南京农业大学学报  2019, Vol. 42 Issue (1): 118-123   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201804012
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李孝良, 胡立涛, 王泓, 张云晴, 吴长昊, 汪建飞
LI Xiaoliang, HU Litao, WANG Hong, ZHANG Yunqing, WU Changhao, WANG Jianfei
化肥减量配施有机肥对皖北夏玉米养分吸收及氮素利用效率的影响
Effects of combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on nutrient uptake and nitrogen utilization efficiency of summer maize in Northern Anhui Province
南京农业大学学报, 2019, 42(1): 118-123
Journal of Nanjing Agricultural University, 2019, 42(1): 118-123.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201804012

文章历史

收稿日期: 2018-04-08
化肥减量配施有机肥对皖北夏玉米养分吸收及氮素利用效率的影响
李孝良1,2 , 胡立涛1 , 王泓1 , 张云晴1 , 吴长昊1 , 汪建飞1,2     
1. 安徽科技学院资源与环境学院, 安徽 凤阳 233100;
2. 农业农村部生物有机肥创制重点实验室, 安徽 蚌埠 233400
摘要[目的]针对皖北小麦玉米轮作区化肥过量施用和有机废弃物资源利用低的现状,探讨了皖北地区夏玉米化肥减量与有机肥配合施用的可行性及化肥减量比例。[方法]采用田间试验,研究100%化肥(NPK)、有机肥(OF)、化肥减量(0%、20%、40%)配施有机肥(OF100、OF80和OF60)对夏玉米养分吸收和氮素利用效率的影响。[结果]施肥可改善玉米各生育期营养状况,提高玉米N、P、K养分吸收量。与NPK处理比较,OF60、OF80和OF100处理100 kg籽粒产量所需要的N含量分别下降0.04、0.13和0.27 kg,所需K2O含量下降0.19、0.13和0.25 kg,所需P2O5含量基本持平。与NPK处理相比,OF80处理玉米孕穗期至收获期地上部植株N、P、K养分吸收量占玉米整个生育期地上部植株N、P、K吸收总量的比例提高3.2%、11.8%、9.1%,产量显著提高9.7%,肥料总氮利用率、化肥氮利用率、肥料总氮农学利用率、化肥氮农学利用率、肥料总氮偏生产力、化肥氮偏生产力分别显著提高6.4%、7.4%、4.6 kg·kg-1、3.1 kg·kg-1、6.7 kg·kg-1、13.3 kg·kg-1[结论]皖北夏玉米种植以化肥减量20%配施有机肥处理,即基肥施用有机肥1 500 kg·hm-2,无机复混肥600 kg·hm-2,追肥尿素90 kg·hm-2较为适宜。
关键词化肥减量   养分吸收   氮素利用效率   砂姜黑土   夏玉米   
Effects of combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on nutrient uptake and nitrogen utilization efficiency of summer maize in Northern Anhui Province
LI Xiaoliang1,2 , HU Litao1, WANG Hong1, ZHANG Yunqing1, WU Changhao1, WANG Jianfei1,2    
1. College of Resource and Environment, Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100, China;
2. Key Laboratory of Bio-organic Fertilizer Creation, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Bengbu 233400, China
Abstract: [Objectives] Aiming at the situation of excessive application of chemical fertilizer and lower utilization of organic waste resources in wheat-maize rotation region of Northern Anhui Province, we discussed the feasibility and the ratio of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure in summer maize. [Methods] The effects of 100% chemical fertilizer(NPK), organic manure(OF), the combination of chemical fertilizer reduction(0%, 20%, 40%) with organic manure(OF100, OF80 and OF60) on nutrient absorption and nitrogen utilization efficiency of summer maize were studied by field experiment. [Results] Fertilization could improve the nutrient status and increase N, P and K nutrient uptake at different growth stages of maize. Compared with the NPK treatment, the N requirement of the OF60, OF80 and OF100 treatment to form 100 kg grain yield decreased 0.04, 0.13 and 0.27 kg, respectively, the K2O requirement reduced 0.19, 0.13 and 0.25 kg, respectively, and the P2O5 requirement was basically flat. Compared with the NPK treatment, the OF80 treatment could increase the percentage of N, P and K uptake of maize aerial part at booting stage to harvest period of the total absorption in the whole maize growth period 3.2%, 11.8% and 9.1%, respectively; significantly increase the maize yield by 9.7%;significantly increase the total N utilization rate, chemical fertilizer N utilization rate, total N agronomic efficiency, chemical fertilizer N agronomic efficiency, total N partial factor productivity and chemical fertilizer N partial factor productivity 6.4%, 7.4%, 4.6 kg·kg-1, 3.1 kg·kg-1, 6.7 kg·kg-1, 13.3 kg·kg-1, respectively. [Conclusions] Comprehensive consideration, the suitable fertilization management model of summer maize in Northern Anhui Province is the combination of chemical fertilizer reduction 20% with organic manure(OF80), i.e. 1 500 kg·hm-2 organic manure and 600 kg·hm-2 inorganic compound fertilizer as basic fertilizer, and 90 kg·hm-2 urea as top dressing.
Keywords: chemical fertilizer reduction    nutrient uptake    nitrogen utilization efficiency    lime concretion black soil    summer maize   

皖北为我国"第二粮仓"黄淮南片粮食重要产区和安徽省粮食主产区[1]。化肥施用为皖北粮食增产做出重要贡献, 也带来皖北主要土壤类型——砂姜黑土的酸化、板结、污染等环境问题[2-3]。现有研究表明, 有机肥与化肥配施是砂姜黑土的最佳培肥模式[4], 单施有机肥次之, 而长期单施化肥或者不施肥则会导致土壤肥力下降[5]。施用有机肥可有效改善砂姜黑土理化性质, 显著降低土壤容重, 增加饱和含水量、田间持水量, 提高耕层土壤总孔隙度, 提升有机质含量[6], 提高砂姜黑土微生物数量和酶活性[7]。砂姜黑土区有机肥与无机肥配施能提高作物产量, 增强产量稳定性[4, 8], 提高水分利用效率[9]。然而, 在目前高产创建与化肥减量增效的背景下, 砂姜黑土化肥减量与有机肥配合施用的可行性及减量比例的研究还相对较少。因此, 本文通过田间试验, 研究皖北砂姜黑土区有机肥与不同比例减量化肥配施对玉米养分吸收及氮素利用率的影响, 探讨砂姜黑土玉米种植适宜的化肥减量比例, 为黄淮南片玉米种植化肥减量增效技术的推广应用提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 研究区域概况

试验田位于安徽省宿州市淮河种业有限公司示范基地, 东经117°04'26″, 北纬33°41'32″, 海拔43 m, 为华北暖温带半湿润季风气候, 年均气温15 ℃, 年降雨量约1 000 mm。试验区土壤类型为砂姜黑土, 质地为黏壤土, 耕层土壤pH值7.91, 有机碳含量6.21 g·kg-1, 全氮含量0.941 g·kg-1, 碱解氮含量80.2 mg·kg-1, 有效磷含量28.8 mg·kg-1, 全钾含量51.6 g·kg-1, 速效钾含量241 mg·kg-1

1.2 供试材料

玉米品种为'淮海26’。供试肥料为无机复混肥[m(N):m(P2O5):m(K2O)=25:13:7]、商品有机肥[m(N):m(P2O5):m(K2O)=2:1.1:1.9, 有机质≥45%]和尿素(N 46%)。

1.3 试验设计

采用单因素试验, 设置6个处理:空白(CK)、100%化肥(NPK)、有机肥(OF)、有机肥+100%化肥(OF100)、有机肥+80%化肥(OF80)、有机肥+60%化肥(OF60), 每个处理3次重复, 随机排列(表 1)。于2016年6月18日进行试验。小区面积为200 m2, 在秸秆粉碎还田基础上一次性施入基肥, 通过旋耕的方式让基肥与土壤充分混匀。于6月19日进行机械播种, 行距0.60 m, 株距0.24 m, 每公顷基本苗为67 500株。于7月26日玉米大喇叭口期趁雨根部撒施追肥。于10月10日玉米收获时测产。玉米田间管理、病虫害防治按常规进行。

表 1 皖北夏玉米化肥减量配施有机肥田间试验方案设计 Table 1 The field experiment designs of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure in Northern Anhui Province
kg·hm-2
处理
Treatment
化肥
Chemical fertilizer
有机肥
Organic manure
追肥(尿素)
Top dressing(urea)
CK 空白Non-fertilizer 0 0 0
NPK 100%化肥Chemical fertilizer 750 0 112.5
OF 有机肥Organic manure 0 1 500 0
OF60 有机肥+60%化肥Organic manure and 60% chemical fertilizer 450 1 500 67.5
OF80 有机肥+80%化肥Organic manure and 80% chemical fertilizer 600 1 500 90.0
OF100 有机肥+100%化肥Organic manure and 100% chemical fertilizer 750 1 500 112.5
1.4 样品采集、分析与测定项目

分别于7月15日(苗期)、8月3日(拔节期)、9月13日(孕穗期)、10月10日(收获期)采集玉米地上部植株样品5株, 于115 ℃杀青, 65 ℃烘干, 测定植株干质量, 粉碎后过0.5 mm筛, 测定氮、磷、钾养分含量, 其中收获期样品分别测定秸秆和籽粒的生物量与养分含量。于玉米收获期小区分5点, 每点收取行长为2 m玉米穗, 考种计产。

植株氮、磷、钾含量的测定[10]:植株样品经H2SO4-H2O2消煮, 采用定氮仪蒸馏滴定法测定全氮含量, 采用钼蓝比色法测定全磷含量, 采用火焰光度计法测定全钾含量。

单株玉米植株(秸秆、籽粒)氮(磷、钾)积累量(g)=玉米植株(秸秆、籽粒)干质量×植株(秸秆、籽粒)氮(磷、钾)含量。

单株玉米生育期氮(磷、钾)吸收量(g)=该生育期玉米氮(磷、钾)积累量-前一生育期玉米氮(磷、钾)积累量。

100 kg籽粒产量养分(N、P2O5、K2O)吸收量(kg)=100×玉米养分(N、P2O5、K2O)积累量/玉米产量。

肥料总氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-CK植株氮积累量)/施氮总量×100。

肥料总氮农学利用率(kg·kg-1)=(施氮处理籽粒产量-CK籽粒产量)/施氮总量。

肥料总氮偏生产力(kg·kg-1)=籽粒产量/施氮总量。

氮素收获指数=籽粒氮积累量/植株氮积累量

化肥氮利用率(%)=(施氮处理植株氮积累量-对照植株氮积累量)/化肥氮施用量×100。

化肥氮农学利用率(kg·kg-1)=(施氮处理籽粒产量-对照籽粒产量)/化肥氮施用量。

化肥氮偏生产力(kg·kg-1)=籽粒产量/化肥氮施用量。

其中:化肥氮计算时, NPK处理的对照为CK, OF100、OF80、OF60处理的对照为OF。

1.5 数据处理方法

采用Excel 2007和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析, 差异显著性测验采用LSD法。

2 结果与分析 2.1 化肥减量配施有机肥对玉米氮、磷、钾含量的影响

图 1可知:随玉米生育进程的推进, 地上部植株中N、P、K养分含量呈降低趋势。玉米拔节期、孕穗期、收获期地上部植株中氮平均含量分别为20.0、12.3和8.8 mg·g-1, 为苗期氮平均含量的53.6%、32.9%和23.5%;磷平均含量分别为2.8、1.6和1.1 mg·g-1, 为苗期磷平均含量的66.6%、39.0%和26.1%;钾平均含量为26.0、15.0和9.6 mg·g-1, 为苗期钾平均含量的87.6%、50.3%和32.3%。玉米地上部养分含量受植株营养体干物质累积速度和养分吸收速度影响[11]。各生育期玉米地上部氮、磷、钾含量OF100、OF80、NPK处理均较高, 而CK、OF处理较低。

图 1 化肥减量配施有机肥对玉米地上部氮、磷、钾含量的影响 Fig. 1 Effect of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on N, P and K contents in maize 不同字母表示处理间在0.05水平差异显著。下同。 Different letters indicate significant difference in different treatment at 0.05 level. The same as follows.
2.2 化肥减量配施有机肥对玉米氮、磷、钾积累量的影响

图 2可知:玉米养分积累量随玉米生育进程呈增加趋势。玉米苗期、拔节期、孕穗期地上部植株中氮平均积累量分别为0.955、1.493和2.073 g, 为玉米生育期氮平均积累总量(收获期积累量)的33.5%、52.3%和72.7%;磷平均积累量分别为0.106、0.200和0.272 g, 为玉米生育期磷平均积累总量的29.8%、56.3%和76.7%;钾平均积累量为0.754、1.909和2.497 g, 为玉米生育期钾平均积累总量的24.3%、61.5%和80.5%。养分积累量是玉米干物质量和养分含量的综合作用, 肥料施用可显著提高玉米各生育期地上部植株N、P、K积累量。玉米地上部各生育期N、P、K养分积累量以OF100、OF80、NPK处理较高, 以CK、OF处理较低。适当比例的化肥减量配施有机肥, 可有效增加玉米生育后期的N、P、K养分积累量。OF80处理玉米孕穗期至收获期地上部植株N、P、K养分吸收量占玉米整个生育期地上部植株N、P、K积累总量的比例较NPK处理提高了3.2%、11.8%和9.1%, 有效改善了玉米生育后期营养状况。

图 2 化肥减量配施有机肥对玉米地上部氮、磷、钾积累量的影响 Fig. 2 Effect of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on accumulation amount of N, P and K in maize

表 2可知:肥料施用可显著提高玉米成熟期籽粒氮积累量和秸秆氮积累量, 秸秆氮积累量以OF80、OF60、OF100处理较高, 籽粒氮积累量以NPK、OF80、OF100处理较高。与CK相比, 施肥处理玉米氮素收获指数呈降低趋势, 且化肥减量配施有机肥处理(OF80、OF60)显著降低玉米氮收获指数。

表 2 化肥减量配施有机肥对玉米氮收获指数的影响 Table 2 Effect of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on N harvest index of maize
处理
Treatment
秸秆氮积累量/g
Straw N accumulation amount
籽粒氮积累量/g
Grain N accumulation amount
氮素收获指数
N harvest index
CK 0.672±0.050c 1.381±0.091c 0.673±0.014a
NPK 1.086±0.090b 2.134±0.110a 0.663±0.025a
OF 0.746±0.060c 1.442±0.097c 0.659±0.022a
OF60 1.147±0.100ab 1.947±0.135b 0.629±0.033b
OF80 1.223±0.104a 2.123±0.165a 0.634±0.029b
OF100 1.101±0.081ab 2.119±0.106a 0.658±0.015a
2.3 化肥减量配施有机肥对玉米产量形成过程中养分累积的影响

表 3可知:肥料施用可显著提高皖北夏玉米产量和N、P、K养分吸收总量。OF80处理玉米产量较NPK处理增加9.7%, N、P、K养分积累总量呈增加趋势。单位籽粒产量需要吸收的N、P2O5、K2O量受施肥等环境因素影响, '淮海26’形成100 kg籽粒产量养分(N、P2O5、K2O)平均吸收量分别为2.25、0.64和2.95 kg, 不同施肥处理间差异显著。与NPK处理相比, 化肥减量配施有机肥处理OF60、OF80、OF100形成100 kg籽粒产量所需要的N含量分别下降了0.04、0.13和0.27 kg, 需要K2O含量下降了0.19、0.13和0.25 kg, 需要P2O5含量基本持平。考虑到供试砂姜黑土钾素丰富, 以K2O为基数来计算N、P、K养分吸收比例, 供试玉米N、P2O5、K2O的吸收比例为0.77:0.22:1(质量比)。氮素吸收比例以OF处理最低, 磷素吸收比例以CK处理最低。肥料施用可提高供试玉米磷素吸收比例, 改善玉米磷素营养状况; OF处理玉米磷素吸收比例低于NPK、OF60、OF80和OF100处理。相对于NPK处理, OF100和OF80处理降低了玉米氮素吸收比例, 而OF60处理玉米氮素吸收比例高于NPK处理。

表 3 化肥减量配施有机肥对玉米收获期养分吸收的影响 Table 3 Effect of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on nutrient uptake of maize at harvest stage
处理
Treatment
产量/ (kg·hm-2)
Yield
N吸收总量/ (kg·hm-2)
Total N uptake amount
P吸收总量/ (kg·hm-2)
Total P uptake amount
K吸收总量/ (kg·hm-2)
Total K uptake amount
每100 kg籽粒N吸收量/kg
N uptake per 100 kg grain yield
每100 kg籽粒P2O5吸收量/kg
P2O5 uptake per 100 kg grain yield
每100 kg籽粒K2O吸收量/kg
K2O uptake per 100 kg grain yield
N:P2O5:K2O
CK 6 003d 131.0c 14.0d 141.2d 2.18c 0.54b 2.82b 0.78:0.19:1
NPK 8 588b 207.5ab 25.0ab 220.2a 2.42a 0.67a 3.08a 0.81:0.23:1
OF 6 753c 140.6c 18.4c 176.5c 2.08d 0.62ab 3.14a 0.66:0.20:1
OF60 8 337b 198.6b 24.2b 201.0b 2.38ab 0.66a 2.89b 0.83:0.23:1
OF80 9 422a 216.0a 26.7ab 231.8a 2.29b 0.65a 2.95ab 0.78:0.22:1
OF100 9 672a 208.2ab 28.8a 227.7a 2.15cd 0.68a 2.83b 0.76:0.24:1
2.4 化肥减量配施有机肥对玉米氮素利用效率的影响

表 4可知:除OF100处理肥料总氮利用率和化肥氮利用率低于NPK处理外, OF80以及OF60处理显著提高肥料总氮利用率和化肥氮利用率, 分别比NPK处理提高了7.0%和6.4%以及8.4%和7.4%。化肥减量配施有机肥可显著提高肥料总氮农学利用率和化肥氮农学利用率。OF80处理总氮农学利用率和化肥氮农学利用率较高, 较NPK处理分别提高了4.6和3.1 kg·kg-1。OF60以及OF80处理显著提高肥料总氮偏生产力和化肥氮偏生产力, 较NPK处理提高了12.1和6.7 kg·kg-1以及23.3和13.3 kg·kg-1

表 4 化肥减量配施有机肥对玉米氮素利用效率的影响 Table 4 Effect of the combination of chemical fertilizer reduction with organic manure on N utilization efficiency of maize
处理
Treatment
氮吸收总量/ (kg·hm-2)
Total N uptake amount
化肥氮施用量/ (kg·hm-2)
Chemical fertilizer N application
总氮施用量/ (kg·hm-2)
Total N application
化肥氮利用率/%
Chemical fertilizer N utilization rate
总氮利用率/%
Total N utilization rate
化肥氮农学利用率/(kg·kg-1)
Chemical fertilizer N agronomic efficiency
总氮农学利用率/(kg·kg-1)
Total N agronomic efficiency
化肥氮偏生产力/(kg·kg-1)
Chemical fertilizer N partial factor productivity
总氮偏生产力/ (kg·kg-1)
Total N partial factor productivity
CK 131.0c 0.0 0.0
NPK 207.5ab 239.3 239.3 32.0b 32.0b 10.8b 10.8d 35.9c 35.9d
OF 140.6c 0.0 30.0 32.0b 25.0a 225.1a
OF60 198.6b 143.6 173.6 40.4a 39.0a 11.0b 13.4c 58.1a 48.0b
OF80 216.0a 191.4 221.4 39.4a 38.4a 13.9a 15.4b 49.2b 42.6c
OF100 208.2ab 239.3 269.3 28.3c 28.7c 12.2ab 13.6c 40.4c 35.9d
3 讨论

生育期养分供应是玉米产量形成的基础, 而玉米养分吸收受到肥料运筹[12]、水肥管理[13]等多方面影响。有机肥具有养分完全、改善土壤理化性质、提高作物品质、肥效期长等优点[14]。近年来, 利用有机肥部分替代化肥在小麦、玉米等多种作物上的试验是可行的[15-16]。刘占军等[17]研究表明, 在氮、磷、钾用量一致的基础上, 用30%有机肥氮替代化肥氮与100%化肥氮处理的玉米产量相当, 对氮素利用效率也没有影响, 并降低收获期土壤无机氮含量, 是吉林春玉米氮素管理的有效途径。研究认为, 有机无机肥配合施用显著提高玉米产量和氮素回收率[12]。本研究也表明, 化肥减量20%配施有机肥处理(OF80), 可改善玉米生育后期营养状况; 玉米孕穗期至收获期地上部植株N、P、K养分吸收量占整个生育期地上部植株N、P、K积累总量的比例较无机肥处理(NPK)提高了3.2%、11.8%和9.1%, 玉米产量提高了9.7%, 肥料总氮利用率提高了6.4%, 化肥氮利用率提高了7.4%。

有机肥与化肥的配施提高了肥料利用率, 可降低化肥的施用量, 但并不是化肥减量越多越好, 不同作物对有机肥的需求存在一个最佳比例[18]。赵军等[15]研究表明, 3 600 kg·hm-2猪粪有机无机复合肥替代70%常规化肥施用量处理能够提高作物产量, 是一种具有培育高产土壤微生物区系潜力的施肥措施。刘盼盼等[16]研究表明, 在皖北麦玉轮作体系, 在秸秆还田的基础上, 施用3 000~6 000 kg·hm-2有机肥料, 减少30%~50%的化肥用量, 对小麦、玉米产量没有显著影响。本研究表明, 在施用有机肥1 500 kg·hm-2基础上, 减少20%的化肥用量, 可显著提高玉米产量、肥料总氮和化肥氮利用率、农学利用率、偏生产力, 具有明显的经济、环境效益, 适宜在皖北夏玉米中推广应用。

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