有机无机配施对夏玉米产量构成及水氮利用的影响

冯悦晨，于志勇，赵萍萍

(山西农业大学资源环境学院，太原 030031)

晋南地区是我国重要的粮食产区之一，然而在该地区土壤有机质含量平均仅为1.1%，超过一半地区的有机质含量低于1%，土壤贫瘠严重限制了该地区的农业发展[1-2]。为了增加粮食产量和农民收入，施用化学肥料成为重要手段，化肥对我国粮食产量增加的贡献率在40%以上；但近年来我国的化肥使用量增长了34%，单位面积粮食产量却下降了1.4%，尤其是氮肥的不合理施用降低了化肥利用效率且污染了生态环境[3-4]。因此，为了保护生态环境的和确保农业的安全可持续发展，探寻科学合理的施肥方式成为当前急需解决的问题。

我国拥有丰富的有机肥资源，有机肥中含有大量的有机质，同时也含有作物生长发育所需的各种大量元素和微量元素，有机肥能协调土壤水肥，对提高农作物产量和提升品质具有重要作用[5-6]。王艳玲等[7]研究表明，有机无机配施可显著增加旱地土壤2～0.25 mm、0.25～0.05 mm 和0.05～0.01 mm 粒级团聚体有机碳含量，提高特征微团聚体比例，从而提高土壤保水保肥能力。窦露等[8]研究表明，在黄土高原旱地小麦种植区，有机无机配施可显著提高冬小麦产量和千粒重，菌肥无机肥和秸秆炭无机肥处理较单施化肥分别提高产量22.4%和21.5%。段鹏鹏等[9]研究表明，在连续2 年采取有机无机配施后可显著提高0～30 cm 土层土壤矿质氮和土壤可溶性有机氮的含量，对土壤矿质态氮含量增加效果显著。井永苹等[10]研究表明，有机无机配施可显著降低土层中硝态氮残留量，当有机无机配比为1∶2 时增产效果最显著，较不施氮肥提高46.2%，较单施化肥提高3.6%。宋震震等[11]研究表明，长期施用有机肥较长期施用化肥更能提高土壤各活性氮库组分含量和颗粒有机氮对土壤全氮的贡献率。综上所述，前人的研究大多集中于有机无机配施对作物生长发育和土壤养分含量变化的影响，而对土壤剖面含水量、硝态氮残留、籽粒及秸秆养分含量影响的研究尚鲜见报道。

本试验在晋南地区开展，通过大田试验研究了不同比例有机无机配施对夏玉米产量及产量构成、0～300 cm 土壤含水量及硝态氮残留量、夏玉米籽粒及秸秆的养分吸收量的影响，分析有机无机结合条件下的土壤养分循环特征，为当地氮磷钾养分和秸秆等资源的高效可持续利用、石灰性褐土有机质稳定提升提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省临汾市尧都区乔李镇南麻村（36°13′N，111°36′E）。试验区属于温带季风气候，年均温12～12.6 ℃，年平均日照时数2 419 h，年无霜期203 d，年均降水量550 mm，年日照时数为2 416.5 h。试验地选择为中低地力田，土壤类型为石灰性褐土，质地为中壤土，主要粘土矿物以云母、蒙脱石等为主。0～20 cm 土壤pH 值8.5，土壤有机质量为14.92 g·kg-1，全氮量为 0.78 g·kg-1，硝态氮量为8.09 mg·kg-1g，速效磷量为11.27 mg·kg-1，速效钾量为214.15 mg·kg-1。

1.2 试验设计与管理

试验共设置7 个处理，分别为不施肥(CK)、单施化肥(M0N)、有机肥氮与无机肥氮配比分别为1∶4、1∶3、1∶1、3∶1(以MN1、MN2、MN3、MN4表示)、单施有机肥（MN0）；随机排列， 3 次重复，小区面积为4.5 m×6 m=27 m2。

夏玉米前茬作物为冬小麦，在冬小麦试验中统一施用氮肥 180 kg·hm-2，施用磷肥 P2O5120 kg·hm-2、钾肥K2O 60 kg·hm-2，10 月6 日撒施化肥后旋耕。夏玉米试验中氮肥用量225 kg·hm-2，磷肥P2O560 kg·hm-2、钾肥K2O 60 kg·hm-2；所有处理中氮肥用量相同，氮肥以尿素（N46%）、磷肥以粒状过磷酸钙（P2O512%）和磷酸一铵（NH4H2PO4，10-44-0）、钾肥以氯化钾（K2O 60%）供给。供试有机肥为腐熟羊粪，养分含量为N 2.48%，P2O51.96%，K2O 1.31%。施用有机肥处理于6 月16 日在试验地撒施羊粪1 250 kg 后旋耕，7 月15 日开沟追施化肥。

供试夏玉米品种为先玉335 号，采用60 cm 等行距点播，株距25 cm；供试冬小麦品种为济麦22，常规平作，行距20 cm，种植方式为播前浅旋耕，深度12～15 cm。

1.3 样品采集与测定

1.3.1 样品采集 2018 年6 月15 日试验取基础土样一个，取样深度0～100 cm,分5 层，每层20 cm；10 月6 日取试验处理土样10 个，取样深度0～300 cm，分15 层，每层20 cm；取植株样品62 个。

1.3.2 测定项目与方法 土壤硝态氮的测定：用2 mol·L-1KCL 进行振荡提取，用全自动间断化学分析仪（SMART CHEM 200，法国Alliance 公司产）测定土壤NO3--N 含量。

1.3.3 计算方法 （1）土壤贮水量（mm）=土壤质量含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土层厚度（cm）/10（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 土壤容重分别为1.21 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.30 g·cm-3，80～200 cm 土层为1.36 g·cm-3）；

（2）各器官植株氮（磷、钾）素积累量=干物质质量（kg·hm-2）×氮素含量（g·kg-1）/103。

1.3.4 计算方法和数据处理 试验数据用 Microsoft Excel 2016 整理作图，并用 SPSS19.0 软件进行统计分析，采用 LSD 法检验P＜0.05 水平上的差异性。

2 结果与分析

2.1 有机肥替代化肥对夏玉米穗数、穗重和秆重影响

有机肥替代化肥对夏玉米穗数、穗重和秆重的影响如表1 所示。由表1 可知，MN1 和MN2 处理的夏玉米穗数最高，均为5.4 万穗·hm-2。M0N、MN3、MN4 和MN0 处理的夏玉米穗数分别为5.2、5.3、5.1 和5.2 万穗·hm-2，较MN1 和MN2 处理所有降低，且差异显著，说明有机无机配施可一定程度提高夏玉米穗数，以MN1 和MN2 最显著。在穗重方面，以MN1、MN3 和MN0 的夏玉米穗重最高，分别为16 716.2、16 283.9 和16 067.7 kg·hm-2，MN2和MN4 的夏玉米穗重分别为15 851.6 和15 347.2 kg·hm-2，较MN1、MN3 和MN0 低，且差异呈显著水平。M0N 的夏玉米穗重为14 698.7 kg·hm-2，均低于有机无机配施处理，且差异呈显著水平，说明有机无机配施较传统化肥施用均可提高夏玉米穗重。M0N 和MN0 的夏玉米秆重分别为19 598.3 和21 976.0 kg·hm-2，差异不显著，而MN1、MN2、MN3和MN4 的夏玉米秆重均高于M0N 和MN0，且差异呈显著水平，其中以MN1 和MN2 增加效果最为显著，说明有机无机配施对夏玉米秸秆的增产效果要好于单施化肥或单施有机肥。

表1 有机肥替代化肥对夏玉米穗数、穗重和杆重的影响Table 1 Effect of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer on ear number, ear weight, and stem weight of summer maize

图1 有机肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤水分分布状况Figure 1 Soil moisture distribution of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

图2 有机肥替代化肥模式下不同层段土壤含水量总量Figure 2 Soil moisture content of different layers in the model of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer

2.2 有机肥替代化肥对0～300 cm 土壤剖面土壤水分的影响

图1 为不同处理夏玉米收获时0～300 cm 各土层土壤水分含量分布状况，图2 为不同处理夏玉米收获时0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同层段土壤含水量总量。由图1 可看出，各处理在0～300 cm 土层的含水量变化趋势大致相同。有机无机配施在60～80 cm 和220～240 cm 土层出现高峰值，在40～60 cm 和140～160 cm 土层出现低峰值。M0N 处理的表层土含水量要低于其他处理，在40～120 cm 土层中也显著低于其他处理，在120～300 cm 土层中与其他处理无显著差异。由图2 可知，各处理在0～300 cm 土层的总含水量表现为有机无机配施＞单施有机肥＞单施化肥。不同处理间0～100 cm 土层含水量变化差异与0～300 cm 土层总含水量相似，100～200 cm 土层含水量有机无机配施高于单施化肥或单施有机肥，在200～300 cm 土层中各处理之间无显著差异。说明有机无机配施较单施化肥和单施有机肥可显著提高土壤中含水量，尤其对0～120 cm 土层有显著提升作用。

2.3 有机肥替代化肥对夏玉米产量及产量构成影响

表2 为不同处理夏玉米籽粒产量、生物产量和产量构成。由表2 可知，M0N 的籽粒产量为8 895.3 kg·hm-2，MN4 和MN0 的籽粒产量分别为8 839.7 和8 670.9 kg·hm-2，与M0N 无显著差异。MN1、MN2、MN3 的籽粒产量分别为10 219.5、9 229.3 和9 165.5 kg·hm-2，较M0N 模式有显著的增产效果，其中以MN1 的增产效果最为显著。M0N 和MN0 的生物产量分别为8 209.5 和8 389.5 kg·hm-2，MN1、MN2、MN3 和MN4 的生物产量较M0N 和MN0 均有显著提升作用，以MN2 的增加效果最为显著，说明有机无机配施较单施有机肥或单施化肥可显著提高夏玉米的生物产量。在产量构成方面，以M0N 和MN1的穗粒数最多，分别为618.0 和616.3 粒·穗-1，显著高于其他处理，有机无机配施4 个处理的百粒重之间无显著差异，但显著高于单施有机肥或单施化肥处理，所有处理中以MN1 和MN2 的成穗数最高，要显著高于其他处理。

表2 有机肥替代化肥对夏玉米产量及其构成的影响Table 2 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on yield and yield composition of summer maize

图3 有机肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤硝态氮含量分布状况Figure 3 The content of nitrate nitrogen in soil of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

图4 有机肥替代化肥模式下不同层段土壤硝态氮累积量Figure 4 The accumulation of soil nitrate nitrogen of different soil layers under the model of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer

2.4 有机肥替代化肥对土壤硝态氮残留的影响

图3 为不同处理0～300 cm 各土层土壤硝态氮含量分布状况，图4 为不同处理0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同层段土壤硝态氮总含量。由图3 可知，不同处理在0～300 cm 土层中的硝态氮残留量变化趋势大致相同，在100 cm 土层左右出现了硝态氮残留量的低峰值，在200 cm 土层左右出现硝态氮残留量的高峰值。在0～20 cm 土层，各处理之间的硝态氮含量差异最大，表现为MN2＞MN1＞M0N＞MN4＞MN0＞MN3，在100～260 cm 土层中，M0N 的硝态氮残留量要显著高于其他处理。由图4 可知，M0N 在0～300 cm 的硝态氮总残留量为243.0 kg·hm-2，显著高于其他处理，MN3 和MN0 的残留量分别为183.4 和182.8 kg·hm-2，显著低于MN1、MN2 和MN4 处理。在0～100 cm 土层中，MN3 和MN0 的硝态氮残留量要显著低于其他处理。在100～200 cm 和200～300 cm 土层中均表现为M0N 的硝态氮残留量要显著高于其他处理，而单施有机肥处理和有机无机配施之间无显著差异。

2.5 有机肥替代化肥对夏玉米籽粒、秸秆养分含量的影响

表3 为不同处理有机肥替代化肥对夏玉米籽粒和秸秆养分含量的影响。由表可知，不同处理的籽粒全氮含量无显著差异。MN4 处理的全磷含量为3.13 g·kg-1，显著高于其他处理，除MN4 以外的其他处理间无显著差异。M0N、MN3 和MN0 的籽粒全钾含量为0.50、0.50 和0.51 g·kg-1,MN1、MN2 和MN4的籽粒全钾含量显著高于M0N、MN3和MN0，MN4 的增加效果最显著。MN0 的秸秆全氮含量为0.83 g·kg-1，不同有机无机配施处理较MN0 处理有显著提高，M0N 处理的秸秆全氮含量最高，含量为1.20 g·kg-1。MN1、MN2 和MN3 的秸秆全磷含量为0.85、0.89 和0.86 g·kg-1，而M0N、MN4 和MN0的秸秆全磷含量显著高于MN1、MN2 和MN3，MN0含量最高。M0N 的秸秆全钾含量为2.41 g·kg-1，MN4和MN0 较M0N 显著降低，而MN2 的秸秆全钾含量显著高于M0N。

表3 有机肥替代化肥对夏玉米籽粒、秸秆养分含量的影响Table 3 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on nutrient content of summer maize kernels and stalks

3 讨论与结论

加强对土壤养分资源的调节与管理是我国乃至全球实现生态环境保护、保障人类粮食安全和农业生产可持续发展的必由之路。减少化肥施用量、寻求可循环利用的替代肥料是解决土壤养分资源管理问题的关键[12-14]。有机肥具有良好的培肥作用，有机肥的施用可带入土壤中磷、钾、微量元素等[15-16]，同时可改善土壤团聚特征。然而，由于有机肥施入后养分释放缓慢，单施有机肥易造成农作物前期供肥不足，而单施化肥容易造成农作物后期供肥不足，因此有机无机配施可满足作物整个生育期的养分需求[17-18]。本研究结果表明，相较于单施化肥和单施有机肥，有机无机配施（有机肥氮和无机肥氮配比为1∶4、1∶3、1∶1）可以显著提高夏玉米籽粒产量。这与以往的研究结果基本一致。张绪成等[22]研究表明，有机无机配施可有效促进地上地下部分生物量的增加，提高作物的生长速度。周江明等[24]也有类似发现，无机肥配施一定量的有机肥可有效提高作物的结实率，从而实现增产。

有机无机配施可显著改善土壤微生物的活性，提高土壤氮素的释放能力，为作物生长提供充足的氮素，有机无机配施可有效延缓玉米根系和植株衰老时间，从而延长了灌浆时间，实现增产效果[19-21]。从产量构成来看，有机肥氮和无机肥氮配比为1∶4时，有机无机配施可以显著增加夏玉米的穗粒数、百粒重和成穗数；有机肥氮和无机肥氮配比为1∶3时，仅可显著增加夏玉米的百粒重和成穗数，对穗粒数无显著影响；有机肥氮和无机肥氮配比为1∶1时，可以显著增加夏玉米的百粒重，对穗粒数和成穗数无显著影响。徐明岗等[23]研究表明，有机无机配施可显著增加作物单位面积的穗数和穗粒数，从而提高粮食产量。可见，有机肥和无机肥的配比不同，有机无机配施对夏玉米的产量构成的影响也会有不同影响。另外，有机肥氮和无机肥氮配比为3∶1，夏玉米籽粒产量和单施氮肥、单施有机肥之间无显著影响，产量构成发现其成穗数显著低于单施氮肥。适当比例的有机无机肥配施可显著增加农作物的产量，但当有机肥配施的比例超过一定阈值后，肥料所能供应的速效养分的数量和能力会有所下降，会一定程度降低农作物的产量[25]。

干旱半干旱地区，年降雨量的不规律性、季节性干旱持续时间的不确定性等，都影响了旱地农田土壤水分和养分的有效性。水分往往成为旱地作物生长的限制性因素。提高水分利用效率、协调土壤水分和养分的供应是提高旱地玉米产量的关键。有机无机配施可以改善土壤结构，有效调节土壤水、肥、气、热的关系，从而提高土壤的保水性[26]。本研究结果表明，有机无机配施较单施化肥和单施有机肥可显著提高0～300 cm 土层中含水量，尤其对0～120 cm 土层有显著提升作用；有机无机配施均可以显著提高0～100 cm 土层和100～200 cm 土层土壤贮水量。杨忠赞等[4]研究表明，单施有机肥和有机无机配施提高了田间0～40 cm 土层的田间持水量，当有机肥替代化肥氮肥减施50%时，保水效果最显著。这说明，无机有机配施可以有效提高土壤保水性能，这对于旱地玉米的生长发育和产量形成非常重要。值得注意的是，本研究发现，有机无机配施较单施化肥可显著降低0～300 cm 土层的硝态氮残留量，尤其对100～260 cm 土层的硝态氮残留量降低幅度最大，当配比为1∶1 时硝态氮残留量降低幅度最显著，达32.5%。有机无机配施中存在一定量的有机氮，这部分氮素需要在矿化后才能转化为硝态氮，相较于单施化肥，有机氮的输入提高了土壤中氮素供应能力，改变了土壤氮素迁移特征。杨修一等[27]的研究也表明，有机肥替代尿素，可以显著增加土壤总碳和铵态氮含量，减少60～100 cm土层土壤硝态氮淋溶。有机无机配施可在一定程度上改善土壤结构，提高土壤的保水性能，从而缓解了氮素的淋失[28-29]。另外，一定比例的有机无机配施可显著提高土壤中的C/N，相对充足的碳源在一定程度上可以促进土壤微生物的生殖繁育，土壤微生物可将土壤中多余的硝态氮转化为有机氮，从而有效减弱硝态氮的残留量和淋溶量[30]。无机有机配施可以提高0～200 cm 土层土壤保水性，同时可以减小氮素淋失的环境风险。