基于有机肥和菌肥的玉米减肥增效研究

杨清夏, 李欢, 龙光强, 2, 赵平, 2,*, 吴开贤, 何澍然

基于有机肥和菌肥的玉米减肥增效研究

杨清夏1, 2, 3, 李欢1, 龙光强1, 2, 赵平1, 2,*, 吴开贤4, 何澍然1

1. 云南农业大学资源与环境学院, 云南昆明 650201 2. 农业农村部云南耕地保育科学观测实验站, 云南昆明 650201 3. 宜宾市屏山县农业农村局，四川宜宾 645350 4. 云南农业大学农学与生物技术学院, 云南昆明 650201

有机肥和菌肥配施可改善土壤供肥能力, 有望在玉米化肥减量和增效中发挥重要作用。通过田间小区试验, 在常规施肥和氮磷钾同时减量20%的基础上, 分别配施有机肥和菌肥, 测定玉米产量、养分吸收分配与利用, 结合土壤养分动态, 评价有机肥和菌肥在玉米减肥增效中的作用。结果表明, 与常规施肥相比, 化肥减量20%配施有机肥和菌肥的玉米产量可达到常规化肥水平, 且分别比化肥减量20%处理增产19.8%和26.6%, 玉米收获指数提高32.7%和32.8%; 相比减量化肥, 配施有机肥和菌肥均提高了玉米净收益和偏生产力, 并不同程度地增加玉米籽粒中氮、磷、钾的分配比例, 且均达到了常规化肥处理的水平。在玉米三个生长期, 减量化肥配施有机肥和菌肥可较减量化肥不同程度提高土壤硝态氮、铵态氮和速效钾含量, 增幅分别为21. 2%—26. 8%、1. 4%—20. 4%、7. 9%—25. 3% 。总体上, 化肥减量配施有机肥和菌肥可提高土壤速效养分供应, 增加玉米籽粒氮磷钾分配比例, 提高玉米收获指数, 实现氮磷钾肥同时减量但不减产的目标, 可在云南等地作物的减肥增效中发挥重要作用。

玉米; 产量; 有机肥; 菌肥; 化肥减量; 养分吸收

0 前言

化肥在我国粮食安全方面有着重要的作用, 对我国粮食单产增长贡献率高达55%—57%, 对总产增长贡献率约为30%—31%[1]。但近年来, 我国化肥的施用量在逐渐增长, 2014年达到了5995. 9万吨, 其中云南省达224. 99万吨, 占全国化肥总施用量的3. 75%[2]。长期大量施用化肥, 导致土壤板结、盐碱化、土壤肥力下降的同时降低了肥料利用率, 也对环境造成了很大的威胁[3-4]。因此, 2015年国家提出了化肥零增长战略, 实现减肥增效已经成为我国农业发展的必然趋势。因此, 迫切需要一种既有利于作物的高产稳产, 又可以减少化肥施用量、增加农民收益的施肥措施。

有机肥施用可降低土壤紧实度、改善土壤结构[5]、增加土壤有机质和提高土壤养分含量[6]。我国农业生产中肥料多以速效肥为主, 肥效快但肥料损失严重, 有机无机配施可协调养分供应与作物吸收的同步性, 促进养分高效利用, 是实现作物高产稳产的有效途径[7]。有研究发现, 有机无机配施较单施化肥可减少玉米氮肥用量30%—50%, 并能有效维持产量[8]。菌肥又称为微生物肥料, 因其成本低、增产作用明显等特点成为部分替代化肥的重要选择[9]; 菌肥可以保持各种营养元素的转化、促进作物生长、减少土传病害和环境污染[10]; 其含有的多种菌类还可以加快土壤微生物对有机质的分解, 从而提高作物产量[11], 菌肥与化肥配合施用时作物的产量增幅可达10%—26%,同时减少15%的氮磷钾复合肥[12]。可见有机肥和菌肥都有很大的减肥增效潜力, 目前在玉米、小麦等作物上有较广泛的研究和应用, 并取得很好的效果。

玉米是我国三大粮食作物之一, 占粮食作物播种面积和总产量的31. 5%和34. 9%[13]玉米在云南的种植面积约为151. 7万hm2, 占全省粮食作物种植面积的21%[14]。提高和维持玉米产量对促进我国农业生产和保障粮食安全至关重要。玉米在整个生育期内需肥量大, 养分吸收时期长, 科学的施肥对玉米有很大的减肥增效潜力, 研究发现, 合理施用肥料在玉米增产的众多因素中起28%—30%的作用[15]。本文通过研究化肥减量分别配施有机肥和生物菌肥对玉米产量、养分利用、土壤肥力、经济效益的影响, 为探索玉米的减肥增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年5月—9月于昆明市寻甸县仁德镇云南农业大学现代农业教育实践基地进行。试验地处北纬23°32′、东经103°13′, 海拔1953.5 m, 亚热带季风气候, 年降水量1040 mm, 集中分布在7—9月; 年平均气温14.7 ℃, 无霜期301天。土壤理化性状pH 7.9、有机质12. 5 mg·kg-1、速效磷5.5 mg·kg-1、速效钾162.6 mg·kg-1、硝态氮1.6 mg·kg-1、铵态氮0. 79 mg·kg-1、全氮1. 3 g·kg-1、全磷0. 17 g·kg-1、全钾14. 2 g·kg-1。

1.2 试验材料

有机肥(N+P2O5+K2O≥5%, 有机质≥45%)为天津国丰民裕农业科技有限公司公司生产。有机肥用量为1000 kg·hm-2, 种植(2018年5月5日)前一天撒施表面, 混入5 cm 表土层。

菌肥为匈牙利生产的土壤改良菌肥, 含单胞菌、弗雷德里克斯堡假单胞菌、草地阿格雷氏菌、类芽孢杆菌、乙酰微小杆菌、固氮螺菌和巴西固氮螺菌等, 质量分数为细菌(0. 8%), 基质(0.7%), 水(98. 5%)。菌肥用量为15 L·hm-2, 菌液稀释200倍, 玉米种植前一天下午8点喷洒土表, 然后迅速翻动表层土壤, 浇水, 夜间下小雨充分淋溶至根层。

氮肥选用尿素(含N 46%), 分三次施入, 其中基肥40%, 小喇叭口期追肥25%, 大喇叭口期追肥35%。磷钾肥分别选用过磷酸钙(含P2O516%)和硫酸钾(含K2O 52%), 全部做基肥穴施。氮、磷、钾肥的施用量全部按照当地农民习惯进行施用, 肥料养分用量分别为N 250 kg·hm-2, P2O575 kg·hm-2, K2O 75 kg·hm-2。

1.3 试验设计

试验采取完全随机设计, 共设置6个处理, 每个处理三次重复。试验小区面积3.5 m×5 m＝17.5 m2, 小区周边设1 m保护行, 种植玉米。玉米种植株距为0.25 m, 行距为0.5 m, 种植密度为80000株·hm-2。试验的6个处理分别是常规化肥对照(NC)、常规化肥+菌肥(NB)、常规化肥+有机肥(NT)、减量化肥(氮、磷、钾肥施用量均相对于NC减少20%, RC)、减量化肥+菌肥(RB)、减量化肥+有机肥(RT)。各处理养分施用量见表1。

1.4 样品采集与分析

1.4.1 土壤样品采集和指标测定

在玉米种植前, 采集0—20 cm 土壤, 测定土壤的基本理化性质。有机质用重铬酸钾容量法－外加热法测定, 土壤速效磷用0. 5 mol·L-1NaHCO3浸提－钼蓝比色法测定, 速效钾用NH4OAc 浸提-火焰光度法测定, 土壤 pH 用酸度计电位法测定, 全氮用全自动蒸馏仪测定, 全磷用钼蓝比色法测定, 全钾用火焰光度法测定[16]。分别在玉米第一次追肥前、第2次追肥前、玉米收获期时, 在各小区采集土壤混合样品, 测定土壤铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾含量。土壤硝态氮和铵态氮用1 mol·L-1氯化钾浸提后用流动分析仪测定。

1.4.2 植株样品采集和指标测定

在玉米成熟期采集各小区中间2行玉米, 测定产量; 每小区选择有代表性的玉米5株按根、茎、籽粒分开, 称鲜重, 然后于105 ℃下杀青30 min, 65 ℃烘干至恒重, 称重测定生物量后粉碎过筛, 用浓H2SO4-H2O2消煮后分别用自动蒸馏定氮法、钒钼黄比色法、火焰光度法测定植株各部位的全氮、全磷、全钾含量。

1.5 有关指标计算方法

收获指数(%)=产量/生物产量

养分积累量(kg·hm-2) =干重(kg·hm-2)×养分含量(%)/100

肥料偏生产力(kg·kg-1) =小区籽粒产量(kg·hm-2)/肥料施用量(kg·hm-2)

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2010 软件处理数据和作图, 运用SPSS对在0. 05水平进行处理间产量、生物量和养分吸收量的显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理下的玉米产量和生物量

在常规化肥(NC)基础上, 配施有机肥(NT)玉米产量提高了14.8%(表2); 配施菌肥(NB)玉米产量并未提高; 当化肥用量减少20%(RC)时, 玉米产量下降16.2%, 在此基础配施有机肥(RT)和菌肥(RB), 玉米产量提高19.8%和26.6%, 且与常规化肥处理(NC)间没有产量差异(＞0. 05)。化肥减量20%配施有机肥和菌肥玉米生物量并未提高, 而玉米收获指数有显著提高, 其中, NT和NB比NC处理提高了49.2%和35.6%, RT和RB比RC处理提高了37.5%和37.6%、比 NC处理提高了32.7%和32.8%。

表1 不同处理的化肥养分投入量

表2 减量化肥配施有机肥和菌肥的玉米产量和生物量

注: 同列不同字母表示差异5%显著水平, 下表同。

2.2 不同施肥处理下玉米养分积累量及其分配

与NC处理相比, 各施肥处理均未提高玉米总氮、磷、钾积累量(表3)。氮在籽粒中的积累量最大, 占总氮积累量65. 5%—80. 9%; 磷在籽粒中的积累量最大, 占总磷积累量的58. 4%—77. 4%; 钾在秸秆中的积累量最大, 占总钾积累量的66. 3%—78. 6%。

常规化肥配施有机肥促进了养分向籽粒中转运, 较NC处理籽粒氮、磷、钾百分比分别提高了16.1%、17.5%、31.3%; 常规化肥配施菌肥较NC处理无显著差异。化肥减量20%配施有机肥和菌肥较常规施肥均有增加籽粒氮、磷、钾百分比的趋势, 尤其是钾配比, RT和RB比RC处理提高了39. 6%和55. 5%, RB比NC处理提高了19.6%。由此可见, 化肥减量20%配施有机肥和菌肥促进了营养器官中的养分向籽粒中转运, 增加了籽粒中的养分配比, 进而提高了玉米产量。

表3 养分积累总量及其在玉米各部位的分配

2.3 不同施肥处理下的肥料偏生产力

相较于NC处理, 常规化肥配施有机肥提高了玉米氮、磷、钾肥偏生产力, 配施菌肥无显著差异(表4)。相较于RC处理, 化肥减量20%配施有机肥和菌肥的氮肥偏生产力分别提高了36.7%和26.6%、磷钾肥偏生产力都提高了19.8%和26.7%; 相较于NC处理, 氮肥偏生产力分别提高了25.4%和32.6%、磷钾肥偏生产力提高了25.5%和32.7%。

表4 减量化肥配施有机肥和菌肥的肥料偏生产力

2.4 不同施肥处理下的土壤养分

土壤硝态氮含量在玉米小喇叭口期和大喇叭口期较高, 在收获期, 硝态氮含量大幅下降, 各施肥处理间含量接近(图1)。在玉米三个生长时期, RT、RB处理的硝态氮达到了常规施肥NC处理的水平, 并且有增加土壤硝态氮的趋势; NT和NB较NC处理硝态氮分别增加了36.3%—78.4%和28.0%—40.1%。铵态氮在玉米三个生长期呈现先升高后下降的趋势, RT处理与NC处理间都没有显著差异, 达到了常规施肥时的铵态氮水平。在小喇叭口期, 在常规化肥和减量20%化肥基础上, 配施有机肥和菌肥均有增加土壤硝态氮含量的趋势, RT与RB分别比RC显著提高了49. 5%和10. 3%; 大喇叭口期也有相近趋势。

土壤速效磷钾在玉米生育期整体上都保持较稳定的水平, 在成熟期略有下降。玉米三个生长时期, 在常规化肥和减量20%化肥基础上, 配施有机肥都有增加土壤速效磷含量的趋势, 配施有机肥的效果整体要比菌肥好。在玉米小喇叭口期, NT比NC处理提高了32. 4%, 且NT显著高于NB处理; 化肥减量20%时, RT比RC和NC处理提高了25.0%和21.6%, 且RT显著高于RB处理; 大喇叭口期和成熟期也有相近规律。土壤速效钾在玉米三个生长期的含量也比较稳定, 相较于NC处理, 配施有机肥处理(NT、RT)都提高了三个生长期的速效钾, NT和RT处理较NC处理分别提高了26.0%—47.0%和17.7%—22.2%。

图1 减量化肥配施有机肥和菌肥的土壤养分

Figure 1 Soil nutrients of reducing application of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial fertilizer

2.5 经济效益分析

不同施肥处理的玉米产值为14492.3—19851.3元·hm-2, 相较于NC处理, 常规化肥配施有机肥和菌肥增加了2557.6元·hm-2和1461.1元·hm-2; 化肥减量配施有机肥和菌肥增加了370.1元·hm-2和1.59.9元·hm-2(表5)。不同施肥处理的施肥成本为1457.3元·hm-2—2921.7元·hm-2, NT、NB处理较NC处理净收益增加了1707.6元·hm-2和1336.1元·hm-2, 化肥减量时, RT较NC处理净收益下降, RB较NC处理净收益增加了1299.3元·hm-2。

3 讨论

本研究表明, 化肥减量20%较常规施肥处理玉米产量下降20. 7%, 在此基础配施有机肥和菌肥后玉米产量提高了15. 3%和24. 1%, 达到了当地常规施肥的产量水平, 且玉米产值都有所增加; 化肥减量配施有机肥的净经济效益降低了115.5元·hm-2, 但在本研究中, 减少了20%的化肥施用量, 将有机肥5%的总养分算入其中, 仍然有7.5%的减肥潜力, 且同时减少了氮、磷、钾肥, 很大程度地降低了环境污染的风险, 响应了我国绿色可持续农业发展的号召, 具有一定可行性; 化肥减量配施菌肥时施肥投入降低了239.4元·hm-2, 净经济效益增加了1299.3元·hm-2, 综合环境效益和经济效益, 化肥减量20%配施菌肥是比较理想的施肥方式, 为玉米生产中的减氮增效研究提供了理论依据。

玉米对氮肥比较敏感, 有研究表明, 玉米最合适的氮肥施用量在180 kg·hm-2左右时产量和氮肥利用率最高[17]。据报道, 玉米、小麦、水稻三大粮食作物的氮肥施用量超过240 kg·hm-2后, 氮肥利用率会大幅度下降[18]。据此, 本研究中当地常规施肥(施氮量250 kg·hm-2)的氮素投入已能满足作物需求, 并存在一定减氮空间。然而, 在常规施肥基础上增施有机肥和菌肥, 仍有增产的空间, 这可能是由于常规施肥处理中限制玉米产量提升的因素为较低的土壤肥力, 如土壤板结、养分失衡等, 而有机肥含有的微生物可以有效促进土壤中的养分循环[19], 保证土壤中养分活化和供应; 同时, 有机肥含有的有机质能改善土壤结构, 增加土壤阳离子交换量, 提高土壤的保肥性[20-22]。本研究中常规化肥配施有机肥的产值和净收益较常规施肥均增加了, 产量显著提高, 进一步验证了有机无机肥配施有利于作物高产与稳产, 这与习斌等[23]的研究一致。

化肥减量配施有机肥和菌肥可以实现减肥不减产, 从作物养分利用方面来看, 是由于配施有机肥和菌肥提高了养分向籽粒中的转运。本研究中, 配施生物菌肥和有机肥一定程度上均可提高氮、磷、钾在玉米籽粒中的配比。肥料偏生产力也是反映养分施用量、土壤的基础肥力水平的重要指标, 更是评估“减肥增效”技术效果的一个重要指标[24]。如何减少肥料的施用又可以维持作物产量和偏生产力是研究热点[25-26]。本研究结果显示, 化肥减量20%配施有机肥和菌肥与常规施肥相比, 氮肥偏生产力提高了25.4%和32.6%、磷钾肥偏生产力提高了25.5%和32.7%, 这也是维持玉米产量的一个原因。

表5 不同施肥处理下的净经济效益分析

注: 2018尿素2元·kg-1, 过磷酸钙0.56元·kg-1, 硫酸钾元3.4·kg-1, 有机肥1.1元·kg-1, 菌肥元25·kg-1; 2018年玉米市场价为2.3元·kg-1。

化肥减量配施有机肥和菌肥可以保持土壤养分的持续供应, 这也是实现减肥不减产的原因之一。土壤的速效养分是衡量土壤肥力的重要标准, 对于提高作物产量是至关重要的[27]。有机肥营养成分丰富, 能够增加土壤有机质, 有效改善土壤肥力, 加之其养分释放速率相对缓慢, 与成分单一且肥效不持久的化肥配合施用, 能有效协调养分的供应, 及时满足作物生长对养分的需求, 从而增加作物的产量[28-32]; 而菌肥也可以有效培育土壤, 含有的多种菌类可以增加土壤中微生物对有机质的分解, 促进作物对各种营养元素的吸收, 从而提高作物的产量[33-34], 这与本研究的结果一致。本研究中, 化肥减量20%与常规化肥处理相比, 在玉米整个生育期中速效磷速效钾差异很小, 但土壤中的氮素供应在小喇叭口期均有所下降, 考虑到玉米氮素吸收以硝态氮为主[35], 可以推导出, 化肥减量20%的处理导致减产的原因之一可能是小喇叭口期硝态氮的供应不足。而菌肥, 特别是有机肥施用后, 可提高小喇叭口期的硝态含量, 这可能是有机肥和菌肥能在化肥减量条件下维持玉米产量的重要原因。这也暗示, 维持玉米产量, 保障生育前期的养分供应也十分关键。前人研究表明, 从拔节期到大喇叭口期, 玉米对养分的吸收利用对产量的形成是很重要[36], 所以将追肥时期适当前移, 是否能够提高玉米对养分的吸收利用效率, 从而达到减肥不减产的效果,这也值得研究。大喇叭口期的养分供应对玉米的生长尤为关键。。本研究中, 在玉米大喇叭口期, 化肥减量20%配施有机肥和菌肥的土壤速效磷、钾含量和常规施肥相比并未下降, 这也可能是保证玉米不减产的关键原因之一。

基于本文的研究结果, 在化肥减量的基础上同时配施有机肥和菌肥, 在保持作物高产稳产的同时, 是否会有更大的减肥潜力和经济效益, 值得进一步探讨和研究。

4 结论

本研究表明, 相较常规施肥, 化肥配施有机肥和菌肥不同程度地提高土壤速效养分供应强度, 及时为玉米提供了所需的养分; 同时不同强度地促进了氮、磷、钾向玉米籽粒的转运, 其中以配施有机肥效果更佳, 分别将氮、磷、钾配比提高了16. 1%、29. 2%、31. 3%。化肥减量配施有机肥和菌肥玉米产量分别提高了19.8%和26.6%, 达到常规施肥的产量水平, 且玉米的收获指数和肥料偏生产力都有显著提高。本研究表明, 化肥减量20%时, 配施有机肥和菌肥对维持玉米产量的各项指标都有较好的效果, 可以达到减肥不减产; 综合环境效益和经济效益, 化肥减量20%配施菌肥是比较理想的施肥方式, 较常规施肥处理施肥投入降低了239.4元·hm-2, 净经济效益增加了1299.3元·hm-2, 对玉米生产中的减氮增效研究有重要意义。

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Study on reducing fertilizer and increasing use efficiency of maize based on organic fertilizer and bacterial fertilizer

YANG Qing xia1,2,3, LI Huang1, LONG Guangqiang1, 2, ZHAO Pin1, 2,*, WU Kaixian4, HE Shuran1

1. College of Resources and Environment Science, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201, China 2. Yunnan Scientific Observation Station for Cultivated Land Conservation of the Ministry of Agriculture, Kunming, Yunnan 650201, China 3. Agricultural Rural Bureau of Pingshan County, Yibin, Yunnan 645350, China 4. College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201, China

Combined application of organic fertilizer and bacterial manurecan amelioratethe nutrient supply capacity of soil, which is expected to contribute toreducing dosageof chemical fertilizer and increasing use efficiency of nutrient for maize cultivation. Organic fertilizer and bacterial fertilizer were combined to applied with conventional amount and 20% reduction of chemical fertilizer (nitrogen, phosphorus and potassium) through the field plot experiment. Crop yield, absorption, utilization and distribution of nutrients were determined; meanwhile soil nutrient dynamicswere analyzed to evaluate the application effect of organic fertilizer and bacterial manureon reducing chemical fertilizer application and increasing nutrient use efficiency. The results showed that the crop yield of 20% reduction of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial manureobtained the same yield level of conventional fertilization. Compared with 20% reduction of chemical fertilizer, combined application of organic fertilizer and bacterial fertilizer with reduced chemical fertilizer increased yield by 19.8% and 26.6% respectively and harvest index by 32.7% and 32.8% respectively. Compared with reduced chemical fertilizer, combined application of organic fertilizer and bacterial manureincreased the net income and partial productivity, and enhancedthe distribution proportion of NPKin grains to various degrees, and had the same effectin treatment of conventional fertilization. In three growing phasesof maize, the application of reduced chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial fertilizer significantly increased the contents of nitrate nitrogen, ammonium nitrogen and available potassium in soil by 21. 2%-26. 8%,1.4%-20.4% and 7.9%-25.3% respectively. On the whole, reducing application amount of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial manurecould improve the supply intensity of soil available nutrient, increase the distribution ratio of NPK in grains, and improve the harvest index, thus achieving the goal of non-reduction of yield while reducing application amounts of NPK fertilizer.Organic fertilizer and bacterial manurewould play an important role in reducing application amount of chemical fertilizers and increasing nutrient use efficiency of crops in Yunnan and other regions.

maize; yield; organic fertilizer; bacterial manure; chemical fertilizer reduction; nutrient absorption

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.023

S513

A

1008-8873(2022)04-196-08

2020-07-26;

2020-09-14

云南省重点研发计划(2018BB015); 云南省农业联合专项(2017FG001-027); 云南省中青年后备人才项目(2017HB027)

杨清夏(1995—), 女, 云南昆明人, 硕士研究生, 从事作物施肥研究, E-mail:2107094914@qq.com

通信作者:赵平, 女, 博士, 副教授, 主要从事植物营养研究, E-mail: 2586439210@qq.com

杨清夏, 李欢, 龙光强,等. 基于有机肥和菌肥的玉米减肥增效研究[J]. 生态科学, 2022, 41(4): 196–203.

YANG Qing xia, LI Huang, ZHAO Pin, et al. Study on reducing fertilizer and increasing use efficiency of maize based on organic fertilizer and bacterial fertilizer[J]. Ecological Science, 2022,41(4): 196–203.