牛糞秸稈堆肥與化肥減量配施對春玉米光合特性及產(chǎn)量的影響

摘要：為明確適宜的牛糞秸稈堆肥替代化肥比例，本研究以富民985為供試材料，設置不施肥（CK）、100%全量化肥（CF）、10%堆肥替代化肥（CN）、20%堆肥替代化肥（CE）、30%堆肥替代化肥（CS）等5個處理，分析各處理下大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期玉米植株葉片光合速率、碳代謝關(guān)鍵酶活性及產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成的變化。結(jié)果表明，與CK相比，施用牛糞秸稈堆肥替代處理可以顯著提升春玉米光合作用能力及碳代謝關(guān)鍵酶活性。在施用堆肥的條件下，隨著堆肥替代比例的增加，各生育時期玉米葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）以及碳代謝關(guān)鍵酶（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、核酮糖二磷酸羧化酶）活性均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，20%堆肥替代化肥（CE）處理下，光合作用參數(shù)和碳代謝關(guān)鍵酶活性均為最高。施用牛糞秸稈堆肥替代化肥處理可以顯著提高春玉米的產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重，20%堆肥替代化肥（CE）處理和10%堆肥替代化肥（CN）處理的籽粒產(chǎn)量分別比100%全量化肥（CF）處理提高9.41%、7.03%。本研究為畜禽糞便和作物秸稈資源化利用及耕地的用養(yǎng)結(jié)合提供良好的借鑒。

關(guān)鍵詞：堆肥替代化肥；春玉米；光合特性；產(chǎn)量

中圖分類號：S513.062文獻標識碼：A文章編號：1000-4440（2024）07-1220-07Effects of partially replacing chemical fertilizers by cow manure and corn straw compost on photosynthetic characteristics and yield of spring maizeMA Xianghong，DENG Aoyan，WU Junnan，WANG Lichun，JIANG Yecheng，CUI Xihua，LIU Chunguang，CHENG Zhenghai

（Jilin Academy of Agricultural Sciences/Northeast Agricultural Research Center of China， Changchun 130033， China）

Abstract： In order to determine the appropriate proportion of cow manure and corn straw compost for replacing chemical fertilizers， Fumin 985 was used as the test material in this study， and five treatments were set up， including no fertilizer （CK）， 100% chemical fertilizers （CF）， 10% compost for replacing chemical fertilizers （CN）， 20% compost for replacing chemical fertilizers （CE）， and 30% compost for replacing chemical fertilizers （CS）. The changes of photosynthetic rate， key enzyme activities of carbon metabolism at big trumpet stage， silking stage and filling stage， and yield and yield components of maize under different treatments were analyzed. The results showed that compared with CK， the cow manure and corn straw compost replacement treatment could significantly improve the photosynthesis ability and key enzyme activities of carbon metabolism of spring maize. Under the condition of applying compost， with the increase of the proportion of compost， the net photosynthetic rate （Pn）， transpiration rate （Tr）， stomatal conductance （Gs）， intercellular carbon dioxide concentration （Ci） and key enzymes （phosphoenolpyruvate carboxylase， ribulose-1，5-bisphosphale carboxylase） activities of carbon metabolism of maize leaves in each growth period showed a trend of increasing first and then decreasing. Under CE treatment， the photosynthetic parameters and key enzyme activities of carbon metabolism were the highest. The cow manure and corn straw compost replacement treatment could significantly increase the yield， grain number per spike and 1 000-grain weight of spring maize. The grain yield of spring maize in CE treatment and CN treatment was 9.41% and 7.03% higher than that in CF treatment， respectively. This study can provide a good reference for the resource utilization of livestock and poultry manure and crop straw and the combination of the use and maintenance of cultivated land.

Key words：replacing chemical fertilizers by compost;spring maize;photosynthetic characteristics;yield

春玉米是中國重要的糧食作物，對于保障國家糧食安全具有重要意義[1]。近年來，隨著玉米耕作機械化水平提高及栽培技術(shù)的不斷完善，春玉米的產(chǎn)量逐年攀升[2]。施用化肥是提升作物產(chǎn)量的重要措施[3-4]，但長期過量施用化肥不僅導致土壤有機質(zhì)含量降低、土壤酸化以及土壤微生物群落失衡[5-6]，還會造成作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)變差[7]。李其勝等[8]的研究結(jié)果表明，有機（類）肥料富含作物生長發(fā)育所需的各種營養(yǎng)元素、有機質(zhì)和活性物質(zhì)，可以為作物持續(xù)供給養(yǎng)分，還能夠有效緩解化肥濫用所帶來的環(huán)境問題。堆肥作為有機（類）肥料的一種，對提升土壤肥力、提高作物產(chǎn)量和改善作物品質(zhì)有重要作用，因此利用堆肥合理替代化肥，不僅可以降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，同時也是實現(xiàn)中國化肥零增長目標的重要途徑[9]。2019年，全國畜禽糞便污染物和農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量分別為3.05×10⁹ t和8.7×10⁸ t[10]，農(nóng)作物秸稈與畜禽糞便中含有大量的營養(yǎng)元素和豐富的微量元素[11]，將畜禽糞便與秸稈作為原料進行堆肥制作，并與化學氮肥配施對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上減肥增效意義重大[10]。

堆肥的有機質(zhì)含量較高，并且富含中微量元素、微生物和酶等活性物質(zhì)。施用堆肥可以提高土壤碳庫、氮庫[12]、有機質(zhì)含量[13]、速效養(yǎng)分含量、土壤有機碳含量和大團聚體含量[14]及土壤肥力[15]。此外，施用堆肥還可以加速共生細菌群落對生物多樣性喪失的恢復力[16]，提高作物光合色素含量和礦質(zhì)元素含量，進而提高產(chǎn)量和果實品質(zhì)[17]。紀洪亭等[18]研究發(fā)現(xiàn)用豬糞有機肥替代50%化學氮肥，水稻產(chǎn)量沒有顯著下降，養(yǎng)分徑流流失量亦沒有顯著增加。曹遲等[19]的研究結(jié)果表明以污泥為原料的堆肥替代20%化肥后，玉米的產(chǎn)量比常規(guī)施肥增加7.16%。由于堆肥原料不同，堆肥養(yǎng)分含量存在差異，因此在用堆肥替代化肥進行生產(chǎn)應用前首先要確定適宜的替代比例。本研究擬在以牛糞和玉米秸稈為原料制得牛糞秸稈堆肥的基礎上，通過設置不同的堆肥與化學肥料替代比例處理，分析不同牛糞秸稈堆肥替代化肥處理對春玉米光合特性及產(chǎn)量的影響，明確適宜的牛糞秸稈堆肥替代化肥比例，旨在促進畜禽糞便和作物秸稈資源化利用，提高作物生產(chǎn)水平，實現(xiàn)耕地的用養(yǎng)結(jié)合。

1材料與方法

1.1試驗區(qū)概況

試驗于2020年、2021年在吉林省公主嶺市朝陽坡鎮(zhèn)徐家村進行。試驗地年均降雨量450～550 mm，年均積溫2 800～3000 ℃，無霜期130～140 d。土壤類型為黑土，0～20 cm土層有機質(zhì)含量3.18%，全氮含量1.58 g/kg，全磷含量0.51 g/kg，全鉀含量22.30 g/kg，pH值6.20。試驗地的種植制度為玉米連作。

1.2試驗設計

2019年10-11月，以公主嶺鑫誠種植合作社提供的牛糞與玉米秸稈為原材料，將玉米秸稈與牛糞按質(zhì)量比（干重）1∶4配制堆肥物料，配制完成后均勻噴灑物料總質(zhì)量0.1%的枯草芽孢桿菌和長枝木霉復合微生物菌劑（吉林省地富肥業(yè)科技有限責任公司產(chǎn)品，1 mL有效活菌數(shù)≥1.0×108個），采用納米膜覆蓋進行室外堆肥處理45 d。堆肥處理期間，外界環(huán)境平均溫度為5.6 ℃；堆肥制備期間每7 d使用風機對堆體進行曝氣3～5 h。堆肥發(fā)酵完成后將堆肥防水保存和取樣檢測，測得堆肥的含水率為39.6%，pH值8.00，干基有機質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量、全鉀含量分別為35.50%、1.11%、1.09%、1.03%。

以玉米品種富民985為試驗材料，2020年和2021年5月6日采用人工點播的方式播種，每1 hm2種植60 000株，10月8日收獲。以等量養(yǎng)分替代為依據(jù)，試驗設不施肥、全量化肥、10%堆肥替代化肥、20%堆肥替代化肥、30%堆肥替代化肥等5個處理，各處理肥料的用量如表1。每個處理3個重復，共15個小區(qū)。每個小區(qū)面積為72 m2。堆肥在春季整地之前一次性均勻撒施，用旋耕機均勻混入0～20 cm土層中。試驗所用化肥為N含量46%的尿素、P2O5含量12%的過磷酸鈣和K2O含量52%的硫酸鉀，40%的氮肥和全部磷鉀肥與堆肥一起作基肥施用，60%的氮肥在玉米拔節(jié)期追施。

1.3測定項目與方法

1.3.1玉米葉片光合參數(shù)測定于玉米的大喇叭口期、抽雄吐絲期和灌漿期，選擇晴朗無云的天氣，在各小區(qū)選取長勢一致的3 株玉米植株，采用 Li-6400XT便攜式光合作用測定系統(tǒng)（美國Li-Cor公司產(chǎn)品）進行葉片光合參數(shù)的測定。大喇叭口期測定倒3完全展開葉，抽雄吐絲期和灌漿期測定玉米的穗位葉。

1.3.2玉米葉片碳代謝關(guān)鍵酶活性測定于玉米的大喇叭口期、抽雄吐絲期和灌漿期，選擇晴朗無云的天氣，選取田間生長整齊一致的玉米5株，采集功能葉片（吐絲前選取植株頂部完全展開的葉片，吐絲后取穗位葉），用紗布擦拭葉片表面，去除葉脈，用液氮速凍，帶回實驗室后放入-80 ℃冰箱中保存。參照施教耐等[20]的方法測定玉米葉片磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性，參照Thomas等[21]的方法測定核酮糖二磷酸羧化酶（RuBPCase）活性。

1.3.3產(chǎn)量及構(gòu)成因素測定玉米完熟期各小區(qū)選取10 m2調(diào)查總穗數(shù)及總穗鮮重，取10穗果穗帶回實驗室風干后考種，以14%的含水量計算籽粒產(chǎn)量。每處理3個重復。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)處理與圖表繪制，利用SPSS 22.0軟件，使用Duncan’s方法進行處理間差異分析。

2結(jié)果與分析

2.1牛糞秸稈堆肥與化肥減量配施對春玉米光合特性的影響隨著化肥用量逐漸降低，各生育時期玉米葉片的凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（T）、氣孔導度（G）以及胞間二氧化碳濃度（C）均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢（表2）。20%堆肥替代化肥（CE）處理下，上述參數(shù)均為最高；30%堆肥替代化肥（CS）處理下，玉米葉片各生育時期的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度與CK和CF處理總體無顯著差異。在3個生育時期，20%堆肥替代化肥處理（CE）與10%堆肥替代化肥處理（CN）的光合參數(shù)（P、T、G和C）總體顯著高于其他處理。在大喇叭口期和灌漿期CE處理與CN處理條件下凈光合速率（Pn）差異顯著，而蒸騰速率、氣孔導度以及胞間二氧化碳濃度均無顯著差異（表2）。

2.2牛糞秸稈堆肥與化肥減量配施對春玉米碳代謝酶活性的影響不同生育期牛糞秸稈堆肥與化肥減量配施對春玉米葉片碳代謝酶活性的影響如圖1所示。從圖中可以看出，抽雄吐絲期春玉米PEPC活性和RuBPCase活性都最高，大喇叭口期最低。隨著堆肥替代比例的增加，2020、2021年春玉米PEPC活性和RuBPCase活性都呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。在大喇叭口期，CE處理下2020～2021年平均PEPC活性和RuSPCase活性較CK分別提高20.54%、30.98%；在抽雄吐絲期，CE處理下2020～2021年平均PEPC活性和RuBPCase活性較CK分別提高23.48%、24.48%；在灌漿期，CE處理下的PEPC活性和RuBPCase活性較CK分別提高13.39%、27.11%。

2.3牛糞秸稈堆肥與化肥減量配施對春玉米產(chǎn)量性狀的影響不同施肥處理對春玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響如表3所示。與CK相比，施肥處理下2020年春玉米產(chǎn)量顯著增加31.9%～54.0%，2021年顯著增加29.1%～47.1%。20%堆肥替代化肥處理（CE）產(chǎn)量最高，其次為10%堆肥替代化肥處理（CN），30%堆肥替代化肥處理（CS）產(chǎn)量最低。其中，CE處理與CN處理的產(chǎn)量差異不顯著， CS處理2年平均產(chǎn)量較CE處理降低13.29%。同樣，與CK相比，施肥處理下春玉米穗粒數(shù)與千粒重都得到一定程度的增加?？傮w來看，CE處理與CN處理的穗粒數(shù)與千粒重差異不顯著，與產(chǎn)量變化相一致。CE處理和CN處理的穗粒數(shù)與千粒重顯著高于CS處理和CK。上述結(jié)果表明，適宜比例的堆肥替代化肥能顯著增加穗粒數(shù)和千粒重，進而提高產(chǎn)量，但替代比例過高不利于產(chǎn)量的形成。此外，不同施肥處理下玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的方差分析結(jié)果表明，施肥能顯著影響玉米產(chǎn)量及其產(chǎn)量構(gòu)成，而年份、年份與施肥互作對產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響不顯著（表4）。

3討論

化肥的施用是保障作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要措施，部分農(nóng)戶為了追求高產(chǎn)而施用過量的化肥。但長期過量地施用化肥不僅不能保障作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，還會造成耕地質(zhì)量下降，不利于農(nóng)業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展[22-23]。 Chatzistathis等[24]的研究結(jié)果表明，堆肥作為一種替代化肥補充養(yǎng)分的方式，可以減少化肥投入，提高土壤肥力和作物光合效率，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。光合作用是作物生長發(fā)育的基本生理活動之一，作物生長中后期光合作用的強弱對作物產(chǎn)量的形成有重要影響，因此，對玉米生長中后期光合能力的研究是解析栽培措施對產(chǎn)量影響的重要因子[25]。Ye等[26]研究證實施用有機肥可以顯著提高梨棗樹葉片的凈光合速率和氣孔導度。本研究中，在玉米3個生育期20%堆肥替代化肥（CE）處理的光合參數(shù)顯著高于全量化肥（CF）處理，這說明適量的牛糞秸稈堆肥配施化肥可以顯著提高春玉米的光合能力。本試驗條件下，當牛糞秸稈堆肥替代比例達到30%時，3個生育期玉米葉片光合作用參數(shù)與全量化肥（CF）處理無顯著差異。

RuBPCase和PEPC都是植物光合作用的關(guān)鍵酶[27]。碳同化過程中CO2首先在葉肉細胞PEPC作用下生成蘋果酸，然后再運輸?shù)骄S管束鞘細胞脫羧釋放CO2，同時在RuBPCase催化下與核酮糖二磷酸進行反應，從而固定CO2[28]。因此，RuBPCase和PEPC活性的變化能夠體現(xiàn)玉米植株碳同化能力的強弱[29]。本研究中，隨著堆肥替代比例的增加，RuBPCase和PEPC活性均表現(xiàn)為先增強后減弱的趨勢。與CK相比，牛糞秸稈堆肥替代處理下的RuBPCase與PEPC活性均有不同程度的提高。酶活性的提高能增強春玉米的碳同化能力，提高代謝強度和葉片光合能力，為庫的擴充提供充足的底物，進而實現(xiàn)增產(chǎn)。2年試驗結(jié)果均以20%堆肥替代化肥（CE）處理的增產(chǎn)效果最佳，且20%堆肥替代化肥（CE）處理和10%堆肥替代化肥（CE）處理的差異不顯著。

作物高產(chǎn)需要土壤肥力提供保障[30-32]，堆肥與化肥配施，一方面可充分利用不同肥料對作物生長的促進作用，另一方面堆肥的施用能促進土壤氮素轉(zhuǎn)化，調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，更好地促進耕地的保育與利用。Cheng等[33]的研究結(jié)果表明適量的有機肥替代化肥是解決化肥過量施用導致土壤退化的有效途徑。長期持續(xù)施用有機肥可以顯著提高作物產(chǎn)量[34]，促進產(chǎn)量構(gòu)成因子的增加[35]。本試驗中，等量牛糞秸稈堆肥替代化肥處理能顯著影響玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成。與CK相比，等量堆肥替代處理下2020 年和2021年春玉米產(chǎn)量分別顯著增加 31.9%～54.0%和29.1%～47.1%，且玉米的穗粒數(shù)與千粒重也顯著增加。其原因在于化肥能為玉米生長發(fā)育提供充足的速效養(yǎng)分，堆肥能夠保障養(yǎng)分的持續(xù)供應，從而實現(xiàn)玉米的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)。

4結(jié)論

施用適量的豬糞秸稈堆肥替代部分化肥可以顯著提高春玉米葉片的光合能力及碳代謝酶活性，進而促進春玉米產(chǎn)量、穗粒數(shù)和千粒重的提高；施用20%牛糞秸稈堆肥替代化肥時，玉米植株的光合能力、碳代謝酶活性增加最為顯著，增產(chǎn)效果亦最佳。

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（責任編輯：石春林）