超高量有机肥施用对黄土高原旱作有机田首年玉米生长和产量的影响

吴志远，马红宁，李仁青，尉六良，马建珍，郭立月，蒋高明,2

(1.中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室，北京 100093;2.中国科学院大学，北京 100049；3.大宁县农业农村局，山西 大宁 042300)

旱作农业是依靠自然降水而基本不进行灌溉的农业生产模式。全球旱作农业面积占耕地总面积的80%以上[1]；我国干旱区耕地0.67亿hm2，占全国耕地面积50%以上[2-4]。黄土高原塬面是典型雨养旱作农业区，水分短缺和土壤贫瘠限制其耕作生产[5]，加之旱作农业产量低而不稳[4]，粮食价格低，农民普遍采用大量施入化肥的方式提高农作物产量[6]。历经几十年，化学农业弊端渐露，突出表现在水土流失严重，产量不稳定等方面[7，8]。

大量研究发现，合理使用有机肥，结合有效的病虫草害生态防控技术发展有机农业，不仅能保护环境，还能获得较高的产量和经济收益，增加农民收入[9-11]。合理施用有机肥可改善土壤物理性状，维持养分含量[12-16]，提高土壤蓄水保水能力[17]，旱作条件下可促进植物根系快速发育，扩大作物吸收水分和养分的空间，从而提高作物产量[18-23]。加之，黄土高原塬面具有光热资源丰富、地势广阔、土层深厚、病虫害较少等优势，适合发展旱作有机农业[24]。

当前，有机肥施用量大多根据施用化肥的氮量进行换算，年施用量20.8～45 t/hm2为常量，年施用量41.6～90.0 t/hm2为高量[7]，再高的施用量鲜见报道。虽然有人研究了大量施入牛粪对丘陵地区苹果园的改良效果，发现苹果园一次性施入300 t/hm2牛粪为宜[25]。但黄土高原旱塬地区与丘陵地区不同，种植作物也不同，其施肥量还有待研究。蚯蚓-牛粪堆肥被认为是一种优质的有机肥料[26]，质地均匀、表面积大，具有良好的孔性、通气性和保水性[27-29]，养分高且缓慢释放[30，31]，理论上可以超高量施入，但其在黄土旱塬区的施用量及对玉米生长和产量影响还需进行大田试验研究。

本研究提出的科学假设是，在黄土高原旱作农区，一次性施入超高量有机肥能保证土壤养分持续供应，增加土壤蓄水供水能力，缓解旱情，确保旱作玉米正常生长和稳产增产。因此首先需要探讨的是一次性施入有机肥的最高量及对旱作玉米生长及产量的影响。

本试验选取厩肥(牛粪)为供试有机肥原料，将其分别经常规堆沤和蚯蚓堆制处理后作为供试肥料，在黄土塬区有机旱作玉米田进行大田小区控制试验，研究牛粪不同处理方式和超高量施用对有机旱作玉米生长和产量的影响，以期为有机旱作农业增施有机肥提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于山西省大宁县昕水镇而吉村(110°44′39″E，36°32′14″N)。该村位于黄河岸边，吕梁山南端，是黄土高原东南部的塬面地区，属于暖温带半干旱区，冬春干旱，夏季多雨。年平均降水量536.9 mm，但2019年5—10月(玉米生长季)总降水量仅为325.5 mm(图1)，年平均日照时数2 466.7 h，年平均气温10.7℃，年平均无霜期212天。土壤为灰褐土，0～20 cm土层pH 值8.27、有机质含量 0.92%、全氮0.62 g/kg、速效磷 6.41 mg/kg、速效钾 113.22 mg/kg。

图1 山西省大宁县而吉村2019年5—10月降水量和平均气温

1.2 试验材料

供试玉米品种为潞鑫2号。肥料为常规堆沤牛粪和蚯蚓-牛粪堆肥，均来自于同一农场。常规堆沤牛粪(MC)的制作方法：将牛粪堆成宽1.5 m、高0.5 m的长方形堆垛，将含水量调至60%～70%，覆盖塑料布，每20天进行一次翻堆，处理时间为60天。蚯蚓-牛粪堆肥(VC)的制作方法：将牛粪堆成宽1.5 m、高0.2 m的长方形堆垛，将蚯蚓按照0.5 kg/m2接种到粪堆上，物料水分保持在55%～65%，处理60天后将蚯蚓和物料分开，即得到蚯蚓-牛粪堆肥。常规堆沤牛粪和蚯蚓-牛粪堆肥养分含量见表1。

表1 牛粪经简单堆沤和蚯蚓处理后养分含量

1.3 试验设计

试验共设 7个处理。其中，CK：不施肥；MC1：常规牛粪堆肥90 t/hm2(鲜重，含水量30%左右，以下有机肥均相同)； MC2：常规牛粪堆肥135 t/hm2；MC3：常规牛粪堆肥270 t/hm2；VC1：蚯蚓-牛粪堆肥90 t/hm2；VC2：蚯蚓-牛粪堆肥135 t/hm2；VC3：蚯蚓-牛粪堆肥270 t/hm2。随机区组排列，重复3次。小区面积为 10.0 m×3.0 m=30 m2，各小区之间设置保护行，行宽1.2 m。

将肥料均匀撒开后即进行耕地，耕深25 cm左右。2019年5月20日播种，行距60 cm, 平均株距25 cm。10月18日收获。整个玉米生长期不灌溉，依靠自然降雨。

1.4 测定指标及方法

出苗率：苗高约2 cm时进行调查，统计出苗数，计算出苗率。株高：于7月份在每小区中间行选择相连的10株，测定株高并做标记，于10月收获期再次测量其株高。成熟期地上部干物质积累量：玉米成熟后，每小区选择3株代表性植株，分茎+叶鞘、叶、苞叶、穗轴、籽粒五部分，105℃杀青30 min后70℃烘干至恒重，测定各部位干物质量。考种和产量：收获期，在小区中间行连续取15株玉米进行考种，测其穗行数、行粒数、穗粗、秃顶长、穗长、百粒重，根据穗粒数、公顷穗数及百粒重计算玉米产量。

土壤含水量：玉米收获期按照S型取样法将0～20 cm耕层土样放入铝盒，称重后于105℃烘箱烘至恒重，根据干鲜土重计算土壤含水量。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010对数据进行处理， SPSS 20软件One-way ANOVA和LSD法检验各处理间差异，用SigmaPlot 10.0软件制图，图表中各处理数据均为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 不同有机堆肥处理对玉米出苗率和株高的影响

由图2A可以看出，牛粪常规堆肥(MC)和蚯蚓-牛粪堆肥(VC)不同施入量对旱作玉米出苗率影响不同，表现为VC3>VC2>VC1>CK>MC2>MC1>MC3。与不施肥(CK)相比，牛粪常规堆肥各处理出苗率降低14%～37%，蚯蚓-牛粪堆肥各处理增加0.69%～2.76%。MC3(270 t/hm2)玉米出苗率显著低于其他处理，而与其同等施肥量的VC3出苗率最高，高于前者64%。

由图2B看出，玉米生长前期MC3株高显著低于其他施肥处理，MC1和MC2显著低于VC2和VC3处理；与CK相比，MC1和MC2株高分别提高2.06%和1.75%，MC3株高降低10%，但与CK差异均未达显著水平；VC1、VC2和VC3分别比CK高11%、15%和14%，且VC2和VC3与CK差异显著。收获期MC1和MC2株高显著高于CK，其他处理间差异不显著。

相同时期柱上字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.2 不同有机堆肥处理对玉米穗部性状的影响

由图3可见，牛粪常规堆肥处理均提高玉米穗长和穗重，MC1、MC2和MC3穗长分别比CK高6%、13%和15%，穗重分别比CK显著增加31%、46%和48%。与CK相比，VC3显著增加穗粗和穗行数，分别增6%和11%。牛粪常规堆肥和蚯蚓-牛粪堆肥处理均显著降低玉米秃尖长，MC处理比CK降低37%～39%，各施肥梯度差异不显著；蚯蚓-牛粪堆肥处理比CK降低29%～61%，随着施肥量的增加，秃尖长逐渐缩短，VC3降幅最大。行粒数处理间无显著差异，但各施肥处理均高于CK，同等施肥量情况下，牛粪常规堆肥处理行粒数高于蚯蚓-牛粪堆肥处理，随着施肥量增加行粒数总体呈上升趋势。

柱上不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)，下同。

2.3 不同有机堆肥处理对玉米产量及其构成要素的影响

由表2可见，施肥增加玉米百粒重，MC1、MC2、MC3处理分别比CK提高8%、15%和20%；蚯蚓-牛粪堆肥各处理百粒重均高于CK，VC1、VC2与CK差异不显著，但VC3与CK差异显著。蚯蚓-牛粪堆肥各处理公顷穗数均高于牛粪常规堆肥各处理和CK，并随施肥量增加而增加，其中VC3公顷穗数比MC3处理高72%；与CK相比，牛粪常规堆肥各处理公顷穗数降低15%～39%。各施肥处理穗粒数均高于CK但差异不显著。籽粒产量表现为VC3>VC1>VC2>MC2>MC1>CK>MC3，其中VC1、VC2和VC3分别比CK增加18%、17%和35%；VC3与MC3、CK差异显著， MC1和MC2分别比CK增加11%和13%，MC3降低19%。

表2 不同有机堆肥处理对玉米产量及其构成要素的影响

2.4 不同有机堆肥处理对玉米地上部干物质积累的影响

由图4可知，除MC3外各施肥处理均明显增加了地上部总干物质量，MC3显著低于其他各施肥处理；VC3显著高于CK、MC1和MC3，分别高34%、23%和98%。各处理干物质量表现为VC3>VC2 >VC1>MC2>MC1>CK>MC3。与CK相比，MC1和MC2干物质量分别提高8%和10%，MC3降低17%，VC1、VC2和VC3分别增加11%、18%和34%，MC1和MC2增幅较低且两者间差值较小，蚯蚓-牛粪堆肥各梯度处理增幅较大且处理间差值较大。VC1、VC2、MC1、MC2各处理间无显著差异，但同等施肥量情况下，蚯蚓-牛粪堆肥处理高于牛粪常规堆肥处理，且随施肥量增加干物质量也呈上升趋势。通过对各处理茎、叶、苞叶、穗轴和籽粒五部分干物质分配比例进行分析发现，无论是施肥处理还是CK，各部位干物质组分占干物质总量的比例处理间无显著差异。

2.5 不同有机堆肥处理对土壤含水量的影响

由图5可见，收获期各施肥处理0～20 cm土壤含水量比CK 高2%～12%，其中VC3含水量最高，说明添加大量蚯蚓-牛粪堆肥能维持一定的蓄水能力。各处理0～20 cm 土层含水量表现为VC3>MC3>VC2>VC1>MC2>MC1>CK，即随着施肥量的增加土壤含水量也增加，但差异均未达显著水平。同等施肥量条件下，蚯蚓-牛粪堆肥处理土壤含水量高于常规牛粪堆肥处理。

图4 不同有机堆肥处理对玉米地上部干物质积累的影响

图5 不同有机堆肥处理对玉米收获期 0～20 cm土壤含水量的影响

3 讨论与结论

水分和养分是黄土高原地区旱作农业发展的两个关键限制因子，科学解决土壤水分与养分短缺问题对于黄土高原旱作农业有重要意义。全球气候变化正在进一步加剧黄土高原地区春季干旱发生频率[32]，对该地区粮食产量威胁越来越大[33]。旱作条件下，施用化肥会进一步加剧干旱胁迫，增加旱作玉米减产风险，而有机肥作为一种缓释性肥料对作物稳产增产具有一定优势。大量研究表明，添加低量有机肥可以改善玉米百粒重、秃尖长度、穗长、穗重、穗粗、穗行数和穗粒数等性状，提高产量[34，35]。2019年试验地所在地区干旱较为严重，5—10月份总降雨量仅为325.5 mm，当地玉米平均产量为2 846 kg/hm2，较2018年(5 869 kg /hm2)降低51.5%[36]。本试验各处理较当地平均产量增加77%～194%(表2)，其中VC3产量最高，MC3最低。原因是有机肥能够有效调节土壤水分和养分，增加土壤含水量，提高供水能力[37，38]；提高土壤有机碳含量，增加土壤中N、P、K养分和其它作物生长所需要的微量元素[39，40]。说明在黄土高原旱作农区，可一次性超高量施入有机肥，既增加了土壤养分，又增加了土壤蓄水能力，有利于截获更多的天然降水，从而提高作物产量。

虽然施用常规牛粪堆肥能够改善玉米植株生长性状，提高籽粒产量，但在一定用量范围内效果显著，超过该用量会造成不利影响。本研究表明，当施入常规堆沤牛粪270 t/hm2(MC3)时，玉米出苗率、公顷穗数、籽粒产量和地上部干物质量均明显低于未施肥处理(表2、图4)。其原因是施肥量过大，加之播种期干旱、无降雨，导致土壤墒情差，影响了玉米出苗。当出苗率降低10%～15%时，作物产量显著降低[41-44]。而MC1(90 t/hm2)和MC2(135 t/hm2)除出苗率外其他各项指标和籽粒产量均高于CK，表明在黄土高原有机旱作玉米田，一次性施入常规牛粪堆肥的量可提高到135 t/hm2。

牛粪经过蚯蚓处理后，施肥量达到270 t/hm2时，玉米产量最高(表2)，并且出苗率、秃尖长度、穗粗、穗行数等性状都得到改善。原因为牛粪经过蚯蚓处理后质地均匀，具有良好的孔隙性、通气性和保水性[27-29]，且含有丰富的有机质、腐殖质、氮磷钾和铁、锰、硼等多种微量元素[30，31]，富含植物生长激素和酶类物质，以及微生物活性强[26]，提高旱作玉米出苗率，从而保证产量。VC1(90 t/hm2)和VC2(135 t/hm2)产量也明显高于CK和MC所有处理，这与Blouin等[45]研究运用Meta分析得出的以牛粪为原料的蚯蚓堆肥增加作物产量的结论一致。本研究结果表明，牛粪经过蚯蚓堆肥处理后在黄土高原有机旱作玉米田的一次性施肥量可以增加至270 t/hm2。

综上所述，在黄土高原旱作农业地区一次性施肥量，传统堆沤牛粪可增加至135 t/hm2，蚯蚓-牛粪堆肥可增加到270 t/hm2。但超高量施肥后肥效持续时间、对土壤污染风险以及种植成本等问题还有待进一步研究。