有机肥氮替代化肥氮对河套灌区春玉米生长发育、氮素效率及产量的影响

杨 旸，崔 超，马广全，杭国庆

(河套学院 农学系，内蒙古 巴彦淖尔 015000)

内蒙古河套地区是我国重要的粮油生产基地，玉米作为该地区重要的栽培作物，产量占内蒙古自治区玉米总产量的21%[1]。该区长期过量施用化肥氮，基本不施有机肥氮，导致玉米氮肥利用率不足30%，同时造成资源浪费和环境污染[2]。合理利用有机肥资源，采用有机肥替代部分化肥，是实现中国到2020年化肥零增长目标的重要途径之一。谢军等[3]连续8 a在紫色土上开展有机肥氮替代部分化肥氮试验，结果表明，有机肥氮替代部分化肥氮能有效提高玉米产量及氮素利用率。蔡泽江等[4]研究表明，有机肥替代化肥能够使玉米产量保持稳定或稳定增长。MANNA等[5]和陈欢等[6]研究表明，有机肥无机肥配施和氮磷钾配施均可显著提高作物产量的稳定性和生产可持续性。徐一兰等[7]研究表明，有机肥无机肥连续配施有利于增加水稻产量，早稻以60%有机肥配施40%化肥处理产量最高，晚稻以30%有机肥配施70%化肥处理产量最高。近年来，有机肥氮替代化肥氮的理论与技术研究[8-9]多在南方水稻、华北平原的小麦玉米两熟制下开展，对北方一年一熟制的春玉米报道较少，在河套灌区的相关研究则未见报道。鉴于此，在河套灌区进行了有机肥氮替代部分化肥氮对玉米生长发育、氮素效率及产量的影响研究，以期为河套灌区建立合理的玉米施肥模式提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2017—2018 年在内蒙古巴彦淖尔市临河区军分区农场试验基地进行，该试验基地坐落在黄河“几”弯上方(41°17′ N、107°6′ E，海拔1 041～1 043 m)，属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温6.8 ℃，多年平均降水量138.8 mm，无霜期平均130 d。试验地土壤为淤灌土，0～20 cm耕作层土壤有机质含量10.33 g/kg，碱解氮含量48.72 mg/kg，有效磷含量13.73 mg/kg，速效钾含量152.72 mg/kg，pH值8.20。

1.2 试验设计

采用随机区组试验设计，3次重复，小区面积为30 m2(5 m×6 m)。共设5个施肥处理：(1)对照(不施氮肥，CK)；(2)农民常规施肥(CF)；(3)减量施肥(TS)；(4)TS基础上有机肥氮替代30%化肥氮(MF)；(5)TS基础上有机肥氮替代50%化肥氮(OF)。农民常规施肥(CF)肥料用量：N 276 kg/hm2，P2O5131 kg/hm2，不施钾肥；减量施肥(TS)肥料用量：N 184 kg/hm2，P2O5110 kg/hm2，K2O 57 kg/hm2。有机肥氮替代化肥氮处理(MF、OF)与TS处理氮养分用量相同，施入的磷、钾化肥量相同，但有机肥带入的磷、钾养分未计入。对照(CK)除不施氮肥外，磷、钾养分与TS处理一致。

氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为重过磷酸钙(含P2O544%)，钾肥为硫酸钾(含K2O 52%)，有机肥为商业有机肥，有机肥养分具体含量：有机质 45%、N 1.4%、P 0.83%、K 0.69%。其中，有机肥、磷肥、钾肥作为基肥一次施用，氮肥分3次施用：50%为基肥、10%在玉米拔节期施用、40%在玉米大喇叭口期施用。基肥为撒施，追肥为沟施。供试玉米为当地主栽品种郑单42，留苗密度为67 500株/hm2。

1.3 测定项目及方法

各处理小区选取有代表性的植株5株进行标记，于玉米生长的苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、成熟期分别测量株高和叶面积。叶面积采用长宽系数法测定，即叶面积=最大叶长×最大叶宽×系数，其中完全展开叶系数为 0.75，未完全展开叶系数为0.5。各时期各处理分别取代表性植株5株带回实验室,105 ℃杀青后于80 ℃烘干至恒质量，测定地上部干物质量。玉米灌浆期选择晴朗无风的天气，于10:00—12:00用LI-6400光合测定仪测定玉米棒三叶的光合速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和蒸腾速率。测定部位为叶片中部，每个小区测定代表性植株3株。在收获期每小区取中间2行，收获面积为10 m2。收获后随机选取20个果穗统计穗长、穗行数、行粒数、穗粒数、秃尖长、百粒质量。将收获的果穗晒干后脱粒计产。采集玉米籽粒和秸秆样品晒干保存备用。采用H2SO4-H2O2对玉米籽粒及植株样品进行消煮，采用凯氏定氮法测定全氮含量，采用钼锑抗比色法测定全磷含量，采用火焰光度法测定全钾含量。

1.4 数据处理

叶面积指数(LAI)=总叶面积/土地面积；

氮肥偏生产力(kg/kg)=施N处理作物产量/施N量；

氮肥农学效率(kg/kg)=(施N处理作物产量-不施N处理作物产量)/施N量；

氮收获指数=籽粒吸N量/地上部总吸N量×

100%；

氮肥利用率=(施N处理植株氮积累量-对照植株N积累量)/施N量×100%。

采用DPS 6.85软件进行数据分析，采用LSD法进行差异显著性检验，用Excel软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对玉米生长速度的影响

由图1可以看出，各生育时期CK的玉米株高明显低于其他处理。苗期—大喇叭口期，CF、TS、MF、OF处理的玉米株高均没有显著差异；大喇叭口期—成熟期，TS处理的玉米株高明显低于其他3个处理，说明氮肥施用量一定时，有机肥氮替代化肥氮更能加快玉米生育后期的生长速度。

图1 不同施肥模式玉米的生长速度变化Fig.1 Changes of maize’s growth rate with various fertilization modes

2.2 不同施肥模式对玉米叶面积指数的影响

由图2可以看出，CK叶面积指数总体上低于其他处理。苗期—大喇叭口期，CF、TS、MF、OF处理的叶面积指数没有明显差异，均随玉米生育时期推进不断增加。抽雄期，各处理叶面积指数均达到最大值，以MF、OF处理较高，其中MF处理较CK、CF、TS处理分别高60.4%、11.1%、35.6%，OF处理较CK、CF、TS处理分别高60.1%、10.9%、35.3%，说明有机肥替代化肥可促进玉米叶片的生长。抽雄期—成熟期，除了OF处理叶面积指数增加，其他处理均呈下降趋势，说明高比例有机肥氮替代化肥氮有助于延缓玉米花后叶面积的衰老。

图2 不同施肥模式玉米的叶面积指数变化Fig.2 Changes of maize’s leaf area index with various fertilization modes

2.3 不同施肥模式对玉米地上部干物质积累的影响

由图3可以看出，随着生育时期的推进，玉米干物质积累量不断增加,但增加速度有所不同。苗期—大喇叭口期，由于植株生长缓慢，干物质积累量较少，各处理间没有明显差异。大喇叭口期—成熟期为玉米营养生长和生殖生长并进阶段，干物质量积累加快，其中抽雄期—成熟期各处理积累的干物质量占整个生育期积累干物质总量的47%～66%。各处理干物质积累量均于成熟期达到最高值，其中OF处理是CK的2.6倍，同时分别比CF、TS、MF处理提高45.1%、43.0%、57.7%，CF处理与TS处理没有明显差异，但均明显高于CK。

图3 不同施肥模式玉米的干物质积累变化Fig.3 Changes of maize’s dry matter accumulation with various fertilization modes

2.4 不同施肥模式对玉米光合特性的影响

由表1可以看出，不同施肥模式对玉米棒三叶的光合特性影响明显。穗上叶的净光合速率、气孔导度及蒸腾速率均以有机肥氮替代化肥氮处理较高，其中OF处理最高，分别为 23.37 μmol/(m2·s)、0.28 mol/(m2·s)、5.02 mmol/(m2·s)，显著高于施化肥氮及不施氮处理(CF、TS、CK)。CF、MF、OF处理胞间CO2浓度没有显著差异，但显著高于CK和TS处理，说明缺失和少施氮肥会降低胞间CO2浓度，进而影响光合速率。

与穗上叶不同，MF处理穗位叶的净光合速率[21.31 μmol/(m2·s) ]显著高于OF处理，但与其他处理差异不明显。胞间CO2浓度以MF处理最高，为166.86 μmol/mol，显著高于TS处理，但与其他处理无显著差异。各个处理间气孔导度和蒸腾速率差异均未达到显著水平。

穗下叶的净光合速率以MF处理最高[22.08 μmol/(m2·s)]，显著高于CK及TS、OF处理，但与CF处理没有显著差异，胞间CO2浓度以CF处理最高，显著高于CK和TS处理，但与有机肥氮替代化肥氮处理(MF、OF)没有显著差异，各个处理间气孔导度和蒸腾速率与穗位叶相似，均没有显著差异。

表1 不同施肥模式对玉米灌浆期光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度及蒸腾速率的影响Tab.1 Effects of various fertilization modes of maize on photosynthetic rate,stomatal conductance,intercellular CO2 concentration and transpiration rate during grain filling stage

注：同列不同字母表示相同叶片不同处理间差异达到5%显著水平。
Note：Different letters in the same column mean the difference among various treatments of the same leaf is significant at 5% level.

2.5 不同施肥模式对玉米产量及构成因素的影响

由表2可以看出，不同施肥模式对玉米产量的影响比较明显，以MF处理产量最高，达到15 818.90 kg/hm2，CK最低，仅为6 034.87 kg/hm2。有机肥氮替代化肥氮处理(MF、OF)与常规施肥(CF)没有显著差异，但显著高于CK和TS处理，分别较CK提高了162.1%、161.7%，较TS处理提高了32.6%、32.4%。说明在相同施氮量下，有机肥氮配施化肥氮比单施化肥氮更能提高玉米的产量，与农民常规施用化肥氮对玉米产量的提高效果相似。

不同施肥模式对玉米产量构成要素的影响达到显著水平，穗粗和千粒质量均以CK最低，OF、MF、CF处理较高，显著高于CK和TS处理。CF、OF处理穗行数均为15行，显著高于CK，但与TS、MF处理没有明显差异。OF、MF处理行粒数较高，显著高于CK和TS处理，说明相同施氮量下施用有机肥氮有助于增加玉米行粒数。OF处理穗长最长，为21.88 cm，较CK和TS处理分别增加65.4%和14.9%。OF处理秃尖长最短，仅为1.20 cm，显著低于其他处理。

表2 不同施肥模式的玉米籽粒产量及产量构成因素 Tab.2 Grain yield and yield components of maize under various fertilization modes

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。下同。
Note：Different letters in the same column mean the difference is significant at 5% level. The same below.

2.6 不同施肥模式对玉米氮素效率的影响

由表2可以看出，氮肥偏生产力以MF、OF处理较高，分别为86.0、85.9 kg/kg，均显著高于CF、TS处理，较CF处理分别提高51.7%、51.5%，较TS处理分别提高32.7%、32.6%。同样，氮肥农学效率也以MF、OF处理较高，分别达到53.2、53.0 kg/kg，较CF处理分别提高52.4%、51.9%，较TS处理分别提高66.3%、65.6%。氮肥利用率同样以MF、OF处理较高，分别为61.0%、57.3%。TS处理氮肥利用率仅为31.7%，显著低于MF、OF、CF 处理。氮素收获指数以CF处理最高，为78.3%，显著高于其他处理。

表3 不同施肥模式对玉米氮素效率的影响Tab.3 Effects of various fertilization modes on nitrogen efficiency of maize

3 结论与讨论

刘高洁等[10]、秦文利等[11]研究发现，玉米生长速度在一定范围内随氮肥施用量增加呈增加趋势，但氮肥过量施用会导致氮、磷比例失衡，玉米生长速度反而降低。本研究也同样发现，施氮肥能够明显提高玉米的生长速度，特别是大喇叭口期—成熟期，有机肥氮代替化肥氮处理、农民常规施肥处理的生长速度明显高于减量施肥处理，说明有机肥氮配施化肥氮比单施化肥氮对大喇叭口期—成熟期玉米生长速度的促进作用更明显，与农民常规施用化肥氮对玉米生长速度的促进效果相似。成熟期，除了CK外，各施肥处理玉米株高相差不多，说明各施肥处理对植株生长速度有不同程度的促进作用,但对最终株高基本上没有影响。

合理的施肥模式可以保证玉米生育后期相对稳定的绿叶面积，从而改善叶片光合性能，增加玉米干物质的积累，进而达到高产[3]。本研究发现，与不施氮肥相比，施氮肥能够明显提高玉米的叶面积指数，而有机肥氮替代化肥氮对玉米叶面积指数的提高效果更显著，这与其他研究结果一致[12-14]。50%有机肥氮替代化肥氮更有助于延缓花后叶片衰老，延长叶片功能期，从而有利于增加干物质积累量，这可能是由于有机肥养分的缓效性，维持了玉米生育后期养分的持续供应。王雁敏等[14]研究表明，在一定范围内增施氮、磷肥对植株干物质积累有促进作用，但氮肥过量会影响植株的干物质积累。本研究中，农民常规施肥与减量施肥处理成熟期的干物质积累量没有明显差别，但是减量施肥处理抽雄期—成熟期积累的地上部分干物质量明显高于农民常规施肥处理，说明农民常规施肥对玉米生育前期的营养生长具有更大的促进作用，而减量施肥更有利于玉米生育后期的生殖生长。抽雄期—成熟期，50%有机肥氮替代化肥氮和减量施肥处理地上部干物质分别占整个生育期积累干物质总量的65.7%、65.2%，但成熟期50%有机肥氮替代化肥氮处理干物质量较减量施肥处理增加187.9 g/株，说明有机无机肥配施更有利于玉米高产，这与其他研究结果一致[13,15]。

光合作用强弱直接影响作物产量的高低，长期施肥能显著提高玉米的叶绿素含量，改善光合性能，增强光合利用率，进而起到增产的作用[16-17]。本研究发现，与单施化肥的3个处理(CK、CF、TS)相比，有机肥氮替代化肥氮处理能明显提高玉米穗上叶的净光合速率，但对穗位叶的提高效果不明显，这可能与上部叶片的遮挡有关，而穗下叶以30%有机肥氮替代化肥氮处理与农民常规施肥处理的提高效果较明显，说明在施氮量相同的情况下，30%有机肥氮替代化肥氮处理提高玉米净光合速率的效果较好。30%有机肥氮替代化肥氮处理对玉米穗位叶和穗下叶净光合速率和胞间CO2浓度的影响优于50%有机氮替代化肥氮处理，这可能是由于50%有机肥氮替代化肥氮处理的玉米叶面积较大，冠层叶片相互遮挡程度增加，导致穗位叶及穗下叶的采光受到了一定的影响，最终导致光合特性降低[18]。

高洪军等[19]研究表明，有机肥替代化肥的有机无机配施模式能够提高玉米的氮素积累量，并提高玉米的偏生产力和氮收获指数。周江明[20]研究表明，有机氮替代部分化肥氮能够提高作物氮素积累量，提高氮素利用效率。本研究发现，有机肥氮替代部分化肥氮相对于减量施肥处理能显著提高玉米的氮肥利用效率，但是30%、50%有机肥氮替代化肥氮处理之间的氮肥利用效率差异不明显，说明50%有机无机氮肥配比并不会影响玉米当季的氮肥利用效率，在生产实践中可以在50%比例的基础上再适度提高有机氮肥与无机氮肥的配施比例。张福锁等[21]认为，根据我国目前土壤和环境养分供应量大、化肥增产效益下降的事实，偏生产力是评价肥料利用率的适宜指标。DOBERMANN等[22]研究认为，氮肥偏生产力一般在40～80 kg/kg，大于60 kg/kg表明氮素管理较好或施肥量较低。本研究中的有机肥氮替代化肥氮处理与减量施肥处理的氮肥偏生产力高于上述报道的60 kg/kg，说明氮肥管理较合理，而农民常规施肥的氮肥偏生产力相对较低(56.7 kg/kg)，说明该施肥可能存在过量、不合理的现象。刘占军等[23]研究发现，等量氮肥施用的情况下，有机无机肥配合施用的氮肥利用率低于单施化肥处理，与本研究结果相反，这可能是因为本研究中施用的是商业有机肥，与以上研究中的猪粪有机肥相比，在土壤中转换时间短，有效养分损失较少，肥效相对较快，所以氮肥利用率较高。虽然有机肥氮替代化肥氮处理的氮肥利用率较高，但是氮素收获指数却明显低于农民常规施肥处理，说明该研究中施氮量高的处理氮素收获指数较大。侯云鹏等[24]研究表明，玉米氮素收获指数随施氮量增加表现为先增后降，以施氮量为210 kg/hm2处理最大，为64.9%。谢军等[3]研究表明，有机肥氮替代部分化肥氮能够明显增加玉米籽粒中的氮素积累量，促进氮素向籽粒中的转运，从而使玉米获得高产。本研究中，相同施氮量下，有机肥氮替代化肥氮处理的氮素收获指数略高于减量施肥处理，基本与上述研究结果一致。

张越等[25]研究表明，有机肥配施化肥具有明显的增产效果，增产幅度为18.3%～34.1%。于天一等[26]研究表明，单施有机肥处理的玉米产量高于单施化肥处理，但显著低于有机肥无机肥配施处理，说明化肥对于作物高产稳产也是必不可少的。唐海明等[27]认为，配施有机肥有利于增加玉米行粒数、穗粒数和百粒质量等指标，从而获得高产。本研究发现，30%、50%有机肥氮替代化肥氮对玉米产量提高效果差异不明显，但均显著高于减量施肥处理，增产幅度为32.4%～32.6%，增产的主要原因是千粒质量、行粒数、穗粗及穗长显著提高，秃尖长显著降低，这与上述研究结果一致。有机肥氮替代化肥氮处理与当地农民常规施肥处理的玉米产量差异不明显，但是高量化肥氮的施用可能会引起环境污染及养分资源的浪费[28-29]。

综上所述，与减量施肥相比，有机肥氮替代化肥氮能提高玉米生长速度、叶面积指数，改善光合性能，提高氮素效率及产量，但与农民常规施肥之间的产量差异不明显。30%、50%有机肥氮替代化肥氮处理玉米的生长速度、叶面积指数、产量及氮素效率差异均不明显。考虑到大量施用化肥会导致养分利用率降低及引起环境污染等问题，推荐50%有机肥氮替代化肥氮为河套灌区春玉米适宜的施肥模式。