有機肥等氮替代化肥對玉米產量和氮素吸收利用效率的影響

趙吉霞, 禹妍彤, 周 蕓, 李永梅, 范茂攀

(1.云南農業大學 資源與環境學院, 昆明 650201; 2.普洱市思茅區茶葉和特色生物產業發展中心, 云南 普洱 665000)

玉米作為我國重要的經濟作物，不僅用于糧食生產，而且在飼料使用中也占據極大的比例。作為世界總產最高的農作物，它的增產和穩產對糧食安全有著重要作用[1]。在玉米生長過程中，氮素是所需最多的營養元素和主要的養分限制因子，也是玉米產量多少的關鍵[2]。由于土壤中的氮素含量比較低，單靠土壤中氮素的供給已經不能滿足作物生長的需要，所以通過增施氮肥來滿足玉米對氮素的需求，從而增加玉米產量。傳統的玉米種植多采用以基施為主的施氮方式，并根據玉米在不同生長時期的氮素需求進行科學追肥。在玉米的各個生長時期中，需肥的高峰期往往是拔節期和大喇叭口期，前者的玉米生長速度最快，后者的玉米養分吸收量最大，為了保這兩個時期的玉米生長有足夠的養分供應，所以要進行追肥[3-4]。

隨著我國農業的不斷發展以及對作物產量需求的不斷增大，化肥的施用已經成了必不可少的農藝措施，并且化肥的施用量和施用頻率也在日益增加。隨著我國化肥用量的增多，到2016年為止，我國化肥消費量約為5 984萬t，但是肥料的利用率卻越來越低，而且增產效果并不明顯[5]。由于長期過量的施用化肥，土壤的理化性質遭到破壞，出現了土壤板結和酸化等問題，養分也因為土壤性質的改變而流失[6]，使得土壤機質含量減少[7]，降低了土壤微生物和相關酶的活性，破壞了土壤生態系統的穩定性，其修復能力和生產功能都受到影響，對農業發展而言，這并不是可持續發展的施肥模式[8]。肥料的過度施用在一定程度上還造成了嚴重的農業面源污染問題，土壤無機氮會因為氮肥的不合理施用而淋失，從而導致環境污染，尤其是地下水污染，對生態環境破壞嚴重[9]。有機肥因為含有大量作物所需的基礎養分和其他物質，而且種類多樣，獲取方式簡單，所以被廣泛應用于我國的農業生產。有機肥所含的養分往往可以被植物直接吸收利用，并且有機肥的施入促進了土壤團聚體形成，提高了有機質數量，對土壤結構起到改良作用，提升了土壤的肥力水平。除此之外，有機肥提高了微生物的代謝能力，有利于將土壤中難吸收養分形態轉為易被作物吸收的有效態，且有機肥肥效穩定，不容易造成環境污染，所以有機肥被認為是化學肥料的有效替代品[10]。有機肥和化肥二者進行配施，既合理利用了肥料資源，又提高了土壤肥力，達到作物高產、穩產的效果，是一種高效而且安全的施肥制度[11-12]，有利于農業的可持續發展。

國內外的大量研究也表明，有機肥等氮替代化肥進行配施對土壤所含養分起到提升作用，而且為微生物生長發育創造了更好的環境，促進了土壤微生物的物質循環和生物固氮的過程，既減少了氮素的損失，還提高了氮肥的利用率[13-14]。蔡澤江、侯紅乾等的研究表明，玉米的養分供需關系能被有機肥替代部分化肥配施這種施肥模式所協調，從而達到玉米增產和穩產的目標，而且在紅壤稻田系統中，有機肥替代化肥配施下的作物增產和穩定性效果最好[15-16]。這種有機無機混合施用的施肥模式在提高土壤肥力和作物對養分吸收方面有不可替代的作用，而且極大地提高了氮素的利用效率[17]。徐明崗、孟琳等也認為有機肥替代部分化肥配施不僅提高了作物對氮素的吸收利用，還減少了由于氮素過多對環境造成污染的問題[18-19]。有學者指出：在適氮水平下，有些作物的籽粒產量會因有機肥施入量的增加而得到提升，但有機肥含量超過一定的數值時，氮肥在提高作物產量和改善作物品質方面產生的效益將會逐漸降低[20-21]。所以若想得到有機無機肥配施的最大交互作用，二者的施用量得控制在一定的范圍內，這樣才能最大程度的提升氮素的利用效率，達到作物高產的目標。

目前關于有機肥等氮替代化肥對作物產量、氮素利用率的影響研究主要在水稻[19]和小麥[21]等農作物，對玉米的研究較少，且已有的相關研究大都是對北方平原地區進行的[22]，相比之下對云南紅壤坡耕地地類下種植的玉米鮮有報道，仍需我們進一步研究來揭示有機肥等氮替代部分化肥對云南紅壤坡耕地地類下種植的玉米的產量以及氮素吸收利用效率有何影響。因此，本試驗以云南紅壤坡耕地地區的玉米為研究對象，基施有機肥替代部分化肥，試圖尋找該地玉米種植的最優肥料配施比和合理的施肥模式，為該地區實現玉米高產、高效利用氮肥提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2019年5月—2019年10月在云南省昆明市尋甸縣大河橋地區的云南農業大學實踐教學基地(25°31′07″N，103°16′41″E)進行，平均海拔1 860 m，年平均氣溫15.9℃，年均降水量達900～1 000 mm，降雨干濕季分明。土壤以紅棕壤為主，種植作物為玉米。該試驗地0—20 cm耕層土壤基本理化性狀見表1。

表1 試驗地0-20 cm耕層土壤基本理化性質

1.2 供試作物與肥料

供試作物為玉米(云瑞88)，供試有機肥是豬糞，施用前過2 mm篩孔，含水率38.00%，對其養分含量測定結果如下：全氮(N 3.33 %)，全磷(P2O51.74%)，全鉀(K2O 1.40%)；供試化肥是普通尿素(N 46.30%)、過磷酸鈣(P2O516.00%)、硫酸鉀(K2O 51.00%)。

1.3 試驗設計

試驗共設置6個處理，分別為：CK(不施任何肥)、NPK(基施100%的化肥)、T1(10%的基施化肥被有機肥進行等氮替代)、T2(20%的基施化肥被有機肥進行等氮替代)、T3(30%的基施化肥被有機肥進行等氮替代)、T4(40%的基施化肥被有機肥進行等氮替代)。其中NPK處理的化肥施用量為：N 240 kg/hm2、P2O575 kg/hm2和 K2O 75 kg/hm2。在其他施肥處理中，有機肥施用量分別為1 162 kg/hm2，2 325 kg/hm2，3 487 kg/hm2，4 650 kg/hm2。除CK外的五組處理的養分投入量(N，P2O5和K2O)相同，各處理在等養分含量投入的條件下，有機肥按等氮量一致進行替代，平衡有機肥帶入的氮、磷、鉀含量。各處理具體施肥量詳見表2。試驗的每個處理有4次重復，小區尺寸設計按4 m×7 m，24個小區完全隨機設計。施肥方式為基施為主，后期進行追肥。總氮量的40%作基肥，有機肥、磷肥、鉀肥一次性在玉米播種前撒施作基肥；剩下的60%在拔節期和大喇叭口期進行追肥，追肥方式為穴施，前者追施總氮量的35%，后者追施總氮量的25%。每小區定植280株玉米(行距60 cm、株距25 cm)，播種深度約為4～5 cm，小區之間用1 m走道互相隔離，以免小區之間互相影響，種植期間按常規進行田間管理。

表2 不同施肥處理的肥料施用量 kg/hm2

1.4 樣品采集

在玉米的成熟期采樣，每個小區隨機選取15株玉米，采集其地上部部分，用于測定產量和含氮量。分別對玉米籽粒和秸稈進行鮮重稱量，測定含水率后進行風干處理，最后算其干物重。

1.5 樣品分析

1.5.1 玉米產量的測定 準確測定各小區玉米棒子鮮重記為m，每個小區隨機選取的15個玉米棒子鮮重記m1，籽粒鮮重記m2，同時采用谷物含水量測定儀測定玉米籽粒含水量w1，得出穗心占玉米棒子鮮重的百分比w2。

各區玉米產量M(kg)：

=m×(1-w1-w2)

1.5.2 干物質和含氮量的測定 將各小區采集的15株植株進行殺青(溫度為105℃，時間為30 min)，然后于75℃下進行烘干，直至恒重，接著測定植株的干物重。將完成測定的植株樣品進行粉碎并過100目篩，植物全氮含量通過H2SO4-H2O2消煮，用凱氏定氮法測定。

1.6 計算公式

氮素吸收量及其利用效率的計算公式[23]如下：(1) 玉米吸氮量(kg/hm2)=(籽粒產量×籽粒含氮量)+(秸稈產量×秸稈含氮量)；(2) 肥料氮偏生產力(PFPN，kg/kg)，PFPN=Y/F；(3) 氮肥貢獻率(FCRN，%)，FCRN=(Y-Y0)/Y×100；(4) 氮肥表觀利用率(REN，%)，REN=(N-N0)/F×100；(5) 氮肥農學利用率(AEN，kg/kg)=(Y-Y0)/F。式中：F為施氮總量；Y和Y0分別代表進行施肥處理和CK處理下的玉米籽粒產量；N和N0分別代表施肥處理和CK處理下的吸氮量。

1.7 數據處理

采用 Microsoft Excel 2016，SPSS 23.0和Origin 8.5對試驗數據進行分析處理及圖表繪制。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下玉米籽粒產量及秸稈生物量的變化

由圖1可知，不同施肥處理下的玉米籽粒產量和秸稈生物量基本呈現較一致的變化規律，不同施肥處理下的玉米產量和秸稈生物量均較CK處理有顯著增加，且不同比例有機肥等氮替代化肥較100%施用化肥處理下的玉米產量和秸稈生物量均有不同程度的增加，且增加量隨有機肥替施比例的增加呈現增加后降低的趨勢，即T3處理下的玉米產量和秸稈生物量達最大值，分別為7 653 kg/hm2，16 530 kg/hm2。T3處理下的玉米籽粒產量顯著高于CK，NPK，T1，T4處理，但與T2處理沒有顯著差異，這與秸稈生物量在不同施肥處理下表現出的規律一致。與NPK處理下的籽粒產量相比，T1，T2，T3，T4分別提高了6.12%，14.29%，19.53%，6.07%，與NPK相比，T1，T2，T3，T4處理下的秸稈生物量分別提升了2.16%，14.25%，21.76%，5.62%。這表明基施時采用有機肥、化肥配合的這種施肥模式可以有增產的作用，但有機肥替代化肥的比例不是越高越好，只有在一定范圍內才可達最佳增產效果。

圖1 不同施肥處理下玉米籽粒產量及秸稈生物量的變化

2.2 不同施肥處理對玉米吸氮量的影響

有機肥與化肥的配施明顯促進了植株對氮素的吸收，與NPK處理相比(表3)，基施有機肥等氮替代部分化肥增加了玉米籽粒和秸稈的吸氮量。且有機無機肥配施處理下的籽粒吸氮量與NPK處理差異顯著，T1，T2，T3，T4處理較NPK處理相比，玉米籽粒的吸氮量分別提高了19.89%，35.14%，40.83%，16.72%，且T3處理吸氮量達到136.50 kg/hm2，顯著高于其他施肥處理，較T1，T2，T4處理相比分別提升了26.14%，8.77%，28.96%，這表明當有機無機肥配施時，有機肥等氮替代化肥的比例為30%時對氮素向玉米籽粒的轉運作用最大，使得玉米籽粒對氮素累積吸收的效果最好。而T1處理下的籽粒吸氮量與T4處理差異不顯著，雖然與NPK處理相比有所提高，但相比T2，T3處理，T1，T4的提升效果并不顯著。

玉米秸稈的吸氮量隨施肥的變化較籽粒吸氮量隨施肥的變化規律較一致，有機無機配施處理下的秸稈吸氮量較單施氮肥處理較高，且在有機肥等氮替代30%基施化肥時達峰值為(155.58±8.79) kg/hm2，并與其余施肥處理下的秸稈吸氮量差異顯著，相比NPK，T1，T2和 T4處理，T3處理的秸稈吸氮量分別增加17.46%，28.44%，20.48%，31.62%，其余處理間的秸稈吸氮量差異不顯著。

表3 不同施肥處理的玉米對氮素的累積吸收量 kg/hm2

因此，有機無機配施處理下的玉米地上部吸氮量顯著高于單施化肥處理，且玉米地上部的吸氮量隨有機肥配施比例的增加呈先增加后降低趨勢，玉米地上部氮素平均積累量從大到小依次為T3(292 kg/hm2)>T2(248 kg/hm2)>T1(212 kg/hm2)>T4(203 kg/hm2)>NPK(176 kg/hm2)>CK(52 kg/hm2)。與NPK，T1，T2，T4處理相比，T3處理分別提高了39.90%，27.37%，15.01%，30.38%的吸氮量，即有機肥替代30%基施化肥時玉米地上部的吸氮量效果最好，表明有機肥化肥配施可以提高玉米地上部的吸氮量，但是存在一個最合適的有機肥替施比例，相較于其他不同施肥處理使得玉米對氮素的吸收效果更好。有機肥替施的比例過少或過多，對提高氮素吸收的效果都不顯著，過多的有機肥配施反而一定程度上增加了氮素進入環境的風險，對環境污染造成潛在威脅。

2.3 不同施肥處理對玉米氮素利用率的影響

肥料氮偏生產力(PFPN,kg/kg)反映的是單位施氮量下所得的作物籽粒產量，是土壤肥力與肥料效應的一個綜合指標。由圖2可知，不同施肥處理下的PFPN大小是隨著有機肥等氮替代基施化肥比例改變而變化的，隨著替代比例增加，PFPN也增加。當替代比例為30%時PFPN達到極值，為32.13 kg/kg，但替代比例進一步增加時，PFPN開始下降，但仍高于NPK處理(該處理的PFPN最低，為26.38 kg/kg)。T3處理下的PFPN與其他施肥處理之間達到顯著差異，而NPK，T1，T4處理之間差異并不顯著。

圖2 不同施肥處理玉米的氮素利用效率

氮肥貢獻率(FCRN)指施氮量增加的產量占總產量的比率。各處理的FCRN隨著替代基施化肥比例的提高而提高的，但當替代比例超過一定值后，FCRN開始下降。T3處理下的FCRN在所有處理中最高，為72.56%，與NPK，T1，T2，T4相比，T3處理下的FCRN分別提高了6.29%，4.56%，2.85%，4.67%。之后隨著有機肥替施比例的增加，FCRN開始下降，但仍高于單施化肥的處理。

氮肥表觀利用率(REN)表征的是作物對肥料中N的回收效率。不同施肥處理下的REN存在差異，REN隨著等氮替代基施化肥比例的增加先增加而后降低。在所有施肥處理中，T3處理下的REN達100.21%，顯著高于其他處理，T1，T2，T3，T4處理下的REN比NPK處理分別提升了29.53%，58.64%，94.02%，20.48%，說明有機肥替代部分基施化肥對提高氮素的利用率有顯著的作用，而NPK與T4處理之間沒有顯著差異，說明單施化肥或有機肥替代比例過高都不利于作物對肥料中N的回收。

氮肥的農學利用率(AEN)一般用來表示施用氮肥后作物增產的多少。AEN隨著等氮替代基施化肥比例的變化而變化，各處理下的AEN從大到小為T3(23.25 kg/kg)>T2(21.23 kg/kg)>T1(18.92 kg/kg)>T4(18.82 kg/kg)>NPK(17.50 kg/kg)。較NPK處理，T1，T2，T3，T4施肥處理下的AEN分別提高了8.11%，21.31%，32.86%，7.54%，說明用有機肥對基施的化肥進行等氮替代這種施肥模式對AEN有提升作用，替代比例達30%時的AEN最高。比較不同處理的AEN，其中每施1 kg的氮肥，T2，T3分別能獲得21.23 kg，23.25 kg的玉米籽粒，且這兩個處理的AEN顯著高于其余幾個處理。與T1，T4處理相比，T3處理分別增產18.62%，19.05%，說明用有機肥對基施的化肥進行等氮替代，需要在一定的范圍內才能有最大氮肥農學利用率，對玉米的增產效果才最好。

3 討 論

3.1 基施有機肥對化肥進行等氮替代對玉米產量和秸稈生物量的影響

從試驗結果來看，等氮替代不同比例處理下的籽粒產量和秸稈生物量存在一定的差異。在該試驗條件下，籽粒產量、生物量從大到小均為T3>T2>T1>T4>NPK。相比NPK，用有機肥進行替代的處理明顯提高了玉米籽粒的產量，這可能因為有機肥施入土壤后有利于土壤團粒結構的形成，從而提高了土壤保水保肥以及供應玉米養分的能力。隨著有機肥施入量的增加，籽粒產量也在增加，但基施有機肥等氮替代30%的基施化肥時提高的玉米籽粒產量最大，達7 653 kg/hm2。因此，從玉米籽粒的產量來看，基施有機肥等氮替代化肥的30%(T3)最能維持云南紅壤地區玉米的高產，為該地區最適宜的替代比例。用有機肥進行替代的處理的秸稈生物量與CK相比有顯著差異。T1，T2，T3，T4處理比NPK分別提高了2.16%，14.25%，21.76%，5.62%，這是因為有機肥和化肥的配施可以有效的提高作物的品質、優化產量結構、增加植株干物質積累。徐國偉等[24]的研究也表明，合理的施肥比例一定程度上可以提高葉片光合速率，為干物質的積累提供保障，所以有機無機肥合理配施能夠增加葉面積和葉綠素含量，提高作物各生長時期葉片的捕光能力，提高光合性能，從而增加植株地上部的生物量積累。

在本試驗中隨著有機肥配施比例的增加，玉米籽粒產量和秸稈生物量均呈先增加而后又降低的趨勢，可能是因為試驗開展時候，土壤的肥力水平比較低，有化肥豐富的速效養分供應，對產量水平有很大的提升作用，有機肥等氮替代部分化肥后，改善了土壤中氮素循環的過程，促進了土壤養分釋放，既保證了土壤長期的氮素供應，又滿足了玉米長發育期間對氮素的養分需求，有利于作物產量的提升，所以隨著有機肥替施比例增加，籽粒產量和秸稈生物量也在增加。有機肥含有大量的養分和有機質，所以施入后能提高土壤的含氮量，但因為有機質的礦質化作用進行較為緩慢，在短時間內釋放出來的養分有限，所以作物被吸收的較少，提高作物產量的效果一般[25]，所以替施有機肥比例過多時，有機肥養分效果發揮較慢，雖然有提高，但相對于適量的替代比例而言，籽粒產量和秸稈生物量有所減少。在玉米生長前期，因為有機肥肥效緩慢，所以作物吸收的大部分養分是由化肥提供的，在生長后期，有機肥開始釋放氮素，能保證玉米籽粒的產量在一個較高水平[26]。大量研究[27-28]指出，利用有機肥對基施化肥進行等氮替代后的玉米能達到高產的目標。有學者通過指出有機無機肥配施能顯著提升小麥、玉米產量，并且有機氮比例在25%時，小麥、玉米等能獲得最高產[29-30]，此時土壤能為植株穩定提供其生長發育所需的氮素，這與本試驗所得結果基本是一致的，在本試驗中有機肥等氮替代30%的化肥處理使玉米具有較高的籽粒產量秸稈生物量。

3.2 基施有機肥對化肥進行等氮替代對氮素吸收利用的影響

分析研究結果可知，不同處理下的玉米地上部吸氮量存在差異，均隨基施有機肥比例的增加呈上升趨勢，到達極值(T3)之后又開始有所下降，從大到小依次為T3(292 kg/hm2)>T2(248 kg/hm2)>T1(212 kg/hm2)>T4(203 kg/hm2)>NPK(176 kg/hm2)>CK(52 kg/hm2)，說明有機肥對基施化肥進行等氮替代的處理可以增加玉米的吸氮量，這與周江明、高洪軍等[31-32]的研究結果大致相同。有機肥、化肥的單獨施用均能在一定程度上提高土壤供氮的能力，化肥供肥雖然見效快，但是后勁不足，而有機肥雖然見效慢，但肥效持久，所以二者共同施用既能快速給土壤提供氮素，又能將土壤里的有效氮保留，從而讓作物更好的吸收利用[33]。當有機肥和化肥配施后，增加了微生物的活性，加速了土壤的供氮過程，使得微生物固定的氮素含量增加，一定程度上減少了氮素的浪費以及氮素進入環境造成環境污染的風險，使得土壤里的氮素能被作物充分吸收。隨著有機肥比例的增加，土壤的供氮能力也增加，玉米地上部的吸氮量也在增加，但超過一定的比例就會下降。在本研究中，T3處理下的地上部吸氮量最高，達到了292 kg/hm2，顯著高于另外幾個施肥處理。當有機肥替施比例超過30%而繼續增加有機肥時，吸氮量開始下降，且小于其他施肥處理。對基施化肥進行等氮替代處理下的PFPN，FCRN，REN，AEN均比NPK處理高，在所有有機肥化肥配施的處理中，T3處理下的PFPN，FCRN，REN，AEN最高，分別是32.13 kg/kg，72.56%，100.21%，23.25 kg/kg，說明在本試驗中有機肥等氮替代30%的化肥的處理對氮素利用率最大。在本試驗中隨著有機肥配施比例的增加，PFPN，FCRN，REN，AEN也在增加，但當有機肥配施比例達到40%(T4)時，PFPN，FCRN，REN，AEN相較于T3處理有所降低，可能是有機肥過多，一部分被土壤微生固定，另一部分礦質化困難，使得養分供給較慢，所以植株對氮素的利用沒有較好效果。在本試驗中，REN較高是因為本試驗地為玉米連作區，但本試驗僅分析了當季玉米季氮素的利用情況，在種植前茬作物時，過多的氮肥被遺留在土壤中，然后被當季作物所吸收，使得所氮肥的表觀利用率較高，這與張永春等[34]研究得出的結論是一致的。

綜上，對不同肥力水平種植區的不同作物而言，有機無機肥配施的合適比例會隨著土壤肥力情況和氣候等條件的不同而改變。所以應該根據作物種植地區的地理情況、生長的特點以及對養分需求，選擇適宜的施肥模式。在本試驗中，有機無機肥配施處理適宜替代比例在30%左右玉米具有最高的產量和吸氮量，并且在該有機肥替施比例下的氮素利用效率最高，這與Shah等[30]的結果是一致的。利用有機肥對基施化肥進行等氮替代的施肥模式能較好地保證作物所需養分的均衡供應，不但有利于作物生長，而且對土壤氮供應過程起到協調作用，使肥效穩定而且持續較長時間。孟琳等[19]的研究也指出，有機肥的供氮方式是循序漸進的，這種緩但穩的供肥方式更適合作物根系對氮的吸收利用，而且還避免了過多的無機氮存在于土壤中而遭受揮發損失，造成資源浪費和環境污染等問題。

4 結 論

(1) 與NPK處理相比，不同比例有機肥替代基施化肥的處理能在一定程度上提高玉米籽粒、秸稈生物量量，且有機肥替代30%的基施化肥處理下的玉米籽粒產量和地上部生物量最高，分別達到7 653 kg/hm2，16 530 kg/hm2，較其他施肥處理有一定的顯著性。

(2) 有機肥替代基施化肥的處理均提高了玉米籽粒和秸稈的吸氮量，不同施肥處理的玉米地上部分吸氮量變化規律為T3(292 kg/hm2)>T2(248 kg/hm2)>T1(212 kg/hm2)>T4(203 kg/hm2)>NPK(176 kg/hm2)>CK(52 kg/hm2)，其中以有機肥替代基施化肥比例達30%時對玉米氮素的積累作用最顯著，而有機肥替施的比例過少或過多對提高玉米對氮素吸收的效果都不明顯

(3) 與CK，NPK處理相比，有機肥替代基施化肥的處理均提高了PFPN，FCRN，REN，AEN，其中T3處理下的PFPN為32.13 kg/kg，FCRN為72.56%，REN為100.21%，AEN為23.25 kg/kg，說明在本試驗中有機肥等氮替代30%的基施化肥更加適合云南紅壤坡耕地的玉米種植，不僅氮素的吸收利用率最高，而且減少了氮肥資源的浪費。