有機(jī)培肥對(duì)土壤肥力及玉米氮素利用和產(chǎn)量的影響

王秀娟, 解占軍, 韓瑛祚, 婁春榮, 董環(huán), 何志剛

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

合理進(jìn)行土壤培肥是維持和提升土壤肥力水平的主要措施，也是作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的重要保證。在提升耕地土壤肥力的眾多培肥措施中，有效的途徑是有機(jī)物料或者有機(jī)肥料投入，即土壤有機(jī)培肥[1-2]，其對(duì)保證我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展起到重要作用[3]。

施用有機(jī)肥料和秸稈還田是增加土壤碳投入、提高農(nóng)田土壤肥力的直接手段，對(duì)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和改善質(zhì)量有重要作用。據(jù)報(bào)道，秸稈還田可提高關(guān)中平原小麥-玉米輪作體系紅油土中耕層土壤有機(jī)碳含量，且減少氮肥用量30%并未影響小麥和玉米產(chǎn)量[4]；有效降低砂姜黑土土壤容重，提高耕層土壤中硝態(tài)氮的含量[5]；高量秸稈還田(9 000 kg·hm-2)32年可提高華北潮土全氮、全磷和有機(jī)質(zhì)含量，并對(duì)土壤硝態(tài)氮含量具有促進(jìn)作用，增加玉米產(chǎn)量[6]；盆栽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈對(duì)棕壤土有機(jī)碳含量影響不顯著[7]。有機(jī)肥的培肥效果研究顯示，牛糞與化肥配施可顯著提高黃土高原干旱地區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)18.2%[8]。不同用量豬糞提高黑土有機(jī)質(zhì)含量的程度不同，施用低量、中量和高量豬糞分別提高土壤有機(jī)質(zhì)含量7.1%、12.4%和15.7%[9]；豬糞顯著增加紅壤性潴育型水稻土的未保護(hù)游離土壤有機(jī)質(zhì)(soil organic matter，SOM)含量及土壤有機(jī)碳(soil organic carbon，SOC)和全氮(total nitrogen，TN)含量[10]；灰鈣土中連續(xù)5年施用牛糞、羊糞，土壤有機(jī)碳分別以每年 6.61%和 8.97%的增長(zhǎng)率累積增加[11]；牛糞培肥12年土壤有機(jī)質(zhì)含量增幅達(dá)72%，提高了土壤全氮含量和活性氮組分[12]。就同一體系中不同有機(jī)物料的培肥效應(yīng)，一些學(xué)者做了相應(yīng)研究，結(jié)果表明，牛糞在促進(jìn)蘇打鹽土有機(jī)質(zhì)累積方面效果優(yōu)于生物炭和玉米秸稈[13]；豬圈肥配施化肥在提高華北平原土壤全氮含量方面優(yōu)于化肥配施作物秸稈[14]；中顆粒玉米秸稈增加原生鹽堿地土壤腐殖質(zhì)含量，提高各結(jié)合形態(tài)腐殖質(zhì)含量的效果優(yōu)于羊糞[15]；在低產(chǎn)黃泥田，不同有機(jī)物料培肥效果表現(xiàn)為秸稈優(yōu)于豬糞[16]；孫凱等[17]研究認(rèn)為，秸稈和有機(jī)糞肥的培肥效果與種植模式有關(guān)，在小麥季旋耕-玉米季深松模式下，玉米秸稈的土壤有機(jī)碳提高效果優(yōu)于牛糞，而在小麥季深松-玉米季免耕模式下，牛糞的效果優(yōu)于秸稈?？梢?jiàn)，不同有機(jī)物料的土壤培肥效果因氣候、土壤類型以及耕作制度等環(huán)境條件的不同而存在差異。東北地區(qū)玉米長(zhǎng)期連作，淺耕旋耕作業(yè)，化肥施用量大，忽視有機(jī)物料投入，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)退化、耕性變差。同時(shí)我國(guó)的氮肥利用率較低，僅為35%，而玉米氮肥利用效率僅為26%左右[18]?；诖耍狙芯吭谶|寧北部旱作條件的棕壤區(qū)開(kāi)展田間試驗(yàn)，研究不同有機(jī)培肥對(duì)土壤肥力及氮肥利用率的影響，為該地區(qū)的土壤培肥方式和氮肥合理施用選擇提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于遼寧省鐵嶺市鐵嶺縣蔡牛鎮(zhèn)，屬中溫帶亞濕潤(rùn)季風(fēng)大陸性氣候，雨熱同季。全年日照為2 700 h左右，年平均氣溫6.3 ℃，無(wú)霜期150 d; 年降雨量為500～700 mm，主要集中在6—9月。試驗(yàn)土壤為棕壤，耕層土壤的有機(jī)質(zhì)含量為15.3 g·kg-1，全氮含量為1.04 g·kg-1、堿解氮含量為123 mg·kg-1，全磷含量為0.40 g·kg-1、有效磷含量為20.9 mg·kg-1，全鉀含量為16.3 g·kg-1、有效鉀含量為108 mg·kg-1，pH 6.0，容重為1.364 g·cm-3。

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為‘鐵研58’，供試肥料為復(fù)合肥(26% N、11% P2O5、11% K2O，黑龍江沃豐肥業(yè)有限公司)、尿素(46% N，北方華錦化學(xué)工業(yè)股份有限公司)、磷酸氫二銨(18% N、46% P2O5，中農(nóng)集團(tuán)控股股份有限公司)，過(guò)磷酸鈣(12% P2O5，秦皇島市撫寧化學(xué)工業(yè)有限公司)、硫酸鉀(50% K2O，盤(pán)錦恒興化工有限責(zé)任公司)。牛糞(38.8% C，當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖場(chǎng)堆腐牛糞)，玉米秸稈(43.1% C，當(dāng)?shù)胤N植的玉米秸稈，粉碎后還田)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，共設(shè)8個(gè)處理，分別為不施氮肥對(duì)照(P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T1)、牛糞+不施氮肥(牛糞10 000 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T2)、秸稈還田+不施氮肥(秸稈9 000 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T3)、常規(guī)氮肥(N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T4)、牛糞+常規(guī)氮肥(牛糞10 000 kg·hm-2、N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T5)、牛糞+減氮15%(牛糞10 000 kg·hm-2、N 178.5 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T6)、秸稈還田+常規(guī)氮肥(秸稈9 000 kg·hm-2、N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T7)、秸稈還田+減氮15%(秸稈9 000 kg·hm-2、N 178.5 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T8)。小區(qū)面積36 m2，長(zhǎng)10 m、寬3.6 m，3次重復(fù)。2018年4月播種，9月收獲，傳統(tǒng)壟作栽培，種植密度為60 000株·hm-2，肥料在播種時(shí)一次性施入，牛糞和玉米秸稈還田于2017年秋季進(jìn)行，深度為30 cm，牛糞與玉米秸稈進(jìn)行等碳量還田。其他管理按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)方式進(jìn)行。

1.4 樣品采集與指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)實(shí)施前采集0—20 cm耕層土壤，多個(gè)采集點(diǎn)混成一個(gè)土壤樣品，測(cè)定土壤堿解氮、有效磷、有效鉀、全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)、pH等指標(biāo)。收獲期，每個(gè)小區(qū)采用五點(diǎn)混合取樣法，采集0—20 cm耕層土壤，測(cè)定土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量。收獲期每個(gè)小區(qū)選取中間2壟進(jìn)行測(cè)產(chǎn)(面積為12 m2)，測(cè)定玉米鮮穗質(zhì)量、秸稈鮮基質(zhì)量，每個(gè)樣區(qū)取10株玉米曬干考種。曬干后10穗玉米進(jìn)行人工脫粒，測(cè)定玉米籽粒干重，測(cè)定10株玉米秸稈干重，最后折算單位面積的籽粒產(chǎn)量(按14%含水量計(jì)算)和玉米秸稈風(fēng)干產(chǎn)量。選取玉米籽粒和秸稈樣品測(cè)定氮含量。指標(biāo)測(cè)定按常規(guī)分析方法[19]。土壤堿解氮測(cè)定用堿解擴(kuò)散法；土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有效鉀采用NH4OAc浸提，火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤全氮測(cè)定采用半微量開(kāi)氏法；土壤全磷采用NaOH熔融，鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全鉀用NaOH 熔融，火焰光度計(jì)法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱法；pH采用2.5:1水土比(質(zhì)量體積比)浸提，PHS-3E酸度計(jì)(雷磁)測(cè)定。植物全氮用H2SO4-H2O2消煮，半微量開(kāi)氏法測(cè)定。

1.5 氮肥利用指標(biāo)計(jì)算公式

氮肥表觀利用率(apparent nitrogen use efficiency, NUE)=(施氮區(qū)氮素累積量-不施氮區(qū)氮素累積量)/施氮量×100%

氮肥偏生產(chǎn)力(partial factor productivity of applied N，PFPN)=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量

氮素收獲指數(shù)(nitrogen harvest index，NHI)=籽粒吸氮量/總吸氮量×100%

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理分析，采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析，多重比較采用Duncan法。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)培肥對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量的影響

土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量結(jié)果(表1)可知，不同處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量存在差異。與T1相比，其他處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高。與T4比較，玉米秸稈還田各處理(T3、T7、T8)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均有提高，其中T7和T8處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別達(dá)到18.9和18.7 g·kg-1，比T4顯著提高12.68%和11.07%，T3與T4處理沒(méi)有顯著差異。施用牛糞各處理(T2、T5、T6)的土壤有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于T4處理，T2、T5和T6處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量分別達(dá)到23.6、24.6和23.5 g·kg-1，比T4分別顯著提高40.48%、46.43%和39.88%。施用牛糞處理(T2、T5、T6)的土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于秸稈還田處理(T3、T7、T8)。減氮處理(T6、T8)的有機(jī)質(zhì)含量分別與相應(yīng)全氮施用處理(T5、T7)間并無(wú)顯著差異，表明本研究條件下，減氮15%并未影響土壤中的有機(jī)質(zhì)含量。

表1 不同處理下土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量

2.2 有機(jī)培肥對(duì)玉米氮素吸收利用的影響

不同處理的玉米氮素吸收利用指標(biāo)結(jié)果(表2)顯示，玉米的氮素總積累量在105～190 kg·hm-2之間。不施氮肥處理(T1、T2、T3)的玉米氮素總積累量較低，分別較T4處理顯著降低38.02%、35.37%和36.40%。T5、T6、T7、T8處理的氮素總積累量較T4處理顯著增加11.43%、10.43%、2.50%和2.19%。

表2 不同處理對(duì)玉米氮素吸收和利用率的影響

不同處理的氮肥表觀利用率在30.91%～43.75%之間。T4處理的氮肥表觀利用率最低，為30.91%；T6、T5和T8處理的氮肥表觀利用率分別為43.75%、38.00%和37.85%，分別比T4處理顯著提高12.94%、7.09%和6.94%，T7處理與T4處理間無(wú)顯著差異。氮肥偏生產(chǎn)力在30.22～35.97 kg·kg-1之間，T6和T8處理的氮肥偏生產(chǎn)力分別較T4處理顯著提高19.03%和17.24%；T5和T7處理的氮肥表觀利用率與T4處理無(wú)顯著差異。不同處理的氮素收獲指數(shù)在44.56%～49.74%之間，與T4處理相比，各處理的氮肥收獲指數(shù)均未發(fā)生顯著變化，但T8處理的氮肥收獲指數(shù)顯著高于T6處理。

2.3 有機(jī)培肥對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

由表3可知，不同處理對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量的影響不同。T4處理的籽粒產(chǎn)量為6 346.4 kg·hm-2。與T4相比，T1、T2、T3處理的玉米籽粒產(chǎn)量分別顯著下降9.90%、5.40%和6.89%。T5和T7處理的籽粒產(chǎn)量分別為6 731.7和6 546.0 kg·hm-2，分別比T4顯著增加6.07%和3.15%；T6和T8處理的籽粒產(chǎn)量與T4處理無(wú)顯著差異。

表3 不同處理下玉米籽粒和秸稈產(chǎn)量

T4處理的玉米秸稈產(chǎn)量為9 631.5 kg·hm-2。T1、T2、T3處理的玉米秸稈產(chǎn)量較T4處理分別顯著下降40.51%、38.32%和36.59%；T5和T6處理的秸稈產(chǎn)量分別為10 608.2、10 608.8 kg·hm-2，均較T4處理顯著增加10.15%，T7和T8處理的秸稈產(chǎn)量與T4處理差異不顯著。可見(jiàn)，從籽粒產(chǎn)量來(lái)看，T5和T7處理的效果最佳。

3 討論

3.1 有機(jī)培肥可顯著提高土壤肥力

有機(jī)碳能改善土壤的物理、化學(xué)和生物特性，在植物養(yǎng)分循環(huán)中起著重要作用, 是衡量土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。秸稈還田能夠增加土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量[20]。小麥和玉米輪作體系中的土壤有機(jī)質(zhì)含量與施入土壤的牛糞數(shù)量呈顯著正相關(guān)[21]。本研究表明，玉米秸稈還田和施用牛糞均可提高土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量，秸稈還田處理可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量11.07%～12.68%，施用牛糞可提高土壤有機(jī)質(zhì)含量39.88%～46.43%。秸稈還田處理可提高土壤全氮含量12.79%～15.68%，施用牛糞可提高土壤全氮含量17.57%～21.35%。施用牛糞的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量均優(yōu)于秸稈還田。在灰鈣土中化肥配施牛糞、羊糞處理的年平均有機(jī)碳累積遞增幅度可達(dá) 9.71%[11]；梁路等[8]研究表明，化肥與牛糞配合施用可提高0—20 cm耕層土壤的18.2%有機(jī)質(zhì)含量，提高27.4%全氮含量，均與本研究結(jié)果相似。張華艷等[22]研究表明，與秸稈不還田相比，秸稈還田后土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了10.65%，全氮含量增加了18.68%，有機(jī)質(zhì)含量的增加值與本研究類似，而全氮含量的增加值低于本研究結(jié)果，可能與秸稈還田量、土壤類型和作物類型等差異相關(guān)。秸稈還田后，經(jīng)過(guò)微生物的一系列腐解過(guò)程，土壤水熱狀況發(fā)生了改善，進(jìn)一步促進(jìn)了秸稈的分解，進(jìn)而增加了土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量[23-24]。本研究還發(fā)現(xiàn)，減氮處理的土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量分別與相應(yīng)全氮施用處理之間不存在顯著差異，表明本研究條件下，減施氮肥15%并未影響土壤肥力。

3.2 有機(jī)培肥提高玉米氮素吸收利用效率

研究表明, 有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配合施用有利于提高作物產(chǎn)量和氮肥利用效率[25-26]。本研究表明，與常規(guī)氮肥相比，玉米秸稈和牛糞與化肥配施處理的玉米氮素總積累量明顯增加，氮肥表觀利用率和偏生產(chǎn)力顯著提高，尤其是減氮15%處理更為顯著。主要原因可能是施用有機(jī)肥增加了土壤碳源，增加了根系生物量及根系分泌物，促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖，使土壤微生物生物量碳、氮及土壤養(yǎng)分含量增加，有利于土壤氮的協(xié)調(diào)供應(yīng)，從而提高了氮素利用效率[27]。秸稈還田改善了土壤環(huán)境，增加了微生物的活性和數(shù)量，進(jìn)而減少了氮素?fù)p失[28-30]。過(guò)量施肥會(huì)導(dǎo)致肥料利用率過(guò)低[31]，這可能是減氮15%處理的氮肥利用效率更高的主要原因。

3.3 有機(jī)培肥增加玉米產(chǎn)量

已有研究表明，增施牛糞可以提高水稻產(chǎn)量7.98%[32]，牛糞與化肥配施第一年提高夏玉米產(chǎn)量3.45%，第二年提高5.83%[33]，長(zhǎng)期有機(jī)培肥顯著影響玉米產(chǎn)量[34]，秸稈還田與化肥配合施用平均提高玉米、小麥和水稻產(chǎn)量達(dá)7.0%[35]，提高大麥、小麥和玉米產(chǎn)量達(dá)6%[36]。本研究發(fā)現(xiàn)，牛糞與化肥配施可提高玉米籽粒產(chǎn)量6.07%，化肥與玉米秸稈配施可提高玉米籽粒產(chǎn)量3.15%，且氮肥減量15%，玉米籽粒產(chǎn)量與常規(guī)氮肥無(wú)顯著差異，這與已有研究結(jié)果一致。原因是有機(jī)肥和秸稈還田能補(bǔ)充土壤養(yǎng)分，有機(jī)肥無(wú)機(jī)肥配施既可保證土壤長(zhǎng)期的氮素供應(yīng)，又可保證作物短期內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)需求，較好地滿足了玉米生長(zhǎng)發(fā)育期間對(duì)氮素的養(yǎng)分需求，提高了氮素利用效率，從而提高了玉米產(chǎn)量。因此，建議生產(chǎn)中有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配合施用，增加秸稈還田，并適量減少無(wú)機(jī)氮肥的施用。