堆肥替代化肥對玉米產量和水分利用效率的影響

范 銘，李 強，張 丹，晉小軍，曹愛農

(1.甘肅農業大學農學院 甘肅省中藥材規范化生產技術創新重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070)

堆肥替代化肥對玉米產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1

(1.甘肅農業大學農學院 甘肅省中藥材規范化生產技術創新重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學草業學院， 甘肅 蘭州 730070)

本試驗研究了河西綠洲灌區在堆肥施用量為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年玉米經濟產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，傳統化肥減量30%時，玉米的增產和節水效果最佳，為河西綠洲灌區堆肥替代化肥的最佳施用量。

堆肥；替代化肥；玉米；產量；WUE；河西綠洲灌區

在我國及世界范圍內，受消費觀念和生活方式的影響，農作物秸稈資源完全處于高消耗、高污染、低產出狀況[1]，在河西綠洲灌區，農田資源循環利用的鏈接十分薄弱，同時，秸稈大量焚燒給生態環境保護帶來了巨大壓力[2]。研究發現，堆肥是實現作物秸稈和畜禽糞便向農田生態系統循環的關鍵，堆肥即將作物秸稈和畜禽糞便科學合理組配，經好氧高溫發酵，生產高質量的有機肥，不僅為農業生產提供優質肥料，并且實現了農業廢棄物資源化循環利用，改善農村生產及生活環境，同時，替代化石能量投入，降低農業生產成本，提高作物產量，對河西綠洲灌區可持續農業發展具有重大意義[3-4]。

國內外的一些研究表明，堆肥能夠改善土壤理化性質，提高作物的產量。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量，提高冬麥草的產量。Eghball等[6]研究發現，施用堆肥能夠提高植物可利用氮和磷的水平，長期施用能產生延續效應，提高玉米的生物產量。Chaoui等[7]研究認為，堆肥能夠增加土壤中微生物種群數量，提高土壤養分有效性。堆肥由于原料、施用作物品種和氣候條件等因素的差異，表現出不同的增產效果。

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量和水分利用效率的影響，實現作物秸稈循環利用，改善土壤理化性質，為西北內陸綠洲可持續農業發展提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2013—2015年3—10月在甘肅省武威市涼州區黃羊鎮甘肅農業大學武威試驗站進行，該區平均海拔1 531 m，依賴石羊河水和地下水灌溉，降水少，蒸發強烈，氣候干燥。多年平均降水量160 mm，年潛在蒸發量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2 945 h。土壤以荒漠灌淤土為主，粉沙壤質，土層深厚，田間持水量為21.5%，試驗區0～20 cm土層土壤全氮、全磷、全鉀和有機質平均含量為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，堆肥原材料為當地玉米秸稈、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，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。試驗采用隨機區組設計，重復3次，地膜覆蓋滴灌栽培。小區長6 m，寬5 m，面積30 m2。主區之間走道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 玉米產量和產量構成要素的測定 收獲時按小區計產，每小區取樣20株進行考種，詳細測定玉米產量構成要素，如穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿頂長、千粒重等，計算生物產量、秸稈產量；每小區取樣40株進行測產，計算出籽率、經濟產量等。

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量含水量。

玉米生育期耗水量和水分利用效率根據以下公式計算：

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

1.5 數據統計分析

試驗數據采用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量構成要素的影響

玉米產量構成要素對研究玉米產量方面具有重要意義。將三年玉米產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、穗行粒數和千粒重等均有影響。

表2 堆肥替代化肥對玉米產量的影響

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。

穗行粒數的多少對玉米產量具有決定性作用。由表2可知，處理T3三年平均穗行數顯著高于處理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。

千粒重是體現種子大小與飽滿程度的一項指標，也是田間預測產量時的重要依據。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量的影響

產量是衡量農業生產最基本，也是最直接的指標之一，高產和優質是現在農業發展最終目標。由表2可知，施用堆肥顯著的提高了玉米經濟產量，除處理R1和R4之外，其他處理三年平均經濟產量，均顯著高于對照。施堆肥60 000kg·hm-2水平下，處理T1、T2、T3、T4經濟產量分別較對照提高21%、24%、29%和12%，施堆肥30 000kg·hm-2水平下，處理R1、R2、R3、R4經濟產量分別較對照提高10%、17%、22%和8%，不同處理玉米籽粒產量的排列順序為：T3>T2>R3>T1>R2>T4>R1>R4>CK。

作物產量是光合產物的積累和分配，因堆肥是由大量生物物質、植物殘體和排泄物緩效物質腐熟而成，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分，能夠改良土壤、培肥地力，同時，堆肥中有機質分解產生的有機酸促進土壤和化肥礦質養分的溶解，促進作物生長，提高作物產量。雖然施用堆肥對產量構成各要素收效甚微，但綜合之后，對玉米增產顯著。

2.3 堆肥替代化肥對玉米水分利用效率的影響

WUE是作物實際生物產量與田間耗水量的比值，提高作物生物產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(保水性、保肥性、緩沖力、通氣狀況)[8-9]，提高土壤可利用養分(土壤有機質、全N、堿解氮、有效磷、速效鉀)含量[10]，增加土壤微生物的數量和種類[11]，提高碳源和氮源的有效性，利于土壤養分的轉化和釋放，促進作物根系生長及對礦物質元素的吸收[12]，從而提高作物產量。李宗新等[13]研究發現，雞糞堆肥配施化肥可以顯著地提高玉米生物產量，增產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量達最大值(16 609.02 kg·hm-2)，較對照提高29%。由于堆肥具有養分全面、肥效緩釋的特點，通過肥料養分釋放時間的調控而更能滿足玉米的營養需要并提高肥料養分利用率，同時，研究發現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%。本試驗研究發現，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，增加有機質含量，提高玉米產量和水分利用效率，即有機肥和化學肥料配合施用(堆肥施用量60 000 kg·hm-2，傳統化肥用量減少30%)，是提高河西綠洲灌區玉米產量和水分利用效率的一條有效途徑，為農業施肥理論提供支撐。

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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，研究方向為干旱農業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，主要從事干旱農業與藥用植物資源與利用研究。 E-mail:jingxj@gsau.edu.cn。

S152.7

A