等养分条件下不同有机肥替代率对玉米生长及土壤肥力的影响

何 浩 张宇彤 危常州 李俊华

(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)

玉米(Zea maysL.)是我国主要的粮、饲、经兼用作物，在农业生产中为确保其产量增加而过量施用化肥会造成玉米种植成本增加、土壤肥力降低、环境污染等问题，不利于我国农业的可持续发展[1-2]。2015年农业部提出了《2020年化肥使用零增长行动计划》，然而过去十几年，玉米对我国化肥增量的贡献达到31.8%[3]，因此在玉米生产中减少化肥用量必然有利于“化肥零增长”的实现。

无机化肥能够快速有效地为作物提供养分，而有机肥养分释放缓慢，可以持续为作物生长提供养分[4]。有机肥和化肥配施能够增加土壤肥力，协调土壤养分供应和作物吸收，提高养分利用率和作物产量，并可减少化肥用量，对化肥减施、环境保护及农业的可持续发展具有重要意义[5-9]。近年来，为了加快有机肥替代技术在农业中的应用，关于不同作物有机肥替代部分化肥的相关研究日益增加。研究表明，有机肥替代部分化肥可以促进作物生长发育，改善其农艺性状，增加作物产量，改善作物品质，提高养分利用率，并改善西瓜土壤理化性质[10-13]。在作物生长发育和产量方面，蒲瑶瑶等[14]研究发现等养分条件下，有机肥部分替代化肥能有效促进西瓜生长发育，增加产量，并改善品质；前人在冬小麦-夏玉米轮作体系中发现有机肥替代化肥保证了冬小麦和夏玉米高产、稳产，增加了年经济效益[15-17]；也有研究发现有机肥替代化肥可以提高水稻产量和肥料利用率，并减少环境污染[18]。在土壤肥力方面，研究表明有机肥部分替代化肥提高了土壤养分含量，短期内改善了土壤微生物类群数量，提高了土壤酶活性，有利于土壤养分贮存和作物对土壤养分的吸收利用[18-21]。综上可知，关于不同作物有机肥替代化肥的研究较多，并且有机肥替代部分化肥已经成为减肥增效的有效措施。而关于不同有机肥替代率下作物产量、经济效益和土壤肥力是否存在差异(即最佳有机肥替代率)的研究尚鲜有报道，同时新疆是我国主要的玉米产区之一，农业生产中过量施肥现象普遍。因此，本研究通过田间小区试验，研究等养分条件下不同有机肥替代率对玉米生长、产量、经济效益及土壤肥力的影响，探索最佳的有机肥替代率，以期为当地玉米生产中合理利用养分资源、减少化肥投入提供可行性依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点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)。该县属中温带干旱内陆山地气候，四季分明，日照充足，年平均气温10.6℃，年 最 高 气 温 35.8℃，≥10℃有 效 积 温3 621.2℃，无霜期154.0～184.0 d，年降水量250.0 ～551.7 mm。试验区土壤类型为灌溉灰钙土，土壤(0 ～20 cm 土层)的基础理化性质:碱解氮85.95 mg·kg-1、速效磷23.94 mg·kg-1、速效钾229.24 mg·kg-1、全氮0.96 g·kg-1、有机质12.73 g·kg-1、pH 值7.71。

1.2 试验材料

供试玉米品种为新玉50，由新疆伊宁县农技推广中心提供；供试化肥:氮、磷和钾肥分别为尿素(含N 46.0%)、磷酸二铵(含N 18.0%，P2O548.0%)和硫酸钾(含K2O 51.0%)。供试有机肥:商品有机肥(含N 1.77%，P2O51.95%，K2O 0.53%)，由伊犁天山新月科技发展有限公司生产。

1.3 试验设计

试验于2018年4月至9月进行，选取地势平坦、地力均匀的连续地块，于2018年4月28日进行机械播种，采用不覆膜等行距的种植方式，行距为50.0 cm，株距为21.5 cm，理论株数为9.3×104株·hm-2，灌溉方式为沟灌，其他田间管理措施按照当地常规管理方法进行。在等养分条件基础上进行不同有机肥替代率的小区试验，设5 个处理:(1)CK:不施肥对照；(2)CF:常规施肥；(3)8%OF:有机肥替代率为8%；(4)16%OF:有机肥替代率为16%；(5)24%OF:有机肥替代率为24%。各处理重复3 次，共15 个小区，小区面积33.2 m2(4.0 m×8.3 m)，随机区组排列。春耕前，40%氮肥(包含全部的商品有机肥)以及全部的磷肥、钾肥作为基肥施入。拔节期以尿素形式追施剩余60%氮肥(人工沟施)，施肥方案如表1。

表1 不同处理施肥方案Table 1 Fertilization schemes for different treatments

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤样品采集及测定 于玉米成熟期(2018年8月28日)，每小区用土钻按照“S”形法采集0 ～20 cm 土层土样，测定土壤理化性质。土壤含水量测定采用烘干法；土壤容重(5～10 cm)测定采用环刀法；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；土壤速效钾测定采用火焰光度法；土壤有机质测定采用重铬酸钾-外加热法；土壤全氮测定采用凯氏定氮法；土壤pH 值测定采用电位计法(水土比2.5 ∶1)[23]。

1.4.2 田间调查 分别于玉米苗期(2018年5月28日)、拔节期(2018年6月18日)、大喇叭口期(2018年7月6日)、吐丝期(2018年7月20日)和成熟期(2018年8月28日)，每小区选取长势均匀的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-502 叶绿素计(日本Konica Minolta 公司)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)。

1.4.3 玉米产量测定 玉米成熟后，每小区选取10株长势均匀的玉米进行考种和测产，测定穗长、穗粗、秃尖长、行粒数、穗行数、穗粒数和千粒重。脱粒，烘干后称重，计算小区产量(折算籽粒含水量为14%)。

1.5 数据处理

运用Microsoft Excel 2010 软件对试验数据进行统计和绘制图表，运用SPSS Statistics 17.0 软件对试验数据处理和分析，采用Duncan 法对不同处理进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米生长发育的影响

2.1.1 不同处理对不同生育期玉米株高、茎粗及叶数的影响 由图1 可知，有机肥替代处理较CF 和CK 增加了玉米不同生育期的株高和茎粗，并促进叶片的生长。各处理玉米株高在苗期无显著差异(P＞0.05)；拔节期至大喇叭口期生长最为迅速，分别较苗期增加了139.71%～216.07%和428.09%～545.33%；大喇叭口期后株高增长缓慢，至成熟期，不同处理株高大小顺序为16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中8%OF、16%OF、24%OF 较CK 和CF 分别 增加 了14.02%～17.20%(P＜0.05)和6.31% ～9.28%，而各有机肥替代处理间无显差异。各处理茎粗在苗期无显著差异(P＞0.05)；拔节期迅速增加；大喇叭口期至吐丝期增加缓慢；成熟期有所降低，不同处理茎粗大小顺序为16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF、24%OF 较CK 和CF 分别显著增加 了23.65% ～27.52% (P＜0.05) 和10.62% ～14.09%(P＜0.05)，而各有机肥替代处理间无显著差异(P＞0.05)。各处理叶数在苗期至拔节期迅速增加；拔节期后增加缓慢，至吐丝期时，不同处理叶数顺序为8%OF ＞16%OF ＞24%OF ＞CF ＞CK，其中，8%OF、 16%OF、24%OF 较CK 和CF 分 别 增 加 了43.60%～47.38%(P＜0.05)和3.53% ～7.95%，而各有机肥替代处理间无显著差异(P＞0.05)。综上可知，8%OF、16%OF、24%OF 较CK 和CF 促进了玉米生长发育，玉米在拔节期和大喇叭口期营养生长迅速，株高、茎粗和叶数也迅速增长，此阶段不同处理差异最明显；生育后期为生殖生长阶段，株高、茎粗和叶数不再增长。

图1 不同处理对不同生育期玉米株高、茎粗及叶数的影响Fig.1 Effect of different treatments on plant height，stem diameter and leaf number of maize at different growth stages

2.1.2 不同处理对玉米叶片SPAD 值的影响 由图2可知，有机肥替代处理较CK 和CF 增加了玉米不同生育期的叶片SPAD 值。苗期至大喇叭口期，各处理叶片SPAD 值呈先增加后平缓的趋势；大喇叭口期至成熟期，CK 与8% OF 的叶片SPAD 值均呈下降趋势且大喇叭口期最高，而CF、16%OF 和24%OF 呈先增加后降低的趋势，吐丝期达到最高；成熟期各处理叶片SPAD 值差异最明显，不同处理叶片的SPAD 值顺序为16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF、24%OF 较CK 和CF 分别显著增加了37.31%～43.53%(P＜0.05)和2.92%～7.58%(P＜0.05)。

图2 不同处理对玉米叶片SPAD 值的影响Fig.2 Effect of different treatments on leaf SPAD values of maize

2.2 玉米产量及经济效益分析

2.2.1 不同处理对穗部性状的影响 由表2 可知，有机肥替代处理(8%OF、16%OF 和24%OF)较CK 和CF有效改善了玉米穗部性状，其中8%OF 和16%OF 改善效果较为明显。8%OF、16%OF 的穗长较CF 和24%OF 分别增加了2.76%、4.92%(分别指8%OF、16%OF，下同)和4.04%、6.23%；穗粗分别增加了2.36%、3.27%和4.85%、5.78%；行粒数分别增加了5.12%、4.69%和3.09%、2.68%。

2.2.2 不同处理对玉米产量及产量构成要素影响 由表3 可知，有机肥替代处理(8%OF、16%OF 和24%OF)较CK和CF均增加了有效穗数(P＜0.05)和穗粒数，从而增加了玉米产量，各处理产量表现为16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF 和24%OF 的产量分别较CF 增加了17.56%、28.50%和9.82%。可以看出，8%OF、16%OF 的玉米产量构成要素均较其他处理有所增加，其中，8%OF、16%OF 的有效穗数较CF 和24%OF 分别增加了2.19%、2.92%(P＜0.05) 和0、0.71%；穗粒数分别增加了5.29%、6.70%和1.78%、3.15%，千粒重分别增加了2.76%、6.62%和2.83%、6.69%。

表2 不同处理对玉米穗部性状的影响Table 2 Effects of different treatments on ear traits of maize

表3 不同处理对玉米产量及产量构成的影响Table 3 Effects of different treatments on yield and yield composition of maize

2.2.3 不同施肥处理经济效益分析 由表4 可知，不同施肥处理的玉米产值为23 955.11 ～28 055.18元·hm-2，有机肥替代处理8%OF、16%OF 和24%OF分别较CF 增收2 526.54、4 100.07 和1 413.15元·hm-2； 不同施肥处理的施肥成本2 577.15 ～6 764.85 元·hm-2，有机肥替代处理8%OF、16%OF 和24%OF 的施肥投入分别较CF 增加了1 395.90、2 796.75 和4 187.70 元·hm-2，较CF 的净收益分别为1 130.64、 1 303.32 和-2 774.55 元·hm-2，有机替代处理净收益大小顺序为16%OF＞8%OF＞24%OF，其中16%OF 的玉米产值，较CF 增收和净收益最高，8%OF次之，24%OF 产量高于CF，而施肥投入高于其他处理，导致净收益低于CF。

表4 不同处理经济效益分析Table 4 Analysis of economic benefits of different treatments

2.3 不同处理对成熟期土壤肥力的影响

由表5 可知，施肥处理较CK 提高了土壤肥力，并改善了土壤物理性状，其中有机肥替代处理的改善效果较明显。与CF 相比，8%OF、16%OF 和24%OF 的土壤碱解氮含量增加了14.89%、18.95%和13.98%；速效磷含量增加了16.81%、36.93%和7.29%；速效钾含量增加了9.60%、11.20%和2.46%；有机质含量显著增加了11.85%、15.36%和13.51%(P＜0.05)；土壤pH 值降低了1.43%、0.52%和2.20%；土壤含水量增加了2.00、3.34 和1.34 个百分点；土壤容重显著降低了7.24%、7.24%和4.61%(P＜0.05)。

表5 不同处理对成熟期土壤肥力的影响Table 5 Effect of different treatments on soil fertility at maturity

2.4 最佳有机肥替代率的确定

由图3 可知，不同有机肥替代率与玉米产量满足一元二次曲线模型，即y= -0.014 5x2＋0.399 6x＋16.932(R2=0.939 4)，即随着有机肥替代率的增加，产量呈先增加后降低的趋势。根据二者的拟合方程求得产量最佳的有机肥替代率为13.8%，最佳产量为19.69 t·hm-2，接近本研究设置处理最高产量(19.97 t·hm-2)； 当有机肥替代率高于27.3%时，产量开始低于CF(17.05 t·hm-1)。不同有机肥替代率与较CF 净收益满足一元二次曲线模型，即y= -20.346x2＋386.41x-164.63(R2=0.949 1)，随着有机肥替代率的增加，较CF 净收益呈先增加后降低的趋势。根据二者的拟合方程求得较CF 净收益最佳的有机肥替代率为9.5%，较CF 最佳净收益为1 670.04 元·hm-2，高于本研究中最高较CF 净收益处理(1 303.32 元·hm-2)，而有机肥替代率高于18.6%时，较CF 净收益为-16.30 元·hm-2，开始低于CF(0 元·hm-2)。综上可知，有机肥替代率为13.8%时，产量最高，但较CF 净收益低于有机肥替代率为9.5%时的较CF 净收益。因此通过模型分析，可以得出最佳有机肥替代率为9.5%，此替代率下施肥方案为:有机肥施用量1 610.2 kg·hm-2，化肥N、P2O5、K2O 施用量分别为271.5、148.6、51.5 kg·hm-2。

图3 不同有机肥替代率对玉米产量和净收益的影响Fig.3 Effect of different organic fertilizer replacement rates on maize yield and net income

3 讨论

本研究发现，在等养分条件下，较常规施肥处理(CF)，不同有机肥替代率处理(8%OF、16%OF 和24%OF) 均促进了玉米生长发育，提高了玉米生育期内的株高、茎粗和叶数。罗洋等[24]也发现有机肥与化肥配施后可以促进玉米生长发育，改善玉米植株的生物学性状。叶片SAPD 值可以快速、准确反映植物营养状况和叶绿素水平[25]。本研究中，在拔节期至成熟期，不同有机肥替代率处理(8%OF、16%OF 和24%OF)的叶片SPAD 值均高于CF。推测有机肥替代部分化肥后增加了叶片的叶绿素含量，促进了玉米干物质积累和养分吸收，进而延缓了玉米生育后期植株的衰老，并延长了叶片光合持续期，为作物增产创造了物质基础[26-27]。

有机肥替代技术是一种将化肥肥效快、易被作物吸收的优点与有机肥养分丰富、肥效持久的优点相结合的有机肥与化肥配合施肥方式，不仅可以为作物生育前期及时提供生长所需的养分，而且可以有效协调生育后期营养生长与生殖生长的关系，从而提高作物产量[11，28-30]。本研究中，与常规施肥处理相比，不同有机肥替代率处理有效改善了玉米穗部性状，增加了穗长、穗粗、穗行数和行粒数，明显并降低了秃尖长；通过增加有效穗数、穗粒数及千粒重，玉米产量构成因子，从而使得不同有机肥替代率处理的产量明显高于常规施肥处理，这与前人研究表明有机肥替代部分化肥可以改善穗部性状和增加玉米产量的结果相一致[11，15，31-32]。

施肥方式是否可以实现减肥增效并运用到农业实践生产中，不仅需要考虑其对作物生长发育和产量的影响，还要考虑培肥土壤和经济效益等方面。土壤理化性质是确保作物正常生长发育的重要指标[33-34]。有研究表明，有机肥替代部分化肥后可明显增加土壤速效养分，以满足作物生长需求，有利于产量的增加[35-37]。本研究结果与之相似，在玉米成熟期，不同有机肥替代率处理较常规施肥处理(CF)有效地改善了土壤理化性质，其中明显增加了土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的含量以及土壤含水量，降低了土壤pH 值和土壤容重，改善了土壤理化性质。

在农业种植中，常存在增加了化肥投入成本，产量不增反降的现象，因此在保障作物产量增加的基础上，减少化肥用量的同时，能否为农民增加经济效益已成为判断减肥措施在农业生产中是否可行的关键。在经济效益方面，不同有机肥替代率处理8%OF、16%OF和24%OF 较常规施肥处理，净收益分别为1 130.64，1 303.32 和-2 774.55 元·hm-2，其中16%OF 的玉米产值、较CF 净收益最高；而24%OF 的产量虽高于CF，但因商品有机肥施用量较大，使得施肥投入高于其他处理，导致较CF 净收益为负，从而低于CF。前人关于最佳有机肥替代率的研究结果多有不同，祝英等[19]和谢军等[11]分别研究发现有机肥替代30%化肥或替代50%化肥可以提高玉米的株高和产量；也有研究发现有机肥替代75%化肥可以提高冬小麦-夏玉米轮作体系的作物产量和年经济效益[17]。可见，有机肥替代一定比例化肥可以提高玉米产量，但其是否能增加农民经济效益少有考虑，因此在农业生产中应综合考虑产量和经济效益寻求最佳有机肥替代率。本研究中，不同有机肥替代率与产量和较CF 净收益均呈一元二次曲线模型，随着有机肥替代率的增加，产量和较CF 净收益均表现为先增加后降低的趋势，通过模型分析，最终确定最佳有机肥替代率为9.5%，此施肥方案为玉米生产中合理利用养分资源、减少化肥投入提供了可行性依据，同时增加了农民的经济效益，可在一定程度上调动农民减施化肥的积极性，有利于促进“化肥零增长”的实现和农业可持续发展。

4 结论

本研究发现，等养分条件下，不同有机肥替代率处理(8%OF、16%OF 和24%OF)较常规施肥处理(CF)促进了玉米生长发育，增加了不同生育期内玉米株高、茎粗、叶数和叶片SPAD 值；通过有效改善玉米穗部性状及产量构成，增加了玉米产量；同时也改善了成熟期土壤理化性质，其中明显增加了土壤碱解氮、速效磷、速效钾和有机质的含量以及土壤含水量，降低了土壤pH 值和土壤容重。根据不同有机肥替代率与产量及较CF 净收益的模型分析，确定最佳有机肥替代率为9.5%，为玉米生产中合理利用养分资源、减少化肥投入提供了可行性依据。