施用畜禽粪肥对旱地玉米生产力的影响

周 静，籍增顺，李永平，史向远，张晓晨

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

水资源匮乏是旱地农业高效持续发展的主要瓶颈，而降水分布不均、春旱严重、土地质量下降是限制旱地作物增产的主要因素。如何实现降水的资源化利用，已成为旱地农业发展的根本途径。采用抗旱节水措施和增施有机肥均能有效提高降水利用率，特别是增施有机肥，已经成为提高降水利用率的关键措施。唐小明[1]研究表明，有机肥对提高土壤肥力、作物产量和品质及增强作物抗逆性具有相当重要的作用，长年施用不仅可培肥地力，而且可提高土壤的抗旱保水能力，对涵养土壤水分有良好的作用。王贵寅等[2]研究表明，施用有机肥可提高水分有效利用率，有利于吸纳雨水，防止水分渗漏和径流；与其他节水措施相比，该方法简单，投资少，易被群众接受。莫翼翔[3]在黄土高原近20 a 的定位试验中证实，有机肥在水肥耦合、培肥地力、提高化肥肥效以及减轻化肥污染等方面有很大作用。党廷辉[4]研究表明，增施有机肥有利于提高土壤的蓄水保水性能，还可以显著提高旱地作物水分利用效率和底墒利用率。王晓娟等[5]研究表明，在同一秸秆还田水平及不还田处理下，玉米的水分利用效率随着有机肥施用量的增加而升高，施有机肥22.5 t/hm2的玉米水分利用效率较不施肥处理显著提高29.5%～66.4%。

山西地处黄土高原生态环境脆弱带，全省80%以上的耕地属于旱地。玉米作为全省第1 大粮食作物，2011 年种植面积达到172.3 万hm2，其中，旱地玉米在玉米总种植面积中占到80%以上，因此，提高旱地农业生产力对山西的农业发展具有举足轻重的作用。随着农业产业结构调整，城乡畜牧业规模发展迅速，农村畜牧业的发展已成为山西农村的支柱产业之一，成为农民收入的重要来源。但由于畜禽数量大幅增加，畜禽粪便污染成为一个重要的污染源。据预测，2020 年中国畜禽粪便每年排放总量将达到42.44 亿t[6]，随着中国养殖业的进一步发展，畜禽粪便造成的环境污染将会更加严重。畜禽粪便的资源化利用是目前亟待解决的问题。畜禽粪便农用化，不但能有效缓解畜禽粪便对环境的污染，同时也实现了培肥地力的目的，对解决畜禽粪便污染是直接有效的实现途径。随着农业集约化水平的提高和人们施肥观念的改变，畜禽粪肥也越来越多地被纳入农业生态循环，“粪便还田”日渐趋于常态。许多学者已对畜禽粪肥改善环境条件、提高作物产量等作用进行了大量的研究[7-13]，但就旱作农业区粪肥定量施用的报道尚不多见。

本试验以鸡粪肥为供试材料，对不同施肥梯度下的旱地玉米土壤水分状况、玉米生物学性状指标、光合生理指标及产量进行了研究，旨在为区域性畜禽粪肥的合理施用提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验设在山西省忻州市忻府区解原乡新路村，属季风型温带大陆性气候，平均海拔825.0 m，年均日照时数2 807.5 h，年均气温8.5 ℃，≥10 ℃积温3 269.6 ℃，无霜期149 d。多年平均降水量428.7 mm，年蒸发量1 784.4 mm，玉米生育期降水量为476.5 mm[14]。试验区地势平坦，土壤为褐土，耕层土壤有机质8.37 g/kg，全氮0.49 g/kg，碱解氮52.1 mg/kg，有效磷1.29 mg/kg，速效钾89.0 mg/kg。

1.2 研究方法

试验于2010 年5 月开始，供试玉米品种为先玉335，供试畜禽粪肥为鸡粪。试验共设4 个处理（表1），每个处理3 次重复，随机区组排列，共12 个小区。小区面积4.8 m×5 m，每小区种植玉米8 行，行长5 m，行距0.6 m，株距0.32 m，相邻2 小区之间留30 cm 隔离带。以不施鸡粪为对照。播种方式采用人工点播。氮磷钾复合肥（N 15%，P2O515%，K2O 15%）采用沟施，每公顷地施肥量为600 kg。试验的前茬作物为玉米，玉米秸秆采用就地还田形式，2011 年秸秆还田量每公顷地6 000 kg。

表1 试验设置

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤含水量 采用土钻取土，烘干法测定，测定深度200 cm，0～100 cm 每10 cm 取土一次，100～200 cm 每20 cm 取土一次。

土壤含水量＝（土壤鲜质量－土壤干质量）/土壤干质量×100%。

1.3.2 作物总耗水量 利用公式计算作物总耗水量。

ET＝P＋U－R－F－ΔW

式中，ET 为玉米生育期耗水量（mm），P 为生育期降雨量（mm），U 为地下水补给量（mm），R为径流量（mm），F 为深层渗漏量（mm），ΔW 为玉米收获时与播种前土壤贮水量之差（mm）。由于试验地为黄土母质发育形成的褐土，疏松多孔，1 h 雨水入渗量可以达到80 mm 左右，再加上试验地平整，地表径流小；地下水埋深在10 m 以下，不易上移补给；在有作物生长的农田，多雨年份降水入渗深度不超过2 m，所以，F，U，R 可忽略不计。

1.3.3 玉米水分利用效率 利用公式计算水分利用效率。

WUE＝Y/ET

式中，WUE 为玉米水分利用效率（kg/（mm·hm2）），Y 为玉米单位面积产量（kg/hm2）。

1.3.4 光合生理指标 分别在6 月29 日、7 月28 日（晴天）用CI-310 便携式光合仪测定玉米穗位叶的光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）。

1.3.5 生物学性状指标和产量 在小区内选择有代表性的植株20 株，测定其穗部性状；按小区进行测产。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 绘制图表，用SPSS 18.0软件对数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 施用粪肥对旱地玉米水分利用效率的影响

随着施肥量的不同，土壤水分的变化也不尽相同。2011 年忻州地区全年降水量为510.7 mm，玉米生育期降水量为476.5 mm，雨热同期，玉米在生长期没有受到水分胁迫的影响。由表2 可知，施用鸡粪能不同程度地提高玉米水分利用效率，根据方差分析，处理1，2，3 水分利用效率与CK 相比，均达显著水平，其中，处理2，3 土壤水分利用效率较高，与CK 相比，分别增加了38.97%和43.36%。这是因为有机肥施入土壤后增加了土壤中有机质含量，有机质经过微生物分解形成了腐植酸，它可以使松散的土壤颗粒胶结成土壤团聚体，使土壤孔隙度增大、土壤容重变小，从而易于截留、吸附渗入土壤中的水分。

表2 不同处理对玉米水分利用效率的影响

2.2 施用粪肥对旱地玉米生长性状的影响

由表3 可知，随着施粪水平的不同，各农艺性状对产量的影响也不尽相同。处理1 穗位高对产量的影响最大，其各农艺性状与产量的密切关系依次为：穗位高＞节间长＞茎粗＞株高；处理2，3 各农艺性状对产量影响程度由大到小均为：茎粗＞节间长＞穗位高＞株高，说明在处理2，3施肥水平下，茎粗对产量的形成意义重大。CK 株高对产量影响最大，其次是茎粗和穗位高，对产量影响最小的为节间长。

表3 玉米产量与其生长性状指标的灰色关联度分析

由表4 可知，各施肥处理的株高、穗位高、茎粗均显著高于CK，同时，施肥处理的节间长均小于CK。其中，处理1 的株高最高，与CK 相比，增长量达7%，且二者之间差异显著；穗位高由高到低为处理3＞处理2＞处理1＞CK，各施肥处理穗位高与CK 相比，其增幅为11%～15%；茎粗处理2 最大，显著高于处理3 和CK，但与处理1 之间差异不显著；节间长处理3 最短，处理2 和处理1 次之，CK 最长。说明合理施用粪肥，不但可以有效满足作物的营养需求，活化土壤养分，而且可以有效促使作物壮根、促苗、硬茎、保果，从而促进作物的健康生长。

表4 不同施肥处理对玉米各农艺性状的影响cm

2.3 施用粪肥对玉米主要光合生理指标的影响

2.3.1 净光合速率 随着旱地玉米生育期的推进，其叶片净光合速率总体呈现逐步下降的趋势，这与左仁辉等[15-17]的研究相同（随着叶片的衰老，光合能力逐渐下降）。从图1 可以看出，施肥处理的净光合速率均大于对照，其净光合速率由大到小为处理3＞处理2＞处理1＞CK。在6 月29 日的测定中，处理3 的净光合速率最大，为43.65 μmol/（m2·s），显著高于对照（F＝3.26，P＝0.080 6）；处理1，2 的净光合速率虽然高于对照，但差异不显著；与对照相比，施肥处理净光合速率增幅为2.12%～7.12%。在7 月28 日的测定中，整体变化趋势与6 月29 日测定结果相同，处理3 的净光合速率最高，显著高于处理1 和对照，但与处理2 之间差异不显著，施肥处理净光合速率较对照增幅在28.95%～65.79%之间。说明合理施用粪肥，可以提供更多的微生物，对作物生长有促进，同时微生物活动对有机质的矿化起到了加速作用，进一步促进了植物养分的吸收，延长了玉米高光合持续期，进而提高了作物净光合速率；相反，粪肥施用不足或不施肥情况下，随着作物营养需求的增加，加速了叶片的衰老，叶绿素捕获光能和转化化学能的能力均有所下降，导致了作物提前衰老，起不到增产作用。

2.3.2 气孔导度 由图2 可知，气孔导度的变化与净光合速率变化相似，随着生育进程的推进呈下降趋势。在6 月29 日测定中，气孔导度各处理间差异不显著，与对照相比，处理3 的气孔导度最大，提高了5%。在这一时期，降水量呈上升趋势，降水总量为197.3 mm，占全年降水总量的1/3，水分供应充沛，水分对作物气孔导度的影响大于肥料的影响。在7 月28 日测定中，随着叶片的日渐衰老，气孔导度也在减小。施肥处理的气孔导度均大于对照，处理2，3 的气孔导度较大，与对照相比，气孔导度分别提高了53%，44%，且差异显著；而处理1 与对照之间差异不显著。说明在水分充足的条件下，不同施肥处理对气孔导度的影响不大，但在水分不足的条件下，施肥对气孔的开闭具有一定的调节作用，同时合理施肥能够起到“以肥调水”的作用。因此，合理施肥能够促进气孔导度的提高，进而提高作物的光合作用。

2.3.3 蒸腾速率 由图3 可知，旱地玉米蒸腾速率随着作物生育期的推进而降低，配施粪肥的处理蒸腾速率均小于对照。在6 月29 日的测定中，叶片蒸腾速率由小到大为处理3＜处理2＜处理1＜CK，施肥处理蒸腾速率较对照降幅为11%～20%，其中，处理2 和处理3 的蒸腾速率较低，分别比对照降低了18%，20%。在7 月28 日的测定中，蒸腾速率的变化规律与6 月29 日的测定结果相似，叶片的蒸腾速率处理1 和处理2 较小、处理3 次之、对照最大。对照的蒸腾速率是施肥处理的1.7～2.3 倍。说明合理配施粪肥能有效抑制作物无效蒸发，为作物后期生长提供持续养分，维持植物体内水肥平衡，保持植物活性，进而提高植物的光合作用。

2.3.4 胞间二氧化碳浓度 胞间二氧化碳浓度是表征作物光合作用的重要指标，其对叶肉细胞的羧化作用有很大影响。

由图4 可知，处理2 和处理3 的胞间二氧化碳浓度较低。在6 月29 日的测定中，处理2 和处理3 的胞间二氧化碳浓度显著低于处理1 和对照，但处理1 与对照之间差异不显著。与对照相比，处理2 和处理3 的胞间二氧化碳浓度分别降低了38.61%，40.31%。在7 月28 日的测定中，施肥处理的胞间二氧化碳浓度均显著低于对照，降幅为61.96%～67.62%。说明施用粪肥在一定程度上可以满足作物的养分需求，使得CO2同化能力提高，从而降低胞间二氧化碳浓度。同时通过对2 个生育期胞间二氧化碳浓度的测定可知，在降水相对充足的月份，各处理间胞间二氧化碳浓度相对差异小且降幅不大；但在相对干旱的条件下，施肥处理的胞间二氧化碳浓度显著低于对照，这与张立新等[18]的研究结果相似。

2.4 施用粪肥对旱地玉米产量及产量构成因素的影响

由表5 可知，不同施肥处理下，作物产量与穗粗、百粒质量呈显著正相关，与秃尖程度成显著负相关。由表6 可知，不同处理作物产量由高到低为处理3＞处理2＞处理1＞CK，施肥处理的旱地玉米产量均显著高于对照，其中，处理3产量最高，为13 842.60 kg/hm2，较对照增产39%；旱地玉米穗长最大的是处理3，比对照增加0.45 cm，且二者之间差异显著；穗粗处理2 最大，为5.15 cm，但各处理间差异不显著；处理2 和处理3 的秃尖较小，其秃尖程度显著低于对照；百粒质量由大到小为处理3＞处理2＞处理1＞CK，处理2 和处理3 之间差异不显著，但显著高于对照，与对照相比，百粒质量分别增加9.04，9.06 g。由此可知，合理施肥在促进玉米健康生长的同时，对减少秃尖出现的次数和程度有积极意义，进而对作物产量的提高有促进作用。

表5 不同处理下旱地玉米产量及其构成因素的相关系数

表6 不同施肥处理下旱地玉米产量构成因素分析

3 结论与讨论

本研究表明，不同施肥处理比对照可有效提高旱地玉米产量25.59%～39.15%，其中，处理3的产量提高幅度最大，但经济效益最差。王立刚等[19]研究表明，有机肥施入土壤后大量地增加了土壤的有机质含量，有机质经过微生物的分解形成了腐植酸，它可以使松散的土壤单粒胶结成土壤团聚体，使孔隙度增大、土壤容重变小，易于截留吸附渗入土壤中的水分和释放出的营养元素离子，使有效养分元素不易被固定。且土壤结构体疏松多孔、微孔隙丰富，能为作物生长提供充足的基肥，同时可增强土壤蓄水纳墒的能力，为作物生长提供适宜的生长环境，避免了作物过早衰老，延长了作物高光效的持续期，为作物产量的形成奠定了良好基础，对作物生长起到了“壮根、促苗、增果”的作用。

不同施肥处理与对照相比，能有效提高作物水分利用效率25.80%～43.36%，说明旱地施用有机肥具有明显的蓄水保墒效果，但比王生录等的研究结果偏高，其原因可能主要有2 个方面：一是因为地域因素和降水量的不同，忻州地区2011 年降水量与往年相比偏高，雨水充沛从而导致作物水分利用率高；二是供试材料不同，从而影响了土壤腐殖化和矿化过程，进而影响了作物水分利用效率。

在本试验中，更多地考虑了土壤因素对产量的影响，而对植物本身因素对产量的影响考虑较少，例如，不同处理间根系的长度、主根数量以及植株本身养分含量没有及时测定，同时旱作农业受降水的影响比较大，今后需要对不同降水类型年份的旱地玉米各项理化指标进行进一步研究。

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