馮悅晨，于志勇，趙萍萍

(山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，太原 030031)

晉南地區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)之一，然而在該地區(qū)土壤有機質(zhì)含量平均僅為1.1%，超過一半地區(qū)的有機質(zhì)含量低于1%，土壤貧瘠嚴重限制了該地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展[1-2]。為了增加糧食產(chǎn)量和農(nóng)民收入，施用化學肥料成為重要手段，化肥對我國糧食產(chǎn)量增加的貢獻率在40%以上；但近年來我國的化肥使用量增長了34%，單位面積糧食產(chǎn)量卻下降了1.4%，尤其是氮肥的不合理施用降低了化肥利用效率且污染了生態(tài)環(huán)境[3-4]。因此，為了保護生態(tài)環(huán)境的和確保農(nóng)業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展，探尋科學合理的施肥方式成為當前急需解決的問題。

我國擁有豐富的有機肥資源，有機肥中含有大量的有機質(zhì)，同時也含有作物生長發(fā)育所需的各種大量元素和微量元素，有機肥能協(xié)調(diào)土壤水肥，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和提升品質(zhì)具有重要作用[5-6]。王艷玲等[7]研究表明，有機無機配施可顯著增加旱地土壤2～0.25 mm、0.25～0.05 mm 和0.05～0.01 mm 粒級團聚體有機碳含量，提高特征微團聚體比例，從而提高土壤保水保肥能力。竇露等[8]研究表明，在黃土高原旱地小麥種植區(qū)，有機無機配施可顯著提高冬小麥產(chǎn)量和千粒重，菌肥無機肥和秸稈炭無機肥處理較單施化肥分別提高產(chǎn)量22.4%和21.5%。段鵬鵬等[9]研究表明，在連續(xù)2 年采取有機無機配施后可顯著提高0～30 cm 土層土壤礦質(zhì)氮和土壤可溶性有機氮的含量，對土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量增加效果顯著。井永蘋等[10]研究表明，有機無機配施可顯著降低土層中硝態(tài)氮殘留量，當有機無機配比為1∶2 時增產(chǎn)效果最顯著，較不施氮肥提高46.2%，較單施化肥提高3.6%。宋震震等[11]研究表明，長期施用有機肥較長期施用化肥更能提高土壤各活性氮庫組分含量和顆粒有機氮對土壤全氮的貢獻率。綜上所述，前人的研究大多集中于有機無機配施對作物生長發(fā)育和土壤養(yǎng)分含量變化的影響，而對土壤剖面含水量、硝態(tài)氮殘留、籽粒及秸稈養(yǎng)分含量影響的研究尚鮮見報道。

本試驗在晉南地區(qū)開展，通過大田試驗研究了不同比例有機無機配施對夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成、0～300 cm 土壤含水量及硝態(tài)氮殘留量、夏玉米籽粒及秸稈的養(yǎng)分吸收量的影響，分析有機無機結(jié)合條件下的土壤養(yǎng)分循環(huán)特征，為當?shù)氐租涴B(yǎng)分和秸稈等資源的高效可持續(xù)利用、石灰性褐土有機質(zhì)穩(wěn)定提升提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省臨汾市堯都區(qū)喬李鎮(zhèn)南麻村（36°13′N，111°36′E）。試驗區(qū)屬于溫帶季風氣候，年均溫12～12.6 ℃，年平均日照時數(shù)2 419 h，年無霜期203 d，年均降水量550 mm，年日照時數(shù)為2 416.5 h。試驗地選擇為中低地力田，土壤類型為石灰性褐土，質(zhì)地為中壤土，主要粘土礦物以云母、蒙脫石等為主。0～20 cm 土壤pH 值8.5，土壤有機質(zhì)量為14.92 g·kg-1，全氮量為 0.78 g·kg-1，硝態(tài)氮量為8.09 mg·kg-1g，速效磷量為11.27 mg·kg-1，速效鉀量為214.15 mg·kg-1。

1.2 試驗設計與管理

試驗共設置7 個處理，分別為不施肥(CK)、單施化肥(M0N)、有機肥氮與無機肥氮配比分別為1∶4、1∶3、1∶1、3∶1(以MN1、MN2、MN3、MN4表示)、單施有機肥（MN0）；隨機排列， 3 次重復，小區(qū)面積為4.5 m×6 m=27 m2。

夏玉米前茬作物為冬小麥，在冬小麥試驗中統(tǒng)一施用氮肥 180 kg·hm-2，施用磷肥 P2O5120 kg·hm-2、鉀肥K2O 60 kg·hm-2，10 月6 日撒施化肥后旋耕。夏玉米試驗中氮肥用量225 kg·hm-2，磷肥P2O560 kg·hm-2、鉀肥K2O 60 kg·hm-2；所有處理中氮肥用量相同，氮肥以尿素（N46%）、磷肥以粒狀過磷酸鈣（P2O512%）和磷酸一銨（NH4H2PO4，10-44-0）、鉀肥以氯化鉀（K2O 60%）供給。供試有機肥為腐熟羊糞，養(yǎng)分含量為N 2.48%，P2O51.96%，K2O 1.31%。施用有機肥處理于6 月16 日在試驗地撒施羊糞1 250 kg 后旋耕，7 月15 日開溝追施化肥。

供試夏玉米品種為先玉335 號，采用60 cm 等行距點播，株距25 cm；供試冬小麥品種為濟麥22，常規(guī)平作，行距20 cm，種植方式為播前淺旋耕，深度12～15 cm。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 樣品采集 2018 年6 月15 日試驗取基礎土樣一個，取樣深度0～100 cm,分5 層，每層20 cm；10 月6 日取試驗處理土樣10 個，取樣深度0～300 cm，分15 層，每層20 cm；取植株樣品62 個。

1.3.2 測定項目與方法 土壤硝態(tài)氮的測定：用2 mol·L-1KCL 進行振蕩提取，用全自動間斷化學分析儀（SMART CHEM 200，法國Alliance 公司產(chǎn)）測定土壤NO3--N 含量。

1.3.3 計算方法 （1）土壤貯水量（mm）=土壤質(zhì)量含水量（%）×土壤容重（g·cm-3）×土層厚度（cm）/10（0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～80 cm 土壤容重分別為1.21 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.35 g·cm-3、1.30 g·cm-3，80～200 cm 土層為1.36 g·cm-3）；

（2）各器官植株氮（磷、鉀）素積累量=干物質(zhì)質(zhì)量（kg·hm-2）×氮素含量（g·kg-1）/103。

1.3.4 計算方法和數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)用 Microsoft Excel 2016 整理作圖，并用 SPSS19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，采用 LSD 法檢驗P＜0.05 水平上的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機肥替代化肥對夏玉米穗數(shù)、穗重和稈重影響

有機肥替代化肥對夏玉米穗數(shù)、穗重和稈重的影響如表1 所示。由表1 可知，MN1 和MN2 處理的夏玉米穗數(shù)最高，均為5.4 萬穗·hm-2。M0N、MN3、MN4 和MN0 處理的夏玉米穗數(shù)分別為5.2、5.3、5.1 和5.2 萬穗·hm-2，較MN1 和MN2 處理所有降低，且差異顯著，說明有機無機配施可一定程度提高夏玉米穗數(shù)，以MN1 和MN2 最顯著。在穗重方面，以MN1、MN3 和MN0 的夏玉米穗重最高，分別為16 716.2、16 283.9 和16 067.7 kg·hm-2，MN2和MN4 的夏玉米穗重分別為15 851.6 和15 347.2 kg·hm-2，較MN1、MN3 和MN0 低，且差異呈顯著水平。M0N 的夏玉米穗重為14 698.7 kg·hm-2，均低于有機無機配施處理，且差異呈顯著水平，說明有機無機配施較傳統(tǒng)化肥施用均可提高夏玉米穗重。M0N 和MN0 的夏玉米稈重分別為19 598.3 和21 976.0 kg·hm-2，差異不顯著，而MN1、MN2、MN3和MN4 的夏玉米稈重均高于M0N 和MN0，且差異呈顯著水平，其中以MN1 和MN2 增加效果最為顯著，說明有機無機配施對夏玉米秸稈的增產(chǎn)效果要好于單施化肥或單施有機肥。

表1 有機肥替代化肥對夏玉米穗數(shù)、穗重和桿重的影響Table 1 Effect of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer on ear number, ear weight, and stem weight of summer maize

圖1 有機肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤水分分布狀況Figure 1 Soil moisture distribution of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

圖2 有機肥替代化肥模式下不同層段土壤含水量總量Figure 2 Soil moisture content of different layers in the model of replacing chemical fertilizer with organic fertilizer

2.2 有機肥替代化肥對0～300 cm 土壤剖面土壤水分的影響

圖1 為不同處理夏玉米收獲時0～300 cm 各土層土壤水分含量分布狀況，圖2 為不同處理夏玉米收獲時0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同層段土壤含水量總量。由圖1 可看出，各處理在0～300 cm 土層的含水量變化趨勢大致相同。有機無機配施在60～80 cm 和220～240 cm 土層出現(xiàn)高峰值，在40～60 cm 和140～160 cm 土層出現(xiàn)低峰值。M0N 處理的表層土含水量要低于其他處理，在40～120 cm 土層中也顯著低于其他處理，在120～300 cm 土層中與其他處理無顯著差異。由圖2 可知，各處理在0～300 cm 土層的總含水量表現(xiàn)為有機無機配施＞單施有機肥＞單施化肥。不同處理間0～100 cm 土層含水量變化差異與0～300 cm 土層總含水量相似，100～200 cm 土層含水量有機無機配施高于單施化肥或單施有機肥，在200～300 cm 土層中各處理之間無顯著差異。說明有機無機配施較單施化肥和單施有機肥可顯著提高土壤中含水量，尤其對0～120 cm 土層有顯著提升作用。

2.3 有機肥替代化肥對夏玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成影響

表2 為不同處理夏玉米籽粒產(chǎn)量、生物產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成。由表2 可知，M0N 的籽粒產(chǎn)量為8 895.3 kg·hm-2，MN4 和MN0 的籽粒產(chǎn)量分別為8 839.7 和8 670.9 kg·hm-2，與M0N 無顯著差異。MN1、MN2、MN3 的籽粒產(chǎn)量分別為10 219.5、9 229.3 和9 165.5 kg·hm-2，較M0N 模式有顯著的增產(chǎn)效果，其中以MN1 的增產(chǎn)效果最為顯著。M0N 和MN0 的生物產(chǎn)量分別為8 209.5 和8 389.5 kg·hm-2，MN1、MN2、MN3 和MN4 的生物產(chǎn)量較M0N 和MN0 均有顯著提升作用，以MN2 的增加效果最為顯著，說明有機無機配施較單施有機肥或單施化肥可顯著提高夏玉米的生物產(chǎn)量。在產(chǎn)量構(gòu)成方面，以M0N 和MN1的穗粒數(shù)最多，分別為618.0 和616.3 ?！に?1，顯著高于其他處理，有機無機配施4 個處理的百粒重之間無顯著差異，但顯著高于單施有機肥或單施化肥處理，所有處理中以MN1 和MN2 的成穗數(shù)最高，要顯著高于其他處理。

表2 有機肥替代化肥對夏玉米產(chǎn)量及其構(gòu)成的影響Table 2 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on yield and yield composition of summer maize

圖3 有機肥替代化肥模式下0～300 cm 土壤硝態(tài)氮含量分布狀況Figure 3 The content of nitrate nitrogen in soil of 0-300 cm under the model of replacement of fertilizer with organic fertilizer

圖4 有機肥替代化肥模式下不同層段土壤硝態(tài)氮累積量Figure 4 The accumulation of soil nitrate nitrogen of different soil layers under the model of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer

2.4 有機肥替代化肥對土壤硝態(tài)氮殘留的影響

圖3 為不同處理0～300 cm 各土層土壤硝態(tài)氮含量分布狀況，圖4 為不同處理0～100 cm、100～200 cm 和200～300 cm 不同層段土壤硝態(tài)氮總含量。由圖3 可知，不同處理在0～300 cm 土層中的硝態(tài)氮殘留量變化趨勢大致相同，在100 cm 土層左右出現(xiàn)了硝態(tài)氮殘留量的低峰值，在200 cm 土層左右出現(xiàn)硝態(tài)氮殘留量的高峰值。在0～20 cm 土層，各處理之間的硝態(tài)氮含量差異最大，表現(xiàn)為MN2＞MN1＞M0N＞MN4＞MN0＞MN3，在100～260 cm 土層中，M0N 的硝態(tài)氮殘留量要顯著高于其他處理。由圖4 可知，M0N 在0～300 cm 的硝態(tài)氮總殘留量為243.0 kg·hm-2，顯著高于其他處理，MN3 和MN0 的殘留量分別為183.4 和182.8 kg·hm-2，顯著低于MN1、MN2 和MN4 處理。在0～100 cm 土層中，MN3 和MN0 的硝態(tài)氮殘留量要顯著低于其他處理。在100～200 cm 和200～300 cm 土層中均表現(xiàn)為M0N 的硝態(tài)氮殘留量要顯著高于其他處理，而單施有機肥處理和有機無機配施之間無顯著差異。

2.5 有機肥替代化肥對夏玉米籽粒、秸稈養(yǎng)分含量的影響

表3 為不同處理有機肥替代化肥對夏玉米籽粒和秸稈養(yǎng)分含量的影響。由表可知，不同處理的籽粒全氮含量無顯著差異。MN4 處理的全磷含量為3.13 g·kg-1，顯著高于其他處理，除MN4 以外的其他處理間無顯著差異。M0N、MN3 和MN0 的籽粒全鉀含量為0.50、0.50 和0.51 g·kg-1,MN1、MN2 和MN4的籽粒全鉀含量顯著高于M0N、MN3和MN0，MN4 的增加效果最顯著。MN0 的秸稈全氮含量為0.83 g·kg-1，不同有機無機配施處理較MN0 處理有顯著提高，M0N 處理的秸稈全氮含量最高，含量為1.20 g·kg-1。MN1、MN2 和MN3 的秸稈全磷含量為0.85、0.89 和0.86 g·kg-1，而M0N、MN4 和MN0的秸稈全磷含量顯著高于MN1、MN2 和MN3，MN0含量最高。M0N 的秸稈全鉀含量為2.41 g·kg-1，MN4和MN0 較M0N 顯著降低，而MN2 的秸稈全鉀含量顯著高于M0N。

表3 有機肥替代化肥對夏玉米籽粒、秸稈養(yǎng)分含量的影響Table 3 Effects of replacement of chemical fertilizer with organic fertilizer on nutrient content of summer maize kernels and stalks

3 討論與結(jié)論

加強對土壤養(yǎng)分資源的調(diào)節(jié)與管理是我國乃至全球?qū)崿F(xiàn)生態(tài)環(huán)境保護、保障人類糧食安全和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。減少化肥施用量、尋求可循環(huán)利用的替代肥料是解決土壤養(yǎng)分資源管理問題的關(guān)鍵[12-14]。有機肥具有良好的培肥作用，有機肥的施用可帶入土壤中磷、鉀、微量元素等[15-16]，同時可改善土壤團聚特征。然而，由于有機肥施入后養(yǎng)分釋放緩慢，單施有機肥易造成農(nóng)作物前期供肥不足，而單施化肥容易造成農(nóng)作物后期供肥不足，因此有機無機配施可滿足作物整個生育期的養(yǎng)分需求[17-18]。本研究結(jié)果表明，相較于單施化肥和單施有機肥，有機無機配施（有機肥氮和無機肥氮配比為1∶4、1∶3、1∶1）可以顯著提高夏玉米籽粒產(chǎn)量。這與以往的研究結(jié)果基本一致。張緒成等[22]研究表明，有機無機配施可有效促進地上地下部分生物量的增加，提高作物的生長速度。周江明等[24]也有類似發(fā)現(xiàn)，無機肥配施一定量的有機肥可有效提高作物的結(jié)實率，從而實現(xiàn)增產(chǎn)。

有機無機配施可顯著改善土壤微生物的活性，提高土壤氮素的釋放能力，為作物生長提供充足的氮素，有機無機配施可有效延緩玉米根系和植株衰老時間，從而延長了灌漿時間，實現(xiàn)增產(chǎn)效果[19-21]。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，有機肥氮和無機肥氮配比為1∶4時，有機無機配施可以顯著增加夏玉米的穗粒數(shù)、百粒重和成穗數(shù)；有機肥氮和無機肥氮配比為1∶3時，僅可顯著增加夏玉米的百粒重和成穗數(shù)，對穗粒數(shù)無顯著影響；有機肥氮和無機肥氮配比為1∶1時，可以顯著增加夏玉米的百粒重，對穗粒數(shù)和成穗數(shù)無顯著影響。徐明崗等[23]研究表明，有機無機配施可顯著增加作物單位面積的穗數(shù)和穗粒數(shù)，從而提高糧食產(chǎn)量?？梢?，有機肥和無機肥的配比不同，有機無機配施對夏玉米的產(chǎn)量構(gòu)成的影響也會有不同影響。另外，有機肥氮和無機肥氮配比為3∶1，夏玉米籽粒產(chǎn)量和單施氮肥、單施有機肥之間無顯著影響，產(chǎn)量構(gòu)成發(fā)現(xiàn)其成穗數(shù)顯著低于單施氮肥。適當比例的有機無機肥配施可顯著增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，但當有機肥配施的比例超過一定閾值后，肥料所能供應的速效養(yǎng)分的數(shù)量和能力會有所下降，會一定程度降低農(nóng)作物的產(chǎn)量[25]。

干旱半干旱地區(qū)，年降雨量的不規(guī)律性、季節(jié)性干旱持續(xù)時間的不確定性等，都影響了旱地農(nóng)田土壤水分和養(yǎng)分的有效性。水分往往成為旱地作物生長的限制性因素。提高水分利用效率、協(xié)調(diào)土壤水分和養(yǎng)分的供應是提高旱地玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵。有機無機配施可以改善土壤結(jié)構(gòu)，有效調(diào)節(jié)土壤水、肥、氣、熱的關(guān)系，從而提高土壤的保水性[26]。本研究結(jié)果表明，有機無機配施較單施化肥和單施有機肥可顯著提高0～300 cm 土層中含水量，尤其對0～120 cm 土層有顯著提升作用；有機無機配施均可以顯著提高0～100 cm 土層和100～200 cm 土層土壤貯水量。楊忠贊等[4]研究表明，單施有機肥和有機無機配施提高了田間0～40 cm 土層的田間持水量，當有機肥替代化肥氮肥減施50%時，保水效果最顯著。這說明，無機有機配施可以有效提高土壤保水性能，這對于旱地玉米的生長發(fā)育和產(chǎn)量形成非常重要。值得注意的是，本研究發(fā)現(xiàn)，有機無機配施較單施化肥可顯著降低0～300 cm 土層的硝態(tài)氮殘留量，尤其對100～260 cm 土層的硝態(tài)氮殘留量降低幅度最大，當配比為1∶1 時硝態(tài)氮殘留量降低幅度最顯著，達32.5%。有機無機配施中存在一定量的有機氮，這部分氮素需要在礦化后才能轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，相較于單施化肥，有機氮的輸入提高了土壤中氮素供應能力，改變了土壤氮素遷移特征。楊修一等[27]的研究也表明，有機肥替代尿素，可以顯著增加土壤總碳和銨態(tài)氮含量，減少60～100 cm土層土壤硝態(tài)氮淋溶。有機無機配施可在一定程度上改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤的保水性能，從而緩解了氮素的淋失[28-29]。另外，一定比例的有機無機配施可顯著提高土壤中的C/N，相對充足的碳源在一定程度上可以促進土壤微生物的生殖繁育，土壤微生物可將土壤中多余的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為有機氮，從而有效減弱硝態(tài)氮的殘留量和淋溶量[30]。無機有機配施可以提高0～200 cm 土層土壤保水性，同時可以減小氮素淋失的環(huán)境風險。