黃土旱塬區玉米產量最優的有機肥與化肥配施組合研究

梁改梅，李娜娜，黃學芳，池寶亮，陳穩良

（1.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西 太原 030031；2.山西農業大學農學院，山西 太原 030031）

干旱缺水、土壤瘠薄是限制旱地玉米產量提高的主要因素[1-2]。山西省地處黃土高原，旱地面積占全省總耕地面積的79.4%[3]，玉米是重要的糧食作物，對全省糧食生產和可持續發展具有舉足輕重的影響。過量施用化肥是玉米生產上面臨的突出問題。據統計，我國化肥施用量為531.9 kg·hm-2，約為世界平均水平的3.9倍[4]。然而，生產上化肥的單一和不合理施用，導致土壤結構變差，容重增加，耕層易板結，不利于透氣滲水，使得土壤蓄水保水力下降[5]。因此，旱地農業應有機旱作，使用地、養地相結合。

增施有機肥是有機旱作的一個重要途徑[6-8]。研究表明，施用有機肥可改善土壤物理特性[9]、增加土壤水庫，增加降水入滲、提高土壤的有效含水量，進而提高作物水分利用效率[10-14]。研究也表明，土壤增施有機肥能夠改善土壤團粒結構[15]，涵養水源，減少水土流失，保證作物生長過程中水分供應，提高作物抗旱性。施用有機肥還可提高土壤有益微生物的數量和土壤酶活性[16-19]，提升土壤肥力[20-23]，化肥配施有機肥可提高作物水肥利用效率，進而提高產量[24-25]。然而也有研究顯示，玉米的產量在有機肥50%替代化肥處理下比100%有機替代和單施化肥處理分別顯著增加13.5%和12.5%[26]。秸稈還田對解決秸稈過剩、緩解有機肥源不足有積極作用，近年來秸稈還田率雖顯著提升，但仍不足40%[27]。秸稈還田可降低土壤容重[28]，增加土壤養分[29-31]，與氮肥配施可有效提高作物產量[32]。多點研究表明，多年秸稈還田可節省化肥投入10%～20%，提高作物產量2.8%～16.2%[33-34]。華北平原27年長期定位試驗也表明，在單施化肥基礎上，施用糞肥、秸稈還田可使玉米分別增產35%、21%[35]。綜上所述，盡管長期秸稈還田或施用有機肥對改善土壤環境效應和提高作物產量有積極影響，但秸稈還田量（＜13500 kg·hm-2）較低時對土壤理化性狀影響不明顯[36]，而有機糞肥施用水平較高時，會增大土壤氮素淋失風險，嚴重威脅地下水安全[35]。因此，本試驗采用二次通用旋轉組合設計建立回歸模型，研究不同施肥組合對玉米增容蓄水及產量和水分利用效率的影響，在建立該類型地區玉米產量數學模型的基礎上，尋求作物高產、水分高效、農業生態安全的優化施肥方案，為生產上提倡的化肥減量、有機肥適當替代及旱地農業可持續發展提供理論和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

于2018～2020年在山西省壽陽縣張韓村（113°13′03″E，37°46′12″N，海拔1210 m）進行田間定位試驗，該區屬黃土高原半濕潤易旱區，年降水量500 mm左右，且大多集中在7～9月。雖然土壤有機質含量較低，但卻有土地平整、地塊大、適宜機械作業的優勢。試驗地耕層土壤有機質9.4 g·kg-1、全氮0.88 g·kg-1、堿解氮64.83 mg·kg-1、有效磷11.70 mg·kg-1、速效鉀102.00 mg·kg-1，pH 8.06。試驗地前茬為玉米，供試品種為適合當地種植的春播中晚熟玉米品種金科玉3306。玉米生育期4～9月降水量見圖1。

圖1 2018～2020年玉米生育期降水量

1.2 試驗設計

試驗采用二次通用旋轉組合設計（1/2實施）[37]，設化肥用量（X1）、秸稈還田比例（X2）和有機肥用量（X3）3個因素，每因素5個水平（表1），共20個組合，另以單施化肥（1200 kg·hm-2）作為田間對照（CK），重復2次，共42個小區。小區面積50 m2（5 m×10 m）。

表1 二次通用旋轉組合設計田間試驗編碼

化肥用量以復合肥（N-P2O5-K2O：23-12-5）總用量為單位；秸稈還田量按還田比例以當地地力中產12750 kg·hm-2進行折算，100%秸稈還田量為6375 kg·hm-2。有機肥用量以腐熟的雞糞施用量為單位。其中玉米秸稈含氮0.87%（干基），有機肥含氮1.63%（干基）。試驗于上年秋季收獲時將秸稈粉碎覆蓋，翌年春季播種前按各小區相應用量將秸稈平鋪于地表，將腐熟的有機肥、化肥分別撒施于各小區，隨即旋耕施入土壤。試驗于每年4月底播種，10月初收獲，玉米生育期田間實施統一管理。

1.3 測定指標

1.3.1 土壤容重

玉米收獲后，采用容積為100 cm3的環刀進行0～30 cm土壤剖面取樣，烘干后稱重，計算土壤容重。計算公式：

式中，D表示容重（g·cm-3），M1為環刀和烘干土總重（g），M2為環刀重（g），V為環刀的容積（cm3）。

1.3.2 土壤貯水量

在玉米播前、苗期、拔節期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和收獲后進行測定，每隔20 cm用土鉆進行分層取樣，烘干后測定土壤含水量。

土壤含水量（%）＝[（Mm-Md）/（Md-M）]×100式中，Mm為濕土及鋁盒的總重（g），Md是干土及鋁盒的總重（g），M是鋁盒重（g）。

土壤貯水量（mm）=土壤容重（g·cm-3）×土層深度（cm）×土壤含水量/10

1.3.3 產量及產量構成因素

玉米成熟時記錄每小區實收穗數，稱鮮重，按大小穗比例和平均鮮穗重取10穗測定籽粒含水量進行考種，根據14%籽粒含水量折合產量。

1.3.4 水分利用效率

水 分 利 用 效 率（kg·hm-2·mm-1）= 產 量（kg·hm-2）/耗水量（mm）。

耗水量（mm）=播前土壤貯水量（mm）-收獲后土壤水量（mm）+生育期降水量（mm）

1.4 數據分析

采用DPS 7.5進行統計分析，建立3個因素與土壤容重、土壤貯水量、產量和水分利用效率之間的三元二次回歸方程。將3個因素中的2個固定在零水平，對數學模型降維分析，得到以其中一個因素為確定變量的偏回歸模型，并根據該模型作出單因素變化趨勢圖。在固定其他一個因素為零水平時，求另外兩因素之間的交互作用，并作兩因素互作效應的3D-mesh曲面圖。數據整理和作圖分別采用Excel 2007和Sigmaplot 12.5進行。

2 結果與分析

2.1 不同施肥水平對旱地玉米田耕層0～30 cm耕層土壤容重的影響

建立3個因素與玉米耕層0～30 cm耕層土壤容重的回歸方程：

決定系數為R2=0.6731，回歸方程（1）的F檢驗P值為0.026（P＜0.05），達到顯著性水平，失擬項檢驗不顯著（P=0.109＞0.05），說明模型預測值與實際值吻合較好。通過對模型降維分析得到主效應分析圖。由圖2可知，不同施肥水平各因素對0～30 cm耕層土壤容重影響不同。隨著試驗年限的增加（2020年為定位試驗第3年），施用有機肥及秸稈還田明顯減小0～30 cm耕層土壤的容重，且隨施用年限的延長，土壤容重顯著降低。盡管不同年份由于年際間降水的差異，各因素對土壤容重的影響不同。但3年平均試驗結果顯示：隨著化肥用量的增加，土壤容重呈緩慢增加的趨勢；隨著秸稈還田量的增加，土壤容重呈現先減小后增大的趨勢，而隨著有機肥用量的增加，土壤容重呈逐漸減小的趨勢。

圖2 不同試驗年份單施化肥、秸稈還田及有機肥對0～30 cm耕層土壤容重的影響

分析不同因素對0～30 cm耕層土壤容重的交互作用可知，除化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2）、秸稈還田比例（X2）×有機肥用量（X3）有顯著的交互作用外，其余因素間交互不顯著。由圖3（a）可知，當有機肥用量固定在零水平時，化肥用量和秸稈還田比例對土壤容重在0.05水平上存在顯著的正交互作用（P=0.045）。而由圖3（b）可知，當化肥用量固定在零水平時，秸稈還田比例和有機肥用量在0.1水平上交互作用顯著（P=0.072），且呈顯著的負交互作用，即加大秸稈還田，同時減少有機肥施用量，可使耕層土壤容重下降。

圖3 因素交互作用對0～30 cm耕層土壤容重、0～200 cm土層土壤貯水量、玉米產量及水分利用效率的影響

2.2 不同施肥水平對旱地玉米田全生育期0～200 cm土層土壤平均貯水量的影響

建立3個因素與0～200土層土壤平均貯水量的回歸方程：

決定系數為R2=0.7899，回歸方程（2）的F檢驗P=0.025＜0.05，失擬項檢驗不顯著（P=0.989＞0.05），說明模型的預測值與實際值吻合較好。對模型進行降維分析，由圖4可知，不同試驗年份3因素對0～200 cm平均貯水量影響趨勢不同，但3年平均試驗結果顯示：3因素對土壤貯水量的作用大小表現為秸稈還田＞有機肥＞化肥。隨著施肥水平的增加，單施化肥（P=0.02）和有機肥在0.05水平上對0～200 cm土壤貯水量呈先升后降的趨勢。而增加秸稈還田比例可穩定提高0～200 cm土壤貯水量。可見，秸稈還田對提高0～200 cm土壤貯水量大于有機肥。施用有機肥對土壤貯水不是越多越好，當施用量達到一定程度時，繼續施用則會消耗更多水分，從而減少0～200 cm土壤貯水量。

圖4 不同試驗年份單施化肥、秸稈還田及有機肥對0～200 cm土層土壤貯水量的影響

由圖3（c）可知，化肥用量和秸稈還田量在0.05水平上對土壤貯水量有顯著的正交互作用（P=0.03），而其他交互作用不顯著。當有機肥用量固定在零水平時，隨化肥用量的增加，增加秸稈還田可促進土壤貯水量增加。但化肥用量和秸稈還田量不是越多越好，施用量較大時，反而降低土壤貯水量。

2.3 不同施肥水平對旱地玉米田產量的影響

建立3個因素與玉米產量的回歸方程：

決定系數為R2=0.6172，回歸方程（3）的F檢驗P=0.038＜0.05，失擬項檢驗不顯著（P=0.897＞0.05），說明模型的預測值與實際值吻合較好。對模型進行降維分析，由圖5可知，產量的變化受年際間降水差異影響較大，2018～2020年3因素對產量的影響不同。從3年平均試驗結果看：3因素對產量的影響大小表現為有機肥＞秸稈還田＞化肥。由圖5可知，增施化肥、有機肥和秸稈還田均可提升玉米產量，但化肥和秸稈還田量達到一定程度時，繼續增施玉米產量會隨之下降，而施用有機肥可緩慢提升玉米產量。

圖5 不同試驗年份單施化肥、秸稈還田及有機肥對玉米產量的影響

進一步對不同因素間的交互作用進行分析，化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2）（P=0.04）、化肥用量（X1）×有機肥用量（X3）（P=0.014）之間在0.05水平上有顯著的交互作用。影響產量的絕對值大小順序為X13＞X12＞X23。由圖3（d）、（e）可知，當有機肥用量固定在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用，當化肥用量和秸稈還田達到一定比例時，玉米產量最高。當秸稈還田固定在零水平時，化肥配施有機肥可提高玉米產量，但二者呈顯著的負交互作用。

2.4 不同施肥水平對旱地玉米田水分利用效率的影響

建立3個因素與水分利用效率的回歸方程：

決定系數為R2=0.8303，回歸方程（4）的F檢驗P=0.045＜0.05，失擬項檢驗不顯著（P=0.425＞0.05），說明模型的預測值與實際值吻合較好。對模型進行降維分析，由圖6可知，3年平均試驗結果顯示：三因素對水分利用效率的影響表現為有機肥＞秸稈還田＞化肥，水分利用效率隨化肥用量的增加而下降較快。可見，增加秸稈還田和增施有機肥均較化肥可提高玉米的水分利用效率。

圖6 不同試驗年份單施化肥、秸稈還田及有機肥對玉米水分利用效率的影響

同產量趨勢一致，化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2），化肥用量（X1）×有機肥用量（X3）存有顯著的交互作用。當有機肥用量固定在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用（P=0.04），圖3（f）顯示，當化肥用量和秸稈還田達到一定比例時，水分利用效率最大。由圖3（g）可知，當秸稈還田固定在零水平時，化肥配施有機肥也可提高水分利用效率，二者呈顯著的負交互作用（P=0.004）。即施用化肥較多時，可相對減少有機肥的施用，才能使水分利用效率達到最大。

2.5 施肥組合優化方案及田間驗證

為探求3因素在生產中應用的可靠性，研究采用頻數法進一步解析，用頻率分析及統計尋優求得在95%的置信區間產量大于一定值的優化方案。在-1.682≤Xj≤1.682范圍內，選取變量的步長為1，經模擬，平均產量＞12481 kg·hm-2共36個方案。研究最終獲得最佳增容蓄水的施肥組合為：化肥用量795～1061 kg·hm-2，秸稈還田比例69%～89%（即還田4399～5674 kg·hm-2），有機肥量11723～18848 kg·hm-2，預期產量為13232 kg·hm-2（表2）。與田間對照比較，該組合較單施化肥對照（11729 kg·hm-2）增產12.8%，可減施化肥139～405 kg·hm-2。

表2 玉米產量頻率分析及統計尋優

3 討論

改善土壤水分狀況是旱區農業可持續發展的關鍵，在保證農作物穩產、高產的前提下，減少化肥用量，提高土壤蓄水保墑能力及作物水分利用效率，是當前有機旱作農業研究的熱點。

3.1 化肥配施有機肥減少耕層土壤容重，增加土壤蓄水

研究表明[25，38]，施用有機肥可改善土壤理化特性，增強土壤通氣和透水性能。本研究發現，施用有機肥及秸稈還田明顯降低0～30 cm耕層土壤的容重，且隨著有機肥用量及秸稈還田量的增加，土壤容重呈不斷下降趨勢，且有機肥施用對降低土壤容重的影響大于秸稈還田。槐圣昌等[39]在東北黑土區通過秸稈還田增施有機肥定位試驗也表明，相比秸稈還田處理，增施有機肥降低了土壤容重、土壤緊實度，提升了土壤含水量。這與本試驗得出的結論一致。研究進一步發現，秸稈還田對提高0～200 cm土層土壤貯水量大于有機肥。在增施化肥的同時，配合秸稈還田可提高玉米生育期0～200 cm土層土壤貯水量。但有機肥施用對土壤貯水也不是越多越好，當施用量達到一定程度時，繼續施用則會消耗更多水分，使土壤貯水量減少。因此，只有適當增施有機肥才可以提高土壤水分，利于作物的生長和發育，這與前人的研究結果一致[14，28]。

3.2 化肥配施有機肥顯著提高了玉米產量

前人研究表明，有機肥施用可使作物增產9.7%～20.1%[40-41]，秸稈還田使作物增產3.5%～11.4%[30，32]，可見，施用有機肥對玉米產量的影響大于秸稈還田，這與本研究結果一致。前人研究還表明，秸稈還田、有機肥增施，在一定程度上可替代化肥的施用[33]。本研究進一步指出，當有機肥用量在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用，而當秸稈還田量在零水平時，化肥配施有機肥存在顯著的負交互作用。由于不同試驗年份降水不同，產量也大不相同。與2018、2020年相比，2019年降水分別減少220.3、257.9 mm。除2019年外，化肥配施有機肥對產量的交互作用較大，3因素對產量的交互影響其絕對值大小順序為X13＞X12＞X23。說明化肥配施有機肥對玉米的增產效應大于化肥配施秸稈還田。有機肥和秸稈還田對提高0～200 cm土壤貯水量有較大影響，本研究指出，在保持秸稈還田量不變的情況下，多雨年可適當增加化肥，減少有機肥，以提高降水利用率，進而提高產量；而少雨年應減少化肥施用，適當增施有機肥，避免加重旱情，造成減產。研究還表明，玉米產量隨著秸稈還田的增加表現出遞減的趨勢，這與劉敏[28]的研究結果一致。過量的秸稈還田造成減產的原因可能是，土壤中的微生物和作物對氮素吸收利用的競爭作用，使還田的秸稈不能為作物提供足夠的氮素營養，反而會固定土壤中部分礦質態氮，致使作物減產。

3.3 化肥配施有機肥顯著提高了玉米的水分利用效率

眾多研究表明，施有機肥可顯著提高作物水分利用效率，但是當有機肥施用過量時，會抑制作物對水分的吸收，降低作物水分利用效率[11-14]。本研究也發現，增加秸稈還田和增施有機肥均可提高玉米水分利用效率。但還田量和有機肥量不是越多越好，當施用化肥較多時，即使增施有機肥水分利用效率也緩慢下降。

因此，應適當增施有機肥和秸稈還田，合理減少化肥施用量，即優化施肥結構和施肥用量。本研究對改善土壤環境，實現秸稈和有機廢棄物的綜合利用，減少環境污染，以及對黃土旱塬區作物增產、水分增效和農業可持續發展具有重要的意義。

4 結論

適宜的配肥組合可顯著降低土壤容重，增加土壤貯水量，提高作物產量和水分利用效率。研究提出了玉米化肥減量，有機肥和秸稈還田替代化肥的最優組合為化肥用量795～1061 kg·hm-2、秸稈還田比例69%～89%、有機肥用量11723～18848 kg·hm-2，預期玉米產量為13232 kg·hm-2。該組合較單施化肥對照（11729 kg·hm-2）增產12.8%，可減少化肥用量139～405 kg·hm-2。研究突破了生產上單一施用化肥的方式，實現了秸稈等有機肥源的綜合利用，為進一步完善旱地有機培肥模式提供了理論及技術支持。然而，隨著有機肥和化肥配施年限的增加，對農田硝態氮累積造成的生態安全還尚不明確，有待進一步探討。