有機肥替代部分化肥對干旱區滴灌玉米養分吸收及產量影響①

孟超然，白如霄，候建偉，張新疆，張皓禹，危常州*

(1 石河子大學農學院/新疆生產建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832003；2 新疆生產建設兵團第九師農業科學研究所，新疆塔城 834600；3 昭蘇自治區級農業科技園區，新疆昭蘇 835600)

我國人口眾多，約占全球人口的18.7%，而耕地面積僅占全球耕地面積的7.5%[1]，糧食安全的耕地壓力使化肥大量施用在我國成為普遍現象[2]，據統計，我國化肥施用量為全球化肥施用量的31%[1]。大量施用化肥雖然在一定程度上保證了糧食安全，但同時造成了嚴重的環境污染和農業生產成本上升[3]，給土壤質量和農業生產的持續發展帶來新的挑戰。為提高肥料利用率，減少不合理投入，保障糧食等主要農產品有效供給，促進農業可持續發展，農業部制訂了《到2020 年化肥使用量零增長行動方案》[4]，提出到2020 年我國要實現化肥“零增長”的戰略目標。

玉米作為重要的糧飼兼用作物以及重要的工業原材料[5]，在保障糧食安全方面具有重要戰略意義。我國北方玉米農民習慣施肥量氮(N) 、磷(P2O5) 、鉀(K2O) 肥分別為224、62、49 kg/hm2[6]，但氮肥、磷肥、鉀肥利用率僅分別為32%、25%、43%[7]，農民因盲目追求高產而大量施化肥、施肥結構不合理等是造成這種現象的主要原因。而化肥長期大量施用的負面影響也逐漸凸顯出來，例如，肥料利用率不高(30%左右)[8]、氮肥的淋溶和磷素的固定[9]、病蟲害的加重、農產品質量的下降[10]。如何在高產、高收益條件下通過改善玉米施肥技術，降低化肥的施用量是一項亟待解決的重大問題。目前的研究中，通過有機肥替代部分化肥，降低化肥施用量、提高肥料利用率、提高作物產量是一項重要研究領域，但在新疆干旱區滴灌條件下此類研究相對缺乏。此試驗以新疆北疆干旱區滴灌玉米為研究對象，探索有機肥替代部分化肥下玉米干物質積累、養分吸收特征及其對玉米產量的影響，尋求適用于該地區特殊水肥管理模式的有機肥替代部分化肥方案，為該地區節肥增效的新型農業生產模式提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017 年4—10 月在新疆維吾爾族自治區石河子市石河子大學農學院試驗站進行。石河子市地處天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，屬典型的溫帶大陸性氣候，年均氣溫7 ～ 8 ℃，年日照時長2 721 ～ 2 818 h，無霜期168 ～ 171 d，年降水量180 ～ 270 mm，蒸發量1 000 ～ 1 500 mm。供試土壤類型為灌耕灰漠土，基本理化性狀為：有機質25.74 g/kg，堿解氮42.63 mg/kg，有效磷10.46 mg/kg，速效鉀138.84 mg/kg，pH 7.80。

1.2 試驗設計

供試玉米品種為飼用玉米SC704，采用機械點播，覆膜種植，一膜四行，株距為25 cm，行距配置30 cm + 60 cm + 30 cm，理論密度為8.8×104株/hm2，其他栽培管理措施參照當地常規管理方法。設計8個處理，對照處理：①CK，無氮對照；②CF，單施化肥，常規施肥對照。不同比例下有機肥替代部分化肥處理：③CF+8%OF，8% N 由生物有機肥提供；④CF+16%OF，16% N 由生物有機肥提供；⑤CF+24%OF，24% N 由生物有機肥提供。不同種類有機肥替代部分化肥處理：⑥CF+16%CM，16% N 由牛糞提供；⑦CF+16%SM，16% N 由羊糞提供；⑧CF+1 6%SR，16% N 由玉米秸稈提供。試驗所用有機肥養分含量分別為，生物有機肥：N 30.0 g/kg，P2O520.0 g/kg，K2O 20.0 g/kg；牛糞：N 10.6 g/kg，P2O56.3 g/kg，K2O 13.4 g/kg；羊糞：N 15.9 g/kg，P2O54.1 g/kg，K2O 14.7 g/kg；秸稈：N 11.5 g/kg，P2O54.6 g/kg，K2O 6.8 g/kg，其中生物有機肥有效活菌數為0.5 億/g，有機質含量為45%。有機肥均在春季農田翻耕時施入。各處理重復3 次，各重復面積20 m2，完全隨機排列。各處理養分投入量如表1 所示。

表1 各處理養分投入量Table 1 Nutrient input of each treatment

1.3 測定項目和方法

植株干物質積累動態：在玉米拔節初期(出苗39 d)、大喇叭口期(出苗58 d)、抽雄期(出苗93 d)、成熟期(出苗123 d)采集植株樣品，各重復每次采 3 株有代表性的玉米植株，分器官于105 ℃ 殺青30 min，后于85 ℃ 烘干稱重。

植株養分吸收動態：每次采集的植株樣品烘干樣品粉碎后用H2SO4-H2O2消煮，以奈氏比色法測全氮含量，釩鉬黃比色法測全磷含量，火焰光度計法測全鉀含量。

產量：在玉米成熟后，各重復選取6.67 m2面積對玉米產量進行測定，同時測定各穗穗行數、行粒數及千粒重。

氮素效率：氮素表觀利用率(%)= (N-N0)/F×100，表征作物對肥料中 N 的回收效率；

氮素偏生產力(kg/kg)=Y/F，指單位氮肥所生產的作物產量；

氮素生理利用率(kg/kg)= (Y-Y0)/(N-N0)，指作物吸收單位氮素獲得的籽粒產量增加量；

氮素貢獻率(%)= (Y-Y0)/Y×100，指施氮量增加的產量占總產量的比率。

式中：Y和Y0 分別為施氮處理和CK 處理所獲得的玉米籽粒產量，N和N0 分別為施氮和不施氮處理作物地上部氮素吸收總量，F為氮素投入量。

1.4 數據處理

利用 Excel 2016 進行數據存儲和整理，SPSS PASW Statistics 18.0 對數據作統計學分析。

2 結果

2.1 有機肥替代部分化肥對玉米產量及產量構成的影響

各處理玉米產量及其構成要素如表2 所示。各有機肥替代部分化肥處理玉米產量除CF+24%OF 均顯著大于CF 處理。不同替代比例下玉米產量表現為CF+8%OF ＞ CF+16%OF ＞ CF+24%OF ＞ CF，有機肥替代 8%、16%、24% 化肥較單施化肥分別增產13.81%、10.50%、8.50%；不同有機肥種類處理產量表現為CF+16%SM ＞ CF+16%CM ＞ CF+16%SR ＞CF+16%OF ＞ CF，分別較CF 增產21.00%、13.51%、13.08%、10.50%。產量構成因素分析結果顯示，玉米產量差異主要來源于各處理玉米行粒數和千粒重之間的差異。

表2 不同處理對玉米產量及其構成要素的影響Table 2 Maize yields and its components under various fertilization treatments

2.2 有機肥替代部分化肥對玉米干物質積累的影響

對玉米干物質積累量的記錄分析結果如表3 所示。玉米干物質積累速率總體表現為成熟期最大，大喇叭口期次之，拔節初期最小的規律。不同替代比例處理玉米干物質積累量拔節初期、大喇叭口期和抽雄期均小于CF 處理，至成熟期則表現為CF+8%OF＞CF+16%OF ＞CF＞ CF+24%OF ＞ CK。不同有機肥種類處理間玉米干物質積累量拔節初期、大喇叭口期和抽雄期均無顯著差異，且均小于CF 處理，成熟期表現為CF+16%SM ＞CF+16%SR ＞ CF+16%OF ＞ CF+16%CM ＞ CF ＞ CK。花后積累比例指玉米抽雄期至成熟期干物質積累量占積累總量的比值，有機肥替代部分化肥處理玉米干物質花后積累比例均大于單施化肥處理，CF+8%OF、CF+16%OF 和CF+24%OF 較CF 分別提高4.95%、3.23% 和4.26%，CF+16%OF、CF+16%CM、CF+16%SM 和CF+16%SR 較CF 分別提高3.23%、3.14%、11.81% 和10.64%。

表3 不同處理對玉米單株干物質積累的影響Table 3 Maize dry matter accumulation per plant under various fertilization treatments

2.3 有機肥替代部分化肥對玉米養分吸收的影響

有機肥替代部分化肥下玉米氮養分吸收特征如表4 所示。玉米氮養分吸收速率總體表現為成熟期最大，大喇叭口期次之，拔節初期最小的規律。不同替代比例處理玉米氮養分吸收量出苗至抽雄期各階段與CF 無顯著差異；成熟期以CF+8%OF 吸收量最大，顯著大于CF+24%OF 和CF；氮養分吸收總量表現為CF+8%OF ＞ CF+16%OF ＞ CF ＞ CF+24%OF。不同有機肥種類處理玉米氮養分吸收量拔節初期與CF 無顯著差異；拔節至抽雄期以CF 最大，且CF+16%CM、CF+16%SM 及CF+16%SR 均小于CF+16%OF；成熟期各處理玉米氮養分吸收量則均顯著大于CF；吸收總量CF+16%SM＞ CF+16%OF＞ CF+16%CM ＞CF ＞CF+16%SR。有機肥替代部分化肥均可較單施化肥提高玉米植株花后氮養分積累比例，增幅以 CF+16%CM 和CF+16%SM 最大，達19.45%。

表4 不同處理對玉米氮素吸收的影響Table 4 Maize nitrogen uptake under various fertilization treatments

與氮養分吸收規律相同，玉米各生育階段磷養分吸收速率同樣表現為成熟期最大，大喇叭口期次之，拔節初期最小變化規律(表5)。玉米拔節初期、抽雄期、成熟期磷養分吸收量各替代比例處理間及與CF均無顯著差異，大喇叭口期則表現為 CF+24%OF＞CF+8%OF = CF+16%OF ＞ CF，各替代比例處理均顯著大于CF，磷養分吸收總量CF+8%OF ＞ CF ＞CF+16%OF ＞ CF+24%OF。不同種類有機肥處理玉米磷養分吸收量除CF+16%OF 在大喇叭口期顯著大于CF，CF+16%SM 和CF+16%SR 在成熟期顯著低于CF，其余各處理在各階段均與CF 無顯著差異；磷養分吸收總量CF+16%CM ＞ CF ＞ CF+16%OF ＞ CF+16%SM ＞ CF+16%SR。

與氮、磷養分吸收規律不同，玉米鉀養分吸收最大速率出現在大喇叭口期，其余階段吸收速率均明顯低于此階段(表6)。大部分有機替代處理間玉米鉀養分吸收量拔節初期、大喇叭口期均無顯著差異，且與CF 差異均未達到顯著水平。抽雄期、成熟期各替代比例處理鉀養分吸收量均大于CF，鉀養分吸收總量CF+8%OF = CF+16%OF ＞ CF+24%OF ＞ CF。不同有機肥種類處理間玉米鉀養分吸收量拔節初期、大喇叭口期同樣無顯著差異。CF+16%CM、CF+16%SM、CF+16%SR 在抽雄期鉀養分吸收量顯著低于CF+16%OF，且與CF 差異不顯著，但至成熟期則顯著大于CF+16%OF 和CF。鉀養分吸收總量CF+16%SM ＞ CF+16%SR ＞CF+16%CM ＞ CF+16%OF ＞CF。CF+16%SM 處理玉米花后鉀養分積累比例增幅最大，達15.44%。

表5 不同處理對玉米磷素吸收特征Table 5 Maize phosphorous uptake under various fertilization treatments

表6 不同處理對玉米鉀素吸收特征Table 6 Maize potassium uptake under various fertilization treatments

2.4 有機肥替代部分化肥對氮素利用率及經濟效益的影響

對各處理氮素利用率分析結果如表7 所示。可以看出有機肥替代部分化肥處理各氮素利用率指標較CF 均有不同程度的增高。化肥氮表觀利用率以CF+16%SM 最大，較CF 提高了21.36%，總氮表觀利用率以CF+8%OF 最大，較CF 提高了12.04%；化肥氮素偏生產力以CF+16%SM 最大，較CF 提高了19.62%，總氮偏生產力以CF+16%SM 最大，比CF大 9.36%。氮素生理利用率最大的處理為 CF+24%OF，氮素貢獻率最大者為CF+16%SM 處理，分別較CF 增加29.64%、12.63%。需要指出的是總氮表觀利用率CF+24%OF、CF+16%SR 顯著低于CF，但二者氮素生理利用率與氮素貢獻率則顯著大于CF。

對各處理經濟效益分析結果如表8 所示。不同替代比例處理以CF+8%OF 效益最大，CF+8%OF、CF+16%OF、CF+24%OF 較CF 效益分別增加1 455.90、-63.15、-1 355.25 元/hm2，分別提高了26.64%、-1.16%、-24.80%。不同有機肥種類處理經濟效益以CF+16%SM 最大，較CF 增加3 556.05 元/hm2，提高了65.08%，其他處理也有不同程度的提高。

表7 不同處理對氮素利用率的影響Table 7 N efficiency under various fertilization treatments

表8 不同處理的化肥經濟效益(元/hm2)Table 8 Economic benefits under various fertilization treatments

3 討論

3.1 有機肥替代部分化肥對玉米干物質積累和產量的影響

高產是農業生產追求的首要目標，本研究發現各處理產量相對較高者干物質積累量也相對較大，這與黃振喜等[11]的研究結果一致。說明充足的干物質積累是高產形成的前提條件。關于有機肥替代部分化肥對作物生長影響的研究目前已有很多，吳迪等[12]的研究表明，化肥配施有機肥可顯著提高春玉米干物質最大積累速率和總積累量，為獲得較高玉米籽粒產量提供了物質基礎，最終增產20.40%。姜佰文等[13]的研究表明，有機肥替代部分化肥可提高水稻干物質積累量26.90%，增產22.60%。本研究以不同替代比例及不同種類有機肥替代化肥，除CF+24%OF 均使玉米干物質積累量較CF 有所提高，最終可使玉米增產8.50% ～ 13.81%，說明在本研究區特殊的水肥管理模式下有機肥替代部分化肥同樣可以對作物生長產生積極的影響，究其原因，可能是有機肥替代部分化肥較單施化肥土壤養分供應能力不同，導致玉米植株養分吸收特征不同，這可能同時也是本試驗中CF+24%OF 玉米植株干物質積累量低于CF 的主要原因。但干物質積累量增加并不意味著作物產量提高，如：生長前期干物質積累過快是造成玉米倒伏的主要原因，嚴重影響產量。有研究指出，玉米吐絲后干物質積累對產量影響最大[14]，因此提高玉米花后干物質積累比例是保證高產的重要措施。崔紅艷等[15]的研究表明有機無機肥配施促進了胡麻蕾期后的干物質積累，聶俊等[16]的研究表明配施有機肥可以提高水稻分蘗期至成熟期的干物質積累，本研究發現有機肥替代部分化肥可明顯提高玉米干物質花后積累比例，以CF+16%SM 增幅最大，為11.81%，其原因同樣可以歸結于有機肥替代部分化肥對植株養分吸收的影響。

3.2 有機肥替代部分化肥對玉米養分吸收的影響

干物質積累是作物產量形成的前提，養分吸收則是干物質積累的基礎。本研究發現，玉米植株氮養分吸收速率最快的階段為成熟期，此階段同樣為氮吸收量最大階段，占整個生育期吸收量的 36.80% ～56.25%，這與崔海巖等[14]的研究結果相似。田昌等[17]的研究發現，有機肥氮替代10% 化肥氮較單施化肥可增加冬油菜氮養分吸收量，而30%、50% 替代比例下則有所降低，與其研究結果相似，本研究中玉米各階段氮養分吸收量CF+8%OF ＞ CF ＞ CF+16%OF ＞CF+24%OF，說明較高的替代比例存在減少作物氮養分吸收量的風險，其原因可能是替代比例大則化肥減量多，且有機肥需要經過一系列較長時限的自身養分釋放[18]、土壤養分活化等[19]，才能對作物養分吸收產生積極影響，故導致養分總體供應不足。這也解釋了本研究中CF+24%OF 未能使玉米干物質積累量較CF 有所提高，CF+16%CM、CF+16%SR 同樣明顯存在此現象，則需要同時考慮有機物料特性，試驗所用生物有機肥含有效活菌數0.5 億/g，一方面可直接作用于作物根際，刺激作物生長、提高土壤肥力和抑制有害微生物的活動；另一方面，有機肥物料需要經過微生物發酵分解，才可以被植物吸收利用，而有效活菌可對此過程產生促進作用，加之牛糞、羊糞、玉米秸稈腐解時的“掘氮效應”[20]，解釋了拔節至抽雄期玉米氮素吸收量 CF+16%CM、CF+16%SM 及CF+16%SR 均小于CF+16%OF 的現象。基于此類理論，本研究發現的各有機肥替代部分化肥處理均可較單施化肥提高玉米植株花后氮素積累比例，且以CF+16%CM和CF+16%SM增幅最大的現象也得以解釋，而各有機肥替代部分化肥處理玉米產量均較單施化肥有所提高，說明玉米植株氮養分吸收時期對產量形成而言非常重要。

與玉米植株氮養分吸收特征相似，磷養分同樣以成熟期吸收速率最大、吸收量最大，占整個生育期吸收總量的60% 以上。因磷素的特殊性質，磷肥施入土壤后僅能在較短時間內增加土壤有效磷含量[21]，加之本研究區石灰性土壤條件，磷肥肥效更易受限。本研究中拔節初至抽雄期各有機肥替代部分化肥處理玉米植株磷養分吸收量普遍大于 CF，且以CF+24%OF 最大，說明有機肥替代部分化肥可以提高磷肥的有效性，這與很多研究結果相似[22-23]，其主要原因可能是有機肥分解產生的有機酸、攜入土壤的有機質促進了無效態磷向有效態的轉化[24]。

玉米鉀養分吸收規律與氮、磷養分吸收明顯不同。本研究發現，玉米對鉀養分吸收速率、吸收量最大的時期在拔節至大喇叭口期，而花后積累比例僅為8.93% ～ 24.37%，這與何萍等[25]的研究結果一致。本研究中，出苗至大喇叭口期各階段不同施肥處理玉米鉀養分吸收量并無較大差異，可能是因為鉀肥作為基肥一次投入，且研究區土壤速效鉀含量較高，玉米鉀養分吸收未受限制。大喇叭口至成熟期，大部分有機肥氮替代部分化肥氮處理玉米鉀養分吸收量較CF 顯著增加，則可能是因為前期鉀養分的大量吸收導致土壤速效鉀含量降低，而配施有機肥，增加了此階段土壤速效鉀含量及有效性。這與徐明崗等[26]的研究結果一致。有研究指出[27]，鉀肥后移并不能提高玉米產量，但增加生長后期鉀養分吸收量，對提高玉米籽粒品質十分重要[28]。

3.3 有機肥替代部分化肥優化方案分析

目前關于有機肥替代部分化肥的研究較多，但沒有統一替代方法。有研究者單純通過增施有機肥[29]，或通過搭配若干個既定的化肥、有機肥用量[30]，進行化肥配施有機肥的研究。也有研究者以有機肥中全氮含量為計算標準，設計不同的化肥和有機肥比例[31]，本研究采用這種替代方法，一方面考慮到養分供給對作物生長的重要性，另一方面也符合化肥減量施用的要求，兼顧化肥和有機肥效率，降低生產投入。研究結果顯示，各有機肥替代部分化肥處理較CF 均不同程度地提高了氮素偏生產力、生理利用率及貢獻率，但肥料總氮素表觀利用率CF+24%OF、CF+16%SR 顯著低于CF，可能是上文所述有機物料養分釋放慢、腐解過程“掘氮效應”在較短年限下的具體表現。說明較短年限內不宜采用有機肥替代較大比例化肥的方案，同時需要充分考慮有機物料特性，而長期施行下的有機肥替代部分化肥適用方案則需要進一步研究。農業生產效益同樣是評價施肥方案優劣的重要指標。目前市面上生物有機肥價格較高，在2000 元/t 左右，本研究在不同比例下以生物有機肥替代化肥，均增加了農業生產投入，嚴重影響農民對此方案的接受程度。考慮到研究區畜牧業發達，牛羊糞資源豐富，且其施用成本低廉，因此施用牛羊糞進行有機肥氮替代部分化肥氮較為可取。

4 結論

本研究條件下，玉米抽雄后干物質積累及氮、磷養分吸收速率達到最大，積累、吸收量占生育期總量的50% 以上，鉀養分則主要在大喇叭口前吸收；有機肥替代部分化肥對當季玉米磷養分吸收的促進作用主要發生在大喇叭口前，對干物質積累及氮、鉀養分吸收的促進作用則發生在抽雄后，增加了玉米花后干物質積累及氮、鉀養分吸收比例，顯著提高玉米產量；較短年限內以生物有機肥替代8% 或以牛、羊糞替代16% 化肥，可達到化肥施用減量、生產效益增加、養分效率提高的目的，是本研究推薦的有機肥替代部分化肥方案。