理间没有表现出较大差异；60～80 cm 土层处，施无机氮肥的处理含量较高，而有机肥处理铵态氮含量低，与 40～60 cm 土层铵态氮含量的变化走势相反，CU 在此出现一个浓度为 17.85 mg/kg 的高峰值，显著高于其他处理，OF2、OF3 与 PCU 处理三者间铵态氮含量差异不显著；80～100 cm 土层处，PCU 处理再次出现峰值，为 15.94 mg/kg，OF3 处理铵态氮含量与上层土壤无显著差异，但 OF1 和 OF2 处理铵态氮含量较低，分别是 10.18、11.68 mg/kg，CU 处理铵态氮含量明显低于上层土壤，但与 OF1、OF2 处理差异不显著，三者显著低于 PCU 和 OF3 处理。

3 讨论

3.1 有机肥与控释尿素配施对坡耕地玉米产量及氮素利用率的影响

有机氮源代替部分含氮化肥可提高农作物产量，合理调配有机肥和无机肥能有效提高土壤氮素利用效率，实现作物高产和稳产^[17]。本试验表明，有机肥与无机氮肥配施比例为 50% 时，玉米产量以及氮素利用率均达到最高，对土壤有机碳和农作物产量的提高产生积极影响，与赵征宇等^[18]研究相吻合。施用有机肥代替不同比例的控释尿素，玉米的总生物量较无机氮肥增加 8.97%～15.70%，籽粒重增加 2.3%～11.66%。控释尿素可根据玉米在各个生长期对氮素需求的不同，合理缓慢释放氮素，以供玉米植株在各生长期对氮素的吸收^[19]；有机肥丰富的有机质分解速率慢，主要作用于作物生长的中后期，氮素的供给量是潜在的，可持续和长效向土壤供给氮素^[20]，有机氮素部分取代控释氮素，既有效弥补了有机肥前期养分供给短缺的问题，保证玉米后期对氮素的需求^[21]，又可以延长无机肥的有效时间，加强玉米的氮素累积量，提高氮素利用效率和玉米的偏生产力，进而增加籽粒产量^[22]。

以有机肥与不同比例的控释尿素进行配施，氮素农学利用率均有提高，其中有机肥替代 50% 控释尿素处理最高，这与谢军等^[23]取得的研究结果一致。有机肥取代 30% 和 70% 控释尿素处理总生物量和籽粒与普通尿素处理相比并未产生显著性差异，说明过低或过高的比例来施用有机肥，土壤速效养分都难以满足玉米植株对氮素的需要，对作物产量增加作用不显著^[24]。当有机肥施用比例过高时，有机肥处理在玉米生长前期的氮素积累量低，这一方面可能是因为有机肥的施入为土壤提供了大量的碳，激发了微生物活动，使大量氮素被固定于微生物体内^[25]，减少了土壤速效氮的供应，另一方面，速效肥遇水易溶解，而有机肥矿化慢，致使玉米生育前期土壤中有机氮积累量少于单一施用无机氮肥。本试验只进行了一年施肥，有机肥的后期效果是否显著，还需在以后的种植中进行验证。当有机肥施用比例过低时，由于作物吸收与淋溶等原因，无机氮肥难以正常供应玉米中后期植株所需的氮素量，导致籽粒产量下降。因此，有机肥替代 50% 控释尿素氮量，能显著增加籽粒中氮素的积累量，更利于实现玉米的增产。

3.2 有机肥与控释尿素配施对坡耕地土壤氮素含量变化的影响

有机肥蕴藏着丰富的有机质，能够优化土壤的物理化学性质，增强土壤保水保肥的能力，有助于土壤结构的改良和作物产量的提高^[26]。铵态氮易被土壤颗粒固定，不易淋失，硝态氮却容易伴随雨水冲刷或淋溶至水体与深层土壤^[27]。因此，氮素的淋失主要取决于土壤中的硝态氮浓度^[28]。有机肥与控释尿素配施能够有效地降低土壤硝态氮的积累^[29]。本试验表明，与施用无机氮素相比，有机肥处理下的硝态氮主要集中分布于 0～40 cm 土层土壤中，减缓了硝态氮向土壤深层的淋溶，这与南镇武等^[30]的研究结果一致，因此，合理且适当的配施可以降低土壤中硝态氮的累积，进而缓解硝态氮淋溶的风险。

与普通尿素处理相比，有机肥与控释氮肥配施模式下铵态氮向土壤深层淋溶速度较缓，其中 OF2处理下铵态氮向土壤深层淋溶速度最慢。这是由于有机肥能够加强土壤固氮水平，减少低氮素淋溶的风险^[31]，此外，蒋美佳等^[32]试验结果也表明，有机肥的施用能够提高氮肥利用率，降低因为坡耕地径流和渗漏等导致的氮素流失，进而降低生育期内氮素的流失^[33]。因此，运用 50% 有机肥替代无机氮肥能够减缓氮素流失量，减少坡耕地面源污染。

4 结论

有机肥与控释尿素处理间总生物量以及籽粒重均高于普通尿素处理，除 OF2 处理外无显著性差异，有机肥处理籽粒重较普通尿素增加 2.3%～11.66%；不同施肥处理玉米千粒重为 317.0～331.6 g，未表现出显著性差异；PCU、OF1、 OF3 处理的农学利用率与 CU 处理无显著性差异，但 OF2 处理显著高于 CU 和 PCU 处理，有机肥与无机氮素配施较单施无机氮素处理间氮素偏生产力无显著性差异；随着土层的加深，施用有机肥模式下的土壤硝态氮与铵态氮含量都呈下降的趋势，OF2 处理 0～40 cm 土层土壤硝态氮和铵态氮含量最高。综上，用 50% 有机肥替代控释尿素，可显著提升玉米产量和氮素利用率，提高表层土铵态氮含量，降低深层土壤硝态氮淋溶，减少坡耕地面源污染。

参考文献