不同比例有机肥替代化肥对玉米生长及水分利用效率的影响

陈 倩，谢军红，李玲玲，王林林，周永杰，李景润，谢丽华，王进斌

(1.甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

氮素是植物生长发育最重要的元素之一[1]，氮肥的施用有利于保障粮食安全，但不合理的氮肥施用量和施用方法必然会引起环境和生态问题，进而影响农业可持续发展[2]。研究发现，农业生产中普遍存在长期重施化肥、偏施氮肥，轻施有机肥和不施有机肥的现象，造成土壤板结、有机质含量下降、肥力水平降低，从而影响粮食作物的可持续生产及水肥资源集约化利用[3-4]。因此，合理施氮一直是农业与环境科学研究的热点和重点。

黄土高原地区旱地农田总面积约为6.4×106hm2，是我国重要的旱作农业区之一[5]。降水是中国西北旱作农业地区水资源的唯一来源[6]，水资源不足、严重的水土流失以及降水分配不均格局降低了土壤水分有效性，影响作物产量和水分利用效率[7-9]。增加土壤有效贮水、提高作物生产力是旱作农业长期攻关的重点和难点[10-11]。近年来，大面积推广应用的全膜双垄沟播玉米种植技术，因其增产效果显著和水分利用效率提高而备受青睐[12-14]，但长期单一施氮造成的土壤质量与可持续发展问题引起科学界广泛关注，同时，当前国家正在开展化肥使用量零增长行动，农业部从2015年开始率先在玉米等作物上开展化肥减量增效试点[15]，随之，开始了有机肥替代化肥理论研究，并取得了长足进步。研究表明，合理比例有机肥替代化肥能够提高土壤有机质和养分含量，提高作物产量，提升肥料利用率[16]；张绪成等[17]发现氮肥减量50%和25%均能显著提高全膜覆盖垄沟马铃薯产量和水分利用效率；有机肥与无机肥配施不仅能够提高土壤有机质和养分含量，稳定增加作物产量，还能够提高土壤水分利用率，起到“以肥调水”的作用[18]。然而，黄土高原半干旱区肥力水平低下，开展大规模的化肥减量有一定的局限性，通过有机氮替代无机氮降低农业生产对化肥的依赖是一项可行的农业措施，目前，对于旱作全膜双垄沟播玉米等氮投入条件下有机肥替代化肥的研究相对较少，因此，本试验依托定位试验探索全膜双垄沟播玉米有机肥替代无机肥的产量及水分利用机制，以期为黄土高原半干旱地区玉米提质增效提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年10月—2019年11月在甘肃省定西市甘肃农业大学旱作农业综合试验站(104°36′E,35°35′N)进行，该地位于甘肃省中部偏南，属中温带半干旱区。平均海拔2 000 m，年均太阳辐射592.85 kJ·cm-2，日照时数2 476.6 h，年均气温6.4℃，≥0℃积温 2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，无霜期140 d。多年平均降水量399.3 mm，年蒸发量1 531 mm，干燥度2.53，是典型的半干旱雨养农业区。2018年和2019年降水量分别为472.1 mm和491.6 mm (表1)。试验地土壤为黄绵土，土层深厚，质地均一，其0～20 cm土层土壤容重平均为1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率28.6%，pH值8.36，耕层土壤有机质11.92 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1，全磷1.81 g·kg-1。

表1 2018、2019年玉米不同生长阶段降水量/mm

1.2 试验设计

本研究依托2016年甘肃农业大学旱作农业综合试验站布设的定位试验。在等氮(200 kg·hm-2)条件下，采用随机区组试验设计，以不施肥为对照，设置了5个不同的有机肥替代氮肥比例(表2)，共6个处理，3次重复，18个小区，小区面积37.4 m2(8.5 m×4.4 m)。采用全膜双垄沟播种植技术，供试玉米品种为‘先玉335’，密度为5.25万株·hm-2；供试的‘巧农牌’商品有机肥由甘肃省鸿远生物科技有限公司研制，该肥料以牛粪为主要原料制成，有机质含量>46%，N、P2O5、K2O含量分别为3.3%、1.0%和0.7%。除不施肥对照外，各处理施肥量为：纯N 200 kg·hm-2，由尿素(含N 46%)+商品有机肥提供；P2O5用量为150 kg·hm-2，由过磷酸钙(P2O512%)提供，K2O以F50M50处理投入商品有机肥含有K2O的量为投入标准，其余处理不足部分用氯化钾(KCI 60%)补充调平。氮肥施肥按基肥∶拔节肥∶大喇叭口肥为5∶3∶2分三次施用。所有商品有机肥、磷肥和部分氮肥作基肥深施。

表2 不同处理下的养分来源及投入/(kg·hm-2)

1.3 田间操作及管理

为防止冬季土壤失墒，试验在2017年玉米收获后将秸秆收割并移除农田，不揭膜，土壤免耕，翌年土壤解冻后，人工回收残膜，按施肥方案施入基肥，旋耕并用全膜双垄沟播起垄机起大小双垄(大垄：垄高15 cm，垄宽70 cm；小垄：垄高20 cm，垄宽40 cm)，用宽140 cm、厚0.01 mm的白色地膜全地表覆盖，沟内每隔1 m扎渗水孔1个，保证降水的有效入渗。2018年5月1日在沟内按35 cm的株距，每穴两粒播种玉米，及时间苗，于拔节期和大喇叭口期追施氮肥，使用手持追肥器穴施于两株玉米中间，深度为6～7 cm，病虫草害及其他管理同一般高产田，10月上旬收获玉米，2019年的方案同2018年。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 产量 籽粒产量在玉米收获期每小区单独收获，待晾晒至籽粒可以顺利脱离穗轴时，进行脱粒并测定籽粒含水量，以含水率14%为安全储藏水分，折算公顷产量。

1.4.2 土壤含水量 测定玉米整个生育时期土壤含水量，测定层次为0～5、5～10、10～30、30～50、50～80、80～110、110～140、140～170、170～200 cm，共9个层次，其中0～30 cm用土壤烘干法测定，30～200 cm用时域反射土壤水分传感器(TRIME-PICO IPH/T3,IMKO GmbH, Ettingen, Germany)测定。

土壤烘干法测定计算公式为：

W(%)=[(W1-W2)/W2]×100%

式中，W1为土壤鲜样重(g)，W2为土壤干样重(g)。计算土壤贮水量时需将土壤质量含水量换算为体积含水量，换算公式为：

V=W×D

式中,V为土壤体积含水量(%)，W为土壤重量含水量(%)，D为土壤容重(g·cm-3)。

1.4.3 作物耗水量 作物耗水量用农田水分平衡法计算。由于试验小区平整、试验区未产生深层渗漏和地下水补给，因此，适用于计算本试验的作物耗水量的计算公式为：

ET=(W1-W2)+P

式中，ET为作物耗水量(mm)，W1、W2分别为播前和收获时0～200 cm土层的土壤贮水量(mm)，P为玉米生育期降水量(mm)。

阶段耗水量(ETi，mm)的计算公式为：

ETi=SWSi-SWSi+1+Pi

式中，ETi为阶段耗水量(mm)，SWSi为某个生育初期0～200 cm土层的土壤贮水量(mm)，SWSi+1为该生育阶段结束时0～200 cm土层的的土壤贮水量(mm)[19]，Pi为该阶段的降水量(mm)。

1.4.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)为作物消耗单位水量生产出的籽粒产量，其计算公式为：

WUE=Y/ET

式中，WUE为水分利用效率(kg·hm-2·mm)，Y为籽粒产量(kg·hm-2)，ET为作物全生育期的耗水量(mm)。

降水利用效率的计算公式为：

RUE=Y/P

式中,RUE为降水利用效率(kg·hm-2·mm)，Y为玉米籽粒产量(kg·hm-2)，P为生育期降水量(mm)。

玉米耗水强度的计算公式为:

Rw=ET/D

式中，Rw为耗水强度(mm·d-1)；ET为耗水量(mm)；D为生育时段(d)。

1.4.5 收获指数 收获指数计算公式为：

HI=Y/B

式中，HI为收获指数，Y为籽粒产量(kg·hm-2)，B为地上部生物量(kg·hm-2)。

1.4.6 土壤贮水量 土壤贮水量计算公式为：

W=(∑Vi×Hi×10)/100

式中,W为土壤贮水量(mm)，Vi为土壤某一层次体积含水量(%)，Hi为土层厚度(mm)，i为土壤层次。

1.4.7 地上部生物量 地上部生物量以玉米收获时每小区随机取30株称其干重，最后折算成公顷产量。

1.5 数据分析与处理

采用Microsoft Excel 2016对数据、图表进行处理，采用Sigmaplot 12.5作图，采用SPSS(PASWStatistics18)统计分析软件进行统计分析，用LSD进行多重比较，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同比例有机肥替代化肥水平全膜双垄沟播玉米土壤含水量的空间分布

2018年、2019年玉米各生育时期土壤含水量如图1所示。2018年，与F0M0处理相比，F50M50处理成熟期0～5、50～80 cm土层和灌浆期110～140 cm土层平均土壤含水量降低18.0%；与F100M0处理相比，F50M50处理成熟期10～30 cm和播前50～110 cm土层平均土壤含水量降低16.7%。2019年，与F0M0处理相比，F50M50处理平均土壤含水量显著降低10.8%，F87.5M12.5处理平均土壤含水量显著降低7.7%；其他处理无显著差异。

2.2 不同比例有机肥替代化肥全膜双垄沟播玉米土壤贮水量的动态变化

如图2所示，2018年和2019年0～200 cm土层土壤贮水量存在显著差异，且处理间的差异2018年大于2019年。2018年，与其余处理相比，F50M50处理全生育时期0～200 cm土层土壤贮水量最低；与F0M0处理相比，F100M0处理灌浆期和成熟期0～200 cm土层土壤贮水量分别降低6.6%和7.9%，F75M25和F87.5M12.5处理灌浆期和成熟期0～200 cm土层土壤贮水量下降9.3%、14.9%和10.6%、13.5%；与F100M0处理相比，F75M25和F87.5M12.5处理灌浆期和成熟期0～200 cm土层土壤贮水量分别下降2.9%、8.8%和3.0%、6.1%。2019年，与其余处理相比，F50M50处理大喇叭口期0～200 cm土层土壤贮水量最低；与F0M0处理相比，F50M50处理大喇叭口期0～200 cm土层土壤贮水量降低15.4%；与F100M0处理相比，F50M50处理大喇叭口期0～200 cm土层土壤贮水量降低9.1%。

2.3 不同处理玉米的阶段耗水量和耗水强度

如表3所示，与F0M0处理相比，2018年不同比例有机肥替代化肥处理播种期～拔节期耗水量差异显著；与F100M0处理相比，F50M50和F62.5M37.5处理大喇叭口期～灌浆期耗水量降低53.3%和45.8%，F50M50和F0M0处理灌浆期～成熟期耗水量增加41.1%和29.7%。2019年，与F0M0处理相比，F50M50播种期～拔节期耗水量增加26.4%；与F87.5M12.5处理相比，F50M50播种期～拔节期耗水量增加31.9%；与F100M0处理相比，F50M50和F62.5M37.5处理拔节期～大喇叭口期耗水量分别减少49.8%和81.2%。

表3 2018年、2019年不同处理下各生育时期阶段耗水量和耗水强度的变化

2.4 不同比例有机肥替代化肥对全膜双垄沟播玉米籽粒产量和收获指数的影响

由表4知，年份对玉米籽粒产量和收获指数影响显著，不同比例有机肥替代化肥对玉米籽粒产量和地上部生物量影响显著，不同比例有机肥替代化肥及年份的交互作用对玉米收获指数影响显著。2018年的籽粒产量较2019年提高36.3%，地上部生物量降低18.2%，收获指数增加61.5%。两个年度有机肥替代化肥处理与单施化肥处理籽粒产量无显著差异，显著高于对照处理，增产率分别为46.7%～72.3%和146.8%～290.7%。此外，2019年F50M50处理的籽粒产量较F87.5M12.5处理降低26.7%。两个年度有机肥替代比例12.5%～37.5%处理地上部生物量无显著差异，与对照处理相比增加34.8%～59.9%和208.5%～343.6%；收获指数无显著差异。

表4 不同施肥处理对玉米地上部生物量、籽粒产量和收获指数的影响

2.5 不同比例有机肥替代化肥对全膜双垄沟播玉米耗水量和水分利用率的影响

如表5所示，年份对全膜双垄沟播玉米水分利用效率和降水利用效率影响显著，不同比例有机肥替代化肥对2018年、2019年水分利用效率和降水利用效率影响显著。与F0M0处理相比，2018年施肥处理耗水量增加17.5%～38.6%，其中F100M0处理耗水量显著增加38.6%。与F0M0处理相比，施肥处理水分利用效率增加11.5%～30.4%，其中F62.5M37.5和F87.5M12.5显著增加27.3%和23.6%，各处理降水利用效率无差异。与F0M0处理相比，2019年不同比例有机肥替代化肥耗水量降低3.1%～10.1%，水分利用效率增加144.7%～306.6%，降水利用效率增加146.2%～287.7%，其中F62.5M37.5和F87.5M12.5耗水量降低10.1%和8.0%，水分利用效率增加267.1和306.6%，降水利用效率增加238.5%和287.7%。

表5 不同处理下玉米的耗水量和水分利用效率的变化

2.6 不同比例有机肥替代化肥对全膜双垄沟播玉米经济效益的影响

由表6所示，与2019年相比，2018年籽粒产值增加21.2%，秸秆产值降低36.6%，总产值和产投比降低4.9%和2.7%。2018年，F75M25和F87.5M12.5处理的总产值、产投比接近F100M0，分别较F0M0处理增加57.2%、65.6%和14.5%、29.1%；施肥处理较F0M0处理总投入增加19.4～54.0%，总产值增加31.9%～68.9%。2019年，F62.5M37.5和F87.5M12.5处理的总产值和产投比分别较F0M0处理显著增加268.9%、327.07%和155.0%和230.0%；F87.5M12.5处理较F100M0总产值和产投比增加15.5%、7.8%。

表6 不同施肥处理对玉米经济效益的影响

3 讨 论

3.1 不同比例有机肥替代化肥对玉米产量和经济效益的影响

科学的氮肥管理措施和全膜双垄沟播技术对保障陇中干旱地区粮食增产有重要影响。增施有机肥有助于改善作物氮素营养，减少氮素损失[20]。王斌[21]的研究发现有机肥配施与减量优化平衡施肥在稳产的同时能提高氮素利用率，提升土壤可持续生产能力。虽然施用有机肥增加了生产投入，但有机肥与化肥配施条件下，合理的氮磷钾配比有助于改善作物营养[22]，在产量和产投比上能达到与单施化肥相当的效果，具有较佳的经济效益。本试验中，不同比例有机肥替代化肥措施对玉米籽粒产量及地上部生物量影响显著，2个试验年度的降水量为472.1 mm和491.6 mm，均高于多年平均降水量，较多的降水量促进了玉米的干物质积累，从而获得较高的籽粒产量和地上部生物量[23]。2018年，不同比例有机肥替代化肥处理较F0M0处理表现为增产，较F100M0处理具有稳产作用，这可能是增施有机肥改善了土壤中肥力状况[24]。2019年后期降水量较多，影响作物的光合作用，使同化物质转化效率降低，导致玉米籽粒产量低于2018年[25]，且F0M0处理籽粒产量下降明显，由于多年不施肥措施且玉米连续种植，引起了土壤养分耗竭，影响了玉米生长对养分的需求[26]。4个不同比例有机肥替代化肥处理玉米的籽粒产量与F100M0处理无显著差异，表现出稳产作用，而F50M50处理的籽粒产量较F87.5M12.5处理降低了26.7%，说明在连续200 kg·hm-2的氮素投入水平下，适度降低有机肥比例能获得较高的产量水平，原因可能是丰水年较高的降水量和土壤贮水量影响了有机肥添加的效应[27]。本试验中，不同比例有机肥替代化肥处理及年份的交互作用对玉米收获指数有明显影响，说明良好的土壤水分条件和合理比例有机肥替代化肥能提高玉米干物质转化效率，在增加地上部生物量的同时提高了籽粒产量，这与增施有机肥改善了氮素供应强度有关[28]，同时，较佳的土壤化学性状也有利于增产。

3.2 不同比例有机肥替代化肥对玉米水分利用效率的影响

随着基施化肥量增加，作物前期耗水增加，造成了生殖生长期土壤脱水、脱肥，降低了灌浆期干物质积累，进而影响籽粒产量和水分利用效率[29]。本试验中，各处理耗水量无显著差异，但F87.5M12.5处理籽粒产量较高，使其2018年、2019年水分利用效率较F50M50、F62.5M37.5、F75M25处理分别增加了12.4%、4.5%、5.5%和30.1%、16.2%、39.8%，说明合理比例有机肥替代化肥，协调了作物耗水量与籽粒产量的关系，提高了水分利用效率。F100M0处理与不同比例有机肥替代化肥处理籽粒产量无显著差异，但F100M0处理由于较高耗水量致使水分利用效率和降水利用效率低于F87.5M12.5处理。合理比例有机肥替代化肥能改善土壤水分状况，本试验中F50M50处理播种期30～50cm土层土壤含水量显著高于F87.5M12.5处理，拔节期反而低于F87.5M12.5处理，导致播种期—拔节期F50M50处理的耗水量及耗水强度显著高于F87.5M12.5处理，水分利用效率显著低于F87.5M12.5处理，其原因可能与增施有机肥增加了土壤有机质含量有关[30]。

4 结 论

在200 kg·hm-2等氮量投入水平下，有机氮替代无机氮能改变土壤水分状况，协调耗水量与籽粒产量的关系，在不增加玉米耗水量的条件下通过增产提高水分利用效率和降水利用效率，其中F62.5M37.5和F87.5M12.5处理在同等降水条件下较F0M0处理表现出较佳的籽粒产量、经济效益和水分利用效率。因此，本研究推荐有机肥代替氮肥的比例为12.5%～37.5%。