有机无机肥配施对谷子产量及经济效益的影响

张鹏飞 ，周怀平 ，杨振兴 ，刘志平 ，解文艳 ，任志强

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太原 030031；2.寿阳县现代农业产业发展中心，山西 寿阳 045499）

谷子起源于中国，在我国农耕文明中始终占有举足轻重的地位[1-2]，已经有8000 多年的种植历史[3]，是一种古老的栽培作物[4]。谷子具有抗旱耐瘠、水分利用率高、营养成分全面等突出特点[5-6]，而谷粒脱皮后的小米依然是一种营养价值较高的暖性食物[7]，其含有丰富的淀粉、维生素、氨基酸等营养物质[8]，是一种必不可少的战略储备作物。据农业农村部统计，1994年全国谷子种植面积为921 万hm²，2021年我国谷子种植面积为102 万hm²[9]，种植面积逐年下降，由曾经的主要粮食作物变成如今的杂粮农作物[10]。究其原因，我国农田管理模式较为单一，而谷子产量也普遍比较低下，造成农户种植积极性普遍不高；另外，我国大多数农户不科学、不合理地使用化肥，造成土壤肥力快速衰竭的现象，肥料利用率下降的情况逐渐凸显出来，导致土壤污染和耕层板结状况日益严重，不利于谷子的正常生长发育，这一现象给我国农业可持续发展带来了极大的挑战[11]。因此，探索高产谷子的高效合理的施肥模式成为我国农业函待解决的问题。

山西省是谷子起源和主产区之一，山地多，昼夜温差大，光照充足，气候独特，具有明显的地理优势，非常适合谷子的生长。谷子作为山西省主要种植作物之一，其种植面积和产量仅次于玉米和小麦，在全国种植面积仅低于河北省，属于第二谷子种植大省[12]。尽管山西省谷子种植面积较大，但在实际生产过程中存在许多肥料管理的问题。部分农户认为，施肥量与产量成正比，施肥越多，谷子的产量越高，片面追求产量，不考虑养分平衡问题，导致增量不增产，养分流失、地力贫瘠和肥料利用率低下的现象越来越严重。因此，针对谷子管理中增量不增产、肥料不科学施用且利用率低下的问题[13]，急切需要探索一种高效减量增效的施肥模式。

本试验以晋谷59 号为试验品种，通过3 a 的田间小区试验，研究了不施肥、单施化肥、单施有机肥、有机无机肥配施模式对谷子产量及经济效益的影响，探索高效合理的施肥模式，为山西省谷子作物生产提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018年4月至2020年10月在山西省山阴县合盛堡乡西双山村（39°14'N、112°54'E，海拔984 m）进行。试验区属北温带大陆性季风气候，年平均气温7.0 ℃，年均降水量362.4 mm，无霜期143 d，降雨70%集中在6—9月。供试土壤为栗褐土，土壤质地为轻壤土。2018、2019、2020年播前耕层土壤理化性状如表1 所示。

表1 试验地基础耕层（0～20 cm）土壤理化性状Tab.1 Physical and chemical properties of soil in the topsoil（0-20 cm） in the test field

1.2 试验材料

供试谷子品种为晋谷59 号。有机肥为当地风干牛粪。尿素产自济南瑞林化工有限公司，过磷酸钙产自福建省大自然农资有限公司，氯化钾产自江苏中农化肥有限公司。

1.3 试验设计

试验处理及其对应施肥量如表2 所示。

表2 试验处理及其对应施肥量Tab.2 Experimental treatments and their corresponding fertilizer application rateskg/hm2

2018、2019、2020年连续3 a 在山阴县西双山村选择肥力相近、相邻田块进行试验布置，共8 个处理，采用顺序排列，每个小区面积300 m2，无重复。试验中所用有机肥为风干牛粪（M），施用量为17280 kg/hm2，无机肥施用量（F）为作物推荐施肥量（N 225 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2）。

氮磷钾肥料种类分别为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O512%）、氯化钾（K2O 60%）。谷子播种前，将氮肥、磷肥、钾肥和牛粪全部撒布地表，然后进行深翻旋耕合墒播种，每年4月下旬播种，各小区播种密度为48 万株/hm2，10月上旬收获。其他管理条件均一致。

1.4 测定项目及方法

于谷子播种前采集试验田0～20 cm 土层土样，测定基础土壤的有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷、速效钾、pH 等土壤理化性质。土壤全氮含量采用H2SO4-混合加速剂消解-全自动蒸氮仪FOSS-Kjeltec8400 测定；其他土壤养分含量测定方法参照鲁如坤等[14]的方法。

于成熟期采集谷子植株和籽粒样品，分别用H2SO4-H2O2消煮、凯氏定氮法、钒钼黄比色法和火焰光度计法测定全氮、全磷和全钾含量。

式中，h为土层深度（cm），α为土壤质量含水率（%），γ为土壤容重（g/cm3），Wb和Ws分别为播前和收获后0～3 m 土体土壤贮水量（mm），P为生育期降水量（mm），Y为籽粒产量（kg/hm2）。

经济效益是谷子产量收入与总消耗（机械、农业材料、劳动力）的差值。技术经济效益率按汤永禄等[15]描述的方法计算。

根据何刚等[16]描述的方法计算氮（磷、钾）收获指数、肥料偏生产力、农学效率以及氮磷钾回收率。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对谷子籽粒产量和生物量的影响

不同施肥模式对谷子籽粒产量和生物量的影响如表3 所示。

表3 不同施肥模式对谷子籽粒产量和生物量的影响Tab.3 Effects of different fertilization modes on grain yield and biomass of millett/hm2

从表3 可以看出，不同年度不施肥处理与其他施肥处理谷子籽粒产量存在显著差异，从3 a 平均产量来看，不施肥处理产量最低，说明在无外源营养元素投入时，土壤所含营养成分不能满足当季作物生长的需求，造成作物产量和生物量的减少。单施化肥（F1+M0）处理和有机无机肥配施（F1+M1）处理均能显著增加谷子的产量，3 a 平均较不施肥处理分别增加了47.48%和57.23%。单施有机肥各处理的谷子产量虽然较不施肥处理有一定程度的增产，但较有机无机肥配施各处理出现了减产现象，只有超高量施用有机肥（F0+4M1）处理的产量高于各施肥处理。减量化肥各处理（3/4F1+M1、1/2F1+M1）较对照不施肥处理有显著的增产效果，分别较对照增产43.08%和44.65%，说明减少50%化肥用量同时配施有机肥可以满足作物生长需求，产量不会受到显著影响。

2.2 不同施肥模式对谷子养分吸收量和收获指数的影响

从表4 可以看出，3 a 不同地块不施肥处理谷子籽粒的氮吸收量显著低于施肥各处理（P＜0.05），不施肥处理秸秆的吸氮量则与施用无机肥各处理差异显著（P＜0.05），单施有机肥各处理差异不显著，说明无机肥的投入更有利于作物秸秆生长，生物量随之增加。从收获指数来看，不施肥处理的氮收获指数最低。从3 a 的结果可以看出，施用化肥各处理的籽粒、秸秆吸氮量普遍高于单施有机肥各处理，只有高量施用有机肥后作物的吸氮量会有所增加。单施有机肥各处理中，F0+2M1 处理收获指数最高，说明该有机肥施用量在无化肥投入的时候可以满足作物生长所需养分。

表4 不同施肥模式对谷子成熟期吸收氮磷钾及收获指数的影响Tab.4 Effects of different fertilization modes on nitrogen， phosphorus，and potassium uptake and harvest index of millet at maturity

作物磷、钾吸收量和养分收获指数变化趋势基本一致，不施肥处理的磷、钾吸收量和养分收获指数均为各处理中最低，而施肥各处理出现了波动，原因在于2018年谷子生长后期出现干旱气候，造成谷子大幅度减产，导致谷子籽粒磷、钾吸收量偏低，养分收获指数降低。

从3 a 平均养分收获指数可以看出，施肥各处理氮磷钾养分收获指数均超过了对照不施肥处理，氮收获指数较对照增加6.18%～28.67%，磷收获指数较对照增加16.90%～37.00%，钾收获指数较对照增加15.68%～32.49%。F0+2M1 处理氮、钾养分收获指数最高，分别为49.55%、10.48%；3/4F1+M1处理磷养分收获指数最高，为66.38%。

2.3 不同施肥模式对谷子养分效率与平衡的影响

不同施肥模式对谷子养分效率与平衡的影响如表5 可知。

表5 不同施肥模式对谷子养分效率与平衡的影响Tab.5 Effects of different fertilization modes on nutrient efficiency and balance of millet

从表5 可以看出，3 a 单施有机肥F0+4M1 处理氮、磷偏生产力为各施肥处理中最低，F0+M1处理为各施肥处理中最高，与F0+4M1 处理相比分别提高了197.80%、197.77%。从钾偏生产力来看，单施化肥F1+M0 处理为各施肥处理中最高，施高量有机肥F0+4M1 处理最低，F1+M0 处理比F0+4M1 处理提高了282.70%。

从农学效率结果可以看出，F0+4M1 处理的氮、磷、钾农学效率均为各施肥处理中最低，F1+M0 处理为施肥各处理最高，较F0+4M1 处理分别提高了70.55%、96.93%、397.78%。

从肥料当季回收率的结果同样可以看出，单施化肥F1+M0 处理仍为各施肥处理最高。因此，围绕该施肥量，调整有机无机投入量配比，能够达到最优的减肥增效目标。

2.4 不同施肥模式对谷子水分利用效率的影响

从表6 可以看出，3 a 谷子施肥各处理的水分利用效率均显著高于不施肥处理，平均水分利用效率依次为F0+4M1＞1/2F1+M1＞F1+M0＞F0+2M1＞3/4F1+M1＞F1+M1＞F0+M1。其中，高量施用有机肥F0+4M1 处理的水分利用效率最高，达到10.56 kg/（hm2·mm）；单施有机肥F0+M1处理的水分利用效率最低，为7.64 kg/（hm2·mm）；单施有机肥（F0+4M1、F0+M1、F0+2M1）各处理间差异显著（P＜0.05），而有机无机肥配施F1+M1 处理3 a 平均水分利用效率虽略高于F0+M1处理，但无显著差异；与3/4F1+M1、1/2F1+M1处理间差异显著（P＜0.05），平均水分利用效率小于二者。

表6 不同施肥模式对谷子水分利用效率的影响Tab.6 Effects of different fertilization modes on WUE of milletkg/（hm2·mm）

2.5 不同施肥模式对谷子种植效益的影响

从表7 可以看出，产出与产量成正比关系。通过对3 a 谷子种植效益统计发现，施肥各处理经济效益均高于不施肥处理。单施有机肥F0+M1 处理的经济效益最低，较不施肥（F0+M0）处理平均增加3522.5 元/hm2，F1+M1、1/2F1+M1、F0+2M1、F1+M0、3/4F1+M1 处理与不施肥处理相比分别平均增加5465.3、5389.0、5357.1、4495.9、3944.4 元/hm2；F0+4M1 处理的经济效益最高，较不施肥处理平均增加8982.8 元/hm2，然而在有机肥源缺乏区域不具备全量替代化肥条件；相比之下，有机无机肥配施（F1+M1、1/2F1+M1）处理经济效益要高于单施有机肥或者单施化肥处理，因此，有机无机肥配施是增加谷子收益、减少化肥投入的重要措施。由表7 可知，减少50%化肥用量（1/2F1+M1）处理经济效益虽略低于F1+M1 处理，但减少了化肥的投入，同时，比F1+M0 处理多增收893.2 元/hm2，成本收益率也高于F1+M0 处理。因此，1/2F1+M1 处理是最佳有机无机肥配施组合。

表7 不同施肥模式对谷子种植效益的影响Tab.7 Effects of different fertilization modes on millet planting efficiency

3 结论与讨论

只有正确合理地施用肥料才能改善土壤环境，从而增加作物产量。有机无机肥配施拥有化肥和有机肥二者各自的优点，不仅可满足作物整个生长发育所需要养分的需求，而且同时也能够增加作物的产量[17]。本试验在化肥减量基础上配施有机肥，结果表明，有机无机肥配施各处理的谷子产量要好于单施化肥或者单施有机肥处理（除F0+4M1 处理），其原因可能是化肥可以短时间内供应谷子所需要的养分，同时有机肥补充了土壤有机碳，并且提高了土壤微生物的活性和丰富了生物群落[18]，这与以往的研究结果一致。辛励等[19]研究发现，有机无机肥配施可改善土壤微生物活性，延缓玉米根系和植株的衰老时间，从而达到增加玉米产量的目的。姜佰文等[20]研究有机无机肥配施对玉米产量的影响，结果也表明，不同有机无机肥配施处理均能够不同程度地增加玉米产量。冯悦晨等[21]研究表明，有机无机肥配施可以明显增加夏玉米的穗粒数、成穗数，有效促进玉米地上生物量，提高玉米的生长速度，实现玉米增产的效果。周江明[22]也研究发现，有机无机肥配施在一定程度上可以提高作物的结实率，从而增加产量。同时，徐明岗等[23]也有类似的发现，有机无机肥配施措施能够明显增加水稻的穗数，进一步增加水稻的产量。邢鹏飞等[24]研究有机肥替代部分无机肥对小麦产量的影响，结果表明，有机肥替代30%无机肥模式对小麦增产起到较好的效果。陈国辉等[25]研究发现，适量的有机肥代替化肥可以明显增加柑橘的产量，但随着有机肥代替化肥的比例增加，柑橘的产量下降。分析其原因可能是随着有机肥的增加，有机态养分也在相应的增加，从而降低作物对氮的吸收率。可见，有机无机肥配施在不同程度上均可增加作物的产量，但要注意有机肥代替无机肥的比例要适宜。

有机无机肥配施不仅能够明显增加作物产量，而且可以增加作物养分的吸收量。本试验发现，有机无机肥配施处理随着化肥投入的增加，氮肥偏生产力、农学效率增加，这与晁赢等[26]研究结果相一致。李冬初等[27]研究表明，有机无机肥配施能够持久有效地维持土壤氮含量，提高水稻对氮素的利用率；杜少平等[28]也研究表明，有机肥代替部分化肥与单施化肥相比，能够明显增加西瓜养分的吸收量，促进氮磷钾养分的转移；梁斌[29]研究认为，有机肥中有效氮可以提高氮肥利用率，二者之间存在正相关关系，有机无机肥配施可以增加氮素的吸收利用，促进作物干物质的积累；也有研究表明[30]，单施化肥土壤中矿质氮素释放较快，不利于作物养分的吸收，增添有机肥，可以平稳缓慢释放氮磷钾等养分。

水分是影响作物生长的重要因子，提高水分利用率，协调水分与肥料的关系是旱地作物生长的关键。有机无机肥配施可以有效调节水肥的关系，提高土壤保水保肥的能力[31]。杨忠赞等[32]研究表明，有机无机肥配施可以明显增加土壤表层的蓄水能力，这说明有机无机肥配施对旱地作物正常生长所需要的水分影响是巨大的。杨永辉等[33]研究认为，有机无机肥配施在一定程度上可以改善土壤结构状况，提高土壤的保水保肥能力，降低硝态氮的淋溶，从而提高水肥利用率。李丰丰等[34]也研究发现，适当地降低化肥的施用、适量地增加有机肥的投入，可以达到稻茬小麦减量增产的效果，并且能够一定程度上提高肥料利用率。本试验在化肥减量基础上配施有机肥，探讨了不同施肥模式下对谷子产量、养分吸收、经济效益及水肥利用率的影响。结果表明，不同程度有机无机肥配施均可以改善谷子产量、养分吸收、经济效益及水肥利用率，其效果是好于单施化肥处理的。本试验有机肥的品种较为单一，因此，在具体施肥时，要充分考虑不同有机肥对谷子产量的影响，同时要进行长期多年多点试验，以筛选合理绿色的施肥方式，为山西省谷子生产提供健康的施肥模式。

本研究结果表明，单施化肥F1+M0 处理氮、磷、钾农学效率均为各施肥处理中最高，说明该处理所施的肥料用量完全可以满足作物生长需求，因此，围绕该施肥用量，调整有机无机投入量配比，能够达到最优的减肥增效的目标。

有机肥替代部分化肥可以改善谷子产量、养分吸收、经济效益及水肥利用率，其中，1/2F1+M1处理与不施肥处理相比有明显的增产和增收效果，从化肥施用量、谷子产量、经济效益等方面综合考虑，1/2F1+M1 处理是适用于类型区的有机无机肥配施推荐组合。