有機肥施用量對玉米產量、土壤養分及生物活性的影響

司海麗，紀立東，劉菊蓮，柳驍桐，鄭淑欣

(1.寧夏農林科學院農業資源與環境研究所，銀川 750002；2.寧夏農林科學院作物研究所，銀川 750002；3.寧夏中衛市沙坡頭區農業技術推廣服務中心，寧夏 中衛 755000)

【研究意義】玉米是世界上最具潛力的糧飼兼用型作物，作為我國第一大作物，在保障糧食安全的同時可以緩解飼料短缺并占有重要地位[1]。然而在耕地資源有限的情況下，只有提高玉米單產，才是維持持續增產的唯一途徑[3]，而提高單產最直接的方法就是增加水肥投入。研究表明，化肥對玉米的增產效果趨于降低，同時可加劇土壤鹽堿化程度和地下水富集[4]，尤其是長期以來氮肥過量施用造成土壤結構破壞、土壤有機質流失、生物活性下降，甚至土壤肥力降低[5]。近年來，隨著生態農業逐步發展，我國農田以施用無機化肥為主逐漸轉向以施用有機肥有主[6]。【前人研究進展】有機肥具有緩效性，且含有氮、磷、鉀、氨基酸和及微量元素[7]，可為作物生長提供所需的營養物質。長期施用有機肥能改良土壤理化性狀，改善作物品質及提高土壤微生物生物量、酶活性、群落功能多樣性和豐度[8-10]，同時還能實現糞便的資源化利用。因此，施用有機肥是農業生產中提高土壤生產力，保持作物產量，減少化肥施用的有效措施[11-12]。但是，有機肥過量施用也會帶來負面影響。3年生釀酒葡萄施用有機肥超過12 t/hm2時，會抑制對氮磷鉀吸收，減緩生長，從而降低產量，且過量施用有機肥會惡化土壤微生物生存環境，增加蔬菜中硝酸鹽累積量[13-14]。葉榮生[15]通過柑橘盆栽試驗得出：有機肥施用量達到土壤總重16%時，會明顯抑制柑橘幼苗生長。同時，有機肥是屬于長效肥，在作物生長后期持續釋放養分在一定程度上會造成農作物貪青和晚熟，并且有機肥中氮素含量較高，過量施用很容易出現燒苗、燒根，還可能增加深層土壤硝態氮累積量，增大淋失風險，污染地下水和地表水，造成水體富營養化[16]。【本研究切入點】雞糞有機肥中含有相對較高的氮磷鉀，分別約為5.43%、5.06%和4.89%，是農業生產中有機肥的主要原料之一，但是關于有機肥施用閾值在玉米種植上的研究較少。【擬解決的關鍵問題】本試驗以飼料玉米為研究對象，通過大田隨機區組設計試驗，探討有機肥不同施用水平對玉米產量、土壤養分和生物活性影響，以期為科學養田，提高土壤生物學質量，確定有機肥合理施用量提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

2018—2019年在寧夏引黃灌區青銅峽市邵崗鎮甘城子村(105°41′E、37°36′N，海拔1150 m)進行2年定位試驗，該區域屬大陸性氣候，年均日照時數2897 h，日照率達65%。年均降水量147.7 mm，年均蒸發量約2902 mm。該地區土壤0～30 cm層土壤基礎理化性質:土壤pH為8.3～8.5、有機質9.87 g/kg、全鹽0.25 g/kg、全氮0.64 g/kg、堿解氮57.65 mg/kg、速效磷31.75 mg/kg、速效鉀271.25 mg/kg，土壤肥力較貧瘠，砂礫含量高。

1.2 供試材料

供試玉米：當地主栽品種“登海605”。供試肥料：雞糞有機肥，采用封閉式連續動態槽式強制曝氣好氧快速堆肥發酵工藝(依據標準：NY 525)，包括物料預處理、一次發酵、二次發酵、臭氣處理和加工包裝等環節。其pH為8.1，全鹽含量24.6 g/kg、有機質506.0 g/kg、全氮25.8 g/kg、全磷23.5 g/kg、全鉀38.1 g/kg。有機肥生產工藝遵循規模化畜禽養殖糞便處理需求和環保要求。

1.3 試驗設計

試驗采用單因素完全隨機區組設計，共設6個處理。CK：不施肥；T1：施有機肥3750 kg/hm2；T2：施有機肥7500 kg/hm2；T3：施有機肥15 000 kg/hm2；T4：施有機肥30 000 kg/hm2；T5：施有機肥45 000 kg/hm2。小區面積8 m×12 m=96 m2，采用機械寬窄行種植，寬行70 cm，窄行40 cm，株距20 cm。灌溉方式為滴灌，滴灌帶鋪設于窄行中間位置，全生育期等量灌溉，灌溉6次，灌溉定額為5400 m3/hm2。播種前將所有有機肥一次性撒施后深耕。全生育期其他農藝操作及病蟲害防控措施一致。

1.4 測定指標及方法

1.4.1 土壤養分測定 2018年試驗前和2018、2019年收獲期采用5點法取樣法采集0～30 cm 層土壤帶回實驗室。pH計測定土壤pH；DDS-11電導率儀測定全鹽含量；重鉻酸鉀容量法測定有機質含量；堿解擴散法測定堿解氮含量；用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法測定速效磷含量；用1 mol/L醋酸銨溶液浸提—火焰光度計法測定速效鉀含量。

1.4.2 玉米產量及構成因素測定 玉米收獲期，每個小區按照1.1 m×2.0 m規格設置樣方，采用卷尺測定穗長和禿尖長；采用游標卡尺測定穗粗；對穗行數以及行粒數進行計數，稱取單穗重和百粒重，并測定產量。

1.4.3 土壤微生物測定 采用稀釋平板分離計數法測定土壤細菌、真菌和放線菌三大微生物類群數量，以每克干土所含菌落數(cfu)表示。細菌用牛肉膏蛋白胨培養基在37 ℃下培養2～3 d，真菌用馬丁氏—孟加拉紅培養基在27～28 ℃下培養3 d，放線菌用高氏一號培養基27～28 ℃下培養6 d，記錄每類菌種的菌落數，再依據土壤含水量計算出每克干土所含菌落數(cfu)。

1.4.4 土壤酶活性測定 土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，以24 h后1 g土壤葡萄糖的質量分數(mg/g)表示；脲酶活性采用苯酚—次氯酸鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中NH3-N質量分數(mg/g)表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，以24 h后1 g土壤中酚的質量分數(mg/g)表示；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，以20 min內1 g土壤消耗的0.1 mol/L KMnO4體積數(mL)表示。

1.5 數據處理

試驗采用Excel 2010軟件進行數據整理和作圖，采用SPSS 25.0軟件進行統計分析，采用LSD法進行方差分析和多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同用量有機肥對玉米產量構成因素及產量的影響

由表1可知，施用有機肥可有效提高玉米生長指標，增加產量。相比2018年玉米產量構成因素，2019表現為降低，這可能與年際間玉米各個生育期的氣候與降雨分布有關。2018年各處理玉米穗長、穗粗、行粒數及穗重無顯著差異，T4較CK處理百粒重顯著增加21.4%，其他處理間無顯著差異；禿尖長度總體偏長，但T5處理顯著高于其他處理。2019年玉米整體生長指標低于2018，2019年百粒重明顯低于2018年，這是因為2019年倒春寒導致玉米苗期受損，加上后期干旱少雨，影響總體長勢。2019年各個處理間表現出相對明顯的差異，總體以處理T3和T4最好。與CK處理相比，施用有機肥能顯著增加玉米穗長，但各施肥處理間無顯著差異；T3處理穗粗顯著高于其他處理，較CK處理極顯著增加5.9 mm；穗重以T4處理最顯著，其中分別較T1和CK 處理分別顯著增加16.6和48.6 g；百粒重和行粒數均以T3處理最高；禿尖長以CK處理最長，其次是T1處理。

表1 不同用量有機肥對玉米產量構成因素的影響

如表2所示，產量構成因素之間具有相關性。行粒數和穗長間呈顯著正相關；穗重和穗長間呈極顯著正相關，穗重與穗粗間呈顯著正相關，穗重與行粒數間呈極顯著正相關，而百粒重與其他產量構成因素之間無相關性。

表2 各產量構成因素相關系數

通過對玉米產量和有機肥施用量進行曲線擬合(圖1)，2018年擬合曲線方程為：y=0.000005x2+0.2787x+6761.4，R2=0.9279，當施肥量為27 880 kg/hm2時，可達到最高產量10 647.87 kg/hm2；2019年擬合曲線方程為：y=0.000005x2+0.2503x+5811.1，R2=0.9138，當施肥量為25 030 kg/hm2時，可達到最高產量8943.60 kg/hm2。

圖1 2018、2019年不同處理施肥量-玉米產量擬合曲線

2.2 不同用量有機肥對土壤養分的影響

由表3可知，2018和2019年不同用量有機肥還田，土壤養分含量較CK處理均增加。2年間土壤pH沒有明顯變化，各處理均維持在8.2～9.0，土壤全鹽含量隨著有機肥施用量的增加而增加，各施肥處理土壤養分含量均高于CK處理，且2019年土壤養分累積量高于2018年。與CK相比，2018年土壤全鹽含量增幅為4.3%～65.2%，2019年全鹽含量增幅為32.0%～80.0%；有機肥連續2年還田，0～30 cm層土壤有機質含量較CK處理明顯增加，2018年以處理T4有機質含量最高，其次是處理T3，顯著高于其他施肥處理，極顯著高于CK，分別較CK顯著增加56.31%和39.5%。2019年土壤有機質隨著施肥量的增加呈逐漸上升趨勢，處理T5有機質含量達到23.8 g/kg，較CK顯著提高141.4%，處理T1～T4較CK分別顯著增加34.3%、57.84%、84.0%和89.0%。有機肥施用可有效增加0～30 cm層土壤堿解氮、速效磷和速效鉀含量。2018和2019年土壤堿解氮含量均以處理T5積累量最高，分別較對照顯著增加54.2%和57.9%。2018年以處理T4土壤速效磷含量顯著高于其他處理，但2019年則以處理T5含量最高。土壤速效鉀含量整體隨著施肥量的增加而呈上升趨勢，以處理T5積累量最高，2018和2019年較CK分別顯著增加125.3%和86.9%。由此可見，施用有機肥可以顯著增加0～30 cm層土壤全鹽和養分含量，并隨著施肥量增加，其含量呈上升趨勢。

表3 不同用量有機肥還田對 0～30 cm 土層土壤養分含量的影響

2.3 不同用量有機肥對土壤微生物區系特征的影響

如表4所示，2018和2019年各施肥處理的細菌、真菌和放線菌數量明顯高于不施肥處理(CK)，微生物總數表現為隨著有機肥施用量增加呈先增加后減少趨勢，且2019年高于2018年微生物數量。2018年以處理T3細菌數量最高，為2.5×108cfu/g，較CK顯著增加252.1%；真菌數量也以處理T3最高；放線菌數量則以處理T2最高，微生物總數T3>T2>T1>T4>T5>CK。2019年細菌數量以處理T2最高，其次是處理T3，且較CK分別顯著增加215.2%和202.4%；真菌數量以處理T3最高，為12.3×105cfu/g，顯著高于其他處理；放線菌數量呈先增加后減少趨勢，以處理T2數量最高，為23.89×106cfu/g；微生物總數為T2>T3>T1>T4>T5>CK，各施肥處理的細菌/真菌比值以處理T4最高，其次是處理T1，以處理T5最低，分析原因可能是隨著有機肥施用量增加，導致土壤中氮素累積相對較多，進而推進土壤由細菌型向真菌型轉變。

表4 不同用量有機肥對0～20 cm土層土壤微生物的影響

2.4 不同用量有機肥對土壤酶活性的影響

如表5所示，0～20與20～40 cm層土壤酶活性均顯著高于CK，且0～20 cm層土壤酶活性高于20～40 cm。土壤脲酶是尿素水解的專一性酶，其活性可反映土壤供氮能力的強弱，從0～20 cm土層來看，處理T3的土壤脲酶含量最高，較CK顯著增加63.6%，并且隨著施肥量增加呈先增加后降低趨勢；土壤過氧化氫酶活性總體為高施肥量處理強于低施肥量處理，處理T3、T4和T5較CK分別顯著提高26.2%、25.1%和18.7%；土壤蔗糖酶和磷酸酶活性與土壤脲酶活性變化規律相似，總體以處理T3和T4土壤酶活性高于其他處理，極顯著高于對照。20～40 cm層土壤酶活性隨著施肥量增加呈逐漸升高的趨勢，總體以處理T5土壤酶活性最高，土壤脲酶、過氧化氫酶、蔗糖酶和磷酸酶分別較對照顯著增加202.3%、37.4%、97.4%和56.3%。

表5 不同用量有機肥對土壤酶活性的影響

3 討 論

3.1 產量構成因素及產量

有機肥除了含有大量作物生長所必需的營養物質外，還含有很多腐殖質和微量元素，與化肥相比更利于作物生長，從而提高作物產量和品質[17]。任偉等[18]通過對玉米吐絲期和成熟期根系及地上部生物量的研究表明，增施有機肥更夠顯著增加玉米根系和地上部生物量，減小根冠比，促進玉米產量的形成。本試驗研究結果表明，施用有機肥可以提高飼料玉米的生長指標，并且連續施用有機肥2年后各處理間的產量構成因子差異明顯，尤其施用有機肥后玉米穗長、穗粗、穗重、百粒重和行粒數明顯高于不施肥處理，但是隨著有機肥施用量增加，各項產量構成指標和產量呈先增后降變化趨勢。韓建等[19-21]研究表明過低或過量施用有機肥及單一施用化肥均會影響葡萄的產量和品質，這和本研究結果一致。這可能是因為有機肥一般作為基施，過量有機肥對種子萌發起到抑制作用，同時過量施用有機肥會抑制植物對氮磷鉀的吸收，造成籽粒不飽滿，從而降低產量。

3.2 土壤養分

作物健康生長的前提離不開良好的土壤養分狀態，施用有機肥不僅能增加和更新土壤有機質，增強生物活性，還能改善土壤理化性質，提高肥料利用率[22-23]。本研究表明連續2年施用有機肥增加了土壤pH及全鹽含量，主要原因是有機肥本身含有較高的堿性物質和鹽分。但有研究結果表明，施用有機肥可以降低土壤中的堿性物質及鹽分含量[24]，與本研究結果相反。這是因為長期施用有機肥，土壤有機組分分解后形成有機酸，從而降低了土壤中堿性物質，同時由于有機質增加，土壤通透性加強，土壤表層鹽分更容易向土壤下層淋洗，降低了土壤鹽分，而本研究可能是有機肥施用年份較短。本試驗結果還表明，施用有機肥能夠顯著增加土壤有機質含量，促進土壤速效養分積累，這與田小明等[25]研究結果一致，主要原因是施用有機肥可使土壤有機質和腐殖酸含量增加，增強土壤微生物活性，提高土壤脲酶對氮素轉化，從而增加土壤氮含量，降低土壤C/N比，促進土壤有機質積累。姬興杰等[26]研究發現，施用有機物料能降低土壤對磷的固定，提高土壤有效磷含量，與本研究結果一致。姜佰文等[27]研究表明，施用有機肥可以緩解和改良土壤理化性質，并且有機肥中的養分在玉米生長過程中緩慢釋放的同時還能活化土壤中可利用養分，達到與玉米吸收養分同步。徐軍等[28]在青貯玉米上的研究結果表明有機肥中腐殖質帶有的正負電荷可吸附離子，減緩土壤養分流失。因此，合理施用有機肥能夠增加土壤養分，改善土壤理化質量。

3.3 土壤微生物及酶活性

施用有機肥可有效增加土壤有機質含量，從而促進土壤微生物繁殖，改善土壤微生態環境。細菌因代謝能力強，繁殖快，并且與土壤接觸表面積大，在土壤中活躍數量大，是土壤微生物的主要組成部分[29]。本試驗結果表明，施用有機肥能夠明顯增加玉米根圍土壤微生物數量，尤其是細菌數量增幅較大，和前人研究結果一致，且微生物總數隨著有機肥施用量增加呈先增加后減少趨勢，且2019年明顯高于2018年。土壤環境中各類微生物在代謝過程中會產生很多酶，而土壤酶可以催化一系列化學反應，從而促進土壤代謝，土壤酶活性受土壤微環境影響，能直接反映出土壤質量和健康狀況[30-31]。李晨華等[32]研究表明，施用有機肥或有機無機配施可以提高土壤多種酶活性。本試驗表明，與不施肥處理相比，施用不同量有機肥均能有效提高0～20和20～40 cm層土壤脲酶、過氧化氫酶、磷酸酶和蔗糖酶活性，并且0～20 cm層酶活性明顯高于20～40 cm層，這與高明等[33]“土壤酶活性在土壤表層具有富集效應”研究結論一致。可能是由于土壤表層與外界環境接觸多，氧氣充足，利于微生物繁殖，而隨著土壤深度增加，土壤與外界物質及能量交換降低，土壤營養含量減少，微生物繁殖受到限制，進而土壤酶活性降低[34]。本研究結果還表明，0～20 cm層土壤酶活性變化與20～40 cm層變化趨勢不一致，20～40 cm層土壤酶活性隨著有機肥施用量增加而逐漸增加，這可能是因為施用有機肥后，耕層底部土壤養分增加促進酶促反應的正向進行，從而提高了土壤酶活性[35]。

4 結 論

隨著有機肥施用量增加，玉米產量變化顯著，呈先增后降變化趨勢，2018和2019年最高產量對應的有機肥施用量分別為27 880和25 030 kg/hm2。隨著有機肥施用量增加，0～30 cm層土壤養分含量呈顯著增加變化趨勢。隨著有機肥施用量增加，土壤微生物數量呈先增加后減少趨勢，2019年高于2018年。施用有機肥后，0～20、20～40 cm層土壤酶活性顯著高于不施肥處理，且0～20 cm高于20～40 cm層。