有机肥替代化肥对陇中旱区玉米生长及农田碳排放的影响

谢丽华，李玲玲，谢军红，王进斌，周永杰，陈 倩，Setorkwami Fudjoe

（干旱生境作物学国家重点实验室/甘肃农业大学农学院，甘肃兰州 730070）

黄土高原陇中旱农区水热资源不足，自然条件不能满足玉米生长需求，全膜双垄沟播技术的应用突破了该区玉米种植的水热限制，玉米单产可达10000 kg/hm2以上[1–2]。高产输出需及时足量地补充土壤养分以维持土地持续高产[3]，为追求玉米高产，氮肥过量施用造成的土壤质量退化问题日趋严峻[4–6]。相关研究表明，农田施用有机肥在平衡地力、保持产量的同时能增加土壤有机质、培肥地力[7–8]。但也有研究发现，玉米农田连年单施有机肥会造成减产[9]。那么，如何以科学比例用有机肥替代化肥，既满足玉米养分需求，又能避免大量使用化肥带来的负面问题？这是陇中旱农区玉米高产迫切需要解决的问题。

土壤碳排放对全球大气CO2浓度变化具有重要作用，农田生态系统能在较短时间内实现对碳库的调节[10]。研究发现，长期施肥会改变农田土壤理化性质 (如土壤温度、水分、pH、全氮、有机碳等)，从而影响农田土壤呼吸[11]，有机肥提供土壤呼吸底物，增加农田碳排放量[8]。除上述非生物因子外，前人研究也表明生物因子 (如植被类型)同样影响农田土壤呼吸[12]。Frank[13]研究发现，叶面积指数、地上生物量与土壤呼吸通量峰值相吻合，有显著正相关关系；Bahn等[14]也认为，土壤呼吸与叶面积指数间有指数正相关性。关于有机肥化肥配施下作物生长、土壤性状及农田碳排放特征已有研究，但在陇中旱农区，有机肥替代化肥比例对土壤碳排放及碳平衡影响鲜有报道，土壤碳排放响应是否和不同有机肥替代化肥比例下玉米生长发育、土壤理化等特征相关等问题亟待田间试验研究。

因此，为了确保陇中旱农区玉米绿色持续高产，亟需研究有利于提高土壤肥力，又能增强农田碳汇效应的有机肥替代无机肥方案。为此，本研究拟依托甘肃农业大学旱作农业综合实验站于2016年建立的定位试验，研究商品有机肥替代化肥氮不同比例下玉米生长动态与土壤碳排放的变化，以期探寻合理的有机肥替代无机肥方案并探讨其作用机制，为旱作全膜双垄沟播玉米农田高产低碳减肥技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2019―2020 年在甘肃省定西市甘肃农业大学旱作农业综合实验站进行，该地属中温带半干旱偏旱区，太阳辐射量为 592.9 kJ/cm2，多年平均日照时数 2476.6 h；年均气温 6.4℃，0℃ 以上的有效积温为 2933.5℃，10℃以上的有效积温为 2239.1℃，试区为典型黄绵土，土层深厚、质地均匀，0—20 cm土层饱和含水率28.6%、pH 8.36、有机质11.9 g/kg、全氮 0.8 g/kg、全磷 1.8 g/kg。多年平均降水量为 390.9 mm，2019、2020 年降雨量分别为 491.6、524.0 mm，其中，玉米生长期分别为450.1、508.2 mm，均属丰水年，年蒸发量达到 1531 mm，典型一年一熟雨养农业区。

1.2 试验设计

本研究采用单因素随机区组设计，处理包括5 个等氮磷钾量 (N 200 kg/hm2) 下的有机氮替代化肥氮比例处理：0(T1)、50.0% (T2)、37.5% (T3)、25.0% (T4)、12.5% (T5)，和一个不施肥处理 (T6)。各处理基施氮肥50.0%，50.0%在拔节期和大喇叭口期按3∶2的比例追施，有机肥按照替代比例计算的量全部用于基施。

试验所用商品有机肥为甘肃大行农业科技有限公司研售的玉米专用商品有机肥，其氮、磷、钾含量分别为3.3%、1.0%、0.7%，有机质含量>64%。5个有机肥替代化肥处理中有机肥用量分别为0 (T1)、3.0 t/hm2(T2)、2.3 t/hm2(T3)、1.5 t/hm2(T4)、0.8 t/hm2(T5)。氮肥为商品有机肥和尿素(>46%)，磷肥为过磷酸钙 (P2O5>16%)，磷肥整体水平一致。参试玉米品种‘先玉335’，种植密度5.25万株/hm2，共6个处理，3次重复，18个小区，小区面积37.4 m2(8.5 m×4.4 m)。

1.3 主要测定指标及计算方法

1.3.1 叶面积指数 于2019年在玉米拔节期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期每小区随机取3株，用直尺测定每株功能叶片长(Lij)与最大宽(Bij)，计算叶面积指数(LAI)。

式中：n为j株总叶片数；m为测定株数；ρ为种植密度。

1.3.2 干物质积累和生长率 测量叶面积指数时同步测定干物质积累量，单株装入网袋挂上标签后放入烘箱 105℃杀青0.5 h，80℃烘干至恒重，计算单株玉米干物质积累量 (g/plant)。

玉米生长率(CGR)指单位时间内每一株玉米所累积的干物质重[g/(plant·d)]

式中：W2–W1表示某段时间内单株玉米植株干重的净增长量，t2–t1为对应前后两次测定干物质的取样间隔天数。

1.3.3 玉米产量 于 2019、2020 年玉米收获时期，按小区单独测定每小区籽粒产量和生物产量。

1.3.4 土壤指标测定 于2019年玉米收获后用五点法田间采土样，风干后带回实验室测定。

土壤pH：将风干土过1 mm筛，称取10.0 g土壤样品按照土水比1∶2.5的比例加水搅拌，静置后用电位法(pH计法)测定[14]。有机碳含量用重铬酸钾外加热法[14]测定；全氮含量用凯氏定氮法[14]测定。

1.3.5 土壤呼吸测定 于2019、2020 年玉米播种后至收获，每隔15天采用 LI-8100 开路式土壤碳通量测量系统 (LI-COR Inc, Lincoln, NE, USA)测定CO2排放通量。若有降雨适当调整时间，土壤呼吸室放置在测定基座 (PVC材料，内径20.0 cm，高11.5 cm)上，以此减少对土壤表层的干扰，PVC 圈嵌入土壤后露出土壤表面 2.0 cm，整个观测过程中PVC 圈埋设位置保持不变[13]。由于大田作物生长以及土壤指标除特殊年份外在年际间较为稳定，且2019与2020年均为丰水年，情况相似，而碳排放受到诸多因素的影响，在丰水年连续两年监测半旱区农田土壤呼吸得到的结果更具有说服力。

1.3.6 土壤碳排放量的计算

式中：R是土壤呼吸速率 [μmol/(m2·s)]；i+1 和i是前后两次的采样时间；t为播种后的天数。

1.3.7 碳平衡计算 采用净生态系统生产力NEP与有机肥碳投入量Cinput计算土壤碳平衡(SCB)[15]。当SCB为正值时，表明此农田是大气CO2的“汇”，反之，则为大气CO2的“源”。计算公式为：

式中：NPP为地上与地下部分固定碳总和，地上部分生物量是玉米收获时地上所有生物量，地下部分为根生物量，以玉米籽粒产量58%估算，作物地上组织与根含碳量取45% (据估算，光合产生1 g有机质需吸收C 0.45 g)；Rm为土壤微生物异养呼吸碳排量，CE为玉米生长期碳排放量[15]。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS 21.0进行方差分析，采用Duncan法进行差异显著性检验(P<0.05为差异显著)，用皮尔逊法进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥替代化肥比例对玉米生长发育的影响

2.1.1 不同有机肥替代化肥比例对玉米叶面积指数与干物质积累的影响 由表1可知，不同处理下叶面积指数均随生育期推移呈现先增后降趋势。单施化肥(T1)与不同比例有机肥替代处理较T6不施肥均提高玉米叶面积指数。在拔节期、灌浆期和成熟期，37.5%有机替代比例(T3)与12.5%有机替代比例(T5)叶面积指数较单施化肥T1差异不显著；大喇叭口期，各比例有机肥替代处理中仅12.5%有机替代比例(T5)叶面积指数较单施化肥T1差异不显著；灌浆期和成熟期处理间均表现为T1≈T5≈T3>T4>T2>T6。因此，通过叶面积指数变化，各有机肥替代处理，除50.0%有机替代比例(T2)外，其余均适宜。

随生育时期推进玉米干物质积累量不断提高，至成熟期达到最大值(表1)。拔节期37.5%、25.0%有机肥替代比例(T3、T4)较单施化肥T1均差异不显著，50.0%有机替代比例(T2)较单施化肥T1显著降低33.5%；大喇叭口期各施肥处理间均差异不显著；而灌浆期50.0%有机替代比例(T2)较单施化肥T1处理差异不显著，37.5%、25.0%替代比例 (T3、T4) 较单施化肥T1处理分别显著降低26.7%、28.4%；成熟期50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4) 较单施化肥T1处理分别显著降低37.0%、28.9%、32.6%。12.5%有机替代比例(T5)则与单施化肥(T1)全生育期差异不显著。我们可以从数据分析看出，有机肥处理下存在明显肥效后移现象，正是前期营养生长积累不够影响后期干物质形成。

表1 2019年不同有机肥替代化肥比例下玉米各生育期叶面积指数与干物质积累量Table 1 Leaf area index and dry matter of maize at each growing period under different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019

2.1.2 不同有机肥替代化肥比例对玉米生长率的影响

表2表明，随着玉米生育期的推进，玉米生长率呈现出先增后减趋势，大喇叭口期到灌浆期间生长率最大。播种至灌浆期间50.0%有机替代比例(T2)、37.5%有机替代比例 (T3)、25.0%有机替代比例 (T4)、12.5%有机替代比例 (T5)玉米生长率较单施化肥 (T1)均差异不显著，各生育阶段内50.0%、37.5%、25.0%、12.5%有机替代比例 (T2、T3、T4、T5)间生长率均差异不显著，而灌浆～成熟期阶段50.0%、37.5%、25.0%、12.5%有机替代比例 (T2、T3、T4、T5) 处理下玉米生长率较单施化肥 (T1)分别显著降低42.0%、30.0%、42.0%、30.0%。因此，外源氮肥种类不同，有机肥替代影响玉米生长的关键时期可能是灌浆期。

表2 不同有机肥替代化肥比例下玉米各生育阶段的生长率[g/(plant·d)]Table 2 The growth rate of maize at each growing period under different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.2 不同有机肥替代化肥比例下收获期土壤理化性质的变化

由图1a可看出，收获后0—30 cm土层中不同比例有机肥替代化肥处理随土层加深pH呈升高趋势，50.0%、37.5%、25.0%、12.5%替代比例 (T2、T3、T4、T5) 较单施化肥 T1 处理在 0—5、5—10、10—30 cm土层均差异不显著。有机肥替代对土壤有机质含量存在明显效应，对0—30 cm土层均有不同程度作用，土壤有机质含量在0—5 cm土层内含量最高，50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4) 较单施化肥T1处理显著提高46.1%、34.5%、22.4%，T2较T4、T5分别显著提高19.3%、50.6%，T3较T4、T5分别显著提高9.9%、38.8%；在5—10 cm土层内50.0%有机肥替代比例 (T2)的有机质含量较单施化肥T1显著提高31.4%，50.0%、37.5%、25.0%替代比例(T2、T3、T4)间有机质含量差异不显著，而50.0%有机肥替代比例(T2)的有机质含量较12.5%有机肥替代比例处理(T5)显著提高28.3%；10—30 cm土层37.5%、25.0%有机肥替代比例处理(T3、T4)较T1分别显著提高31.4%、37.1%，37.5%有机肥替代比例处理(T3) 较12.5%有机肥替代比例处理(T5)显著提高26.1% (图1b)。全氮含量在0—5、5—10、10—30 cm层次间差异小，有机肥替代较单施化肥会降低土壤全氮含量，在5—10 cm土层中含量最高，50.0%、37.5%、25.0%、12.5%替代比例 (T2、T3、T4、T5) 较单施化肥 T1 分别显著降低22.7%、23.6%、20.0%、18.2%，各替代比例处理间差异不显著，10—30 cm土层内各施肥处理间均差异不显著(图1c)。收获后土壤温度T6、T2分别达最低与最高值(图2a)，无论是在表层0—5 cm还是20—25 cm土层中50.0%有机替代处理(T2)均显著提高土壤温度；T2处理土壤体积含水量也同样是各处理中最高(图2b)，这说明有机肥具有较好的增温保墒作用。

图1 不同有机肥替代化肥比例下玉米收获期土壤化学性质的变化Fig.1 Changes in soil chemical properties during harvest in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019

图2 不同有机肥替代化肥比例下玉米田收获期土壤温度及含水量的变化Fig.2 Changes in soil moisture and temperature during harvest in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.3 不同有机肥替代化肥比例对农田碳排放及碳平衡的影响

2.3.1 不同有机肥替代化肥比例下农田呼吸速率的变化 由图3可知，旱地玉米农田呼吸速率随作物生长表现出季节性变化特征，等氮条件下不同施肥处理较对照不施肥增加土壤呼吸速率，有机肥较化肥具有更明显的提高效应，不同比例有机肥替代化肥处理土壤呼吸速率随玉米生育期推进变化趋势基本一致。因有基肥施入，播种后土壤温度升高，玉米生长，2019年和2020年生长周期内均大致在开花期(7月22日左右)土壤平均呼吸速率分别达峰值4.4 与 5.8 [μmol/(m2·s)]。2019 年生育期内各处理的平均土壤呼吸速率为 T4 [2.8 μmol/(m2·s)]>T2 [2.7 μmol/(m2·s)]>T3 [2.7 μmol/(m2·s)]>T5 [2.6 μmol/(m2·s)]>T1 [2.6 μmol/(m2·s)]>T6 [2.4 μmol/(m2·s)]，T1、T5、T2、T4、T3处理土壤呼吸速率较T6处理分别增加4.5%、7.0%、9.8%、11.1%、14.8%。2020年玉米全生育期农田呼吸速率表现趋势与2019年基本相同，6月14日左右出现的低峰可能是由于降雨。

图3 不同有机肥替代化肥比例下玉米田2019与2020年土壤呼吸速率的变化Fig.3 Changes in soil respiration rates in maize fields with different substitution rates of organic fertilizer for urea in 2019 and 2020

2.3.2 不同有机肥替代化肥比例对碳排放量及碳平衡的影响 由表3可以看出，2019年不同有机肥替代化肥处理较T6处理显著提高玉米籽粒产量，37.5%有机替代比例(T3)、12.5%有机替代比例(T5)较单施化肥(T1)差异不显著。不同有机肥替代化肥比例碳排放总量大小表现为T4≈T2>T3≈T5>T1>T6，较T6不施肥依次增长18.4%、18.3%、6.9%、3.8%、3.4%，与不施肥(T6)相比，所有施肥处理均增加了玉米全生育期的总碳排放，而在所有施肥处理中，T1、T3与T5碳排放总量较低，且相互之间无显著差异。所有施肥处理较不施肥处理(T6)均提高净生态系统生产力(NEP)与土壤碳平衡(SCB)，T3处理2019和2020年两年的平均SCB高于其他处理，2019年T3处理下SCB与单施化肥差异不显著，2020年37.5%有机替代化肥比例(T3)下SCB最高达到 5617.9 C kg/hm2，显著高于其他所有处理，较单施化肥处理显著提高25.2%。因此，玉米农田均为大气CO2的“汇”，T3表现出最强碳汇效应。

表3 不同有机肥替代化肥比例下农田碳平衡年际间变化Table 3 Inter-annual variation in carbon balance in the farmland with different substitution rates of organic fertilizer for urea

2.4 不同有机肥替代化肥比例下农田碳排放与玉米生长及土壤理化性质的相关性

进一步分析土壤碳排放指标与玉米生长及土壤理化性质的关系发现，土壤碳排放与土壤有机质含量(r=0.56*)、土壤温度(r=0.93**)呈显著或极显著正相关；与土壤pH呈极显著负相关(r=－0.77**)；叶面积指数(r=0.75**)、干物质(r=0.75**)、籽粒产量(r=0.93**)与土壤碳平衡呈极显著正相关；土壤理化指标中全氮(r=0.72**)、温度(r=0.84**)与碳平衡间呈极显著正相关(表4)。

表4 不同有机肥替代化肥比例下农田碳排放与玉米生长及土壤理化性质相关性分析Table 4 Correlation analysis of farmland carbon emissions with maize growth and soil physicochemical properties under different substitution rates of organic fertilizer for urea

3 讨论

3.1 有机肥替代化肥对玉米产量、碳排放及碳平衡的影响

氮素是促进玉米生长与提高产量的重要限制因素[18–19]。陇中旱农区长期单一施用化肥造成土壤肥力下降，有机肥可解决该问题，但前人研究发现玉米农田连年单施有机肥显著降低产量[9,20]，那么有机肥如何以科学比例替代化肥？本研究发现，50.0%高比例有机肥替代化肥较单施化肥降低玉米籽粒产量，除2019年25.0%有机替代化肥比例(T4)外，其余有机替换比例均与单施化肥保持同等水平。通过对叶面积指数(LAI)、干物质积累、生长率指标分析，籽粒产量降低原因可能是有机肥肥效缓慢，影响前期叶片生长，玉米前期营养生长不良影响后期生殖生长，最终降低玉米籽粒产量[21]。前人在粘壤质褐土上研究化肥减量配施50.0%有机肥对玉米产量的影响，结果表明，配施有机肥的处理比单施化肥的处理提高玉米产量11.8%[9]；而在黑钙土上研究有机肥替代化肥氮对玉米产量影响时，结果发现化肥减量配施有机肥，有机肥替代比例为20.0%时可实现玉米增产增收[22]。这表明在研究探索有机肥替代化肥最优比例问题上，土壤差异问题不容忽视。本试验结果表明，不同比例有机肥替代化肥均能改善土壤pH、提高土壤肥力，但有机肥在培肥土壤与稳产同时还会影响土壤碳排放[23–25]。本研究中，不同比例有机肥替代化肥处理较对照不施肥不同程度提高玉米全生育期土壤碳排放总量，但与不施肥处理相比，各比例有机肥替代化肥处理提高了LAI、干物质积累、生长速率进而极大幅度增大玉米地上部分生物量，较不施肥处理提高净生态系统生产力(NEP)，有机肥的投入更是增强玉米农田碳汇效应，这与河西绿洲灌区玉米农田碳汇效应的研究结果相一致[26]，综合两年试验结果，37.5%有机肥替代比例下玉米农田碳汇效应强，2019年37.5%有机替代比例(T3)碳平衡 (SCB)达到 4440.6 C kg/hm2，较单施化肥差异不显著。2020年37.5%有机替代比例(T3)下SCB最高，达到5617.9 C kg/hm2，较单施化肥处理高25.2%，差异显著；而50.0%替代比例下较单施化肥却显著降低农田碳汇效应，这可能是施肥种类及用量影响作物生长，改变农田土壤微生物群落结构，影响土壤呼吸与土壤有机碳收支，这是影响土壤碳平衡的重要因素[27–28]。综上，有机肥虽肥效释放缓慢，但从玉米全生育阶段来看，37.5%有机肥替代化肥比例能改良土壤质量，保产稳排同时还能增强玉米农田碳汇效应。

3.2 有机肥替代化肥影响玉米农田碳排放的机制

农田碳排放受到生物因素与非生物因素的共同作用[11–12]。本研究结果表明，LAI、干物质积累量、籽粒产量与碳排放总量间相关性没有达到显著水平。所以，该区研究农田碳排放可多聚焦于对土壤理化性质上的探索。本研究通过整合碳排放指标与各理化性质之间相关性分析发现，土壤碳排放指标与土壤温度相关性最高(r=0.93**)，这是因为土壤温度是决定碳循环过程的关键因素，土壤温度影响土壤微生物呼吸作用各环节，在一定范围内增温影响有机碳矿化，从而使土壤温度对于土壤碳排放具有极显著正效应[29–32]。已有研究普遍认同土壤温度、水分、降雨量是农田碳排放重要影响因素[29]。本研究结果表明土壤含水量对农田碳排放多呈负效应，这与在研究区以南湿润半湿润地区的研究结果相一致[33]，与前期在黄土高原旱区的研究结果略有区别[1]，但也符合该旱区的实际情况，由于这两年的年降水量激增，在作物生长期降水量甚至达到500 mm以上，以我国等雨量线划分标准界定达到湿润半湿润地区标准。相关分析发现土壤碳排放与土壤有机质含量(r=0.56*)呈显著正相关；与土壤pH呈极显著负相关(r=–0.77**)，表明有机肥替代化肥增加玉米农田碳排放总量，可以通过施肥影响土壤的有机质含量与pH来解释。

4 结论

陇中旱农区应用全膜双垄沟播技术种植玉米在纯N 200 kg/hm2的施氮水平下，37.5%左右有机肥替代化肥既能保证玉米正常生长、维持籽粒产量水平，还可以提高0—30 cm耕层土壤肥力，调节水温状况。有机肥的施用通过影响土壤pH、有机质含量、土壤温度，调节农田碳排放。37.5%有机肥替代化肥与单施化肥相比碳排放总量无显著差异，有机肥碳投入直接影响土壤碳平衡，从而增强旱地玉米农田碳汇效应。