不同施肥方式對玉米種植的影響之綜合評價(jià)

衡圓圓 ，賀 俊 ，曾 錦 ，鄭 昊，曾維慶 ，岳志強(qiáng)

（1.云南師范大學(xué)能源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.玉溪市農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)和農(nóng)村能源工作站，云南 玉溪 653100）

玉米是我國三大糧食之一，作為中國的高產(chǎn)糧食作物，玉米是畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)等的重要飼料來源，也是食品、醫(yī)療衛(wèi)生、輕工業(yè)、化工業(yè)等的不可或缺的原料之一[1]。2018年，全國玉米播種面積為0.243×108hm2，占全國農(nóng)作物總播種面積的25.39%，產(chǎn)量高達(dá)2.57×108t。其中，云南省玉米播種面積為178.52×104hm2，占全國玉米播種面積的4.27%，占云南省農(nóng)作物總播種面積的26.21%，占云南省糧食作物播種面積的42.86%，產(chǎn)量達(dá)926×104t，占全國玉米總產(chǎn)量的3.6%[2]。

玉溪市作為“滇中糧倉”，2018年農(nóng)業(yè)總播種面積為28.56×104hm2，其中，玉米播種面積為 5.70×104hm2，占總播種面積的19.96%[3]。星云湖作為云南省九大高原湖泊之一，為珠江流域南盤江水系的源頭湖泊，也是玉溪市江川區(qū)居民生產(chǎn)生活的重要自然資源。但是，由于污染源廣，生產(chǎn)生活活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致星云湖水質(zhì)逐年下降。這是由星云湖流域內(nèi)的工業(yè)廢水、生活污水，農(nóng)業(yè)廢棄物等污染造成的，每年入湖的TN、TP、COD 量分別為 95×104kg、20×104kg、52×104kg，其中畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)田面源、農(nóng)村生活污染占總量的70%以上[4]。為了改善星云湖TN、TP和COD超標(biāo)的現(xiàn)狀，本項(xiàng)目采用5種不同施肥方式及空白處理進(jìn)行玉米種植試驗(yàn)，從玉米生長性狀、產(chǎn)量、土壤結(jié)構(gòu)變化量、土壤重金屬變化量、氮磷流失量、產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)方面來綜合評價(jià)，通過環(huán)保指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生長指標(biāo)及其影響因子進(jìn)行科學(xué)合理的評價(jià)，篩選出最適合星云湖流域的玉米種植施肥模式。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于玉溪市江川縣九溪鎮(zhèn)中營村委會(huì)義程果木莊園，海拔1 800 m，年平均氣溫15.6℃，年均降雨量890 mm，園內(nèi)有100 m3的沼氣池1個(gè)，土壤質(zhì)地為中壤。

1.2 試驗(yàn)材料

品種：選擇市場上反響較好的雪妃9 000（糯玉米）。肥料：化肥、沼肥、堆漚肥以及生物炭。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米種植試驗(yàn)設(shè)計(jì)6個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共18個(gè)處理小區(qū)，每個(gè)處理小區(qū)長9 m，寬4 m，面積36 m2。每個(gè)小區(qū)下設(shè)一個(gè)2 m×1 m×1.5 m的徑流池。種植區(qū)域外圍設(shè)保護(hù)行寬2 m。

表1 處理描述表Tab.1 Processingdescription

在整個(gè)玉米生長過程中，設(shè)置3次施肥，包括一次基肥和兩次追肥（提苗肥和孕穗肥）。施肥時(shí)除CK處理外，其余處理施入等量氮素。

表2 總肥料一覽表（以每小區(qū)計(jì)）Tab.2 General fertilizer list

1.3.1 玉米生長情況記錄

自玉米發(fā)芽后開始對玉米生長情況進(jìn)行記錄，每小區(qū)均勻布點(diǎn)選取10株固定的玉米植株進(jìn)行數(shù)據(jù)觀測，主要觀測指標(biāo)包括：株高（地面至雄穗頂端的高度）、徑圍、玉米穗位（地面到最上部果穗著生節(jié)的高度）等，當(dāng)玉米成熟時(shí)開始進(jìn)行采收，玉米帶葉鮮穗質(zhì)量即記錄為經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量，整株重記錄為生物學(xué)產(chǎn)量，對每個(gè)處理進(jìn)行分區(qū)計(jì)錄產(chǎn)量。

1.3.2 土壤及水樣檢測

在玉米種植前后分別采集各小區(qū)的土樣樣品，檢測其氮、磷、重金屬等含量及土壤結(jié)構(gòu)。在玉米生長過程中記錄灌溉、降雨、徑流量等情況，收集水樣品進(jìn)行檢測。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、Spss、Origin等數(shù)據(jù)處理軟件對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同肥料處理對收獲時(shí)期玉米株高、莖稈直徑、穗位的影響

將收獲時(shí)期所記錄的玉米的株高、莖稈直徑、穗位數(shù)據(jù)按照不同施肥處理的記錄數(shù)據(jù)求平均值，得到圖1。

由圖1可知，CK處理株高最低，為200.63cm，其次是C處理、A處理、B處理、E處理，D處理株高最高，為211.73 cm?？瞻滋幚碇仓甑那o稈直徑最小，為2.89 cm，其次是全化肥處理、全沼肥處理、沼肥+化肥處理、有機(jī)肥處理，沼肥+生物炭處理植株的莖稈直徑最大，為3.93 cm?？瞻滋幚碇仓甑乃胛蛔畹?，為87.83 cm，其次是全化肥處理、全沼肥處理、有機(jī)肥處理、沼肥+生物炭處理，沼肥+化肥處理植株的穗位最高，為98.66 cm。將每小區(qū)所記錄的玉米生長情況數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表3。

表3 不同肥料處理對玉米植株生長情況的影響Tab.3 Effects ofdifferent fertilizer treatment on growth ofmaize plants

由表3可知，CK處理與D處理的株高差異顯著，與其余處理間不顯著，這可能是空白處理土壤中仍有前茬種植的肥料殘留，因此株高與其他處理差距不大。

CK處理莖稈直徑與A處理間差異不顯著，與其他處理存在顯著差異，這可能是土壤中養(yǎng)分不夠充足，化肥養(yǎng)分供給不善導(dǎo)致的。C處理與D處理間不存在顯著性差異，與其他處理間存在顯著性差異。E處理與B處理間無顯著性差異，與其他處理間存在顯著性差異，這可能是由于生物炭與有機(jī)肥均有緩釋肥的效果，在玉米生長后期仍能保證充足的養(yǎng)分供應(yīng)給玉米莖稈，使玉米莖稈較好地發(fā)揮疏導(dǎo)、支撐和貯存等功能。

CK處理與其他處理穗位均存在顯著性差異，這可能是由于土壤中養(yǎng)分不足，無法較好地通過莖稈向上傳遞水分、無機(jī)及有機(jī)養(yǎng)分，造成果穗著生點(diǎn)低于其他處理。A處理與D處理存在顯著性差異，與其余處理間不存在顯著性差異，這表明在相同氮素水平情況下，沼肥可以提高莖稈營養(yǎng)疏導(dǎo)及養(yǎng)分貯存的功能，使玉米果穗著生點(diǎn)提高。

由以上分析可知，是否施用肥料對莖稈直徑及穗位影響較大，在等量氮肥情況下，化肥處理莖稈直徑及穗位均處于較低水平。

2.2 不同肥料處理對玉米產(chǎn)量的影響

將收獲時(shí)期所記錄的玉米產(chǎn)量性狀數(shù)據(jù)按照不同施肥處理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到表4。玉米經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量為帶葉鮮穗玉米重量，穗行、穗寬、穗行、行粒數(shù)均為衡量經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量的具體指標(biāo)，生物學(xué)產(chǎn)量為玉米植株整株重量。

表4 不同肥料處理對玉米產(chǎn)量的影響Tab.4 Effects ofdifferent fertilizer treatment on corn yield

由表4可知，各處理經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量表現(xiàn)為：CK＜A＜C＜B＜D＜E；各處理生物學(xué)產(chǎn)量表現(xiàn)為：CK＜A＜B＜D＜C＜E。

各處理間經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量不存在顯著性差異，這可能是由于CK處理中上茬作物的基肥未完全分解，在本季種植中恰逢雨季，遇水后腐爛分解，為CK處理中的玉米植株提供了一定的養(yǎng)分，使其實(shí)際產(chǎn)量增大。

CK處理和A處理的生物學(xué)產(chǎn)量與E處理存在顯著性差異，與其他處理間不存在顯著性差異，表明同等氮素水平下，化肥處理的生物學(xué)產(chǎn)量處于較低水平，沼肥+生物炭處理使玉米植株生物學(xué)產(chǎn)量明顯增加。

由以上分析可知，不施肥使玉米生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量均較低，在同等氮素水平下，化肥處理的經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量均較差，沼肥+生物炭處理的經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量均最好，基肥添加生物炭可明顯提高玉米的產(chǎn)量。

2.3 不同肥料處理對氮磷損失情況的影響

氮、磷損失量分別為見圖2、圖3。

由圖2、3可知：玉米種植氮素總損失量在3.71～7.21 kg/hm2，損失率為 2.32%～15.47%。氮流失量在 0.57～4.95 kg/hm2，占氮損失量的15.36～75.04%。其中，氮損失量最大的是B處理，其次是A處理，B處理氮損失量為CK的2.21倍。氮流失量最大的是A處理，其次是B處理，氮流失量最少的是CK處理，其次是E處理。A處理氮流失量為CK的8.68倍，E處理氮流失為CK的5.39倍，E處理流失量較A處理少61.24%。具體氮流失量大小順序?yàn)椋篈＞B＞C＞D＞E＞CK。其中，CK、D、E 處理氮流失低于 A、C、B，但 A、C、B流失量差異不明顯，而CK處理流失量最少與其沒施肥有關(guān)。

由圖2、圖3可知：玉米種植磷素?fù)p失總量在0.53～1.80 kg/hm2，損失率為37.92%～79.11%。磷流失量在0.11～1.54 kg/hm2，占磷損失的20.75%～89.53%。其中，磷損失量最大的是C、D處理，其次是A處理，磷損失量最少的是CK處理，其次是E。與CK相比，C、D處理磷損失量為CK的3.4倍，E處理磷損失量為CK的3.17倍。磷流失量最大的是B處理，流失量最小是CK處理，其次是E處理。B處理磷流失量為CK的14倍，E處理磷流失為CK的5.73倍，E處理流失量較B處理少144%。具體磷散失量大小順序?yàn)椋篊=D＞A＞B＞E＞CK。其中，CK處理磷流失量較低與其沒施肥有一定關(guān)系，處理中E處理磷流失量低于另外四種處理，但差異性并不明顯。地表徑流整體趨勢和總磷散失量區(qū)別不大，但磷流失途徑中地表徑流占比較小。

由以上分析可知，氮磷流失與施入的肥料量有關(guān)，空白處理氮流失量最少。在同等氮量情況下，“沼肥+生物炭”處理流失量最少，較化肥處理少61.24%。磷流失量最小是空白處理，其次是“沼肥+生物炭”處理，磷流失量最大的是堆漚肥處理，“沼肥+生物炭”處理流失量較堆漚肥處理少144%。

2.4 不同肥料處理對土壤結(jié)構(gòu)的影響

由圖 4 可知，A、B、C、D、E、CK 6 種處理密度均下降，其中處理B下降最少，下降10.09%、E處理下降最多，下降24.32%；A、B、C、D、E、CK 6種處理 pH均上升，其中，B處理上升最少，上升0.33%，E處理上升最多，上升3.73%；處理A、C、D、E、CK的孔隙度均上升，其中E處理上升最多，上升12.95%，處理 B孔隙度下降，下降了 3.21%；處理 A、B、C、D、E、CK有機(jī)質(zhì)均上升，其中處理E上升最多，上升70.33%。

2.5 不同肥料處理對土壤重金屬含量的影響

不同肥料處理對土壤重金屬含量的影響，見圖5。

由圖5可知：幾種不同施肥處理對土壤中鋅元素的影響最大，鉛、鉻和銅元素也有較大影響，其余的重金屬元素影響不大。其原因可能是重金屬在土壤中的分布受到土壤性質(zhì)和個(gè)別金屬化學(xué)性質(zhì)的影響，大部分金屬不會(huì)移動(dòng)至耕作高度下，作物吸收的重金屬含量不多。鉻元素變化較大可能是由于試驗(yàn)地土壤偏酸性，在pH值在2～6.5時(shí)，土壤對Cr6+的吸附量較大。而鋅元素變化則是由于沼液、沼渣中含有大量的Zn2+，伴隨施肥過程進(jìn)入土壤，致使鋅元素含量增加。另外在自然界中，由于鉛具有很高的負(fù)電性，容易與鐵、鋁的氧化物、有機(jī)質(zhì)及碳酸形成共價(jià)化合物，因此難以被植物吸收。

生物炭具有一定的吸附作用，可將重金屬離子固定成穩(wěn)定的狀態(tài)。在種植試驗(yàn)中，也達(dá)到了降低部分土壤中Cr、Zn含量的目的。生物炭的吸附作用主要是通過提高土壤CEC（陽離子交換量）來修復(fù)污染土壤。重金屬離子被固定在土壤膠體中，土壤重金屬的生物有效性降低，就達(dá)到了修復(fù)的目的。由于生物炭本身的pH呈堿性，添加到土壤中提高了土壤的pH，土壤膠體微粒表面所帶負(fù)電荷增加，則土壤陽離子交換量也增加。

3 綜合評價(jià)

通過以上分析，不能將直觀的或片面的結(jié)論作為評價(jià)依據(jù)，以下根據(jù)調(diào)查走訪結(jié)果以及試驗(yàn)的目的意義對本次玉米種植試驗(yàn)進(jìn)行綜合評價(jià)，將評價(jià)指標(biāo)設(shè)定如表5，將環(huán)保指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、生長指標(biāo)的評分占比設(shè)定為40%、50%、10%。滿分為2分，即環(huán)保指標(biāo)滿分為0.8分，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)滿分為1分，生長指標(biāo)滿分為0.2分，每個(gè)指標(biāo)的影響因素占比如下表。不同施肥方式所涉及的經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)見表6。

表5 綜合評價(jià)指標(biāo)及其影響因Tab.5 Comprehensive evaluation indicators and their impact factors

表6 玉米經(jīng)濟(jì)效益表Tab.6 Economic benefits ofmaize

由表6可知，不同肥料處理的利潤為處理E＞處理C＞處理D＞處理A＞處理CK＞處理B。

環(huán)保指標(biāo) =40%×（H1×25%+H2×10%+H3×25%+H4×40%）

經(jīng)濟(jì)指標(biāo) =50%×（J1×5%+J2×30%+J3×10%+J4×5%+J5×30%+J6×6%+J7×8%+J8×8%）

生長指標(biāo) =10%×（S1×40%+S2×20%+S3×40%）

根據(jù)以上公式，由表5計(jì)算可得：

表7 綜合評價(jià)積分表Tab.7 Integral evaluation tables

由表7可知，在不同施肥方式中，綜合評價(jià)積分最高的為處理E（即“沼肥+生物炭”處理）1.66分，綜合評價(jià)積分最低的為處理A（即全化肥處理）0.21分和處理B（即堆漚肥處理）0.625分。

4 結(jié)論

（1）是否施用肥料對莖稈直徑及穗位影響較大，在等量氮肥情況下，化肥處理莖稈直徑及穗位均處于較低水平。

（2）不施肥使玉米生物學(xué)產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量均較低，在同等氮素水平下，化肥處理的經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量均較差，沼肥+生物炭處理的經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與生物學(xué)產(chǎn)量均最好，基肥添加生物炭可明顯提高玉米的產(chǎn)量。

（3）氮磷流失與施入的肥料量有關(guān)，空白處理氮流失量最少。在同等氮量情況下，“沼肥+生物炭”處理流失量最少，較化肥處理少61.24%。磷流失量最小是空白處理，其次是“沼肥+生物炭”處理，磷流失量最大的是堆漚肥處理，“沼肥+生物炭”處理流失量較堆漚肥處理少144%。

（4）6種施肥處理密度均下降，pH均上升，有機(jī)質(zhì)均上升，“沼肥+生物炭”處理上升最多，除堆漚肥處理孔隙度下降3.21%外，其余處理孔隙度均上升。

（5）幾種不同施肥處理中對土壤中鋅元素的影響最大，鉛、鉻和銅元素也有較大影響，其余的重金屬元素影響不大。在種植試驗(yàn)中，生物炭的吸附能力使土壤中Cr、Zn含量降低。

（6）不同肥料處理的利潤為“沼肥+生物炭”處理＞全沼肥處理＞“沼肥+化肥”處理＞全化肥處理＞空白處理＞有機(jī)肥處理

綜上分析，并根據(jù)綜合指標(biāo)評定結(jié)果可知，最適合江川區(qū)星云湖流域的施肥方式為“沼肥+生物炭”、“全沼肥”以及“沼肥+化肥”3種模式，以上3種模式既可以保護(hù)流域環(huán)境、保證作物產(chǎn)量，還可以降低生產(chǎn)成本、增加農(nóng)戶收入。