有機(jī)無機(jī)配施對(duì)夏玉米產(chǎn)量構(gòu)成及水氮利用的影響

馮悅晨，于志勇，趙萍萍

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，太原 030031)

晉南地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，然而在該地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量平均僅為1.1%，超過一半地區(qū)的有機(jī)質(zhì)含量低于1%，土壤貧瘠嚴(yán)重限制了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展[1-2]。為了增加糧食產(chǎn)量和農(nóng)民收入，施用化學(xué)肥料成為重要手段，化肥對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量增加的貢獻(xiàn)率在40%以上；但近年來我國(guó)的化肥使用量增長(zhǎng)了34%，單位面積糧食產(chǎn)量卻下降了1.4%，尤其是氮肥的不合理施用降低了化肥利用效率且污染了生態(tài)環(huán)境[3-4]。因此，為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境的和確保農(nóng)業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展，探尋科學(xué)合理的施肥方式成為當(dāng)前急需解決的問題。

我國(guó)擁有豐富的有機(jī)肥資源，有機(jī)肥中含有大量的有機(jī)質(zhì)，同時(shí)也含有作物生長(zhǎng)發(fā)育所需的各種大量元素和微量元素，有機(jī)肥能協(xié)調(diào)土壤水肥，對(duì)提高農(nóng)作物產(chǎn)量和提升品質(zhì)具有重要作用[5-6]。王艷玲等[7]研究表明，有機(jī)無機(jī)配施可顯著增加旱地土壤2～0.25 mm、0.25～0.05 mm 和0.05～0.01 mm 粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)碳含量，提高特征微團(tuán)聚體比例，從而提高土壤保水保肥能力。竇露等[8]研究表明，在黃土高原旱地小麥種植區(qū)，有機(jī)無機(jī)配施可顯著提高冬小麥產(chǎn)量和千粒重，菌肥無機(jī)肥和秸稈炭無機(jī)肥處理較單施化肥分別提高產(chǎn)量22.4%和21.5%。段鵬鵬等[9]研究表明，在連續(xù)2 年采取有機(jī)無機(jī)配施后可顯著提高0～30 cm 土層土壤礦質(zhì)氮和土壤可溶性有機(jī)氮的含量，對(duì)土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量增加效果顯著。井永蘋等[10]研究表明，有機(jī)無機(jī)配施可顯著降低土層中硝態(tài)氮?dú)埩袅浚?dāng)有機(jī)無機(jī)配比為1∶2 時(shí)增產(chǎn)效果最顯著，較不施氮肥提高46.2%，較單施化肥提高3.6%。宋震震等[11]研究表明，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥較長(zhǎng)期施用化肥更能提高土壤各活性氮庫組分含量和顆粒有機(jī)氮對(duì)土壤全氮的貢獻(xiàn)率。綜上所述，前人的研究大多集中于有機(jī)無機(jī)配施對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤養(yǎng)分含量變化的影響，而對(duì)土壤剖面含水量、硝態(tài)氮?dú)埩?、籽粒及秸稈養(yǎng)分含量影響的研究尚鮮見報(bào)道。

本試驗(yàn)在晉南地區(qū)開展，通過大田試驗(yàn)研究了不同比例有機(jī)無機(jī)配施對(duì)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成、0～300 cm 土壤含水量及硝態(tài)氮?dú)埩袅俊⑾挠衩鬃蚜＜敖斩挼酿B(yǎng)分吸收量的影響，分析有機(jī)無機(jī)結(jié)合條件下的土壤養(yǎng)分循環(huán)特征，為當(dāng)?shù)氐租涴B(yǎng)分和秸稈等資源的高效可持續(xù)利用、石灰性褐土有機(jī)質(zhì)穩(wěn)定提升提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省臨汾市堯都區(qū)喬李鎮(zhèn)南麻村（36°13′N，111°36′E）。試驗(yàn)區(qū)屬于溫帶季風(fēng)氣候，年均溫12～12.6 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 419 h，年無霜期203 d，年均降水量550 mm，年日照時(shí)數(shù)為2 416.5 h。試驗(yàn)地選擇為中低地力田，土壤類型為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤土，主要粘土礦物以云母、蒙脫石等為主。0～20 cm 土壤pH 值8.5，土壤有機(jī)質(zhì)量為14.92 g·kg-1，全氮量為 0.78 g·kg-1，硝態(tài)氮量為8.09 mg·kg-1g，速效磷量為11.27 mg·kg-1，速效鉀量為214.15 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理，分別為不施肥(CK)、單施化肥(M0N)、有機(jī)肥氮與無機(jī)肥氮配比分別為1∶4、1∶3、1∶1、3∶1(以MN1、MN2、MN3、MN4表示)、單施有機(jī)肥（MN0）；隨機(jī)排列， 3 次重復(fù)，小區(qū)面積為4.5 m×6 m=27 m2。

夏玉米前茬作物為冬小麥，在冬小麥試驗(yàn)中統(tǒng)一施用氮肥 180 kg·hm-2，施用磷肥 P2O5120 kg·hm-2、鉀肥K2O 60 kg·hm-2，10 月6 日撒施化肥后旋耕。夏玉米試驗(yàn)中氮肥用量225 kg·hm-2，磷肥P2O560 kg·hm-2、鉀肥K2O 60 kg·hm-2；所有處理中氮肥用量相同，氮肥以尿素（N46%）、磷肥以粒狀過磷酸鈣（P2O512%）和磷酸一銨（NH4H2PO4，10-44-0）、鉀肥以氯化鉀（K2O 60%）供給。供試有機(jī)肥為腐熟羊糞，養(yǎng)分含量為N 2.48%，P2O51.96%，K2O 1.31%。施用有機(jī)肥處理于6 月16 日在試驗(yàn)地撒施羊糞1 250 kg 后旋耕，7 月15 日開溝追施化肥。

供試夏玉米品種為先玉335 號(hào)，采用60 cm 等行距點(diǎn)播，株距25 cm；供試冬小麥品種為濟(jì)麥22，常規(guī)平作，行距20 cm，種植方式為播前淺旋耕，深度12～15 cm。

1.3 樣品采集與測(cè)定

1.3.1 樣品采集 2018 年6 月15 日試驗(yàn)取基礎(chǔ)土樣一個(gè)，取樣深度0～100 cm,分5 層，每層20 cm；10 月6 日取試驗(yàn)處理土樣10 個(gè)，取樣深度0～300 cm，分15 層，每層20 cm；取植株樣品62 個(gè)。

1.3.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法 土壤硝態(tài)氮的測(cè)定：用2 mol·L-1KCL 進(jìn)行振蕩提取，用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀（SMART CHEM 200，法國(guó)Alliance 公司產(chǎn)）測(cè)定土壤NO3--N 含量。

1.3.3 計(jì)算方法 （1）土壤貯水量（mm）=土壤質(zhì)量含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土層厚度（cm）/10（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 土壤容重分別為1.21 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.30 g·cm-3，80～200 cm 土層為1.36 g·cm-3）；

（2）各器官植株氮（磷、鉀）素積累量=干物質(zhì)質(zhì)量（kg·hm-2）×氮素含量（g·kg-1）/103。

1.3.4 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用 Microsoft Excel 2016 整理作圖，并用 SPSS19.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用 LSD 法檢驗(yàn)P＜0.05 水平上的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米穗數(shù)、穗重和稈重影響

有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米穗數(shù)、穗重和稈重的影響如表1 所示。由表1 可知，MN1 和MN2 處理的夏玉米穗數(shù)最高，均為5.4 萬穗·hm-2。M0N、MN3、MN4 和MN0 處理的夏玉米穗數(shù)分別為5.2、5.3、5.1 和5.2 萬穗·hm-2，較MN1 和MN2 處理所有降低，且差異顯著，說明有機(jī)無機(jī)配施可一定程度提高夏玉米穗數(shù)，以MN1 和MN2 最顯著。在穗重方面，以MN1、MN3 和MN0 的夏玉米穗重最高，分別為16 716.2、16 283.9 和16 067.7 kg·hm-2，MN2和MN4 的夏玉米穗重分別為15 851.6 和15 347.2 kg·hm-2，較MN1、MN3 和MN0 低，且差異呈顯著水平。M0N 的夏玉米穗重為14 698.7 kg·hm-2，均低于有機(jī)無機(jī)配施處理，且差異呈顯著水平，說明有機(jī)無機(jī)配施較傳統(tǒng)化肥施用均可提高夏玉米穗重。M0N 和MN0 的夏玉米稈重分別為19 598.3 和21 976.0 kg·hm-2，差異不顯著，而MN1、MN2、MN3和MN4 的夏玉米稈重均高于M0N 和MN0，且差異呈顯著水平，其中以MN1 和MN2 增加效果最為顯著，說明有機(jī)無機(jī)配施對(duì)夏玉米秸稈的增產(chǎn)效果要好于單施化肥或單施有機(jī)肥。

表1 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米穗數(shù)、穗重和桿重的影響Table 1 Effect of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer on ear number, ear weight, and stem weight of summer maize

圖1 有機(jī)肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤水分分布狀況Figure 1 Soil moisture distribution of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

圖2 有機(jī)肥替代化肥模式下不同層段土壤含水量總量Figure 2 Soil moisture content of different layers in the model of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer

2.2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)0～300 cm 土壤剖面土壤水分的影響

圖1 為不同處理夏玉米收獲時(shí)0～300 cm 各土層土壤水分含量分布狀況，圖2 為不同處理夏玉米收獲時(shí)0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同層段土壤含水量總量。由圖1 可看出，各處理在0～300 cm 土層的含水量變化趨勢(shì)大致相同。有機(jī)無機(jī)配施在60～80 cm 和220～240 cm 土層出現(xiàn)高峰值，在40～60 cm 和140～160 cm 土層出現(xiàn)低峰值。M0N 處理的表層土含水量要低于其他處理，在40～120 cm 土層中也顯著低于其他處理，在120～300 cm 土層中與其他處理無顯著差異。由圖2 可知，各處理在0～300 cm 土層的總含水量表現(xiàn)為有機(jī)無機(jī)配施＞單施有機(jī)肥＞單施化肥。不同處理間0～100 cm 土層含水量變化差異與0～300 cm 土層總含水量相似，100～200 cm 土層含水量有機(jī)無機(jī)配施高于單施化肥或單施有機(jī)肥，在200～300 cm 土層中各處理之間無顯著差異。說明有機(jī)無機(jī)配施較單施化肥和單施有機(jī)肥可顯著提高土壤中含水量，尤其對(duì)0～120 cm 土層有顯著提升作用。

2.3 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成影響

表2 為不同處理夏玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成。由表2 可知，M0N 的籽粒產(chǎn)量為8 895.3 kg·hm-2，MN4 和MN0 的籽粒產(chǎn)量分別為8 839.7 和8 670.9 kg·hm-2，與M0N 無顯著差異。MN1、MN2、MN3 的籽粒產(chǎn)量分別為10 219.5、9 229.3 和9 165.5 kg·hm-2，較M0N 模式有顯著的增產(chǎn)效果，其中以MN1 的增產(chǎn)效果最為顯著。M0N 和MN0 的生物產(chǎn)量分別為8 209.5 和8 389.5 kg·hm-2，MN1、MN2、MN3 和MN4 的生物產(chǎn)量較M0N 和MN0 均有顯著提升作用，以MN2 的增加效果最為顯著，說明有機(jī)無機(jī)配施較單施有機(jī)肥或單施化肥可顯著提高夏玉米的生物產(chǎn)量。在產(chǎn)量構(gòu)成方面，以M0N 和MN1的穗粒數(shù)最多，分別為618.0 和616.3 ?！に?1，顯著高于其他處理，有機(jī)無機(jī)配施4 個(gè)處理的百粒重之間無顯著差異，但顯著高于單施有機(jī)肥或單施化肥處理，所有處理中以MN1 和MN2 的成穗數(shù)最高，要顯著高于其他處理。

表2 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 2 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on yield and yield composition of summer maize

圖3 有機(jī)肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤硝態(tài)氮含量分布狀況Figure 3 The content of nitrate nitrogen in soil of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

圖4 有機(jī)肥替代化肥模式下不同層段土壤硝態(tài)氮累積量Figure 4 The accumulation of soil nitrate nitrogen of different soil layers under the model of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer

2.4 有機(jī)肥替代化肥對(duì)土壤硝態(tài)氮?dú)埩舻挠绊?/h3>

圖3 為不同處理0～300 cm 各土層土壤硝態(tài)氮含量分布狀況，圖4 為不同處理0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同層段土壤硝態(tài)氮總含量。由圖3 可知，不同處理在0～300 cm 土層中的硝態(tài)氮?dú)埩袅孔兓厔?shì)大致相同，在100 cm 土層左右出現(xiàn)了硝態(tài)氮?dú)埩袅康牡头逯?，?00 cm 土層左右出現(xiàn)硝態(tài)氮?dú)埩袅康母叻逯怠Ｔ?～20 cm 土層，各處理之間的硝態(tài)氮含量差異最大，表現(xiàn)為MN2＞MN1＞M0N＞MN4＞MN0＞MN3，在100～260 cm 土層中，M0N 的硝態(tài)氮?dú)埩袅恳@著高于其他處理。由圖4 可知，M0N 在0～300 cm 的硝態(tài)氮總殘留量為243.0 kg·hm-2，顯著高于其他處理，MN3 和MN0 的殘留量分別為183.4 和182.8 kg·hm-2，顯著低于MN1、MN2 和MN4 處理。在0～100 cm 土層中，MN3 和MN0 的硝態(tài)氮?dú)埩袅恳@著低于其他處理。在100～200 cm 和200～300 cm 土層中均表現(xiàn)為M0N 的硝態(tài)氮?dú)埩袅恳@著高于其他處理，而單施有機(jī)肥處理和有機(jī)無機(jī)配施之間無顯著差異。

2.5 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米籽粒、秸稈養(yǎng)分含量的影響

表3 為不同處理有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米籽粒和秸稈養(yǎng)分含量的影響。由表可知，不同處理的籽粒全氮含量無顯著差異。MN4 處理的全磷含量為3.13 g·kg-1，顯著高于其他處理，除MN4 以外的其他處理間無顯著差異。M0N、MN3 和MN0 的籽粒全鉀含量為0.50、0.50 和0.51 g·kg-1,MN1、MN2 和MN4的籽粒全鉀含量顯著高于M0N、MN3和MN0，MN4 的增加效果最顯著。MN0 的秸稈全氮含量為0.83 g·kg-1，不同有機(jī)無機(jī)配施處理較MN0 處理有顯著提高，M0N 處理的秸稈全氮含量最高，含量為1.20 g·kg-1。MN1、MN2 和MN3 的秸稈全磷含量為0.85、0.89 和0.86 g·kg-1，而M0N、MN4 和MN0的秸稈全磷含量顯著高于MN1、MN2 和MN3，MN0含量最高。M0N 的秸稈全鉀含量為2.41 g·kg-1，MN4和MN0 較M0N 顯著降低，而MN2 的秸稈全鉀含量顯著高于M0N。

表3 有機(jī)肥替代化肥對(duì)夏玉米籽粒、秸稈養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on nutrient content of summer maize kernels and stalks

3 討論與結(jié)論

加強(qiáng)對(duì)土壤養(yǎng)分資源的調(diào)節(jié)與管理是我國(guó)乃至全球?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、保障人類糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。減少化肥施用量、尋求可循環(huán)利用的替代肥料是解決土壤養(yǎng)分資源管理問題的關(guān)鍵[12-14]。有機(jī)肥具有良好的培肥作用，有機(jī)肥的施用可帶入土壤中磷、鉀、微量元素等[15-16]，同時(shí)可改善土壤團(tuán)聚特征。然而，由于有機(jī)肥施入后養(yǎng)分釋放緩慢，單施有機(jī)肥易造成農(nóng)作物前期供肥不足，而單施化肥容易造成農(nóng)作物后期供肥不足，因此有機(jī)無機(jī)配施可滿足作物整個(gè)生育期的養(yǎng)分需求[17-18]。本研究結(jié)果表明，相較于單施化肥和單施有機(jī)肥，有機(jī)無機(jī)配施（有機(jī)肥氮和無機(jī)肥氮配比為1∶4、1∶3、1∶1）可以顯著提高夏玉米籽粒產(chǎn)量。這與以往的研究結(jié)果基本一致。張緒成等[22]研究表明，有機(jī)無機(jī)配施可有效促進(jìn)地上地下部分生物量的增加，提高作物的生長(zhǎng)速度。周江明等[24]也有類似發(fā)現(xiàn)，無機(jī)肥配施一定量的有機(jī)肥可有效提高作物的結(jié)實(shí)率，從而實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

有機(jī)無機(jī)配施可顯著改善土壤微生物的活性，提高土壤氮素的釋放能力，為作物生長(zhǎng)提供充足的氮素，有機(jī)無機(jī)配施可有效延緩玉米根系和植株衰老時(shí)間，從而延長(zhǎng)了灌漿時(shí)間，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)效果[19-21]。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，有機(jī)肥氮和無機(jī)肥氮配比為1∶4時(shí)，有機(jī)無機(jī)配施可以顯著增加夏玉米的穗粒數(shù)、百粒重和成穗數(shù)；有機(jī)肥氮和無機(jī)肥氮配比為1∶3時(shí)，僅可顯著增加夏玉米的百粒重和成穗數(shù)，對(duì)穗粒數(shù)無顯著影響；有機(jī)肥氮和無機(jī)肥氮配比為1∶1時(shí)，可以顯著增加夏玉米的百粒重，對(duì)穗粒數(shù)和成穗數(shù)無顯著影響。徐明崗等[23]研究表明，有機(jī)無機(jī)配施可顯著增加作物單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而提高糧食產(chǎn)量?？梢?，有機(jī)肥和無機(jī)肥的配比不同，有機(jī)無機(jī)配施對(duì)夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成的影響也會(huì)有不同影響。另外，有機(jī)肥氮和無機(jī)肥氮配比為3∶1，夏玉米籽粒產(chǎn)量和單施氮肥、單施有機(jī)肥之間無顯著影響，產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)其成穗數(shù)顯著低于單施氮肥。適當(dāng)比例的有機(jī)無機(jī)肥配施可顯著增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，但當(dāng)有機(jī)肥配施的比例超過一定閾值后，肥料所能供應(yīng)的速效養(yǎng)分的數(shù)量和能力會(huì)有所下降，會(huì)一定程度降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[25]。

干旱半干旱地區(qū)，年降雨量的不規(guī)律性、季節(jié)性干旱持續(xù)時(shí)間的不確定性等，都影響了旱地農(nóng)田土壤水分和養(yǎng)分的有效性。水分往往成為旱地作物生長(zhǎng)的限制性因素。提高水分利用效率、協(xié)調(diào)土壤水分和養(yǎng)分的供應(yīng)是提高旱地玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵。有機(jī)無機(jī)配施可以改善土壤結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱的關(guān)系，從而提高土壤的保水性[26]。本研究結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)配施較單施化肥和單施有機(jī)肥可顯著提高0～300 cm 土層中含水量，尤其對(duì)0～120 cm 土層有顯著提升作用；有機(jī)無機(jī)配施均可以顯著提高0～100 cm 土層和100～200 cm 土層土壤貯水量。楊忠贊等[4]研究表明，單施有機(jī)肥和有機(jī)無機(jī)配施提高了田間0～40 cm 土層的田間持水量，當(dāng)有機(jī)肥替代化肥氮肥減施50%時(shí)，保水效果最顯著。這說明，無機(jī)有機(jī)配施可以有效提高土壤保水性能，這對(duì)于旱地玉米的生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成非常重要。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無機(jī)配施較單施化肥可顯著降低0～300 cm 土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅?，尤其?duì)100～260 cm 土層的硝態(tài)氮?dú)埩袅拷档头茸畲螅?dāng)配比為1∶1 時(shí)硝態(tài)氮?dú)埩袅拷档头茸铒@著，達(dá)32.5%。有機(jī)無機(jī)配施中存在一定量的有機(jī)氮，這部分氮素需要在礦化后才能轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，相較于單施化肥，有機(jī)氮的輸入提高了土壤中氮素供應(yīng)能力，改變了土壤氮素遷移特征。楊修一等[27]的研究也表明，有機(jī)肥替代尿素，可以顯著增加土壤總碳和銨態(tài)氮含量，減少60～100 cm土層土壤硝態(tài)氮淋溶。有機(jī)無機(jī)配施可在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的保水性能，從而緩解了氮素的淋失[28-29]。另外，一定比例的有機(jī)無機(jī)配施可顯著提高土壤中的C/N，相對(duì)充足的碳源在一定程度上可以促進(jìn)土壤微生物的生殖繁育，土壤微生物可將土壤中多余的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，從而有效減弱硝態(tài)氮的殘留量和淋溶量[30]。無機(jī)有機(jī)配施可以提高0～200 cm 土層土壤保水性，同時(shí)可以減小氮素淋失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。