不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)玉米生長(zhǎng)及水分利用效率的影響

陳 倩，謝軍紅，李玲玲，王林林，周永杰，李景潤(rùn)，謝麗華，王進(jìn)斌

(1.甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育最重要的元素之一[1]，氮肥的施用有利于保障糧食安全，但不合理的氮肥施用量和施用方法必然會(huì)引起環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題，進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在長(zhǎng)期重施化肥、偏施氮肥，輕施有機(jī)肥和不施有機(jī)肥的現(xiàn)象，造成土壤板結(jié)、有機(jī)質(zhì)含量下降、肥力水平降低，從而影響糧食作物的可持續(xù)生產(chǎn)及水肥資源集約化利用[3-4]。因此，合理施氮一直是農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

黃土高原地區(qū)旱地農(nóng)田總面積約為6.4×106hm2，是我國(guó)重要的旱作農(nóng)業(yè)區(qū)之一[5]。降水是中國(guó)西北旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)水資源的唯一來(lái)源[6]，水資源不足、嚴(yán)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，影響作物產(chǎn)量和水分利用效率[7-9]。增加土壤有效貯水、提高作物生產(chǎn)力是旱作農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期攻關(guān)的重點(diǎn)和難點(diǎn)[10-11]。近年來(lái)，大面積推廣應(yīng)用的全膜雙壟溝播玉米種植技術(shù)，因其增產(chǎn)效果顯著和水分利用效率提高而備受青睞[12-14]，但長(zhǎng)期單一施氮造成的土壤質(zhì)量與可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題引起科學(xué)界廣泛關(guān)注，同時(shí)，當(dāng)前國(guó)家正在開展化肥使用量零增長(zhǎng)行動(dòng)，農(nóng)業(yè)部從2015年開始率先在玉米等作物上開展化肥減量增效試點(diǎn)[15]，隨之，開始了有機(jī)肥替代化肥理論研究，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。研究表明，合理比例有機(jī)肥替代化肥能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，提高作物產(chǎn)量，提升肥料利用率[16]；張緒成等[17]發(fā)現(xiàn)氮肥減量50%和25%均能顯著提高全膜覆蓋壟溝馬鈴薯產(chǎn)量和水分利用效率；有機(jī)肥與無(wú)機(jī)肥配施不僅能夠提高土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分含量，穩(wěn)定增加作物產(chǎn)量，還能夠提高土壤水分利用率，起到“以肥調(diào)水”的作用[18]。然而，黃土高原半干旱區(qū)肥力水平低下，開展大規(guī)模的化肥減量有一定的局限性，通過(guò)有機(jī)氮替代無(wú)機(jī)氮降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)化肥的依賴是一項(xiàng)可行的農(nóng)業(yè)措施，目前，對(duì)于旱作全膜雙壟溝播玉米等氮投入條件下有機(jī)肥替代化肥的研究相對(duì)較少，因此，本試驗(yàn)依托定位試驗(yàn)探索全膜雙壟溝播玉米有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥的產(chǎn)量及水分利用機(jī)制，以期為黃土高原半干旱地區(qū)玉米提質(zhì)增效提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年10月—2019年11月在甘肅省定西市甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站(104°36′E,35°35′N)進(jìn)行，該地位于甘肅省中部偏南，屬中溫帶半干旱區(qū)。平均海拔2 000 m，年均太陽(yáng)輻射592.85 kJ·cm-2，日照時(shí)數(shù)2 476.6 h，年均氣溫6.4℃，≥0℃積溫 2 933.5℃，≥10℃積溫2 239.1℃，無(wú)霜期140 d。多年平均降水量399.3 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，干燥度2.53，是典型的半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。2018年和2019年降水量分別為472.1 mm和491.6 mm (表1)。試驗(yàn)地土壤為黃綿土，土層深厚，質(zhì)地均一，其0～20 cm土層土壤容重平均為1.17 g·cm-3，凋萎含水率7.3%，飽和含水率28.6%，pH值8.36，耕層土壤有機(jī)質(zhì)11.92 g·kg-1，全氮0.78 g·kg-1，全磷1.81 g·kg-1。

表1 2018、2019年玉米不同生長(zhǎng)階段降水量/mm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究依托2016年甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)旱作農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站布設(shè)的定位試驗(yàn)。在等氮(200 kg·hm-2)條件下，采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以不施肥為對(duì)照，設(shè)置了5個(gè)不同的有機(jī)肥替代氮肥比例(表2)，共6個(gè)處理，3次重復(fù)，18個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積37.4 m2(8.5 m×4.4 m)。采用全膜雙壟溝播種植技術(shù)，供試玉米品種為‘先玉335’，密度為5.25萬(wàn)株·hm-2；供試的‘巧農(nóng)牌’商品有機(jī)肥由甘肅省鴻遠(yuǎn)生物科技有限公司研制，該肥料以牛糞為主要原料制成，有機(jī)質(zhì)含量>46%，N、P2O5、K2O含量分別為3.3%、1.0%和0.7%。除不施肥對(duì)照外，各處理施肥量為：純N 200 kg·hm-2，由尿素(含N 46%)+商品有機(jī)肥提供；P2O5用量為150 kg·hm-2，由過(guò)磷酸鈣(P2O512%)提供，K2O以F50M50處理投入商品有機(jī)肥含有K2O的量為投入標(biāo)準(zhǔn)，其余處理不足部分用氯化鉀(KCI 60%)補(bǔ)充調(diào)平。氮肥施肥按基肥∶拔節(jié)肥∶大喇叭口肥為5∶3∶2分三次施用。所有商品有機(jī)肥、磷肥和部分氮肥作基肥深施。

表2 不同處理下的養(yǎng)分來(lái)源及投入/(kg·hm-2)

1.3 田間操作及管理

為防止冬季土壤失墑，試驗(yàn)在2017年玉米收獲后將秸稈收割并移除農(nóng)田，不揭膜，土壤免耕，翌年土壤解凍后，人工回收殘膜，按施肥方案施入基肥，旋耕并用全膜雙壟溝播起壟機(jī)起大小雙壟(大壟：壟高15 cm，壟寬70 cm；小壟：壟高20 cm，壟寬40 cm)，用寬140 cm、厚0.01 mm的白色地膜全地表覆蓋，溝內(nèi)每隔1 m扎滲水孔1個(gè)，保證降水的有效入滲。2018年5月1日在溝內(nèi)按35 cm的株距，每穴兩粒播種玉米，及時(shí)間苗，于拔節(jié)期和大喇叭口期追施氮肥，使用手持追肥器穴施于兩株玉米中間，深度為6～7 cm，病蟲草害及其他管理同一般高產(chǎn)田，10月上旬收獲玉米，2019年的方案同2018年。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 產(chǎn)量 籽粒產(chǎn)量在玉米收獲期每小區(qū)單獨(dú)收獲，待晾曬至籽粒可以順利脫離穗軸時(shí)，進(jìn)行脫粒并測(cè)定籽粒含水量，以含水率14%為安全儲(chǔ)藏水分，折算公頃產(chǎn)量。

1.4.2 土壤含水量 測(cè)定玉米整個(gè)生育時(shí)期土壤含水量，測(cè)定層次為0～5、5～10、10～30、30～50、50～80、80～110、110～140、140～170、170～200 cm，共9個(gè)層次，其中0～30 cm用土壤烘干法測(cè)定，30～200 cm用時(shí)域反射土壤水分傳感器(TRIME-PICO IPH/T3,IMKO GmbH, Ettingen, Germany)測(cè)定。

土壤烘干法測(cè)定計(jì)算公式為：

W(%)=[(W1-W2)/W2]×100%

式中，W1為土壤鮮樣重(g)，W2為土壤干樣重(g)。計(jì)算土壤貯水量時(shí)需將土壤質(zhì)量含水量換算為體積含水量，換算公式為：

V=W×D

式中,V為土壤體積含水量(%)，W為土壤重量含水量(%)，D為土壤容重(g·cm-3)。

1.4.3 作物耗水量 作物耗水量用農(nóng)田水分平衡法計(jì)算。由于試驗(yàn)小區(qū)平整、試驗(yàn)區(qū)未產(chǎn)生深層滲漏和地下水補(bǔ)給，因此，適用于計(jì)算本試驗(yàn)的作物耗水量的計(jì)算公式為：

ET=(W1-W2)+P

式中，ET為作物耗水量(mm)，W1、W2分別為播前和收獲時(shí)0～200 cm土層的土壤貯水量(mm)，P為玉米生育期降水量(mm)。

階段耗水量(ETi，mm)的計(jì)算公式為：

ETi=SWSi-SWSi+1+Pi

式中，ETi為階段耗水量(mm)，SWSi為某個(gè)生育初期0～200 cm土層的土壤貯水量(mm)，SWSi+1為該生育階段結(jié)束時(shí)0～200 cm土層的的土壤貯水量(mm)[19]，Pi為該階段的降水量(mm)。

1.4.4 水分利用效率 水分利用效率(WUE)為作物消耗單位水量生產(chǎn)出的籽粒產(chǎn)量，其計(jì)算公式為：

WUE=Y/ET

式中，WUE為水分利用效率(kg·hm-2·mm)，Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，ET為作物全生育期的耗水量(mm)。

降水利用效率的計(jì)算公式為：

RUE=Y/P

式中,RUE為降水利用效率(kg·hm-2·mm)，Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，P為生育期降水量(mm)。

玉米耗水強(qiáng)度的計(jì)算公式為:

Rw=ET/D

式中，Rw為耗水強(qiáng)度(mm·d-1)；ET為耗水量(mm)；D為生育時(shí)段(d)。

1.4.5 收獲指數(shù) 收獲指數(shù)計(jì)算公式為：

HI=Y/B

式中，HI為收獲指數(shù)，Y為籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，B為地上部生物量(kg·hm-2)。

1.4.6 土壤貯水量 土壤貯水量計(jì)算公式為：

W=(∑Vi×Hi×10)/100

式中,W為土壤貯水量(mm)，Vi為土壤某一層次體積含水量(%)，Hi為土層厚度(mm)，i為土壤層次。

1.4.7 地上部生物量 地上部生物量以玉米收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)取30株稱其干重，最后折算成公頃產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)、圖表進(jìn)行處理，采用Sigmaplot 12.5作圖，采用SPSS(PASWStatistics18)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用LSD進(jìn)行多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同比例有機(jī)肥替代化肥水平全膜雙壟溝播玉米土壤含水量的空間分布

2018年、2019年玉米各生育時(shí)期土壤含水量如圖1所示。2018年，與F0M0處理相比，F(xiàn)50M50處理成熟期0～5、50～80 cm土層和灌漿期110～140 cm土層平均土壤含水量降低18.0%；與F100M0處理相比，F(xiàn)50M50處理成熟期10～30 cm和播前50～110 cm土層平均土壤含水量降低16.7%。2019年，與F0M0處理相比，F(xiàn)50M50處理平均土壤含水量顯著降低10.8%，F(xiàn)87.5M12.5處理平均土壤含水量顯著降低7.7%；其他處理無(wú)顯著差異。

2.2 不同比例有機(jī)肥替代化肥全膜雙壟溝播玉米土壤貯水量的動(dòng)態(tài)變化

如圖2所示，2018年和2019年0～200 cm土層土壤貯水量存在顯著差異，且處理間的差異2018年大于2019年。2018年，與其余處理相比，F(xiàn)50M50處理全生育時(shí)期0～200 cm土層土壤貯水量最低；與F0M0處理相比，F(xiàn)100M0處理灌漿期和成熟期0～200 cm土層土壤貯水量分別降低6.6%和7.9%，F(xiàn)75M25和F87.5M12.5處理灌漿期和成熟期0～200 cm土層土壤貯水量下降9.3%、14.9%和10.6%、13.5%；與F100M0處理相比，F(xiàn)75M25和F87.5M12.5處理灌漿期和成熟期0～200 cm土層土壤貯水量分別下降2.9%、8.8%和3.0%、6.1%。2019年，與其余處理相比，F(xiàn)50M50處理大喇叭口期0～200 cm土層土壤貯水量最低；與F0M0處理相比，F(xiàn)50M50處理大喇叭口期0～200 cm土層土壤貯水量降低15.4%；與F100M0處理相比，F(xiàn)50M50處理大喇叭口期0～200 cm土層土壤貯水量降低9.1%。

2.3 不同處理玉米的階段耗水量和耗水強(qiáng)度

如表3所示，與F0M0處理相比，2018年不同比例有機(jī)肥替代化肥處理播種期～拔節(jié)期耗水量差異顯著；與F100M0處理相比，F(xiàn)50M50和F62.5M37.5處理大喇叭口期～灌漿期耗水量降低53.3%和45.8%，F(xiàn)50M50和F0M0處理灌漿期～成熟期耗水量增加41.1%和29.7%。2019年，與F0M0處理相比，F(xiàn)50M50播種期～拔節(jié)期耗水量增加26.4%；與F87.5M12.5處理相比，F(xiàn)50M50播種期～拔節(jié)期耗水量增加31.9%；與F100M0處理相比，F(xiàn)50M50和F62.5M37.5處理拔節(jié)期～大喇叭口期耗水量分別減少49.8%和81.2%。

表3 2018年、2019年不同處理下各生育時(shí)期階段耗水量和耗水強(qiáng)度的變化

2.4 不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)全膜雙壟溝播玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

由表4知，年份對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)影響顯著，不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量和地上部生物量影響顯著，不同比例有機(jī)肥替代化肥及年份的交互作用對(duì)玉米收獲指數(shù)影響顯著。2018年的籽粒產(chǎn)量較2019年提高36.3%，地上部生物量降低18.2%，收獲指數(shù)增加61.5%。兩個(gè)年度有機(jī)肥替代化肥處理與單施化肥處理籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，顯著高于對(duì)照處理，增產(chǎn)率分別為46.7%～72.3%和146.8%～290.7%。此外，2019年F50M50處理的籽粒產(chǎn)量較F87.5M12.5處理降低26.7%。兩個(gè)年度有機(jī)肥替代比例12.5%～37.5%處理地上部生物量無(wú)顯著差異，與對(duì)照處理相比增加34.8%～59.9%和208.5%～343.6%；收獲指數(shù)無(wú)顯著差異。

表4 不同施肥處理對(duì)玉米地上部生物量、籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)的影響

2.5 不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)全膜雙壟溝播玉米耗水量和水分利用率的影響

如表5所示，年份對(duì)全膜雙壟溝播玉米水分利用效率和降水利用效率影響顯著，不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)2018年、2019年水分利用效率和降水利用效率影響顯著。與F0M0處理相比，2018年施肥處理耗水量增加17.5%～38.6%，其中F100M0處理耗水量顯著增加38.6%。與F0M0處理相比，施肥處理水分利用效率增加11.5%～30.4%，其中F62.5M37.5和F87.5M12.5顯著增加27.3%和23.6%，各處理降水利用效率無(wú)差異。與F0M0處理相比，2019年不同比例有機(jī)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 不同處理下玉米的耗水量和水分利用效率的變化

2.6 不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)全膜雙壟溝播玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表6所示，與2019年相比，2018年籽粒產(chǎn)值增加21.2%，秸稈產(chǎn)值降低36.6%，總產(chǎn)值和產(chǎn)投比降低4.9%和2.7%。2018年，F(xiàn)75M25和F87.5M12.5處理的總產(chǎn)值、產(chǎn)投比接近F100M0，分別較F0M0處理增加57.2%、65.6%和14.5%、29.1%；施肥處理較F0M0處理總投入增加19.4～54.0%，總產(chǎn)值增加31.9%～68.9%。2019年，F(xiàn)62.5M37.5和F87.5M12.5處理的總產(chǎn)值和產(chǎn)投比分別較F0M0處理顯著增加268.9%、327.07%和155.0%和230.0%；F87.5M12.5處理較F100M0總產(chǎn)值和產(chǎn)投比增加15.5%、7.8%。

表6 不同施肥處理對(duì)玉米經(jīng)濟(jì)效益的影響

3 討 論

3.1 不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)玉米產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的影響

科學(xué)的氮肥管理措施和全膜雙壟溝播技術(shù)對(duì)保障隴中干旱地區(qū)糧食增產(chǎn)有重要影響。增施有機(jī)肥有助于改善作物氮素營(yíng)養(yǎng)，減少氮素?fù)p失[20]。王斌[21]的研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥配施與減量?jī)?yōu)化平衡施肥在穩(wěn)產(chǎn)的同時(shí)能提高氮素利用率，提升土壤可持續(xù)生產(chǎn)能力。雖然施用有機(jī)肥增加了生產(chǎn)投入，但有機(jī)肥與化肥配施條件下，合理的氮磷鉀配比有助于改善作物營(yíng)養(yǎng)[22]，在產(chǎn)量和產(chǎn)投比上能達(dá)到與單施化肥相當(dāng)?shù)男Ч哂休^佳的經(jīng)濟(jì)效益。本試驗(yàn)中，不同比例有機(jī)肥替代化肥措施對(duì)玉米籽粒產(chǎn)量及地上部生物量影響顯著，2個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓鹊慕邓繛?72.1 mm和491.6 mm，均高于多年平均降水量，較多的降水量促進(jìn)了玉米的干物質(zhì)積累，從而獲得較高的籽粒產(chǎn)量和地上部生物量[23]。2018年，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理較F0M0處理表現(xiàn)為增產(chǎn)，較F100M0處理具有穩(wěn)產(chǎn)作用，這可能是增施有機(jī)肥改善了土壤中肥力狀況[24]。2019年后期降水量較多，影響作物的光合作用，使同化物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率降低，導(dǎo)致玉米籽粒產(chǎn)量低于2018年[25]，且F0M0處理籽粒產(chǎn)量下降明顯，由于多年不施肥措施且玉米連續(xù)種植，引起了土壤養(yǎng)分耗竭，影響了玉米生長(zhǎng)對(duì)養(yǎng)分的需求[26]。4個(gè)不同比例有機(jī)肥替代化肥處理玉米的籽粒產(chǎn)量與F100M0處理無(wú)顯著差異，表現(xiàn)出穩(wěn)產(chǎn)作用，而F50M50處理的籽粒產(chǎn)量較F87.5M12.5處理降低了26.7%，說(shuō)明在連續(xù)200 kg·hm-2的氮素投入水平下，適度降低有機(jī)肥比例能獲得較高的產(chǎn)量水平，原因可能是豐水年較高的降水量和土壤貯水量影響了有機(jī)肥添加的效應(yīng)[27]。本試驗(yàn)中，不同比例有機(jī)肥替代化肥處理及年份的交互作用對(duì)玉米收獲指數(shù)有明顯影響，說(shuō)明良好的土壤水分條件和合理比例有機(jī)肥替代化肥能提高玉米干物質(zhì)轉(zhuǎn)化效率，在增加地上部生物量的同時(shí)提高了籽粒產(chǎn)量，這與增施有機(jī)肥改善了氮素供應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)[28]，同時(shí)，較佳的土壤化學(xué)性狀也有利于增產(chǎn)。

3.2 不同比例有機(jī)肥替代化肥對(duì)玉米水分利用效率的影響

隨著基施化肥量增加，作物前期耗水增加，造成了生殖生長(zhǎng)期土壤脫水、脫肥，降低了灌漿期干物質(zhì)積累，進(jìn)而影響籽粒產(chǎn)量和水分利用效率[29]。本試驗(yàn)中，各處理耗水量無(wú)顯著差異，但F87.5M12.5處理籽粒產(chǎn)量較高，使其2018年、2019年水分利用效率較F50M50、F62.5M37.5、F75M25處理分別增加了12.4%、4.5%、5.5%和30.1%、16.2%、39.8%，說(shuō)明合理比例有機(jī)肥替代化肥，協(xié)調(diào)了作物耗水量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，提高了水分利用效率。F100M0處理與不同比例有機(jī)肥替代化肥處理籽粒產(chǎn)量無(wú)顯著差異，但F100M0處理由于較高耗水量致使水分利用效率和降水利用效率低于F87.5M12.5處理。合理比例有機(jī)肥替代化肥能改善土壤水分狀況，本試驗(yàn)中F50M50處理播種期30～50cm土層土壤含水量顯著高于F87.5M12.5處理，拔節(jié)期反而低于F87.5M12.5處理，導(dǎo)致播種期—拔節(jié)期F50M50處理的耗水量及耗水強(qiáng)度顯著高于F87.5M12.5處理，水分利用效率顯著低于F87.5M12.5處理，其原因可能與增施有機(jī)肥增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)[30]。

4 結(jié) 論

在200 kg·hm-2等氮量投入水平下，有機(jī)氮替代無(wú)機(jī)氮能改變土壤水分狀況，協(xié)調(diào)耗水量與籽粒產(chǎn)量的關(guān)系，在不增加玉米耗水量的條件下通過(guò)增產(chǎn)提高水分利用效率和降水利用效率，其中F62.5M37.5和F87.5M12.5處理在同等降水條件下較F0M0處理表現(xiàn)出較佳的籽粒產(chǎn)量、經(jīng)濟(jì)效益和水分利用效率。因此，本研究推薦有機(jī)肥代替氮肥的比例為12.5%～37.5%。