水稻是我国最重要的粮食作物之一，2015年全国播种面积和产量仅次于玉米，占粮食作物总播种面积和总产量的26.66%和33.51%^[1]。随着超级稻项目的启动，1996年我国水稻单产已超过6 211.5 kg·hm^-2，至2015年达6 892.5 kg·hm^-2，增产率为10.96%^[2]。在资源环境约束日趋强化的大背景下，如何继续保持水稻稳产高产对我国粮食安全意义重大^[3]。水稻单产高低又和土壤肥力水平密切相关^[4]，而合理进行土壤培肥是维持和提升土壤肥力水平的最主要措施^[5-6]，也是作物高产优质的重要保证^[7-8]。近年来，水稻每667 m²产量达到700 kg左右的高产田块不断出现，但重演性较低。究其原因，除了受品种生产潜力、栽培技术和气候等因素制约外，土壤肥力状况是非常关键的因素。在提升耕地土壤肥力的众多培肥措施中，最有效的途径就是有机物料或者有机肥料的投入，即土壤有机培肥^[9-10]。关于土壤有机培肥对土壤肥力水平影响的研究，前人在土壤物理、化学、生物学性质方面做了大量工作^[11-16]，但大部分研究集中在对土壤耕层的影响^[17-19]，对土壤亚耕层的培肥效果鲜见报道^[20]。土壤亚耕层紧接在耕作层之下，亚耕层土壤肥力的改善对于构建肥沃耕层、提升农田基础地力意义重大。为此，本团队开展有机肥增量施用对土壤耕层、亚耕层土壤养分含量和水稻产量的影响研究，以期为进一步研究耕地地力提升和作物高产稳产提供科学依据。

试验于2012年5月至2016年10月，在安徽省巢湖市中垾镇进行。试验区为当地高产田块，水稻-小麦轮作。供试土壤为水稻土，试验开始前测定耕层厚度为15 cm，基本理化性质见表 1。供试水稻品种为新两优343，育苗移栽，栽插密度为25万穴·hm^-2。

表 1　供试土壤基本理化性质 Table 1　Physical and chemical properties of the soil

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试验设4个处理：（1）CK，不施用化肥和有机肥；（2）单施化肥，N肥用量210 kg·hm^-2，氮肥运筹5:3:2；（3）增施饼肥，N肥用量210 kg·hm^-2，氮肥运筹4:3:3，施用饼肥2250 kg·hm^-2；（4）增施牛粪，N肥用量210 kg·hm^-2，氮肥运筹4:3:3，施用牛粪30 000 kg·hm^-2。每个处理3次重复，小区面积36 m²，随机区组排列。每季作物收获后将地上部秸秆全部移出小区，留茬高度小于10 cm；水稻移栽前以小区为单位撒施部分氮肥、全部磷钾肥和有机肥，人工翻耕后整细耙平，翻耕深度25 cm左右。各处理磷钾肥用量均为P₂O₅ 60 kg·hm^-2，K₂O 90 kg·hm^-2，氮肥在水稻分蘖期和抽穗期追施。其他管理措施在水稻生育期内保持一致。小麦季各处理施肥和其他管理措施均保持一致，N、P₂O₅和K₂O用量分别为180、60 kg·hm^-2和75 kg·hm^-2。供试肥料分别为尿素（含N 46%），过磷酸钙（含P₂O₅ 12%），氯化钾（含K₂O 60%）。饼肥平均养分含量为N 5.95%、P 0.61%、K 1.10%；牛粪来源于周边中等规模的标准化畜禽养殖场，平均养分含量为N 0.35%、P 0.21%、K 0.27%。

在2012年水稻基肥施用前，分层采集耕层（0~15 cm）和亚耕层（15~30 cm）土样，作为本研究基础土壤，采用常规方法测定基本理化性质^[21]。

在水稻成熟期，按小区实收水稻籽粒计重。2016年10月水稻收获时，分层采集0~15 cm和15~30 cm土层土样，采用常规方法测定土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量。

水稻产量稳定性以统计学上的变异系数（CV）表示。变异系数可以衡量同一品种作物不同年份平均产量之间的变异程度^[22]，CV越大说明产量稳定性越低。

计算公式为：CV=σ/Y

式中：σ为标准差，kg·hm^-2；Y为平均产量，kg·hm^-2。

用Excel 2010进行数据分析和图表处理，用SPSS 19.0软件进行统计分析。

不同处理对不同土层土壤有机质和全氮含量的影响见表 2。5季水稻收获后，施肥各处理在耕层（0~15 cm）和亚耕层（15~30 cm）土壤有机质含量均高于不施肥处理，其中以增施牛粪处理最高。与基础土壤相比，不施化肥处理在2个土层有机质含量均有一定程度下降，其中在亚耕层降幅更大，达到4.39%；单施化肥处理有机质含量没有明显变化；增施牛粪和饼肥处理在耕层和亚耕层均有明显提升，提升幅度分别为33.20%、11.82%和12.84%、6.77%。单施化肥、增施饼肥和增施牛粪处理的耕层土壤全氮含量与不施肥处理相比，分别提高了0.10、0.22 g·kg^-1和0.67 g·kg^-1，增幅为5.65%、12.57%和38.07%；亚耕层分别提高了0.07、0.11 g·kg^-1和0.14 g·kg^-1，增幅为6.08%、9.94%和13.21%；与基础土壤相比，也均有不同程度提升。与单施化肥处理相比，增施饼肥处理的土壤全氮含量在2个土层均有一定提升，但均未达到显著水平；增施牛粪处理显著提升了耕层土壤全氮含量，对亚耕层全氮含量也有一定提升，增幅分别为30.69%和6.72%。综上，不施肥使土壤有机质和全氮含量有下降的趋势；单施化肥只能维持土壤有机质和全氮含量不降低；在施用化肥的基础上增施有机肥，土壤有机质和全氮含量在耕层和亚耕层均会明显升高。

表 2　施肥对土壤有机质和全氮含量的影响 Table 2　Effect of fertilizers application on the contents of soil organic matter and total nitrogen

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施肥各处理在2个土层土壤有效磷含量均显著高于不施肥处理（表 3）。不施肥处理明显降低了耕层和亚耕层土壤有效磷含量，降幅分别达到了26.54%和25.58%。单施化肥土壤有效磷含量在耕层和亚耕层也有一定程度降低，降幅分别为7.21%和3.60%。增施有机肥处理增加了土壤有效磷含量，耕层增施牛粪和增施饼肥处理分别提高114.78%和22.23%，在亚耕层也分别提高了56.84%和7.39%。同一处理耕层土壤有效磷含量是亚耕层的2.23~3.18倍，有效磷含量在不同土层中分布差异明显。与有效磷含量相比，各处理对土壤速效钾含量的影响相对较小。不施肥处理降低了耕层土壤速效钾含量，降幅为6.53%，对亚耕层速效钾含量没有明显影响。单施化肥处理速效钾含量没有明显变化。增施有机肥处理显著增加了耕层土壤速效钾含量，其中增施牛粪处理增幅更大；在亚耕层，增施饼肥处理土壤速效钾含量与单施化肥处理接近，增施牛粪处理仍显著提高了土壤速效钾含量，增幅超过10%。

表 3　施肥对土壤有效磷和速效钾含量的影响 Table 3　Effect of fertilizers application on the contents of soil available phosphorus and available potassium

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施肥各处理显著提高了水稻产量及其稳定性（表 4）。与CK相比，单施化肥处理各年度的增产率在28.59%~72.82%，增施饼肥处理为40.01%~82.91%，增施牛粪处理为37.89%~83.16%。与单施化肥处理相比，增施牛粪或饼肥处理在各年度均有一定的增产效果。其中增施牛粪处理2012—2015年的增产效果均达到了显著水平，增产率为7.23%~17.35%；增施饼肥处理在2012、2014和2015年的增产效果达到了显著水平，在2013年产量也有一定提升，增产率为4.48%；2016年各施肥处理产量比较接近。CK处理的水稻产量整体上随着试验的进行有降低的趋势，2015年的产量只有2012年的71.05%，2016年也只有77.47%；施肥各处理的产量除2015年整体相对低外，年度间无明显变化规律。2015年产量相对较低可能与夏季持续低温寡照有关。综合5季产量数据来看，与CK相比，施肥对水稻产量的提升幅度为53.51%~65.77%，变异系数降低4.57~8.47个百分点。增施牛粪和饼肥处理的产量分别达到了10 640 kg·hm^-2和10 614 kg·hm^-2，均超过了10 500 kg·hm^-2，二者产量无明显差异。与单施化肥处理相比，增施牛粪和饼肥处理分别增产7.98%和7.72%。同时增施牛粪和饼肥处理的变异系数均在6%以下，明显低于单施化肥和不施肥处理。

表 4　施肥对水稻产量及其变异系数的影响 Table 4　Effect of fertilizers application on rice yield and coefficient of variation

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不同深度土层土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量和水稻产量的相关分析结果见表 5。总的来看，水稻产量和不同土层土壤各养分含量均呈一定程度的正相关，各养分含量间也均呈显著（P < 0.05）或极显著（P < 0.01）的正相关。耕层的水稻产量和土壤各养分含量呈显著正相关，土壤有机质和有效磷含量与其他各养分含量间均呈极显著（P < 0.01）正相关。亚耕层的水稻产量与土壤有机质含量相关性最高，达到了极显著（P < 0.01）水平；与全氮、有效磷含量的相关性也均达到显著水平；除土壤速效钾外，与土壤有机质、全氮和有效磷含量的相关系数均高于耕层对应指标。综上所述，除速效钾外，水稻产量与其他土壤养分含量的相关性在亚耕层更高一些；土壤有机质、有效磷与其他土壤养分含量在耕层和亚耕层均呈极显著（P < 0.01）正相关。

表 5　土壤养分含量与水稻产量的相关性 Table 5　The correlation between soil nutrient contents and rice yield

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进一步对水稻产量变异系数和各养分含量的相关性进行分析（表 6），结果表明，变异系数和不同土层土壤各养分含量均呈一定程度的负相关。在耕层，产量的变异系数与有机质、全氮、有效磷、速效钾含量均呈极显著（P < 0.01）负相关。在亚耕层，产量变异系数与土壤有机质、全氮和有效磷含量呈极显著（P < 0.01）负相关。说明耕层各养分含量对水稻产量稳定性均有极显著影响；亚耕层土壤有机质含量是水稻产量年度间变异的最主要影响因素，土壤有效磷和全氮含量次之。

表 6　土壤养分含量与水稻产量变异系数的相关性 Table 6　The correlation between soil nutrient contents and coefficient of variance of rice yield

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耕地是农业生产中最基本和最重要的生产资料，但长期重用轻养的生产方式和以旋耕为主的耕作措施会使土壤耕层变浅、理化性质变劣^[23]，进而导致耕地土壤肥力下降、作物产量降低^[24-25]。本研究开始前，供试田块所在区域水稻每667 m²产量常年在600~650 kg，但因长期旋耕，耕层厚度只有15 cm。而作物生长发育所需要的大部分养分和水分都来自于土壤耕层^[26]。如何培肥亚耕层土壤，使之成为耕层的一部分，实现肥沃耕层构建的目标将是土壤肥料学科的研究重点。本研究发现，与单施化肥相比，增施有机肥能更好地培肥亚耕层土壤。以增施牛粪为例，土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量分别提高了10.72%、6.72%、62.69%和10.75%。培肥后的亚耕层土壤养分状况明显改善，与单施化肥处理耕层的养分差距进一步减小，随着继续增施有机肥，耕地地力应该会持续提升。

耕层是否肥沃与土壤有机质和大量养分元素的含量密切相关，通常肥沃的土壤其各项养分指标也整体较高^[27]。长期的研究表明，有机肥料和无机肥料配合施用可以明显改善土壤养分状况^[28-30]。曾骏等^[31]利用18年的长期定位试验，研究得出化肥和有机肥长期配合施用可以显著提高0~7.5、7.5~15 cm和15~30 cm土层土壤有机质含量，而长期单施化肥对各土层土壤有机质含量没有显著影响。李文军等^[20]发现化肥均衡施用配施有机肥显著促进0~20 cm和20~40 cm土层土壤全氮含量及储量的增加，同时该效应随土层加深而明显减弱。本研究也发现，在施用化肥的基础上增施牛粪或者饼肥不仅能明显提升耕层土壤有机质和全氮含量，对亚耕层有机质和全氮含量也有较好提升效果。其中土壤有机质含量在耕层（0~15 cm）的提升幅度分别为33.20%、11.82%，全氮的提升幅度分别为31.98%、7.61%；在亚耕层（15~30 cm）分别为12.84%、6.77%和7.18%、4.09%。而连续5年单施化肥后土壤有机质和全氮含量在0~15 cm和15~30 cm土层均没有明显提高。单施化肥的效果远不及化肥和有机肥配合施用，这应该是因为长期无机氮肥的投入降低了土壤C/N比，加速了土壤中原有有机质的分解^[31-32]，而有机肥本身含有大量的微生物和有机碳，化肥和有机肥配合施用时土壤的有机质含量通过矿化作用和腐殖化作用得到显著增加^[33]。

侯红乾等^[34]研究表明，无论单施化肥还是化肥有机肥配施都可以较大幅度提高耕层土壤有效磷和速效钾含量；与单施化肥相比，化肥有机肥配施对土壤有效磷的提升效果更明显，对土壤速效钾的影响相对较小。本研究结果表明，单施化肥并不能提高土壤有效磷含量；而增施有机肥显著提高了土壤有效磷含量，耕层和亚耕层分别提高了22.23%~114.78%和7.39%~56.84%，其中增施牛粪处理提升效果更明显。单施化肥的土壤速效钾含量在耕层和亚耕层均没有明显变化；增施有机肥明显提高了耕层土壤速效钾含量，增幅在13.54%~26.77%，增施牛粪对亚耕层土壤速效钾含量也有明显提升。增施牛粪或饼肥对土壤有效磷和速效钾的提升效果好于单施化肥的主要原因可能是因为单施化肥主要是通过增加土壤速效养分含量来提高土壤供肥强度，施用有机肥主要是通过改善土壤养分库容来提高土壤供肥容量，二者配合施用既可以增加土壤缓冲能力又可以维持土壤较好的无机养分供应能力^[35-36]。综合来看，与基础土壤相比，连续5年单施化肥除了使耕层土壤有效磷下降1.32 mg·kg^-1，降幅达7.21%外，土壤有机质、全氮和速效钾含量在耕层和亚耕层均没有明显升高或降低。化学肥料合理施用时，单施化肥在一定程度上也可以维持土壤养分水平。

作物产量是土壤质量的综合反映，也是土壤培肥的一个重要指标^[36]。本研究单施化肥处理连续5季的水稻每667 m²平均产量达到657 kg。如何在保证水稻高产的同时，通过合理的培肥措施维持和提高土壤肥力水平，构建肥沃耕层、实现“藏粮于地”，达到水稻持续高产稳产的目标，是本研究的最终目的。研究发现，有机无机配施不仅能增加作物产量还能提高产量的稳定性^[37-38]。本试验条件下，与单施化肥相比，增施有机肥后水稻产量连续5季均有不同程度的提高，其中增施牛粪处理的平均增幅为7.98%，增施饼肥的为7.72%。在2015年水稻产量整体较低的情况下，增施有机肥的增产效果更为明显。同时，增施有机肥处理的产量变异系数由单施化肥的8.85%下降到6%以下，说明增施有机肥后水稻产量年度间的稳定性增加。增施有机肥在提高水稻产量的同时，对耕层和亚耕层土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均具有较好的提升效果。相关分析表明，水稻产量与不同土层土壤有机质、全氮、有效磷和速效钾含量均呈一定程度的正相关，其中与有机质、全氮、有效磷在亚耕层的相关系数均高于耕层对应指标。同时，耕层和亚耕层土壤有机质、全氮和有效磷含量均极显著影响水稻产量的稳定性。上述分析表明，除耕层土壤外，亚耕层土壤养分状况对水稻产量及其稳定性也有较大影响，生产上为获得作物高产稳产进行土壤培肥时，不仅要关注耕层，更要重视对亚耕层土壤的培育。

（1）5年的试验结果表明，在合理施用化肥的基础上增施牛粪或者饼肥均能明显提升耕层（0~15 cm）和亚耕层（15~30 cm）土壤有机质、全氮和有效磷含量。

（2）与单施化肥相比，增施有机肥提高了水稻产量及其稳定性，其中增施牛粪后产量增加7.98%，变异系数降低3.90个百分点；增施饼肥后产量增加7.72%，变异系数降低3.20个百分点。