牛粪堆肥替代20%化肥对玉米季产量及经济效益的影响

许纪东，聂胜委，张巧萍，张浩光，张玉亭

（1.河南省农业科学院植物营养与资源环境研究所，河南郑州450002；2.遂平县农业科学试验站，河南遂平463100）

玉米是我国第二大粮食作物和主要的能源作物，是畜牧养殖业、饲料加工业、食品业等产业的原料，在保障国家粮食和能源安全中占有重要的地位。但在玉米生产中，化肥施用量偏高已是不争的事实，在北方，施肥与降水几乎同步，极易造成氮肥流失、饮用水污染和肥料利用率下降诸多问题[1-2]。另外，我国肉牛养殖存栏量稳居世界前列，肉牛规模也一直保持着低速稳定增长态势，牛肉总产量2016 年全国为716.8 万t、2017 年全国为726.1 万t；2017 年全国肉牛存栏量总数为7 236 万头，平均每头牛每天粪（尿）排放量约25 kg[3]，按照此排放量计算每年全国累计排放的牛粪（尿）高达近7 亿t，而且随着肉牛养殖业的适度规模化发展，牛粪污排放量不断增大，牛粪已经成为农村生活环境污染的主要来源之一。目前，我国种植业每年产生秸秆量约6.4 亿t，秸秆综合利用率只有75%左右，还有约1/4的秸秆未得到合理利用，造成秸秆资源浪费。

为此，利用牛粪与秸秆堆沤还田、合理利用资源、保护环境，已成为农业可持续发展的有效措施之一；通过发酵堆肥还田，能够培肥土壤、改善土壤耕性。有研究表明，长期有机无机肥配施可以降低表层0～15 cm 土壤的容重，提高土壤有机碳含量[4]，施用有机肥则可以增加水溶性有机碳含量[5]，长期施用可以提高土壤有机碳、腐植酸态碳含量[6]和土壤中甲烷氧化速率[7]以及土壤微生物数量和氨化细菌活性[8-9]。此外，化肥配施有机肥可以提高土壤硝化细菌的活性和硝化潜力[10]，提高小麦产量[11]，维持高产稳定性[12-14]。农业的绿色可持续发展离不开种植业秸秆、养殖业粪（尿）资源科学合理的利用，“种-养”结合的理念是解决种植业、牛养殖业废弃物资源有效化的便捷途径，既能解决养殖业的粗饲料问题，同时也可为种植业提供良好的有机肥源，促进良性互补和生态发展。

本试验通过研究不同工艺牛粪堆肥替代20%全量化肥对玉米季产量及经济效益的影响，旨在为实现化肥减量施用、资源化高效利用以及助力乡村振兴提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于河南省遂平县农业科学试验站（33°15′N、113°98′E）内。该地气候温和，雨量充沛，光照充足，四季分明；年均气温为15.1 ℃，日照时数为2 126 h，降水量为927 mm，无霜期为226 d。土壤类型为砂礓黑土，重壤偏黏，基础土样的有机质含量为2.88 g/kg、碱解氮含量为10.62 mg/kg、有效磷含量为339.62 g/kg、速效钾含量为108.15 mg/kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种为郑单1002（国审2015017）。

1.3 试验设计

试验为完全随机区组设计，4 个不同工艺的牛粪堆肥处理分别为A.牛粪＋小麦秸秆＋发酵腐熟剂＋除臭剂；B.牛粪＋小麦秸秆＋除臭剂；C.牛粪＋发酵腐熟剂+除臭剂；D.牛粪+除臭剂，2 个施肥量水平分别为6 000 kg/hm2（JZ2）和9 000 kg/hm2（JZ3），同时以单施化肥（JZ0-CK）作对照。小区面积为12 m×12 m。玉米季JZ0-CK 施肥量为：氮肥188 kg/hm2N，磷肥41 kg/hm2P（或94 kg/hm2P2O5），钾肥78 kg/hm2K（或94 kg/hm2K2O）。牛粪堆肥处理均替代20%全量化肥，配施化肥施用量为：氮肥150.4 kg/hm2N，磷肥32.8 kg/hm2P（或75.2 kg/hm2P2O5），钾肥62.4 kg/hm2K（或75.2 kg/hm2K2O）。

表1 玉米季不同农事操作项目及投入费用情况

于2019 年6 月9 日贴茬机播耧播种，等行距种植，行距为60 cm，株距为25 cm，密度为6 万株/hm2，于2019 年9 月27 日收获。整个生育期管理相同。试验地前茬作物为小麦，小麦播种季耕作方式为立式深旋耕耕作，耕层深度为（30±5）cm。

玉米季总氮的60%作底肥，其余40%作追肥，底施氮肥以及全部磷、钾肥在播种出苗后（3～5 叶期）各小区开沟施入，各处理相应牛粪堆肥均匀撒施于小区田间；于玉米大喇叭口期追施剩余的40%氮肥。玉米生长季采用机械化管理，整个玉米生长季农事操作主要包括播种、管理（打药、施肥等）、收获等环节，所有环节费用情况列于表1。

1.4 测定项目及方法

在玉米播种前测定0～20 cm 基础土壤碱解氮、有效磷、速效钾、有机质等含量，依次分别采用碱解扩散法、0.5 mol/L NaHCO3法、乙酸铵浸提-火焰光度法、重络酸钾法进行测定[15]。在玉米成熟期（2019 年9 月25 日）每个小区选取具有代表性的连续5 株调查株高、穗位高；并对果穗进行室内考种，测定穗长、穗粗、穗行数、行粒数等性状，各处理实收2 行进行测产。

1.5 数据处理

数据采用Excel、SPSS 等软件进行整理；使用LSD 法进行显著性分析（P≤0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同牛粪堆肥替代20%化肥对玉米生长因子的影响

从表2 可以看出，JZ2-A、JZ2-B、JZ2-C、JZ2-D、JZ3-A、JZ3-B、JZ3-C、JZ3-D 处理的生长因子（秃尖长除外）均优于JZ0-CK 处理；株高方面，与JZ0-CK（243.00 cm）处理相比，JZ2-B（258.40 cm）、JZ2-C（257.70 cm）、JZ2-D（252.20 cm）、JZ3-B（256.60 cm）处理均显著增加，其他处理增加不显著；穗位高方面，JZ2-A（110.00 cm）、JZ2-B（115.20 cm）、JZ3-B（114.40 cm）、JZ3-D（108.80 cm）处理显著高于JZ0-CK（99.40 cm）处理。

表2 不同牛粪堆肥替代20%化肥对玉米生长因子的影响

牛粪堆肥替代20%全量化肥均能够促进穗的生长，与JZ0-CK（14.10 cm）处理相比，JZ2-B、JZ3-C处理的穗长分别为17.4、16.9 cm，增长显著，且JZ2-B、JZ3-C 处理的穗长显著大于JZ2-C 处理；穗粗方面，JZ2-B（4.48 cm）、JZ2-D（4.68 cm）、JZ3-A（4.48 cm）、JZ3-B（4.64 cm）、JZ3-C（4.70 cm）、JZ3-D（4.46 cm）处理均显著高于JZ0-CK（3.96 cm）处理，不同牛粪堆肥处理之间，JZ2-D、JZ3-C 处理的穗粗显著大于JZ2-C 处理；牛粪堆肥替代20%全量化肥均能增加玉米穗行数和行粒数，但是各处理间穗行数差异不显著，行粒数方面，与JZ0-CK（22.8 粒/行）处理相比，JZ2-B（31.6 粒/行）、JZ2-D（29.8 粒/行）、JZ3-A（28.8 粒/行）、JZ3-C（30.4 粒/行）、JZ3-D（29.2 粒/行）处理增加显著，牛粪堆肥处理之间差异不大，仅JZ2-B 处理显著高于JZ3-B处理。

对秃尖长的影响方面，与JZ0-CK（2.30 cm）处理相比，JZ2-A（2.90 cm）、JZ3-B（2.70 cm）、JZ2-D（2.62 cm）处理秃尖长增加，其他处理的秃尖长则下降，但差异均不显著；不同牛粪堆肥替代处理之间，仅JZ2-C（1.20 cm）处理显著低于JZ2-A、JZ3-B、JZ2-D 处理。

综合来看，牛粪堆肥替代20%全量化肥后促进了玉米生长，株高、穗位高、穗长、穗粗、穗行数、行粒数均增加；同时，适宜的堆肥和施用量（JZ3-A、JZ3-C）还能降低秃尖长度。

2.2 不同牛粪堆肥替代20%化肥对玉米产量的影响

由图1 可知，不同牛粪堆肥在6 000、9 000 kg/hm2施用水平下替代20%全量化肥后，均有不同程度增产；与JZ0-CK（4 647.58 kg/hm2）处理相比，JZ2-B（7 310.06 kg/hm2）、JZ2-D（6 625.35 kg/hm2）、JZ3-A（6 984.43 kg/hm2）、JZ3-C（7 425.25 kg/hm2）处 理增产显著，产量分别增加2 662.48、1 977.77、2 336.85、2 777.67 kg/hm2，增幅分别达到57.29%、42.55%、50.28%、59.77%；不同堆肥处理之间，JZ2-B、JZ3-C处理产量最高，显著高于JZ2-A（5 467.80 kg/hm2）、JZ2-C（5 258.86 kg/hm2）、JZ3-B（5 328.44 kg/hm2）处理；产量大小依次为JZ3-C＞JZ2-B＞JZ3-A＞JZ2-D＞JZ3-D＞JZ2-A＞JZ3-B＞JZ2-C＞JZ0-CK。说明牛粪堆肥替代20%全量化肥有利于玉米产量大幅度提高。

2.3 不同牛粪堆肥替代20%化肥对玉米经济效益的影响

从图2 可以看出，玉米季纯收益方面，JZ2-B（7 549.71 元/hm2）、JZ2-D（6 385.70 元/hm2）、JZ3-A（6 636.15 元/hm2）、JZ3-C（7 385.53 元/hm2）处理显著增加，分别比JZ0-CK（3 390.40 元/hm2）处理增加4 159.31、2 995.30、3 245.75、3 995.13 元/hm2，增幅分别为122.67%、88.35%、95.73%、117.84%；不同牛粪堆肥处理之间，JZ2-B 处理纯收益最大，显著高于较小的JZ2-A、JZ2-C、JZ3-B 处理；其次为JZ3-C处理，纯收益显著高于JZ2-C、JZ3-B 处理；纯收益大小依次为JZ2-B＞JZ3-C＞JZ3-A＞JZ2-D＞JZ3-D＞JZ2-A＞JZ2-C＞JZ3-B＞JZ0-CK。

产出投入比能进一步揭示投入回报收益的大小。在6 000、9 000 kg/hm2这2 个施肥水平下，不同种类牛粪堆肥替代20%全量化肥后玉米季产投比，与JZ0-CK（1.75）处理相比，JZ3-B（1.73）处理下降，其他处理均增加，其中，JZ2-B（2.55）、JZ3-C（2.41）处理增加显著；不同牛粪堆肥处理之间，JZ2-B 处理产投比最高，其次为JZ3-C 处理，分别显著高于JZ2-A、JZ2-C、JZ3-B 处理；各处理产投比大小依次为JZ2-B＞JZ3-C＞JZ2-D＞JZ3-A＞JZ3-D＞JZ2-A＞JZ2-C＞JZ0-CK＞JZ3-B（图3）。

3 结论与讨论

小麦季进行立式旋耕是近年来应用的一种新型农田耕作方式[16]，在相同施肥量条件下，不仅可以提高小麦产量[17-19]，而且具有良好的后效，能够持续提高下茬玉米季的籽粒产量[20-21]。立式旋耕后第3 季轻耕种植水稻收获时产量可增加7.97%[22]；至第6 季时仍能增产1 832.7 kg/hm2[23]。此外，有机肥（牛粪）替代75%化肥氮可以提高作物产量和氮效率，增加年经济效益[24]；化肥和秸秆配施在促进玉米生长的同时还能延缓叶片衰老，增加穗粒数[25]；有机肥配施氮肥或氮磷钾肥配施能够促进夏玉米叶片的氮代谢，提高玉米吐丝后穗位叶硝酸还原酶活性、游离氨基酸和蛋白质含量，改善荧光反应[26-28]。本研究发现，在小麦季施用牛粪堆肥替代20%全量化肥的农田土壤中，玉米季连续施用牛粪堆肥继续替代20%全量化肥，不仅能够节省玉米季20%的化学肥料投入，而且还能促进玉米生长，增加穗长、穗行数和行粒数，最终增加产量，取得较高的纯收益和产投比。在6 000 kg/hm2施肥量水平时，牛粪堆肥B、D 处理行粒数增加显著，分别较对照增产2 662.48、1 977.77 kg/hm2，增幅分别达57.29%、42.55%；纯收益分别较对照增加4 159.31、2 995.30 元/hm2，增幅分别为122.67%、88.35%。在9 000 kg/hm2施肥量水平时，牛粪堆肥A、C 处理穗粒数增加显著，增产显著，分别较对照增产2 336.85、2 777.67 kg/hm2，增幅分别达到50.28%、59.77%；纯收益分别较对照增加3 245.75、3 995.13 元/hm2，增幅分别为95.73%、117.84%。

综合产投比、秃尖长度等因子，玉米季施肥量为6 000 kg/hm2水平时，采用牛粪堆肥B（牛粪＋小麦秸秆+除臭剂）、D（牛粪＋除臭剂）处理替代20%全量化肥可取得较高的收益；玉米季施肥量为9 000 kg/hm2水平时，采用牛粪堆肥A（牛粪＋小麦秸秆＋发酵腐熟剂＋除臭剂）、C（牛粪＋发酵腐熟剂＋除臭剂）处理替代20%全量化肥可取得较高的收益。

本研究初步得出，牛粪堆肥A、B、C、D 处理替代20%全量化肥，有利于促进玉米生长，增加株高、穗长、穗行数、行粒数等，提高产量。与JZ0-CK 处理（4 647.58 kg/hm2）相比，在6 000、9 000 kg/hm2施肥量水平下，均能增加玉米产量和纯收益，其中，JZ2-B（7 310.06 kg/hm2）、JZ2-D（6 625.35 kg/hm2）、JZ3-A（6 984.43 kg/hm2）、JZ3-C（7 425.25 kg/hm2）处理增产显著，产量分别较对照增加2 662.48、1 977.77、2 336.85、2 777.67 kg/hm2，增幅分别达到57.29%、42.55%、50.28%、59.77%；不同牛粪堆肥处理之间，JZ2-B、JZ3-C 处理产量显著高于JZ2-A（5 467.80 kg/hm2）、JZ2-C（5 258.86 kg/hm2）、JZ3-B（5 328.44 kg/hm2）处理；产量大小依次为JZ3-C＞JZ2-B＞JZ3-A＞JZ2-D＞JZ3-D＞JZ2-A＞JZ3-B＞JZ2-C＞JZ0-CK。与JZ0-CK（3 390.40 元/hm2）纯收益相比，JZ2-B（7 549.71 元/hm2）、JZ2-D（6 385.70 元/hm2）、JZ3-A（6 636.15 元/hm2）、JZ3-C（7 385.53 元/hm2）处理显著增加4 159.31、2 995.3、3 245.75、3 995.13 元/hm2，增幅分别为122.67%、88.35%、95.73%、117.84%；JZ2-B 处理收益最大，其次为JZ3-C 处理，纯收益大小依次为JZ2-B＞JZ3-C＞JZ3-A＞JZ2-D＞JZ3-D＞JZ2-A＞JZ2-C＞JZ3-B＞JZ0-CK。与JZ0-CK（1.75）处理相比，除JZ3-B（1.73）处理的产投比下降外，其他牛粪堆肥处理的产投比均增加，且JZ2-B（2.55）、JZ3-C（2.41）处理显著高于JZ0-CK处理。