短期化肥减施后玉米产量的响应及其驱动因素分析

刘娇妹，李腾腾，张运龙*，吴红慧

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；2.北京中铁生态环境设计院有限公司，北京102600；3.中国农业大学草业科学与技术学院，北京 100193；4.农业农村部作物营养与施肥重点开放实验室，中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

随着人口数量的日益增加，粮食需求持续上升，为了提高粮食产量，化肥的施用量在逐年增加。有研究发现，2009年中国化肥的总施用量占比高达世界的35%［1］。化肥对中国粮食产量的增加起到了举足轻重的作用，贡献率高达55%～57%，但是，化肥施用量的增加以及施用方式的不合理引发了土壤的质量问题，同时对环境也造成了破坏［2-3］。有机肥施用在我国具有比较悠久的历史，有机肥是比较全面的肥料，不仅含有植物所必需的大量营养元素，还有丰富的有机养分。此外，作物秸秆储存一半以上的光合产物，其还田后不仅提供土壤养分，更重要的是将碳元素归还到土壤中，且我国每年产生的秸秆约占世界秸秆总产量的1/4［4］。李明德等［5］研究发现，秸秆还田与化肥配施可以减少10%～20%的氮、磷、钾化肥用量。尽管我国有机肥和秸秆资源巨大，但是并未被充分利用，化肥减量配施后有机肥或秸秆既能提高资源的有效利用，又能实现减肥的目的。

目前，关于化肥减施后配施有机肥或秸秆对作物产量和土壤肥力的研究结果并不一致。与常规施用化肥相比，化肥减量配施有机肥后可维持作物的产量不降低［6］。但也有研究发现，有机肥替代50%化肥后较化肥显著降低了小麦和玉米的产量［7］。陕西杨凌20年的长期定位试验证实，有机肥较化肥显著提高土壤全氮含量46%～55%［8］。农传江等［9］通过3年的田间定位试验结果表明，与常规施用化肥相比，化肥减量20%配施有机肥后显著提高土壤有机碳15.34%。与化肥相比，有机肥施用后对土壤pH的研究结果并不一致，有减少土壤pH［10］和维持土壤pH不变［11］2种结果。与化肥相比，单施有机肥会提高土壤磷素的有效性［12］。黄绍敏等［13］研究发现，过量施用有机肥会降低磷肥的利用率，进而降低土壤固持外源磷的能力，最终增加磷淋失的风险。此外，土壤酶的活性作为一种土壤生物肥力指标被系统广泛的研究，其与土壤的肥力状况尤其是养分转化具有显著的相关性［14］。在青岛市黄岛区开展的试验表明，秸秆还田处理显著提高了作物产量，且提高了0～20 cm土层土壤养分含量［15］。刘世平等［16］研究发现，秸秆还田后较对照平均减产1%左右，这主要与秸秆还田后未补充氮素导致土壤碳氮比失衡有关。研究表明，秸秆储存一半以上的碳水化合物，秸秆还田的同时配施氮肥会提高土壤有机碳含量19%［17］。此外，随着秸秆腐解、土壤养分转化，土壤微生物群体结构和土壤酶活性得到显著改善［18］，从而保持土壤生产力稳定［19］。

虽然我国对化肥减施后配施有机肥或秸秆的研究较多，但多数学者研究集中在对作物产量或土壤指标的影响，较少探究施肥条件下作物产量变化的驱动因素。因此，本文通过在冬小麦-夏玉米典型种植区华北平原开展的短期定位试验，探讨化肥减施后配施有机肥和秸秆还田对作物产量和土壤养分及酶活性的影响，并分析了产量改变的驱动因素，旨在为化肥减施提供一定的理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验条件和试验设计

试验于2010～2016年在中国农业大学曲周实验站（36°42′ N，114°54′ E）开展。该实验站位于河北省邯郸市曲周县（华北平原），属暖温带大陆性季风气候区，年平均气温为13.2℃，年总降水量平均为494 mm，其中全年降水量的56%集中在夏季的7和8月。供试土壤全氮0.9 g·kg-1，有效磷12.01 mg·kg-1，pH 7.24。

试验于2010年开始，共设置4个处理，4次重复，共16个小区，每个小区面积为10 m×5 m，各小区间隔距离1 m，各区组间隔2 m。试验处理包括：（1）CK，对照，不施肥；（2）NPK，100%NPK，按照农民传统习惯施用量和施用方式进行施用，2/5的氮肥、磷肥和钾肥在玉米播种之前全部施入，3/5的氮肥在大喇叭口期施用。氮肥、磷肥和钾肥的供肥形态及用量分别是尿素（N 46%，250 kg·hm-2）、过磷酸钙（P2O517.5%，45 kg·hm-2）和 硫 酸 钾（K2O 50%，45 kg·hm-2）；（3）NPKM，70%NPK+牛粪有机肥，牛粪有机肥施用量为3000 kg·hm-2，与NPK处理氮施用量相等；（4）NPKMS，NPKM + 秸秆还田，秸秆被机械粉碎后全量还田。对于NPKM和NPKMS处理来说，有机肥在玉米播种之前采用旋耕机混入土壤0～20 cm土层。供试玉米品种为“郑单958”，每年6月播种，10月收获。

1.2 样品采集及处理

2016年10月在玉米成熟期，每个小区收获18.0 m2样方内的玉米穗，按照国际标准玉米产量换算成15.5%水分的标准产量，并调查公顷穗数、穗粒数和千粒重。利用土钻于玉米收获后在每个小区行间取4个点（0～20 cm），将每个土壤样品除去植物残根和石砾等杂物后混匀，采用冰盒保存新鲜土壤样品。土壤样品带回室内后，一部分土壤进行风干测定土壤基本理化性质，一部分土壤保存到-20℃冰箱中用来完成土壤酶活性的测定。

土壤pH测定时土壤和水的比例为1∶2.5，然后使用pH计进行测定；土壤全氮采用凯氏定氮法测定；土壤有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸氧化方法测定；土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氢钠溶液浸提-钼锑抗比色法测定；土壤酶活性采用比色法测定，其中土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性分别采用苯酚钠-次氯酸钠比色法、二硝基水杨酸比色法［20］和磷酸苯二钠比色法测定。

1.3 数据统计与处理

土壤酶总的活性是用所有测定土壤酶活性的几何平均值（GMea）来表示［21］：

其中，Urease、Invertase和Phosphatase分别代表脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶。

所有的试验结果均表示为平均值±标准差。不同施肥处理间作物产量、土壤pH、土壤养分和土壤酶活性的差异通过单因素方差分析进行比较，各施肥处理间差异显著性分析均采用LSD在0.05水平上进行比较。土壤pH、土壤养分和土壤酶活性对作物产量贡献通过结构等式方程模型分析。所有的统计分析均使用R 3.6.1进行。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对玉米产量和产量组成的影响

由表1可知，与CK相比，施肥处理显著增加了玉米产量，且NPK、NPKM和NPKMS处理的产量分别增加了49.1%、61.4%和71.9%（P＜0.05）。与NPK相比，NPKM未显著增加玉米产量，NPKMS显著增加玉米产量15.3%，NPKM和NPKMS差异不显著。与CK相比，不同施肥处理并未显著改变每公顷的有效穗数（P＞0.05）。与CK相比，NPKMS处理显著提高了穗粒数66.6%（P＜0.05），且各施肥处理间差异不显著。与CK相比，NPK处理显著提高了千粒重13.8%（P＜0.05），且各施肥处理间差异不显著。

表1 不同施肥处理对玉米产量和产量组成的影响

2.2 不同施肥处理对土壤有机质、养分含量和pH的影响

不同施肥处理对土壤有机质、养分含量和pH产生了明显的影响（图1）。与CK相比，NPK处理未显著改变土壤全氮含量，NPKM处理和NPKMS处理分别显著提高了土壤全氮含量40.4%和43.1%，但各施肥处理间土壤全氮含量差异并不显著。土壤有机质含量的变化趋势与土壤全氮相似，NPK与CK差异不显著，NPKM和NPKMS较CK分别显著提高了12.1%和19.9%。与NPK相比，NPKMS显著提高了土壤有机质含量20.6%。与CK相比，各施肥处理显著提高了土壤有效磷含量（87.1%～102.6%），且各施肥处理间有效磷含量差异不显著。与CK相比，NPK处理显著降低了土壤pH 1.9%，NPKM和NPKMS处理未显著改变土壤pH，且各施肥处理间pH差异不显著。

图1 不同施肥处理对土壤有机质、养分含量和土壤pH的影响

2.3 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

不同施肥处理对土壤蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和土壤总酶活性产生了明显的影响（图2）。与CK相比，不同施肥处理增加了土壤蔗糖酶的活性（21.5%～90.4%），NPKM、NPKMS处理增加显著（P＜0.05）。与NPK相比，NPKM未显著改变土壤蔗糖酶的活性，NPKMS则显著提高了56.8%。NPKM较NPKM显著提高土壤蔗糖酶活性32.4%。不同施肥处理显著提高了土壤脲酶的活性，增幅为27.7%～36.2%（P＜0.05），且各施肥处理间差异不显著。与CK相比，不同施肥处理显著（NPK处理除外）增加了土壤磷酸酶的活性4.6%～5.5%。与CK相比，NPK处理未显著改变土壤总的酶活性，NPKM和NPKMS处理则显著提高了土壤总酶活性（214.4%和300.3%），且不同施肥处理间差异不显著。

图2 不同施肥处理对土壤酶活性的影响

2.4 玉米产量和土壤指标之间的回归分析

土壤各指标与玉米产量的回归分析结果如图3所示。玉米产量随土壤有机质、养分含量和土壤酶活性的升高而显著升高，且呈显著正相关关系。玉米产量与土壤pH间未表现出显著相关关系。通过构建结构等式方程模型分析（图4a），施肥处理通过改变土壤全氮、土壤有机质和有效磷间接影响作物产量。土壤全氮会直接影响作物产量，也会通过影响脲酶活性间接影响作物产量。土壤有机质会直接影响作物产量，也会通过影响转化酶活性进而间接影响作物产量。土壤有效磷会直接影响作物产量，也会通过影响磷酸酶活性进而间接影响作物产量。从图4b可知，土壤有效磷对玉米产量的贡献最大，土壤蔗糖酶活性次之，其余指标的影响由大到小依次为土壤有机质、土壤脲酶活性、磷酸酶活性和土壤全氮。

图3 玉米产量和土壤指标之间的回归分析

图4 土壤指标对玉米产量的贡献分析

3 讨论与结论

3.1 短期化肥减施对玉米产量的影响

在华北平原地区，化肥的投入提高了玉米的产量，但同时也会引起氮淋洗，夏季高温高湿的环境会加剧氮损失，那么合理的氮肥管理对于减少氮损失和保障粮食安全至关重要［22-23］。6年的田间试验结果表明，化肥减量30%配施有机肥后可维持玉米产量，这可能与有机肥肥效缓慢释放可满足玉米后期生长的养分需求有关［24-25］。白雪纯等［26］研究发现，化肥减施25%～75%配施有机肥可维持玉米的产量，这与本试验研究结果相一致。此外，李孝良等［27］研究发现，化肥减施40%配施有机肥较单施化肥并不会引起玉米产量的降低。在化肥减量配施有机肥的基础上进行秸秆还田（NPKMS），则可显著提高玉米产量，这可能与有机肥和秸秆还田后对土壤肥力产生较大的提升有关。本研究6年的试验结果显示，NPKMS较NPK处理显著提高玉米产量8.3%，与闫雷等［28］在黑土上的研究结果相似。中国有机肥和秸秆资源巨大且并未被充分利用，因此，在减少化肥施用的基础上合理配施有机肥和秸秆对资源有效利用和粮食增产具有重要的意义。

3.2 短期化肥减施对土壤有机质和养分含量、pH和酶活性的影响

大量研究表明，有机肥富含有机质和养分，添加后可提高土壤有机质和养分含量，进而维持或提高土壤地力［29-30］。本研究发现，有机肥施用6年后显著提高了土壤全氮的含量，有机肥施用会显著促进土壤氮素的积累，这与Subehia等［31］研究结果相一致。然而，本研究发现，经过6年化肥的施用，较对照未显著提高土壤有机碳的含量。Russell等［32］的研究认为，仅使用氮肥并不会表现出土壤碳的固持效应。此外，在华北平原开展的长期定位试验也发现，化肥的投入会引起土壤有机碳含量的降低［33］。有机肥的施用会带入外源碳，增加土壤碳库，进而提高土壤碳的固持［34］。但是，本研究发现，NPKM较NPK处理未提高土壤有机碳含量（图1）。吴荣等［35］和孙志祥等［36］的研究均发现，与化肥处理相比，化肥减施后配施有机肥处理（与化肥处理氮施用量相等）未显著提高土壤有机碳含量。这与本研究结果相一致，可能是因为土壤中碳的降解和植株根系及有机肥等外源碳的投入相当。本研究发现，在NPKM的基础上进行秸秆还田（NPKMS）后，与NPK处理相比，则显著提高土壤有机碳含量（图1）。宋大利等［17］通过收集大于10年长期定位试验发现，与秸秆不还田相比，秸秆还田后平均增加19.1%的土壤有机碳含量。这可能与有机肥和秸秆还田带入更多的外源碳有关。大量研究表明，在土壤有机碳未达饱和之前，土壤有机碳的增加量与碳投入水平一般呈显著的线性相关关系［37-38］。

高飞等［39］研究发现，与化肥处理相比，有机肥替代30%化肥的处理对土壤有效磷含量有明显的增加作用。然而，本研究发现，施肥显著提高了土壤有效磷的含量，但是化肥与有机肥处理间差异不显著，这可能与夏季降雨量较多导致土壤有效磷淋洗有关。此外，化肥的长期施用引起了土壤pH的下降，这与之前的研究结果相一致［2］。然而，由于有机肥具有缓冲土壤酸碱性的作用，本试验中有机肥施用6年后未引起土壤pH的显著改变，有机肥施用能够减弱土壤的酸化。

土壤微生物通过产生胞外酶进而降解土壤有机质，并影响土壤养分循环。土壤酶参与许多重要的生物化学过程，已被认为是土壤肥力的一个重要特征指标［40］。本试验中，各施肥处理基本上都能提高土壤脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶的活性，尤其以蔗糖酶效果最佳。脲酶能够促进酰胺键的水解，使土壤中的氮转化成植物可以吸收利用的氨。本研究表明，各施肥处理均能显著提高土壤脲酶的活性，但施肥处理间差异不显著，这与山东省德州市开展的大田试验结果相一致［41］。与对照相比，各施肥处理显著提高了土壤蔗糖酶的活性，且秸秆配施有机肥处理（NPKMS）显著高于NPK 和NPKM处理，这可能是因为小麦秸秆富含纤维素和半纤维素，会刺激真菌的生长，进而影响土壤碳循环相关蔗糖酶活性的提高［42］。

3.3 玉米产量和土壤指标之间的回归分析

本研究发现，玉米产量与土壤有机质、养分含量和土壤酶活性呈显著正相关关系。丁维婷等［43］根据41年长期施肥试验结果发现，土壤酶活性与作物产量呈正相关关系。邢鹏飞等［29］研究发现，玉米产量与土壤有效磷呈显著正相关关系。通过结构等式方程模型分析得出，土壤有效磷是玉米产量的主要驱动因素。磷是作物生长发育所必需的仅次于氮素的第二大营养元素，通过影响叶片净光合速率和叶片中谷氨酰合成酶等的活性，进而影响作物生长发育和新陈代谢，最终改变产量［44-45］。通过对比不同磷水平对玉米产量性状的影响，研究发现低磷胁迫主要通过影响行粒数和百粒质量导致了单株产量的损失［46］。有机肥中含有大量的有机磷和有机氮，在提高土壤酶活性的同时可促进微生物对氮磷养分的矿化循环，有利于作物玉米的养分吸收利用，从而促进其产量。

本研究表明，采取有机肥适当替代化肥配施秸秆，在降低化肥使用量的同时，可适当满足作物生产需求和获得稳产高产，又能在一定程度上提高土壤肥力。综合考虑作物产量和土壤肥力对施肥的响应，有机肥替代30%化肥配施秸秆能稳产固碳，是该区域养分管理的有效途径之一。