0 引言
【研究意义】合理利用有机肥资源、有机肥替代部分化肥,是实现中国到2020年化肥零增长目标的重要途径之一。中国畜禽有机肥及秸秆资源丰富,但利用率低;每年排放2.7×109 t畜禽粪便,其中仅有40%被处理或利用[1];中国主要粮食作物秸秆年平均产量为4.9×108 t,粮食秸秆露天焚烧量平均为0.98×108 t,约占粮食作物秸秆总量的19%[2]。在中国西南地区玉米肥料施用中普遍存在氮肥施用量过高,基本不施有机肥的问题,导致玉米氮肥利用率平均每10年下降5个百分点[3],同时造成有机肥资源浪费和环境污染。因此在西南玉米生产中探讨有机肥氮替代化肥氮的可行性及其增产增效作用显得尤为重要。本研究旨在探明连续8年有机肥氮替代部分化肥氮玉米生产力和氮素吸收利用效率的变化,以期为西南紫色土地区玉米合理利用有机养分资源、减量施用化肥、实现玉米高产稳产和提高养分利用效率提供科学依据。【前人研究进展】蔡泽江等[4]研究表明,有机肥替代化肥能够使玉米产量保持稳定或稳定增长。侯红乾等[5]研究表明,红壤稻田系统增产和稳定性均以有机肥替代化肥最好。冀建华等[6]研究表明,有机肥替代化肥可促进双季稻高产稳产,维持系统的可持续性。徐明岗等[7]和孟琳等[8]研究表明,有机肥替代化肥能够提高水稻产量和肥料利用率,提高氮素累积量,减少环境污染,培肥土壤。陈志龙等[9]对小麦的研究表明,有机肥替代化肥能够提高氮的利用效率。【本研究切入点】目前有关有机肥替代化肥的研究较多集中在水稻和小麦,对北方玉米的研究也有报道[10],但对西南地区玉米鲜有报道。土壤类型和气候条件影响玉米的生长和肥料利用效率[11-12]。西南玉米主要种植在紫色土、红壤、黄壤等坡地,土壤有机质含量低、土壤保水保肥能力差,加上玉米生长季正值雨季,降水丰富,养分容易随降水流失,肥料利用率低。有机肥具有保水保肥和养分缓慢释放的特性 [13],西南地区有机肥资源丰富但利用率低,玉米氮肥用量高,研究有机肥替代化肥有重要意义。【拟解决的关键问题】本文开展有机肥氮替代部分化肥氮的可行性及其对玉米高产稳产、氮素吸收利用的影响研究,阐明连续8年有机肥氮替代化肥氮玉米生产力和氮素吸收利用效率的变化,为西南紫色土地区玉米建立合理的施肥模式和提高养分利用效率提供科学依据。1 材料与方法
1.1 试验点概况
试验在国家紫色土肥力与肥料效益监测站（106°26´E,30°26´N）进行。该监测站海拔266.3 m,年平均气温18.3℃,年均降雨量1 115.3 mm。供试土壤采用西南地区具有代表性的中性紫色土,为侏罗系沙溪庙组紫色沙页岩母质上发育的灰棕紫泥,质地为重壤。试验前土壤的基本性质为pH 6.56（土水比1﹕2.5）,有机质含量16.20 g·kg-1,全氮、全磷,全钾含量分别为0.86、1.01、16.96 g·kg-1,碱 解氮、速效磷、速效钾含量分别为110.0、21.4、 95.5 mg·kg-1。1.2 试验设计
试验开始于2007年,种植制度为玉米-蔬菜轮作,蔬菜为冬季填闲作物。本研究选用5个处理：（1）不施氮肥对照（CK）;（2）农民常规施肥（FP）;（3）化肥优化施用（在农民常规施肥基础上优化施用化肥肥料,OP）;（4）在化肥优化基础上有机肥氮替代50%化肥氮（MF）;（5）在化肥优化基础上有机肥氮替代100%化肥氮（OM）。每个处理3次重复,小区为长1.5 m,宽1 m,面积1.5 m2的水泥池,池深1 m（为原状土壤）,确保小区之间互不影响。小区随机区组排列。化肥优化施用（OP）和有机替代（MF和OM）处理的氮磷钾养分用量相同。玉米纯养分用量为：N 180 kg·hm-2,P2O5 90 kg·hm-2,K2O 90 kg·hm-2;农民常规施肥投入纯N 225 kg·hm-2,P2O5 90 kg·hm-2,不施钾肥（根据农户玉米施肥调查结果确定）;不施氮肥对照除不施氮肥外,磷钾养分与化肥优化处理一致。有机替代处理的有机肥带入的磷钾养分含量不足90 kg·hm-2时用化学肥料补足。蔬菜季纯养分用量为：N 300 kg·hm-2,P2O5 90 kg·hm-2,K2O 150 kg·hm-2;农民常规施肥投入纯N 375 kg·hm-2,P2O5 90 kg·hm-2,K2O 150 kg·hm-2;不施氮肥对照除不施氮肥外,磷钾养分与化肥优化处理一致。有机替代处理的有机肥带入的磷养分含量不足90 kg·hm-2,钾养分含量不足150 kg·hm-2时用化学肥料补足。肥料种类是尿素、磷酸二氢钾、硫酸钾和鸡粪有机肥,其中鸡粪有机肥、磷肥、钾肥作为基肥一次施用,氮肥分3次施用,50%为基肥,10%在玉米拔节期施用,40%在玉米大喇叭口期施用;基肥为撒施,追肥为穴施。有机肥养分N 1.4%、P2O5 3.0%和K2O 3.1%,pH 8.9,C/N为25.7。
供试玉米品种为璐玉18,每年3月下旬种植,7月下旬收获。每个小区种植8株玉米（行距50 cm、株距37.5 cm）。供试蔬菜2008—2011年为榨菜、2012—2015年为大白菜,蔬菜于每年10月底移栽,翌年2月下旬收获。按常规进行统一田间管理。
1.3 取样及测定
每季玉米收获时,分小区将玉米植株齐地收割,测定玉米籽粒和秸秆的含水量,风干后分别对玉米籽粒和秸秆进行称重计产。用H2SO4-H2O2消煮法测定玉米籽粒和秸秆中的全氮含量[14]。1.4 数据处理和分析
作物产量稳定性用变异系数（coefficient of variation,CV）[15]评价,可持续性用可持续性指数（sustainable yield index,SYI）[16]评价,CV越大说明产量稳定性越低,SYI越大,系统的可持续性越好。计算方法如下：CV = σ/Y
SYI=(Y-σ)/Ymax
式中,σ为产量标准差（kg·hm-2）,Y为产量平均数（kg·hm-2）,Ymax为该处理不同年份中的最高产量（kg·hm-2）。
玉米氮素积累量（kg·hm-2）=（籽粒产量×籽粒含氮量）+（秸秆产量×秸秆含氮量）;
籽粒收获指数HI（%）=籽粒产量/生物量×100;
氮收获指数NHI（%）=籽粒吸氮量/地上部总吸氮量×100
氮素的利用效率的计算方法[17-19]如下：
肥料氮表观利用率（REN）,REN=（N-N0）/F×100,表征作物对肥料中N的回收效率;
肥料氮偏生产力（PFPN,kg·kg-1）,PFPN=Y/F,指投入单位氮肥所生产的作物产量;
肥料氮贡献率（FCRN）,FCRN=（Y-Y0）/Y×100,指施氮量增加的产量占总产量的比率;
肥料氮生理利用率（PEN,kg·kg-1）=（Y-Y0）/（N-N0）,指作物吸收单位氮素所获得的籽粒产量的增加量;
式中,Y和Y0分别为施氮处理和CK处理所获得的玉米籽粒产量,N和N0分别为施氮处理和CK处理地上部总吸氮量,F为施氮量。
采用Microsoft Excel、SAS和SPSS18.0软件处理试验数据和绘制图表。
2 结果
2.1 不同施肥模式下玉米籽粒产量及生物量的变化
由图1可见,有机肥氮替代50%化肥氮（MF）处理8年玉米产量一直高于其他处理,而CK处理始终最低。不同施肥模式下玉米8年平均产量从大到小依次为50%有机替代（MF）>化肥优化（OP）>100% 有机替代（OM）>农民施肥（FP）>对照（CK）。OP、OM和FP处理的籽粒产量差异不显著,MF处理籽粒产量显著高于OM、OP、FP处理,MF处理比FP、OM和OP处理分别增产13.7%、13.5%和12.5%,表明有机肥氮替代50%的化肥氮能够显著提高玉米产量。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1不同施肥处理玉米籽粒产量和地上部生物量变化
-->Fig. 1Dynamic change of maize yield and biomass with experiment years as affected by long-term fertilization
-->
长期不同施肥模式下玉米生物量存在差异,玉米生物量均值从大到小依次为MF>OM>OP>FP>CK。MF处理与OM、OP、FP处理均达到显著差异（P<0.05）,表明有机替代能够显著增加玉米的生物量。相比OP、OM和FP处理,MF处理地上部生物量的增产率分别为8.6%、7.0%和11.3%。
不同处理间玉米产量的变异系数、可持续指数和收获指数存在着差别（表1）。CK处理的变异系数最大,达31.4%,MF处理变异系数最小。相比CK处理,MF、OM、OP、FP处理的变异系数分别下降20.9、18.8、13.2、14.9个百分点,有机替代处理的变异系数下降最为明显,有机替代明显增加了玉米产量的稳定性。不同施肥处理的可持续性指数SYI值从大到小依次为MF>OM>OP>FP>CK,CK处理的SYI值最小,仅为0.482,CK处理玉米产量的可持续性最差;MF处理的SYI值显著高于其他处理,表明50%有机替代能够明显增加玉米产量的可持续性。不同施肥处理的收获指数从大到小依次为MF>FP>OP>OM>CK,MF处理与OM、OP处理的HI值达到显著差异,相比CK处理,MF、OM、OP、FP处理的收获指数分别增加7.8、4.6、5.6、6.1个百分点,以MF处理的收获指数增加最为明显,表明有机肥氮替代50%化肥氮能够提高玉米的收获指数,促进光合产物向籽粒转运。
Table 1
表1
表1不同施肥处理玉米平均产量、变异系数、可持续性指数和地上部生物量以及收获指数
Table 1Maize yield, variation, sustainable index, biomass and harvest index as affected by long-term fertilization
| 处理 Treatment | 籽粒产量 Grain yield (kg·hm-2) | 变异系数 CV(%) | 可持续性指数 SYI | 地上部生物量 Biomass (kg·hm-2) | 收获指数 HI (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| CK | 4283c | 31.4 | 0.482 | 8906c | 48.4c |
| FP | 8776b | 16.5 | 0.692 | 16093b | 54.5ab |
| OP | 8863b | 18.2 | 0.706 | 16495b | 54.0b |
| MF | 9974a | 10.5 | 0.811 | 17907a | 56.2a |
| OM | 8784b | 12.6 | 0.774 | 16733b | 53.0b |
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2.2 不同施肥模式对玉米氮素吸收的影响
不同施肥处理玉米地上部的氮素积累量存在差异（图2）,长期不同施肥处理的玉米地上部氮素平均积累量从大到小依次为MF>OP>FP>OM>CK,MF、OP和FP处理无显著差异,尽管农民习惯施肥FP氮肥用量高于有机替代和优化施肥,但是玉米对氮的吸收量并没有提高,增加了氮进入环境的风险。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图2不同年份玉米地上部氮素积累量
-->Fig. 2Accumulation of N above ground in maize with experiment years as affected by long-term fertilization
-->
不同施肥处理玉米籽粒的氮素累积吸收量存在着差异。由表2可知,不同施肥处理的玉米籽粒氮素累积吸收量从大到小依次为MF>OP>FP>OM>CK。相比OP和OM处理,MF处理的籽粒氮素累积吸收量分别增加7.0%和29.6%,表明有机肥氮替代50%化肥氮能够明显增加玉米籽粒中氮素累积吸收量,促进了氮素向籽粒中的转运。长期不同施肥处理的玉米秸秆的氮素累积吸收量从大到小依次为FP>OP>MF>OM>CK。FP、OP、MF处理的秸秆氮素累积量没有显著差异,但同时与OM处理达到显著差异,表明FP、OP处理把更多的氮素保留在秸秆中,导致籽粒中氮素累积量减少。MF处理把更多的氮转运到籽粒中,从而保证玉米的高产。MF处理能够明显提高氮的总表观利用率,并且与FP和OM处理达到显著关系;MF处理氮的表观利用率比OM和OP处理分别提高26.5和2.5个百分点。
Table 2
表2
表2不同施肥模式下玉米8年对氮素的累积吸收量及表观平衡
Table 2Accumulation of nitrogen in grain and straw and apparent equilibrium in 8 years as affected by different fertilization
| 处理 Treatment | 8年氮素投入总量 Total input of nitrogen in 8 years (kg) | 8年氮素累积吸收量 Accumulation of nitrogen in 8 years (kg) | 氮素表观平衡 Balance of nitrogen (kg) | 总的表观利用率 Apparent recovery efficiency REN (%) | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 籽粒 Grain | 秸秆 Straw | 地上 Above ground | ||||
| CK | 0 | 382.1c | 221.8c | 603.9c | -603.9 | - |
| FP | 1800 | 1047.7a | 599.4a | 1647.1a | 152.9 | 58.0b |
| OP | 1440 | 1069.7a | 598.6a | 1668.3a | -228.3 | 73.9a |
| MF | 1440 | 1144.8a | 559.2a | 1704.0a | -264.0 | 76.4a |
| OM | 1440 | 883.5b | 438.5b | 1321.9b | 118.1 | 49.9b |
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2.3 不同施肥模式的氮素利用效率
MF处理能够明显提高氮的偏生产力（表3）,不同施肥模式下氮的偏生产力从大到小依次为MF>OP>OM>FP,MF与OM、OP、FP处理达到显著关系,OM、OP处理与FP处理也达到显著关系。氮的收获指数从大到小依次为MF>OM>OP>FP,MF与OP、FP达到显著差异,相比OP和OM处理,MF处理氮养分的收获指数分别提高3.5和0.8个百分点。MF处理能够显著提高肥料氮贡献率,与OM、OP、FP处理达到显著关系,相比OM和OP处理,MF处理的肥料氮贡献率分别提高5.8和6.3个百分点。不同施肥模式的肥料氮的生理效率从大到小依次为OM>MF>FP>OP。相比OP处理,MF处理的肥料氮的生理效率提高7.9 kg·kg-1。综上,有机肥氮替代50%化肥氮能够提高氮素利用效率。2.4 不同施肥模式下玉米地上部需氮量与产量的关系
不同施肥处理玉米籽粒产量和地上部氮素吸收量的相关分析表明（图3）,二者均呈显著或极显著相关关系;其关系式的斜率存在明显差异,即不同施肥模式下每生产1 t玉米籽粒对氮的需求量存在差异。CK、FP、OP、MF和OM处理每生产1 t玉米籽粒吸收氮素量分别为14.6 kg、14.5 kg、9.4 kg、10.8 kg和12.9 kg,表明均衡施肥（OP、MF和OM）每生产1 t玉米籽粒吸收氮素量小于不均衡施肥（CK和FP）,同时有机肥氮替代50%的化肥氮能够以较小的氮素吸收量获得1 t玉米籽粒,提高了氮素利用效率。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图3不同施肥处理玉米地上部吸氮量与玉米产量的关系
-->Fig. 3Relationship between nitrogen uptake above ground and maize yield in different fertilization treatments
-->
Table 3
表3
表3不同施肥处理玉米8年氮素利用效率
Table 3Dynamic change of N efficiency in maize in experiment of 8 years as affected by long-term fertilization
| 处理 Treatment | 偏生产力 PFPN (kg·kg-1) | 氮收获指数 NHI (%) | 肥料氮贡献率 FCRN (%) | 生理效率 PEN (kg·kg-1) |
|---|---|---|---|---|
| FP | 39.0c | 63.3b | 51.0b | 35.0c |
| OP | 49.2b | 63.9b | 51.0b | 34.1c |
| MF | 55.4a | 67.4a | 57.3a | 42.0b |
| OM | 48.8b | 66.6a | 51.5b | 53.8a |
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3 讨论
3.1 有机肥替代对玉米产量稳定性及可持续性的 影响
本试验的研究结果表明,长期不同施肥模式的玉米籽粒产量从大到小依次为：MF>OP>OM>FP>CK,表明有机肥氮替代50%化肥氮能够明显增加玉米的产量。原因可能是有机肥氮替代部分化肥氮能够改善土壤中氮素的供应过程,使土壤养分能够平稳释放[20-21]。高洪军等[10]研究表明,有机氮替代部分化肥氮在黑土地上增产效果较显著,这与本试验的研究结果基本一致。此外,大量的研究结果也证明有机氮替代部分化肥氮能够提高玉米的产量[4, 22-24]。本试验的研究结果表明,长期不同施肥模式下玉米生物量从大到小依次为MF>OM>OP>FP>CK,表明有机肥氮替代部分化肥氮肥能够提高玉米的生物量,这与前人的研究结果一致[25]。中国有机肥资源巨大且并未得到充分利用,因此采取有效措施,促进有机资源的开发利用对于对中国粮食增产和资源有效利用具有重要的意义。本研究结果表明,有机替代能够明显降低作物产量的变异系数,增加作物产量的稳定性,许多研究结果也表明有机氮替代部分化肥氮能够显著提高作物产量的稳定性[26-28]。不同处理的SYI值从大到小依次为：MF>OM>OP>FP>CK,表明有机替代能够提高作物产量的可持续性,这与李忠芳等[29]的研究结果一致。此外,大量的研究也证明了这一点[5-6,30]。本研究表明有机肥氮替代部分化肥氮能够提高玉米的收获指数,这与谭德水等[31]的研究结果一致。
3.2 有机肥替代对玉米氮素吸收及利用效率的影响
高洪军等[32]研究表明,有机肥替代化肥的有机无机配施模式能够提高玉米的氮素积累量,并提高玉米的偏生产力和氮收获指数。周江明等[33]研究表明,有机氮替代部分化肥氮能够提高作物氮素积累量,提高氮素利用效率。本研究结果表明,长期不同施肥模式下玉米地上部氮素吸收量从大到小依次为：MF>OP>FP>OM>CK,表明有机肥氮替代部分化肥氮能够提高玉米的氮素吸收量,这与前人的研究结果基本一致。此外,大量的研究结果也表明有机肥氮替代部分化肥氮能够提高作物氮素吸收量[7-9, 34]。本研究也表明,有机肥氮替代部分化肥氮能够明显增加玉米籽粒中的氮素积累量,促进氮素向籽粒中的转运,从而使玉米获得高产,这与刘占军等[35]的研究结果一致。本试验结果表明,玉米对氮素的吸收量和表观利用率较高,这可能是因为本试验为玉米-蔬菜8年轮作,本文仅探讨了玉米季氮素的吸收利用,蔬菜季残留的氮素部分被玉米吸收有关。张永春等[36]研究表明,有机肥氮替代化肥氮白菜的表观利用率最高仅为29.7%。可能是蔬菜季土壤中残留了大量的氮素,从而提高下季玉米对氮的吸收利用。由此可见,有机肥氮替代部分化肥氮能够提高玉米的氮素吸收量,提高氮素利用效率,同时能够促进氮素向玉米籽粒中转移,提高玉米籽粒产量,降低氮素进入环境的风险。4 结论
4.1 与化肥优化、农民习惯施肥和有机肥氮替代100%的化肥氮模式相比,有机肥氮替代50%的化肥氮显著提高了玉米的籽粒产量和地上部生物量,降低玉米产量的变异系数,提高玉米产量的可持续性和收获系数,增强玉米产量的稳定性和可持续性。4.2 与化肥优化和有机肥氮替代100%化肥氮相比,有机肥氮替代50%化肥氮增加玉米地上部的氮素吸收量和总表观利用率,促进了氮素向籽粒的转运,提高了氮素利用效率,降低了氮素进入环境的风险。
（责任编辑 杨鑫浩）
The authors have declared that no competing interests exist.
