短期化肥減施后玉米產量的響應及其驅動因素分析

劉嬌妹，李騰騰，張運龍*，吳紅慧

（1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；2.北京中鐵生態環境設計院有限公司，北京102600；3.中國農業大學草業科學與技術學院，北京 100193；4.農業農村部作物營養與施肥重點開放實驗室，中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

隨著人口數量的日益增加，糧食需求持續上升，為了提高糧食產量，化肥的施用量在逐年增加。有研究發現，2009年中國化肥的總施用量占比高達世界的35%［1］?；蕦χ袊Z食產量的增加起到了舉足輕重的作用，貢獻率高達55%～57%，但是，化肥施用量的增加以及施用方式的不合理引發了土壤的質量問題，同時對環境也造成了破壞［2-3］。有機肥施用在我國具有比較悠久的歷史，有機肥是比較全面的肥料，不僅含有植物所必需的大量營養元素，還有豐富的有機養分。此外，作物秸稈儲存一半以上的光合產物，其還田后不僅提供土壤養分，更重要的是將碳元素歸還到土壤中，且我國每年產生的秸稈約占世界秸稈總產量的1/4［4］。李明德等［5］研究發現，秸稈還田與化肥配施可以減少10%～20%的氮、磷、鉀化肥用量。盡管我國有機肥和秸稈資源巨大，但是并未被充分利用，化肥減量配施后有機肥或秸稈既能提高資源的有效利用，又能實現減肥的目的。

目前，關于化肥減施后配施有機肥或秸稈對作物產量和土壤肥力的研究結果并不一致。與常規施用化肥相比，化肥減量配施有機肥后可維持作物的產量不降低［6］。但也有研究發現，有機肥替代50%化肥后較化肥顯著降低了小麥和玉米的產量［7］。陜西楊凌20年的長期定位試驗證實，有機肥較化肥顯著提高土壤全氮含量46%～55%［8］。農傳江等［9］通過3年的田間定位試驗結果表明，與常規施用化肥相比，化肥減量20%配施有機肥后顯著提高土壤有機碳15.34%。與化肥相比，有機肥施用后對土壤pH的研究結果并不一致，有減少土壤pH［10］和維持土壤pH不變［11］2種結果。與化肥相比，單施有機肥會提高土壤磷素的有效性［12］。黃紹敏等［13］研究發現，過量施用有機肥會降低磷肥的利用率，進而降低土壤固持外源磷的能力，最終增加磷淋失的風險。此外，土壤酶的活性作為一種土壤生物肥力指標被系統廣泛的研究，其與土壤的肥力狀況尤其是養分轉化具有顯著的相關性［14］。在青島市黃島區開展的試驗表明，秸稈還田處理顯著提高了作物產量，且提高了0～20 cm土層土壤養分含量［15］。劉世平等［16］研究發現，秸稈還田后較對照平均減產1%左右，這主要與秸稈還田后未補充氮素導致土壤碳氮比失衡有關。研究表明，秸稈儲存一半以上的碳水化合物，秸稈還田的同時配施氮肥會提高土壤有機碳含量19%［17］。此外，隨著秸稈腐解、土壤養分轉化，土壤微生物群體結構和土壤酶活性得到顯著改善［18］，從而保持土壤生產力穩定［19］。

雖然我國對化肥減施后配施有機肥或秸稈的研究較多，但多數學者研究集中在對作物產量或土壤指標的影響，較少探究施肥條件下作物產量變化的驅動因素。因此，本文通過在冬小麥-夏玉米典型種植區華北平原開展的短期定位試驗，探討化肥減施后配施有機肥和秸稈還田對作物產量和土壤養分及酶活性的影響，并分析了產量改變的驅動因素，旨在為化肥減施提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗條件和試驗設計

試驗于2010～2016年在中國農業大學曲周實驗站（36°42′ N，114°54′ E）開展。該實驗站位于河北省邯鄲市曲周縣（華北平原），屬暖溫帶大陸性季風氣候區，年平均氣溫為13.2℃，年總降水量平均為494 mm，其中全年降水量的56%集中在夏季的7和8月。供試土壤全氮0.9 g·kg-1，有效磷12.01 mg·kg-1，pH 7.24。

試驗于2010年開始，共設置4個處理，4次重復，共16個小區，每個小區面積為10 m×5 m，各小區間隔距離1 m，各區組間隔2 m。試驗處理包括：（1）CK，對照，不施肥；（2）NPK，100%NPK，按照農民傳統習慣施用量和施用方式進行施用，2/5的氮肥、磷肥和鉀肥在玉米播種之前全部施入，3/5的氮肥在大喇叭口期施用。氮肥、磷肥和鉀肥的供肥形態及用量分別是尿素（N 46%，250 kg·hm-2）、過磷酸鈣（P2O517.5%，45 kg·hm-2）和 硫 酸 鉀（K2O 50%，45 kg·hm-2）；（3）NPKM，70%NPK+牛糞有機肥，牛糞有機肥施用量為3000 kg·hm-2，與NPK處理氮施用量相等；（4）NPKMS，NPKM + 秸稈還田，秸稈被機械粉碎后全量還田。對于NPKM和NPKMS處理來說，有機肥在玉米播種之前采用旋耕機混入土壤0～20 cm土層。供試玉米品種為“鄭單958”，每年6月播種，10月收獲。

1.2 樣品采集及處理

2016年10月在玉米成熟期，每個小區收獲18.0 m2樣方內的玉米穗，按照國際標準玉米產量換算成15.5%水分的標準產量，并調查公頃穗數、穗粒數和千粒重。利用土鉆于玉米收獲后在每個小區行間取4個點（0～20 cm），將每個土壤樣品除去植物殘根和石礫等雜物后混勻，采用冰盒保存新鮮土壤樣品。土壤樣品帶回室內后，一部分土壤進行風干測定土壤基本理化性質，一部分土壤保存到-20℃冰箱中用來完成土壤酶活性的測定。

土壤pH測定時土壤和水的比例為1∶2.5，然后使用pH計進行測定；土壤全氮采用凱氏定氮法測定；土壤有機碳采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化方法測定；土壤有效磷含量采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤酶活性采用比色法測定，其中土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性分別采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、二硝基水楊酸比色法［20］和磷酸苯二鈉比色法測定。

1.3 數據統計與處理

土壤酶總的活性是用所有測定土壤酶活性的幾何平均值（GMea）來表示［21］：

其中，Urease、Invertase和Phosphatase分別代表脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶。

所有的試驗結果均表示為平均值±標準差。不同施肥處理間作物產量、土壤pH、土壤養分和土壤酶活性的差異通過單因素方差分析進行比較，各施肥處理間差異顯著性分析均采用LSD在0.05水平上進行比較。土壤pH、土壤養分和土壤酶活性對作物產量貢獻通過結構等式方程模型分析。所有的統計分析均使用R 3.6.1進行。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對玉米產量和產量組成的影響

由表1可知，與CK相比，施肥處理顯著增加了玉米產量，且NPK、NPKM和NPKMS處理的產量分別增加了49.1%、61.4%和71.9%（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著增加玉米產量，NPKMS顯著增加玉米產量15.3%，NPKM和NPKMS差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理并未顯著改變每公頃的有效穗數（P＞0.05）。與CK相比，NPKMS處理顯著提高了穗粒數66.6%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著提高了千粒重13.8%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。

表1 不同施肥處理對玉米產量和產量組成的影響

2.2 不同施肥處理對土壤有機質、養分含量和pH的影響

不同施肥處理對土壤有機質、養分含量和pH產生了明顯的影響（圖1）。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤全氮含量，NPKM處理和NPKMS處理分別顯著提高了土壤全氮含量40.4%和43.1%，但各施肥處理間土壤全氮含量差異并不顯著。土壤有機質含量的變化趨勢與土壤全氮相似，NPK與CK差異不顯著，NPKM和NPKMS較CK分別顯著提高了12.1%和19.9%。與NPK相比，NPKMS顯著提高了土壤有機質含量20.6%。與CK相比，各施肥處理顯著提高了土壤有效磷含量（87.1%～102.6%），且各施肥處理間有效磷含量差異不顯著。與CK相比，NPK處理顯著降低了土壤pH 1.9%，NPKM和NPKMS處理未顯著改變土壤pH，且各施肥處理間pH差異不顯著。

圖1 不同施肥處理對土壤有機質、養分含量和土壤pH的影響

2.3 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

不同施肥處理對土壤蔗糖酶、脲酶、堿性磷酸酶和土壤總酶活性產生了明顯的影響（圖2）。與CK相比，不同施肥處理增加了土壤蔗糖酶的活性（21.5%～90.4%），NPKM、NPKMS處理增加顯著（P＜0.05）。與NPK相比，NPKM未顯著改變土壤蔗糖酶的活性，NPKMS則顯著提高了56.8%。NPKM較NPKM顯著提高土壤蔗糖酶活性32.4%。不同施肥處理顯著提高了土壤脲酶的活性，增幅為27.7%～36.2%（P＜0.05），且各施肥處理間差異不顯著。與CK相比，不同施肥處理顯著（NPK處理除外）增加了土壤磷酸酶的活性4.6%～5.5%。與CK相比，NPK處理未顯著改變土壤總的酶活性，NPKM和NPKMS處理則顯著提高了土壤總酶活性（214.4%和300.3%），且不同施肥處理間差異不顯著。

圖2 不同施肥處理對土壤酶活性的影響

2.4 玉米產量和土壤指標之間的回歸分析

土壤各指標與玉米產量的回歸分析結果如圖3所示。玉米產量隨土壤有機質、養分含量和土壤酶活性的升高而顯著升高，且呈顯著正相關關系。玉米產量與土壤pH間未表現出顯著相關關系。通過構建結構等式方程模型分析（圖4a），施肥處理通過改變土壤全氮、土壤有機質和有效磷間接影響作物產量。土壤全氮會直接影響作物產量，也會通過影響脲酶活性間接影響作物產量。土壤有機質會直接影響作物產量，也會通過影響轉化酶活性進而間接影響作物產量。土壤有效磷會直接影響作物產量，也會通過影響磷酸酶活性進而間接影響作物產量。從圖4b可知，土壤有效磷對玉米產量的貢獻最大，土壤蔗糖酶活性次之，其余指標的影響由大到小依次為土壤有機質、土壤脲酶活性、磷酸酶活性和土壤全氮。

圖3 玉米產量和土壤指標之間的回歸分析

圖4 土壤指標對玉米產量的貢獻分析

3 討論與結論

3.1 短期化肥減施對玉米產量的影響

在華北平原地區，化肥的投入提高了玉米的產量，但同時也會引起氮淋洗，夏季高溫高濕的環境會加劇氮損失，那么合理的氮肥管理對于減少氮損失和保障糧食安全至關重要［22-23］。6年的田間試驗結果表明，化肥減量30%配施有機肥后可維持玉米產量，這可能與有機肥肥效緩慢釋放可滿足玉米后期生長的養分需求有關［24-25］。白雪純等［26］研究發現，化肥減施25%～75%配施有機肥可維持玉米的產量，這與本試驗研究結果相一致。此外，李孝良等［27］研究發現，化肥減施40%配施有機肥較單施化肥并不會引起玉米產量的降低。在化肥減量配施有機肥的基礎上進行秸稈還田（NPKMS），則可顯著提高玉米產量，這可能與有機肥和秸稈還田后對土壤肥力產生較大的提升有關。本研究6年的試驗結果顯示，NPKMS較NPK處理顯著提高玉米產量8.3%，與閆雷等［28］在黑土上的研究結果相似。中國有機肥和秸稈資源巨大且并未被充分利用，因此，在減少化肥施用的基礎上合理配施有機肥和秸稈對資源有效利用和糧食增產具有重要的意義。

3.2 短期化肥減施對土壤有機質和養分含量、pH和酶活性的影響

大量研究表明，有機肥富含有機質和養分，添加后可提高土壤有機質和養分含量，進而維持或提高土壤地力［29-30］。本研究發現，有機肥施用6年后顯著提高了土壤全氮的含量，有機肥施用會顯著促進土壤氮素的積累，這與Subehia等［31］研究結果相一致。然而，本研究發現，經過6年化肥的施用，較對照未顯著提高土壤有機碳的含量。Russell等［32］的研究認為，僅使用氮肥并不會表現出土壤碳的固持效應。此外，在華北平原開展的長期定位試驗也發現，化肥的投入會引起土壤有機碳含量的降低［33］。有機肥的施用會帶入外源碳，增加土壤碳庫，進而提高土壤碳的固持［34］。但是，本研究發現，NPKM較NPK處理未提高土壤有機碳含量（圖1）。吳榮等［35］和孫志祥等［36］的研究均發現，與化肥處理相比，化肥減施后配施有機肥處理（與化肥處理氮施用量相等）未顯著提高土壤有機碳含量。這與本研究結果相一致，可能是因為土壤中碳的降解和植株根系及有機肥等外源碳的投入相當。本研究發現，在NPKM的基礎上進行秸稈還田（NPKMS）后，與NPK處理相比，則顯著提高土壤有機碳含量（圖1）。宋大利等［17］通過收集大于10年長期定位試驗發現，與秸稈不還田相比，秸稈還田后平均增加19.1%的土壤有機碳含量。這可能與有機肥和秸稈還田帶入更多的外源碳有關。大量研究表明，在土壤有機碳未達飽和之前，土壤有機碳的增加量與碳投入水平一般呈顯著的線性相關關系［37-38］。

高飛等［39］研究發現，與化肥處理相比，有機肥替代30%化肥的處理對土壤有效磷含量有明顯的增加作用。然而，本研究發現，施肥顯著提高了土壤有效磷的含量，但是化肥與有機肥處理間差異不顯著，這可能與夏季降雨量較多導致土壤有效磷淋洗有關。此外，化肥的長期施用引起了土壤pH的下降，這與之前的研究結果相一致［2］。然而，由于有機肥具有緩沖土壤酸堿性的作用，本試驗中有機肥施用6年后未引起土壤pH的顯著改變，有機肥施用能夠減弱土壤的酸化。

土壤微生物通過產生胞外酶進而降解土壤有機質，并影響土壤養分循環。土壤酶參與許多重要的生物化學過程，已被認為是土壤肥力的一個重要特征指標［40］。本試驗中，各施肥處理基本上都能提高土壤脲酶、蔗糖酶和堿性磷酸酶的活性，尤其以蔗糖酶效果最佳。脲酶能夠促進酰胺鍵的水解，使土壤中的氮轉化成植物可以吸收利用的氨。本研究表明，各施肥處理均能顯著提高土壤脲酶的活性，但施肥處理間差異不顯著，這與山東省德州市開展的大田試驗結果相一致［41］。與對照相比，各施肥處理顯著提高了土壤蔗糖酶的活性，且秸稈配施有機肥處理（NPKMS）顯著高于NPK 和NPKM處理，這可能是因為小麥秸稈富含纖維素和半纖維素，會刺激真菌的生長，進而影響土壤碳循環相關蔗糖酶活性的提高［42］。

3.3 玉米產量和土壤指標之間的回歸分析

本研究發現，玉米產量與土壤有機質、養分含量和土壤酶活性呈顯著正相關關系。丁維婷等［43］根據41年長期施肥試驗結果發現，土壤酶活性與作物產量呈正相關關系。邢鵬飛等［29］研究發現，玉米產量與土壤有效磷呈顯著正相關關系。通過結構等式方程模型分析得出，土壤有效磷是玉米產量的主要驅動因素。磷是作物生長發育所必需的僅次于氮素的第二大營養元素，通過影響葉片凈光合速率和葉片中谷氨酰合成酶等的活性，進而影響作物生長發育和新陳代謝，最終改變產量［44-45］。通過對比不同磷水平對玉米產量性狀的影響，研究發現低磷脅迫主要通過影響行粒數和百粒質量導致了單株產量的損失［46］。有機肥中含有大量的有機磷和有機氮，在提高土壤酶活性的同時可促進微生物對氮磷養分的礦化循環，有利于作物玉米的養分吸收利用，從而促進其產量。

本研究表明，采取有機肥適當替代化肥配施秸稈，在降低化肥使用量的同時，可適當滿足作物生產需求和獲得穩產高產，又能在一定程度上提高土壤肥力。綜合考慮作物產量和土壤肥力對施肥的響應，有機肥替代30%化肥配施秸稈能穩產固碳，是該區域養分管理的有效途徑之一。