牛粪秸秆堆肥与化肥减量配施对春玉米光合特性及产量的影响

摘要：为明确适宜的牛粪秸秆堆肥替代化肥比例，本研究以富民985为供试材料，设置不施肥（CK）、100%全量化肥（CF）、10%堆肥替代化肥（CN）、20%堆肥替代化肥（CE）、30%堆肥替代化肥（CS）等5个处理，分析各处理下大喇叭口期、抽雄吐丝期、灌浆期玉米植株叶片光合速率、碳代谢关键酶活性及产量和产量构成的变化。结果表明，与CK相比，施用牛粪秸秆堆肥替代处理可以显著提升春玉米光合作用能力及碳代谢关键酶活性。在施用堆肥的条件下，随着堆肥替代比例的增加，各生育时期玉米叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）以及碳代谢关键酶（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、核酮糖二磷酸羧化酶）活性均呈现先增加后减少的趋势，20%堆肥替代化肥（CE）处理下，光合作用参数和碳代谢关键酶活性均为最高。施用牛粪秸秆堆肥替代化肥处理可以显著提高春玉米的产量、穗粒数和千粒重，20%堆肥替代化肥（CE）处理和10%堆肥替代化肥（CN）处理的籽粒产量分别比100%全量化肥（CF）处理提高9.41%、7.03%。本研究为畜禽粪便和作物秸秆资源化利用及耕地的用养结合提供良好的借鉴。

关键词：堆肥替代化肥；春玉米；光合特性；产量

中图分类号：S513.062文献标识码：A文章编号：1000-4440（2024）07-1220-07Effects of partially replacing chemical fertilizers by cow manure and corn straw compost on photosynthetic characteristics and yield of spring maizeMA Xianghong，DENG Aoyan，WU Junnan，WANG Lichun，JIANG Yecheng，CUI Xihua，LIU Chunguang，CHENG Zhenghai

（Jilin Academy of Agricultural Sciences/Northeast Agricultural Research Center of China， Changchun 130033， China）

Abstract： In order to determine the appropriate proportion of cow manure and corn straw compost for replacing chemical fertilizers， Fumin 985 was used as the test material in this study， and five treatments were set up， including no fertilizer （CK）， 100% chemical fertilizers （CF）， 10% compost for replacing chemical fertilizers （CN）， 20% compost for replacing chemical fertilizers （CE）， and 30% compost for replacing chemical fertilizers （CS）. The changes of photosynthetic rate， key enzyme activities of carbon metabolism at big trumpet stage， silking stage and filling stage， and yield and yield components of maize under different treatments were analyzed. The results showed that compared with CK， the cow manure and corn straw compost replacement treatment could significantly improve the photosynthesis ability and key enzyme activities of carbon metabolism of spring maize. Under the condition of applying compost， with the increase of the proportion of compost， the net photosynthetic rate （Pn）， transpiration rate （Tr）， stomatal conductance （Gs）， intercellular carbon dioxide concentration （Ci） and key enzymes （phosphoenolpyruvate carboxylase， ribulose-1，5-bisphosphale carboxylase） activities of carbon metabolism of maize leaves in each growth period showed a trend of increasing first and then decreasing. Under CE treatment， the photosynthetic parameters and key enzyme activities of carbon metabolism were the highest. The cow manure and corn straw compost replacement treatment could significantly increase the yield， grain number per spike and 1 000-grain weight of spring maize. The grain yield of spring maize in CE treatment and CN treatment was 9.41% and 7.03% higher than that in CF treatment， respectively. This study can provide a good reference for the resource utilization of livestock and poultry manure and crop straw and the combination of the use and maintenance of cultivated land.

Key words：replacing chemical fertilizers by compost;spring maize;photosynthetic characteristics;yield

春玉米是中国重要的粮食作物，对于保障国家粮食安全具有重要意义[1]。近年来，随着玉米耕作机械化水平提高及栽培技术的不断完善，春玉米的产量逐年攀升[2]。施用化肥是提升作物产量的重要措施[3-4]，但长期过量施用化肥不仅导致土壤有机质含量降低、土壤酸化以及土壤微生物群落失衡[5-6]，还会造成作物产量降低、品质变差[7]。李其胜等[8]的研究结果表明，有机（类）肥料富含作物生长发育所需的各种营养元素、有机质和活性物质，可以为作物持续供给养分，还能够有效缓解化肥滥用所带来的环境问题。堆肥作为有机（类）肥料的一种，对提升土壤肥力、提高作物产量和改善作物品质有重要作用，因此利用堆肥合理替代化肥，不仅可以降低农业生产成本，同时也是实现中国化肥零增长目标的重要途径[9]。2019年，全国畜禽粪便污染物和农作物秸秆产生量分别为3.05×10⁹ t和8.7×10⁸ t[10]，农作物秸秆与畜禽粪便中含有大量的营养元素和丰富的微量元素[11]，将畜禽粪便与秸秆作为原料进行堆肥制作，并与化学氮肥配施对于农业生产上减肥增效意义重大[10]。

堆肥的有机质含量较高，并且富含中微量元素、微生物和酶等活性物质。施用堆肥可以提高土壤碳库、氮库[12]、有机质含量[13]、速效养分含量、土壤有机碳含量和大团聚体含量[14]及土壤肥力[15]。此外，施用堆肥还可以加速共生细菌群落对生物多样性丧失的恢复力[16]，提高作物光合色素含量和矿质元素含量，进而提高产量和果实品质[17]。纪洪亭等[18]研究发现用猪粪有机肥替代50%化学氮肥，水稻产量没有显著下降，养分径流流失量亦没有显著增加。曹迟等[19]的研究结果表明以污泥为原料的堆肥替代20%化肥后，玉米的产量比常规施肥增加7.16%。由于堆肥原料不同，堆肥养分含量存在差异，因此在用堆肥替代化肥进行生产应用前首先要确定适宜的替代比例。本研究拟在以牛粪和玉米秸秆为原料制得牛粪秸秆堆肥的基础上，通过设置不同的堆肥与化学肥料替代比例处理，分析不同牛粪秸秆堆肥替代化肥处理对春玉米光合特性及产量的影响，明确适宜的牛粪秸秆堆肥替代化肥比例，旨在促进畜禽粪便和作物秸秆资源化利用，提高作物生产水平，实现耕地的用养结合。

1材料与方法

1.1试验区概况

试验于2020年、2021年在吉林省公主岭市朝阳坡镇徐家村进行。试验地年均降雨量450～550 mm，年均积温2 800～3000 ℃，无霜期130～140 d。土壤类型为黑土，0～20 cm土层有机质含量3.18%，全氮含量1.58 g/kg，全磷含量0.51 g/kg，全钾含量22.30 g/kg，pH值6.20。试验地的种植制度为玉米连作。

1.2试验设计

2019年10-11月，以公主岭鑫诚种植合作社提供的牛粪与玉米秸秆为原材料，将玉米秸秆与牛粪按质量比（干重）1∶4配制堆肥物料，配制完成后均匀喷洒物料总质量0.1%的枯草芽孢杆菌和长枝木霉复合微生物菌剂（吉林省地富肥业科技有限责任公司产品，1 mL有效活菌数≥1.0×108个），采用纳米膜覆盖进行室外堆肥处理45 d。堆肥处理期间，外界环境平均温度为5.6 ℃；堆肥制备期间每7 d使用风机对堆体进行曝气3～5 h。堆肥发酵完成后将堆肥防水保存和取样检测，测得堆肥的含水率为39.6%，pH值8.00，干基有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量分别为35.50%、1.11%、1.09%、1.03%。

以玉米品种富民985为试验材料，2020年和2021年5月6日采用人工点播的方式播种，每1 hm2种植60 000株，10月8日收获。以等量养分替代为依据，试验设不施肥、全量化肥、10%堆肥替代化肥、20%堆肥替代化肥、30%堆肥替代化肥等5个处理，各处理肥料的用量如表1。每个处理3个重复，共15个小区。每个小区面积为72 m2。堆肥在春季整地之前一次性均匀撒施，用旋耕机均匀混入0～20 cm土层中。试验所用化肥为N含量46%的尿素、P2O5含量12%的过磷酸钙和K2O含量52%的硫酸钾，40%的氮肥和全部磷钾肥与堆肥一起作基肥施用，60%的氮肥在玉米拔节期追施。

1.3测定项目与方法

1.3.1玉米叶片光合参数测定于玉米的大喇叭口期、抽雄吐丝期和灌浆期，选择晴朗无云的天气，在各小区选取长势一致的3 株玉米植株，采用 Li-6400XT便携式光合作用测定系统（美国Li-Cor公司产品）进行叶片光合参数的测定。大喇叭口期测定倒3完全展开叶，抽雄吐丝期和灌浆期测定玉米的穗位叶。

1.3.2玉米叶片碳代谢关键酶活性测定于玉米的大喇叭口期、抽雄吐丝期和灌浆期，选择晴朗无云的天气，选取田间生长整齐一致的玉米5株，采集功能叶片（吐丝前选取植株顶部完全展开的叶片，吐丝后取穗位叶），用纱布擦拭叶片表面，去除叶脉，用液氮速冻，带回实验室后放入-80 ℃冰箱中保存。参照施教耐等[20]的方法测定玉米叶片磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶（PEPC）活性，参照Thomas等[21]的方法测定核酮糖二磷酸羧化酶（RuBPCase）活性。

1.3.3产量及构成因素测定玉米完熟期各小区选取10 m2调查总穗数及总穗鲜重，取10穗果穗带回实验室风干后考种，以14%的含水量计算籽粒产量。每处理3个重复。

1.4数据处理与分析

利用Excel 2010软件进行数据处理与图表绘制，利用SPSS 22.0软件，使用Duncan’s方法进行处理间差异分析。

2结果与分析

2.1牛粪秸秆堆肥与化肥减量配施对春玉米光合特性的影响随着化肥用量逐渐降低，各生育时期玉米叶片的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（T）、气孔导度（G）以及胞间二氧化碳浓度（C）均呈现先增加后减少的趋势（表2）。20%堆肥替代化肥（CE）处理下，上述参数均为最高；30%堆肥替代化肥（CS）处理下，玉米叶片各生育时期的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度与CK和CF处理总体无显著差异。在3个生育时期，20%堆肥替代化肥处理（CE）与10%堆肥替代化肥处理（CN）的光合参数（P、T、G和C）总体显著高于其他处理。在大喇叭口期和灌浆期CE处理与CN处理条件下净光合速率（Pn）差异显著，而蒸腾速率、气孔导度以及胞间二氧化碳浓度均无显著差异（表2）。

2.2牛粪秸秆堆肥与化肥减量配施对春玉米碳代谢酶活性的影响不同生育期牛粪秸秆堆肥与化肥减量配施对春玉米叶片碳代谢酶活性的影响如图1所示。从图中可以看出，抽雄吐丝期春玉米PEPC活性和RuBPCase活性都最高，大喇叭口期最低。随着堆肥替代比例的增加，2020、2021年春玉米PEPC活性和RuBPCase活性都呈现先增加后减少的趋势。在大喇叭口期，CE处理下2020～2021年平均PEPC活性和RuSPCase活性较CK分别提高20.54%、30.98%；在抽雄吐丝期，CE处理下2020～2021年平均PEPC活性和RuBPCase活性较CK分别提高23.48%、24.48%；在灌浆期，CE处理下的PEPC活性和RuBPCase活性较CK分别提高13.39%、27.11%。

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2.3牛粪秸秆堆肥与化肥减量配施对春玉米产量性状的影响不同施肥处理对春玉米产量及产量构成因素的影响如表3所示。与CK相比，施肥处理下2020年春玉米产量显著增加31.9%～54.0%，2021年显著增加29.1%～47.1%。20%堆肥替代化肥处理（CE）产量最高，其次为10%堆肥替代化肥处理（CN），30%堆肥替代化肥处理（CS）产量最低。其中，CE处理与CN处理的产量差异不显著， CS处理2年平均产量较CE处理降低13.29%。同样，与CK相比，施肥处理下春玉米穗粒数与千粒重都得到一定程度的增加。总体来看，CE处理与CN处理的穗粒数与千粒重差异不显著，与产量变化相一致。CE处理和CN处理的穗粒数与千粒重显著高于CS处理和CK。上述结果表明，适宜比例的堆肥替代化肥能显著增加穗粒数和千粒重，进而提高产量，但替代比例过高不利于产量的形成。此外，不同施肥处理下玉米产量及产量构成因素的方差分析结果表明，施肥能显著影响玉米产量及其产量构成，而年份、年份与施肥互作对产量及其构成的影响不显著（表4）。

3讨论

化肥的施用是保障作物高产稳产的重要措施，部分农户为了追求高产而施用过量的化肥。但长期过量地施用化肥不仅不能保障作物优质高产，还会造成耕地质量下降，不利于农业的绿色可持续发展[22-23]。 Chatzistathis等[24]的研究结果表明，堆肥作为一种替代化肥补充养分的方式，可以减少化肥投入，提高土壤肥力和作物光合效率，促进农业的可持续发展。光合作用是作物生长发育的基本生理活动之一，作物生长中后期光合作用的强弱对作物产量的形成有重要影响，因此，对玉米生长中后期光合能力的研究是解析栽培措施对产量影响的重要因子[25]。Ye等[26]研究证实施用有机肥可以显著提高梨枣树叶片的净光合速率和气孔导度。本研究中，在玉米3个生育期20%堆肥替代化肥（CE）处理的光合参数显著高于全量化肥（CF）处理，这说明适量的牛粪秸秆堆肥配施化肥可以显著提高春玉米的光合能力。本试验条件下，当牛粪秸秆堆肥替代比例达到30%时，3个生育期玉米叶片光合作用参数与全量化肥（CF）处理无显著差异。

RuBPCase和PEPC都是植物光合作用的关键酶[27]。碳同化过程中CO2首先在叶肉细胞PEPC作用下生成苹果酸，然后再运输到维管束鞘细胞脱羧释放CO2，同时在RuBPCase催化下与核酮糖二磷酸进行反应，从而固定CO2[28]。因此，RuBPCase和PEPC活性的变化能够体现玉米植株碳同化能力的强弱[29]。本研究中，随着堆肥替代比例的增加，RuBPCase和PEPC活性均表现为先增强后减弱的趋势。与CK相比，牛粪秸秆堆肥替代处理下的RuBPCase与PEPC活性均有不同程度的提高。酶活性的提高能增强春玉米的碳同化能力，提高代谢强度和叶片光合能力，为库的扩充提供充足的底物，进而实现增产。2年试验结果均以20%堆肥替代化肥（CE）处理的增产效果最佳，且20%堆肥替代化肥（CE）处理和10%堆肥替代化肥（CE）处理的差异不显著。

作物高产需要土壤肥力提供保障[30-32]，堆肥与化肥配施，一方面可充分利用不同肥料对作物生长的促进作用，另一方面堆肥的施用能促进土壤氮素转化，调节土壤微生物群落结构，更好地促进耕地的保育与利用。Cheng等[33]的研究结果表明适量的有机肥替代化肥是解决化肥过量施用导致土壤退化的有效途径。长期持续施用有机肥可以显著提高作物产量[34]，促进产量构成因子的增加[35]。本试验中，等量牛粪秸秆堆肥替代化肥处理能显著影响玉米产量及其构成。与CK相比，等量堆肥替代处理下2020 年和2021年春玉米产量分别显著增加 31.9%～54.0%和29.1%～47.1%，且玉米的穗粒数与千粒重也显著增加。其原因在于化肥能为玉米生长发育提供充足的速效养分，堆肥能够保障养分的持续供应，从而实现玉米的高产与稳产。

4结论

施用适量的猪粪秸秆堆肥替代部分化肥可以显著提高春玉米叶片的光合能力及碳代谢酶活性，进而促进春玉米产量、穗粒数和千粒重的提高；施用20%牛粪秸秆堆肥替代化肥时，玉米植株的光合能力、碳代谢酶活性增加最为显著，增产效果亦最佳。

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（责任编辑：石春林）