有机肥施用量对玉米产量、土壤养分及生物活性的影响

司海丽，纪立东，刘菊莲，柳骁桐，郑淑欣

(1.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002；2.宁夏农林科学院作物研究所，银川 750002；3.宁夏中卫市沙坡头区农业技术推广服务中心，宁夏 中卫 755000)

【研究意义】玉米是世界上最具潜力的粮饲兼用型作物，作为我国第一大作物，在保障粮食安全的同时可以缓解饲料短缺并占有重要地位[1]。然而在耕地资源有限的情况下，只有提高玉米单产，才是维持持续增产的唯一途径[3]，而提高单产最直接的方法就是增加水肥投入。研究表明，化肥对玉米的增产效果趋于降低，同时可加剧土壤盐碱化程度和地下水富集[4]，尤其是长期以来氮肥过量施用造成土壤结构破坏、土壤有机质流失、生物活性下降，甚至土壤肥力降低[5]。近年来，随着生态农业逐步发展，我国农田以施用无机化肥为主逐渐转向以施用有机肥有主[6]。【前人研究进展】有机肥具有缓效性，且含有氮、磷、钾、氨基酸和及微量元素[7]，可为作物生长提供所需的营养物质。长期施用有机肥能改良土壤理化性状，改善作物品质及提高土壤微生物生物量、酶活性、群落功能多样性和丰度[8-10]，同时还能实现粪便的资源化利用。因此，施用有机肥是农业生产中提高土壤生产力，保持作物产量，减少化肥施用的有效措施[11-12]。但是，有机肥过量施用也会带来负面影响。3年生酿酒葡萄施用有机肥超过12 t/hm2时，会抑制对氮磷钾吸收，减缓生长，从而降低产量，且过量施用有机肥会恶化土壤微生物生存环境，增加蔬菜中硝酸盐累积量[13-14]。叶荣生[15]通过柑橘盆栽试验得出：有机肥施用量达到土壤总重16%时，会明显抑制柑橘幼苗生长。同时，有机肥是属于长效肥，在作物生长后期持续释放养分在一定程度上会造成农作物贪青和晚熟，并且有机肥中氮素含量较高，过量施用很容易出现烧苗、烧根，还可能增加深层土壤硝态氮累积量，增大淋失风险，污染地下水和地表水，造成水体富营养化[16]。【本研究切入点】鸡粪有机肥中含有相对较高的氮磷钾，分别约为5.43%、5.06%和4.89%，是农业生产中有机肥的主要原料之一，但是关于有机肥施用阈值在玉米种植上的研究较少。【拟解决的关键问题】本试验以饲料玉米为研究对象，通过大田随机区组设计试验，探讨有机肥不同施用水平对玉米产量、土壤养分和生物活性影响，以期为科学养田，提高土壤生物学质量，确定有机肥合理施用量提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

2018—2019年在宁夏引黄灌区青铜峡市邵岗镇甘城子村(105°41′E、37°36′N，海拔1150 m)进行2年定位试验，该区域属大陆性气候，年均日照时数2897 h，日照率达65%。年均降水量147.7 mm，年均蒸发量约2902 mm。该地区土壤0～30 cm层土壤基础理化性质:土壤pH为8.3～8.5、有机质9.87 g/kg、全盐0.25 g/kg、全氮0.64 g/kg、碱解氮57.65 mg/kg、速效磷31.75 mg/kg、速效钾271.25 mg/kg，土壤肥力较贫瘠，砂砾含量高。

1.2 供试材料

供试玉米：当地主栽品种“登海605”。供试肥料：鸡粪有机肥，采用封闭式连续动态槽式强制曝气好氧快速堆肥发酵工艺(依据标准：NY 525)，包括物料预处理、一次发酵、二次发酵、臭气处理和加工包装等环节。其pH为8.1，全盐含量24.6 g/kg、有机质506.0 g/kg、全氮25.8 g/kg、全磷23.5 g/kg、全钾38.1 g/kg。有机肥生产工艺遵循规模化畜禽养殖粪便处理需求和环保要求。

1.3 试验设计

试验采用单因素完全随机区组设计，共设6个处理。CK：不施肥；T1：施有机肥3750 kg/hm2；T2：施有机肥7500 kg/hm2；T3：施有机肥15 000 kg/hm2；T4：施有机肥30 000 kg/hm2；T5：施有机肥45 000 kg/hm2。小区面积8 m×12 m=96 m2，采用机械宽窄行种植，宽行70 cm，窄行40 cm，株距20 cm。灌溉方式为滴灌，滴灌带铺设于窄行中间位置，全生育期等量灌溉，灌溉6次，灌溉定额为5400 m3/hm2。播种前将所有有机肥一次性撒施后深耕。全生育期其他农艺操作及病虫害防控措施一致。

1.4 测定指标及方法

1.4.1 土壤养分测定 2018年试验前和2018、2019年收获期采用5点法取样法采集0～30 cm 层土壤带回实验室。pH计测定土壤pH；DDS-11电导率仪测定全盐含量；重铬酸钾容量法测定有机质含量；碱解扩散法测定碱解氮含量；用0.5 mol/L碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法测定速效磷含量；用1 mol/L醋酸铵溶液浸提—火焰光度计法测定速效钾含量。

1.4.2 玉米产量及构成因素测定 玉米收获期，每个小区按照1.1 m×2.0 m规格设置样方，采用卷尺测定穗长和秃尖长；采用游标卡尺测定穗粗；对穗行数以及行粒数进行计数，称取单穗重和百粒重，并测定产量。

1.4.3 土壤微生物测定 采用稀释平板分离计数法测定土壤细菌、真菌和放线菌三大微生物类群数量，以每克干土所含菌落数(cfu)表示。细菌用牛肉膏蛋白胨培养基在37 ℃下培养2～3 d，真菌用马丁氏—孟加拉红培养基在27～28 ℃下培养3 d，放线菌用高氏一号培养基27～28 ℃下培养6 d，记录每类菌种的菌落数，再依据土壤含水量计算出每克干土所含菌落数(cfu)。

1.4.4 土壤酶活性测定 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水杨酸比色法测定，以24 h后1 g土壤葡萄糖的质量分数(mg/g)表示；脲酶活性采用苯酚—次氯酸钠比色法测定，以24 h后1 g土壤中NH3-N质量分数(mg/g)表示；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定，以24 h后1 g土壤中酚的质量分数(mg/g)表示；过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，以20 min内1 g土壤消耗的0.1 mol/L KMnO4体积数(mL)表示。

1.5 数据处理

试验采用Excel 2010软件进行数据整理和作图，采用SPSS 25.0软件进行统计分析，采用LSD法进行方差分析和多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同用量有机肥对玉米产量构成因素及产量的影响

由表1可知，施用有机肥可有效提高玉米生长指标，增加产量。相比2018年玉米产量构成因素，2019表现为降低，这可能与年际间玉米各个生育期的气候与降雨分布有关。2018年各处理玉米穗长、穗粗、行粒数及穗重无显著差异，T4较CK处理百粒重显著增加21.4%，其他处理间无显著差异；秃尖长度总体偏长，但T5处理显著高于其他处理。2019年玉米整体生长指标低于2018，2019年百粒重明显低于2018年，这是因为2019年倒春寒导致玉米苗期受损，加上后期干旱少雨，影响总体长势。2019年各个处理间表现出相对明显的差异，总体以处理T3和T4最好。与CK处理相比，施用有机肥能显著增加玉米穗长，但各施肥处理间无显著差异；T3处理穗粗显著高于其他处理，较CK处理极显著增加5.9 mm；穗重以T4处理最显著，其中分别较T1和CK 处理分别显著增加16.6和48.6 g；百粒重和行粒数均以T3处理最高；秃尖长以CK处理最长，其次是T1处理。

表1 不同用量有机肥对玉米产量构成因素的影响

如表2所示，产量构成因素之间具有相关性。行粒数和穗长间呈显著正相关；穗重和穗长间呈极显著正相关，穗重与穗粗间呈显著正相关，穗重与行粒数间呈极显著正相关，而百粒重与其他产量构成因素之间无相关性。

表2 各产量构成因素相关系数

通过对玉米产量和有机肥施用量进行曲线拟合(图1)，2018年拟合曲线方程为：y=0.000005x2+0.2787x+6761.4，R2=0.9279，当施肥量为27 880 kg/hm2时，可达到最高产量10 647.87 kg/hm2；2019年拟合曲线方程为：y=0.000005x2+0.2503x+5811.1，R2=0.9138，当施肥量为25 030 kg/hm2时，可达到最高产量8943.60 kg/hm2。

图1 2018、2019年不同处理施肥量-玉米产量拟合曲线

2.2 不同用量有机肥对土壤养分的影响

由表3可知，2018和2019年不同用量有机肥还田，土壤养分含量较CK处理均增加。2年间土壤pH没有明显变化，各处理均维持在8.2～9.0，土壤全盐含量随着有机肥施用量的增加而增加，各施肥处理土壤养分含量均高于CK处理，且2019年土壤养分累积量高于2018年。与CK相比，2018年土壤全盐含量增幅为4.3%～65.2%，2019年全盐含量增幅为32.0%～80.0%；有机肥连续2年还田，0～30 cm层土壤有机质含量较CK处理明显增加，2018年以处理T4有机质含量最高，其次是处理T3，显著高于其他施肥处理，极显著高于CK，分别较CK显著增加56.31%和39.5%。2019年土壤有机质随着施肥量的增加呈逐渐上升趋势，处理T5有机质含量达到23.8 g/kg，较CK显著提高141.4%，处理T1～T4较CK分别显著增加34.3%、57.84%、84.0%和89.0%。有机肥施用可有效增加0～30 cm层土壤碱解氮、速效磷和速效钾含量。2018和2019年土壤碱解氮含量均以处理T5积累量最高，分别较对照显著增加54.2%和57.9%。2018年以处理T4土壤速效磷含量显著高于其他处理，但2019年则以处理T5含量最高。土壤速效钾含量整体随着施肥量的增加而呈上升趋势，以处理T5积累量最高，2018和2019年较CK分别显著增加125.3%和86.9%。由此可见，施用有机肥可以显著增加0～30 cm层土壤全盐和养分含量，并随着施肥量增加，其含量呈上升趋势。

表3 不同用量有机肥还田对 0～30 cm 土层土壤养分含量的影响

2.3 不同用量有机肥对土壤微生物区系特征的影响

如表4所示，2018和2019年各施肥处理的细菌、真菌和放线菌数量明显高于不施肥处理(CK)，微生物总数表现为随着有机肥施用量增加呈先增加后减少趋势，且2019年高于2018年微生物数量。2018年以处理T3细菌数量最高，为2.5×108cfu/g，较CK显著增加252.1%；真菌数量也以处理T3最高；放线菌数量则以处理T2最高，微生物总数T3>T2>T1>T4>T5>CK。2019年细菌数量以处理T2最高，其次是处理T3，且较CK分别显著增加215.2%和202.4%；真菌数量以处理T3最高，为12.3×105cfu/g，显著高于其他处理；放线菌数量呈先增加后减少趋势，以处理T2数量最高，为23.89×106cfu/g；微生物总数为T2>T3>T1>T4>T5>CK，各施肥处理的细菌/真菌比值以处理T4最高，其次是处理T1，以处理T5最低，分析原因可能是随着有机肥施用量增加，导致土壤中氮素累积相对较多，进而推进土壤由细菌型向真菌型转变。

表4 不同用量有机肥对0～20 cm土层土壤微生物的影响

2.4 不同用量有机肥对土壤酶活性的影响

如表5所示，0～20与20～40 cm层土壤酶活性均显著高于CK，且0～20 cm层土壤酶活性高于20～40 cm。土壤脲酶是尿素水解的专一性酶，其活性可反映土壤供氮能力的强弱，从0～20 cm土层来看，处理T3的土壤脲酶含量最高，较CK显著增加63.6%，并且随着施肥量增加呈先增加后降低趋势；土壤过氧化氢酶活性总体为高施肥量处理强于低施肥量处理，处理T3、T4和T5较CK分别显著提高26.2%、25.1%和18.7%；土壤蔗糖酶和磷酸酶活性与土壤脲酶活性变化规律相似，总体以处理T3和T4土壤酶活性高于其他处理，极显著高于对照。20～40 cm层土壤酶活性随着施肥量增加呈逐渐升高的趋势，总体以处理T5土壤酶活性最高，土壤脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶和磷酸酶分别较对照显著增加202.3%、37.4%、97.4%和56.3%。

表5 不同用量有机肥对土壤酶活性的影响

3 讨 论

3.1 产量构成因素及产量

有机肥除了含有大量作物生长所必需的营养物质外，还含有很多腐殖质和微量元素，与化肥相比更利于作物生长，从而提高作物产量和品质[17]。任伟等[18]通过对玉米吐丝期和成熟期根系及地上部生物量的研究表明，增施有机肥更够显著增加玉米根系和地上部生物量，减小根冠比，促进玉米产量的形成。本试验研究结果表明，施用有机肥可以提高饲料玉米的生长指标，并且连续施用有机肥2年后各处理间的产量构成因子差异明显，尤其施用有机肥后玉米穗长、穗粗、穗重、百粒重和行粒数明显高于不施肥处理，但是随着有机肥施用量增加，各项产量构成指标和产量呈先增后降变化趋势。韩建等[19-21]研究表明过低或过量施用有机肥及单一施用化肥均会影响葡萄的产量和品质，这和本研究结果一致。这可能是因为有机肥一般作为基施，过量有机肥对种子萌发起到抑制作用，同时过量施用有机肥会抑制植物对氮磷钾的吸收，造成籽粒不饱满，从而降低产量。

3.2 土壤养分

作物健康生长的前提离不开良好的土壤养分状态，施用有机肥不仅能增加和更新土壤有机质，增强生物活性，还能改善土壤理化性质，提高肥料利用率[22-23]。本研究表明连续2年施用有机肥增加了土壤pH及全盐含量，主要原因是有机肥本身含有较高的碱性物质和盐分。但有研究结果表明，施用有机肥可以降低土壤中的碱性物质及盐分含量[24]，与本研究结果相反。这是因为长期施用有机肥，土壤有机组分分解后形成有机酸，从而降低了土壤中碱性物质，同时由于有机质增加，土壤通透性加强，土壤表层盐分更容易向土壤下层淋洗，降低了土壤盐分，而本研究可能是有机肥施用年份较短。本试验结果还表明，施用有机肥能够显著增加土壤有机质含量，促进土壤速效养分积累，这与田小明等[25]研究结果一致，主要原因是施用有机肥可使土壤有机质和腐殖酸含量增加，增强土壤微生物活性，提高土壤脲酶对氮素转化，从而增加土壤氮含量，降低土壤C/N比，促进土壤有机质积累。姬兴杰等[26]研究发现，施用有机物料能降低土壤对磷的固定，提高土壤有效磷含量，与本研究结果一致。姜佰文等[27]研究表明，施用有机肥可以缓解和改良土壤理化性质，并且有机肥中的养分在玉米生长过程中缓慢释放的同时还能活化土壤中可利用养分，达到与玉米吸收养分同步。徐军等[28]在青贮玉米上的研究结果表明有机肥中腐殖质带有的正负电荷可吸附离子，减缓土壤养分流失。因此，合理施用有机肥能够增加土壤养分，改善土壤理化质量。

3.3 土壤微生物及酶活性

施用有机肥可有效增加土壤有机质含量，从而促进土壤微生物繁殖，改善土壤微生态环境。细菌因代谢能力强，繁殖快，并且与土壤接触表面积大，在土壤中活跃数量大，是土壤微生物的主要组成部分[29]。本试验结果表明，施用有机肥能够明显增加玉米根围土壤微生物数量，尤其是细菌数量增幅较大，和前人研究结果一致，且微生物总数随着有机肥施用量增加呈先增加后减少趋势，且2019年明显高于2018年。土壤环境中各类微生物在代谢过程中会产生很多酶，而土壤酶可以催化一系列化学反应，从而促进土壤代谢，土壤酶活性受土壤微环境影响，能直接反映出土壤质量和健康状况[30-31]。李晨华等[32]研究表明，施用有机肥或有机无机配施可以提高土壤多种酶活性。本试验表明，与不施肥处理相比，施用不同量有机肥均能有效提高0～20和20～40 cm层土壤脲酶、过氧化氢酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，并且0～20 cm层酶活性明显高于20～40 cm层，这与高明等[33]“土壤酶活性在土壤表层具有富集效应”研究结论一致。可能是由于土壤表层与外界环境接触多，氧气充足，利于微生物繁殖，而随着土壤深度增加，土壤与外界物质及能量交换降低，土壤营养含量减少，微生物繁殖受到限制，进而土壤酶活性降低[34]。本研究结果还表明，0～20 cm层土壤酶活性变化与20～40 cm层变化趋势不一致，20～40 cm层土壤酶活性随着有机肥施用量增加而逐渐增加，这可能是因为施用有机肥后，耕层底部土壤养分增加促进酶促反应的正向进行，从而提高了土壤酶活性[35]。

4 结 论

随着有机肥施用量增加，玉米产量变化显著，呈先增后降变化趋势，2018和2019年最高产量对应的有机肥施用量分别为27 880和25 030 kg/hm2。随着有机肥施用量增加，0～30 cm层土壤养分含量呈显著增加变化趋势。随着有机肥施用量增加，土壤微生物数量呈先增加后减少趋势，2019年高于2018年。施用有机肥后，0～20、20～40 cm层土壤酶活性显著高于不施肥处理，且0～20 cm高于20～40 cm层。