有机肥等氮量替代化肥对豫南砂姜黑土区夏玉米生长及土壤理化性状的影响

柴汕,李青松,高慧姗,张泽醌,张进财

(河南农业大学 资源与环境学院,郑州 450001)

施肥是提升作物产量的主要技术措施之一［1］,化肥的投入和施用对农业生产发挥了重要的促进作用,在提高产量的同时,也面临着过量施用化肥的问题.1980年至2015年,中国的农用化肥总用量增长了275.05%,粮食总产量增加了114.32%,由于长期过量施用化肥,导致粮食增产的弹性降低,化肥利用率也处于较低水平,粮食增产的速率远小于化肥投入的增长率不合理、过量施用化肥,尤其是过量施用氮肥,造成了农业面源污染、大气污染、土壤板结、土壤酸化及土地盐碱化等一系列环境问题［2］.有机肥富含丰富的有机质,能够为作物提供生长、发育所需的大量营养元素.在农业生产中施用有机肥可以增加土壤养分含量［3］,增强作物的光合作用,从而促进作物干物质形成,进而起到增加作物产量、改良土壤性质的作用［4］.有机肥目前在我国的果园、茶园生产中已被广泛应用,但在粮食作物上,尤其是玉米的生产中研究和经验较少,且有机肥肥效缓,作用时间长,单施有机肥会导致作物缺乏营养,产量降低,需与化肥配施［5］,达到最佳效果.

玉米是重要的粮饲作物,研究表明,在玉米种植中使用有机肥与化肥配施能够改善土壤环境、培肥地力,进而提升作物产量,同时能够减少化肥施用带来的农业面源污染等问题［6］.在不同类型土地上,不同作物中,不同的配施比例对作物生长发育和土壤产生的影响均有不同.与单施化肥相比,用沼渣沼液氮替代20%化肥氮和猪粪堆肥氮替代30%化肥氮,对春玉米产量和品质效果最好［7］.在华北平原潮土上,商品有机肥氮替代11.3%化肥氮能保证冬小麦-夏玉米轮作体系中稳产、高产［8］.在吉林黑土上,秸秆氮替代30%化肥氮素,能够减少化肥氮投入,提高了土壤供氮水平.在西南紫色土地区,有机肥氮替代50%化肥氮显著提高了玉米经济产量和生物产量［10］.在山东棕壤土上,冬小麦-夏玉米轮作体系下有机肥替代25%化肥氮用量,比单施化肥处理获得更高的产量和品质［11］.研究表明,在山区红壤上,以有机肥替代30%的化肥可以增加玉米籽粒、产量,效果最佳［12］.豫南砂姜黑土区位于河南省中南部,总耕地面积达150万hm2以上,是河南省最主要粮食产区.该区土壤类型为砂姜黑土,涨缩性强,作物根系下扎困难,土壤酸化问题突出,土壤保水保肥性能较差,土壤养分不均,因而粮食产量低于省平均水平,且年际间单产波动较大,在豫南砂姜黑土区进行有机肥替代化肥的研究,将为该区域玉米产量的稳定提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验地点与材料

试验地点位于河南省驻马店市西平县二郎镇张尧村(33°10′N,113°36′E),供试土壤为砂姜黑土,基础理化性质为:全氮质量分数1.21 g/kg,速效磷质量分数26.34 mg/kg,速效钾质量分数108.52 mg/kg,有机质质量分数24.5 g/kg,pH值4.6.供试夏玉米品种为豫单132,品种来源为HL237×HL896.供试肥料为洋丰肥业有限公司提供的化肥与商品有机肥,其中商品有机肥元素质量分数为有机质17.51%,全氮4.04%,全磷0.57%,全钾0.60%,含水量17.51%;化肥中尿素含N量为 46.4%,过磷酸钙含P2O512%,氯化钾含K2O为60 %.

1.2 试验方法

试验设计采取大田实验,划定小区(面积为9 m×3.4 m=30.6 m2),试验地周围设置1 m保护行,设置单施氮肥(T0)和不施氮对照组(N0)为对照、有机肥替代化肥氮20%(T20),40%(T40),60%(T60),80%(T80),100%(T100)共7个处理,每个处理重复3次,其中各小区氮素总用量(N)为210 kg/hm2,磷素总用量(P2O5)为120 kg/hm2,钾素总用量(K2O)为75 kg/hm2,有机肥的用量根据各处理有机肥替代化学氮肥量数量除以有机肥中氮素总含量折算而来,化学磷钾肥的用量根据各小区氮磷钾的设计施用总含量扣除有机肥带入的磷钾后折算而来;有机肥和化肥以基肥形式一次性施入,灌溉、病虫害防治和除草等按照当地高产管理措施进行,每个小区施肥量如表1所示.

表1 不同处理化肥量投入量

1.3 样品测定与数据分析

干物质量采用烘干法;玉米的穗长、穗粗、穗粒数采用测定法;在成熟期采用有代表性的15穗玉米穗,待风干后考种,测定籽粒质量、穗粒数、百粒质量,以14%的含水量折算为产量.玉米功能叶SPAD值采用SPAD-502型叶绿素计测定法;玉米功能叶的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率采用Li-6400便携式光合仪测定.土壤样品采用5点取样法,测定容重采用环刀法;pH值使用复合电极法(1.0∶2.5水土质量比);含水量使用烘干法;土壤氮、磷、钾含量:测定土壤全氮使用浓硫酸消煮法(硫酸消煮,碱化后蒸馏定氮);土壤速效磷使用钼锑抗比色法(0.5 mol/L NaHCO3浸提);土壤速效钾使用火焰光度法(1 mol/L NH4OAC浸提).

利用Excel 2016和Origin 8.0软件对试验数据进行整理和作图;采用SPSS 22.0进行统计分析,最小显著差数法(LSD)和Duncan法进行差异显著性检验(P<0.05).

2 结果与分析

2.1 有机替代对玉米产量及其构成因子和干物质量的影响

由表2可知,随着有机肥替代比例的增加,穗行数、行粒数、穗长、穗粗、百粒质量以及产量呈升后降的趋势,其中大多处理均以替代比例60%处理的数值最高.与T0相比,替代比例20%～100%处理的穗行数、穗粗、百粒质量及产量总体上分别增加了1.11%～6.78%、1.62%～5.08%、5.86%～11.94%、9.60%～21.87%.行粒数、穗长有所降低,且N0处理与有机肥相比均呈显著降低的结果,穗行数、行粒数、穗长、穗粗、百粒质量、产量各自降低了-1.96%、8.09%、5.10%、2.31%、5.35%、0.50%.

表2 不同处理玉米产量及构成因子

由图1可知,不同处理的玉米生物量在同一生育时期,随着有机肥替代比例的增加,均呈先升后降趋势,其中各时期均以替代比例为60%处理增加最为显著.在拔节期、吐丝期、成熟期间,与T0相比,不同有机肥替代化肥氮对玉米生物量分别增加了9.15%～37.98%,5.47%～20.49%和5.19%～17.39%.且N0处理与有机肥相比,各生长期的生物量均有所降低,3个生长期内分别降低了4.64%,13.32%和5.32%.

2.2 有机替代对玉米植株光合作用的影响

由图2可知,不同处理的玉米功能叶SPAD值随着生育期的推移,均有显著升高.在拔节期,与T0进行对比,不同比例有机肥替代化肥处理后的功能叶SPAD值分别提升了13.22%～52.20%,其中替代比例为40%、60%、80%时分别显著增加了39.66%、52.20%和37.63%.而在吐丝期,与单施化肥相比,不同比例的有机肥替代化肥处理后的功能叶SPAD值分别提升了4.91%～18.30%,其中替代比例为40%、60%差别最为显著,增幅分别为13.58%及18.30%.

由图3可知,玉米随着生育期的推移,净光合速率,气孔导度,蒸腾作用均处于上升趋势,各时期均以替代比例为60%处理增幅最大.在拔节期,与T0相比,有机肥替代化肥各处理组净光合速率、气孔导度与蒸腾作用分别增加了5.63%～40.87%、5.56%～27.78%与9.22%～47.09%,其中增幅最大的均为60%处理.此外,N0处理的玉米净光合速率、气孔导度与蒸腾作用均有所降低,降幅分别为-16.53%、-5.56%、-14.56%.在玉米吐丝期,与T0相比,有机肥替代化肥各处理组净光合速率、气孔导度与蒸腾作用分别提升了11.83%～27.67%、9.09%～40.91%、4.45%～32.88%,最为显著的为替代比例为60%处理,同时替代比例为100%处理的气孔导度有小幅降低,降幅为-4.55%.此外,N0处理的净光合速率、气孔导度与蒸腾作用均有所降低,降幅分别为-15.15%、-9.09%、-6.51%.

2.3 有机替代对玉米植株养分积累的影响

由表3可知,玉米植株氮素积累量在拔节期较低,在吐丝期大幅度增高,增幅最大,成熟期积累量最高;施用有机肥处理氮素含量均高于单施化肥(T0)处理,施用有机肥处理的植株氮素积累量较单施化肥处理(T0 )在拔节期、吐丝期、成熟期分别增加了19.5%～60.9%、6.1%～34.7%、5.2%～31.7%,其中随替代比例增加,氮素积累量呈现先升高后降低的趋势,均以替代比例为60%时最大;不施氮(N0)处理的氮含量在各个时期均显著低于其他处理,数值最低.

玉米磷素积累量在拔节期较低,在吐丝期迅速升高,增幅较最大,成熟期积累量最大,较拔节期增幅较小;施用有机肥处理的磷素积累量均高于单施化肥(T0)处理,在拔节期、吐丝期、成熟期较单施化肥处理(T0)显著增加了11.1%～133.3%,3.1%～34.3%,4.7%～40.4%;其中随替代比例增加,各时期磷积累量均呈现先增加后降低趋势,其中各个时期均以替代60%比例时含量最高;不施氮处理的磷元素积累量显著低于其他处理,数值最低.

玉米钾元素积累量随生育期推移增长,在吐丝期增长较为明显,增幅不大,在成熟期达到最大值,成熟期与吐丝期钾元素积累量差异较小;施用有机肥处理钾元素积累量略高于单施化肥处理(T0),在拔节期、吐丝期、成熟期分别增加了3.8%～12.8%,1.7%～25.2%,3.10%～21.37%;其中随替代比例增加各时期钾元素积累量呈现先升高后降低的趋势,以替代比例为60%时积累最高;不施氮处理的钾元素积累量显著低于其他处理,积累量最低.

2.4 有机替代对玉米土壤理化性状的影响

由表4可知,施用有机肥可降低土壤容重,与单施化肥(T0)处理相比,施用有机肥处理的土壤容重降低了7.43%～22.20%;施用有机肥可增加土壤pH值,与单施化肥(T0)处理相比,施用有机肥处理土壤pH值增加了0.42%～5.69%;施用有机肥可增加土壤含水量,与单施化肥(T0)处理相比,施用有机肥处理土壤含水量增加了0.81%～21.10%;施用有机肥可增加土壤有机质含量,与单施化肥(T0)处理相比,施用有机肥处理的土壤有机质含量增加了12.3%～46.6%.

表3 玉米各生育期植株氮、磷、钾元素积累量

表4 玉米成熟期土壤物理性状

在玉米生长各个生育期均以施用有机肥处理土壤全氮含量最高,以替代比例为60%时最大,在作物成熟期时替代比例为60%处理土壤全氮含量显著高于其他处理,含量最大;在玉米生长各个生育期,施用有机肥处理土壤速效磷含量均高于不施用化肥处理,随替代比例增加土壤速效磷含量呈先升高后降低趋势,以替代比例为60%时含量最大;在玉米生长各个生育期,施用有机肥处理土壤速效钾含量均高于不施用化肥处理,随替代比例增加土壤速效钾含量呈先升高后降低趋势,以替代比例为60%时含量最大,结果见表5.

表5 玉米各生育期土壤全氮、速效磷、速效钾含量表

3 讨 论

3.1 有机替代对玉米产量及其构成因子、干物质量的影响

现有研究表明,施用有机肥可以提升土壤肥力,增加氮肥的利用率,有助于作物干物质的积累和提高作物产量及品质,研究表明施用商品有机肥可显著提高春玉米产量［13］,本研究中,施用有机肥处理的玉米干物质量、产量均高于单施化肥处理,以有机肥替代60%的化肥氮处理时,干物重和产量最大,与前人研究结果略有不同,国内外学者对有机肥替代化肥的比例进行了探究,可能是由于有机肥的养分与化肥养分的肥效和作用时间不同,施用有机肥种类、气候环境、基础地力等不同造成［14］.本研究中,玉米干物质量、产量随替代比例的增加呈先升高后降低的趋势,已有研究也发现单施有机肥时土壤中的有效氮成为作物高产的主要限制因素［15］,可能是由于有机肥施入土壤中后释放养分需要经过微生物的矿化分解,而微生物的数量和活性与土壤肥力、土壤湿度、温度等环境因子又密切相关［16］.土壤微生物的生长、繁殖与作物生长形成竞争养分的关系,这将直接影响作物对养分的吸收,从而影响作物产量.因此以有机肥与化肥配施时,干物质量与产量最大,效果最佳.有机肥富含丰富的有机质和营养元素,施用有机肥可增加土壤中的养分,有助于作物对养分的吸收,故施用有机肥可增加产量.但有机肥具有缓释性,肥效发挥时间较长,因此随替代比例增加,当替代比例为100%时,即全部施用有机肥时,因有机肥发挥作用需要时间,在作物生长的前期有机肥的肥效不能完全释放,不能及时为作物前期生长提供所需的充足养分,作物产量反而会下降.因此随替代比例增加,产量呈先升高后降低趋势,以替代比例为60%时,产量最大.

3.2 有机替代对玉米植株光合作用的影响

光合作用的产物是影响玉米产量的重要因素,研究表明有机肥与化肥配施,可以增加作物的光合作用,提升产量［17］.本试验中施用有机肥处理的光合指标均优于单施化肥处理,有机与无机配施的处理光合指标又优于单施用有机肥处理,是由于施肥能够提高作物的光合作用强度,促进作物叶片的生长和发育［18］.玉米的穗位叶是关键源器官,其生理变化可引起整个植株生理代谢的变化,影响籽粒发育并最终作用于产量［19］,其中替代比例为60%时光合指标最强,与该处理产量最大形成对应.而其中不施氮处理的玉米功能叶SPAD值较高,与其他处理无明显规律,这可能与试验田基础地力不平有关.

3.3 有机替代对玉米植株养分积累的影响

植株的养分吸收是形成干物质的基础,进而对产量造成影响,本研究发现,施用有机肥处理在玉米植株氮养分积累量在吐丝期速率最大,在成熟期积累量最高,可能是由于有机肥改善了土壤的供氮特性［20］,促进了作物对氮素的吸收［21］;施用有机肥导致玉米植株磷积累量均以成熟期吸收速率大,积累量多,可能是由于机肥分解产生的有机酸可促进氮的吸收［22］以及磷素从无效磷到有效磷的转化;而施用有机肥的玉米的钾养分含量则与氮、磷不同,随生育期逐步增长,在吐丝期、成熟期均有增长,可能是由于钾肥作为底肥一次性投入田间,且试验田本身速效钾含量较高,所以对钾素的吸收和转化速率没有造成影响;此外,有机肥养分释放速度较缓,施用有机肥的肥效不能在当季进行完全释放,对玉米植株养分吸收也会产生影响,因此不同处理间也存在差异.

3.4 有机替代对玉米土壤理化性状的影响

已有研究表明,旱地施用有机肥具有明显的培肥作用和蓄水保墒效果,施用鸡粪、猪粪能提高土壤pH值,避免土壤酸化［23］.有机、无机配施可不同程度地降低土壤容重并提高其孔隙度,长期施用生物有机肥可显著提高土壤有机质含量,提升土壤肥力.本研究中施用有机肥可降低土壤容重,提升pH值,增大土壤含水量,对于土壤性状起到了好的改良作用.虽然土壤指标的数值显示有所变化,但改良的幅度较小,没有达到显著的差异水平,这可能与施用有机肥年限较短有关.但从数值来看,土壤基础理化性质的指标仍呈向好的趋势.

4 结论与展望

在豫南砂姜黑土区夏玉米种植中,以商品有机肥替代60%化肥氮并在玉米季一次性施用方案下,玉米的光合作用最强,植株养分含量、干物质量、产量最大,各项指标均随替代比例增加呈先升高后降低趋势;同时可以增加土壤氮磷钾含量,改良土壤理化性质,均以替代比例为60%时,效果最佳,为最佳替代比例.由于本试验周期较短,对于土壤的改良效果虽不明显,但总体趋势较好.