何 浩 張宇彤 危常州 李俊華

(石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室，新疆 石河子 832003)

玉米(Zea maysL.)是我國主要的糧、飼、經(jīng)兼用作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為確保其產(chǎn)量增加而過量施用化肥會造成玉米種植成本增加、土壤肥力降低、環(huán)境污染等問題，不利于我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。2015年農(nóng)業(yè)部提出了《2020年化肥使用零增長行動計劃》，然而過去十幾年，玉米對我國化肥增量的貢獻達到31.8%[3]，因此在玉米生產(chǎn)中減少化肥用量必然有利于“化肥零增長”的實現(xiàn)。

無機化肥能夠快速有效地為作物提供養(yǎng)分，而有機肥養(yǎng)分釋放緩慢，可以持續(xù)為作物生長提供養(yǎng)分[4]。有機肥和化肥配施能夠增加土壤肥力，協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)和作物吸收，提高養(yǎng)分利用率和作物產(chǎn)量，并可減少化肥用量，對化肥減施、環(huán)境保護及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5-9]。近年來，為了加快有機肥替代技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用，關(guān)于不同作物有機肥替代部分化肥的相關(guān)研究日益增加。研究表明，有機肥替代部分化肥可以促進作物生長發(fā)育，改善其農(nóng)藝性狀，增加作物產(chǎn)量，改善作物品質(zhì)，提高養(yǎng)分利用率，并改善西瓜土壤理化性質(zhì)[10-13]。在作物生長發(fā)育和產(chǎn)量方面，蒲瑤瑤等[14]研究發(fā)現(xiàn)等養(yǎng)分條件下，有機肥部分替代化肥能有效促進西瓜生長發(fā)育，增加產(chǎn)量，并改善品質(zhì)；前人在冬小麥-夏玉米輪作體系中發(fā)現(xiàn)有機肥替代化肥保證了冬小麥和夏玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，增加了年經(jīng)濟效益[15-17]；也有研究發(fā)現(xiàn)有機肥替代化肥可以提高水稻產(chǎn)量和肥料利用率，并減少環(huán)境污染[18]。在土壤肥力方面，研究表明有機肥部分替代化肥提高了土壤養(yǎng)分含量，短期內(nèi)改善了土壤微生物類群數(shù)量，提高了土壤酶活性，有利于土壤養(yǎng)分貯存和作物對土壤養(yǎng)分的吸收利用[18-21]。綜上可知，關(guān)于不同作物有機肥替代化肥的研究較多，并且有機肥替代部分化肥已經(jīng)成為減肥增效的有效措施。而關(guān)于不同有機肥替代率下作物產(chǎn)量、經(jīng)濟效益和土壤肥力是否存在差異(即最佳有機肥替代率)的研究尚鮮有報道，同時新疆是我國主要的玉米產(chǎn)區(qū)之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中過量施肥現(xiàn)象普遍。因此，本研究通過田間小區(qū)試驗，研究等養(yǎng)分條件下不同有機肥替代率對玉米生長、產(chǎn)量、經(jīng)濟效益及土壤肥力的影響，探索最佳的有機肥替代率，以期為當?shù)赜衩咨a(chǎn)中合理利用養(yǎng)分資源、減少化肥投入提供可行性依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于新疆伊寧縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)示范園(43°55′N，81°33′E，海拔683 m)。該縣屬中溫帶干旱內(nèi)陸山地氣候，四季分明，日照充足，年平均氣溫10.6℃，年 最 高 氣 溫 35.8℃，≥10℃有 效 積 溫3 621.2℃，無霜期154.0～184.0 d，年降水量250.0 ～551.7 mm。試驗區(qū)土壤類型為灌溉灰鈣土，土壤(0 ～20 cm 土層)的基礎(chǔ)理化性質(zhì):堿解氮85.95 mg·kg-1、速效磷23.94 mg·kg-1、速效鉀229.24 mg·kg-1、全氮0.96 g·kg-1、有機質(zhì)12.73 g·kg-1、pH 值7.71。

1.2 試驗材料

供試玉米品種為新玉50，由新疆伊寧縣農(nóng)技推廣中心提供；供試化肥:氮、磷和鉀肥分別為尿素(含N 46.0%)、磷酸二銨(含N 18.0%，P2O548.0%)和硫酸鉀(含K2O 51.0%)。供試有機肥:商品有機肥(含N 1.77%，P2O51.95%，K2O 0.53%)，由伊犁天山新月科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2018年4月至9月進行，選取地勢平坦、地力均勻的連續(xù)地塊，于2018年4月28日進行機械播種，采用不覆膜等行距的種植方式，行距為50.0 cm，株距為21.5 cm，理論株數(shù)為9.3×104株·hm-2，灌溉方式為溝灌，其他田間管理措施按照當?shù)爻Ｒ?guī)管理方法進行。在等養(yǎng)分條件基礎(chǔ)上進行不同有機肥替代率的小區(qū)試驗，設(shè)5 個處理:(1)CK:不施肥對照；(2)CF:常規(guī)施肥；(3)8%OF:有機肥替代率為8%；(4)16%OF:有機肥替代率為16%；(5)24%OF:有機肥替代率為24%。各處理重復(fù)3 次，共15 個小區(qū)，小區(qū)面積33.2 m2(4.0 m×8.3 m)，隨機區(qū)組排列。春耕前，40%氮肥(包含全部的商品有機肥)以及全部的磷肥、鉀肥作為基肥施入。拔節(jié)期以尿素形式追施剩余60%氮肥(人工溝施)，施肥方案如表1。

表1 不同處理施肥方案Table 1 Fertilization schemes for different treatments

1.4 測定項目與方法

1.4.1 土壤樣品采集及測定 于玉米成熟期(2018年8月28日)，每小區(qū)用土鉆按照“S”形法采集0 ～20 cm 土層土樣，測定土壤理化性質(zhì)。土壤含水量測定采用烘干法；土壤容重(5～10 cm)測定采用環(huán)刀法；土壤堿解氮測定采用堿解擴散法；土壤速效磷測定采用鉬銻抗比色法；土壤速效鉀測定采用火焰光度法；土壤有機質(zhì)測定采用重鉻酸鉀-外加熱法；土壤全氮測定采用凱氏定氮法；土壤pH 值測定采用電位計法(水土比2.5 ∶1)[23]。

1.4.2 田間調(diào)查 分別于玉米苗期(2018年5月28日)、拔節(jié)期(2018年6月18日)、大喇叭口期(2018年7月6日)、吐絲期(2018年7月20日)和成熟期(2018年8月28日)，每小區(qū)選取長勢均勻的10 株玉米，測定玉米株高、莖粗(用游標卡尺測定莖基第一節(jié)間)和葉數(shù)(成熟期除外)，并用SPAD-502 葉綠素計(日本Konica Minolta 公司)測定葉片SPAD 值(苗期至大喇叭口期測定最新完全展開葉，吐絲期和成熟期測定穗位葉)。

1.4.3 玉米產(chǎn)量測定 玉米成熟后，每小區(qū)選取10株長勢均勻的玉米進行考種和測產(chǎn)，測定穗長、穗粗、禿尖長、行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重。脫粒，烘干后稱重，計算小區(qū)產(chǎn)量(折算籽粒含水量為14%)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2010 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和繪制圖表，運用SPSS Statistics 17.0 軟件對試驗數(shù)據(jù)處理和分析，采用Duncan 法對不同處理進行差異性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對玉米生長發(fā)育的影響

2.1.1 不同處理對不同生育期玉米株高、莖粗及葉數(shù)的影響 由圖1 可知，有機肥替代處理較CF 和CK 增加了玉米不同生育期的株高和莖粗，并促進葉片的生長。各處理玉米株高在苗期無顯著差異(P＞0.05)；拔節(jié)期至大喇叭口期生長最為迅速，分別較苗期增加了139.71%～216.07%和428.09%～545.33%；大喇叭口期后株高增長緩慢，至成熟期，不同處理株高大小順序為16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中8%OF、16%OF、24%OF 較CK 和CF 分別 增加 了14.02%～17.20%(P＜0.05)和6.31% ～9.28%，而各有機肥替代處理間無顯差異。各處理莖粗在苗期無顯著差異(P＞0.05)；拔節(jié)期迅速增加；大喇叭口期至吐絲期增加緩慢；成熟期有所降低，不同處理莖粗大小順序為16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF、24%OF 較CK 和CF 分別顯著增加 了23.65% ～27.52% (P＜0.05) 和10.62% ～14.09%(P＜0.05)，而各有機肥替代處理間無顯著差異(P＞0.05)。各處理葉數(shù)在苗期至拔節(jié)期迅速增加；拔節(jié)期后增加緩慢，至吐絲期時，不同處理葉數(shù)順序為8%OF ＞16%OF ＞24%OF ＞CF ＞CK，其中，8%OF、 16%OF、24%OF 較CK 和CF 分 別 增 加 了43.60%～47.38%(P＜0.05)和3.53% ～7.95%，而各有機肥替代處理間無顯著差異(P＞0.05)。綜上可知，8%OF、16%OF、24%OF 較CK 和CF 促進了玉米生長發(fā)育，玉米在拔節(jié)期和大喇叭口期營養(yǎng)生長迅速，株高、莖粗和葉數(shù)也迅速增長，此階段不同處理差異最明顯；生育后期為生殖生長階段，株高、莖粗和葉數(shù)不再增長。

圖1 不同處理對不同生育期玉米株高、莖粗及葉數(shù)的影響Fig.1 Effect of different treatments on plant height，stem diameter and leaf number of maize at different growth stages

2.1.2 不同處理對玉米葉片SPAD 值的影響 由圖2可知，有機肥替代處理較CK 和CF 增加了玉米不同生育期的葉片SPAD 值。苗期至大喇叭口期，各處理葉片SPAD 值呈先增加后平緩的趨勢；大喇叭口期至成熟期，CK 與8% OF 的葉片SPAD 值均呈下降趨勢且大喇叭口期最高，而CF、16%OF 和24%OF 呈先增加后降低的趨勢，吐絲期達到最高；成熟期各處理葉片SPAD 值差異最明顯，不同處理葉片的SPAD 值順序為16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF、24%OF 較CK 和CF 分別顯著增加了37.31%～43.53%(P＜0.05)和2.92%～7.58%(P＜0.05)。

圖2 不同處理對玉米葉片SPAD 值的影響Fig.2 Effect of different treatments on leaf SPAD values of maize

2.2 玉米產(chǎn)量及經(jīng)濟效益分析

2.2.1 不同處理對穗部性狀的影響 由表2 可知，有機肥替代處理(8%OF、16%OF 和24%OF)較CK 和CF有效改善了玉米穗部性狀，其中8%OF 和16%OF 改善效果較為明顯。8%OF、16%OF 的穗長較CF 和24%OF 分別增加了2.76%、4.92%(分別指8%OF、16%OF，下同)和4.04%、6.23%；穗粗分別增加了2.36%、3.27%和4.85%、5.78%；行粒數(shù)分別增加了5.12%、4.69%和3.09%、2.68%。

2.2.2 不同處理對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成要素影響 由表3 可知，有機肥替代處理(8%OF、16%OF 和24%OF)較CK和CF均增加了有效穗數(shù)(P＜0.05)和穗粒數(shù)，從而增加了玉米產(chǎn)量，各處理產(chǎn)量表現(xiàn)為16%OF＞8%OF＞24%OF＞CF＞CK，其中，8%OF、16%OF 和24%OF 的產(chǎn)量分別較CF 增加了17.56%、28.50%和9.82%?？梢钥闯觯?%OF、16%OF 的玉米產(chǎn)量構(gòu)成要素均較其他處理有所增加，其中，8%OF、16%OF 的有效穗數(shù)較CF 和24%OF 分別增加了2.19%、2.92%(P＜0.05) 和0、0.71%；穗粒數(shù)分別增加了5.29%、6.70%和1.78%、3.15%，千粒重分別增加了2.76%、6.62%和2.83%、6.69%。

表2 不同處理對玉米穗部性狀的影響Table 2 Effects of different treatments on ear traits of maize

表3 不同處理對玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響Table 3 Effects of different treatments on yield and yield composition of maize

2.2.3 不同施肥處理經(jīng)濟效益分析 由表4 可知，不同施肥處理的玉米產(chǎn)值為23 955.11 ～28 055.18元·hm-2，有機肥替代處理8%OF、16%OF 和24%OF分別較CF 增收2 526.54、4 100.07 和1 413.15元·hm-2； 不同施肥處理的施肥成本2 577.15 ～6 764.85 元·hm-2，有機肥替代處理8%OF、16%OF 和24%OF 的施肥投入分別較CF 增加了1 395.90、2 796.75 和4 187.70 元·hm-2，較CF 的凈收益分別為1 130.64、 1 303.32 和-2 774.55 元·hm-2，有機替代處理凈收益大小順序為16%OF＞8%OF＞24%OF，其中16%OF 的玉米產(chǎn)值，較CF 增收和凈收益最高，8%OF次之，24%OF 產(chǎn)量高于CF，而施肥投入高于其他處理，導(dǎo)致凈收益低于CF。

表4 不同處理經(jīng)濟效益分析Table 4 Analysis of economic benefits of different treatments

2.3 不同處理對成熟期土壤肥力的影響

由表5 可知，施肥處理較CK 提高了土壤肥力，并改善了土壤物理性狀，其中有機肥替代處理的改善效果較明顯。與CF 相比，8%OF、16%OF 和24%OF 的土壤堿解氮含量增加了14.89%、18.95%和13.98%；速效磷含量增加了16.81%、36.93%和7.29%；速效鉀含量增加了9.60%、11.20%和2.46%；有機質(zhì)含量顯著增加了11.85%、15.36%和13.51%(P＜0.05)；土壤pH 值降低了1.43%、0.52%和2.20%；土壤含水量增加了2.00、3.34 和1.34 個百分點；土壤容重顯著降低了7.24%、7.24%和4.61%(P＜0.05)。

表5 不同處理對成熟期土壤肥力的影響Table 5 Effect of different treatments on soil fertility at maturity

2.4 最佳有機肥替代率的確定

由圖3 可知，不同有機肥替代率與玉米產(chǎn)量滿足一元二次曲線模型，即y= -0.014 5x2＋0.399 6x＋16.932(R2=0.939 4)，即隨著有機肥替代率的增加，產(chǎn)量呈先增加后降低的趨勢。根據(jù)二者的擬合方程求得產(chǎn)量最佳的有機肥替代率為13.8%，最佳產(chǎn)量為19.69 t·hm-2，接近本研究設(shè)置處理最高產(chǎn)量(19.97 t·hm-2)； 當有機肥替代率高于27.3%時，產(chǎn)量開始低于CF(17.05 t·hm-1)。不同有機肥替代率與較CF 凈收益滿足一元二次曲線模型，即y= -20.346x2＋386.41x-164.63(R2=0.949 1)，隨著有機肥替代率的增加，較CF 凈收益呈先增加后降低的趨勢。根據(jù)二者的擬合方程求得較CF 凈收益最佳的有機肥替代率為9.5%，較CF 最佳凈收益為1 670.04 元·hm-2，高于本研究中最高較CF 凈收益處理(1 303.32 元·hm-2)，而有機肥替代率高于18.6%時，較CF 凈收益為-16.30 元·hm-2，開始低于CF(0 元·hm-2)。綜上可知，有機肥替代率為13.8%時，產(chǎn)量最高，但較CF 凈收益低于有機肥替代率為9.5%時的較CF 凈收益。因此通過模型分析，可以得出最佳有機肥替代率為9.5%，此替代率下施肥方案為:有機肥施用量1 610.2 kg·hm-2，化肥N、P2O5、K2O 施用量分別為271.5、148.6、51.5 kg·hm-2。

圖3 不同有機肥替代率對玉米產(chǎn)量和凈收益的影響Fig.3 Effect of different organic fertilizer replacement rates on maize yield and net income

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，在等養(yǎng)分條件下，較常規(guī)施肥處理(CF)，不同有機肥替代率處理(8%OF、16%OF 和24%OF) 均促進了玉米生長發(fā)育，提高了玉米生育期內(nèi)的株高、莖粗和葉數(shù)。羅洋等[24]也發(fā)現(xiàn)有機肥與化肥配施后可以促進玉米生長發(fā)育，改善玉米植株的生物學(xué)性狀。葉片SAPD 值可以快速、準確反映植物營養(yǎng)狀況和葉綠素水平[25]。本研究中，在拔節(jié)期至成熟期，不同有機肥替代率處理(8%OF、16%OF 和24%OF)的葉片SPAD 值均高于CF。推測有機肥替代部分化肥后增加了葉片的葉綠素含量，促進了玉米干物質(zhì)積累和養(yǎng)分吸收，進而延緩了玉米生育后期植株的衰老，并延長了葉片光合持續(xù)期，為作物增產(chǎn)創(chuàng)造了物質(zhì)基礎(chǔ)[26-27]。

有機肥替代技術(shù)是一種將化肥肥效快、易被作物吸收的優(yōu)點與有機肥養(yǎng)分豐富、肥效持久的優(yōu)點相結(jié)合的有機肥與化肥配合施肥方式，不僅可以為作物生育前期及時提供生長所需的養(yǎng)分，而且可以有效協(xié)調(diào)生育后期營養(yǎng)生長與生殖生長的關(guān)系，從而提高作物產(chǎn)量[11，28-30]。本研究中，與常規(guī)施肥處理相比，不同有機肥替代率處理有效改善了玉米穗部性狀，增加了穗長、穗粗、穗行數(shù)和行粒數(shù)，明顯并降低了禿尖長；通過增加有效穗數(shù)、穗粒數(shù)及千粒重，玉米產(chǎn)量構(gòu)成因子，從而使得不同有機肥替代率處理的產(chǎn)量明顯高于常規(guī)施肥處理，這與前人研究表明有機肥替代部分化肥可以改善穗部性狀和增加玉米產(chǎn)量的結(jié)果相一致[11，15，31-32]。

施肥方式是否可以實現(xiàn)減肥增效并運用到農(nóng)業(yè)實踐生產(chǎn)中，不僅需要考慮其對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響，還要考慮培肥土壤和經(jīng)濟效益等方面。土壤理化性質(zhì)是確保作物正常生長發(fā)育的重要指標[33-34]。有研究表明，有機肥替代部分化肥后可明顯增加土壤速效養(yǎng)分，以滿足作物生長需求，有利于產(chǎn)量的增加[35-37]。本研究結(jié)果與之相似，在玉米成熟期，不同有機肥替代率處理較常規(guī)施肥處理(CF)有效地改善了土壤理化性質(zhì)，其中明顯增加了土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的含量以及土壤含水量，降低了土壤pH 值和土壤容重，改善了土壤理化性質(zhì)。

在農(nóng)業(yè)種植中，常存在增加了化肥投入成本，產(chǎn)量不增反降的現(xiàn)象，因此在保障作物產(chǎn)量增加的基礎(chǔ)上，減少化肥用量的同時，能否為農(nóng)民增加經(jīng)濟效益已成為判斷減肥措施在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中是否可行的關(guān)鍵。在經(jīng)濟效益方面，不同有機肥替代率處理8%OF、16%OF和24%OF 較常規(guī)施肥處理，凈收益分別為1 130.64，1 303.32 和-2 774.55 元·hm-2，其中16%OF 的玉米產(chǎn)值、較CF 凈收益最高；而24%OF 的產(chǎn)量雖高于CF，但因商品有機肥施用量較大，使得施肥投入高于其他處理，導(dǎo)致較CF 凈收益為負，從而低于CF。前人關(guān)于最佳有機肥替代率的研究結(jié)果多有不同，祝英等[19]和謝軍等[11]分別研究發(fā)現(xiàn)有機肥替代30%化肥或替代50%化肥可以提高玉米的株高和產(chǎn)量；也有研究發(fā)現(xiàn)有機肥替代75%化肥可以提高冬小麥-夏玉米輪作體系的作物產(chǎn)量和年經(jīng)濟效益[17]?？梢姡袡C肥替代一定比例化肥可以提高玉米產(chǎn)量，但其是否能增加農(nóng)民經(jīng)濟效益少有考慮，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)綜合考慮產(chǎn)量和經(jīng)濟效益尋求最佳有機肥替代率。本研究中，不同有機肥替代率與產(chǎn)量和較CF 凈收益均呈一元二次曲線模型，隨著有機肥替代率的增加，產(chǎn)量和較CF 凈收益均表現(xiàn)為先增加后降低的趨勢，通過模型分析，最終確定最佳有機肥替代率為9.5%，此施肥方案為玉米生產(chǎn)中合理利用養(yǎng)分資源、減少化肥投入提供了可行性依據(jù)，同時增加了農(nóng)民的經(jīng)濟效益，可在一定程度上調(diào)動農(nóng)民減施化肥的積極性，有利于促進“化肥零增長”的實現(xiàn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，等養(yǎng)分條件下，不同有機肥替代率處理(8%OF、16%OF 和24%OF)較常規(guī)施肥處理(CF)促進了玉米生長發(fā)育，增加了不同生育期內(nèi)玉米株高、莖粗、葉數(shù)和葉片SPAD 值；通過有效改善玉米穗部性狀及產(chǎn)量構(gòu)成，增加了玉米產(chǎn)量；同時也改善了成熟期土壤理化性質(zhì)，其中明顯增加了土壤堿解氮、速效磷、速效鉀和有機質(zhì)的含量以及土壤含水量，降低了土壤pH 值和土壤容重。根據(jù)不同有機肥替代率與產(chǎn)量及較CF 凈收益的模型分析，確定最佳有機肥替代率為9.5%，為玉米生產(chǎn)中合理利用養(yǎng)分資源、減少化肥投入提供了可行性依據(jù)。