奶牛粪肥对玉米光合特性、产量及经济效益的影响

万佳淼 原秦英 李东利 周喜荣 刘智 田超 刘少泉 孙权

摘要：探究在滴灌条件下奶牛粪肥对宁夏地区玉米光合特性、产量及经济效益的影响。以绿博6号玉米为供试材料，设置6种发酵的奶牛粪施用水平（0、200、400、600、800、1 000 kg/666.7 m2）。结果表明，不同奶牛粪肥施用量可以促进玉米株高、茎粗、叶绿素含量;在玉米抽雄期，施1 000 kg/666.7 m2处理的气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率最高，分别较对照提高135.29%、107.94%、113.56%;施600 kg/666.7 m2处理净光合速率最高，较对照显著提高1842%;施800 kg/666.7 m2处理的玉米增产效果最佳，玉米的单穗粒数、百粒质量、籽粒产量分别较对照显著增加61.72%、67.22%、170.46%，施800、1 000 kg/666.7 m2处理之间的百粒质量和籽粒产量均无显著性差异;施400、800 kg/666.7 m2 处理玉米的经济效益分别较对照显著增加230.34%、275.33%。说明不同有机肥施用量均可促进玉米光合作用，提高玉米产量，增加经济效益，通过施肥量与产量函数模型得出最高产量施肥量为899.01 kg/666.7 m2，最大经济效益施肥量为699.44 kg/666.7 m2，经主成分分析综合评价结果得出，施800 kg/666.7 m2处理的有机肥施用量最佳。

关键词：奶牛粪;光合特性;土壤肥力;玉米产量;经济效益

中图分类号： S513.06文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）07-0095-06

收稿日期：2020-09-09

基金项目：宁夏重点研发计划重大专项（编号：2019BCF01001）。

作者简介：万佳淼（1992—），宁夏银川人，硕士研究生，研究方向为农业资源利用。E-mail：987549113@qq.com。

通信作者：孙 权，博士，教授，博士生导师，从事农业资源利用教学与科研工作。E-mail：sqnxu@sina.com。

我国畜禽养殖业的产物每年生产量约达57亿t，含有的氮磷钾养分总量可达7 300万t[1]，畜禽粪便中不仅含有作物可吸收的养分，还可以提高土壤肥力，改善土壤结构，促进土壤保墒保温效果[2]，这就使畜禽粪便成为我国有机肥的主要来源。而奶牛养殖业生产在宁夏规模相对较大，同时畜禽污粪资源量大，因不合理处理会造成大量资源浪费。目前，通过科学技术高效利用发酵畜禽粪便，将其制成高品质的有机肥来代替化肥，可提高土壤肥力，减少环境面源污染，促进有机农业的发展。畜禽粪便发酵后的有机肥，不仅养分全面，肥效持久，还能培肥地力，促进养地和用地的合理结合[3]，减少因化肥施入带来的负面效果，增加土壤碳氮，为作物生长提供必需营养元素，有利于农业健康发展，促进资源可持续发展[4]。

近年来关于有机肥的研究颇多，李恕艳等研究表明，施用38 t/hm2有机肥对番茄增产效果最佳[5]，可改善番茄品质，促进作物生长发育[6]。武星魁等研究表明，有机肥替代化肥比例为25%时包心菜产量最高[7]，这是因为有机肥可以提高土壤碳氮含量，维持土壤有机质和速效养分[8]。胡诚等研究发现，长期施有机肥可降低土壤容重，改善土壤孔隙，补充土壤氮素，进而提高土壤肥力，增加小麦产量[9-10]。前人的研究结果表明，有机肥中含有大量有益菌，可阻止土传病害传播。有机肥施用量为50%时可显著增强作物光合能力，改良西瓜连作障碍，有利于作物增产[11]。有研究报道，有机肥可抑制土传病害，防止土壤盐渍化，改善土壤的物理结构[12]，对提高土壤碳源，以保证养分充足供应，对作物生长具有重要作用。

在滴灌条件下，在宁夏半干旱地区有机肥对作物生长发育的报道较少，本研究针对宁夏地处西北、水资源匮乏、土壤肥力贫瘠，但养殖业发达、畜禽粪污染资源量大等特点，探索滴灌条件下奶牛粪好氧发酵对玉米生长发育、产量及经济效益的影响。研究在滴灌条件下奶牛粪好氧发酵生产高品质有机肥，通过滴灌方式，研究不同施肥量对土壤肥力、玉米生长发育、产量及经济效益的影响，探索有机肥最佳施用量、最佳经济效益，旨在为该地区奶牛粪高效合理利用及玉米高产高效栽培提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年4—10月在宁夏银川市兴庆区月牙湖乡俊华农牧有限公司农场（38°13′46.71″N，106°13′59.23″E）进行，海拔为1 100 m，年均气温≥10℃的积温为3 300 ℃，无霜期为140～160d，年均日照时数为3 000 h，日温差为13 ℃，年降水量为 180～200 mm，年均气温为8.5 ℃。供试土壤是耕种多年后形成的改良型土壤。土壤0～20 cm 耕层土壤基本理化性质：pH值为8.26，有机质含量为7.62 g/kg，碱解氮含量为47.72 mg/kg，速效磷含量为22.16 mg/kg，速效钾含量为 50.55 mg/kg，全盐含量为0.46 g/kg。

1.2 试验材料

供试玉米品种为国家审定品种绿博6号。

试验选用好氧发酵完成的奶牛粪，符合NY 525—2012《有機肥料》质量标准。其基本理化性质：有机质含量为4686%，全氮含量为40.31 g/kg，全磷含量为 11.65 g/kg，全钾含量为16.52 g/kg，pH值为 8.22，全盐含量为15.58 g/kg。

1.3 试验设计

采用单因素随机区组试验设计。试验设置6个奶牛粪肥施肥水平：CK（0 kg/666.7 m2）、N1（200 kg/666.7 m2）、N2（400 kg/666.7 m2）、N3（600 kg/666.7 m2）、N4（800 kg/666.7 m2）、N5（1 000 kg/666.7 m2），共6个处理，每个处理重复3次，共18个小区，小区面积为11 m×30 m=330 m2，随机排列。在播前整地，划好小区后，用电子秤称量奶牛粪，奶牛粪全部基施，撒施于地表，翻耕，耙磨;气吸式精量播种机单粒播种，2019年5月8日播种，播深5～10 cm，宽窄行种植，宽行为70 cm，窄行为40 cm，平均行距为55 cm;株距为20 cm，窄行铺设1条滴灌带，玉米生育期采用滴灌，共滴灌14次，总滴灌量为2 600 m3/hm2，种植密度为 6 060株/666.7 m2，2019年10月收获。

1.4 测定项目及指标

1.4.1 土壤养分指标的测定

采集方法：按照随机、等量的原则，采用“S”形采集土壤样品，采集0～20 cm土层土样带回实验室风干、研磨、过筛。有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法测定;土壤全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定;全磷含量采用钼锑抗比色法测定;速效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定;速效钾含量采用1 mol/L NH4OAc溶液浸提-火焰光度法（FP 6400型）测定。

1.4.2 玉米形态和光合指标的测定

在玉米抽雄期后测定形态光合指标，玉米株高用钢尺测量，茎粗用数显游标卡尺（0.01 mm）测定近地面茎粗（mm），每次测量10株取平均值。用SPAD-502便携式叶绿素仪测量1次叶绿素含量，每张叶片测定其基部、中部、尖部的叶绿素含量取其平均值。选择晴天采用CI-6400便携式光合测量仪测定光合速率、蒸腾速率、胞间CO2浓度、气孔导度等。

1.4.3 玉米产量指标测定

在玉米生理成熟后，各处理除去两边行及两端各1 m取中间8行，进行田间综合性状调查。统计株数和果穗数，各小区取20株玉米的果穗进行室内考种，测定小区产量。产值=籽粒产量×籽粒价格;经济效益=产值-总成本。

1.5 数据统计分析

试验数据采用Excel 2010软件整理数据和绘图，同时采用SPSS 17.0软件进行统计分析，并对相关性指标进行差异性分析（P<0.05，n=5）。

2 结果与分析

2.1 不同奶牛粪肥施用量对玉米生长指标的影响

由表1可知，在玉米成熟期，施奶牛粪肥处理在不同程度上增加了玉米株高和茎粗，提高了叶绿素含量。N1、N2、N3、N4、N5处理株高分别较CK增加37.92%、36.74%、46.56%、50.49%、48.13%。不同施肥量处理玉米茎粗均高于CK，不同处理间无显著性差异。不同施肥量对玉米叶绿素含量有显著影响，N1、N2、N3、N4、N5处理的叶绿素含量较CK分别显著增加28.72%、30.32%、18.23%、5443%、19.44%，不同处理间无显著性差异。

2.2 不同奶牛粪肥施用量对玉米光合特性的影响

由表2可知，在玉米抽雄期，N3、N4、N5处理净光合速率分别较CK显著提高18.42%、12.79%、15.70%。N5处理的气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率最高，分别较CK显著提高135.29%、10794%、113.56%。N2和N3处理气孔导度分别较CK提高70.58%、52.94%。N2、N3和N4处理的胞间CO2浓度无显著性差异。N1、N2、N3、N4、N5处理的蒸腾速率分别较CK增加23.72%、46.61、35.17%、55.51%、113.56%。

2.3 不同奶牛粪肥施用量对玉米农艺性状的影响

由表3可知，不同奶牛粪肥施用量对玉米农艺性状有重要影响，随着施肥量增加，玉米穗行数增加，N1、N2、N3、N4、N5处理穗行数分别较CK显著增加22.50%、25.05%、30.00%、32.55%、3503%，且不同处理间无显著性差异。不同处理的行粒数与CK有显著性差异，N1、N2、N3、N4、N5处理行粒数分别较CK增加9.00%、21.37%、2360%、26.97%、18.00%，以N4处理的行粒数最高，N3和N4处理无显著性差异。N1、N2、N3、N4、N5处理的穗粗分别较CK显著增加69.59%、6632%、65.90%、69.08%、66.04%，且不同处理间无显著性差异。N2、N3、N4、N5处理的穗长分别较CK显著增加42.13%、48.24%、38.46%、36.03%。不同处理的秃尖长较CK分别降低44.78%、59.20%、60.12%、57.05%、64.41%，不同处理间无显著性差异。

2.4 不同奶牛粪肥施用量对玉米产量的影响

由表4可知，奶牛粪肥对玉米产量有显著影响，不同奶牛粪施用量均可以显著提高玉米产量。N1、N2、N3、N4、N5处理单穗粒数分别较CK显著增加35.91%、57.92%、60.37%、61.72%、59.69%，N2、N3和N5处理间差异不显著。N1、N2、N3、N4、N5处理玉米百粒质量分别较CK显著增加19.63%、38.32%、36.18%、67.22%、60.93%，N2和N3处理无显著性差异，N4和N5处理无显著性差异。N1、N2、N3、N4、N5处理玉米籽粒产量分别较CK显著增加62.59%、118.40%、118.40%、170.46%、15705%，N4和N5处理无显著性差异，N2和N3处理之间差异不显著。不同施肥处理的单株鲜质量与CK 有显著性差异，N1、N2、N3、N4、N5处理单株鲜质量分别较CK显著增加57.89%、105.26%、147.36%、27368%、278.94%。N4和N5处理间无显著性差异，N1和N3处理间差异显著。

2.5 不同奶牛粪肥施用量对玉米经济效益的影响

由表5可知，不同奶牛粪施肥量处理可显著提高玉米产值。各处理玉米产值由高到低为N4>N5>N2>N3>N1>CK，产值以N4和N5处理效果最佳，分别较CK增加170.46%、157.05%。各处理玉米经济效益高低顺序为N4>N2>N1>N5>N3>CK，经济效益以N4和N2处理最佳，分别较CK增加275.33%、230.34%。而产投比高低顺序为N2>N4>N1>N3>N5>CK，產投比以N2处理和N4处理效果最佳，分别较CK增加26.92%、27.56%。

2.6 不同奶牛粪肥最佳施用量

为直观形象地描述不同奶牛粪肥施用量与玉米产量的关系，将不同奶牛粪肥施用量与玉米产量的关系绘于图1，玉米产量随着奶牛粪肥施用量的增加而增加，达到一定值后随着奶牛粪肥施用量的增加，玉米产量有下降的趋势，根据函数模型得出玉米产量（y）和有机肥施用量（x）的相关性，二者的关系为y=-0.000 9x2+1618 3x+491.88（r2=0.962 6），籽粒玉米价格为1.50元/kg，有机肥价格为650元/t，由函数公式得出，最高产量施肥量为899.01 kg/666.7 m2，最大经济效益施肥量为69944 kg/666.7 m2。

2.7 主成分分析

由表6可知，为明确最佳奶牛粪肥施用量，对所有测定指标进行主成分分析，经综合客观分析，第1个主成分的累积贡献率达79%，第2个主成分累积贡献率达92%，综上所述，处理N4得分最高，处理N5得分次之，因此综合考虑各项指标，N4处理的施肥量最佳。

3 讨论与结论

3.1 不同奶牛粪肥对玉米生长的影响

有机肥对调节土壤碳氮，促进作物生长发育有重要作用[12-13]。臧小平等研究认为，施有机肥不仅可以提高土壤碳的积累，还有利于对作物株高、茎粗、叶绿素的增加[14]。王亚雄等研究发现，施用不同有机肥可以增加土壤氮磷钾含量，增加枸杞光合能力，促进枸杞生长发育，提高枸杞的品质[15]。本研究发现，有机肥不仅促进玉米生长，还增强叶片光合效率，这与前人的研究结果相似。分析其原因可能是有机肥可以显著增加土壤的碳、全氮和有效磷的含量[16]，且有机肥可以在土壤中矿化，补充土壤氮素[17]，同时氮磷钾含量供应充足，有利于叶片光合作用，促进玉米生长，还可能是因为发酵腐熟的奶牛粪中含有大量的有机质，可以改善土壤结构，增加土壤孔隙，降低土壤容重，促进玉米根系生长，从而有利于作物生长发育[18-20]。

3.2 不同奶牛粪肥对玉米产量及经济效益的影响

有研究认为，施用有机肥可以补充土壤氮磷钾含量，促进作物高效优质生产，增加春玉米、葡萄、番茄等产量[21-24]。杜少平等研究表明，施用有机肥既能提高土壤肥力，还能促进西瓜成活率，增加西瓜产量[11]。谢军等研究发现，有机肥替代化肥可以显著增加玉米氮素，提高玉米产量[25]。李娟等指出，深松耕作方式施22.5 t/hm2有机肥可以增加玉米的穗粒数、百粒质量、籽粒产量[26]。陈爱晶等研究表明，增施20%的有机肥既能促进土壤有机质含量增加，还可以提高水稻产量[27]。本研究发现，施有机肥可以显著增加玉米单穗粒数、穗粒数、百粒质量、穗长、穗粗，提高玉米产量。这与前人的研究结果一致，一方面是因为奶牛粪发酵后含有作物可以吸收的养分较全面，能够补充玉米整个生育期对养分的需求。同时奶牛粪中大量的有机质可以改善土壤物理结构，增加土壤保水保肥性能，为作物提供充足的碳氮，促进作物生长[28]。另一方面可能是奶牛粪的施入，可以提高土壤有机质含量，减少土壤中部分磷固定，增加土壤有效磷含量，促进作物对磷素的吸收[29]。而且奶牛粪发酵腐熟后有大量微生物，可以调节土壤理化性质，增加土壤中养分，补充部分土壤中养分被固持，从而提高土壤养分[30-32]。

有研究显示，作物施肥量和玉米产量的关系呈抛物线形[33]。本研究发现，玉米产量和有机肥施肥量有显著相关性，随着有机肥施肥量的增加玉米产量也在增加，当超过一定施肥量时，玉米产量有所下降。通过数值模拟得出最高产量施肥量为 899.01 kg/666.7 m2，最大经济效益施肥量为 699.44 kg/666.7 m2。本试验经综合评价得出，800 kg/666.7 m2 处理的有机肥施肥量最佳，而施 1 000 kg/666.7 m2 处理的籽粒产量低于施 800 kg/666.7 m2处理，这是因为过量施肥会降低作物对养分的利用效率[8]。而李娟等指出，在深松模式下施22.5 t/hm2有机肥处理玉米产量最高[26]，这与前人研究结果不一致，分析其原因一方面可能是研究区域土壤基础肥力有差异，不同耕作方式也有一定的影响，作物类型不同，不同灌溉方式和灌水量有差异[34-35]，也会影响作物产量和经济效益[36];另一方面可能与有机肥类型相关[37]，有机肥种类较多，且养分比例不一致，同时有机肥施肥量也不同。

在本试验中，与不施肥相比，发酵的奶牛粪在一定程度上可以提高土壤肥力，促进玉米生长发育，实现玉米增产创收。经综合评价得出，其中以施 800 kg/666.7 m2 有机肥玉米株高、茎粗最佳。施 1 000 kg/666.7 m2 玉米光合作用最强，气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率最高。施800 kg/666.7 m2的单穗粒数、百粒质量、籽粒产量、单株鲜质量较优，同时产值和经济效益最高。通过玉米籽粒产量和施肥量函数模型的相关性分析可知，二者的关系为y=-0.000 9x2+1.618 3x+491.88（r2=0.962 6），得出最高产量施肥量为899.01 kg/666.7 m2，最大经济效益施肥量为699.44 kg/666.7 m2。经客观综合评价得出，在滴灌条件下，施800 kg/666.7 m2处理的玉米株高、茎粗最优，同时可以提高土壤肥力，有利于玉米生长发育，且玉米增产效果明显，玉米产量和经济效益最高。

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