有机肥部分替代化肥对甜玉米产量与资源利用效率的影响

秦宗昌 ， 王 霞

(山东省农业广播电视学校， 山东 济南 250131)

0 引言

【研究意义】甜玉米具有较好的口感和独特的风味，深受广大消费者喜爱，近年来市场对甜玉米的需求量逐渐增加[1]。由于甜玉米复种指数高、生产周期短、种植收益好等特点，近年来种植面积不断增加[2]。化肥施用是提高作物产量的重要因素，化肥施入土壤后能够迅速释放养分，补充土壤养分元素，满足作物生长的需求[3]。但由于偏施氮肥、单一施肥、过量施肥等不合理施肥，不仅造成肥料利用率低，资源浪费严重，还破坏土壤结构，危害土壤生态，使得土壤富营养化，污染地下水源，导致土壤自然功能失调[4]。因此，研究玉米合理施肥技术对保护农田生态、提高肥料利用率和玉米产量具有重要的意义。【前人研究进展】探索合理的施肥方式一直以来都是农业生产的研究重点[5]。有机肥是一种含有动物蛋白、氨基酸以及氮磷钾等有机物质的肥料，主要来源于动植物的代谢体，属于纯天然的肥料，并且肥效的时间较长[6]。研究认为，适当补充有机肥能够维持土壤肥力水平，改善土壤结构，是协调土壤养分平衡的重要措施[7]。有机肥还能够促进土壤水、气条件协调，促进植株生长发育，为增加作物产量奠定基础[8]。逄娜等[9]研究表明，有机肥还田可有效改善黑土耕层土壤有机碳水平、养分供应能力，从而增加玉米产量。何浩等[10]研究表明，有机肥施用可促进玉米生长发育，增加株高、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因素，使产量显著提高。【研究切入点】目前有机肥在农业生产中被广泛应用，然而在甜玉米上的应用研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】以纯施化肥处理为对照，设置不同的有机肥替代比例，研究有机肥部分替代化肥对甜玉米产量及资源利用效率的影响，为有机肥在甜玉米上的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2020年在山东省济南市历城区进行，试验地处36°20′～35°53′N，116°49′～117°22′E，属暖温带半湿润区的大陆性季风气候，春季干燥少雨，夏季炎热多雨，秋季天高气爽，冬季长而寒冷干燥，年平均气温14.3℃，年平均降水量665.7 m，无霜期178 d，年日照时数1 870.9 h。供试土壤为黑钙土，土壤基础肥力：碱解氮89.63 mg/kg，有机质15.78 g/kg，速效磷83.3 mg/kg，速效钾98.36 mg/kg。

1.2 试验材料

供试甜玉米品种为金百甜15，由青岛金妈妈农业科技有限公司和山东鑫丰种业股份有限公司选育，株型半紧凑，夏播出苗至采收期78 d，穗行数14～16行，行粒数37.4粒，白轴，黄粒，鲜出籽率62.0%，鲜百粒重37.4 g。供试化肥氮、磷、钾分别为尿素(N 46%)、过磷酸钙(P2O512%)和氯化钾(K2O 60%)。有机肥为二次翻堆通风发酵的猪粪肥，pH为8.07，含有机质73.88 g/kg，全氮17.65 g/kg，全磷 9.46 g/kg，全钾8.69 mg/kg。气象数据来自中国气象网。

1.3 试验设计

试验采用完全随机设计，以纯化肥处理为对照(CK)，有机肥采用总氮量控制替代原则，施氮总量保持在(N)180 kg/hm2，分别设置有机肥替代氮肥比例10%(T1)、20%(T2)、30%(T3)、40%(T4)、50%(T5)的有机肥替代化肥处理，各处理施肥量见表1。另外单独设置1个不施氮处理，用于测定玉米氮肥利用率。有机肥和60%化肥在播种前一次性施入，其余化肥在拔节期追施。甜玉米种植密度为6万株/hm2，小区面积48 m2，各处理重复3次。除肥料外，其他栽培管理措施一致，甜玉米于2020年6月中旬播种，9月上旬乳熟期收获。

表1 有机肥部分替代化肥各处理的施肥量

1.4 测定项目

1.4.1 干物质积累量 分别在玉米拔节期、抽雄期、灌浆期、乳熟期取样，将植株按茎、叶、穗分开，于105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重后称重。

1.4.2 产量 在甜玉米乳熟期每个小区采收40个果穗进行测产，并从中选取有代表性的 10个玉米果穗，测量穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒数和百粒鲜重等产量构成因子。

1.4.3 资源利用率 资源利用率参考朴琳等[11]的方法进行计算。

光能生产效率=单位面积产量/单位面积的太阳辐射

降水生产效率=单位面积产量/降水量

温度生产效率=单位面积产量/生育期间积温

光能利用效率(RUE) =W×H/∑Q×100%

太阳总辐射(Q)=Q0×(a+bS/S0)

式中，W是干物质的积累量；H为每克干物质燃烧时释放出的热量，玉米干重热值为1.807×104J/g；∑Q是生育期间的总光照辐射量；Q0为天文辐射；S为太阳实测日照时数；S0为太阳可照时数；S/S0为日照百分率；a、b为待定系数。

1.4.4 氮肥利用效率 在甜玉米乳熟期每小区随机挑选植株5株玉米，去根部，洗净，105℃杀青30 min，80℃烘干至恒重后称重。植株样品粉碎后过筛，使用元素分析仪测定植株氮含量。

氮素吸收利用率(NRE)=(施氮区作物总吸氮量-不施氮区作物总吸氮量)/施氮量×100%

氮素偏生产力(NPFP)=施氮区作物产量/施氮量

氮素农学利用率(NAE)=(施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/施氮量×100%

氮素生理利用效率(NPE)=(施氮区作物产量-不施氮区作物产量)/(施氮区作物总吸氮量-不施氮区作物总吸氮量)

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2010统计和计算数据，采用SPSS 24.0进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 有机肥部分替代化肥处理甜玉米的干物质积累量

干物质是作物产量形成的基础。由表2可知，随着生育进程推进，甜玉米干物质呈逐渐增加趋势。拔节期甜玉米的干物质积累量在47.33～53.23 g/株，随有机肥施用量增加呈逐渐降低趋势，T1和CK间无显著差异，其他各处理均显著低于CK，T2、T3、T4和T5分别比CK低2.67%、3.08%、6.27%和11.08%。抽雄期甜玉米干物质积累量在109.49～126.56 g/株，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势；T3最大，显著高于其余处理。灌浆期甜玉米干物质积累量在150.49～183.18 g/株，各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高3.99%、11.97%、21.72%、18.09%和7.72%。乳熟期甜玉米干物质积累量在219.26～257.20 g/株，各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK，以T3最多，T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高4.75%、8.34%、17.31%、13.31%和3.42%。说明，有机肥部分替代化肥能够提高玉米干物质积累量。

表2 不同处理各生长时期甜玉米的干物质积累量

2.2 有机肥部分替代化肥处理甜玉米的穗部性状与产量

由表3可知，有机肥替代化肥对甜玉米穗部性状及产量有显著影响。穗长：甜玉米穗长在20.34～23.38 cm，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，以T3最大，T1与CK间无显著差异，其他处理均显著高于CK，T2、T3、T4和T5分别比CK高5.95%、14.95%、12.98%和6.39%。穗粗和穗行数：甜玉米穗粗和穗行数分别在5.27～5.48 cm和14.0～14.69行，各有机肥部分替代化肥处理与CK间均无显著差异。行粒数：甜玉米行粒数在31.56～35.64粒/行，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，以T3最大；各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高3.42%、6.91%、12.93%、8.62%和3.14%。百粒鲜重：甜玉米百粒鲜重在29.26～32.74 g，以T3最大；各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高4.03%、7.86%、11.89%、7.25%和4.41%。鲜穗产量：甜玉米鲜穗产量在14 711.71～17 646.59 kg/hm2，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，鲜穗产量为T3>T4>T5>T2>T1>CK，除T1外，其他处理均显著高于CK，T2、T3、T4和T5分别比CK高9.02%、19.95%、15.11%和9.99%。表明，有机肥替代化肥能够改善玉米产量构成因素，从而提高玉米产量。

表3 不同处理甜玉米的穗部性状与产量

2.3 有机肥部分替代化肥处理甜玉米的资源利用率

由表4可知，有机肥部分替代化肥能够显著改善甜玉米对光、温、水资源的利用率。光能生产效率：甜玉米光能生产效率在0.64～0.78 g/MJ，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，以T3最大，各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高4.69%、15.63%、21.88%、12.50%和7.81%。光能利用率：T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高7.34%、16.51%、32.11%、23.85%和14.68%，各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK。降雨生产率：T1、T2、T3、T4和T5分别比CK高4.18%、9.03%、19.98%、15.13%和10.01%，均显著高于CK。积温生产率：甜玉米积温生产率在18.06～21.66 kg/(hm2·℃)，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，以T3最大，较CK提高19.93%；各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK。表明，有机肥部分替代化肥能够提高玉米对光、温、水资源的利用效率。

表4 不同处理甜玉米的资源利用率

2.4 有机肥部分替代化肥处理甜玉米的氮肥利用率

由表5看出，甜玉米的氮素吸收利用率、氮素偏生产力和氮素农学利用率分别在21.02%～35.64%、81.73～98.04 kg/kg和25.25～41.55 kg/kg，随有机肥施用量增加呈先增后降趋势，均以T3最大，各有机肥部分替代化肥处理均显著高于CK。氮素生理利用率各处理均显著低于CK，表现为CK>T3>T4>T2>T1>T5，表明化肥处理植株体内养分的利用效率较高。总体看，有机肥部分替代化肥能够改善甜玉米的氮肥利用率。

表5 不同处理甜玉米的氮肥利用率

3 讨论

有机肥能够改善土壤理化性质，提高土壤生物活性，改善土壤生态结构，从而促进作物生长[12]。玉米地上部植株干物质积累量反映群体的光合能力[13]，而干物质积累是作物产量形成的物质基础，玉米各生育时期的干物质积累量与产量密切相关[14]。刘晓明等[15]研究表明，施用有机肥可提高玉米花前茎秆的干物质转运效率和对籽粒贡献率。候丽丽等[16]研究表明，化肥减量配施有机肥显著增加冬小麦穗部干物质积累量，并提高地上部生物量。研究结果表明，在玉米拔节期，有机肥部分替代化肥的干物质积累量均低于对照(纯化肥施用)，可能是由于在生长前期，有机肥养分释放缓慢，对玉米养分供给不足；在抽雄期至乳熟期，有机肥处理的干物质积累量高于对照，且均是在有机肥替代量为30%时干物质积累量最高，可能是由于有机肥参与农业生态系统养分循环，丰富土壤生物多样性，提高土壤微生物活性，从而提高土壤养分的矿化，且有机肥含有大量的养分和微量元素，能够改良土壤、提升土壤肥力，从而促进玉米生长，但是有机肥施用量过低对土壤结构的影响和改善效果较小，而有机肥使用过多，速效养分释放不能满足玉米生长所需，因此在有机肥替代量为30%时效果最好。

适当补充有机肥能够改善土壤理化性质，增强土壤微生物多样性，维持土壤肥力水平，促进土壤水、气条件协调，促进植株生长发育，为增加作物产量奠定基础[17]。徐兆廷等[18]研究表明，施用商品有机肥可促进制种玉米生长发育和干物质积累，提高玉米籽粒产量。季佳鹏等[19]研究表明，化肥减量20%配施牛粪处理的土壤有机碳、碱解氮、速效磷、速效钾含量和玉米产量最高。研究结果表明，有机肥替代化肥显著提高甜玉米穗长、行粒数、百粒重和鲜穗产量。主要是由于有机无机配合，为微生物提供碳源，既维持土壤相对较大的有机碳氮库，增加土壤缓冲性能，又可维持土壤较好的无机肥供应能力，提高土壤养分，促进矿质元素的吸收，从而提高产量。在有机肥替代量为30%时效果最好，可能是由于该条件下土壤、养分和作物到达最佳协同状态，为产量形成提供良好的条件。

作物产量的提高主要是通过群体对肥、光、温、水等资源利用效率的提升来实现[20]。群体资源利用效率的提高取决于作物对资源的综合利用程度[21]。氮肥农学效率、偏生产力、吸收利用率和生理利用率是反映作物对氮肥利用效率的主要指标，采取合理的施肥措施是提高群体资源利用效率的重要措施[22]。研究结果表明，有机肥能够提高甜玉米光能生产效率、光能利用率、降雨生产率和有效积温生产率，并显著提高甜玉米氮肥吸收利用率、偏生产力和农学效率，说明有机肥替代处理不仅能维持较高的氮素利用率，同时提高氮对产量的贡献，促进玉米对氮的吸收和合理分配，进而获得较高的产量。在有机肥替代量为30%时，甜玉米光能生产效率、降水生产效率、温度生产效率和光能利用效率达最大，主要是由于该处理的肥料-土壤-作物协同配合，实现高产型根系构建，给地上部提供充足养分，形成高效冠层群体，有效提高资源利用率。

4 结论

有机肥部分替代化肥对甜玉米产量及资源利用效率存在显著影响，可显著提高甜玉米干物质的积累量，增加玉米穗长、行粒数、百粒重和鲜穗产量，提高甜玉米光能生产效率、降水生产效率、温度生产效率和光能利用效率。其中，以30%的替代量效果最佳，该处理条件下，甜玉米乳熟期干物质积累量为257.20 g/株，较对照(纯施化肥)高17.31%；鲜穗产量达17 646.59 kg/hm2，较对照高19.95%；光能生产效率、光能利用率、降雨生产率和积温生产率分别较对照高21.88%、32.11%、15.11%和19.90%；同时显著提高甜玉米的氮素吸收利用率、氮素偏生产力和氮素农学利用率。