基于正交設(shè)計(jì)的玉米有機(jī)無機(jī)培肥模式優(yōu)化研究

劉 艷 宮 亮 邢月華 包紅靜

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，110161，遼寧沈陽）

施肥是提升作物產(chǎn)量及保持土壤可持續(xù)利用最為重要的農(nóng)業(yè)措施之一，肥料對(duì)作物的增產(chǎn)效果是毋庸置疑的[1]。有機(jī)肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要肥料[2]，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)就是依靠有機(jī)肥來培肥地力和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。但隨著化肥工業(yè)的興起以及對(duì)糧食單產(chǎn)的更高追求，化肥用量逐年增加，有機(jī)肥施用比重逐漸降低，這種現(xiàn)象不僅造成肥料浪費(fèi)，也破壞了土地，導(dǎo)致土壤酸化、次生鹽漬化、板結(jié)、養(yǎng)分不平衡和農(nóng)田面源污染加劇等一系列問題[2-5]。因此，如何合理施肥及有效培肥引起了人們的關(guān)注。

有機(jī)培肥是農(nóng)田管理中提升土壤肥力和質(zhì)量的重要措施，而有機(jī)肥與化肥的配合施用被認(rèn)為是未來農(nóng)業(yè)保持可持續(xù)生產(chǎn)模式的重要一環(huán)。大量研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施能平衡土壤中氮磷鉀等無機(jī)養(yǎng)分，實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的有機(jī)無機(jī)平衡[6]，還可以培肥地力，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量[7]。作物秸稈作為重要的有機(jī)資源，含有豐富的大量元素及微量元素，具有很大的利用價(jià)值[8]。還田的秸稈與土壤有機(jī)質(zhì)及氮素有效性關(guān)系緊密，能綜合改善土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，提高土壤肥力及肥料利用率，有利于作物生長發(fā)育[9-11]。顧巍巍等[12]在不同的有機(jī)無機(jī)氮量配比研究中發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無機(jī)肥配施能顯著提高水稻產(chǎn)量，有機(jī)氮占總氮的比例為30%時(shí)水稻產(chǎn)量最高。查燕等[13]在等氮量條件下對(duì)黑土長期定位試驗(yàn)研究表明，有機(jī)肥或秸稈與化肥配施可提升土壤有機(jī)碳含量，是培肥地力的最佳措施。由此看出，前人對(duì)有機(jī)無機(jī)肥配施的研究多以氮肥與有機(jī)肥組合為主，綜合考慮氮磷鉀三大元素與有機(jī)物料的用量配比研究報(bào)道較少。因此，本研究利用正交設(shè)計(jì)，以春玉米為研究對(duì)象，探討不同用量氮、磷、鉀和秸稈配合施用對(duì)土壤物理、化學(xué)性質(zhì)及玉米產(chǎn)量的影響，旨在明確化肥與有機(jī)物料配合施用的最佳用量，對(duì)于指導(dǎo)合理施肥，提高肥料利用率等具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地與試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院盆栽試驗(yàn)場(chǎng)（41°49′33′′N，123°32′39′′E），該區(qū)屬溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫8.3℃，全年無霜期165d，年均降水量530～680mm，4-9月有效日照時(shí)數(shù)1 700h，≥10℃有效積溫3 200℃。供試土壤為沖積平原發(fā)育的壤質(zhì)草甸土，土壤基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)24.6g/kg，全氮 0.113%，堿解氮（N）135mg/kg，有效磷（P2O5）17.6mg/kg，速效鉀（K2O）129mg/kg，pH值6.0。

供試玉米品種為鄭單958，供試無機(jī)肥料為尿素（N 46%）、磷酸二銨（N 18%，P2O546%）及氯化鉀（K2O 60%），供試有機(jī)物料為玉米秸稈。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

從2012年開始長期定位試驗(yàn)，采用規(guī)格相同的陶瓷筒（內(nèi)徑20cm，深100cm）。試驗(yàn)設(shè)4個(gè)因素，分別為施氮量（N）、施磷量（P）、施鉀量（K）和秸稈還田量（S），每個(gè)因素3個(gè)水平，采用L9（34）正交設(shè)計(jì)，共9個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，試驗(yàn)因素與水平見表1。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal experiment kg/hm2

陶瓷筒按均勻壟排列，行距為常規(guī)60cm，定苗時(shí)每筒留苗1株，（密度為55 500株/hm2），無機(jī)肥料于播種前一次性施入；有機(jī)物料秸稈連年還田，每年秋季將秸稈粉碎成3cm左右，深翻入20cm的耕層。每年4月末播種，9月末收獲，玉米田間管理按品種特性和種植習(xí)慣進(jìn)行。

1.3 樣品采集及分析

于2017和2018年玉米收獲后采集樣品。取0～20cm耕層土壤用于養(yǎng)分含量測(cè)定，其中采用重鉻酸鉀－濃硫酸外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量，采用水解擴(kuò)散指示劑溶液吸收法測(cè)定堿解氮含量，采用火焰光度法測(cè)定速效鉀含量，采用鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷含量，采用環(huán)刀法測(cè)定0～20cm耕層土壤容重、總孔隙度、毛管孔隙度和田間持水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 17.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，利用直觀分析、方差分析和綜合平衡法等分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。因2年氣候因素相差較小，且試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致，本研究分析2年數(shù)據(jù)均值。

2 結(jié)果與分析

土壤結(jié)構(gòu)及物理性狀的改善、化學(xué)性質(zhì)的提升是玉米產(chǎn)量提高的重要保障。選取有代表性的物理和化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)2年的數(shù)據(jù)觀測(cè)（表2）。

表2 有機(jī)無機(jī)培肥正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)組合及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Design parameter combination of orthogonal test and results of organic-inorganic fertilizer

2.1 有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響

2.1.1 土壤物理性質(zhì)的極差分析 有機(jī)無機(jī)肥配施對(duì)表層土壤物理性狀的影響較大。通過表3中R值的大小可以判斷出4個(gè)因素對(duì)容重的影響順序?yàn)镾＞N＞P＞K，因此最優(yōu)因素水平是N3P2K1S3；對(duì)田間持水量的影響順序?yàn)镾＞K＞N＞P，最優(yōu)因素水平是N1P1K2S3；對(duì)毛管孔隙度的影響順序?yàn)镾＞P＞N＞K，最優(yōu)因素水平是N1P1K2S1；對(duì)非毛管孔隙度的影響順序?yàn)镹＞K＞S＞P，最優(yōu)因素水平是N3P3K2S2。除非毛管孔隙度外，其他指標(biāo)都是以有機(jī)物料秸稈的加入影響最大，說明施用秸稈有利于降低土壤容重，提高田間持水量，增加土壤通透性，改善土壤質(zhì)量。

表3 土壤物理指標(biāo)極差分析Table 3 Range analysis of soil physical indexes

2.1.2 土壤物理性質(zhì)的方差分析 極差分析法簡單明了，但不能分析出不同因素水平下指標(biāo)發(fā)生變異的原因，同時(shí)對(duì)各因素指標(biāo)的影響大小無法給以精確的數(shù)量估計(jì)。方差分析的優(yōu)點(diǎn)在于其考慮了試驗(yàn)指標(biāo)中每個(gè)數(shù)據(jù)的信息，分析結(jié)果精度較高。因此，有必要進(jìn)一步運(yùn)用方差分析法來將因素水平和試驗(yàn)誤差對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響區(qū)分開來考慮，從而判斷出各因素對(duì)指標(biāo)作用的顯著程度。

由表4可知，對(duì)于土壤容重，因素P和K檢驗(yàn)結(jié)果sig.大于0.05，即磷肥和鉀肥的施用對(duì)土壤容重影響不顯著，且這兩個(gè)因素的均方值小于誤差，因此可以不予考慮。N因素sig.=0.040，說明氮肥間差異即在5%水平下對(duì)土壤容重影響顯著。S因素在容重、田間持水量、毛管孔隙度和非毛管孔隙度中的sig.值分別是0.006、0.009、0.049和0.005，說明有機(jī)物料秸稈的施用對(duì)土壤容重、田間持水量和非毛管孔隙度影響極顯著，對(duì)毛管孔隙度影響顯著。

表4 土壤物理指標(biāo)的方差分析Table 4 ANOVA of soil physical indexes

2.2 有機(jī)無機(jī)配施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.2.1 化學(xué)性質(zhì)的極差分析 從表5極差分析R值的大小可以判斷，對(duì)有機(jī)質(zhì)的影響以秸稈和氮肥為主，最優(yōu)因素水平是N3P2K1S2；對(duì)堿解氮的影響以氮肥和秸稈為主，最優(yōu)因素水平是N2P2K3S3；對(duì)有效磷的影響以磷肥和氮肥為主，最優(yōu)因素水平是N2P1K3S2；對(duì)速效鉀的影響以秸稈和磷肥為主，最優(yōu)因素水平是N2P3K3S3。從表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，單施化肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量相差不大，無機(jī)肥配施秸稈的處理土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所增加，尤其是高量氮肥配施秸稈的處理增幅明顯。有機(jī)無機(jī)肥配施使土壤堿解氮和速效鉀養(yǎng)分增加明顯，速效養(yǎng)分的最優(yōu)組合中均以中氮（180kg/hm2）中磷（120kg/hm2）高鉀（150kg/hm2）組合較為合適，再配施有機(jī)物料就能起到營養(yǎng)累積的效果。

表5 土壤化學(xué)指標(biāo)極差分析Table 5 Range analysis of soil chemical indexes

2.2.2 化學(xué)性質(zhì)的方差分析 由表6可知，對(duì)于土壤有機(jī)質(zhì)，因素S的sig.值（0.001）小于0.01，即有機(jī)物料秸稈的施用對(duì)有機(jī)質(zhì)的增加達(dá)到極顯著影響；對(duì)堿解氮的方差分析顯示，因素N和S的sig.值均小于0.01，即氮肥和秸稈對(duì)堿解氮含量在1%水平下影響極顯著。對(duì)于土壤有效磷，因素N和P的sig.值均小于0.05，即氮肥和磷肥對(duì)有效磷含量在5%水平下影響顯著。對(duì)于速效鉀，因素K和S的sig.值分別為0.014和0.009，說明鉀肥用量對(duì)速效鉀含量影響顯著，秸稈用量對(duì)其影響極顯著。

表6 土壤化學(xué)指標(biāo)的方差分析Table 6 ANOVA of soil chemical indexes

2.3 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

2.3.1 產(chǎn)量的極差分析 從產(chǎn)量極差分析結(jié)果（表7）看出，各因素不同水平對(duì)產(chǎn)量的影響大小分別是 N3＞N2＞N1、P3＞P2＞P1、K1＞K2＞K3和 S2＞S3＞S1，由此可得N3P3K1S2是各因素的最優(yōu)組合。根據(jù)R值大小，可以判斷各因素對(duì)產(chǎn)量影響的主次，結(jié)果是N＞P＞K＞S。對(duì)百粒重的影響為K＞P＞N＞S，最優(yōu)組合模式為N2P1K2S2。因此，氮肥的施用對(duì)玉米產(chǎn)量的形成具有最重要的影響，其次是秸稈還田，但是鉀肥對(duì)百粒重的影響更為重要一些。

表7 不同處理玉米產(chǎn)量和百粒重的極差分析Table 7 Range analysis of the maize yields and 100-grain weight of different treatments

2.3.2 產(chǎn)量的方差分析 根據(jù)各因素水平因子和產(chǎn)量數(shù)據(jù)建立方差分析（表8）。通過F測(cè)驗(yàn)結(jié)果及sig.值表明，N因素sig.值＜0.05，說明氮肥間差異即在5%水平下對(duì)玉米產(chǎn)量影響顯著，磷肥、鉀肥和秸稈還田因素sig.值均大于0.05，說明這3個(gè)因素對(duì)玉米產(chǎn)量影響不顯著；各因素對(duì)百粒重的影響均不顯著。

表8 不同處理玉米產(chǎn)量和百粒重的方差分析Table 8 ANOVA of the maize yields and 100-grain weight of different treatments

2.4 各因素不同水平的綜合分析

由于不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)方案不同，因此為找到最佳的參數(shù)，需要通過綜合平衡法進(jìn)一步分析。

N因素：施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量、土壤堿解氮和有效磷含量影響顯著，且最優(yōu)水平均為N2，與表9的綜合平衡法分析結(jié)果一致，因此優(yōu)選N2。P因素：施磷量對(duì)于田間持水量和有效磷在5%水平下影響顯著，且最優(yōu)水平均為P2，綜合平衡分析結(jié)果可選P1或P3，因此從節(jié)約生產(chǎn)成本出發(fā)建議優(yōu)選P1。K因素：通過綜合平衡分析結(jié)果可選K2或K3，但施鉀量對(duì)土壤物理性質(zhì)和產(chǎn)量影響均不顯著，只在5%水平下對(duì)速效鉀含量影響顯著。因此從資源節(jié)約，降低生產(chǎn)成本的角度出發(fā)，建議K因素優(yōu)選較低水平，即K2。S因素：秸稈還田對(duì)土壤物理指標(biāo)和化學(xué)指標(biāo)均達(dá)到了顯著或極顯著影響，應(yīng)選S2或S3，綜合平衡分析，故此優(yōu)選S2。

表9 各因素水平綜合平衡法分析結(jié)果Table 9 Analysis results of comprehensive balance method of each factor level

通過綜合分析可得優(yōu)選方案為N2P1K2S2，即施氮量180kg/hm2，施磷量90kg/hm2，施鉀量120kg/hm2，秸稈還田量為6 000kg/hm2。

3 討論

在農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中，從單因素試驗(yàn)到多因素試驗(yàn)是發(fā)展的必然趨勢(shì)[14]，但多因素試驗(yàn)會(huì)隨著因素和因素水平的增加而呈指數(shù)增加，使試驗(yàn)的工作量和數(shù)據(jù)處理增加巨大的難度，為避免這一實(shí)際問題，保證試驗(yàn)信息量的豐富和準(zhǔn)確，本文運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過對(duì)9個(gè)不同處理的試驗(yàn)結(jié)果分析，將施氮量、施磷量、施鉀量和秸稈還田量相結(jié)合來討論其對(duì)春玉米土壤質(zhì)量及產(chǎn)量的影響，與目前玉米生產(chǎn)中控制因素單一的現(xiàn)狀相比，更能體現(xiàn)不同施肥量與有機(jī)物料的耦合效應(yīng)。

良好的土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)是發(fā)揮土壤生產(chǎn)力的先決條件。土壤結(jié)構(gòu)性差，肥力低，農(nóng)田生態(tài)環(huán)境惡化，會(huì)嚴(yán)重影響糧食的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。鄭信建[15]研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高水稻產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)以及土壤速效養(yǎng)分含量。李榮等[16]研究顯示，秸稈還田配施氮肥可改善耕層土壤容重和孔隙狀況。本試驗(yàn)選取有代表性的土壤理化指標(biāo)，得到相似結(jié)論：有機(jī)物料秸稈的施用對(duì)土壤物理性質(zhì)的改善有極顯著影響，無機(jī)化肥用量對(duì)其影響不顯著，各因素的最佳組合水平不盡相同，但無機(jī)化肥配合秸稈還田可降低表層土壤容重，提高田間持水量，增加土壤孔隙度。有研究表明，秸稈還田對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的腐解、形成與積累均產(chǎn)生積極的影響，秸稈與化肥配施可提高土壤的有機(jī)碳、總氮磷鉀及速效氮磷鉀含量，并降低土壤碳氮比[17]，本試驗(yàn)結(jié)果為有機(jī)物料和氮肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量的變化影響顯著，磷肥、秸稈和鉀肥分別對(duì)有效磷和速效鉀含量影響顯著，各因素的最佳組合水平以中氮（180kg/hm2）中磷（120kg/hm2）高鉀（150kg/hm2）較為合適，可提高土壤養(yǎng)分的累積。連續(xù)19年的長期定位試驗(yàn)表明秸稈還田對(duì)土壤質(zhì)量的影響與增施鉀肥效果相似[18]，但本試驗(yàn)中極差分析結(jié)果選擇高鉀含量，可能與試驗(yàn)?zāi)晗薏婚L，效果沒有完全顯現(xiàn)有關(guān)，可做進(jìn)一步長期研究。

化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中尤其對(duì)作物產(chǎn)量有著巨大的作用。本研究通過對(duì)正交試驗(yàn)9個(gè)處理的產(chǎn)量方差分析得出，施氮量對(duì)玉米產(chǎn)量影響顯著，其次是施鉀量和施磷量，極差分析得出N2P1K2S2是提高玉米產(chǎn)量的最優(yōu)組合模式。適量施用化肥能夠增產(chǎn)，而過量施用不僅引起土壤質(zhì)量下降，還嚴(yán)重影響農(nóng)作物品質(zhì)，造成嚴(yán)重的土壤環(huán)境問題和資源浪費(fèi)[19-21]。本研究表明化肥對(duì)土壤的理化性質(zhì)尤其是土壤物理指標(biāo)影響不顯著，且在產(chǎn)量分析中氮磷中量和高量水平差異不顯著，因此從降低生產(chǎn)成本和節(jié)約資源的角度考慮氮磷鉀因素應(yīng)以中低水平為宜。

4 結(jié)論

各因素不同水平的綜合平衡分析表明，采用施氮量180kg/hm2、施磷量90kg/hm2、施鉀量120kg/hm2及秸稈還田量6000kg/hm2的玉米生產(chǎn)和土壤培肥技術(shù)模式，可對(duì)遼寧中部玉米主產(chǎn)區(qū)可達(dá)到改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤質(zhì)量以及增產(chǎn)增效的最佳效果。