短期化肥減施后玉米產(chǎn)量的響應(yīng)及其驅(qū)動因素分析

劉嬌妹，李騰騰，張運龍*，吳紅慧

（1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102600；2.北京中鐵生態(tài)環(huán)境設(shè)計院有限公司，北京102600；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100193；4.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物營養(yǎng)與施肥重點開放實驗室，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

隨著人口數(shù)量的日益增加，糧食需求持續(xù)上升，為了提高糧食產(chǎn)量，化肥的施用量在逐年增加。有研究發(fā)現(xiàn)，2009年中國化肥的總施用量占比高達世界的35%［1］?；蕦χ袊Z食產(chǎn)量的增加起到了舉足輕重的作用，貢獻率高達55%～57%，但是，化肥施用量的增加以及施用方式的不合理引發(fā)了土壤的質(zhì)量問題，同時對環(huán)境也造成了破壞［2-3］。有機肥施用在我國具有比較悠久的歷史，有機肥是比較全面的肥料，不僅含有植物所必需的大量營養(yǎng)元素，還有豐富的有機養(yǎng)分。此外，作物秸稈儲存一半以上的光合產(chǎn)物，其還田后不僅提供土壤養(yǎng)分，更重要的是將碳元素歸還到土壤中，且我國每年產(chǎn)生的秸稈約占世界秸稈總產(chǎn)量的1/4［4］。李明德等［5］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田與化肥配施可以減少10%～20%的氮、磷、鉀化肥用量。盡管我國有機肥和秸稈資源巨大，但是并未被充分利用，化肥減量配施后有機肥或秸稈既能提高資源的有效利用，又能實現(xiàn)減肥的目的。

目前，關(guān)于化肥減施后配施有機肥或秸稈對作物產(chǎn)量和土壤肥力的研究結(jié)果并不一致。與常規(guī)施用化肥相比，化肥減量配施有機肥后可維持作物的產(chǎn)量不降低［6］。但也有研究發(fā)現(xiàn)，有機肥替代50%化肥后較化肥顯著降低了小麥和玉米的產(chǎn)量［7］。陜西楊凌20年的長期定位試驗證實，有機肥較化肥顯著提高土壤全氮含量46%～55%［8］。農(nóng)傳江等［9］通過3年的田間定位試驗結(jié)果表明，與常規(guī)施用化肥相比，化肥減量20%配施有機肥后顯著提高土壤有機碳15.34%。與化肥相比，有機肥施用后對土壤pH的研究結(jié)果并不一致，有減少土壤pH［10］和維持土壤pH不變［11］2種結(jié)果。與化肥相比，單施有機肥會提高土壤磷素的有效性［12］。黃紹敏等［13］研究發(fā)現(xiàn)，過量施用有機肥會降低磷肥的利用率，進而降低土壤固持外源磷的能力，最終增加磷淋失的風(fēng)險。此外，土壤酶的活性作為一種土壤生物肥力指標被系統(tǒng)廣泛的研究，其與土壤的肥力狀況尤其是養(yǎng)分轉(zhuǎn)化具有顯著的相關(guān)性［14］。在青島市黃島區(qū)開展的試驗表明，秸稈還田處理顯著提高了作物產(chǎn)量，且提高了0～20 cm土層土壤養(yǎng)分含量［15］。劉世平等［16］研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田后較對照平均減產(chǎn)1%左右，這主要與秸稈還田后未補充氮素導(dǎo)致土壤碳氮比失衡有關(guān)。研究表明，秸稈儲存一半以上的碳水化合物，秸稈還田的同時配施氮肥會提高土壤有機碳含量19%［17］。此外，隨著秸稈腐解、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，土壤微生物群體結(jié)構(gòu)和土壤酶活性得到顯著改善［18］，從而保持土壤生產(chǎn)力穩(wěn)定［19］。

雖然我國對化肥減施后配施有機肥或秸稈的研究較多，但多數(shù)學(xué)者研究集中在對作物產(chǎn)量或土壤指標的影響，較少探究施肥條件下作物產(chǎn)量變化的驅(qū)動因素。因此，本文通過在冬小麥-夏玉米典型種植區(qū)華北平原開展的短期定位試驗，探討化肥減施后配施有機肥和秸稈還田對作物產(chǎn)量和土壤養(yǎng)分及酶活性的影響，并分析了產(chǎn)量改變的驅(qū)動因素，旨在為化肥減施提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗條件和試驗設(shè)計

試驗于2010～2016年在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)曲周實驗站（36°42′ N，114°54′ E）開展。該實驗站位于河北省邯鄲市曲周縣（華北平原），屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為13.2℃，年總降水量平均為494 mm，其中全年降水量的56%集中在夏季的7和8月。供試土壤全氮0.9 g·kg-1，有效磷12.01 mg·kg-1，pH 7.24。

試驗于2010年開始，共設(shè)置4個處理，4次重復(fù)，共16個小區(qū)，每個小區(qū)面積為10 m×5 m，各小區(qū)間隔距離1 m，各區(qū)組間隔2 m。試驗處理包括：（1）CK，對照，不施肥；（2）NPK，100%NPK，按照農(nóng)民傳統(tǒng)習(xí)慣施用量和施用方式進行施用，2/5的氮肥、磷肥和鉀肥在玉米播種之前全部施入，3/5的氮肥在大喇叭口期施用。氮肥、磷肥和鉀肥的供肥形態(tài)及用量分別是尿素（N 46%，250 kg·hm-2）、過磷酸鈣（P2O517.5%，45 kg·hm-2）和 硫 酸 鉀（K2O 50%，45 kg·hm-2）；（3）NPKM，70%NPK+牛糞有機肥，牛糞有機肥施用量為3000 kg·hm-2，與NPK處理氮施用量相等；（4）NPKMS，NPKM + 秸稈還田，秸稈被機械粉碎后全量還田。對于NPKM和NPKMS處理來說，有機肥在玉米播種之前采用旋耕機混入土壤0～20 cm土層。供試玉米品種為“鄭單958”，每年6月播種，10月收獲。

1.2 樣品采集及處理

2016年10月在玉米成熟期，每個小區(qū)收獲18.0 m2樣方內(nèi)的玉米穗，按照國際標準玉米產(chǎn)量換算成15.5%水分的標準產(chǎn)量，并調(diào)查公頃穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。利用土鉆于玉米收獲后在每個小區(qū)行間取4個點（0～20 cm），將每個土壤樣品除去植物殘根和石礫等雜物后混勻，采用冰盒保存新鮮土壤樣品。土壤樣品帶回室內(nèi)后，一部分土壤進行風(fēng)干測定土壤基本理化性質(zhì)，一部分土壤保存到-20℃冰箱中用來完成土壤酶活性的測定。

土壤pH測定時土壤和水的比例為1∶2.5，然后使用pH計進行測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化方法測定；土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤酶活性采用比色法測定，其中土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、二硝基水楊酸比色法［20］和磷酸苯二鈉比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理

土壤酶總的活性是用所有測定土壤酶活性的幾何平均值（GMea）來表示［21］：

其中，Urease、Invertase和Phosphatase分別代表脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶。

所有的試驗結(jié)果均表示為平均值±標準差。不同施肥處理間作物產(chǎn)量、土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性的差異通過單因素方差分析進行比較，各施肥處理間差異顯著性分析均采用LSD在0.05水平上進行比較。土壤pH、土壤養(yǎng)分和土壤酶活性對作物產(chǎn)量貢獻通過結(jié)構(gòu)等式方程模型分析。所有的統(tǒng)計分析均使用R 3.6.1進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量組成的影響

由表1可知，與CK相比，施肥處理顯著增加了玉米產(chǎn)量，且NPK、NPKM和NPKMS處理的產(chǎn)量分別增加了49.1%、61.4%和71.9%（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著增加玉米產(chǎn)量，NPKMS顯著增加玉米產(chǎn)量15.3%，NPKM和NPKMS差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理并未顯著改變每公頃的有效穗數(shù)（P＞0.05）。與CK相比，NPKMS處理顯著提高了穗粒數(shù)66.6%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著提高了千粒重13.8%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。

表1 不同施肥處理對玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量組成的影響

2.2 不同施肥處理對土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和pH的影響

不同施肥處理對土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和pH產(chǎn)生了明顯的影響（圖1）。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤全氮含量，NPKM處理和NPKMS處理分別顯著提高了土壤全氮含量40.4%和43.1%，但各施肥處理間土壤全氮含量差異并不顯著。土壤有機質(zhì)含量的變化趨勢與土壤全氮相似，NPK與CK差異不顯著，NPKM和NPKMS較CK分別顯著提高了12.1%和19.9%。與NPK相比，NPKMS顯著提高了土壤有機質(zhì)含量20.6%。與CK相比，各施肥處理顯著提高了土壤有效磷含量（87.1%～102.6%），且各施肥處理間有效磷含量差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著降低了土壤pH 1.9%，NPKM和NPKMS處理未顯著改變土壤pH，且各施肥處理間pH差異不顯著。

圖1 不同施肥處理對土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤pH的影響

2.3 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

不同施肥處理對土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和土壤總酶活性產(chǎn)生了明顯的影響（圖2）。與CK相比，不同施肥處理增加了土壤蔗糖酶的活性（21.5%～90.4%），NPKM、NPKMS處理增加顯著（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著改變土壤蔗糖酶的活性，NPKMS則顯著提高了56.8%。NPKM較NPKM顯著提高土壤蔗糖酶活性32.4%。不同施肥處理顯著提高了土壤脲酶的活性，增幅為27.7%～36.2%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理顯著（NPK處理除外）增加了土壤磷酸酶的活性4.6%～5.5%。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤總的酶活性，NPKM和NPKMS處理則顯著提高了土壤總酶活性（214.4%和300.3%），且不同施肥處理間差異不顯著。

圖2 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.4 玉米產(chǎn)量和土壤指標之間的回歸分析

土壤各指標與玉米產(chǎn)量的回歸分析結(jié)果如圖3所示。玉米產(chǎn)量隨土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤酶活性的升高而顯著升高，且呈顯著正相關(guān)關(guān)系。玉米產(chǎn)量與土壤pH間未表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系。通過構(gòu)建結(jié)構(gòu)等式方程模型分析（圖4a），施肥處理通過改變土壤全氮、土壤有機質(zhì)和有效磷間接影響作物產(chǎn)量。土壤全氮會直接影響作物產(chǎn)量，也會通過影響脲酶活性間接影響作物產(chǎn)量。土壤有機質(zhì)會直接影響作物產(chǎn)量，也會通過影響轉(zhuǎn)化酶活性進而間接影響作物產(chǎn)量。土壤有效磷會直接影響作物產(chǎn)量，也會通過影響磷酸酶活性進而間接影響作物產(chǎn)量。從圖4b可知，土壤有效磷對玉米產(chǎn)量的貢獻最大，土壤蔗糖酶活性次之，其余指標的影響由大到小依次為土壤有機質(zhì)、土壤脲酶活性、磷酸酶活性和土壤全氮。

圖3 玉米產(chǎn)量和土壤指標之間的回歸分析

圖4 土壤指標對玉米產(chǎn)量的貢獻分析

3 討論與結(jié)論

3.1 短期化肥減施對玉米產(chǎn)量的影響

在華北平原地區(qū)，化肥的投入提高了玉米的產(chǎn)量，但同時也會引起氮淋洗，夏季高溫高濕的環(huán)境會加劇氮損失，那么合理的氮肥管理對于減少氮損失和保障糧食安全至關(guān)重要［22-23］。6年的田間試驗結(jié)果表明，化肥減量30%配施有機肥后可維持玉米產(chǎn)量，這可能與有機肥肥效緩慢釋放可滿足玉米后期生長的養(yǎng)分需求有關(guān)［24-25］。白雪純等［26］研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施25%～75%配施有機肥可維持玉米的產(chǎn)量，這與本試驗研究結(jié)果相一致。此外，李孝良等［27］研究發(fā)現(xiàn)，化肥減施40%配施有機肥較單施化肥并不會引起玉米產(chǎn)量的降低。在化肥減量配施有機肥的基礎(chǔ)上進行秸稈還田（NPKMS），則可顯著提高玉米產(chǎn)量，這可能與有機肥和秸稈還田后對土壤肥力產(chǎn)生較大的提升有關(guān)。本研究6年的試驗結(jié)果顯示，NPKMS較NPK處理顯著提高玉米產(chǎn)量8.3%，與閆雷等［28］在黑土上的研究結(jié)果相似。中國有機肥和秸稈資源巨大且并未被充分利用，因此，在減少化肥施用的基礎(chǔ)上合理配施有機肥和秸稈對資源有效利用和糧食增產(chǎn)具有重要的意義。

3.2 短期化肥減施對土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量、pH和酶活性的影響

大量研究表明，有機肥富含有機質(zhì)和養(yǎng)分，添加后可提高土壤有機質(zhì)和養(yǎng)分含量，進而維持或提高土壤地力［29-30］。本研究發(fā)現(xiàn)，有機肥施用6年后顯著提高了土壤全氮的含量，有機肥施用會顯著促進土壤氮素的積累，這與Subehia等［31］研究結(jié)果相一致。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過6年化肥的施用，較對照未顯著提高土壤有機碳的含量。Russell等［32］的研究認為，僅使用氮肥并不會表現(xiàn)出土壤碳的固持效應(yīng)。此外，在華北平原開展的長期定位試驗也發(fā)現(xiàn)，化肥的投入會引起土壤有機碳含量的降低［33］。有機肥的施用會帶入外源碳，增加土壤碳庫，進而提高土壤碳的固持［34］。但是，本研究發(fā)現(xiàn)，NPKM較NPK處理未提高土壤有機碳含量（圖1）。吳榮等［35］和孫志祥等［36］的研究均發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，化肥減施后配施有機肥處理（與化肥處理氮施用量相等）未顯著提高土壤有機碳含量。這與本研究結(jié)果相一致，可能是因為土壤中碳的降解和植株根系及有機肥等外源碳的投入相當。本研究發(fā)現(xiàn)，在NPKM的基礎(chǔ)上進行秸稈還田（NPKMS）后，與NPK處理相比，則顯著提高土壤有機碳含量（圖1）。宋大利等［17］通過收集大于10年長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，與秸稈不還田相比，秸稈還田后平均增加19.1%的土壤有機碳含量。這可能與有機肥和秸稈還田帶入更多的外源碳有關(guān)。大量研究表明，在土壤有機碳未達飽和之前，土壤有機碳的增加量與碳投入水平一般呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系［37-38］。

高飛等［39］研究發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，有機肥替代30%化肥的處理對土壤有效磷含量有明顯的增加作用。然而，本研究發(fā)現(xiàn)，施肥顯著提高了土壤有效磷的含量，但是化肥與有機肥處理間差異不顯著，這可能與夏季降雨量較多導(dǎo)致土壤有效磷淋洗有關(guān)。此外，化肥的長期施用引起了土壤pH的下降，這與之前的研究結(jié)果相一致［2］。然而，由于有機肥具有緩沖土壤酸堿性的作用，本試驗中有機肥施用6年后未引起土壤pH的顯著改變，有機肥施用能夠減弱土壤的酸化。

土壤微生物通過產(chǎn)生胞外酶進而降解土壤有機質(zhì)，并影響土壤養(yǎng)分循環(huán)。土壤酶參與許多重要的生物化學(xué)過程，已被認為是土壤肥力的一個重要特征指標［40］。本試驗中，各施肥處理基本上都能提高土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性，尤其以蔗糖酶效果最佳。脲酶能夠促進酰胺鍵的水解，使土壤中的氮轉(zhuǎn)化成植物可以吸收利用的氨。本研究表明，各施肥處理均能顯著提高土壤脲酶的活性，但施肥處理間差異不顯著，這與山東省德州市開展的大田試驗結(jié)果相一致［41］。與對照相比，各施肥處理顯著提高了土壤蔗糖酶的活性，且秸稈配施有機肥處理（NPKMS）顯著高于NPK 和NPKM處理，這可能是因為小麥秸稈富含纖維素和半纖維素，會刺激真菌的生長，進而影響土壤碳循環(huán)相關(guān)蔗糖酶活性的提高［42］。

3.3 玉米產(chǎn)量和土壤指標之間的回歸分析

本研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量與土壤有機質(zhì)、養(yǎng)分含量和土壤酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。丁維婷等［43］根據(jù)41年長期施肥試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤酶活性與作物產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系。邢鵬飛等［29］研究發(fā)現(xiàn)，玉米產(chǎn)量與土壤有效磷呈顯著正相關(guān)關(guān)系。通過結(jié)構(gòu)等式方程模型分析得出，土壤有效磷是玉米產(chǎn)量的主要驅(qū)動因素。磷是作物生長發(fā)育所必需的僅次于氮素的第二大營養(yǎng)元素，通過影響葉片凈光合速率和葉片中谷氨酰合成酶等的活性，進而影響作物生長發(fā)育和新陳代謝，最終改變產(chǎn)量［44-45］。通過對比不同磷水平對玉米產(chǎn)量性狀的影響，研究發(fā)現(xiàn)低磷脅迫主要通過影響行粒數(shù)和百粒質(zhì)量導(dǎo)致了單株產(chǎn)量的損失［46］。有機肥中含有大量的有機磷和有機氮，在提高土壤酶活性的同時可促進微生物對氮磷養(yǎng)分的礦化循環(huán)，有利于作物玉米的養(yǎng)分吸收利用，從而促進其產(chǎn)量。

本研究表明，采取有機肥適當替代化肥配施秸稈，在降低化肥使用量的同時，可適當滿足作物生產(chǎn)需求和獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，又能在一定程度上提高土壤肥力。綜合考慮作物產(chǎn)量和土壤肥力對施肥的響應(yīng)，有機肥替代30%化肥配施秸稈能穩(wěn)產(chǎn)固碳，是該區(qū)域養(yǎng)分管理的有效途徑之一。