基于有機肥和菌肥的玉米減肥增效研究

楊清夏, 李歡, 龍光強, 2, 趙平, 2,*, 吳開賢, 何澍然

基于有機肥和菌肥的玉米減肥增效研究

楊清夏1, 2, 3, 李歡1, 龍光強1, 2, 趙平1, 2,*, 吳開賢4, 何澍然1

1. 云南農業大學資源與環境學院, 云南昆明 650201 2. 農業農村部云南耕地保育科學觀測實驗站, 云南昆明 650201 3. 宜賓市屏山縣農業農村局，四川宜賓 645350 4. 云南農業大學農學與生物技術學院, 云南昆明 650201

有機肥和菌肥配施可改善土壤供肥能力, 有望在玉米化肥減量和增效中發揮重要作用。通過田間小區試驗, 在常規施肥和氮磷鉀同時減量20%的基礎上, 分別配施有機肥和菌肥, 測定玉米產量、養分吸收分配與利用, 結合土壤養分動態, 評價有機肥和菌肥在玉米減肥增效中的作用。結果表明, 與常規施肥相比, 化肥減量20%配施有機肥和菌肥的玉米產量可達到常規化肥水平, 且分別比化肥減量20%處理增產19.8%和26.6%, 玉米收獲指數提高32.7%和32.8%; 相比減量化肥, 配施有機肥和菌肥均提高了玉米凈收益和偏生產力, 并不同程度地增加玉米籽粒中氮、磷、鉀的分配比例, 且均達到了常規化肥處理的水平。在玉米三個生長期, 減量化肥配施有機肥和菌肥可較減量化肥不同程度提高土壤硝態氮、銨態氮和速效鉀含量, 增幅分別為21. 2%—26. 8%、1. 4%—20. 4%、7. 9%—25. 3% 。總體上, 化肥減量配施有機肥和菌肥可提高土壤速效養分供應, 增加玉米籽粒氮磷鉀分配比例, 提高玉米收獲指數, 實現氮磷鉀肥同時減量但不減產的目標, 可在云南等地作物的減肥增效中發揮重要作用。

玉米; 產量; 有機肥; 菌肥; 化肥減量; 養分吸收

0 前言

化肥在我國糧食安全方面有著重要的作用, 對我國糧食單產增長貢獻率高達55%—57%, 對總產增長貢獻率約為30%—31%[1]。但近年來, 我國化肥的施用量在逐漸增長, 2014年達到了5995. 9萬噸, 其中云南省達224. 99萬噸, 占全國化肥總施用量的3. 75%[2]。長期大量施用化肥, 導致土壤板結、鹽堿化、土壤肥力下降的同時降低了肥料利用率, 也對環境造成了很大的威脅[3-4]。因此, 2015年國家提出了化肥零增長戰略, 實現減肥增效已經成為我國農業發展的必然趨勢。因此, 迫切需要一種既有利于作物的高產穩產, 又可以減少化肥施用量、增加農民收益的施肥措施。

有機肥施用可降低土壤緊實度、改善土壤結構[5]、增加土壤有機質和提高土壤養分含量[6]。我國農業生產中肥料多以速效肥為主, 肥效快但肥料損失嚴重, 有機無機配施可協調養分供應與作物吸收的同步性, 促進養分高效利用, 是實現作物高產穩產的有效途徑[7]。有研究發現, 有機無機配施較單施化肥可減少玉米氮肥用量30%—50%, 并能有效維持產量[8]。菌肥又稱為微生物肥料, 因其成本低、增產作用明顯等特點成為部分替代化肥的重要選擇[9]; 菌肥可以保持各種營養元素的轉化、促進作物生長、減少土傳病害和環境污染[10]; 其含有的多種菌類還可以加快土壤微生物對有機質的分解, 從而提高作物產量[11], 菌肥與化肥配合施用時作物的產量增幅可達10%—26%,同時減少15%的氮磷鉀復合肥[12]。可見有機肥和菌肥都有很大的減肥增效潛力, 目前在玉米、小麥等作物上有較廣泛的研究和應用, 并取得很好的效果。

玉米是我國三大糧食作物之一, 占糧食作物播種面積和總產量的31. 5%和34. 9%[13]玉米在云南的種植面積約為151. 7萬hm2, 占全省糧食作物種植面積的21%[14]。提高和維持玉米產量對促進我國農業生產和保障糧食安全至關重要。玉米在整個生育期內需肥量大, 養分吸收時期長, 科學的施肥對玉米有很大的減肥增效潛力, 研究發現, 合理施用肥料在玉米增產的眾多因素中起28%—30%的作用[15]。本文通過研究化肥減量分別配施有機肥和生物菌肥對玉米產量、養分利用、土壤肥力、經濟效益的影響, 為探索玉米的減肥增效提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年5月—9月于昆明市尋甸縣仁德鎮云南農業大學現代農業教育實踐基地進行。試驗地處北緯23°32′、東經103°13′, 海拔1953.5 m, 亞熱帶季風氣候, 年降水量1040 mm, 集中分布在7—9月; 年平均氣溫14.7 ℃, 無霜期301天。土壤理化性狀pH 7.9、有機質12. 5 mg·kg-1、速效磷5.5 mg·kg-1、速效鉀162.6 mg·kg-1、硝態氮1.6 mg·kg-1、銨態氮0. 79 mg·kg-1、全氮1. 3 g·kg-1、全磷0. 17 g·kg-1、全鉀14. 2 g·kg-1。

1.2 試驗材料

有機肥(N+P2O5+K2O≥5%, 有機質≥45%)為天津國豐民裕農業科技有限公司公司生產。有機肥用量為1000 kg·hm-2, 種植(2018年5月5日)前一天撒施表面, 混入5 cm 表土層。

菌肥為匈牙利生產的土壤改良菌肥, 含單胞菌、弗雷德里克斯堡假單胞菌、草地阿格雷氏菌、類芽孢桿菌、乙酰微小桿菌、固氮螺菌和巴西固氮螺菌等, 質量分數為細菌(0. 8%), 基質(0.7%), 水(98. 5%)。菌肥用量為15 L·hm-2, 菌液稀釋200倍, 玉米種植前一天下午8點噴灑土表, 然后迅速翻動表層土壤, 澆水, 夜間下小雨充分淋溶至根層。

氮肥選用尿素(含N 46%), 分三次施入, 其中基肥40%, 小喇叭口期追肥25%, 大喇叭口期追肥35%。磷鉀肥分別選用過磷酸鈣(含P2O516%)和硫酸鉀(含K2O 52%), 全部做基肥穴施。氮、磷、鉀肥的施用量全部按照當地農民習慣進行施用, 肥料養分用量分別為N 250 kg·hm-2, P2O575 kg·hm-2, K2O 75 kg·hm-2。

1.3 試驗設計

試驗采取完全隨機設計, 共設置6個處理, 每個處理三次重復。試驗小區面積3.5 m×5 m＝17.5 m2, 小區周邊設1 m保護行, 種植玉米。玉米種植株距為0.25 m, 行距為0.5 m, 種植密度為80000株·hm-2。試驗的6個處理分別是常規化肥對照(NC)、常規化肥+菌肥(NB)、常規化肥+有機肥(NT)、減量化肥(氮、磷、鉀肥施用量均相對于NC減少20%, RC)、減量化肥+菌肥(RB)、減量化肥+有機肥(RT)。各處理養分施用量見表1。

1.4 樣品采集與分析

1.4.1 土壤樣品采集和指標測定

在玉米種植前, 采集0—20 cm 土壤, 測定土壤的基本理化性質。有機質用重鉻酸鉀容量法－外加熱法測定, 土壤速效磷用0. 5 mol·L-1NaHCO3浸提－鉬藍比色法測定, 速效鉀用NH4OAc 浸提-火焰光度法測定, 土壤 pH 用酸度計電位法測定, 全氮用全自動蒸餾儀測定, 全磷用鉬藍比色法測定, 全鉀用火焰光度法測定[16]。分別在玉米第一次追肥前、第2次追肥前、玉米收獲期時, 在各小區采集土壤混合樣品, 測定土壤銨態氮、硝態氮、速效磷、速效鉀含量。土壤硝態氮和銨態氮用1 mol·L-1氯化鉀浸提后用流動分析儀測定。

1.4.2 植株樣品采集和指標測定

在玉米成熟期采集各小區中間2行玉米, 測定產量; 每小區選擇有代表性的玉米5株按根、莖、籽粒分開, 稱鮮重, 然后于105 ℃下殺青30 min, 65 ℃烘干至恒重, 稱重測定生物量后粉碎過篩, 用濃H2SO4-H2O2消煮后分別用自動蒸餾定氮法、釩鉬黃比色法、火焰光度法測定植株各部位的全氮、全磷、全鉀含量。

1.5 有關指標計算方法

收獲指數(%)=產量/生物產量

養分積累量(kg·hm-2) =干重(kg·hm-2)×養分含量(%)/100

肥料偏生產力(kg·kg-1) =小區籽粒產量(kg·hm-2)/肥料施用量(kg·hm-2)

1.6 數據分析

采用Microsoft Excel 2010 軟件處理數據和作圖, 運用SPSS對在0. 05水平進行處理間產量、生物量和養分吸收量的顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理下的玉米產量和生物量

在常規化肥(NC)基礎上, 配施有機肥(NT)玉米產量提高了14.8%(表2); 配施菌肥(NB)玉米產量并未提高; 當化肥用量減少20%(RC)時, 玉米產量下降16.2%, 在此基礎配施有機肥(RT)和菌肥(RB), 玉米產量提高19.8%和26.6%, 且與常規化肥處理(NC)間沒有產量差異(＞0. 05)。化肥減量20%配施有機肥和菌肥玉米生物量并未提高, 而玉米收獲指數有顯著提高, 其中, NT和NB比NC處理提高了49.2%和35.6%, RT和RB比RC處理提高了37.5%和37.6%、比 NC處理提高了32.7%和32.8%。

表1 不同處理的化肥養分投入量

表2 減量化肥配施有機肥和菌肥的玉米產量和生物量

注: 同列不同字母表示差異5%顯著水平, 下表同。

2.2 不同施肥處理下玉米養分積累量及其分配

與NC處理相比, 各施肥處理均未提高玉米總氮、磷、鉀積累量(表3)。氮在籽粒中的積累量最大, 占總氮積累量65. 5%—80. 9%; 磷在籽粒中的積累量最大, 占總磷積累量的58. 4%—77. 4%; 鉀在秸稈中的積累量最大, 占總鉀積累量的66. 3%—78. 6%。

常規化肥配施有機肥促進了養分向籽粒中轉運, 較NC處理籽粒氮、磷、鉀百分比分別提高了16.1%、17.5%、31.3%; 常規化肥配施菌肥較NC處理無顯著差異。化肥減量20%配施有機肥和菌肥較常規施肥均有增加籽粒氮、磷、鉀百分比的趨勢, 尤其是鉀配比, RT和RB比RC處理提高了39. 6%和55. 5%, RB比NC處理提高了19.6%。由此可見, 化肥減量20%配施有機肥和菌肥促進了營養器官中的養分向籽粒中轉運, 增加了籽粒中的養分配比, 進而提高了玉米產量。

表3 養分積累總量及其在玉米各部位的分配

2.3 不同施肥處理下的肥料偏生產力

相較于NC處理, 常規化肥配施有機肥提高了玉米氮、磷、鉀肥偏生產力, 配施菌肥無顯著差異(表4)。相較于RC處理, 化肥減量20%配施有機肥和菌肥的氮肥偏生產力分別提高了36.7%和26.6%、磷鉀肥偏生產力都提高了19.8%和26.7%; 相較于NC處理, 氮肥偏生產力分別提高了25.4%和32.6%、磷鉀肥偏生產力提高了25.5%和32.7%。

表4 減量化肥配施有機肥和菌肥的肥料偏生產力

2.4 不同施肥處理下的土壤養分

土壤硝態氮含量在玉米小喇叭口期和大喇叭口期較高, 在收獲期, 硝態氮含量大幅下降, 各施肥處理間含量接近(圖1)。在玉米三個生長時期, RT、RB處理的硝態氮達到了常規施肥NC處理的水平, 并且有增加土壤硝態氮的趨勢; NT和NB較NC處理硝態氮分別增加了36.3%—78.4%和28.0%—40.1%。銨態氮在玉米三個生長期呈現先升高后下降的趨勢, RT處理與NC處理間都沒有顯著差異, 達到了常規施肥時的銨態氮水平。在小喇叭口期, 在常規化肥和減量20%化肥基礎上, 配施有機肥和菌肥均有增加土壤硝態氮含量的趨勢, RT與RB分別比RC顯著提高了49. 5%和10. 3%; 大喇叭口期也有相近趨勢。

土壤速效磷鉀在玉米生育期整體上都保持較穩定的水平, 在成熟期略有下降。玉米三個生長時期, 在常規化肥和減量20%化肥基礎上, 配施有機肥都有增加土壤速效磷含量的趨勢, 配施有機肥的效果整體要比菌肥好。在玉米小喇叭口期, NT比NC處理提高了32. 4%, 且NT顯著高于NB處理; 化肥減量20%時, RT比RC和NC處理提高了25.0%和21.6%, 且RT顯著高于RB處理; 大喇叭口期和成熟期也有相近規律。土壤速效鉀在玉米三個生長期的含量也比較穩定, 相較于NC處理, 配施有機肥處理(NT、RT)都提高了三個生長期的速效鉀, NT和RT處理較NC處理分別提高了26.0%—47.0%和17.7%—22.2%。

圖1 減量化肥配施有機肥和菌肥的土壤養分

Figure 1 Soil nutrients of reducing application of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial fertilizer

2.5 經濟效益分析

不同施肥處理的玉米產值為14492.3—19851.3元·hm-2, 相較于NC處理, 常規化肥配施有機肥和菌肥增加了2557.6元·hm-2和1461.1元·hm-2; 化肥減量配施有機肥和菌肥增加了370.1元·hm-2和1.59.9元·hm-2(表5)。不同施肥處理的施肥成本為1457.3元·hm-2—2921.7元·hm-2, NT、NB處理較NC處理凈收益增加了1707.6元·hm-2和1336.1元·hm-2, 化肥減量時, RT較NC處理凈收益下降, RB較NC處理凈收益增加了1299.3元·hm-2。

3 討論

本研究表明, 化肥減量20%較常規施肥處理玉米產量下降20. 7%, 在此基礎配施有機肥和菌肥后玉米產量提高了15. 3%和24. 1%, 達到了當地常規施肥的產量水平, 且玉米產值都有所增加; 化肥減量配施有機肥的凈經濟效益降低了115.5元·hm-2, 但在本研究中, 減少了20%的化肥施用量, 將有機肥5%的總養分算入其中, 仍然有7.5%的減肥潛力, 且同時減少了氮、磷、鉀肥, 很大程度地降低了環境污染的風險, 響應了我國綠色可持續農業發展的號召, 具有一定可行性; 化肥減量配施菌肥時施肥投入降低了239.4元·hm-2, 凈經濟效益增加了1299.3元·hm-2, 綜合環境效益和經濟效益, 化肥減量20%配施菌肥是比較理想的施肥方式, 為玉米生產中的減氮增效研究提供了理論依據。

玉米對氮肥比較敏感, 有研究表明, 玉米最合適的氮肥施用量在180 kg·hm-2左右時產量和氮肥利用率最高[17]。據報道, 玉米、小麥、水稻三大糧食作物的氮肥施用量超過240 kg·hm-2后, 氮肥利用率會大幅度下降[18]。據此, 本研究中當地常規施肥(施氮量250 kg·hm-2)的氮素投入已能滿足作物需求, 并存在一定減氮空間。然而, 在常規施肥基礎上增施有機肥和菌肥, 仍有增產的空間, 這可能是由于常規施肥處理中限制玉米產量提升的因素為較低的土壤肥力, 如土壤板結、養分失衡等, 而有機肥含有的微生物可以有效促進土壤中的養分循環[19], 保證土壤中養分活化和供應; 同時, 有機肥含有的有機質能改善土壤結構, 增加土壤陽離子交換量, 提高土壤的保肥性[20-22]。本研究中常規化肥配施有機肥的產值和凈收益較常規施肥均增加了, 產量顯著提高, 進一步驗證了有機無機肥配施有利于作物高產與穩產, 這與習斌等[23]的研究一致。

化肥減量配施有機肥和菌肥可以實現減肥不減產, 從作物養分利用方面來看, 是由于配施有機肥和菌肥提高了養分向籽粒中的轉運。本研究中, 配施生物菌肥和有機肥一定程度上均可提高氮、磷、鉀在玉米籽粒中的配比。肥料偏生產力也是反映養分施用量、土壤的基礎肥力水平的重要指標, 更是評估“減肥增效”技術效果的一個重要指標[24]。如何減少肥料的施用又可以維持作物產量和偏生產力是研究熱點[25-26]。本研究結果顯示, 化肥減量20%配施有機肥和菌肥與常規施肥相比, 氮肥偏生產力提高了25.4%和32.6%、磷鉀肥偏生產力提高了25.5%和32.7%, 這也是維持玉米產量的一個原因。

表5 不同施肥處理下的凈經濟效益分析

注: 2018尿素2元·kg-1, 過磷酸鈣0.56元·kg-1, 硫酸鉀元3.4·kg-1, 有機肥1.1元·kg-1, 菌肥元25·kg-1; 2018年玉米市場價為2.3元·kg-1。

化肥減量配施有機肥和菌肥可以保持土壤養分的持續供應, 這也是實現減肥不減產的原因之一。土壤的速效養分是衡量土壤肥力的重要標準, 對于提高作物產量是至關重要的[27]。有機肥營養成分豐富, 能夠增加土壤有機質, 有效改善土壤肥力, 加之其養分釋放速率相對緩慢, 與成分單一且肥效不持久的化肥配合施用, 能有效協調養分的供應, 及時滿足作物生長對養分的需求, 從而增加作物的產量[28-32]; 而菌肥也可以有效培育土壤, 含有的多種菌類可以增加土壤中微生物對有機質的分解, 促進作物對各種營養元素的吸收, 從而提高作物的產量[33-34], 這與本研究的結果一致。本研究中, 化肥減量20%與常規化肥處理相比, 在玉米整個生育期中速效磷速效鉀差異很小, 但土壤中的氮素供應在小喇叭口期均有所下降, 考慮到玉米氮素吸收以硝態氮為主[35], 可以推導出, 化肥減量20%的處理導致減產的原因之一可能是小喇叭口期硝態氮的供應不足。而菌肥, 特別是有機肥施用后, 可提高小喇叭口期的硝態含量, 這可能是有機肥和菌肥能在化肥減量條件下維持玉米產量的重要原因。這也暗示, 維持玉米產量, 保障生育前期的養分供應也十分關鍵。前人研究表明, 從拔節期到大喇叭口期, 玉米對養分的吸收利用對產量的形成是很重要[36], 所以將追肥時期適當前移, 是否能夠提高玉米對養分的吸收利用效率, 從而達到減肥不減產的效果,這也值得研究。大喇叭口期的養分供應對玉米的生長尤為關鍵。。本研究中, 在玉米大喇叭口期, 化肥減量20%配施有機肥和菌肥的土壤速效磷、鉀含量和常規施肥相比并未下降, 這也可能是保證玉米不減產的關鍵原因之一。

基于本文的研究結果, 在化肥減量的基礎上同時配施有機肥和菌肥, 在保持作物高產穩產的同時, 是否會有更大的減肥潛力和經濟效益, 值得進一步探討和研究。

4 結論

本研究表明, 相較常規施肥, 化肥配施有機肥和菌肥不同程度地提高土壤速效養分供應強度, 及時為玉米提供了所需的養分; 同時不同強度地促進了氮、磷、鉀向玉米籽粒的轉運, 其中以配施有機肥效果更佳, 分別將氮、磷、鉀配比提高了16. 1%、29. 2%、31. 3%。化肥減量配施有機肥和菌肥玉米產量分別提高了19.8%和26.6%, 達到常規施肥的產量水平, 且玉米的收獲指數和肥料偏生產力都有顯著提高。本研究表明, 化肥減量20%時, 配施有機肥和菌肥對維持玉米產量的各項指標都有較好的效果, 可以達到減肥不減產; 綜合環境效益和經濟效益, 化肥減量20%配施菌肥是比較理想的施肥方式, 較常規施肥處理施肥投入降低了239.4元·hm-2, 凈經濟效益增加了1299.3元·hm-2, 對玉米生產中的減氮增效研究有重要意義。

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Study on reducing fertilizer and increasing use efficiency of maize based on organic fertilizer and bacterial fertilizer

YANG Qing xia1,2,3, LI Huang1, LONG Guangqiang1, 2, ZHAO Pin1, 2,*, WU Kaixian4, HE Shuran1

1. College of Resources and Environment Science, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201, China 2. Yunnan Scientific Observation Station for Cultivated Land Conservation of the Ministry of Agriculture, Kunming, Yunnan 650201, China 3. Agricultural Rural Bureau of Pingshan County, Yibin, Yunnan 645350, China 4. College of Agronomy and Biotechnology, Yunnan Agricultural University, Kunming, Yunnan 650201, China

Combined application of organic fertilizer and bacterial manurecan amelioratethe nutrient supply capacity of soil, which is expected to contribute toreducing dosageof chemical fertilizer and increasing use efficiency of nutrient for maize cultivation. Organic fertilizer and bacterial fertilizer were combined to applied with conventional amount and 20% reduction of chemical fertilizer (nitrogen, phosphorus and potassium) through the field plot experiment. Crop yield, absorption, utilization and distribution of nutrients were determined; meanwhile soil nutrient dynamicswere analyzed to evaluate the application effect of organic fertilizer and bacterial manureon reducing chemical fertilizer application and increasing nutrient use efficiency. The results showed that the crop yield of 20% reduction of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial manureobtained the same yield level of conventional fertilization. Compared with 20% reduction of chemical fertilizer, combined application of organic fertilizer and bacterial fertilizer with reduced chemical fertilizer increased yield by 19.8% and 26.6% respectively and harvest index by 32.7% and 32.8% respectively. Compared with reduced chemical fertilizer, combined application of organic fertilizer and bacterial manureincreased the net income and partial productivity, and enhancedthe distribution proportion of NPKin grains to various degrees, and had the same effectin treatment of conventional fertilization. In three growing phasesof maize, the application of reduced chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial fertilizer significantly increased the contents of nitrate nitrogen, ammonium nitrogen and available potassium in soil by 21. 2%-26. 8%,1.4%-20.4% and 7.9%-25.3% respectively. On the whole, reducing application amount of chemical fertilizer combined with organic fertilizer and bacterial manurecould improve the supply intensity of soil available nutrient, increase the distribution ratio of NPK in grains, and improve the harvest index, thus achieving the goal of non-reduction of yield while reducing application amounts of NPK fertilizer.Organic fertilizer and bacterial manurewould play an important role in reducing application amount of chemical fertilizers and increasing nutrient use efficiency of crops in Yunnan and other regions.

maize; yield; organic fertilizer; bacterial manure; chemical fertilizer reduction; nutrient absorption

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.04.023

S513

A

1008-8873(2022)04-196-08

2020-07-26;

2020-09-14

云南省重點研發計劃(2018BB015); 云南省農業聯合專項(2017FG001-027); 云南省中青年后備人才項目(2017HB027)

楊清夏(1995—), 女, 云南昆明人, 碩士研究生, 從事作物施肥研究, E-mail:2107094914@qq.com

通信作者:趙平, 女, 博士, 副教授, 主要從事植物營養研究, E-mail: 2586439210@qq.com

楊清夏, 李歡, 龍光強,等. 基于有機肥和菌肥的玉米減肥增效研究[J]. 生態科學, 2022, 41(4): 196–203.

YANG Qing xia, LI Huang, ZHAO Pin, et al. Study on reducing fertilizer and increasing use efficiency of maize based on organic fertilizer and bacterial fertilizer[J]. Ecological Science, 2022,41(4): 196–203.