吳志遠(yuǎn)，馬紅寧，李仁青，尉六良，馬建珍，郭立月，蔣高明,2

(1.中國科學(xué)院植物研究所植被與環(huán)境變化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100093;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.大寧縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山西 大寧 042300)

旱作農(nóng)業(yè)是依靠自然降水而基本不進(jìn)行灌溉的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。全球旱作農(nóng)業(yè)面積占耕地總面積的80%以上[1]；我國干旱區(qū)耕地0.67億hm2，占全國耕地面積50%以上[2-4]。黃土高原塬面是典型雨養(yǎng)旱作農(nóng)業(yè)區(qū)，水分短缺和土壤貧瘠限制其耕作生產(chǎn)[5]，加之旱作農(nóng)業(yè)產(chǎn)量低而不穩(wěn)[4]，糧食價(jià)格低，農(nóng)民普遍采用大量施入化肥的方式提高農(nóng)作物產(chǎn)量[6]。歷經(jīng)幾十年，化學(xué)農(nóng)業(yè)弊端漸露，突出表現(xiàn)在水土流失嚴(yán)重，產(chǎn)量不穩(wěn)定等方面[7，8]。

大量研究發(fā)現(xiàn)，合理使用有機(jī)肥，結(jié)合有效的病蟲草害生態(tài)防控技術(shù)發(fā)展有機(jī)農(nóng)業(yè)，不僅能保護(hù)環(huán)境，還能獲得較高的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益，增加農(nóng)民收入[9-11]。合理施用有機(jī)肥可改善土壤物理性狀，維持養(yǎng)分含量[12-16]，提高土壤蓄水保水能力[17]，旱作條件下可促進(jìn)植物根系快速發(fā)育，擴(kuò)大作物吸收水分和養(yǎng)分的空間，從而提高作物產(chǎn)量[18-23]。加之，黃土高原塬面具有光熱資源豐富、地勢廣闊、土層深厚、病蟲害較少等優(yōu)勢，適合發(fā)展旱作有機(jī)農(nóng)業(yè)[24]。

當(dāng)前，有機(jī)肥施用量大多根據(jù)施用化肥的氮量進(jìn)行換算，年施用量20.8～45 t/hm2為常量，年施用量41.6～90.0 t/hm2為高量[7]，再高的施用量鮮見報(bào)道。雖然有人研究了大量施入牛糞對丘陵地區(qū)蘋果園的改良效果，發(fā)現(xiàn)蘋果園一次性施入300 t/hm2牛糞為宜[25]。但黃土高原旱塬地區(qū)與丘陵地區(qū)不同，種植作物也不同，其施肥量還有待研究。蚯蚓-牛糞堆肥被認(rèn)為是一種優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥料[26]，質(zhì)地均勻、表面積大，具有良好的孔性、通氣性和保水性[27-29]，養(yǎng)分高且緩慢釋放[30，31]，理論上可以超高量施入，但其在黃土旱塬區(qū)的施用量及對玉米生長和產(chǎn)量影響還需進(jìn)行大田試驗(yàn)研究。

本研究提出的科學(xué)假設(shè)是，在黃土高原旱作農(nóng)區(qū)，一次性施入超高量有機(jī)肥能保證土壤養(yǎng)分持續(xù)供應(yīng)，增加土壤蓄水供水能力，緩解旱情，確保旱作玉米正常生長和穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)。因此首先需要探討的是一次性施入有機(jī)肥的最高量及對旱作玉米生長及產(chǎn)量的影響。

本試驗(yàn)選取廄肥(牛糞)為供試有機(jī)肥原料，將其分別經(jīng)常規(guī)堆漚和蚯蚓堆制處理后作為供試肥料，在黃土塬區(qū)有機(jī)旱作玉米田進(jìn)行大田小區(qū)控制試驗(yàn)，研究牛糞不同處理方式和超高量施用對有機(jī)旱作玉米生長和產(chǎn)量的影響，以期為有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)增施有機(jī)肥提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于山西省大寧縣昕水鎮(zhèn)而吉村(110°44′39″E，36°32′14″N)。該村位于黃河岸邊，呂梁山南端，是黃土高原東南部的塬面地區(qū)，屬于暖溫帶半干旱區(qū)，冬春干旱，夏季多雨。年平均降水量536.9 mm，但2019年5—10月(玉米生長季)總降水量僅為325.5 mm(圖1)，年平均日照時(shí)數(shù)2 466.7 h，年平均氣溫10.7℃，年平均無霜期212天。土壤為灰褐土，0～20 cm土層pH 值8.27、有機(jī)質(zhì)含量 0.92%、全氮0.62 g/kg、速效磷 6.41 mg/kg、速效鉀 113.22 mg/kg。

圖1 山西省大寧縣而吉村2019年5—10月降水量和平均氣溫

1.2 試驗(yàn)材料

供試玉米品種為潞鑫2號。肥料為常規(guī)堆漚牛糞和蚯蚓-牛糞堆肥，均來自于同一農(nóng)場。常規(guī)堆漚牛糞(MC)的制作方法：將牛糞堆成寬1.5 m、高0.5 m的長方形堆垛，將含水量調(diào)至60%～70%，覆蓋塑料布，每20天進(jìn)行一次翻堆，處理時(shí)間為60天。蚯蚓-牛糞堆肥(VC)的制作方法：將牛糞堆成寬1.5 m、高0.2 m的長方形堆垛，將蚯蚓按照0.5 kg/m2接種到糞堆上，物料水分保持在55%～65%，處理60天后將蚯蚓和物料分開，即得到蚯蚓-牛糞堆肥。常規(guī)堆漚牛糞和蚯蚓-牛糞堆肥養(yǎng)分含量見表1。

表1 牛糞經(jīng)簡單堆漚和蚯蚓處理后養(yǎng)分含量

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè) 7個(gè)處理。其中，CK：不施肥；MC1：常規(guī)牛糞堆肥90 t/hm2(鮮重，含水量30%左右，以下有機(jī)肥均相同)； MC2：常規(guī)牛糞堆肥135 t/hm2；MC3：常規(guī)牛糞堆肥270 t/hm2；VC1：蚯蚓-牛糞堆肥90 t/hm2；VC2：蚯蚓-牛糞堆肥135 t/hm2；VC3：蚯蚓-牛糞堆肥270 t/hm2。隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。小區(qū)面積為 10.0 m×3.0 m=30 m2，各小區(qū)之間設(shè)置保護(hù)行，行寬1.2 m。

將肥料均勻撒開后即進(jìn)行耕地，耕深25 cm左右。2019年5月20日播種，行距60 cm, 平均株距25 cm。10月18日收獲。整個(gè)玉米生長期不灌溉，依靠自然降雨。

1.4 測定指標(biāo)及方法

出苗率：苗高約2 cm時(shí)進(jìn)行調(diào)查，統(tǒng)計(jì)出苗數(shù)，計(jì)算出苗率。株高：于7月份在每小區(qū)中間行選擇相連的10株，測定株高并做標(biāo)記，于10月收獲期再次測量其株高。成熟期地上部干物質(zhì)積累量：玉米成熟后，每小區(qū)選擇3株代表性植株，分莖+葉鞘、葉、苞葉、穗軸、籽粒五部分，105℃殺青30 min后70℃烘干至恒重，測定各部位干物質(zhì)量?？挤N和產(chǎn)量：收獲期，在小區(qū)中間行連續(xù)取15株玉米進(jìn)行考種，測其穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粗、禿頂長、穗長、百粒重，根據(jù)穗粒數(shù)、公頃穗數(shù)及百粒重計(jì)算玉米產(chǎn)量。

土壤含水量：玉米收獲期按照S型取樣法將0～20 cm耕層土樣放入鋁盒，稱重后于105℃烘箱烘至恒重，根據(jù)干鮮土重計(jì)算土壤含水量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， SPSS 20軟件One-way ANOVA和LSD法檢驗(yàn)各處理間差異，用SigmaPlot 10.0軟件制圖，圖表中各處理數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同有機(jī)堆肥處理對玉米出苗率和株高的影響

由圖2A可以看出，牛糞常規(guī)堆肥(MC)和蚯蚓-牛糞堆肥(VC)不同施入量對旱作玉米出苗率影響不同，表現(xiàn)為VC3>VC2>VC1>CK>MC2>MC1>MC3。與不施肥(CK)相比，牛糞常規(guī)堆肥各處理出苗率降低14%～37%，蚯蚓-牛糞堆肥各處理增加0.69%～2.76%。MC3(270 t/hm2)玉米出苗率顯著低于其他處理，而與其同等施肥量的VC3出苗率最高，高于前者64%。

由圖2B看出，玉米生長前期MC3株高顯著低于其他施肥處理，MC1和MC2顯著低于VC2和VC3處理；與CK相比，MC1和MC2株高分別提高2.06%和1.75%，MC3株高降低10%，但與CK差異均未達(dá)顯著水平；VC1、VC2和VC3分別比CK高11%、15%和14%，且VC2和VC3與CK差異顯著。收獲期MC1和MC2株高顯著高于CK，其他處理間差異不顯著。

相同時(shí)期柱上字母不同表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.2 不同有機(jī)堆肥處理對玉米穗部性狀的影響

由圖3可見，牛糞常規(guī)堆肥處理均提高玉米穗長和穗重，MC1、MC2和MC3穗長分別比CK高6%、13%和15%，穗重分別比CK顯著增加31%、46%和48%。與CK相比，VC3顯著增加穗粗和穗行數(shù)，分別增6%和11%。牛糞常規(guī)堆肥和蚯蚓-牛糞堆肥處理均顯著降低玉米禿尖長，MC處理比CK降低37%～39%，各施肥梯度差異不顯著；蚯蚓-牛糞堆肥處理比CK降低29%～61%，隨著施肥量的增加，禿尖長逐漸縮短，VC3降幅最大。行粒數(shù)處理間無顯著差異，但各施肥處理均高于CK，同等施肥量情況下，牛糞常規(guī)堆肥處理行粒數(shù)高于蚯蚓-牛糞堆肥處理，隨著施肥量增加行粒數(shù)總體呈上升趨勢。

柱上不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.3 不同有機(jī)堆肥處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

由表2可見，施肥增加玉米百粒重，MC1、MC2、MC3處理分別比CK提高8%、15%和20%；蚯蚓-牛糞堆肥各處理百粒重均高于CK，VC1、VC2與CK差異不顯著，但VC3與CK差異顯著。蚯蚓-牛糞堆肥各處理公頃穗數(shù)均高于牛糞常規(guī)堆肥各處理和CK，并隨施肥量增加而增加，其中VC3公頃穗數(shù)比MC3處理高72%；與CK相比，牛糞常規(guī)堆肥各處理公頃穗數(shù)降低15%～39%。各施肥處理穗粒數(shù)均高于CK但差異不顯著。籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)為VC3>VC1>VC2>MC2>MC1>CK>MC3，其中VC1、VC2和VC3分別比CK增加18%、17%和35%；VC3與MC3、CK差異顯著， MC1和MC2分別比CK增加11%和13%，MC3降低19%。

表2 不同有機(jī)堆肥處理對玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響

2.4 不同有機(jī)堆肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

由圖4可知，除MC3外各施肥處理均明顯增加了地上部總干物質(zhì)量，MC3顯著低于其他各施肥處理；VC3顯著高于CK、MC1和MC3，分別高34%、23%和98%。各處理干物質(zhì)量表現(xiàn)為VC3>VC2 >VC1>MC2>MC1>CK>MC3。與CK相比，MC1和MC2干物質(zhì)量分別提高8%和10%，MC3降低17%，VC1、VC2和VC3分別增加11%、18%和34%，MC1和MC2增幅較低且兩者間差值較小，蚯蚓-牛糞堆肥各梯度處理增幅較大且處理間差值較大。VC1、VC2、MC1、MC2各處理間無顯著差異，但同等施肥量情況下，蚯蚓-牛糞堆肥處理高于牛糞常規(guī)堆肥處理，且隨施肥量增加干物質(zhì)量也呈上升趨勢。通過對各處理莖、葉、苞葉、穗軸和籽粒五部分干物質(zhì)分配比例進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，無論是施肥處理還是CK，各部位干物質(zhì)組分占干物質(zhì)總量的比例處理間無顯著差異。

2.5 不同有機(jī)堆肥處理對土壤含水量的影響

由圖5可見，收獲期各施肥處理0～20 cm土壤含水量比CK 高2%～12%，其中VC3含水量最高，說明添加大量蚯蚓-牛糞堆肥能維持一定的蓄水能力。各處理0～20 cm 土層含水量表現(xiàn)為VC3>MC3>VC2>VC1>MC2>MC1>CK，即隨著施肥量的增加土壤含水量也增加，但差異均未達(dá)顯著水平。同等施肥量條件下，蚯蚓-牛糞堆肥處理土壤含水量高于常規(guī)牛糞堆肥處理。

圖4 不同有機(jī)堆肥處理對玉米地上部干物質(zhì)積累的影響

圖5 不同有機(jī)堆肥處理對玉米收獲期 0～20 cm土壤含水量的影響

3 討論與結(jié)論

水分和養(yǎng)分是黃土高原地區(qū)旱作農(nóng)業(yè)發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵限制因子，科學(xué)解決土壤水分與養(yǎng)分短缺問題對于黃土高原旱作農(nóng)業(yè)有重要意義。全球氣候變化正在進(jìn)一步加劇黃土高原地區(qū)春季干旱發(fā)生頻率[32]，對該地區(qū)糧食產(chǎn)量威脅越來越大[33]。旱作條件下，施用化肥會進(jìn)一步加劇干旱脅迫，增加旱作玉米減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，而有機(jī)肥作為一種緩釋性肥料對作物穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)具有一定優(yōu)勢。大量研究表明，添加低量有機(jī)肥可以改善玉米百粒重、禿尖長度、穗長、穗重、穗粗、穗行數(shù)和穗粒數(shù)等性狀，提高產(chǎn)量[34，35]。2019年試驗(yàn)地所在地區(qū)干旱較為嚴(yán)重，5—10月份總降雨量僅為325.5 mm，當(dāng)?shù)赜衩灼骄a(chǎn)量為2 846 kg/hm2，較2018年(5 869 kg /hm2)降低51.5%[36]。本試驗(yàn)各處理較當(dāng)?shù)仄骄a(chǎn)量增加77%～194%(表2)，其中VC3產(chǎn)量最高，MC3最低。原因是有機(jī)肥能夠有效調(diào)節(jié)土壤水分和養(yǎng)分，增加土壤含水量，提高供水能力[37，38]；提高土壤有機(jī)碳含量，增加土壤中N、P、K養(yǎng)分和其它作物生長所需要的微量元素[39，40]。說明在黃土高原旱作農(nóng)區(qū)，可一次性超高量施入有機(jī)肥，既增加了土壤養(yǎng)分，又增加了土壤蓄水能力，有利于截獲更多的天然降水，從而提高作物產(chǎn)量。

雖然施用常規(guī)牛糞堆肥能夠改善玉米植株生長性狀，提高籽粒產(chǎn)量，但在一定用量范圍內(nèi)效果顯著，超過該用量會造成不利影響。本研究表明，當(dāng)施入常規(guī)堆漚牛糞270 t/hm2(MC3)時(shí)，玉米出苗率、公頃穗數(shù)、籽粒產(chǎn)量和地上部干物質(zhì)量均明顯低于未施肥處理(表2、圖4)。其原因是施肥量過大，加之播種期干旱、無降雨，導(dǎo)致土壤墑情差，影響了玉米出苗。當(dāng)出苗率降低10%～15%時(shí)，作物產(chǎn)量顯著降低[41-44]。而MC1(90 t/hm2)和MC2(135 t/hm2)除出苗率外其他各項(xiàng)指標(biāo)和籽粒產(chǎn)量均高于CK，表明在黃土高原有機(jī)旱作玉米田，一次性施入常規(guī)牛糞堆肥的量可提高到135 t/hm2。

牛糞經(jīng)過蚯蚓處理后，施肥量達(dá)到270 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量最高(表2)，并且出苗率、禿尖長度、穗粗、穗行數(shù)等性狀都得到改善。原因?yàn)榕＜S經(jīng)過蚯蚓處理后質(zhì)地均勻，具有良好的孔隙性、通氣性和保水性[27-29]，且含有豐富的有機(jī)質(zhì)、腐殖質(zhì)、氮磷鉀和鐵、錳、硼等多種微量元素[30，31]，富含植物生長激素和酶類物質(zhì)，以及微生物活性強(qiáng)[26]，提高旱作玉米出苗率，從而保證產(chǎn)量。VC1(90 t/hm2)和VC2(135 t/hm2)產(chǎn)量也明顯高于CK和MC所有處理，這與Blouin等[45]研究運(yùn)用Meta分析得出的以牛糞為原料的蚯蚓堆肥增加作物產(chǎn)量的結(jié)論一致。本研究結(jié)果表明，牛糞經(jīng)過蚯蚓堆肥處理后在黃土高原有機(jī)旱作玉米田的一次性施肥量可以增加至270 t/hm2。

綜上所述，在黃土高原旱作農(nóng)業(yè)地區(qū)一次性施肥量，傳統(tǒng)堆漚牛糞可增加至135 t/hm2，蚯蚓-牛糞堆肥可增加到270 t/hm2。但超高量施肥后肥效持續(xù)時(shí)間、對土壤污染風(fēng)險(xiǎn)以及種植成本等問題還有待進(jìn)一步研究。