超高量有機肥施用對黃土高原旱作有機田首年玉米生長和產(chǎn)量的影響

吳志遠，馬紅寧，李仁青，尉六良，馬建珍，郭立月，蔣高明,2

(1.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點實驗室，北京 100093;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.大寧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 大寧 042300)

旱作農(nóng)業(yè)是依靠自然降水而基本不進行灌溉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。全球旱作農(nóng)業(yè)面積占耕地總面積的80%以上[1]；我國干旱區(qū)耕地0.67億hm2，占全國耕地面積50%以上[2-4]。黃土高原塬面是典型雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水分短缺和土壤貧瘠限制其耕作生產(chǎn)[5]，加之旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)量低而不穩(wěn)[4]，糧食價格低，農(nóng)民普遍采用大量施入化肥的方式提高農(nóng)作物產(chǎn)量[6]。歷經(jīng)幾十年，化學(xué)農(nóng)業(yè)弊端漸露，突出表現(xiàn)在水土流失嚴重，產(chǎn)量不穩(wěn)定等方面[7，8]。

大量研究發(fā)現(xiàn)，合理使用有機肥，結(jié)合有效的病蟲草害生態(tài)防控技術(shù)發(fā)展有機農(nóng)業(yè)，不僅能保護環(huán)境，還能獲得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟收益，增加農(nóng)民收入[9-11]。合理施用有機肥可改善土壤物理性狀，維持養(yǎng)分含量[12-16]，提高土壤蓄水保水能力[17]，旱作條件下可促進植物根系快速發(fā)育，擴大作物吸收水分和養(yǎng)分的空間，從而提高作物產(chǎn)量[18-23]。加之，黃土高原塬面具有光熱資源豐富、地勢廣闊、土層深厚、病蟲害較少等優(yōu)勢，適合發(fā)展旱作有機農(nóng)業(yè)[24]。

當前，有機肥施用量大多根據(jù)施用化肥的氮量進行換算，年施用量20.8～45 t/hm2為常量，年施用量41.6～90.0 t/hm2為高量[7]，再高的施用量鮮見報道。雖然有人研究了大量施入牛糞對丘陵地區(qū)蘋果園的改良效果，發(fā)現(xiàn)蘋果園一次性施入300 t/hm2牛糞為宜[25]。但黃土高原旱塬地區(qū)與丘陵地區(qū)不同，種植作物也不同，其施肥量還有待研究。蚯蚓-牛糞堆肥被認為是一種優(yōu)質(zhì)的有機肥料[26]，質(zhì)地均勻、表面積大，具有良好的孔性、通氣性和保水性[27-29]，養(yǎng)分高且緩慢釋放[30，31]，理論上可以超高量施入，但其在黃土旱塬區(qū)的施用量及對玉米生長和產(chǎn)量影響還需進行大田試驗研究。

本研究提出的科學(xué)假設(shè)是，在黃土高原旱作農(nóng)區(qū)，一次性施入超高量有機肥能保證土壤養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)，增加土壤蓄水供水能力，緩解旱情，確保旱作玉米正常生長和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。因此首先需要探討的是一次性施入有機肥的最高量及對旱作玉米生長及產(chǎn)量的影響。

本試驗選取廄肥(牛糞)為供試有機肥原料，將其分別經(jīng)常規(guī)堆漚和蚯蚓堆制處理后作為供試肥料，在黃土塬區(qū)有機旱作玉米田進行大田小區(qū)控制試驗，研究牛糞不同處理方式和超高量施用對有機旱作玉米生長和產(chǎn)量的影響，以期為有機旱作農(nóng)業(yè)增施有機肥提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省大寧縣昕水鎮(zhèn)而吉村(110°44′39″E，36°32′14″N)。該村位于黃河岸邊，呂梁山南端，是黃土高原東南部的塬面地區(qū)，屬于暖溫帶半干旱區(qū)，冬春干旱，夏季多雨。年平均降水量536.9 mm，但2019年5—10月(玉米生長季)總降水量僅為325.5 mm(圖1)，年平均日照時數(shù)2 466.7 h，年平均氣溫10.7℃，年平均無霜期212天。土壤為灰褐土，0～20 cm土層pH 值8.27、有機質(zhì)含量 0.92%、全氮0.62 g/kg、速效磷 6.41 mg/kg、速效鉀 113.22 mg/kg。

圖1 山西省大寧縣而吉村2019年5—10月降水量和平均氣溫

1.2 試驗材料

供試玉米品種為潞鑫2號。肥料為常規(guī)堆漚牛糞和蚯蚓-牛糞堆肥，均來自于同一農(nóng)場。常規(guī)堆漚牛糞(MC)的制作方法：將牛糞堆成寬1.5 m、高0.5 m的長方形堆垛，將含水量調(diào)至60%～70%，覆蓋塑料布，每20天進行一次翻堆，處理時間為60天。蚯蚓-牛糞堆肥(VC)的制作方法：將牛糞堆成寬1.5 m、高0.2 m的長方形堆垛，將蚯蚓按照0.5 kg/m2接種到糞堆上，物料水分保持在55%～65%，處理60天后將蚯蚓和物料分開，即得到蚯蚓-牛糞堆肥。常規(guī)堆漚牛糞和蚯蚓-牛糞堆肥養(yǎng)分含量見表1。

表1 牛糞經(jīng)簡單堆漚和蚯蚓處理后養(yǎng)分含量

1.3 試驗設(shè)計

試驗共設(shè) 7個處理。其中，CK：不施肥；MC1：常規(guī)牛糞堆肥90 t/hm2(鮮重，含水量30%左右，以下有機肥均相同)； MC2：常規(guī)牛糞堆肥135 t/hm2；MC3：常規(guī)牛糞堆肥270 t/hm2；VC1：蚯蚓-牛糞堆肥90 t/hm2；VC2：蚯蚓-牛糞堆肥135 t/hm2；VC3：蚯蚓-牛糞堆肥270 t/hm2。隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積為 10.0 m×3.0 m=30 m2，各小區(qū)之間設(shè)置保護行，行寬1.2 m。

將肥料均勻撒開后即進行耕地，耕深25 cm左右。2019年5月20日播種，行距60 cm, 平均株距25 cm。10月18日收獲。整個玉米生長期不灌溉，依靠自然降雨。

1.4 測定指標及方法

出苗率：苗高約2 cm時進行調(diào)查，統(tǒng)計出苗數(shù)，計算出苗率。株高：于7月份在每小區(qū)中間行選擇相連的10株，測定株高并做標記，于10月收獲期再次測量其株高。成熟期地上部干物質(zhì)積累量：玉米成熟后，每小區(qū)選擇3株代表性植株，分莖+葉鞘、葉、苞葉、穗軸、籽粒五部分，105℃殺青30 min后70℃烘干至恒重，測定各部位干物質(zhì)量。考種和產(chǎn)量：收獲期，在小區(qū)中間行連續(xù)取15株玉米進行考種，測其穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、禿頂長、穗長、百粒重，根據(jù)穗粒數(shù)、公頃穗數(shù)及百粒重計算玉米產(chǎn)量。

土壤含水量：玉米收獲期按照S型取樣法將0～20 cm耕層土樣放入鋁盒，稱重后于105℃烘箱烘至恒重，根據(jù)干鮮土重計算土壤含水量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進行處理， SPSS 20軟件One-way ANOVA和LSD法檢驗各處理間差異，用SigmaPlot 10.0軟件制圖，圖表中各處理數(shù)據(jù)均為平均值±標準誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機堆肥處理對玉米出苗率和株高的影響

由圖2A可以看出，牛糞常規(guī)堆肥(MC)和蚯蚓-牛糞堆肥(VC)不同施入量對旱作玉米出苗率影響不同，表現(xiàn)為VC3>VC2>VC1>CK>MC2>MC1>MC3。與不施肥(CK)相比，牛糞常規(guī)堆肥各處理出苗率降低14%～37%，蚯蚓-牛糞堆肥各處理增加0.69%～2.76%。MC3(270 t/hm2)玉米出苗率顯著低于其他處理，而與其同等施肥量的VC3出苗率最高，高于前者64%。

由圖2B看出，玉米生長前期MC3株高顯著低于其他施肥處理，MC1和MC2顯著低于VC2和VC3處理；與CK相比，MC1和MC2株高分別提高2.06%和1.75%，MC3株高降低10%，但與CK差異均未達顯著水平；VC1、VC2和VC3分別比CK高11%、15%和14%，且VC2和VC3與CK差異顯著。收獲期MC1和MC2株高顯著高于CK，其他處理間差異不顯著。

相同時期柱上字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同有機堆肥處理對玉米穗部性狀的影響

由圖3可見，牛糞常規(guī)堆肥處理均提高玉米穗長和穗重，MC1、MC2和MC3穗長分別比CK高6%、13%和15%，穗重分別比CK顯著增加31%、46%和48%。與CK相比，VC3顯著增加穗粗和穗行數(shù)，分別增6%和11%。牛糞常規(guī)堆肥和蚯蚓-牛糞堆肥處理均顯著降低玉米禿尖長，MC處理比CK降低37%～39%，各施肥梯度差異不顯著；蚯蚓-牛糞堆肥處理比CK降低29%～61%，隨著施肥量的增加，禿尖長逐漸縮短，VC3降幅最大。行粒數(shù)處理間無顯著差異，但各施肥處理均高于CK，同等施肥量情況下，牛糞常規(guī)堆肥處理行粒數(shù)高于蚯蚓-牛糞堆肥處理，隨著施肥量增加行粒數(shù)總體呈上升趨勢。

柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 不同有機堆肥處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表2可見，施肥增加玉米百粒重，MC1、MC2、MC3處理分別比CK提高8%、15%和20%；蚯蚓-牛糞堆肥各處理百粒重均高于CK，VC1、VC2與CK差異不顯著，但VC3與CK差異顯著。蚯蚓-牛糞堆肥各處理公頃穗數(shù)均高于牛糞常規(guī)堆肥各處理和CK，并隨施肥量增加而增加，其中VC3公頃穗數(shù)比MC3處理高72%；與CK相比，牛糞常規(guī)堆肥各處理公頃穗數(shù)降低15%～39%。各施肥處理穗粒數(shù)均高于CK但差異不顯著。籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為VC3>VC1>VC2>MC2>MC1>CK>MC3，其中VC1、VC2和VC3分別比CK增加18%、17%和35%；VC3與MC3、CK差異顯著， MC1和MC2分別比CK增加11%和13%，MC3降低19%。

表2 不同有機堆肥處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.4 不同有機堆肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

由圖4可知，除MC3外各施肥處理均明顯增加了地上部總干物質(zhì)量，MC3顯著低于其他各施肥處理；VC3顯著高于CK、MC1和MC3，分別高34%、23%和98%。各處理干物質(zhì)量表現(xiàn)為VC3>VC2 >VC1>MC2>MC1>CK>MC3。與CK相比，MC1和MC2干物質(zhì)量分別提高8%和10%，MC3降低17%，VC1、VC2和VC3分別增加11%、18%和34%，MC1和MC2增幅較低且兩者間差值較小，蚯蚓-牛糞堆肥各梯度處理增幅較大且處理間差值較大。VC1、VC2、MC1、MC2各處理間無顯著差異，但同等施肥量情況下，蚯蚓-牛糞堆肥處理高于牛糞常規(guī)堆肥處理，且隨施肥量增加干物質(zhì)量也呈上升趨勢。通過對各處理莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒五部分干物質(zhì)分配比例進行分析發(fā)現(xiàn)，無論是施肥處理還是CK，各部位干物質(zhì)組分占干物質(zhì)總量的比例處理間無顯著差異。

2.5 不同有機堆肥處理對土壤含水量的影響

由圖5可見，收獲期各施肥處理0～20 cm土壤含水量比CK 高2%～12%，其中VC3含水量最高，說明添加大量蚯蚓-牛糞堆肥能維持一定的蓄水能力。各處理0～20 cm 土層含水量表現(xiàn)為VC3>MC3>VC2>VC1>MC2>MC1>CK，即隨著施肥量的增加土壤含水量也增加，但差異均未達顯著水平。同等施肥量條件下，蚯蚓-牛糞堆肥處理土壤含水量高于常規(guī)牛糞堆肥處理。

圖4 不同有機堆肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

圖5 不同有機堆肥處理對玉米收獲期 0～20 cm土壤含水量的影響

3 討論與結(jié)論

水分和養(yǎng)分是黃土高原地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的兩個關(guān)鍵限制因子，科學(xué)解決土壤水分與養(yǎng)分短缺問題對于黃土高原旱作農(nóng)業(yè)有重要意義。全球氣候變化正在進一步加劇黃土高原地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率[32]，對該地區(qū)糧食產(chǎn)量威脅越來越大[33]。旱作條件下，施用化肥會進一步加劇干旱脅迫，增加旱作玉米減產(chǎn)風險，而有機肥作為一種緩釋性肥料對作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有一定優(yōu)勢。大量研究表明，添加低量有機肥可以改善玉米百粒重、禿尖長度、穗長、穗重、穗粗、穗行數(shù)和穗粒數(shù)等性狀，提高產(chǎn)量[34，35]。2019年試驗地所在地區(qū)干旱較為嚴重，5—10月份總降雨量僅為325.5 mm，當?shù)赜衩灼骄a(chǎn)量為2 846 kg/hm2，較2018年(5 869 kg /hm2)降低51.5%[36]。本試驗各處理較當?shù)仄骄a(chǎn)量增加77%～194%(表2)，其中VC3產(chǎn)量最高，MC3最低。原因是有機肥能夠有效調(diào)節(jié)土壤水分和養(yǎng)分，增加土壤含水量，提高供水能力[37，38]；提高土壤有機碳含量，增加土壤中N、P、K養(yǎng)分和其它作物生長所需要的微量元素[39，40]。說明在黃土高原旱作農(nóng)區(qū)，可一次性超高量施入有機肥，既增加了土壤養(yǎng)分，又增加了土壤蓄水能力，有利于截獲更多的天然降水，從而提高作物產(chǎn)量。

雖然施用常規(guī)牛糞堆肥能夠改善玉米植株生長性狀，提高籽粒產(chǎn)量，但在一定用量范圍內(nèi)效果顯著，超過該用量會造成不利影響。本研究表明，當施入常規(guī)堆漚牛糞270 t/hm2(MC3)時，玉米出苗率、公頃穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)量均明顯低于未施肥處理(表2、圖4)。其原因是施肥量過大，加之播種期干旱、無降雨，導(dǎo)致土壤墑情差，影響了玉米出苗。當出苗率降低10%～15%時，作物產(chǎn)量顯著降低[41-44]。而MC1(90 t/hm2)和MC2(135 t/hm2)除出苗率外其他各項指標和籽粒產(chǎn)量均高于CK，表明在黃土高原有機旱作玉米田，一次性施入常規(guī)牛糞堆肥的量可提高到135 t/hm2。

牛糞經(jīng)過蚯蚓處理后，施肥量達到270 t/hm2時，玉米產(chǎn)量最高(表2)，并且出苗率、禿尖長度、穗粗、穗行數(shù)等性狀都得到改善。原因為牛糞經(jīng)過蚯蚓處理后質(zhì)地均勻，具有良好的孔隙性、通氣性和保水性[27-29]，且含有豐富的有機質(zhì)、腐殖質(zhì)、氮磷鉀和鐵、錳、硼等多種微量元素[30，31]，富含植物生長激素和酶類物質(zhì)，以及微生物活性強[26]，提高旱作玉米出苗率，從而保證產(chǎn)量。VC1(90 t/hm2)和VC2(135 t/hm2)產(chǎn)量也明顯高于CK和MC所有處理，這與Blouin等[45]研究運用Meta分析得出的以牛糞為原料的蚯蚓堆肥增加作物產(chǎn)量的結(jié)論一致。本研究結(jié)果表明，牛糞經(jīng)過蚯蚓堆肥處理后在黃土高原有機旱作玉米田的一次性施肥量可以增加至270 t/hm2。

綜上所述，在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)一次性施肥量，傳統(tǒng)堆漚牛糞可增加至135 t/hm2，蚯蚓-牛糞堆肥可增加到270 t/hm2。但超高量施肥后肥效持續(xù)時間、對土壤污染風險以及種植成本等問題還有待進一步研究。