梁改梅，李娜娜，黃學(xué)芳，池寶亮，陳穩(wěn)良

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太原 030031）

干旱缺水、土壤瘠薄是限制旱地玉米產(chǎn)量提高的主要因素[1-2]。山西省地處黃土高原，旱地面積占全省總耕地面積的79.4%[3]，玉米是重要的糧食作物，對全省糧食生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展具有舉足輕重的影響。過量施用化肥是玉米生產(chǎn)上面臨的突出問題。據(jù)統(tǒng)計，我國化肥施用量為531.9 kg·hm-2，約為世界平均水平的3.9倍[4]。然而，生產(chǎn)上化肥的單一和不合理施用，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，容重增加，耕層易板結(jié)，不利于透氣滲水，使得土壤蓄水保水力下降[5]。因此，旱地農(nóng)業(yè)應(yīng)有機(jī)旱作，使用地、養(yǎng)地相結(jié)合。

增施有機(jī)肥是有機(jī)旱作的一個重要途徑[6-8]。研究表明，施用有機(jī)肥可改善土壤物理特性[9]、增加土壤水庫，增加降水入滲、提高土壤的有效含水量，進(jìn)而提高作物水分利用效率[10-14]。研究也表明，土壤增施有機(jī)肥能夠改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)[15]，涵養(yǎng)水源，減少水土流失，保證作物生長過程中水分供應(yīng)，提高作物抗旱性。施用有機(jī)肥還可提高土壤有益微生物的數(shù)量和土壤酶活性[16-19]，提升土壤肥力[20-23]，化肥配施有機(jī)肥可提高作物水肥利用效率，進(jìn)而提高產(chǎn)量[24-25]。然而也有研究顯示，玉米的產(chǎn)量在有機(jī)肥50%替代化肥處理下比100%有機(jī)替代和單施化肥處理分別顯著增加13.5%和12.5%[26]。秸稈還田對解決秸稈過剩、緩解有機(jī)肥源不足有積極作用，近年來秸稈還田率雖顯著提升，但仍不足40%[27]。秸稈還田可降低土壤容重[28]，增加土壤養(yǎng)分[29-31]，與氮肥配施可有效提高作物產(chǎn)量[32]。多點(diǎn)研究表明，多年秸稈還田可節(jié)省化肥投入10%～20%，提高作物產(chǎn)量2.8%～16.2%[33-34]。華北平原27年長期定位試驗(yàn)也表明，在單施化肥基礎(chǔ)上，施用糞肥、秸稈還田可使玉米分別增產(chǎn)35%、21%[35]。綜上所述，盡管長期秸稈還田或施用有機(jī)肥對改善土壤環(huán)境效應(yīng)和提高作物產(chǎn)量有積極影響，但秸稈還田量（＜13500 kg·hm-2）較低時對土壤理化性狀影響不明顯[36]，而有機(jī)糞肥施用水平較高時，會增大土壤氮素淋失風(fēng)險，嚴(yán)重威脅地下水安全[35]。因此，本試驗(yàn)采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計建立回歸模型，研究不同施肥組合對玉米增容蓄水及產(chǎn)量和水分利用效率的影響，在建立該類型地區(qū)玉米產(chǎn)量數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，尋求作物高產(chǎn)、水分高效、農(nóng)業(yè)生態(tài)安全的優(yōu)化施肥方案，為生產(chǎn)上提倡的化肥減量、有機(jī)肥適當(dāng)替代及旱地農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

于2018～2020年在山西省壽陽縣張韓村（113°13′03″E，37°46′12″N，海拔1210 m）進(jìn)行田間定位試驗(yàn)，該區(qū)屬黃土高原半濕潤易旱區(qū)，年降水量500 mm左右，且大多集中在7～9月。雖然土壤有機(jī)質(zhì)含量較低，但卻有土地平整、地塊大、適宜機(jī)械作業(yè)的優(yōu)勢。試驗(yàn)地耕層土壤有機(jī)質(zhì)9.4 g·kg-1、全氮0.88 g·kg-1、堿解氮64.83 mg·kg-1、有效磷11.70 mg·kg-1、速效鉀102.00 mg·kg-1，pH 8.06。試驗(yàn)地前茬為玉米，供試品種為適合當(dāng)?shù)胤N植的春播中晚熟玉米品種金科玉3306。玉米生育期4～9月降水量見圖1。

圖1 2018～2020年玉米生育期降水量

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計（1/2實(shí)施）[37]，設(shè)化肥用量（X1）、秸稈還田比例（X2）和有機(jī)肥用量（X3）3個因素，每因素5個水平（表1），共20個組合，另以單施化肥（1200 kg·hm-2）作為田間對照（CK），重復(fù)2次，共42個小區(qū)。小區(qū)面積50 m2（5 m×10 m）。

表1 二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計田間試驗(yàn)編碼

化肥用量以復(fù)合肥（N-P2O5-K2O：23-12-5）總用量為單位；秸稈還田量按還田比例以當(dāng)?shù)氐亓χ挟a(chǎn)12750 kg·hm-2進(jìn)行折算，100%秸稈還田量為6375 kg·hm-2。有機(jī)肥用量以腐熟的雞糞施用量為單位。其中玉米秸稈含氮0.87%（干基），有機(jī)肥含氮1.63%（干基）。試驗(yàn)于上年秋季收獲時將秸稈粉碎覆蓋，翌年春季播種前按各小區(qū)相應(yīng)用量將秸稈平鋪于地表，將腐熟的有機(jī)肥、化肥分別撒施于各小區(qū)，隨即旋耕施入土壤。試驗(yàn)于每年4月底播種，10月初收獲，玉米生育期田間實(shí)施統(tǒng)一管理。

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1 土壤容重

玉米收獲后，采用容積為100 cm3的環(huán)刀進(jìn)行0～30 cm土壤剖面取樣，烘干后稱重，計算土壤容重。計算公式：

式中，D表示容重（g·cm-3），M1為環(huán)刀和烘干土總重（g），M2為環(huán)刀重（g），V為環(huán)刀的容積（cm3）。

1.3.2 土壤貯水量

在玉米播前、苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、灌漿期和收獲后進(jìn)行測定，每隔20 cm用土鉆進(jìn)行分層取樣，烘干后測定土壤含水量。

土壤含水量（%）＝[（Mm-Md）/（Md-M）]×100式中，Mm為濕土及鋁盒的總重（g），Md是干土及鋁盒的總重（g），M是鋁盒重（g）。

土壤貯水量（mm）=土壤容重（g·cm-3）×土層深度（cm）×土壤含水量/10

1.3.3 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素

玉米成熟時記錄每小區(qū)實(shí)收穗數(shù)，稱鮮重，按大小穗比例和平均鮮穗重取10穗測定籽粒含水量進(jìn)行考種，根據(jù)14%籽粒含水量折合產(chǎn)量。

1.3.4 水分利用效率

水 分 利 用 效 率（kg·hm-2·mm-1）= 產(chǎn) 量（kg·hm-2）/耗水量（mm）。

耗水量（mm）=播前土壤貯水量（mm）-收獲后土壤水量（mm）+生育期降水量（mm）

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 7.5進(jìn)行統(tǒng)計分析，建立3個因素與土壤容重、土壤貯水量、產(chǎn)量和水分利用效率之間的三元二次回歸方程。將3個因素中的2個固定在零水平，對數(shù)學(xué)模型降維分析，得到以其中一個因素為確定變量的偏回歸模型，并根據(jù)該模型作出單因素變化趨勢圖。在固定其他一個因素為零水平時，求另外兩因素之間的交互作用，并作兩因素互作效應(yīng)的3D-mesh曲面圖。數(shù)據(jù)整理和作圖分別采用Excel 2007和Sigmaplot 12.5進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥水平對旱地玉米田耕層0～30 cm耕層土壤容重的影響

建立3個因素與玉米耕層0～30 cm耕層土壤容重的回歸方程：

決定系數(shù)為R2=0.6731，回歸方程（1）的F檢驗(yàn)P值為0.026（P＜0.05），達(dá)到顯著性水平，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)不顯著（P=0.109＞0.05），說明模型預(yù)測值與實(shí)際值吻合較好。通過對模型降維分析得到主效應(yīng)分析圖。由圖2可知，不同施肥水平各因素對0～30 cm耕層土壤容重影響不同。隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜脑黾樱?020年為定位試驗(yàn)第3年），施用有機(jī)肥及秸稈還田明顯減小0～30 cm耕層土壤的容重，且隨施用年限的延長，土壤容重顯著降低。盡管不同年份由于年際間降水的差異，各因素對土壤容重的影響不同。但3年平均試驗(yàn)結(jié)果顯示：隨著化肥用量的增加，土壤容重呈緩慢增加的趨勢；隨著秸稈還田量的增加，土壤容重呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，而隨著有機(jī)肥用量的增加，土壤容重呈逐漸減小的趨勢。

圖2 不同試驗(yàn)?zāi)攴輪问┗省⒔斩掃€田及有機(jī)肥對0～30 cm耕層土壤容重的影響

分析不同因素對0～30 cm耕層土壤容重的交互作用可知，除化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2）、秸稈還田比例（X2）×有機(jī)肥用量（X3）有顯著的交互作用外，其余因素間交互不顯著。由圖3（a）可知，當(dāng)有機(jī)肥用量固定在零水平時，化肥用量和秸稈還田比例對土壤容重在0.05水平上存在顯著的正交互作用（P=0.045）。而由圖3（b）可知，當(dāng)化肥用量固定在零水平時，秸稈還田比例和有機(jī)肥用量在0.1水平上交互作用顯著（P=0.072），且呈顯著的負(fù)交互作用，即加大秸稈還田，同時減少有機(jī)肥施用量，可使耕層土壤容重下降。

圖3 因素交互作用對0～30 cm耕層土壤容重、0～200 cm土層土壤貯水量、玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響

2.2 不同施肥水平對旱地玉米田全生育期0～200 cm土層土壤平均貯水量的影響

建立3個因素與0～200土層土壤平均貯水量的回歸方程：

決定系數(shù)為R2=0.7899，回歸方程（2）的F檢驗(yàn)P=0.025＜0.05，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)不顯著（P=0.989＞0.05），說明模型的預(yù)測值與實(shí)際值吻合較好。對模型進(jìn)行降維分析，由圖4可知，不同試驗(yàn)?zāi)攴?因素對0～200 cm平均貯水量影響趨勢不同，但3年平均試驗(yàn)結(jié)果顯示：3因素對土壤貯水量的作用大小表現(xiàn)為秸稈還田＞有機(jī)肥＞化肥。隨著施肥水平的增加，單施化肥（P=0.02）和有機(jī)肥在0.05水平上對0～200 cm土壤貯水量呈先升后降的趨勢。而增加秸稈還田比例可穩(wěn)定提高0～200 cm土壤貯水量。可見，秸稈還田對提高0～200 cm土壤貯水量大于有機(jī)肥。施用有機(jī)肥對土壤貯水不是越多越好，當(dāng)施用量達(dá)到一定程度時，繼續(xù)施用則會消耗更多水分，從而減少0～200 cm土壤貯水量。

圖4 不同試驗(yàn)?zāi)攴輪问┗省⒔斩掃€田及有機(jī)肥對0～200 cm土層土壤貯水量的影響

由圖3（c）可知，化肥用量和秸稈還田量在0.05水平上對土壤貯水量有顯著的正交互作用（P=0.03），而其他交互作用不顯著。當(dāng)有機(jī)肥用量固定在零水平時，隨化肥用量的增加，增加秸稈還田可促進(jìn)土壤貯水量增加。但化肥用量和秸稈還田量不是越多越好，施用量較大時，反而降低土壤貯水量。

2.3 不同施肥水平對旱地玉米田產(chǎn)量的影響

建立3個因素與玉米產(chǎn)量的回歸方程：

決定系數(shù)為R2=0.6172，回歸方程（3）的F檢驗(yàn)P=0.038＜0.05，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)不顯著（P=0.897＞0.05），說明模型的預(yù)測值與實(shí)際值吻合較好。對模型進(jìn)行降維分析，由圖5可知，產(chǎn)量的變化受年際間降水差異影響較大，2018～2020年3因素對產(chǎn)量的影響不同。從3年平均試驗(yàn)結(jié)果看：3因素對產(chǎn)量的影響大小表現(xiàn)為有機(jī)肥＞秸稈還田＞化肥。由圖5可知，增施化肥、有機(jī)肥和秸稈還田均可提升玉米產(chǎn)量，但化肥和秸稈還田量達(dá)到一定程度時，繼續(xù)增施玉米產(chǎn)量會隨之下降，而施用有機(jī)肥可緩慢提升玉米產(chǎn)量。

圖5 不同試驗(yàn)?zāi)攴輪问┗省⒔斩掃€田及有機(jī)肥對玉米產(chǎn)量的影響

進(jìn)一步對不同因素間的交互作用進(jìn)行分析，化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2）（P=0.04）、化肥用量（X1）×有機(jī)肥用量（X3）（P=0.014）之間在0.05水平上有顯著的交互作用。影響產(chǎn)量的絕對值大小順序?yàn)閄13＞X12＞X23。由圖3（d）、（e）可知，當(dāng)有機(jī)肥用量固定在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用，當(dāng)化肥用量和秸稈還田達(dá)到一定比例時，玉米產(chǎn)量最高。當(dāng)秸稈還田固定在零水平時，化肥配施有機(jī)肥可提高玉米產(chǎn)量，但二者呈顯著的負(fù)交互作用。

2.4 不同施肥水平對旱地玉米田水分利用效率的影響

建立3個因素與水分利用效率的回歸方程：

決定系數(shù)為R2=0.8303，回歸方程（4）的F檢驗(yàn)P=0.045＜0.05，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)不顯著（P=0.425＞0.05），說明模型的預(yù)測值與實(shí)際值吻合較好。對模型進(jìn)行降維分析，由圖6可知，3年平均試驗(yàn)結(jié)果顯示：三因素對水分利用效率的影響表現(xiàn)為有機(jī)肥＞秸稈還田＞化肥，水分利用效率隨化肥用量的增加而下降較快?？梢?，增加秸稈還田和增施有機(jī)肥均較化肥可提高玉米的水分利用效率。

圖6 不同試驗(yàn)?zāi)攴輪问┗?、秸稈還田及有機(jī)肥對玉米水分利用效率的影響

同產(chǎn)量趨勢一致，化肥用量（X1）×秸稈還田比例（X2），化肥用量（X1）×有機(jī)肥用量（X3）存有顯著的交互作用。當(dāng)有機(jī)肥用量固定在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用（P=0.04），圖3（f）顯示，當(dāng)化肥用量和秸稈還田達(dá)到一定比例時，水分利用效率最大。由圖3（g）可知，當(dāng)秸稈還田固定在零水平時，化肥配施有機(jī)肥也可提高水分利用效率，二者呈顯著的負(fù)交互作用（P=0.004）。即施用化肥較多時，可相對減少有機(jī)肥的施用，才能使水分利用效率達(dá)到最大。

2.5 施肥組合優(yōu)化方案及田間驗(yàn)證

為探求3因素在生產(chǎn)中應(yīng)用的可靠性，研究采用頻數(shù)法進(jìn)一步解析，用頻率分析及統(tǒng)計尋優(yōu)求得在95%的置信區(qū)間產(chǎn)量大于一定值的優(yōu)化方案。在-1.682≤Xj≤1.682范圍內(nèi)，選取變量的步長為1，經(jīng)模擬，平均產(chǎn)量＞12481 kg·hm-2共36個方案。研究最終獲得最佳增容蓄水的施肥組合為：化肥用量795～1061 kg·hm-2，秸稈還田比例69%～89%（即還田4399～5674 kg·hm-2），有機(jī)肥量11723～18848 kg·hm-2，預(yù)期產(chǎn)量為13232 kg·hm-2（表2）。與田間對照比較，該組合較單施化肥對照（11729 kg·hm-2）增產(chǎn)12.8%，可減施化肥139～405 kg·hm-2。

表2 玉米產(chǎn)量頻率分析及統(tǒng)計尋優(yōu)

3 討論

改善土壤水分狀況是旱區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，在保證農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的前提下，減少化肥用量，提高土壤蓄水保墑能力及作物水分利用效率，是當(dāng)前有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)。

3.1 化肥配施有機(jī)肥減少耕層土壤容重，增加土壤蓄水

研究表明[25，38]，施用有機(jī)肥可改善土壤理化特性，增強(qiáng)土壤通氣和透水性能。本研究發(fā)現(xiàn)，施用有機(jī)肥及秸稈還田明顯降低0～30 cm耕層土壤的容重，且隨著有機(jī)肥用量及秸稈還田量的增加，土壤容重呈不斷下降趨勢，且有機(jī)肥施用對降低土壤容重的影響大于秸稈還田?；笔ゲ萚39]在東北黑土區(qū)通過秸稈還田增施有機(jī)肥定位試驗(yàn)也表明，相比秸稈還田處理，增施有機(jī)肥降低了土壤容重、土壤緊實(shí)度，提升了土壤含水量。這與本試驗(yàn)得出的結(jié)論一致。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，秸稈還田對提高0～200 cm土層土壤貯水量大于有機(jī)肥。在增施化肥的同時，配合秸稈還田可提高玉米生育期0～200 cm土層土壤貯水量。但有機(jī)肥施用對土壤貯水也不是越多越好，當(dāng)施用量達(dá)到一定程度時，繼續(xù)施用則會消耗更多水分，使土壤貯水量減少。因此，只有適當(dāng)增施有機(jī)肥才可以提高土壤水分，利于作物的生長和發(fā)育，這與前人的研究結(jié)果一致[14，28]。

3.2 化肥配施有機(jī)肥顯著提高了玉米產(chǎn)量

前人研究表明，有機(jī)肥施用可使作物增產(chǎn)9.7%～20.1%[40-41]，秸稈還田使作物增產(chǎn)3.5%～11.4%[30，32]，可見，施用有機(jī)肥對玉米產(chǎn)量的影響大于秸稈還田，這與本研究結(jié)果一致。前人研究還表明，秸稈還田、有機(jī)肥增施，在一定程度上可替代化肥的施用[33]。本研究進(jìn)一步指出，當(dāng)有機(jī)肥用量在零水平時，化肥配施秸稈還田在0.05水平上存在顯著的正交互作用，而當(dāng)秸稈還田量在零水平時，化肥配施有機(jī)肥存在顯著的負(fù)交互作用。由于不同試驗(yàn)?zāi)攴萁邓煌?，產(chǎn)量也大不相同。與2018、2020年相比，2019年降水分別減少220.3、257.9 mm。除2019年外，化肥配施有機(jī)肥對產(chǎn)量的交互作用較大，3因素對產(chǎn)量的交互影響其絕對值大小順序?yàn)閄13＞X12＞X23。說明化肥配施有機(jī)肥對玉米的增產(chǎn)效應(yīng)大于化肥配施秸稈還田。有機(jī)肥和秸稈還田對提高0～200 cm土壤貯水量有較大影響，本研究指出，在保持秸稈還田量不變的情況下，多雨年可適當(dāng)增加化肥，減少有機(jī)肥，以提高降水利用率，進(jìn)而提高產(chǎn)量；而少雨年應(yīng)減少化肥施用，適當(dāng)增施有機(jī)肥，避免加重旱情，造成減產(chǎn)。研究還表明，玉米產(chǎn)量隨著秸稈還田的增加表現(xiàn)出遞減的趨勢，這與劉敏[28]的研究結(jié)果一致。過量的秸稈還田造成減產(chǎn)的原因可能是，土壤中的微生物和作物對氮素吸收利用的競爭作用，使還田的秸稈不能為作物提供足夠的氮素營養(yǎng)，反而會固定土壤中部分礦質(zhì)態(tài)氮，致使作物減產(chǎn)。

3.3 化肥配施有機(jī)肥顯著提高了玉米的水分利用效率

眾多研究表明，施有機(jī)肥可顯著提高作物水分利用效率，但是當(dāng)有機(jī)肥施用過量時，會抑制作物對水分的吸收，降低作物水分利用效率[11-14]。本研究也發(fā)現(xiàn)，增加秸稈還田和增施有機(jī)肥均可提高玉米水分利用效率。但還田量和有機(jī)肥量不是越多越好，當(dāng)施用化肥較多時，即使增施有機(jī)肥水分利用效率也緩慢下降。

因此，應(yīng)適當(dāng)增施有機(jī)肥和秸稈還田，合理減少化肥施用量，即優(yōu)化施肥結(jié)構(gòu)和施肥用量。本研究對改善土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)秸稈和有機(jī)廢棄物的綜合利用，減少環(huán)境污染，以及對黃土旱塬區(qū)作物增產(chǎn)、水分增效和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

4 結(jié)論

適宜的配肥組合可顯著降低土壤容重，增加土壤貯水量，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率。研究提出了玉米化肥減量，有機(jī)肥和秸稈還田替代化肥的最優(yōu)組合為化肥用量795～1061 kg·hm-2、秸稈還田比例69%～89%、有機(jī)肥用量11723～18848 kg·hm-2，預(yù)期玉米產(chǎn)量為13232 kg·hm-2。該組合較單施化肥對照（11729 kg·hm-2）增產(chǎn)12.8%，可減少化肥用量139～405 kg·hm-2。研究突破了生產(chǎn)上單一施用化肥的方式，實(shí)現(xiàn)了秸稈等有機(jī)肥源的綜合利用，為進(jìn)一步完善旱地有機(jī)培肥模式提供了理論及技術(shù)支持。然而，隨著有機(jī)肥和化肥配施年限的增加，對農(nóng)田硝態(tài)氮累積造成的生態(tài)安全還尚不明確，有待進(jìn)一步探討。