有機(jī)肥等氮量替代化肥對(duì)豫南砂姜黑土區(qū)夏玉米生長(zhǎng)及土壤理化性狀的影響

柴汕,李青松,高慧姍,張澤醌,張進(jìn)財(cái)

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院,鄭州 450001)

施肥是提升作物產(chǎn)量的主要技術(shù)措施之一［1］,化肥的投入和施用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮了重要的促進(jìn)作用,在提高產(chǎn)量的同時(shí),也面臨著過(guò)量施用化肥的問(wèn)題.1980年至2015年,中國(guó)的農(nóng)用化肥總用量增長(zhǎng)了275.05%,糧食總產(chǎn)量增加了114.32%,由于長(zhǎng)期過(guò)量施用化肥,導(dǎo)致糧食增產(chǎn)的彈性降低,化肥利用率也處于較低水平,糧食增產(chǎn)的速率遠(yuǎn)小于化肥投入的增長(zhǎng)率不合理、過(guò)量施用化肥,尤其是過(guò)量施用氮肥,造成了農(nóng)業(yè)面源污染、大氣污染、土壤板結(jié)、土壤酸化及土地鹽堿化等一系列環(huán)境問(wèn)題［2］.有機(jī)肥富含豐富的有機(jī)質(zhì),能夠?yàn)樽魑锾峁┥L(zhǎng)、發(fā)育所需的大量營(yíng)養(yǎng)元素.在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用有機(jī)肥可以增加土壤養(yǎng)分含量［3］,增強(qiáng)作物的光合作用,從而促進(jìn)作物干物質(zhì)形成,進(jìn)而起到增加作物產(chǎn)量、改良土壤性質(zhì)的作用［4］.有機(jī)肥目前在我國(guó)的果園、茶園生產(chǎn)中已被廣泛應(yīng)用,但在糧食作物上,尤其是玉米的生產(chǎn)中研究和經(jīng)驗(yàn)較少,且有機(jī)肥肥效緩,作用時(shí)間長(zhǎng),單施有機(jī)肥會(huì)導(dǎo)致作物缺乏營(yíng)養(yǎng),產(chǎn)量降低,需與化肥配施［5］,達(dá)到最佳效果.

玉米是重要的糧飼作物,研究表明,在玉米種植中使用有機(jī)肥與化肥配施能夠改善土壤環(huán)境、培肥地力,進(jìn)而提升作物產(chǎn)量,同時(shí)能夠減少化肥施用帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染等問(wèn)題［6］.在不同類(lèi)型土地上,不同作物中,不同的配施比例對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和土壤產(chǎn)生的影響均有不同.與單施化肥相比,用沼渣沼液氮替代20%化肥氮和豬糞堆肥氮替代30%化肥氮,對(duì)春玉米產(chǎn)量和品質(zhì)效果最好［7］.在華北平原潮土上,商品有機(jī)肥氮替代11.3%化肥氮能保證冬小麥-夏玉米輪作體系中穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)［8］.在吉林黑土上,秸稈氮替代30%化肥氮素,能夠減少化肥氮投入,提高了土壤供氮水平.在西南紫色土地區(qū),有機(jī)肥氮替代50%化肥氮顯著提高了玉米經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量和生物產(chǎn)量［10］.在山東棕壤土上,冬小麥-夏玉米輪作體系下有機(jī)肥替代25%化肥氮用量,比單施化肥處理獲得更高的產(chǎn)量和品質(zhì)［11］.研究表明,在山區(qū)紅壤上,以有機(jī)肥替代30%的化肥可以增加玉米籽粒、產(chǎn)量,效果最佳［12］.豫南砂姜黑土區(qū)位于河南省中南部,總耕地面積達(dá)150萬(wàn)hm2以上,是河南省最主要糧食產(chǎn)區(qū).該區(qū)土壤類(lèi)型為砂姜黑土,漲縮性強(qiáng),作物根系下扎困難,土壤酸化問(wèn)題突出,土壤保水保肥性能較差,土壤養(yǎng)分不均,因而糧食產(chǎn)量低于省平均水平,且年際間單產(chǎn)波動(dòng)較大,在豫南砂姜黑土區(qū)進(jìn)行有機(jī)肥替代化肥的研究,將為該區(qū)域玉米產(chǎn)量的穩(wěn)定提供參考.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與材料

試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省駐馬店市西平縣二郎鎮(zhèn)張堯村(33°10′N(xiāo),113°36′E),供試土壤為砂姜黑土,基礎(chǔ)理化性質(zhì)為:全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.21 g/kg,速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)26.34 mg/kg,速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)108.52 mg/kg,有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)24.5 g/kg,pH值4.6.供試夏玉米品種為豫單132,品種來(lái)源為HL237×HL896.供試肥料為洋豐肥業(yè)有限公司提供的化肥與商品有機(jī)肥,其中商品有機(jī)肥元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為有機(jī)質(zhì)17.51%,全氮4.04%,全磷0.57%,全鉀0.60%,含水量17.51%;化肥中尿素含N量為 46.4%,過(guò)磷酸鈣含P2O512%,氯化鉀含K2O為60 %.

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)采取大田實(shí)驗(yàn),劃定小區(qū)(面積為9 m×3.4 m=30.6 m2),試驗(yàn)地周?chē)O(shè)置1 m保護(hù)行,設(shè)置單施氮肥(T0)和不施氮對(duì)照組(N0)為對(duì)照、有機(jī)肥替代化肥氮20%(T20),40%(T40),60%(T60),80%(T80),100%(T100)共7個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,其中各小區(qū)氮素總用量(N)為210 kg/hm2,磷素總用量(P2O5)為120 kg/hm2,鉀素總用量(K2O)為75 kg/hm2,有機(jī)肥的用量根據(jù)各處理有機(jī)肥替代化學(xué)氮肥量數(shù)量除以有機(jī)肥中氮素總含量折算而來(lái),化學(xué)磷鉀肥的用量根據(jù)各小區(qū)氮磷鉀的設(shè)計(jì)施用總含量扣除有機(jī)肥帶入的磷鉀后折算而來(lái);有機(jī)肥和化肥以基肥形式一次性施入,灌溉、病蟲(chóng)害防治和除草等按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)管理措施進(jìn)行,每個(gè)小區(qū)施肥量如表1所示.

表1 不同處理化肥量投入量

1.3 樣品測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

干物質(zhì)量采用烘干法;玉米的穗長(zhǎng)、穗粗、穗粒數(shù)采用測(cè)定法;在成熟期采用有代表性的15穗玉米穗,待風(fēng)干后考種,測(cè)定籽粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、百粒質(zhì)量,以14%的含水量折算為產(chǎn)量.玉米功能葉SPAD值采用SPAD-502型葉綠素計(jì)測(cè)定法;玉米功能葉的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率采用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定.土壤樣品采用5點(diǎn)取樣法,測(cè)定容重采用環(huán)刀法;pH值使用復(fù)合電極法(1.0∶2.5水土質(zhì)量比);含水量使用烘干法;土壤氮、磷、鉀含量:測(cè)定土壤全氮使用濃硫酸消煮法(硫酸消煮,堿化后蒸餾定氮);土壤速效磷使用鉬銻抗比色法(0.5 mol/L NaHCO3浸提);土壤速效鉀使用火焰光度法(1 mol/L NH4OAC浸提).

利用Excel 2016和Origin 8.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和作圖;采用SPSS 22.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,最小顯著差數(shù)法(LSD)和Duncan法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05).

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)替代對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因子和干物質(zhì)量的影響

由表2可知,隨著有機(jī)肥替代比例的增加,穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗、百粒質(zhì)量以及產(chǎn)量呈升后降的趨勢(shì),其中大多處理均以替代比例60%處理的數(shù)值最高.與T0相比,替代比例20%～100%處理的穗行數(shù)、穗粗、百粒質(zhì)量及產(chǎn)量總體上分別增加了1.11%～6.78%、1.62%～5.08%、5.86%～11.94%、9.60%～21.87%.行粒數(shù)、穗長(zhǎng)有所降低,且N0處理與有機(jī)肥相比均呈顯著降低的結(jié)果,穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、穗粗、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量各自降低了-1.96%、8.09%、5.10%、2.31%、5.35%、0.50%.

表2 不同處理玉米產(chǎn)量及構(gòu)成因子

由圖1可知,不同處理的玉米生物量在同一生育時(shí)期,隨著有機(jī)肥替代比例的增加,均呈先升后降趨勢(shì),其中各時(shí)期均以替代比例為60%處理增加最為顯著.在拔節(jié)期、吐絲期、成熟期間,與T0相比,不同有機(jī)肥替代化肥氮對(duì)玉米生物量分別增加了9.15%～37.98%,5.47%～20.49%和5.19%～17.39%.且N0處理與有機(jī)肥相比,各生長(zhǎng)期的生物量均有所降低,3個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)分別降低了4.64%,13.32%和5.32%.

2.2 有機(jī)替代對(duì)玉米植株光合作用的影響

由圖2可知,不同處理的玉米功能葉SPAD值隨著生育期的推移,均有顯著升高.在拔節(jié)期,與T0進(jìn)行對(duì)比,不同比例有機(jī)肥替代化肥處理后的功能葉SPAD值分別提升了13.22%～52.20%,其中替代比例為40%、60%、80%時(shí)分別顯著增加了39.66%、52.20%和37.63%.而在吐絲期,與單施化肥相比,不同比例的有機(jī)肥替代化肥處理后的功能葉SPAD值分別提升了4.91%～18.30%,其中替代比例為40%、60%差別最為顯著,增幅分別為13.58%及18.30%.

由圖3可知,玉米隨著生育期的推移,凈光合速率,氣孔導(dǎo)度,蒸騰作用均處于上升趨勢(shì),各時(shí)期均以替代比例為60%處理增幅最大.在拔節(jié)期,與T0相比,有機(jī)肥替代化肥各處理組凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用分別增加了5.63%～40.87%、5.56%～27.78%與9.22%～47.09%,其中增幅最大的均為60%處理.此外,N0處理的玉米凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用均有所降低,降幅分別為-16.53%、-5.56%、-14.56%.在玉米吐絲期,與T0相比,有機(jī)肥替代化肥各處理組凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用分別提升了11.83%～27.67%、9.09%～40.91%、4.45%～32.88%,最為顯著的為替代比例為60%處理,同時(shí)替代比例為100%處理的氣孔導(dǎo)度有小幅降低,降幅為-4.55%.此外,N0處理的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與蒸騰作用均有所降低,降幅分別為-15.15%、-9.09%、-6.51%.

2.3 有機(jī)替代對(duì)玉米植株養(yǎng)分積累的影響

由表3可知,玉米植株氮素積累量在拔節(jié)期較低,在吐絲期大幅度增高,增幅最大,成熟期積累量最高;施用有機(jī)肥處理氮素含量均高于單施化肥(T0)處理,施用有機(jī)肥處理的植株氮素積累量較單施化肥處理(T0 )在拔節(jié)期、吐絲期、成熟期分別增加了19.5%～60.9%、6.1%～34.7%、5.2%～31.7%,其中隨替代比例增加,氮素積累量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),均以替代比例為60%時(shí)最大;不施氮(N0)處理的氮含量在各個(gè)時(shí)期均顯著低于其他處理,數(shù)值最低.

玉米磷素積累量在拔節(jié)期較低,在吐絲期迅速升高,增幅較最大,成熟期積累量最大,較拔節(jié)期增幅較小;施用有機(jī)肥處理的磷素積累量均高于單施化肥(T0)處理,在拔節(jié)期、吐絲期、成熟期較單施化肥處理(T0)顯著增加了11.1%～133.3%,3.1%～34.3%,4.7%～40.4%;其中隨替代比例增加,各時(shí)期磷積累量均呈現(xiàn)先增加后降低趨勢(shì),其中各個(gè)時(shí)期均以替代60%比例時(shí)含量最高;不施氮處理的磷元素積累量顯著低于其他處理,數(shù)值最低.

玉米鉀元素積累量隨生育期推移增長(zhǎng),在吐絲期增長(zhǎng)較為明顯,增幅不大,在成熟期達(dá)到最大值,成熟期與吐絲期鉀元素積累量差異較小;施用有機(jī)肥處理鉀元素積累量略高于單施化肥處理(T0),在拔節(jié)期、吐絲期、成熟期分別增加了3.8%～12.8%,1.7%～25.2%,3.10%～21.37%;其中隨替代比例增加各時(shí)期鉀元素積累量呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì),以替代比例為60%時(shí)積累最高;不施氮處理的鉀元素積累量顯著低于其他處理,積累量最低.

2.4 有機(jī)替代對(duì)玉米土壤理化性狀的影響

由表4可知,施用有機(jī)肥可降低土壤容重,與單施化肥(T0)處理相比,施用有機(jī)肥處理的土壤容重降低了7.43%～22.20%;施用有機(jī)肥可增加土壤pH值,與單施化肥(T0)處理相比,施用有機(jī)肥處理土壤pH值增加了0.42%～5.69%;施用有機(jī)肥可增加土壤含水量,與單施化肥(T0)處理相比,施用有機(jī)肥處理土壤含水量增加了0.81%～21.10%;施用有機(jī)肥可增加土壤有機(jī)質(zhì)含量,與單施化肥(T0)處理相比,施用有機(jī)肥處理的土壤有機(jī)質(zhì)含量增加了12.3%～46.6%.

表3 玉米各生育期植株氮、磷、鉀元素積累量

表4 玉米成熟期土壤物理性狀

在玉米生長(zhǎng)各個(gè)生育期均以施用有機(jī)肥處理土壤全氮含量最高,以替代比例為60%時(shí)最大,在作物成熟期時(shí)替代比例為60%處理土壤全氮含量顯著高于其他處理,含量最大;在玉米生長(zhǎng)各個(gè)生育期,施用有機(jī)肥處理土壤速效磷含量均高于不施用化肥處理,隨替代比例增加土壤速效磷含量呈先升高后降低趨勢(shì),以替代比例為60%時(shí)含量最大;在玉米生長(zhǎng)各個(gè)生育期,施用有機(jī)肥處理土壤速效鉀含量均高于不施用化肥處理,隨替代比例增加土壤速效鉀含量呈先升高后降低趨勢(shì),以替代比例為60%時(shí)含量最大,結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 玉米各生育期土壤全氮、速效磷、速效鉀含量表

3 討 論

3.1 有機(jī)替代對(duì)玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因子、干物質(zhì)量的影響

現(xiàn)有研究表明,施用有機(jī)肥可以提升土壤肥力,增加氮肥的利用率,有助于作物干物質(zhì)的積累和提高作物產(chǎn)量及品質(zhì),研究表明施用商品有機(jī)肥可顯著提高春玉米產(chǎn)量［13］,本研究中,施用有機(jī)肥處理的玉米干物質(zhì)量、產(chǎn)量均高于單施化肥處理,以有機(jī)肥替代60%的化肥氮處理時(shí),干物重和產(chǎn)量最大,與前人研究結(jié)果略有不同,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)有機(jī)肥替代化肥的比例進(jìn)行了探究,可能是由于有機(jī)肥的養(yǎng)分與化肥養(yǎng)分的肥效和作用時(shí)間不同,施用有機(jī)肥種類(lèi)、氣候環(huán)境、基礎(chǔ)地力等不同造成［14］.本研究中,玉米干物質(zhì)量、產(chǎn)量隨替代比例的增加呈先升高后降低的趨勢(shì),已有研究也發(fā)現(xiàn)單施有機(jī)肥時(shí)土壤中的有效氮成為作物高產(chǎn)的主要限制因素［15］,可能是由于有機(jī)肥施入土壤中后釋放養(yǎng)分需要經(jīng)過(guò)微生物的礦化分解,而微生物的數(shù)量和活性與土壤肥力、土壤濕度、溫度等環(huán)境因子又密切相關(guān)［16］.土壤微生物的生長(zhǎng)、繁殖與作物生長(zhǎng)形成競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分的關(guān)系,這將直接影響作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,從而影響作物產(chǎn)量.因此以有機(jī)肥與化肥配施時(shí),干物質(zhì)量與產(chǎn)量最大,效果最佳.有機(jī)肥富含豐富的有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素,施用有機(jī)肥可增加土壤中的養(yǎng)分,有助于作物對(duì)養(yǎng)分的吸收,故施用有機(jī)肥可增加產(chǎn)量.但有機(jī)肥具有緩釋性,肥效發(fā)揮時(shí)間較長(zhǎng),因此隨替代比例增加,當(dāng)替代比例為100%時(shí),即全部施用有機(jī)肥時(shí),因有機(jī)肥發(fā)揮作用需要時(shí)間,在作物生長(zhǎng)的前期有機(jī)肥的肥效不能完全釋放,不能及時(shí)為作物前期生長(zhǎng)提供所需的充足養(yǎng)分,作物產(chǎn)量反而會(huì)下降.因此隨替代比例增加,產(chǎn)量呈先升高后降低趨勢(shì),以替代比例為60%時(shí),產(chǎn)量最大.

3.2 有機(jī)替代對(duì)玉米植株光合作用的影響

光合作用的產(chǎn)物是影響玉米產(chǎn)量的重要因素,研究表明有機(jī)肥與化肥配施,可以增加作物的光合作用,提升產(chǎn)量［17］.本試驗(yàn)中施用有機(jī)肥處理的光合指標(biāo)均優(yōu)于單施化肥處理,有機(jī)與無(wú)機(jī)配施的處理光合指標(biāo)又優(yōu)于單施用有機(jī)肥處理,是由于施肥能夠提高作物的光合作用強(qiáng)度,促進(jìn)作物葉片的生長(zhǎng)和發(fā)育［18］.玉米的穗位葉是關(guān)鍵源器官,其生理變化可引起整個(gè)植株生理代謝的變化,影響籽粒發(fā)育并最終作用于產(chǎn)量［19］,其中替代比例為60%時(shí)光合指標(biāo)最強(qiáng),與該處理產(chǎn)量最大形成對(duì)應(yīng).而其中不施氮處理的玉米功能葉SPAD值較高,與其他處理無(wú)明顯規(guī)律,這可能與試驗(yàn)田基礎(chǔ)地力不平有關(guān).

3.3 有機(jī)替代對(duì)玉米植株養(yǎng)分積累的影響

植株的養(yǎng)分吸收是形成干物質(zhì)的基礎(chǔ),進(jìn)而對(duì)產(chǎn)量造成影響,本研究發(fā)現(xiàn),施用有機(jī)肥處理在玉米植株氮養(yǎng)分積累量在吐絲期速率最大,在成熟期積累量最高,可能是由于有機(jī)肥改善了土壤的供氮特性［20］,促進(jìn)了作物對(duì)氮素的吸收［21］;施用有機(jī)肥導(dǎo)致玉米植株磷積累量均以成熟期吸收速率大,積累量多,可能是由于機(jī)肥分解產(chǎn)生的有機(jī)酸可促進(jìn)氮的吸收［22］以及磷素從無(wú)效磷到有效磷的轉(zhuǎn)化;而施用有機(jī)肥的玉米的鉀養(yǎng)分含量則與氮、磷不同,隨生育期逐步增長(zhǎng),在吐絲期、成熟期均有增長(zhǎng),可能是由于鉀肥作為底肥一次性投入田間,且試驗(yàn)田本身速效鉀含量較高,所以對(duì)鉀素的吸收和轉(zhuǎn)化速率沒(méi)有造成影響;此外,有機(jī)肥養(yǎng)分釋放速度較緩,施用有機(jī)肥的肥效不能在當(dāng)季進(jìn)行完全釋放,對(duì)玉米植株養(yǎng)分吸收也會(huì)產(chǎn)生影響,因此不同處理間也存在差異.

3.4 有機(jī)替代對(duì)玉米土壤理化性狀的影響

已有研究表明,旱地施用有機(jī)肥具有明顯的培肥作用和蓄水保墑效果,施用雞糞、豬糞能提高土壤pH值,避免土壤酸化［23］.有機(jī)、無(wú)機(jī)配施可不同程度地降低土壤容重并提高其孔隙度,長(zhǎng)期施用生物有機(jī)肥可顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量,提升土壤肥力.本研究中施用有機(jī)肥可降低土壤容重,提升pH值,增大土壤含水量,對(duì)于土壤性狀起到了好的改良作用.雖然土壤指標(biāo)的數(shù)值顯示有所變化,但改良的幅度較小,沒(méi)有達(dá)到顯著的差異水平,這可能與施用有機(jī)肥年限較短有關(guān).但從數(shù)值來(lái)看,土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的指標(biāo)仍呈向好的趨勢(shì).

4 結(jié)論與展望

在豫南砂姜黑土區(qū)夏玉米種植中,以商品有機(jī)肥替代60%化肥氮并在玉米季一次性施用方案下,玉米的光合作用最強(qiáng),植株養(yǎng)分含量、干物質(zhì)量、產(chǎn)量最大,各項(xiàng)指標(biāo)均隨替代比例增加呈先升高后降低趨勢(shì);同時(shí)可以增加土壤氮磷鉀含量,改良土壤理化性質(zhì),均以替代比例為60%時(shí),效果最佳,為最佳替代比例.由于本試驗(yàn)周期較短,對(duì)于土壤的改良效果雖不明顯,但總體趨勢(shì)較好.