有机肥替代化肥对陇中旱农区玉米光合特性及产量的影响

王嘉男，谢军红，李玲玲，王林林，康彩睿，郭喜军，彭正凯，王进斌，Zechariah Effa

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

玉米(ZeamaysL.)是世界上最具潜力的粮饲兼用型作物，不仅可以保障粮食安全，而且还可以缓解饲料短缺[1].陇中旱农区是黄土高原西部典型的旱作雨养农业区，近年来全膜双垄沟播技术的应用使玉米成为陇中旱农区的主栽作物之一，在该技术下，玉米高产出意味着对养分的高消耗[2]，必须及时足量补充土壤养分才能保证玉米可持续高产.化肥的应用对提高粮食产量做出了巨大贡献.然而，随着化肥投入量的增加，其负面影响也逐渐凸现出来，例如肥料利用率不高(30%左右)[3]氮肥的淋溶和磷素的固定[4]病虫害的增加以及对产品质量的影响等[5].另外有试验证明，长期单施化肥可使土壤酸化、板结、含水量降低，土壤养分流失，而过量使用化肥无疑会加剧这些问题[6-7].因此，如何合理施肥，加强土壤养分管理，确保玉米可持续高产，同时又保护农业生态环境，成为了玉米生产可持续发展的重点研究课题.

有机肥替代部分化肥是实现我国化肥减量目标的重要措施之一.研究发现，有机肥的施用可以改善土壤理化性质、增加土壤有机质含量、增加土壤微生物量、提高土壤肥力和保水能力[8-9]，特别是有机结合无机的施肥方式能显著地提高作物产量、水氮利用效率及土壤养分[10-13]，既能减少化肥的用量，又能保证粮食产量.有机肥具有养分缓释的特点，存在较长时间的后效[14]，可促进作物生育后期的群体生长，有利于作物后期光合产物积累[15].光合作用作为作物产量形成的最基本生理基础，改善作物光合性能成为提高玉米产量的重要方式[16].有研究表明[17]，在陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米，施纯氮200 kg/hm2左右，按照1/3基肥+2/3拔节期配施,可以增强光合作用，从而提高玉米籽粒产量和饲料产量，但目前陇中旱农区关于有机肥施用对玉米光合特性及产量影响的研究较少，因此研究施用有机肥对玉米光合生理特性和产量的影响，对解析施肥影响该区玉米产量的光合生理机制具有重要意义[18-22].

为此，本研究拟在全膜双垄沟播玉米施肥量研究[17,23-24]的基础上设置不同有机肥替代化肥比例，研究有机肥替代化肥对玉米产量及干物质积累分配的影响，并通过玉米主要光合指标的监测，从光合角度探讨有机肥替代化肥影响玉米产量的生理机理，以期为陇中旱农区玉米持续高产和化肥减量双重目标的实现提供理论和技术依据.

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本研究于2016～2018年在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行.试区平均海拔2 000 m，年无霜期140 d，属中温带半干旱偏旱区，多年均日照时数2 476.6 h，太阳辐射量为592.9 kJ/cm2，年均气温6.4 ℃，≥0 ℃积温为2 933.5 ℃，≥10 ℃积温为2 239.1 ℃，多年平均降水量为399.3 mm，80%保证率的降水量为365 mm，年蒸发量达到1 531 mm，光照和水分只能满足一年一熟作物的要求，为陇中旱农区典型的半干旱雨养农业区.试验地土壤为黄绵土，土层深厚，土壤质地均一，其0～200 cm土壤容重平均为1.17 g/cm3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率28.6%，pH值8.36，耕层土壤有机质11.92 g/kg，全氮0.78 g/kg，全磷1.81 g/kg.2016年属于干旱年，降水量300.2 mm；2017年降水量仍然偏少，为357.5 mm，且7月14日遭受了严重的冰雹灾害；2018年降水达472.1 mm，属于丰水年.

图1 2016～2018年试验区降水量Figure 1 Precipitation of the experimental area from 2016 to 2018

1.2 试验设计与管理

试验供试玉米品种为先玉335，用全膜双垄沟播技术种植，本研究施肥量为纯N 200 kg/hm2，纯P2O5150 kg/hm2，纯氮分基肥、大喇叭口期和开花期追肥，按5∶3∶2施用，磷肥为过磷酸钙(P2O5>20%)作基肥深施，商品有机肥用项目组与甘肃大行农业科技有限公司研制的以牛粪为主要原料的玉米专用商品有机肥，N≥3.3%(≥33 kg/t)，P≥1.0%，K≥0.7%，有机质含量>64%.本试验参试因子为基肥中商品有机肥与化肥的配比，共设5个替代比例，以不施肥为对照(T1)；T2：50%商品有机肥氮替代化肥氮(有机肥3.0 t/hm2+化肥100 kg/hm2)；T3：37.5%商品有机肥氮替代化肥氮(有机肥2.25 t/hm2+化肥125 kg/hm2)；T4：25%商品有机肥氮替代化肥氮(有机肥1.50 t/hm2+化肥150 kg/hm2)；T5:12.5%商品有机肥氮替代化肥氮(有机肥0.75 t/hm2+化肥175 kg/hm2)和T6:单施化肥(200 kg/hm2)，各有机肥替代处理磷肥经P素养分核减后施入.各处理氮肥施用方案如表1所示.试验采用单因素设计，6处理，3次重复，共18小区，小区面积37.4 m2( 8.5 m×4.4 m).试验其他田间管理同大田.

表1 处理描述及各处理氮肥施用方案

1.3 测定指标与方法

1.3.1 叶片光合作用主要指标 2018年，玉米开花期(吐丝后5 d)，选择晴朗天气，从9∶00～19∶00时，每2 h测定1次，采用GFS-3000便携式光合作用-荧光测量系统(WALZ，德国)测定玉米单叶叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间CO2浓度(Ci)，测定部位为穗位叶，各小区重复3次.

1.3.2 叶绿素含量的测定 2018年，分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期用SPAD-502(Konica Minolta Sensing公司，北京)测定叶绿素含量，测定部位是每株玉米最大展开叶的中部，各小区重复10次.

1.3.3 叶面积指数的测算 2018年，分别在玉米拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期各小区随机取样3株，用直尺测量每株各叶片叶长和最大叶宽，叶面积=叶长×叶宽×0.75，叶面积指数=叶片总面积/土地面积.

1.3.4 干物质积累分配的测定 2018年，分别在玉米拔节期、开花期、灌浆期和成熟期各小区随机取植株样3株，烘箱105 ℃杀青0.5 h，然后80 ℃烘干至恒量称质量.成熟期，分别测定叶、茎、穗、穗轴和籽粒的干物质积累量，并依次计算其分配率.

干物质分配率(%)=[(C2-C1)/(m2-m1)]×100%

式中，C1,C2为某器官某段时间内的初始和最终干物质量；m1和m2为全株该段时间的初始和最终干物质量.

1.3.5 产量测定 各小区单独收获，测定籽粒产量和生物产量(2016～2018年).

1.4 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2010和Sigmaplot12.5进行数据处理和作图，用SPSS 24.0软件进行相关分析,差异显著性采用Duncan’s新复极差法进行检验.

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥对玉米叶片光合特性的影响

由图2可知，叶片光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)和气孔导度(Gs)日间变化均呈双峰趋势，峰值出现在11∶00～13∶00和15∶00～17∶00，在13∶00～15∶00明显下降，光合午休现象明显.胞间CO2浓度(Ci)日间变化则呈双谷趋势.各施肥处理间比较，Pn、Tr、Gs随有机肥替代比例的提高而减小.

由表2可知，Pn、Tr、Gs全天平均值以单施化肥处理最高.各施肥处理相比，替代比例越高，Pn、Tr、Gs值越低，12.5%替代与单施化肥处理无显著差异.替代比例超过12.5%则削弱光合作用，替代比例越高、削弱越多.

图2 不同有机肥替代比例下玉米主要光合参数的变化Figure 2 Changes of main photosynthetic index of maize under different proportion of organic fertilizer substitution

2.2 有机肥替代化肥对玉米叶片叶绿素含量的影响

从表3可以看出，不同生育时期玉米叶片SPAD值基本都随替代比例的提高而降低，全生育期内，单施化肥处理下叶绿素相对含量较25%替代、37.5%替代和50%替代处理分别平均高出15.5%、11.1%和20.8%.各处理玉米叶绿素相对含量从拔节期到灌浆期逐渐增大，但有机肥替代比例大的增长率更高，50%替代(T2)处理灌浆期SPAD值比拔节期增加了80.7%，单施化肥(T6)增长19.0%，灌浆期T2与T6无显著差异.因此，虽然有机肥替代化肥施用降低玉米叶片叶绿素含量，且替代比例越高，叶绿素含量降低越多，但在整个生育期内，高有机肥替代比例下叶绿素含量增长更快，后期处理间差距缩小，说明有机肥对叶片叶绿素的肥效相对于化肥滞后.

表2 不同有机肥替代比例下玉米光合指标日均值

表3 不同有机肥替代比例下玉米叶片的叶绿素相对含量(SPAD值)

2.3 有机肥替代化肥对玉米叶面积指数的影响

由图3可知，随着玉米生育期的推进，叶面积指数呈现先增大后减小的趋势.各个时期，叶面积指数基本都随替代比例的提高而降低.各施肥处理比较，全生育期内，从拔节期到开花期，单施化肥处理高于其他替代处理，灌浆期到成熟期，单施化肥处理与其他替代处理均无显著差异.因此，虽然有机替代处理下叶面积指数在前期增长缓慢，但后期较单施化肥衰减缓慢，在生育后期仍能保持较高的叶面积指数，处理间差距缩小，说明有机肥对叶面积指数的肥效相对于化肥滞后.

图3 不同有机肥替代比例下玉米的叶面积指数Figure 3 Leaf area index of maize with different organic fertilizer replacement ratio

2.4 有机肥替代化肥对玉米干物质积累和分配的影响

由表4可知，玉米干物质积累量随生育时期的推进不断增加，前期增长迅速，后期增长速度减缓.在拔节期和灌浆期，有机肥替代处理与单施化肥处理无差异；在开花期和成熟期，T2、T3显著低于T6.玉米成熟期干物质分配量籽粒最高，各施肥处理下，50%替代的籽粒分配率最高，依次为12.5%替代、37.5%替代、单施化肥、25%替代.因此有机肥后期效应显著，提高了干物质到籽粒的分配率.

表4 不同处理玉米干物质积累量的变化及成熟期干物质分配比例

2.5 有机肥替代化肥对玉米产量的影响及其与光合特性的相关性

从表5、表6可以看出，玉米产量受降水年型的影响，2018年为丰水年，产量最高，2016年属于干旱年，产量较低，2017年降水量比2016年偏多，但遭受了严重的冰雹灾害，产量最低，作物总体产量水平与降水情况基本一致.2016年，T2、T3的籽粒产量显著高于其他处理，2018年籽粒产量各施肥处理间无差异，生物产量会随有机肥比例的提高而降低.收获指数在3 a内均是T2最高.用有机肥替代部分化肥，玉米生物产量一定程度上会下降，但籽粒产量反而略有增加.2018年玉米产量构成因素中，各施肥处理下玉米穗粒数和百粒重无显著差异，各替代比例下的玉米穗数与单施化肥处理无显著差异，因此这是2018年各施肥处理籽粒产量无显著差异的主要原因.

表5 不同处理下玉米籽粒产量和生物产量的年际间变化

表6 2018年不同处理下玉米产量构成因素的变化

表7 不同处理下玉米光合特性与产量的相关分析

由表7可知，玉米籽粒产量和生物产量与气孔导度、净光合速率、蒸腾速率与、SPAD值、LAI均显著正相关，与胞间CO2浓度显著负相关.这说明玉米籽粒产量和生物产量受光合特性的影响明显.

3 讨论

3.1 有机肥替代部分化肥对玉米产量的影响

相关研究表明[20]，肥料的种类、数量和配施方式是影响玉米产量的关键因素.其中有机肥的施用能改善土壤理化性状，增加土壤蓄水保墒能力，为作物产量的提高提供良好的土壤环境，达到增产增收效果[25].特别是有机肥化肥配施，能保证作物的养分需求与土壤的养分供应保持协调，确保作物产量[26].Bi[27]研究发现作物产量和有机肥的投入呈正相关.吕凤莲等[12]研究认为有机肥替代部分化肥能够显著提高玉米产量，谢军等[13]研究表明有机肥替代部分化肥氮能够提高玉米产量及收获指数，增加产量稳定性.本研究发现，在200 kg/hm2的总施氮水平下，用有机肥替代部分化肥，降低玉米干物质积累量，提高了干物质到籽粒的分配率.玉米生物产量一定程度上会下降，但籽粒产量反而略有增加，2016年以50%替代比例的籽粒产量最高.这与邢鹏飞的研究结果相似[11]，其原因是有机肥肥效迟缓，但养分释放平稳[13]，特别是能够在生育后期满足玉米的养分需求，增加光合产物向玉米籽粒的转运[23]，进而提高籽粒产量.从2018年产量构成因素来看，玉米穗数、穗粒数、百粒质量，各替代比例处理与单施化肥均无显著差异，这应该是各施肥处理籽粒产量差异不显著的直接原因.

3.2 有机肥替代部分化肥影响玉米产量的光合作用机理

作物产量形成以光合作用为基础[16]，因此，最大限度的利用光能，提高光合效率，是作物高产的首要条件.有研究发现，有机肥可增强植物的光合性能[18].本研究中，有机替代处理较单施化肥处理降低了玉米光合速率，蒸腾速率和气孔导度，各替代水平均在不同程度上削弱了玉米光合作用；增加有机替代比例在玉米早期降低叶绿素含量和叶面积指数，但有机肥肥效迟缓，后期有机肥对叶绿素含量和叶面积的影响较小.前人认为，有机肥具有养分缓释的特点,存在较长时间的后效[14]，可促进作物生育后期的群体生长，有利于作物后期光合产物积累[15]，这与本研究结果基本一致.

因此，虽然有机肥肥效缓慢，较高比例的替代较化肥在玉米早期降低了叶面积指数和叶绿素含量，但同时也保证了玉米生长后期的养分需求，这或许延缓了玉米叶片衰老，延长了光合有效时间，协调了叶面积指数、叶绿素含量和光合作用之间的关系，促进了玉米光合产物向籽粒的转移，从而提高玉米籽粒产量.

4 结论

田间试验研究发现，陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米，在200 N kg/hm2的总施氮条件下，50%的有机肥替代比例能更好地优化叶面积、叶绿素和光合作用在玉米产量形成中的关系，促进光合产物向籽粒转运，从而提高玉米籽粒产量.因此，陇中旱农区要确保玉米持续高产且减少化肥施用是可行的，建议施氮200 N kg/hm2左右，50%左右的氮用有机肥替代为宜.