有机培肥对土壤肥力及玉米氮素利用和产量的影响

王秀娟, 解占军, 韩瑛祚, 娄春荣, 董环, 何志刚

(辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所, 沈阳 110161)

合理进行土壤培肥是维持和提升土壤肥力水平的主要措施，也是作物高产优质的重要保证。在提升耕地土壤肥力的众多培肥措施中，有效的途径是有机物料或者有机肥料投入，即土壤有机培肥[1-2]，其对保证我国农业可持续发展起到重要作用[3]。

施用有机肥料和秸秆还田是增加土壤碳投入、提高农田土壤肥力的直接手段，对提高土壤有机质含量和改善质量有重要作用。据报道，秸秆还田可提高关中平原小麦-玉米轮作体系红油土中耕层土壤有机碳含量，且减少氮肥用量30%并未影响小麦和玉米产量[4]；有效降低砂姜黑土土壤容重，提高耕层土壤中硝态氮的含量[5]；高量秸秆还田(9 000 kg·hm-2)32年可提高华北潮土全氮、全磷和有机质含量，并对土壤硝态氮含量具有促进作用，增加玉米产量[6]；盆栽试验研究发现，玉米秸秆对棕壤土有机碳含量影响不显著[7]。有机肥的培肥效果研究显示，牛粪与化肥配施可显著提高黄土高原干旱地区土壤有机质18.2%[8]。不同用量猪粪提高黑土有机质含量的程度不同，施用低量、中量和高量猪粪分别提高土壤有机质含量7.1%、12.4%和15.7%[9]；猪粪显著增加红壤性潴育型水稻土的未保护游离土壤有机质(soil organic matter，SOM)含量及土壤有机碳(soil organic carbon，SOC)和全氮(total nitrogen，TN)含量[10]；灰钙土中连续5年施用牛粪、羊粪，土壤有机碳分别以每年 6.61%和 8.97%的增长率累积增加[11]；牛粪培肥12年土壤有机质含量增幅达72%，提高了土壤全氮含量和活性氮组分[12]。就同一体系中不同有机物料的培肥效应，一些学者做了相应研究，结果表明，牛粪在促进苏打盐土有机质累积方面效果优于生物炭和玉米秸秆[13]；猪圈肥配施化肥在提高华北平原土壤全氮含量方面优于化肥配施作物秸秆[14]；中颗粒玉米秸秆增加原生盐碱地土壤腐殖质含量，提高各结合形态腐殖质含量的效果优于羊粪[15]；在低产黄泥田，不同有机物料培肥效果表现为秸秆优于猪粪[16]；孙凯等[17]研究认为，秸秆和有机粪肥的培肥效果与种植模式有关，在小麦季旋耕-玉米季深松模式下，玉米秸秆的土壤有机碳提高效果优于牛粪，而在小麦季深松-玉米季免耕模式下，牛粪的效果优于秸秆。可见，不同有机物料的土壤培肥效果因气候、土壤类型以及耕作制度等环境条件的不同而存在差异。东北地区玉米长期连作，浅耕旋耕作业，化肥施用量大，忽视有机物料投入，导致土壤结构退化、耕性变差。同时我国的氮肥利用率较低，仅为35%，而玉米氮肥利用效率仅为26%左右[18]。基于此，本研究在辽宁北部旱作条件的棕壤区开展田间试验，研究不同有机培肥对土壤肥力及氮肥利用率的影响，为该地区的土壤培肥方式和氮肥合理施用选择提供数据参考和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于辽宁省铁岭市铁岭县蔡牛镇，属中温带亚湿润季风大陆性气候，雨热同季。全年日照为2 700 h左右，年平均气温6.3 ℃，无霜期150 d; 年降雨量为500～700 mm，主要集中在6—9月。试验土壤为棕壤，耕层土壤的有机质含量为15.3 g·kg-1，全氮含量为1.04 g·kg-1、碱解氮含量为123 mg·kg-1，全磷含量为0.40 g·kg-1、有效磷含量为20.9 mg·kg-1，全钾含量为16.3 g·kg-1、有效钾含量为108 mg·kg-1，pH 6.0，容重为1.364 g·cm-3。

1.2 试验材料

供试玉米品种为‘铁研58’，供试肥料为复合肥(26% N、11% P2O5、11% K2O，黑龙江沃丰肥业有限公司)、尿素(46% N，北方华锦化学工业股份有限公司)、磷酸氢二铵(18% N、46% P2O5，中农集团控股股份有限公司)，过磷酸钙(12% P2O5，秦皇岛市抚宁化学工业有限公司)、硫酸钾(50% K2O，盘锦恒兴化工有限责任公司)。牛粪(38.8% C，当地养殖场堆腐牛粪)，玉米秸秆(43.1% C，当地种植的玉米秸秆，粉碎后还田)。

1.3 试验设计

采用随机区组设计，共设8个处理，分别为不施氮肥对照(P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T1)、牛粪+不施氮肥(牛粪10 000 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T2)、秸秆还田+不施氮肥(秸秆9 000 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T3)、常规氮肥(N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T4)、牛粪+常规氮肥(牛粪10 000 kg·hm-2、N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T5)、牛粪+减氮15%(牛粪10 000 kg·hm-2、N 178.5 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T6)、秸秆还田+常规氮肥(秸秆9 000 kg·hm-2、N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T7)、秸秆还田+减氮15%(秸秆9 000 kg·hm-2、N 178.5 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 90 kg·hm-2，T8)。小区面积36 m2，长10 m、宽3.6 m，3次重复。2018年4月播种，9月收获，传统垄作栽培，种植密度为60 000株·hm-2，肥料在播种时一次性施入，牛粪和玉米秸秆还田于2017年秋季进行，深度为30 cm，牛粪与玉米秸秆进行等碳量还田。其他管理按当地传统方式进行。

1.4 样品采集与指标测定

试验实施前采集0—20 cm耕层土壤，多个采集点混成一个土壤样品，测定土壤碱解氮、有效磷、有效钾、全氮、全磷、全钾、有机质、pH等指标。收获期，每个小区采用五点混合取样法，采集0—20 cm耕层土壤，测定土壤全氮含量和有机质含量。收获期每个小区选取中间2垄进行测产(面积为12 m2)，测定玉米鲜穗质量、秸秆鲜基质量，每个样区取10株玉米晒干考种。晒干后10穗玉米进行人工脱粒，测定玉米籽粒干重，测定10株玉米秸秆干重，最后折算单位面积的籽粒产量(按14%含水量计算)和玉米秸秆风干产量。选取玉米籽粒和秸秆样品测定氮含量。指标测定按常规分析方法[19]。土壤碱解氮测定用碱解扩散法；土壤有效磷采用0.5 mol·L-1NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；土壤有效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度计法测定；土壤全氮测定采用半微量开氏法；土壤全磷采用NaOH熔融，钼锑抗比色法测定；土壤全钾用NaOH 熔融，火焰光度计法测定；有机质含量测定采用重铬酸钾外加热法；pH采用2.5:1水土比(质量体积比)浸提，PHS-3E酸度计(雷磁)测定。植物全氮用H2SO4-H2O2消煮，半微量开氏法测定。

1.5 氮肥利用指标计算公式

氮肥表观利用率(apparent nitrogen use efficiency, NUE)=(施氮区氮素累积量-不施氮区氮素累积量)/施氮量×100%

氮肥偏生产力(partial factor productivity of applied N，PFPN)=施氮区籽粒产量/施氮量

氮素收获指数(nitrogen harvest index，NHI)=籽粒吸氮量/总吸氮量×100%

1.6 数据统计与分析

数据采用Microsoft Excel 2010进行整理分析，采用SPSS 19.0软件进行相关统计分析，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 有机培肥对土壤有机质和全氮含量的影响

土壤有机质和全氮含量结果(表1)可知，不同处理间土壤有机质含量存在差异。与T1相比，其他处理的土壤有机质含量均显著提高。与T4比较，玉米秸秆还田各处理(T3、T7、T8)的土壤有机质含量均有提高，其中T7和T8处理的土壤有机质含量分别达到18.9和18.7 g·kg-1，比T4显著提高12.68%和11.07%，T3与T4处理没有显著差异。施用牛粪各处理(T2、T5、T6)的土壤有机质含量均显著高于T4处理，T2、T5和T6处理的土壤有机质含量分别达到23.6、24.6和23.5 g·kg-1，比T4分别显著提高40.48%、46.43%和39.88%。施用牛粪处理(T2、T5、T6)的土壤有机质含量显著高于秸秆还田处理(T3、T7、T8)。减氮处理(T6、T8)的有机质含量分别与相应全氮施用处理(T5、T7)间并无显著差异，表明本研究条件下，减氮15%并未影响土壤中的有机质含量。

表1 不同处理下土壤有机质和全氮含量

2.2 有机培肥对玉米氮素吸收利用的影响

不同处理的玉米氮素吸收利用指标结果(表2)显示，玉米的氮素总积累量在105～190 kg·hm-2之间。不施氮肥处理(T1、T2、T3)的玉米氮素总积累量较低，分别较T4处理显著降低38.02%、35.37%和36.40%。T5、T6、T7、T8处理的氮素总积累量较T4处理显著增加11.43%、10.43%、2.50%和2.19%。

表2 不同处理对玉米氮素吸收和利用率的影响

不同处理的氮肥表观利用率在30.91%～43.75%之间。T4处理的氮肥表观利用率最低，为30.91%；T6、T5和T8处理的氮肥表观利用率分别为43.75%、38.00%和37.85%，分别比T4处理显著提高12.94%、7.09%和6.94%，T7处理与T4处理间无显著差异。氮肥偏生产力在30.22～35.97 kg·kg-1之间，T6和T8处理的氮肥偏生产力分别较T4处理显著提高19.03%和17.24%；T5和T7处理的氮肥表观利用率与T4处理无显著差异。不同处理的氮素收获指数在44.56%～49.74%之间，与T4处理相比，各处理的氮肥收获指数均未发生显著变化，但T8处理的氮肥收获指数显著高于T6处理。

2.3 有机培肥对玉米产量的影响

由表3可知，不同处理对玉米籽粒产量的影响不同。T4处理的籽粒产量为6 346.4 kg·hm-2。与T4相比，T1、T2、T3处理的玉米籽粒产量分别显著下降9.90%、5.40%和6.89%。T5和T7处理的籽粒产量分别为6 731.7和6 546.0 kg·hm-2，分别比T4显著增加6.07%和3.15%；T6和T8处理的籽粒产量与T4处理无显著差异。

表3 不同处理下玉米籽粒和秸秆产量

T4处理的玉米秸秆产量为9 631.5 kg·hm-2。T1、T2、T3处理的玉米秸秆产量较T4处理分别显著下降40.51%、38.32%和36.59%；T5和T6处理的秸秆产量分别为10 608.2、10 608.8 kg·hm-2，均较T4处理显著增加10.15%，T7和T8处理的秸秆产量与T4处理差异不显著。可见，从籽粒产量来看，T5和T7处理的效果最佳。

3 讨论

3.1 有机培肥可显著提高土壤肥力

有机碳能改善土壤的物理、化学和生物特性，在植物养分循环中起着重要作用, 是衡量土壤质量的重要指标之一。秸秆还田能够增加土壤养分和有机质含量[20]。小麦和玉米轮作体系中的土壤有机质含量与施入土壤的牛粪数量呈显著正相关[21]。本研究表明，玉米秸秆还田和施用牛粪均可提高土壤有机质和全氮含量，秸秆还田处理可提高土壤有机质含量11.07%～12.68%，施用牛粪可提高土壤有机质含量39.88%～46.43%。秸秆还田处理可提高土壤全氮含量12.79%～15.68%，施用牛粪可提高土壤全氮含量17.57%～21.35%。施用牛粪的土壤有机质和全氮含量均优于秸秆还田。在灰钙土中化肥配施牛粪、羊粪处理的年平均有机碳累积递增幅度可达 9.71%[11]；梁路等[8]研究表明，化肥与牛粪配合施用可提高0—20 cm耕层土壤的18.2%有机质含量，提高27.4%全氮含量，均与本研究结果相似。张华艳等[22]研究表明，与秸秆不还田相比，秸秆还田后土壤有机质含量增加了10.65%，全氮含量增加了18.68%，有机质含量的增加值与本研究类似，而全氮含量的增加值低于本研究结果，可能与秸秆还田量、土壤类型和作物类型等差异相关。秸秆还田后，经过微生物的一系列腐解过程，土壤水热状况发生了改善，进一步促进了秸秆的分解，进而增加了土壤养分和有机质含量[23-24]。本研究还发现，减氮处理的土壤有机质和全氮含量分别与相应全氮施用处理之间不存在显著差异，表明本研究条件下，减施氮肥15%并未影响土壤肥力。

3.2 有机培肥提高玉米氮素吸收利用效率

研究表明, 有机肥与无机肥配合施用有利于提高作物产量和氮肥利用效率[25-26]。本研究表明，与常规氮肥相比，玉米秸秆和牛粪与化肥配施处理的玉米氮素总积累量明显增加，氮肥表观利用率和偏生产力显著提高，尤其是减氮15%处理更为显著。主要原因可能是施用有机肥增加了土壤碳源，增加了根系生物量及根系分泌物，促进了微生物的生长繁殖，使土壤微生物生物量碳、氮及土壤养分含量增加，有利于土壤氮的协调供应，从而提高了氮素利用效率[27]。秸秆还田改善了土壤环境，增加了微生物的活性和数量，进而减少了氮素损失[28-30]。过量施肥会导致肥料利用率过低[31]，这可能是减氮15%处理的氮肥利用效率更高的主要原因。

3.3 有机培肥增加玉米产量

已有研究表明，增施牛粪可以提高水稻产量7.98%[32]，牛粪与化肥配施第一年提高夏玉米产量3.45%，第二年提高5.83%[33]，长期有机培肥显著影响玉米产量[34]，秸秆还田与化肥配合施用平均提高玉米、小麦和水稻产量达7.0%[35]，提高大麦、小麦和玉米产量达6%[36]。本研究发现，牛粪与化肥配施可提高玉米籽粒产量6.07%，化肥与玉米秸秆配施可提高玉米籽粒产量3.15%，且氮肥减量15%，玉米籽粒产量与常规氮肥无显著差异，这与已有研究结果一致。原因是有机肥和秸秆还田能补充土壤养分，有机肥无机肥配施既可保证土壤长期的氮素供应，又可保证作物短期内的营养需求，较好地满足了玉米生长发育期间对氮素的养分需求，提高了氮素利用效率，从而提高了玉米产量。因此，建议生产中有机肥与无机肥配合施用，增加秸秆还田，并适量减少无机氮肥的施用。