范 銘，李 強，張 丹，晉小軍，曹愛農(nóng)

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術創(chuàng)新重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院， 甘肅 蘭州 730070)

堆肥替代化肥對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響

范 銘1，李 強2，張 丹1，晉小軍1，曹愛農(nóng)1

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院 甘肅省中藥材規(guī)范化生產(chǎn)技術創(chuàng)新重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院， 甘肅 蘭州 730070)

本試驗研究了河西綠洲灌區(qū)在堆肥施用量為30 000 kg·hm-2和60 000 kg·hm-2，替代化肥用量10%、20%和30%時對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響。結果表明，在不同堆肥用量條件下，替代化肥處理均較對照提高了玉米產(chǎn)量和水分利用效率；其中，堆肥用量60 000 kg·hm-2，替代化肥用量30%的平均3年玉米經(jīng)濟產(chǎn)量和水分利用效率均最高，分別為16 609.02 kg·hm-2和25.08 kg·mm-1·hm-2，較對照分別提高29%和23.73%。因此，在堆肥施用量為60 000 kg·hm-2，傳統(tǒng)化肥減量30%時，玉米的增產(chǎn)和節(jié)水效果最佳，為河西綠洲灌區(qū)堆肥替代化肥的最佳施用量。

堆肥；替代化肥；玉米；產(chǎn)量；WUE；河西綠洲灌區(qū)

在我國及世界范圍內(nèi)，受消費觀念和生活方式的影響，農(nóng)作物秸稈資源完全處于高消耗、高污染、低產(chǎn)出狀況[1]，在河西綠洲灌區(qū)，農(nóng)田資源循環(huán)利用的鏈接十分薄弱，同時，秸稈大量焚燒給生態(tài)環(huán)境保護帶來了巨大壓力[2]。研究發(fā)現(xiàn)，堆肥是實現(xiàn)作物秸稈和畜禽糞便向農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)循環(huán)的關鍵，堆肥即將作物秸稈和畜禽糞便科學合理組配，經(jīng)好氧高溫發(fā)酵，生產(chǎn)高質(zhì)量的有機肥，不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)肥料，并且實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物資源化循環(huán)利用，改善農(nóng)村生產(chǎn)及生活環(huán)境，同時，替代化石能量投入，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高作物產(chǎn)量，對河西綠洲灌區(qū)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重大意義[3-4]。

國內(nèi)外的一些研究表明，堆肥能夠改善土壤理化性質(zhì)，提高作物的產(chǎn)量。Miron等[5]研究證明，施用有機肥能夠增加土壤保水、保肥的性能，減少土壤中病原菌的數(shù)量，提高冬麥草的產(chǎn)量。Eghball等[6]研究發(fā)現(xiàn)，施用堆肥能夠提高植物可利用氮和磷的水平，長期施用能產(chǎn)生延續(xù)效應，提高玉米的生物產(chǎn)量。Chaoui等[7]研究認為，堆肥能夠增加土壤中微生物種群數(shù)量，提高土壤養(yǎng)分有效性。堆肥由于原料、施用作物品種和氣候條件等因素的差異，表現(xiàn)出不同的增產(chǎn)效果。

本試驗在前期研究的基礎上，通過研究堆肥替代化肥對玉米產(chǎn)量和水分利用效率的影響，實現(xiàn)作物秸稈循環(huán)利用，改善土壤理化性質(zhì)，為西北內(nèi)陸綠洲可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供技術依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于2013—2015年3—10月在甘肅省武威市涼州區(qū)黃羊鎮(zhèn)甘肅農(nóng)業(yè)大學武威試驗站進行，該區(qū)平均海拔1 531 m，依賴石羊河水和地下水灌溉，降水少，蒸發(fā)強烈，氣候干燥。多年平均降水量160 mm，年潛在蒸發(fā)量2 400 mm，干燥度5.85，年平均氣溫7.7℃，≥0℃年積溫3 513.4℃，≥10℃年積溫2 985.4℃。全年無霜期156 d，絕對無霜期118 d，年日照時數(shù)2 945 h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質(zhì)，土層深厚，田間持水量為21.5%，試驗區(qū)0～20 cm土層土壤全氮、全磷、全鉀和有機質(zhì)平均含量為0.95、0.48、7.70 g·kg-1和14.29 g·kg-1，速效磷和速效鉀平均含量為33.80 mg·kg-1和253.95 mg·kg-1，pH為8.76。

1.2 試驗材料

本試驗中選用玉米品種為先玉335，堆肥原材料為當?shù)赜衩捉斩?、羊糞和土，選用高效腐解菌劑為CN-02。

堆肥方法：先將高效腐解菌液用水稀釋500倍，并放置10 h以上，并將作物秸稈粉碎或剁至<5 cm的節(jié)，噴水使秸稈含水量保持在50%～65%。把玉米秸稈、羊糞和土一層層按重量比1∶1∶1堆置，稀釋好的菌劑灑在玉米秸稈和畜禽糞便上，以玉米秸稈微微濕潤為宜。堆體高度達120～160 cm即成型，最后在堆體表面覆以塑料膜密封防水保肥，堆置30～45 d即可。堆肥充分腐熟后，其有機質(zhì)含量達22.87%以上，全氮、全磷、全鉀含量分別可達1.55%、1.01%和2.5%以上。

1.3 試驗設計

本試驗采用裂區(qū)設計，主因子為堆肥施用量：60 000、30 000 kg·hm-2，副因子為化肥減量梯度：0、10%、20%、30%四個水平，和不施肥作為對照，共9個處理，重復3次，27個小區(qū)。試驗采用隨機區(qū)組設計，重復3次，地膜覆蓋滴灌栽培。小區(qū)長6 m，寬5 m，面積30 m2。主區(qū)之間走道1 m。種植方式以行距40 cm，株距30 cm均勻種植，種植密度為82 500 株·hm-2。處理設置見表1。

播種前將有機肥、氮肥和磷肥一次性施入。三年玉米播種時間分別為2013-04-17、2014-04-16和2015-04-20，收獲時間分別為2013-09-29、2014-10-01和2015-09-25，總灌水量為405 mm。

表1 堆肥替代部分化肥試驗處理及代號

1.4 樣品的采集和測定

1.4.1 玉米產(chǎn)量和產(chǎn)量構成要素的測定 收獲時按小區(qū)計產(chǎn)，每小區(qū)取樣20株進行考種，詳細測定玉米產(chǎn)量構成要素，如穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿頂長、千粒重等，計算生物產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量；每小區(qū)取樣40株進行測產(chǎn)，計算出籽率、經(jīng)濟產(chǎn)量等。

1.4.2 土壤含水量測定 在玉米播前1 d、每1次灌水前、灌水后和玉米收后1 d，按小區(qū)分6層取樣，分別依次為0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120 cm，用烘干法測定土壤質(zhì)量含水量。

玉米生育期耗水量和水分利用效率根據(jù)以下公式計算：

作物耗水量(ET)=I+P+(W1-W2)

(1)

式中，ET為作物生育期耗水量(mm)；I為作物灌水量(mm)；P為作物生育期降水量(mm)；W1(mm)和W2(mm)是播種前和收獲后0～120 cm土壤貯水量。因本試驗設計的灌水量相對較小，加之試驗期間降水稀少，故滲漏量可忽略不計；試驗區(qū)地下水埋深在30 m以下，因此未考慮地下上升水的影響。

WUE=Y/ET

(2)

式中，Y為玉米籽粒產(chǎn)量(kg·hm-2)，WUE為根據(jù)玉米籽粒產(chǎn)量計算的WUE(kg·mm-1·hm-2)；ET為生育期耗水量(mm)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Excel2013進行整理，用SPSS17.0軟件進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 堆肥替代化肥對玉米產(chǎn)量構成要素的影響

玉米產(chǎn)量構成要素對研究玉米產(chǎn)量方面具有重要意義。將三年玉米產(chǎn)量構成要素均值列入表2，由表2可見，不同堆肥量替代化肥處理對玉米穗長、穗粗、穗行粒數(shù)和千粒重等均有影響。

表2 堆肥替代化肥對玉米產(chǎn)量的影響

各處理間三年平均果穗長及禿尖長差異不顯著，施堆肥60 000kg·hm-2各處理中以T3處理三年平均果穗長最長為21.59cm，施堆肥30 000kg·hm-2各處理中以R3處理三年平均果穗長最長為21.53cm，分別較對照高出5.52%和5.23%。對于穗粗，處理T3顯著高于R4，其他處理間差異不顯著。

穗行粒數(shù)的多少對玉米產(chǎn)量具有決定性作用。由表2可知，處理T3三年平均穗行數(shù)顯著高于處理T4、處理R4和對照，其他處理間差異不顯著。而三年平均行粒數(shù)以處理T2、T3較多，分別為38.29粒和38.05粒，顯著高于對照，其他處理間差異不顯著。

千粒重是體現(xiàn)種子大小與飽滿程度的一項指標，也是田間預測產(chǎn)量時的重要依據(jù)。由表2可知，T3處理三年平均千粒重顯著高于處理R4和對照，其他處理間差異不顯著。

綜上所述，施用堆肥量60 000kg·hm-2和30 000kg·hm-2兩水平下，均以化肥減量30%，即處理T3和R3較好，而又以施堆肥量較多者T3為最佳。

2.2 堆肥替代化肥對玉米產(chǎn)量的影響

產(chǎn)量是衡量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最基本，也是最直接的指標之一，高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)發(fā)展最終目標。由表2可知，施用堆肥顯著的提高了玉米經(jīng)濟產(chǎn)量，除處理R1和R4之外，其他處理三年平均經(jīng)濟產(chǎn)量，均顯著高于對照。施堆肥60 000kg·hm-2水平下，處理T1、T2、T3、T4經(jīng)濟產(chǎn)量分別較對照提高21%、24%、29%和12%，施堆肥30 000kg·hm-2水平下，處理R1、R2、R3、R4經(jīng)濟產(chǎn)量分別較對照提高10%、17%、22%和8%，不同處理玉米籽粒產(chǎn)量的排列順序為：T3>T2>R3>T1>R2>T4>R1>R4>CK。

作物產(chǎn)量是光合產(chǎn)物的積累和分配，因堆肥是由大量生物物質(zhì)、植物殘體和排泄物緩效物質(zhì)腐熟而成，不僅含有植物必需的大量元素、微量元素，還含有豐富的有機養(yǎng)分，能夠改良土壤、培肥地力，同時，堆肥中有機質(zhì)分解產(chǎn)生的有機酸促進土壤和化肥礦質(zhì)養(yǎng)分的溶解，促進作物生長，提高作物產(chǎn)量。雖然施用堆肥對產(chǎn)量構成各要素收效甚微，但綜合之后，對玉米增產(chǎn)顯著。

2.3 堆肥替代化肥對玉米水分利用效率的影響

WUE是作物實際生物產(chǎn)量與田間耗水量的比值，提高作物生物產(chǎn)量或降低田間耗水量均可提高作物WUE。各處理2013—2015年水分利用效率如圖1所示，施用堆肥60 000kg·hm-2處理玉米水分利用效率顯著高于30 000kg·hm-2處理和對照，而隨著化肥施用量的減少，玉米水分利用效率也有略微的提高。施用堆肥60 000kg·hm-2時，處理T3相對較好，2013年水分利用效率較低，2014和2015年高于其他處理；施用堆肥30 000kg·hm-2時，2013年處理R2水分利用效率相對較高，其他處理間無顯著差異，2014和2015年隨著化肥用量減少，處理水分利用效率逐漸增加。以各處理間三年平均水分利用效率來看，處理T3玉米WUE最高為25.08 kg·mm-1·hm-2，較對照高出23.73%，其次依次為T3>T2>T1>R2>T4>R3>R1>CK>R4，整體來看，施堆肥60 000 kg·hm-2處理水分利用效率比施堆肥30 000 kg·hm-2處理相對較高。

3 結論與討論

施用堆肥能夠改善土壤理化性質(zhì)(保水性、保肥性、緩沖力、通氣狀況)[8-9]，提高土壤可利用養(yǎng)分(土壤有機質(zhì)、全N、堿解氮、有效磷、速效鉀)含量[10]，增加土壤微生物的數(shù)量和種類[11]，提高碳源和氮源的有效性，利于土壤養(yǎng)分的轉化和釋放，促進作物根系生長及對礦物質(zhì)元素的吸收[12]，從而提高作物產(chǎn)量。李宗新等[13]研究發(fā)現(xiàn)，雞糞堆肥配施化肥可以顯著地提高玉米生物產(chǎn)量，增產(chǎn)32.52%～57.21%。本研究試驗表明，堆肥替代化肥處理對玉米穗長、穗粗和禿尖長等影響相對較小，但是顯著的提高千粒重；處理T3平均三年玉米籽粒產(chǎn)量達最大值(16 609.02 kg·hm-2)，較對照提高29%。由于堆肥具有養(yǎng)分全面、肥效緩釋的特點，通過肥料養(yǎng)分釋放時間的調(diào)控而更能滿足玉米的營養(yǎng)需要并提高肥料養(yǎng)分利用率，同時，研究發(fā)現(xiàn)施用堆肥能夠增加田間二氧化碳濃度，改善田間小氣候，增加玉米的總體光合效率，從而提高作物產(chǎn)量[14]。

圖1 堆肥替代化肥對玉米水分利用效率的影響

Fig.1 Effects of compost replacement fertilizer on water use efficiency of maize

施有機肥能有效地改善作物生長，提高作物水分利用效率[15]。王曉娟等[16]研究表明，2年玉米水分利用效率隨施有機肥量的增加而升高，施有機肥22 500 kg·hm-2的玉米水分利用效率較不施肥提高29.5%～66.4%。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，堆肥替代化肥處理不同程度的提高了玉米水分利用效率，其中處理T3的玉米平均兩年WUE(25.08 kg·mm-1·hm-2)最大，較對照提高23.73%。堆肥替代化肥能夠顯著改善土壤理化性質(zhì)，增加有機質(zhì)含量，提高玉米產(chǎn)量和水分利用效率，即有機肥和化學肥料配合施用(堆肥施用量60 000 kg·hm-2，傳統(tǒng)化肥用量減少30%)，是提高河西綠洲灌區(qū)玉米產(chǎn)量和水分利用效率的一條有效途徑，為農(nóng)業(yè)施肥理論提供支撐。

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Effects of compost replacement fertilizer on grain yield and water use efficiency of maize

FAN Ming1, LI Qiang2, ZHANG Dan1, JIN Xiao-jun1, CAO Ai-nong1

(1.CollegeofAgronomy,GansuAgriculturalUniversity/GansuProvincialKeyLaboratoryofstandardizedproductionandinnovationofChineseHerbalMedicine,Lanzhou,Gansu730070,China; 2.CollegeofGrasslandSciences,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou,Gansu730070,China)

The effect of compost replacement fertilizer on both yield and water use efficiency of maize in HeXi Oasis Irrigation was studied by substituting compost amount of 30 000 kg·hm-2and 60 000 kg·hm-2for 10%、20% and 30% of the fertilizer amount. The results showed that compost replacement fertilizer had obvious effects on grain yield and water use efficiency. When the compost amount was 60 000 kg·hm-2, 3 years' average grain yield (16 609.02 kg·hm-2) and water use efficiency (25.08 kg·mm-1·hm-2) were the highest and were 29% and 23.73% higher than the control. Therefore, 60 000 kg·hm-2of compost replacing 30% of the fertilizer was the optimal amount in HeXi Oasis Irrigation.

compost replacement fertilizer; maize grain yield; water use efficiency; HeXi oasis irrigation

1000-7601(2017)02-0143-04

10.7606/j.issn.1000-7601.2017.02.22

2016-03-20基金項目：國家科技支撐計劃項目(2014BAD14B10)

范 銘，女，甘肅武威人，碩士，研究方向為干旱農(nóng)業(yè)與藥用植物資源與利用。 E-mail:1425387378@qq.com。

晉小軍，男，研究員，碩士生導師，主要從事干旱農(nóng)業(yè)與藥用植物資源與利用研究。 E-mail:jingxj@gsau.edu.cn。

S152.7

A