施用畜禽糞肥對旱地玉米生產(chǎn)力的影響

周 靜，籍增順，李永平，史向遠(yuǎn)，張曉晨

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原030031）

水資源匱乏是旱地農(nóng)業(yè)高效持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，而降水分布不均、春旱嚴(yán)重、土地質(zhì)量下降是限制旱地作物增產(chǎn)的主要因素。如何實(shí)現(xiàn)降水的資源化利用，已成為旱地農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本途徑。采用抗旱節(jié)水措施和增施有機(jī)肥均能有效提高降水利用率，特別是增施有機(jī)肥，已經(jīng)成為提高降水利用率的關(guān)鍵措施。唐小明[1]研究表明，有機(jī)肥對提高土壤肥力、作物產(chǎn)量和品質(zhì)及增強(qiáng)作物抗逆性具有相當(dāng)重要的作用，長年施用不僅可培肥地力，而且可提高土壤的抗旱保水能力，對涵養(yǎng)土壤水分有良好的作用。王貴寅等[2]研究表明，施用有機(jī)肥可提高水分有效利用率，有利于吸納雨水，防止水分滲漏和徑流；與其他節(jié)水措施相比，該方法簡單，投資少，易被群眾接受。莫翼翔[3]在黃土高原近20 a 的定位試驗(yàn)中證實(shí)，有機(jī)肥在水肥耦合、培肥地力、提高化肥肥效以及減輕化肥污染等方面有很大作用。黨廷輝[4]研究表明，增施有機(jī)肥有利于提高土壤的蓄水保水性能，還可以顯著提高旱地作物水分利用效率和底墑利用率。王曉娟等[5]研究表明，在同一秸稈還田水平及不還田處理下，玉米的水分利用效率隨著有機(jī)肥施用量的增加而升高，施有機(jī)肥22.5 t/hm2的玉米水分利用效率較不施肥處理顯著提高29.5%～66.4%。

山西地處黃土高原生態(tài)環(huán)境脆弱帶，全省80%以上的耕地屬于旱地。玉米作為全省第1 大糧食作物，2011 年種植面積達(dá)到172.3 萬hm2，其中，旱地玉米在玉米總種植面積中占到80%以上，因此，提高旱地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力對山西的農(nóng)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，城鄉(xiāng)畜牧業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速，農(nóng)村畜牧業(yè)的發(fā)展已成為山西農(nóng)村的支柱產(chǎn)業(yè)之一，成為農(nóng)民收入的重要來源。但由于畜禽數(shù)量大幅增加，畜禽糞便污染成為一個(gè)重要的污染源。據(jù)預(yù)測，2020 年中國畜禽糞便每年排放總量將達(dá)到42.44 億t[6]，隨著中國養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，畜禽糞便造成的環(huán)境污染將會(huì)更加嚴(yán)重。畜禽糞便的資源化利用是目前亟待解決的問題。畜禽糞便農(nóng)用化，不但能有效緩解畜禽糞便對環(huán)境的污染，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了培肥地力的目的，對解決畜禽糞便污染是直接有效的實(shí)現(xiàn)途徑。隨著農(nóng)業(yè)集約化水平的提高和人們施肥觀念的改變，畜禽糞肥也越來越多地被納入農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)，“糞便還田”日漸趨于常態(tài)。許多學(xué)者已對畜禽糞肥改善環(huán)境條件、提高作物產(chǎn)量等作用進(jìn)行了大量的研究[7-13]，但就旱作農(nóng)業(yè)區(qū)糞肥定量施用的報(bào)道尚不多見。

本試驗(yàn)以雞糞肥為供試材料，對不同施肥梯度下的旱地玉米土壤水分狀況、玉米生物學(xué)性狀指標(biāo)、光合生理指標(biāo)及產(chǎn)量進(jìn)行了研究，旨在為區(qū)域性畜禽糞肥的合理施用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在山西省忻州市忻府區(qū)解原鄉(xiāng)新路村，屬季風(fēng)型溫帶大陸性氣候，平均海拔825.0 m，年均日照時(shí)數(shù)2 807.5 h，年均氣溫8.5 ℃，≥10 ℃積溫3 269.6 ℃，無霜期149 d。多年平均降水量428.7 mm，年蒸發(fā)量1 784.4 mm，玉米生育期降水量為476.5 mm[14]。試驗(yàn)區(qū)地勢平坦，土壤為褐土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)8.37 g/kg，全氮0.49 g/kg，堿解氮52.1 mg/kg，有效磷1.29 mg/kg，速效鉀89.0 mg/kg。

1.2 研究方法

試驗(yàn)于2010 年5 月開始，供試玉米品種為先玉335，供試畜禽糞肥為雞糞。試驗(yàn)共設(shè)4 個(gè)處理（表1），每個(gè)處理3 次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，共12 個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積4.8 m×5 m，每小區(qū)種植玉米8 行，行長5 m，行距0.6 m，株距0.32 m，相鄰2 小區(qū)之間留30 cm 隔離帶。以不施雞糞為對照。播種方式采用人工點(diǎn)播。氮磷鉀復(fù)合肥（N 15%，P2O515%，K2O 15%）采用溝施，每公頃地施肥量為600 kg。試驗(yàn)的前茬作物為玉米，玉米秸稈采用就地還田形式，2011 年秸稈還田量每公頃地6 000 kg。

表1 試驗(yàn)設(shè)置

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 土壤含水量 采用土鉆取土，烘干法測定，測定深度200 cm，0～100 cm 每10 cm 取土一次，100～200 cm 每20 cm 取土一次。

土壤含水量＝（土壤鮮質(zhì)量－土壤干質(zhì)量）/土壤干質(zhì)量×100%。

1.3.2 作物總耗水量 利用公式計(jì)算作物總耗水量。

ET＝P＋U－R－F－ΔW

式中，ET 為玉米生育期耗水量（mm），P 為生育期降雨量（mm），U 為地下水補(bǔ)給量（mm），R為徑流量（mm），F(xiàn) 為深層滲漏量（mm），ΔW 為玉米收獲時(shí)與播種前土壤貯水量之差（mm）。由于試驗(yàn)地為黃土母質(zhì)發(fā)育形成的褐土，疏松多孔，1 h 雨水入滲量可以達(dá)到80 mm 左右，再加上試驗(yàn)地平整，地表徑流小；地下水埋深在10 m 以下，不易上移補(bǔ)給；在有作物生長的農(nóng)田，多雨年份降水入滲深度不超過2 m，所以，F(xiàn)，U，R 可忽略不計(jì)。

1.3.3 玉米水分利用效率 利用公式計(jì)算水分利用效率。

WUE＝Y(jié)/ET

式中，WUE 為玉米水分利用效率（kg/（mm·hm2）），Y 為玉米單位面積產(chǎn)量（kg/hm2）。

1.3.4 光合生理指標(biāo) 分別在6 月29 日、7 月28 日（晴天）用CI-310 便攜式光合儀測定玉米穗位葉的光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）。

1.3.5 生物學(xué)性狀指標(biāo)和產(chǎn)量 在小區(qū)內(nèi)選擇有代表性的植株20 株，測定其穗部性狀；按小區(qū)進(jìn)行測產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 繪制圖表，用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 施用糞肥對旱地玉米水分利用效率的影響

隨著施肥量的不同，土壤水分的變化也不盡相同。2011 年忻州地區(qū)全年降水量為510.7 mm，玉米生育期降水量為476.5 mm，雨熱同期，玉米在生長期沒有受到水分脅迫的影響。由表2 可知，施用雞糞能不同程度地提高玉米水分利用效率，根據(jù)方差分析，處理1，2，3 水分利用效率與CK 相比，均達(dá)顯著水平，其中，處理2，3 土壤水分利用效率較高，與CK 相比，分別增加了38.97%和43.36%。這是因?yàn)橛袡C(jī)肥施入土壤后增加了土壤中有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)經(jīng)過微生物分解形成了腐植酸，它可以使松散的土壤顆粒膠結(jié)成土壤團(tuán)聚體，使土壤孔隙度增大、土壤容重變小，從而易于截留、吸附滲入土壤中的水分。

表2 不同處理對玉米水分利用效率的影響

2.2 施用糞肥對旱地玉米生長性狀的影響

由表3 可知，隨著施糞水平的不同，各農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量的影響也不盡相同。處理1 穗位高對產(chǎn)量的影響最大，其各農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的密切關(guān)系依次為：穗位高＞節(jié)間長＞莖粗＞株高；處理2，3 各農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量影響程度由大到小均為：莖粗＞節(jié)間長＞穗位高＞株高，說明在處理2，3施肥水平下，莖粗對產(chǎn)量的形成意義重大。CK 株高對產(chǎn)量影響最大，其次是莖粗和穗位高，對產(chǎn)量影響最小的為節(jié)間長。

表3 玉米產(chǎn)量與其生長性狀指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

由表4 可知，各施肥處理的株高、穗位高、莖粗均顯著高于CK，同時(shí)，施肥處理的節(jié)間長均小于CK。其中，處理1 的株高最高，與CK 相比，增長量達(dá)7%，且二者之間差異顯著；穗位高由高到低為處理3＞處理2＞處理1＞CK，各施肥處理穗位高與CK 相比，其增幅為11%～15%；莖粗處理2 最大，顯著高于處理3 和CK，但與處理1 之間差異不顯著；節(jié)間長處理3 最短，處理2 和處理1 次之，CK 最長。說明合理施用糞肥，不但可以有效滿足作物的營養(yǎng)需求，活化土壤養(yǎng)分，而且可以有效促使作物壯根、促苗、硬莖、保果，從而促進(jìn)作物的健康生長。

表4 不同施肥處理對玉米各農(nóng)藝性狀的影響cm

2.3 施用糞肥對玉米主要光合生理指標(biāo)的影響

2.3.1 凈光合速率 隨著旱地玉米生育期的推進(jìn)，其葉片凈光合速率總體呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，這與左仁輝等[15-17]的研究相同（隨著葉片的衰老，光合能力逐漸下降）。從圖1 可以看出，施肥處理的凈光合速率均大于對照，其凈光合速率由大到小為處理3＞處理2＞處理1＞CK。在6 月29 日的測定中，處理3 的凈光合速率最大，為43.65 μmol/（m2·s），顯著高于對照（F＝3.26，P＝0.080 6）；處理1，2 的凈光合速率雖然高于對照，但差異不顯著；與對照相比，施肥處理凈光合速率增幅為2.12%～7.12%。在7 月28 日的測定中，整體變化趨勢與6 月29 日測定結(jié)果相同，處理3 的凈光合速率最高，顯著高于處理1 和對照，但與處理2 之間差異不顯著，施肥處理凈光合速率較對照增幅在28.95%～65.79%之間。說明合理施用糞肥，可以提供更多的微生物，對作物生長有促進(jìn)，同時(shí)微生物活動(dòng)對有機(jī)質(zhì)的礦化起到了加速作用，進(jìn)一步促進(jìn)了植物養(yǎng)分的吸收，延長了玉米高光合持續(xù)期，進(jìn)而提高了作物凈光合速率；相反，糞肥施用不足或不施肥情況下，隨著作物營養(yǎng)需求的增加，加速了葉片的衰老，葉綠素捕獲光能和轉(zhuǎn)化化學(xué)能的能力均有所下降，導(dǎo)致了作物提前衰老，起不到增產(chǎn)作用。

2.3.2 氣孔導(dǎo)度 由圖2 可知，氣孔導(dǎo)度的變化與凈光合速率變化相似，隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)呈下降趨勢。在6 月29 日測定中，氣孔導(dǎo)度各處理間差異不顯著，與對照相比，處理3 的氣孔導(dǎo)度最大，提高了5%。在這一時(shí)期，降水量呈上升趨勢，降水總量為197.3 mm，占全年降水總量的1/3，水分供應(yīng)充沛，水分對作物氣孔導(dǎo)度的影響大于肥料的影響。在7 月28 日測定中，隨著葉片的日漸衰老，氣孔導(dǎo)度也在減小。施肥處理的氣孔導(dǎo)度均大于對照，處理2，3 的氣孔導(dǎo)度較大，與對照相比，氣孔導(dǎo)度分別提高了53%，44%，且差異顯著；而處理1 與對照之間差異不顯著。說明在水分充足的條件下，不同施肥處理對氣孔導(dǎo)度的影響不大，但在水分不足的條件下，施肥對氣孔的開閉具有一定的調(diào)節(jié)作用，同時(shí)合理施肥能夠起到“以肥調(diào)水”的作用。因此，合理施肥能夠促進(jìn)氣孔導(dǎo)度的提高，進(jìn)而提高作物的光合作用。

2.3.3 蒸騰速率 由圖3 可知，旱地玉米蒸騰速率隨著作物生育期的推進(jìn)而降低，配施糞肥的處理蒸騰速率均小于對照。在6 月29 日的測定中，葉片蒸騰速率由小到大為處理3＜處理2＜處理1＜CK，施肥處理蒸騰速率較對照降幅為11%～20%，其中，處理2 和處理3 的蒸騰速率較低，分別比對照降低了18%，20%。在7 月28 日的測定中，蒸騰速率的變化規(guī)律與6 月29 日的測定結(jié)果相似，葉片的蒸騰速率處理1 和處理2 較小、處理3 次之、對照最大。對照的蒸騰速率是施肥處理的1.7～2.3 倍。說明合理配施糞肥能有效抑制作物無效蒸發(fā)，為作物后期生長提供持續(xù)養(yǎng)分，維持植物體內(nèi)水肥平衡，保持植物活性，進(jìn)而提高植物的光合作用。

2.3.4 胞間二氧化碳濃度 胞間二氧化碳濃度是表征作物光合作用的重要指標(biāo)，其對葉肉細(xì)胞的羧化作用有很大影響。

由圖4 可知，處理2 和處理3 的胞間二氧化碳濃度較低。在6 月29 日的測定中，處理2 和處理3 的胞間二氧化碳濃度顯著低于處理1 和對照，但處理1 與對照之間差異不顯著。與對照相比，處理2 和處理3 的胞間二氧化碳濃度分別降低了38.61%，40.31%。在7 月28 日的測定中，施肥處理的胞間二氧化碳濃度均顯著低于對照，降幅為61.96%～67.62%。說明施用糞肥在一定程度上可以滿足作物的養(yǎng)分需求，使得CO2同化能力提高，從而降低胞間二氧化碳濃度。同時(shí)通過對2 個(gè)生育期胞間二氧化碳濃度的測定可知，在降水相對充足的月份，各處理間胞間二氧化碳濃度相對差異小且降幅不大；但在相對干旱的條件下，施肥處理的胞間二氧化碳濃度顯著低于對照，這與張立新等[18]的研究結(jié)果相似。

2.4 施用糞肥對旱地玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

由表5 可知，不同施肥處理下，作物產(chǎn)量與穗粗、百粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與禿尖程度成顯著負(fù)相關(guān)。由表6 可知，不同處理作物產(chǎn)量由高到低為處理3＞處理2＞處理1＞CK，施肥處理的旱地玉米產(chǎn)量均顯著高于對照，其中，處理3產(chǎn)量最高，為13 842.60 kg/hm2，較對照增產(chǎn)39%；旱地玉米穗長最大的是處理3，比對照增加0.45 cm，且二者之間差異顯著；穗粗處理2 最大，為5.15 cm，但各處理間差異不顯著；處理2 和處理3 的禿尖較小，其禿尖程度顯著低于對照；百粒質(zhì)量由大到小為處理3＞處理2＞處理1＞CK，處理2 和處理3 之間差異不顯著，但顯著高于對照，與對照相比，百粒質(zhì)量分別增加9.04，9.06 g。由此可知，合理施肥在促進(jìn)玉米健康生長的同時(shí)，對減少禿尖出現(xiàn)的次數(shù)和程度有積極意義，進(jìn)而對作物產(chǎn)量的提高有促進(jìn)作用。

表5 不同處理下旱地玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)系數(shù)

表6 不同施肥處理下旱地玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素分析

3 結(jié)論與討論

本研究表明，不同施肥處理比對照可有效提高旱地玉米產(chǎn)量25.59%～39.15%，其中，處理3的產(chǎn)量提高幅度最大，但經(jīng)濟(jì)效益最差。王立剛等[19]研究表明，有機(jī)肥施入土壤后大量地增加了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，有機(jī)質(zhì)經(jīng)過微生物的分解形成了腐植酸，它可以使松散的土壤單粒膠結(jié)成土壤團(tuán)聚體，使孔隙度增大、土壤容重變小，易于截留吸附滲入土壤中的水分和釋放出的營養(yǎng)元素離子，使有效養(yǎng)分元素不易被固定。且土壤結(jié)構(gòu)體疏松多孔、微孔隙豐富，能為作物生長提供充足的基肥，同時(shí)可增強(qiáng)土壤蓄水納墑的能力，為作物生長提供適宜的生長環(huán)境，避免了作物過早衰老，延長了作物高光效的持續(xù)期，為作物產(chǎn)量的形成奠定了良好基礎(chǔ)，對作物生長起到了“壯根、促苗、增果”的作用。

不同施肥處理與對照相比，能有效提高作物水分利用效率25.80%～43.36%，說明旱地施用有機(jī)肥具有明顯的蓄水保墑效果，但比王生錄等的研究結(jié)果偏高，其原因可能主要有2 個(gè)方面：一是因?yàn)榈赜蛞蛩睾徒邓康牟煌弥莸貐^(qū)2011 年降水量與往年相比偏高，雨水充沛從而導(dǎo)致作物水分利用率高；二是供試材料不同，從而影響了土壤腐殖化和礦化過程，進(jìn)而影響了作物水分利用效率。

在本試驗(yàn)中，更多地考慮了土壤因素對產(chǎn)量的影響，而對植物本身因素對產(chǎn)量的影響考慮較少，例如，不同處理間根系的長度、主根數(shù)量以及植株本身養(yǎng)分含量沒有及時(shí)測定，同時(shí)旱作農(nóng)業(yè)受降水的影響比較大，今后需要對不同降水類型年份的旱地玉米各項(xiàng)理化指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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