商品有机肥替代部分化肥对玉米生长、产量及土壤肥力的影响

何 浩，危常州，李俊华，张宇彤

(石河子大学农学院/新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子832003)

0 引 言

【研究意义】施用化肥是提高作物产量和改善品质的重要措施，而化肥过度施用，容易造成环境污染、土壤退化等问题。在保障作物产量和粮食安全的基础上，减少化肥使用量，是提高土壤肥力，减少环境污染的施肥措施[1]。农业生产中应用有机肥替代部分化肥的施肥方式，可以减少化肥用量，提高作物产量和经济效益[2]。研究商品有机肥替代部分化肥现用合时玉米生长、产量、土壤肥力及经济观点，对玉米生产中有机肥替代部分化肥的应用有实际意义。【前人研究进展】国内外一些研究表明，有机肥替代部分化肥后，能协调有机与无机养分的平衡供应，增加土壤养分含量，满足作物生长发育对养分的需求，在保证作物稳产、增产的同时减少化肥施用量[2-7]。罗洋等[8]和李春阳等[9]研究表明，有机肥与化肥配施，可以减少化肥施用量，一定程度上避免过量施肥造成的环境污染和土壤次生盐渍化。有机肥与化肥配施能提高小麦和玉米产量、经济系数和生理效率[10]。祝英等[11]研究表明有机肥替代部分化肥可以改善土壤微生物类群数量，促进玉米对养分的吸收利用和土壤养分的贮存，提高土壤养分和玉米产量。此外，有机肥和化肥配合施用还可以改善土壤容重、孔隙度、田间持水量和提高水分利用效率[12, 13]。一些研究表明，有机肥替代化肥能增加水稻、小麦和玉米产量，提高养分积量及肥料利用率，减少环境污染，培肥土壤[14-16]。吕凤莲等[17]在小麦—玉米轮作体系的研究发现有机肥替代部分化肥能促进作物生长、提高作物产量、增加经济效益。【本研究切入点】有关研究文献较少，尚未见文献报道，研究通过有机肥替代部分化肥能在保障玉米的稳产增产的基础上、减少化肥用量，提高土壤肥力、增加经济效益。【拟解决的关键问题】设置田间小区试验，研究等养分条件下有机肥替代部分化肥对玉米生长、产量以及土壤肥力的影响，为玉米生产中有机肥替代化肥的应用提供可行性依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地位于新疆伊宁县现代农业技术示范园(43°55'N，81°33'E)，海拔683 m，该县属温带荒漠气候，冬春温和湿润，夏秋温暖干燥，年平均气温10.6℃，年最高气温35.8℃，年降水量250～551.7 mm，无霜期154～184 d，年平均日照时数2 792.7 h，≥10℃有效积温3 621.2℃。试验区土壤类型为灌溉灰钙土，耕层土壤(0～20 cm)的基础理化性质：pH 7.71，有机质12.73 g/kg，全氮0.96 g/kg，碱解氮85.95 mg/kg，速效磷23.94 mg/kg，速效钾229.24 mg/kg。

供试玉米品种为新玉50号，供试肥料：化肥包括尿素(含N 46.0%)，磷酸二铵(含N 18.0%，P2O548.0%)，硫酸钾(含K2O 51.0%)，商品有机肥(含N 1.77%，P2O51.95%，K2O 0.53%)。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2018年4月21日开始实施，为田间小区试验，设置3个处理：不施肥对照(CK)；常规施肥(NPK)；有机肥替代部分化肥(MNPK)，其中NPK和MNPK处理是等氮、磷、钾量投入。采用完全随机设计，3次重复，小区面积为33.2 m2(4 m×8.3 m)。采用等行距的种植模式，株行距为50 cm×株距为21.5 cm，理论株数9.3×104株/hm2。不同处理施肥方案，确定有机肥氮替代化肥比例为10.0%，根据有机肥的养分含量，计算出有机肥替代所需用量，从而计算出有机肥中的氮、磷、钾替代部分化肥的比例分别为10.0%、18.3%和15.0%。其中氮肥的40%用于基施、磷肥、钾肥和商品有机肥全部基施。基肥在播种前施入土壤。氮肥的60%用于大喇叭口期追施尿素。表1

表1 不同处理施肥方案(kg/hm2)
Table 1 Fertilization schemes for different treatment

处理Treatment基肥Base fertilizer化肥Chemical fertilizer商品有机肥Commercial organic fertilizerNP2O5K2ONP2O5K2O追肥Topdressing总施肥量Total amountof fertilizerNNP2O5K2OCK0000000000NPK120.0180.060.0000180.0300.0180.060.0MNPK90.0147.051.030.033.09.0180.0300.0180.060.0

1.2.2 样品采集及测定

在玉米苗期、拔节期、大喇叭口期、吐丝期和成熟期，每个小区取长势均匀10株玉米，测定玉米株高、茎粗(用游标卡尺测定茎基第一节间)和叶数(成熟期除外)，并用SPAD仪测定叶片SPAD值(苗期至大喇叭口期测定最新完全展开叶，吐丝期和成熟期测定穗位叶)。

玉米成熟后，每个小区随机选取1 m2进行考种和测产，测定穗长、穗粗、秃尖长、行粒数、穗行数、穗粒数、千粒重。脱粒，烘干后称重，计算小区产量(籽粒含水量为14%)。

玉米成熟期，采用“S”形法采集耕层(0～20 cm)土样。土壤容重(5～10 cm)测定用环刀法；土壤含水量测定用烘干法；土壤碱解氮测定采用碱解扩散法；土壤速效磷测定采用钼锑抗比色法；土壤速效钾的测定用火焰光度法；土壤有机质测定用重铬酸钾—外加热法；土壤pH测定用电位计法(水土比2.5∶1)[18]。

1.3 数据处理

试验数据采用SPSS 17.0软件处理和分析，不同处理采用Duncan法进行差异性检验(P<0.05)。Microsoft Excel 2010制作图表。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米株高、茎粗及叶片数影响

研究表明，有机肥替代部分化肥可以增加玉米株高。各处理株高，苗期无显著差异，拔节期增长迅速，较苗期各处理分别增加了140.03%、180.27%、245.40%，此时期差异最明显，MNPK处理较NPK和CK处理显著增加了16.51%和55.74%。大喇叭口期以后株高增长缓慢，成熟期停止生长，MNPK处理较NPK和CK处理显著增加了6.84%和8.77%。图1

注:不同小写字母代表不同处理差异显著性(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters represent significant differences among different treatments (P< 0.05).the same as below

图1 不同处理下玉米株高变化
Fig.1 Effects of different treatments on plant height of maize

有机肥替代部分化肥可以增加玉米茎粗。各处理茎粗，苗期无显著差异；拔节期迅速增加，较苗期分别增加25.53%、63.88%和56.72%，此时期差异最明显，MNPK处理较CK和NPK处理显著增加了23.20%和25.53%；大喇叭口期至吐丝期增加缓慢，成熟期时迅速降低，MNPK处理较CK和NPK处理显著增加了11.77%和15.52%。图2

有机肥替代部分化肥促进玉米叶片的生长。各处理叶片数，苗期时，MNPK处理玉米高于NPK与CK处理，与CK处理差异显著；拔节期迅速增加，较苗期分别增加了35.87%、48.80%和50.00%，MNPK处理较NPK和CK处理显著增加了36.80%和39.60%；大喇叭口期增加缓慢，MNPK处理显著高于CK和NPK处理；吐丝期基本停止生长，MNPK处理较NPK和CK处理增加了4.86%和7.41%。图3

图2 不同处理下玉米茎粗变化
Fig.2 Effect of different treatments on stalk diameter of maize

图3 不同处理下玉米叶片数变化
Fig.3 Effect of different treatments on leaf number of maize

2.2 不同处理对玉米叶片SPAD值的影响

整个生育期，玉米叶片SPAD值均表现为MNPK>NPK>CK。各处理叶片SPAD值，苗期至大喇叭口期呈现先增加后平缓的趋势；大喇叭口期至成熟期，CK处理持续下降，而NPK和MNPK处理先增加后降低，吐丝期时达到最高；成熟期时差异最显著，MNPK处理较NPK和CK处理显著增加了33.42%和42.95%。图4

2.3 不同处理对玉米穗部性状的影响

研究表明，有机肥替代化肥有效改善了玉米穗部性。MNPK处理较NPK和CK处理，穗长、穗行数、行粒数分别增加了15.64%和19.62%、1.87%和5.61%、30.50%和36.00%；穗粗分别显著增加了6.57%和10.59%；秃尖长分别降低了49.21%和0.54%。表2

2.4 不同处理对玉米产量构成的影响

研究表明，有机肥替代部分化肥可以增加玉米产量和改善产量构成因子。MNPK处理较NPK和CK处理，穗粒数、有效株数、产量分别显著增加了10.70%和33.12%、3.82%和0.66%、68.53%和83.47%，千粒重分别增加了1.49%和23.07%。MNPK和NPK处理较CK增产率分别为83.47%和68.53%，MNPK处理较NPK处理增产率为14.94%。表3

图4 不同处理下玉米叶片SPAD值变化
Fig.4 Effect of different treatments on SPAD values of maize leaves

表2 不同处理下玉米穗部性状
Table 2 Effect of different treatments on ear characters of maize

处理Treatment穗长(cm)Ear length穗粗(cm)Ear diameter秃尖长(cm)Bald tip length穗行数(行)Ear row number行粒数(粒)Grain numberper rowCK17.18 b4.72 c4.02 a14.27 a27.87 bNPK19.87 a5.03 b1.99 b14.53 a36.37 aMNPK20.55 a5.22 a2.04 b15.07 a37.90 a

注：同列数据中不同小写字母表示差异显著性(P<0.05)，下同

Note: Different letters shows significant difference，the same as below

表3 不同处理下玉米产量及产量构成
Table 3 Effect of different treatments on maize yield and yield composition

处理Treatment穗粒数(粒)Grain number per ear千粒重(g)1 000-grain有效株数(株/hm2)Effective plants 产量(kg/hm2)Yield增产率(%)Yield increase rate较CK较NPKCK397.01 c310.25 b83 080.05 c10 239.60 c——NPK528.51 b376.24 a86 179.95 b17 257.20 b68.53—MNPK570.97 a381.83 a86 800.05 a18 786.90 a83.4714.94

2.5 经济效益

研究表明，有机肥替代部分化肥提高了玉米经济效益。常规施肥(NPK)和有机肥替代部分化肥(MNPK)处理的产量分别为17 257.20和18 786.90 kg/hm2，玉米产值分别为24 246.37元和26 396.59 kg/hm2，MNPK处理较NPK处理增收2 149.23元；施肥投入主要包括化肥和有机肥成本，化肥成本分别为2 577.15和2 206.80元/hm2，MNPK处理的有机肥成本为2 100.00元/hm2，成本增加了1 729.65元，从而净收益增加了419.58元。表4

2.6 不同处理下成熟期土壤肥力变化

研究表明，有机肥替代部分化肥提高了土壤肥力，并改善理化性质。MNPK处理较NPK和CK处理，土壤碱解氮、速效磷、速效钾有机质含量分别增加13.08%和39.29%、71.97%和95.70%、13.29%和45.13%、20.00%和23.26%；土壤pH降低0.90%%和1.53%；土壤含水量显著增加了8.23%和21.93%；土壤容重显著降低了2.74%和7.79%。表5

表4 玉米施肥处理经济效益
Table 4 Economic benefit analysis of maize fertilization treatment

处理Treatment产收Production income施肥投入Fertilization input产量Yield(kg/hm2)产值Yield value(元/hm2)增收Increase income(元/hm2)化肥成本Chemical fertilizer cost(元/hm2)有机肥成本Organic fertilizercost(元/hm2)增加成本Increase cost(元/hm2)净收益Net income(元/hm2)NPK17 257.2024 246.37—2 577.150——MNPK18 786.9026 396.592 149.232 206.802 100.001 729.65419.58

注：除施肥不同外，其他管理均相同。其中2018年肥料价格：尿素1.8元/kg，磷酸二铵3.3元/kg，硫酸钾3.3元/kg，商品有机肥1.25元/kg。2018年玉米(14%籽粒含水量)市场价格为1.4元/kg。净收益=增收-增加成本

Note: All management is the same except for fertilization.Among them, the fertilizer price in 2018: urea 1.8 yuan / kg, diammonium phosphate 3.3 yuan / kg, potassium sulfate 3.3 yuan / kg, commercial organic fertilizer 1.25 yuan / kg.The market price of corn (14% grain moisture) in 2018 is 1.4 yuan/kg.Net income = Increase income - Increase cost

表5 不同处理下成熟期土壤肥力变化
Table 5 Effects of different treatments on soil fertility at mature stage

处理Treatment碱解氮Alkaline N(mg/kg)速效磷Available P(mg/kg)速效钾Available K(mg/kg)有机质Organic matter(g/kg)pH土壤含水量Soil moisture content(%)土壤容重Soil bulk density(g/cm3)CK59.38 b5.58 b186.26 b14.36 b7.83 a13.91 c1.54 aNPK73.14 ab6.35 b238.60 a14.75 b7.78 a15.67 b1.46 bMNPK82.71 a10.92 a270.31 a17.70 a7.71 a16.96 a1.42 c

3 讨 论

由于有机肥的养分释放缓慢，单独施用不能及时提供作物生长所需的养分，化肥肥效快，易被作物吸收的特点，而应用有机肥替代部分化肥施用的方式，能有效地协调有机与无机养分的供应，及时满足作物生长对养分的需求，并能获得高产[19]。研究发现，等养分条件下有机肥替代可以促进玉米生长发育，从而提高玉米株高、茎粗和叶片数，刘恩科等[20]研究表明，化肥与有机肥配合施用，可以改善玉米植株的生物学性状。此外，王立刚等[21]研究发现增施有机肥后叶片SPAD值显著增加，各处理在成熟期差异最显著，因为有机肥可以有效延缓玉米叶片衰老，延长叶片光合功能期，为玉米生长发育提供充足的营养物质。

有机肥替代部分化肥通过增加玉米穗长、穗粗、穗行数、行粒数和千粒重，降低秃尖长，从而有效地改善了穗部性状，与侯小畔等[22]运用化肥与有机肥配施的施肥方式可以改善玉米穗部性状的研究结果相似。有机肥替代部分化肥通过有效地改善穗部性状和提高玉米产量构成因子(穗粒数，千粒重和有效株数)，使得产量显著高于常规施肥和不施肥处理，表明有机肥替代化肥有利于玉米产量的增加[6, 17, 20, 23]。研究表明，有机肥替代部分化肥不仅在玉米生育前期及时提供生长所需的养分，同时在玉米生育后期能有效地协调营养生长和生殖生长对养分吸收的关系，从而提高玉米的产量。

从产量和经济效益方面来看，研究有机替代的1 hm2玉米的产量较常规施肥提高14.94%，增收2 149.23元，净收益达到419.58元。吕凤莲等[17]研究也发现在小麦—玉米两个轮作体系中有机肥替代部分化肥可以提高作物产量和增加经济效益。从土壤培肥效益来看，研究表明，有机肥替代部分化肥明显改善了土壤理化性质，提高土壤含水量，降低土壤pH值和土壤容重，提高土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾的含量，为作物高产创造基础。这一结果与前人研究结果一致[6, 21, 24-26]。

4 结 论

较常规施肥(NPK)，等养分条件下商品有机肥替代部分化肥(MNPK)减少化肥用量72 kg/hm2，其中N，P2O5和K2O分别减少30、33和9 kg/hm2；促进玉米的生长，在不同生育期的玉米株高、茎粗、叶片数和叶片SPAD值均有所增加；有效改善玉米穗部性状和产量构成，其中显著增加了穗粗和穗粒数，一定程度增加了穗长、穗行数、行粒数和千粒重，降低秃尖长；增加了玉米产量和经济效益，其中增加玉米产量7 017.60 kg/hm2，增收2 149.23元/hm2，净收益为419.58元/hm2；改善了土壤理化性质，其中有效增加了土壤有机质、碱解氮、速效磷和速效钾的含量，提高土壤含水量，降低土壤pH和土壤容重。商品有机肥替代部分化肥是促进玉米生长，增产增效和提高土壤肥力的一种经济可行的施肥方法。