有機肥替代化肥對土壤養分動態及甜玉米生產的影響

王 琛，林啟美，趙小蓉，李貴桐

（中國農業大學土地科學與技術學院，農業農村部華北耕地保育實驗室，北京 100193）

甜玉米（Zea maysL．varR ugosa）為玉米屬的一個品種，是一種糧、菜、果兼用的食品，因胚乳中糖轉化為淀粉的基因隱性突變而導致糖分的積累，籽粒具有甜、粘、嫩和濃郁香味的特點，深受人們的喜愛。2012 年全球甜玉米種植面積1.126×106hm2，鮮果穗產量9.764×106t，平均產量每公頃8.7 t［1］。美國、墨西哥、尼日利亞、印度尼西亞、匈牙利、南非和秘魯是甜玉米的主要生產國［2］，我國甜玉米產地主要分布在廣東、廣西、江西、福建等南方省區［3-4］，大城市郊區因經濟效益好也有較多種植。

目前關于甜玉米的研究主要集中在品種選育和栽培技術方面［5-10］，關于施肥技術和土壤養分調控對甜玉米產量和品質的研究也有報道，但主要集中在化肥用量和品種搭配方面［11-18］，涉及有機肥無機肥配施及土壤養分轉化和微生物活性的報道較少，主要是關于甜玉米產量和品質［19-24］，而關注土壤養分供應動態，特別是氮（N）素，與土壤微生物量、植株N 吸收、籽粒品質和莖葉的飼料品質的報道尚少。

甜玉米生育期短，對養分需求強度大，品質也深受土壤養分供應的影響。這種情況下，有機肥與化肥配施能否滿足甜玉米高強度的養分需求？土壤養分供應狀況是否影響甜玉米的產量與品質？甜玉米莖葉能否符合青儲飼料的品質要求？ 都關系到有機肥替代化肥工作的順利展開。為此，本研究旨在揭示常規生產條件下有機肥替代化肥對土壤養分供應和甜玉米產量與品質的影響，分析甜玉米生物量作為青儲飼料的可行性，重點討論有機肥替代對甜玉米N 吸收的影響，以期為指導甜玉米生產中高效實施有機肥替代提供實驗依據。

1 材料與方法

1.1 試驗基本情況

試驗地點設在北京市順義區李遂鎮葛代子村（40.106°N，116.749°E）。試驗地氣候條件、土壤基本性質和供試肥料情況見相關研究［25］，簡要概述為:試驗地處暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，年均降水量625 mm 且集中在7 ～8 月份；試驗地土壤為沖積潮土，連續多年種植冬小麥和青儲玉米，0 ～35 cm 為輕壤土；0 ～20 cm 表層土壤有機質含量18.4 g/kg，全氮含量1.06 g/kg，試驗前無機氮（NH4+-N 和NO3--N）16.84 mg/kg，有效磷28.66 mg/kg，速效鉀76.85 mg/kg；供試有機肥是以新鮮牛糞為原料經好氧堆肥而制成的商品有機肥，其基本性質為:有機質含量62%，全氮2.32%，全磷（P2O5）含量1.05%，全鉀（K2O）含量2.07%，含水量27%。供試化肥為NPK 三元復合肥，N、P2O5和K2O 含量均為15%。

1.2 田間試驗

供試甜玉米品種為美珍204，于2017 年6 月22 日播種，播種量為45 kg/hm2，采取機械化精量播種，株距20 cm，行距60 cm，種植密度為82 500株/hm2。田間管理按當地常規農事操作進行，生長期間無灌溉和植保措施。2017 年9 月6 日收獲，生育期76 d。

試驗按等N 量（210 kg/hm2）計算有機肥和化肥用量，施N 量主要依據前人在相同地域（北京市順義區）青貯玉米生產體系中的N 肥推薦用量180 kg/hm2［26］并結合供試土壤有機質含量確定。P、K 沒有推薦量，只有當地常規施肥量。6 月21日將各小區所用肥料充分混合均勻，人工均勻撒在地表，隨后利用機械旋耕到10 cm 土層，保證肥料均勻分布。試驗共設4 個處理，即:①100%化肥（代號N10:N、P2O5和K2O 施用量均為210 kg/hm2）；②70%化肥N + 30%有機肥N（代號N7:N、P2O5和K2O 施用量分別為210、175.51 和203.21 kg/hm2）；③40%化肥N + 60%有機肥N（代號N4:N、P2O5和K2O 施用量分別為210、141.03和196.42 kg/hm2）；④100%有機肥N（代號N0:N、P2O5和K2O 施用量分別為210、95.04 和187.37 kg/hm2）。每個處理設置3 個小區重復，每個小區南北長12 m，東西寬9.6 m（為玉米播種機的4 個播幅，方便機械化播種），小區面積115 m2。12 個小區按隨機區組方式分布。為方便機械化播種，小區間無地面土埂間隔。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤

分別于8 月9 日（大喇叭口期）和9 月6 日（成熟期）采集0 ～20 cm 土壤，測定土壤含水量、無機N（NH4+-N 和NO3--N）、有效P、速效K 和土壤微生物量C、N，各指標測定方法同文獻［25］。

1.3.2 植株

分別于8 月9 日（大喇叭口期）和9 月6 日（成熟期）采集植株樣品，測定株高、葉綠素SPAD值、旗葉N 含量、莖葉干物質量和N、P、K 含量，各指標的測定方法見文獻［25］。成熟期（9 月6日）的葉片和莖稈樣品測定粗蛋白質含量，中性及酸性洗滌纖維含量和淀粉含量:粗蛋白質含量采用GB/T 6432 方法測定，中性洗滌纖維含量采用GB/T 20806 方法測定，酸性洗滌纖維含量采用NY/T 1459 方法測定，淀粉含量采用GB/T 20194 方法測定。

各測定指標的取樣方法為:①SPAD 值，每小區隨機選取30 個旗葉，在每個旗葉中部測定SPAD值；②旗葉N 含量，每小區收集5 個正常旗葉，形成1 個混合樣品；③株高、莖葉干物質量和N、P、K 含量，8 月9 日在每小區選取5 株長勢一致的植株，分別收集葉片和莖稈，形成葉片混合樣品和莖稈混合樣品。9 月6 日在每小區中部取2 m 雙行中的植株，分別收集葉片和莖稈，形成葉片混合樣品和莖稈混合樣品。

1.3.3 籽粒品質

將9 月6 日收獲的甜玉米果穗樣品測定鮮重，得到甜玉米果穗產量；每個小區隨機抽取6 個果穗，分別稱重，分別取下籽粒稱重，按出籽率=籽粒鮮重/果穗鮮重×100%得到出籽率；從上述6個果穗得到的籽粒中隨機分為6 組，數出100 粒，稱重得到籽粒的百粒重；從上述6 個果穗得到的籽粒中隨機抽取200 粒，組成1 個混合樣品，測定N含量（微量凱氏法）、皮渣率（NY/T 524-2002 方法）、粗蛋白質含量（GB/T 6432 方法）和糖含量（GB/T 6194 方法）。

1.4 指標計算與數據處理

葉片或莖稈N（P，K）回收量（kg/hm2）=葉片或莖稈N（P，K）含量（kg/kg）×葉片或莖稈干物質量（kg/hm2）；

葉片比或莖稈比=葉片鮮重或莖稈鮮重（kg/hm2）/（葉片鮮重+莖稈鮮重）（kg/hm2）。

SPAD 值每次每小區30 個測定值，經檢驗均符合正態分布，故其平均值采用算術平均值計算得到；其它指標測定均為小樣本重復測定（n=3 或n=6），平均值均采用算術平均值得到；各處理間差異的顯著性檢驗方法采用方差分析中的LSD 檢驗法，應用SPSS 13.0 軟件處理數據。

2 結果與分析

2.1 土壤養分

甜玉米生長期間土壤養分的動態變化情況如圖1 所示。對于土壤無機N 而言（圖1a），在大喇叭口期（8 月9 日），純化肥（N10）和30%有機肥替代（N7）處理達到50 mg/kg，顯著高于60%有機肥替代（N4）和100%有機肥替代（N0）處理的20 mg/kg，表明此時化肥中的N 素發揮了重要的供氮作用，而有機肥中的N 沒有轉化為土壤無機N或發生了無機N 的微生物固持；到了收獲期（9 月6 日），所有處理的土壤無機N 水平均十分接近，在20 ～26 mg/kg 之間，表明在70 余天后有機肥中的N 已經轉化為土壤無機N，有機肥替代比例已經不再影響土壤無機N 水平。60%～100%有機肥替代（N4 和N0 處理）時，表層土壤無機N 水平始終穩定在20 mg/kg 左右。

在甜玉米生長期間，不同有機肥替代處理間土壤有效P、速效K 的動態變化趨勢相似，隨著生育期的延長而逐漸提高（圖1b、c）。土壤有效P 由最初的29 mg/kg 提高到90 mg/kg 左右。在大喇叭口期（8 月9 日），30%有機肥替代處理（N7）的土壤速效鉀水平顯著高于其它處理，甚至高于純化肥處理（N10），說明30%有機肥替代可以明顯提高吸肥高峰期土壤K 的供應水平。

圖1 表層（0 ～20 cm）土壤養分狀況的動態變化

有機肥替代比例顯著影響土壤微生物量C、N的動態變化（圖1d、e）。從整個甜玉米生長期而言，有機肥替代比例越高，土壤微生物C、N 水平越高，尤其是在生長中期（8 月9 日），土壤微生物量C 依次為330 mg/kg（N0）、225 mg/kg（N4）、192 mg/kg（N7）和157 mg/kg（N10），有機肥的加入顯著提高了土壤微生物量C；而到了收獲期（9 月6 日），高比例替代處理（N4 和N0）微生物量C 含量近似，在241 ～275 mg/kg 范圍，比低替代比例（N7 和N10）高出約50%，表明大量有機肥可以在較長時間內（76 d）維持較高的土壤微生物量C。對于微生物量N 而言，在8 月9 日時100%化肥處理（N10）最低，為46.5 mg/kg，而100%有機肥替代（N0）含量最高，達到70.7 mg/kg，比N10 處理高52%；而到了9 月6 日，不同處理間的差異不顯著，在52 ～56 mg/kg 之間，表明有機肥施用不能維持較高水平的土壤微生物量N。分析微生物量C/N 發現（圖1f）:中、高替代比例處理（N4 和N0）的變化趨勢較為一致，整個生育期內一直維持在4.5 ～5.0之間；無替代（N10）和低比例替代（N7）變化較為一致，整個生育期內從4.6 左右下降到3.6左右。

圖2 甜玉米生長情況

2.2 植株生長

生育期內甜玉米的生長情況如圖2 所示:在拔節期（8 月9 日），100%化肥處理（N10）的玉米株高顯著大于其他有機肥替代化肥處理，表明化肥的速效作用明顯；收獲時玉米株高在1.78 ～1.84 m之間，有機肥替代化肥對最終株高無顯著影響（圖2a）。所有處理玉米的葉綠素SPAD 值都是隨生育期逐漸增高，但從兩個時期來看，100%有機肥處理由8 月9 日的均值50.1 增加到9 月6 日的均值52.6，顯著高于其他處理，故全量有機肥替代化肥顯著提高了SPAD 值，尤其是生育后期的SPAD 值（圖2b）。

甜玉米鮮生物量增長迅速，由8 月9 日的1.80 ～2.14 kg/m2增 加 到9 月6 日 的2.83 ～3.21 kg/m2，日均增量約0.037 kg/m2，但有機肥替代比例對甜玉米鮮生物量無顯著影響（圖2c）。對于甜玉米旗葉含N 量（圖2d），在大喇叭口期（8 月9日），高比例替代處理（N4 和N0）的含N 量顯著高于低比例替代（N10 和N7）；同樣，在收獲期（9 月6 日），100%有機肥替代處理（N0）的旗葉含N 量最高。因此，在甜玉米生長期內，有機肥替代化肥可提高旗葉含N 量，且替代比例越大，效果越顯著。

甜玉米整株葉片含N 量與旗葉含N 量不同（圖2e），在大喇叭口期（8 月9 日），有機肥替代化肥的各處理（N0、N4 和N7）整株葉片含N 量顯著低于純化肥處理（N10），而在收獲期（9 月6 日），有機肥替代顯著提高了葉片含N 量。對于莖稈含N 量而言（圖2f），在大喇叭口期（8 月9日），各處理間差異不顯著，而到了收獲期（9 月6 日），同樣是高比例有機肥替代（N0 和N4）顯著提高了莖稈含N 量。因此，在甜玉米生長期內，有機肥替代化肥可提高收獲期葉片和莖稈的含N量，且替代比例越大，效果越顯著。

2.3 果穗品質

對于甜玉米來說，果穗產量和品質是衡量甜玉米種植價值最重要的指標。本研究中，主要通過果穗產量、百粒重、出籽率、皮渣率、蛋白質含量、糖含量等指標來衡量甜玉米果穗的品質。

從表1 中可知，對于甜玉米的果穗產量來說，30%有機肥替代比例處理（N7）的產量顯著高于其他處理，產量達14 184 kg/hm2，比其它處理高6%～14%；對于甜玉米的鮮百粒重，發現純有機肥處理（N0）和純化肥處理（N10）比較接近，顯著高于30%和60%有機肥替代處理（N7 和N4），表明在百粒重方面，純有機肥與化肥的效果是接近的。

收獲時甜玉米出籽率在56%～59%之間，皮渣率在15%左右，有機肥替代對甜玉米出籽率和皮渣率均無顯著影響（表1）。分析甜玉米的蛋白質含量發現，N10 與N4 處理顯著高于其他兩個處理，而對于糖含量，N10 與N4 處理顯著低于其他兩個處理。從產量和含糖量指標看，30%有機肥替代的效果好于其他替代比例。

表1 甜玉米的產量與品質

2.4 甜玉米莖稈和葉片的產量與飼料品質

表2 所示為甜玉米收獲時其莖葉作為青儲飼料的品質狀況。整株中性洗滌纖維含量在38.9%～45.4%之間，酸性洗滌纖維含量在17.9%～22.3%之間，均達到GB/T 25882-2010 中一級品的標準，且隨著有機肥替代比例的增高而逐步降低，表明其可降解性增強。淀粉含量大于35%，也達到GB/T 25882-2010 中一級品的標準，但有機肥替代對淀粉含量無顯著影響。葉片含水率在72%～75%之間，莖稈含水率在79%～83%之間，不同有機肥替代處理之間差異不顯著。

從甜玉米葉片和莖稈產量看，60%有機肥替代的效果最好:葉片和莖稈產量分別達到5 945 和13 630 kg/hm2（表2），分別比純化肥（N10）和純有機肥（N0）處理提高7%、23%（葉片）和14%、23%（莖稈）。另外，從粗蛋白含量看，60%有機肥替代的效果也最好:葉片和莖稈中的粗蛋白含量分別達到358.1 和238.1 kg/hm2，分別比純化肥（N10）和純有機肥（N0）處理提高18%、11%（葉片）和49%、17%（莖稈）。因此，無論從青儲飼料的產量還是粗蛋白含量的角度看，60%有機肥替代的飼料生產效果最好。

在葉片中，高比例有機肥替代（N4 和N0）的N 回收量比低比例替代（N7 和N10）高18%～49%；對于P 而言，只要存在有機肥替代，葉片中P 的回收量就會高于純化肥處理，提高幅度在27%～41%；而對于K，有機肥替代沒有明確的效果（表2）。

在莖稈中，高比例有機肥替代（N4 和N0）的N 回收量比低比例替代（N7 和N10）高60%以上；對于P 而言，有機肥替代的效果不明確；對于K 而言，有機肥替代可以影響K 的數量和比例:60%有機肥替代（N4）K 的回收量可達42.4 kg/hm2，是純化肥處理（N10）的2.53 倍，而30%替代（N7）和純有機肥（N0）時莖稈中K 的回收量也高于純化肥處理（N10），增加量達26%～37%（表2）。

表2 甜玉米莖稈和葉片的產量與飼料品質

2.5 養分回收率

在等N 量替代的情況下，不同處理中P、K 的投入量不同（表3）。對于P 投入而言，100%化肥（N10）處理的P 投入量達92 kg/hm2，是100%有機肥（N0）處理的2.2 倍。在此情況下，各處理P的收支比在0.38 ～1.06 之間，以100%有機肥替代（N0）最高，以100%化肥（N10）最低。對于K 而言，因有機肥中K 的含量較高，因此有機肥替代導致K 的投入差異較?。ū?），K 的收支比在0.37 ～0.55 之間，N4 處理最高，說明60%有機肥與40%化肥配施可提高K 素的吸收。另外，N 素的收支比在0.66 ～0.84 之間，不同處理間的差異為0.18，以30%有機肥替代（N7）最低，以60%有機肥替代（N4）最高，說明30%有機肥替代不利于N 的回收，而60%有機肥替代更利于甜玉米對N 的吸收。

表3 有機肥替代化肥中甜玉米養分回收率

3 討論

3.1 有機肥替代化肥的氮素供應效果

甜玉米生育期一般只有60～80 d，收獲時正處于灌漿期，養分需求旺盛，因此整個生育期對土壤養分的需求都是旺盛的，要求土壤養分實現短期內大強度供應。本研究中，結合葉、莖、果穗的產量及含N 量（表1、2），經計算表明，在76 d 的生育期內，甜玉米的日均吸N 量在1.83 ～2.33 kg/hm2范圍內，略低于在印度尼西亞研究中的2.07 ～2.35 kg/hm2［27］，但顯著高于我國廣東省研究中的1.33 ～1.86 kg/hm2［17］和1.18 ～1.82 kg/hm2［16］。從有機肥替代角度看，日均吸N 量從大到小為60%替代（2.33 kg/hm2）、無替代（2.06 kg/hm2）、100%替 代（1.98 kg/hm2） 和30%替 代（1.83 kg/hm2），而這個順序既與果穗產量大小順序（表1）不同，也與葉片和莖稈生物量大小順序（表2）不同，說明有機肥替代除了影響土壤中N 素的吸收，還引起了其它效應，比如提高了生育后期旗葉（圖2d）和整株葉片（圖2e）中N 含量，進而促進了玉米的光合作用和后期植株N 的積累。

有機肥替代化肥對于生育期只有76 d 的甜玉米生長而言，可以顯著影響生育中期（以大喇叭口期前后為主）的土壤無機N 水平（圖1a），但這種N供應水平的提高并沒有反映在株高（圖2a）、鮮生物量（圖2c）、整株葉片N 含量（圖2e）和莖稈N 含量（圖2f）方面，卻顯著地反映在葉片葉綠素SPAD 值（圖2b）和旗葉N 含量（圖2d）上。到了中后期（8 月9 日至9 月6 日），甜玉米地上部對N 的吸收產生了差異:純有機肥（N0）和30%有機肥替代（N7）處理只吸收了49.0 kg/hm2（分別占全生育期吸N 量的32%和37%），而純化肥處理（N10）吸收了58.4 kg/hm2（占全生育期吸N 量的35%），60%有機肥替代（N4）處理則吸收了73.2 kg/hm2（占全生育期吸N 量的41%），表明施用純有機肥和30%有機肥替代不利于后期N 的吸收，只有高替代比例才能提高甜玉米后期對N 的吸收。

3.2 有機肥替代化肥的品質效果

有機肥替代化肥可以提高甜玉米的含糖量，但替代比例的影響不顯著，蛋白質含量還有降低的趨勢（表1），這與人們的期望不相符［19，21，23］，主要原因可能在于甜玉米的生育期過短，有機肥尚未發揮出其供肥期長而穩定的優勢。與華北地區甜玉米生產相比，本研究中的含糖量較低，皮渣率較高［6］，這主要與甜玉米的品種有關。當然，也有研究指出，雖然甜玉米的籽粒產量隨施N 量減少而降低，但籽粒糖含量與施N 量的關系不大［16］。

3.3 有機肥替代化肥的飼料效果

收獲甜玉米的果穗后，其新鮮莖葉數量大，是優質的青儲飼料和工業原料［5］。本研究中，30%和60%有機肥替代處理的中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和淀粉含量（表2）均優于國標GB/T 25880-2010 中規定的一級青儲玉米標準，表明在本試驗條件下甜玉米生產中的莖稈可以作為優良的青儲物料，這無疑增加了甜玉米生產的經濟效益。

與青儲玉米類似，甜玉米葉片中碳水化合物含量越高，飼料價值大，青儲專用玉米品種的葉片比一般在0.2 左右［28］，而本研究中4 個處理的葉片比在0.30 ～0.34 之間（表2），說明本研究中的甜玉米莖稈是優質的青儲飼料。

施用N 肥可以提高甜玉米的莖稈生物量［12-13］。本研究中，60%有機肥替代時葉片中粗蛋白含量達到358.1 kg/hm2（表2），比其它處理提高了12%～34%，這種有機無機配合的效果與前人的研究結果相當［29］。另外，提高土壤有效N 含量可以降低玉米植株中酸性和中性洗滌纖維含量［30-31］，這與本研究的結果相符:隨著有機肥替代比例的提高，土壤N 素的有效性依次降低，進而酸性和中性洗滌纖維含量均分別依次降低（表2）。

3.4 養分回收率

考慮到甜玉米的實際生產情況，本研究未設置不施肥處理，故無法計算不同有機肥替代方案的肥料利用率。本研究表明，在施N 量210 kg/hm2情況下，所有4 個施肥處理，無論有機肥替代與否，甜玉米帶走的N 量均小于投入量，幅度在16%～34%（表3），說明以這樣的施N 量生產甜玉米是可持續的，N 素投入可能過高。P、K 的情況也類似，除100%有機肥處理每年會造成6%的P 素虧缺外，其余3 個處理甜玉米帶走的P 量均小于投入量，盈余幅度在35%～63%，K 素則各處理盈余率在45%～63%之間（表3），說明用這些比例的有機肥替代生產甜玉米時土壤養分可以得到很好的累積。

通過文獻比較發現，甜玉米養分回收率的研究較少，但在青儲玉米中普遍存在N、P、K 的虧缺。比如，在施肥量近似（N、P、K 分別為215、45、147 kg/hm2）、化肥與豬糞肥配施、干物質產量近似（23 000 kg/hm2）的研究中，N、P、K 的回收量分別為308、57 和279 kg/hm2，回收率分別為1.43、1.30 和1.60［32］，N、P、K 回收率均高于本研究；原因可能在于青儲玉米的生長期在100 d 左右，比甜玉米生長期增加了20 d，因此易造成土壤N、P、K 的虧缺。然而，在國內青儲玉米的研究中，尚未見N、P、K 虧缺的報道。因此在本研究各處理施肥量（尤其是N7 處理）種植甜玉米可以很好地提高土壤N、P、K 養分含量，達到可持續生產的目標。

4 結論

在北京郊區等量施氮210 kg/hm2生產甜玉米條件下，60%有機肥替代可顯著降低大喇叭口期表層土壤的無機氮水平，顯著提高收獲期土壤微生物量碳和C/N、整株葉片和旗葉含氮量以及甜玉米生物量和粗蛋白產量；30%有機肥替代可顯著提高甜玉米果穗產量；有機肥替代對甜玉米果穗品質無顯著影響，對土壤供氮過程有深刻影響。因此，應用和發展土壤N 素的礦化-固持-周轉理論，深入理解有機肥替代化肥對短期內土壤N 素供應過程的影響，尚需要進一步研究。

致謝：對北京榮萍種植專業合作社、北京金鑫現代農業發展有限公司和北京奧格尼克生物技術有限公司在本研究中的大力支持表示衷心感謝。