基于正交设计的玉米有机无机培肥模式优化研究

刘 艳 宫 亮 邢月华 包红静

（辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，110161，辽宁沈阳）

施肥是提升作物产量及保持土壤可持续利用最为重要的农业措施之一，肥料对作物的增产效果是毋庸置疑的[1]。有机肥是农业生产中的重要肥料[2]，传统农业生产就是依靠有机肥来培肥地力和提高农作物产量。但随着化肥工业的兴起以及对粮食单产的更高追求，化肥用量逐年增加，有机肥施用比重逐渐降低，这种现象不仅造成肥料浪费，也破坏了土地，导致土壤酸化、次生盐渍化、板结、养分不平衡和农田面源污染加剧等一系列问题[2-5]。因此，如何合理施肥及有效培肥引起了人们的关注。

有机培肥是农田管理中提升土壤肥力和质量的重要措施，而有机肥与化肥的配合施用被认为是未来农业保持可持续生产模式的重要一环。大量研究表明，有机无机肥配施能平衡土壤中氮磷钾等无机养分，实现独特的有机无机平衡[6]，还可以培肥地力，改善土壤结构，提高农作物产量[7]。作物秸秆作为重要的有机资源，含有丰富的大量元素及微量元素，具有很大的利用价值[8]。还田的秸秆与土壤有机质及氮素有效性关系紧密，能综合改善土壤结构和理化性质，提高土壤肥力及肥料利用率，有利于作物生长发育[9-11]。顾巍巍等[12]在不同的有机无机氮量配比研究中发现，有机无机肥配施能显著提高水稻产量，有机氮占总氮的比例为30%时水稻产量最高。查燕等[13]在等氮量条件下对黑土长期定位试验研究表明，有机肥或秸秆与化肥配施可提升土壤有机碳含量，是培肥地力的最佳措施。由此看出，前人对有机无机肥配施的研究多以氮肥与有机肥组合为主，综合考虑氮磷钾三大元素与有机物料的用量配比研究报道较少。因此，本研究利用正交设计，以春玉米为研究对象，探讨不同用量氮、磷、钾和秸秆配合施用对土壤物理、化学性质及玉米产量的影响，旨在明确化肥与有机物料配合施用的最佳用量，对于指导合理施肥，提高肥料利用率等具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验地与试验材料

试验设在辽宁省农业科学院盆栽试验场（41°49′33′′N，123°32′39′′E），该区属温带半湿润大陆性季风气候，年均气温8.3℃，全年无霜期165d，年均降水量530～680mm，4-9月有效日照时数1 700h，≥10℃有效积温3 200℃。供试土壤为冲积平原发育的壤质草甸土，土壤基本理化性质为：有机质24.6g/kg，全氮 0.113%，碱解氮（N）135mg/kg，有效磷（P2O5）17.6mg/kg，速效钾（K2O）129mg/kg，pH值6.0。

供试玉米品种为郑单958，供试无机肥料为尿素（N 46%）、磷酸二铵（N 18%，P2O546%）及氯化钾（K2O 60%），供试有机物料为玉米秸秆。

1.2 试验设计

从2012年开始长期定位试验，采用规格相同的陶瓷筒（内径20cm，深100cm）。试验设4个因素，分别为施氮量（N）、施磷量（P）、施钾量（K）和秸秆还田量（S），每个因素3个水平，采用L9（34）正交设计，共9个处理，每个处理4次重复，试验因素与水平见表1。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment kg/hm2

陶瓷筒按均匀垄排列，行距为常规60cm，定苗时每筒留苗1株，（密度为55 500株/hm2），无机肥料于播种前一次性施入；有机物料秸秆连年还田，每年秋季将秸秆粉碎成3cm左右，深翻入20cm的耕层。每年4月末播种，9月末收获，玉米田间管理按品种特性和种植习惯进行。

1.3 样品采集及分析

于2017和2018年玉米收获后采集样品。取0～20cm耕层土壤用于养分含量测定，其中采用重铬酸钾－浓硫酸外加热法测定有机质含量，采用水解扩散指示剂溶液吸收法测定碱解氮含量，采用火焰光度法测定速效钾含量，采用钼锑抗比色法测定有效磷含量，采用环刀法测定0～20cm耕层土壤容重、总孔隙度、毛管孔隙度和田间持水量。

1.4 数据处理

采用Excel和SPSS 17.0软件进行统计处理，利用直观分析、方差分析和综合平衡法等分析方法进行统计分析。因2年气候因素相差较小，且试验结果趋势基本一致，本研究分析2年数据均值。

2 结果与分析

土壤结构及物理性状的改善、化学性质的提升是玉米产量提高的重要保障。选取有代表性的物理和化学指标进行连续2年的数据观测（表2）。

表2 有机无机培肥正交试验设计参数组合及试验结果Table 2 Design parameter combination of orthogonal test and results of organic-inorganic fertilizer

2.1 有机无机肥配施对土壤物理性质的影响

2.1.1 土壤物理性质的极差分析 有机无机肥配施对表层土壤物理性状的影响较大。通过表3中R值的大小可以判断出4个因素对容重的影响顺序为S＞N＞P＞K，因此最优因素水平是N3P2K1S3；对田间持水量的影响顺序为S＞K＞N＞P，最优因素水平是N1P1K2S3；对毛管孔隙度的影响顺序为S＞P＞N＞K，最优因素水平是N1P1K2S1；对非毛管孔隙度的影响顺序为N＞K＞S＞P，最优因素水平是N3P3K2S2。除非毛管孔隙度外，其他指标都是以有机物料秸秆的加入影响最大，说明施用秸秆有利于降低土壤容重，提高田间持水量，增加土壤通透性，改善土壤质量。

表3 土壤物理指标极差分析Table 3 Range analysis of soil physical indexes

2.1.2 土壤物理性质的方差分析 极差分析法简单明了，但不能分析出不同因素水平下指标发生变异的原因，同时对各因素指标的影响大小无法给以精确的数量估计。方差分析的优点在于其考虑了试验指标中每个数据的信息，分析结果精度较高。因此，有必要进一步运用方差分析法来将因素水平和试验误差对试验指标的影响区分开来考虑，从而判断出各因素对指标作用的显著程度。

由表4可知，对于土壤容重，因素P和K检验结果sig.大于0.05，即磷肥和钾肥的施用对土壤容重影响不显著，且这两个因素的均方值小于误差，因此可以不予考虑。N因素sig.=0.040，说明氮肥间差异即在5%水平下对土壤容重影响显著。S因素在容重、田间持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度中的sig.值分别是0.006、0.009、0.049和0.005，说明有机物料秸秆的施用对土壤容重、田间持水量和非毛管孔隙度影响极显著，对毛管孔隙度影响显著。

表4 土壤物理指标的方差分析Table 4 ANOVA of soil physical indexes

2.2 有机无机配施对土壤化学性质的影响

2.2.1 化学性质的极差分析 从表5极差分析R值的大小可以判断，对有机质的影响以秸秆和氮肥为主，最优因素水平是N3P2K1S2；对碱解氮的影响以氮肥和秸秆为主，最优因素水平是N2P2K3S3；对有效磷的影响以磷肥和氮肥为主，最优因素水平是N2P1K3S2；对速效钾的影响以秸秆和磷肥为主，最优因素水平是N2P3K3S3。从表2试验结果可以看出，单施化肥处理的土壤有机质含量相差不大，无机肥配施秸秆的处理土壤有机质含量均有所增加，尤其是高量氮肥配施秸秆的处理增幅明显。有机无机肥配施使土壤碱解氮和速效钾养分增加明显，速效养分的最优组合中均以中氮（180kg/hm2）中磷（120kg/hm2）高钾（150kg/hm2）组合较为合适，再配施有机物料就能起到营养累积的效果。

表5 土壤化学指标极差分析Table 5 Range analysis of soil chemical indexes

2.2.2 化学性质的方差分析 由表6可知，对于土壤有机质，因素S的sig.值（0.001）小于0.01，即有机物料秸秆的施用对有机质的增加达到极显著影响；对碱解氮的方差分析显示，因素N和S的sig.值均小于0.01，即氮肥和秸秆对碱解氮含量在1%水平下影响极显著。对于土壤有效磷，因素N和P的sig.值均小于0.05，即氮肥和磷肥对有效磷含量在5%水平下影响显著。对于速效钾，因素K和S的sig.值分别为0.014和0.009，说明钾肥用量对速效钾含量影响显著，秸秆用量对其影响极显著。

表6 土壤化学指标的方差分析Table 6 ANOVA of soil chemical indexes

2.3 不同处理对玉米产量的影响

2.3.1 产量的极差分析 从产量极差分析结果（表7）看出，各因素不同水平对产量的影响大小分别是 N3＞N2＞N1、P3＞P2＞P1、K1＞K2＞K3和 S2＞S3＞S1，由此可得N3P3K1S2是各因素的最优组合。根据R值大小，可以判断各因素对产量影响的主次，结果是N＞P＞K＞S。对百粒重的影响为K＞P＞N＞S，最优组合模式为N2P1K2S2。因此，氮肥的施用对玉米产量的形成具有最重要的影响，其次是秸秆还田，但是钾肥对百粒重的影响更为重要一些。

表7 不同处理玉米产量和百粒重的极差分析Table 7 Range analysis of the maize yields and 100-grain weight of different treatments

2.3.2 产量的方差分析 根据各因素水平因子和产量数据建立方差分析（表8）。通过F测验结果及sig.值表明，N因素sig.值＜0.05，说明氮肥间差异即在5%水平下对玉米产量影响显著，磷肥、钾肥和秸秆还田因素sig.值均大于0.05，说明这3个因素对玉米产量影响不显著；各因素对百粒重的影响均不显著。

表8 不同处理玉米产量和百粒重的方差分析Table 8 ANOVA of the maize yields and 100-grain weight of different treatments

2.4 各因素不同水平的综合分析

由于不同指标对应的最优方案不同，因此为找到最佳的参数，需要通过综合平衡法进一步分析。

N因素：施氮量对玉米产量、土壤碱解氮和有效磷含量影响显著，且最优水平均为N2，与表9的综合平衡法分析结果一致，因此优选N2。P因素：施磷量对于田间持水量和有效磷在5%水平下影响显著，且最优水平均为P2，综合平衡分析结果可选P1或P3，因此从节约生产成本出发建议优选P1。K因素：通过综合平衡分析结果可选K2或K3，但施钾量对土壤物理性质和产量影响均不显著，只在5%水平下对速效钾含量影响显著。因此从资源节约，降低生产成本的角度出发，建议K因素优选较低水平，即K2。S因素：秸秆还田对土壤物理指标和化学指标均达到了显著或极显著影响，应选S2或S3，综合平衡分析，故此优选S2。

表9 各因素水平综合平衡法分析结果Table 9 Analysis results of comprehensive balance method of each factor level

通过综合分析可得优选方案为N2P1K2S2，即施氮量180kg/hm2，施磷量90kg/hm2，施钾量120kg/hm2，秸秆还田量为6 000kg/hm2。

3 讨论

在农业科学研究中，从单因素试验到多因素试验是发展的必然趋势[14]，但多因素试验会随着因素和因素水平的增加而呈指数增加，使试验的工作量和数据处理增加巨大的难度，为避免这一实际问题，保证试验信息量的丰富和准确，本文运用正交试验设计，通过对9个不同处理的试验结果分析，将施氮量、施磷量、施钾量和秸秆还田量相结合来讨论其对春玉米土壤质量及产量的影响，与目前玉米生产中控制因素单一的现状相比，更能体现不同施肥量与有机物料的耦合效应。

良好的土壤结构和理化性质是发挥土壤生产力的先决条件。土壤结构性差，肥力低，农田生态环境恶化，会严重影响粮食的优质高产稳产。郑信建[15]研究表明，有机无机肥配施可以显著提高水稻产量、土壤有机质以及土壤速效养分含量。李荣等[16]研究显示，秸秆还田配施氮肥可改善耕层土壤容重和孔隙状况。本试验选取有代表性的土壤理化指标，得到相似结论：有机物料秸秆的施用对土壤物理性质的改善有极显著影响，无机化肥用量对其影响不显著，各因素的最佳组合水平不尽相同，但无机化肥配合秸秆还田可降低表层土壤容重，提高田间持水量，增加土壤孔隙度。有研究表明，秸秆还田对土壤有机质的腐解、形成与积累均产生积极的影响，秸秆与化肥配施可提高土壤的有机碳、总氮磷钾及速效氮磷钾含量，并降低土壤碳氮比[17]，本试验结果为有机物料和氮肥对土壤有机质和碱解氮含量的变化影响显著，磷肥、秸秆和钾肥分别对有效磷和速效钾含量影响显著，各因素的最佳组合水平以中氮（180kg/hm2）中磷（120kg/hm2）高钾（150kg/hm2）较为合适，可提高土壤养分的累积。连续19年的长期定位试验表明秸秆还田对土壤质量的影响与增施钾肥效果相似[18]，但本试验中极差分析结果选择高钾含量，可能与试验年限不长，效果没有完全显现有关，可做进一步长期研究。

化肥在农业生产中尤其对作物产量有着巨大的作用。本研究通过对正交试验9个处理的产量方差分析得出，施氮量对玉米产量影响显著，其次是施钾量和施磷量，极差分析得出N2P1K2S2是提高玉米产量的最优组合模式。适量施用化肥能够增产，而过量施用不仅引起土壤质量下降，还严重影响农作物品质，造成严重的土壤环境问题和资源浪费[19-21]。本研究表明化肥对土壤的理化性质尤其是土壤物理指标影响不显著，且在产量分析中氮磷中量和高量水平差异不显著，因此从降低生产成本和节约资源的角度考虑氮磷钾因素应以中低水平为宜。

4 结论

各因素不同水平的综合平衡分析表明，采用施氮量180kg/hm2、施磷量90kg/hm2、施钾量120kg/hm2及秸秆还田量6000kg/hm2的玉米生产和土壤培肥技术模式，可对辽宁中部玉米主产区可达到改善土壤结构、提高土壤质量以及增产增效的最佳效果。