有機肥部分替代化肥對甜玉米產量與資源利用效率的影響

秦宗昌 ， 王 霞

(山東省農業廣播電視學校， 山東 濟南 250131)

0 引言

【研究意義】甜玉米具有較好的口感和獨特的風味，深受廣大消費者喜愛，近年來市場對甜玉米的需求量逐漸增加[1]。由于甜玉米復種指數高、生產周期短、種植收益好等特點，近年來種植面積不斷增加[2]。化肥施用是提高作物產量的重要因素，化肥施入土壤后能夠迅速釋放養分，補充土壤養分元素，滿足作物生長的需求[3]。但由于偏施氮肥、單一施肥、過量施肥等不合理施肥，不僅造成肥料利用率低，資源浪費嚴重，還破壞土壤結構，危害土壤生態，使得土壤富營養化，污染地下水源，導致土壤自然功能失調[4]。因此，研究玉米合理施肥技術對保護農田生態、提高肥料利用率和玉米產量具有重要的意義。【前人研究進展】探索合理的施肥方式一直以來都是農業生產的研究重點[5]。有機肥是一種含有動物蛋白、氨基酸以及氮磷鉀等有機物質的肥料，主要來源于動植物的代謝體，屬于純天然的肥料，并且肥效的時間較長[6]。研究認為，適當補充有機肥能夠維持土壤肥力水平，改善土壤結構，是協調土壤養分平衡的重要措施[7]。有機肥還能夠促進土壤水、氣條件協調，促進植株生長發育，為增加作物產量奠定基礎[8]。逄娜等[9]研究表明，有機肥還田可有效改善黑土耕層土壤有機碳水平、養分供應能力，從而增加玉米產量。何浩等[10]研究表明，有機肥施用可促進玉米生長發育，增加株高、莖粗、葉數和葉片SPAD值，通過有效改善玉米穗部性狀及產量構成因素，使產量顯著提高。【研究切入點】目前有機肥在農業生產中被廣泛應用，然而在甜玉米上的應用研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】以純施化肥處理為對照，設置不同的有機肥替代比例，研究有機肥部分替代化肥對甜玉米產量及資源利用效率的影響，為有機肥在甜玉米上的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年在山東省濟南市歷城區進行，試驗地處36°20′～35°53′N，116°49′～117°22′E，屬暖溫帶半濕潤區的大陸性季風氣候，春季干燥少雨，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季長而寒冷干燥，年平均氣溫14.3℃，年平均降水量665.7 m，無霜期178 d，年日照時數1 870.9 h。供試土壤為黑鈣土，土壤基礎肥力：堿解氮89.63 mg/kg，有機質15.78 g/kg，速效磷83.3 mg/kg，速效鉀98.36 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試甜玉米品種為金百甜15，由青島金媽媽農業科技有限公司和山東鑫豐種業股份有限公司選育，株型半緊湊，夏播出苗至采收期78 d，穗行數14～16行，行粒數37.4粒，白軸，黃粒，鮮出籽率62.0%，鮮百粒重37.4 g。供試化肥氮、磷、鉀分別為尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O512%)和氯化鉀(K2O 60%)。有機肥為二次翻堆通風發酵的豬糞肥，pH為8.07，含有機質73.88 g/kg，全氮17.65 g/kg，全磷 9.46 g/kg，全鉀8.69 mg/kg。氣象數據來自中國氣象網。

1.3 試驗設計

試驗采用完全隨機設計，以純化肥處理為對照(CK)，有機肥采用總氮量控制替代原則，施氮總量保持在(N)180 kg/hm2，分別設置有機肥替代氮肥比例10%(T1)、20%(T2)、30%(T3)、40%(T4)、50%(T5)的有機肥替代化肥處理，各處理施肥量見表1。另外單獨設置1個不施氮處理，用于測定玉米氮肥利用率。有機肥和60%化肥在播種前一次性施入，其余化肥在拔節期追施。甜玉米種植密度為6萬株/hm2，小區面積48 m2，各處理重復3次。除肥料外，其他栽培管理措施一致，甜玉米于2020年6月中旬播種，9月上旬乳熟期收獲。

表1 有機肥部分替代化肥各處理的施肥量

1.4 測定項目

1.4.1 干物質積累量 分別在玉米拔節期、抽雄期、灌漿期、乳熟期取樣，將植株按莖、葉、穗分開，于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重。

1.4.2 產量 在甜玉米乳熟期每個小區采收40個果穗進行測產，并從中選取有代表性的 10個玉米果穗，測量穗長、穗粗、穗行數、行粒數、穗粒數和百粒鮮重等產量構成因子。

1.4.3 資源利用率 資源利用率參考樸琳等[11]的方法進行計算。

光能生產效率=單位面積產量/單位面積的太陽輻射

降水生產效率=單位面積產量/降水量

溫度生產效率=單位面積產量/生育期間積溫

光能利用效率(RUE) =W×H/∑Q×100%

太陽總輻射(Q)=Q0×(a+bS/S0)

式中，W是干物質的積累量；H為每克干物質燃燒時釋放出的熱量，玉米干重熱值為1.807×104J/g；∑Q是生育期間的總光照輻射量；Q0為天文輻射；S為太陽實測日照時數；S0為太陽可照時數；S/S0為日照百分率；a、b為待定系數。

1.4.4 氮肥利用效率 在甜玉米乳熟期每小區隨機挑選植株5株玉米，去根部，洗凈，105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱重。植株樣品粉碎后過篩，使用元素分析儀測定植株氮含量。

氮素吸收利用率(NRE)=(施氮區作物總吸氮量-不施氮區作物總吸氮量)/施氮量×100%

氮素偏生產力(NPFP)=施氮區作物產量/施氮量

氮素農學利用率(NAE)=(施氮區作物產量-不施氮區作物產量)/施氮量×100%

氮素生理利用效率(NPE)=(施氮區作物產量-不施氮區作物產量)/(施氮區作物總吸氮量-不施氮區作物總吸氮量)

1.5 數據統計與分析

采用Excel 2010統計和計算數據，采用SPSS 24.0進行差異顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 有機肥部分替代化肥處理甜玉米的干物質積累量

干物質是作物產量形成的基礎。由表2可知，隨著生育進程推進，甜玉米干物質呈逐漸增加趨勢。拔節期甜玉米的干物質積累量在47.33～53.23 g/株，隨有機肥施用量增加呈逐漸降低趨勢，T1和CK間無顯著差異，其他各處理均顯著低于CK，T2、T3、T4和T5分別比CK低2.67%、3.08%、6.27%和11.08%。抽雄期甜玉米干物質積累量在109.49～126.56 g/株，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢；T3最大，顯著高于其余處理。灌漿期甜玉米干物質積累量在150.49～183.18 g/株，各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高3.99%、11.97%、21.72%、18.09%和7.72%。乳熟期甜玉米干物質積累量在219.26～257.20 g/株，各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK，以T3最多，T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高4.75%、8.34%、17.31%、13.31%和3.42%。說明，有機肥部分替代化肥能夠提高玉米干物質積累量。

表2 不同處理各生長時期甜玉米的干物質積累量

2.2 有機肥部分替代化肥處理甜玉米的穗部性狀與產量

由表3可知，有機肥替代化肥對甜玉米穗部性狀及產量有顯著影響。穗長：甜玉米穗長在20.34～23.38 cm，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，以T3最大，T1與CK間無顯著差異，其他處理均顯著高于CK，T2、T3、T4和T5分別比CK高5.95%、14.95%、12.98%和6.39%。穗粗和穗行數：甜玉米穗粗和穗行數分別在5.27～5.48 cm和14.0～14.69行，各有機肥部分替代化肥處理與CK間均無顯著差異。行粒數：甜玉米行粒數在31.56～35.64粒/行，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，以T3最大；各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高3.42%、6.91%、12.93%、8.62%和3.14%。百粒鮮重：甜玉米百粒鮮重在29.26～32.74 g，以T3最大；各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高4.03%、7.86%、11.89%、7.25%和4.41%。鮮穗產量：甜玉米鮮穗產量在14 711.71～17 646.59 kg/hm2，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，鮮穗產量為T3>T4>T5>T2>T1>CK，除T1外，其他處理均顯著高于CK，T2、T3、T4和T5分別比CK高9.02%、19.95%、15.11%和9.99%。表明，有機肥替代化肥能夠改善玉米產量構成因素，從而提高玉米產量。

表3 不同處理甜玉米的穗部性狀與產量

2.3 有機肥部分替代化肥處理甜玉米的資源利用率

由表4可知，有機肥部分替代化肥能夠顯著改善甜玉米對光、溫、水資源的利用率。光能生產效率：甜玉米光能生產效率在0.64～0.78 g/MJ，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，以T3最大，各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK，T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高4.69%、15.63%、21.88%、12.50%和7.81%。光能利用率：T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高7.34%、16.51%、32.11%、23.85%和14.68%，各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK。降雨生產率：T1、T2、T3、T4和T5分別比CK高4.18%、9.03%、19.98%、15.13%和10.01%，均顯著高于CK。積溫生產率：甜玉米積溫生產率在18.06～21.66 kg/(hm2·℃)，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，以T3最大，較CK提高19.93%；各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK。表明，有機肥部分替代化肥能夠提高玉米對光、溫、水資源的利用效率。

表4 不同處理甜玉米的資源利用率

2.4 有機肥部分替代化肥處理甜玉米的氮肥利用率

由表5看出，甜玉米的氮素吸收利用率、氮素偏生產力和氮素農學利用率分別在21.02%～35.64%、81.73～98.04 kg/kg和25.25～41.55 kg/kg，隨有機肥施用量增加呈先增后降趨勢，均以T3最大，各有機肥部分替代化肥處理均顯著高于CK。氮素生理利用率各處理均顯著低于CK，表現為CK>T3>T4>T2>T1>T5，表明化肥處理植株體內養分的利用效率較高。總體看，有機肥部分替代化肥能夠改善甜玉米的氮肥利用率。

表5 不同處理甜玉米的氮肥利用率

3 討論

有機肥能夠改善土壤理化性質，提高土壤生物活性，改善土壤生態結構，從而促進作物生長[12]。玉米地上部植株干物質積累量反映群體的光合能力[13]，而干物質積累是作物產量形成的物質基礎，玉米各生育時期的干物質積累量與產量密切相關[14]。劉曉明等[15]研究表明，施用有機肥可提高玉米花前莖稈的干物質轉運效率和對籽粒貢獻率。候麗麗等[16]研究表明，化肥減量配施有機肥顯著增加冬小麥穗部干物質積累量，并提高地上部生物量。研究結果表明，在玉米拔節期，有機肥部分替代化肥的干物質積累量均低于對照(純化肥施用)，可能是由于在生長前期，有機肥養分釋放緩慢，對玉米養分供給不足；在抽雄期至乳熟期，有機肥處理的干物質積累量高于對照，且均是在有機肥替代量為30%時干物質積累量最高，可能是由于有機肥參與農業生態系統養分循環，豐富土壤生物多樣性，提高土壤微生物活性，從而提高土壤養分的礦化，且有機肥含有大量的養分和微量元素，能夠改良土壤、提升土壤肥力，從而促進玉米生長，但是有機肥施用量過低對土壤結構的影響和改善效果較小，而有機肥使用過多，速效養分釋放不能滿足玉米生長所需，因此在有機肥替代量為30%時效果最好。

適當補充有機肥能夠改善土壤理化性質，增強土壤微生物多樣性，維持土壤肥力水平，促進土壤水、氣條件協調，促進植株生長發育，為增加作物產量奠定基礎[17]。徐兆廷等[18]研究表明，施用商品有機肥可促進制種玉米生長發育和干物質積累，提高玉米籽粒產量。季佳鵬等[19]研究表明，化肥減量20%配施牛糞處理的土壤有機碳、堿解氮、速效磷、速效鉀含量和玉米產量最高。研究結果表明，有機肥替代化肥顯著提高甜玉米穗長、行粒數、百粒重和鮮穗產量。主要是由于有機無機配合，為微生物提供碳源，既維持土壤相對較大的有機碳氮庫，增加土壤緩沖性能，又可維持土壤較好的無機肥供應能力，提高土壤養分，促進礦質元素的吸收，從而提高產量。在有機肥替代量為30%時效果最好，可能是由于該條件下土壤、養分和作物到達最佳協同狀態，為產量形成提供良好的條件。

作物產量的提高主要是通過群體對肥、光、溫、水等資源利用效率的提升來實現[20]。群體資源利用效率的提高取決于作物對資源的綜合利用程度[21]。氮肥農學效率、偏生產力、吸收利用率和生理利用率是反映作物對氮肥利用效率的主要指標，采取合理的施肥措施是提高群體資源利用效率的重要措施[22]。研究結果表明，有機肥能夠提高甜玉米光能生產效率、光能利用率、降雨生產率和有效積溫生產率，并顯著提高甜玉米氮肥吸收利用率、偏生產力和農學效率，說明有機肥替代處理不僅能維持較高的氮素利用率，同時提高氮對產量的貢獻，促進玉米對氮的吸收和合理分配，進而獲得較高的產量。在有機肥替代量為30%時，甜玉米光能生產效率、降水生產效率、溫度生產效率和光能利用效率達最大，主要是由于該處理的肥料-土壤-作物協同配合，實現高產型根系構建，給地上部提供充足養分，形成高效冠層群體，有效提高資源利用率。

4 結論

有機肥部分替代化肥對甜玉米產量及資源利用效率存在顯著影響，可顯著提高甜玉米干物質的積累量，增加玉米穗長、行粒數、百粒重和鮮穗產量，提高甜玉米光能生產效率、降水生產效率、溫度生產效率和光能利用效率。其中，以30%的替代量效果最佳，該處理條件下，甜玉米乳熟期干物質積累量為257.20 g/株，較對照(純施化肥)高17.31%；鮮穗產量達17 646.59 kg/hm2，較對照高19.95%；光能生產效率、光能利用率、降雨生產率和積溫生產率分別較對照高21.88%、32.11%、15.11%和19.90%；同時顯著提高甜玉米的氮素吸收利用率、氮素偏生產力和氮素農學利用率。