增施有机肥可少用一半化肥并维持最高的玉米产量.doc

增施有机肥可少用一半化肥并维持最高的玉米产量 高投入、高产出和高效率为现代农业的主要特征。为保证高产，需要向耕地持续投入大 量化肥 。但是，滥施化肥不但不能有效增产反而会导致土壤理化性状改变，造成严重的 环境污染。以氮肥为例，我国是世界上最大的氮肥生产与消费国，早在 1998 年我国农业 化学氮肥施用量就已突破 2.47107 t，占世界同期氮肥用量的 29.7%。目前，我国化肥平均 施用量达 434.3 kg hm-2，是国际化肥安全施用上限(225 kg hm-2)的 1.93 倍，但利用率仅为40%左右, 其余 60%的化肥贡献给了土壤和地下水。农产种植成本大幅上升、品质下降及 种地效益下降等负面问题的出现，也给化肥农业带来挑战。大量化肥引起生态环境恶化，已 经成为全球生态问题，受到广泛关注。 具有“长效肥料”之称的有机肥, 具有养分齐全、平衡、稳肥性好、后效长的优点。长期施用有机肥可改良土壤团块结构；提高土壤有机质含量；改善土壤理化性质；增加土壤生 物多样性；减少土壤对氮磷钾的固定，显着提高土壤肥力。有机肥中的碳水化合物，在分解 过程中释放出热量，有利于提高地温，改良土壤耕性，延长土壤适耕期。有机肥亦是我 国传统的农家肥料，50年代初，全国有机肥料占总用肥量的99%以上，近年来，由于化肥的 大量使用，有机肥占总用肥的比例下降到30%以下，导致耕地越种越瘦。针对化肥和农药给生态环境和农产品所带来的诸多问题，国内外学者提出了许多替代模 式，寻求农业持续发展的新途径，其共同特点是保护环境，减少化肥、农药的施用，最大限 度地依靠有机肥来培肥土壤，保持肥力，持续供给农作物养分。但是，在中国具体应用成功的例子依然较少，其原因是对有机肥使用效果缺乏系统的试验证据。如何尽可能多地将农业和生活有机质废物投入再循环，在保障粮食安全的同时，减少化肥用量，改善农业生态环境是本研究的切入点。本研究的科学假设是，如果秸秆中的养分通过动物过腹还田，粮食带走的养分不能有效还田，可通过增施化肥解决，按照粮食与秸秆比例为 1:1 计算，与现行的化肥施用量相比，仅施加一半的化肥即可保证粮食产量不下降，甚至因改造了土壤理化和生物性质，产量还可略有提高。本研究通过常规玉米在大田条件下试验，增加有机肥减少化肥用量，并保证玉米高产稳产，为高产、优质、生态、安全粮食生产提供科学依据。 2. 材料和方法2.1 试验设计本试验于 2005 年 10 月2007 年 11 月在山东省泰安市山东农业大学玉米科技园(E1179，N369) 进行，试验地所在区域为暖温带大陆性半湿润季风气候区，年平均气温13，平均降水量 675.3 毫米, 年均日照时数 2527.9 小时，年日照百分率 58.3%，年内无霜期 200 多天。采用裂区设计，有机肥用量为主区，肥料梯度依次为 0（M1）, 75（M2）, 150（M3）t hm2； 化肥处理为副区，化肥用量（单位 kg hm2）为，F1 (N 84; P2O5 28; K2O 67)、F2 (N168; P2O556; K2O 134)、F3(N336; P2O5 112; K2O 268)，共 9 个处理，栽植小区面积为 27m2，小区之间设 50cm 宽保护行，3 次重复。 供试材料为普通玉米(Zea mays L.)郑单 958，行距 67cm、株距 25cm，种植密度为 60000 株hm2，开沟穴播，每穴 2 粒，播种深度为 5cm，其它管理措 施同常规大田。考虑到今后发展秸秆畜牧业“过腹还田”，有机肥采用半熟的牛粪。化肥中氮肥为尿素及 磷酸二铵（(NH4)2HPO4），磷肥为磷酸二铵（(NH4)2HPO4），钾肥为硫酸钾(K2SO4)。氮肥分 两次施用，播种前基施总量的 1/3，大口期施 2/3，有机肥及磷、钾肥播种前一次性基施。两 年试验结果趋势基本一致，表现出很好的重复性。本文以 20062007 年度试验数据进行分析。2.2 叶面积指数叶面积指数的测定采用叶面积指数法10，测量每片叶的叶长（L），以叶片最宽处的宽 度作为叶宽(W)，计算单株叶面积(LA)、叶面积指数(LAI)：单株叶面积(LA)=LW0.75叶面积指数(LAI)=单株叶面积单位土地面积株数/单位土地面积2.3 生物量及干物质分配在玉米关键生育时期取样，大喇叭口期分茎秆和叶片两部分，抽雄期分茎秆、叶片、苞 叶和穗轴四部分，成熟期分茎秆、叶片、穗轴、苞叶、籽粒五部分，于干燥箱 105杀青 30min 后，80烘干至恒重，测定干物质积累量。 2.4 数据分析本试验分 9 个小区 3 次重复。数据分析采用 Microsoft Excel 2000 和 DPS7.5 统计分析软 件进行数据处理和差异性检验，多重比较运用 LSD 法。采用 SigmaPlot10.0 绘制图形。当 P0.05 时，视各处理之间的差异为显着。3. 结果3.1 叶面积指数的动态变化由表 1 可以看出，有机肥处理的玉米叶面积指数显着高于不施有机肥处理组，其中大喇 叭口期和成熟其均以 M3（150 thm2）处理最高，分别高出平均值 7%和 8%。不施有机肥时， 抽雄期和成熟期叶面积指数均以 F2 处理略高，分别高出平均值 3%和 5%，统计检验不显 着。有机肥施用量 M2（75 thm2）水平下，F1 和 F3 处理的叶面积指数极显着高于 F2 处理，3 个时期 F2 处理的叶面积指数分别较均值低 6%、19%和 7%。随着生育期延长，玉米叶面积指数均呈下降趋势，即使如此，在有机肥施用量为 75 thm-2 的条件下，正常化肥用量 F3处理的玉米叶面积指数依然表现最大。有机肥 M3 水平下，叶面积指数以 F1 处理最高，但 随生育进程推进，从抽雄至成熟期的叶面积指数以 F2 处理的变化幅度最小，为 4.64.8，而F1 和 F3 的变化幅度分别为 4.95.7 和 4.65.2。 3.2干物质积累量动态变化 表 2 显示，有机肥施用量 M1 处理下的玉米单株干物质积累量显着低于 M1 和 M2 处理。 在 M1 水平下，大喇叭口期干物质积累量以 F3 为最高，F2 与 F3 处理无显着差异；抽雄期 化肥处理间的干物质积累量差异表现为 F1F3F2；成熟期化肥处理间的干物质积累量差异 表现为 F1F3F2，差异达极显着水平。M2 水平下，大喇叭口期和抽雄期化肥处理间的差 异表现一致，F2F3F1；成熟期干物质积累量 F2 与 F3 处理之间无显着差异，但极显着高 于 F1 处理（P0.0001），说明在有机肥用量为 75kghm-2 时，常规化肥用量减半不会降低成 熟期的干物质积累。M3 水平下，大喇叭口期和抽雄期干物质积累以 F3 处理最高，较该条 件下均值分别高出 4%和 6%；成熟期干物质量 F2 与 F3 无显着差异，但显着高于 F1 处理； 且成熟期 M3 与 M2 条件下的干物质无显着差异(P0.05)，说明有机肥施用量达到 M3 水平 对干物质积累量无显着影响，高于 M2 有机肥水平的有机肥为无效投入。3.3干物质在不同器官中的分配 由图 1 可以看出，成熟期叶片干物质分配量随有机肥施用量的增加而增加。不施有机肥 时，F1 处理的叶片干物质分配量高于其它两个处理；有机肥 M2 水平下，干物质分配量 F1 图 1 成熟期干物质在各器官中的分配量 Fig.1.Amount of dry matter distribution in different organs at maturity 不施有机肥的 M1 处理中，玉米茎干物质分配量显着低于施有机肥的 M2 和 M3 处理。有机肥 M1 水平下，分配到茎中的干物质随化肥施用量的增加而降低；有机肥 M2 水平下，茎干物质分配量在化肥处理间的差异表现为 F3F1F2；而在有机肥施用量 M3 水平下，F1处理的茎干物质分配量显着低于 F2 和 F3 处理，但 F2 与 F3 处理之间无显着差异。不同配 施处理比较，M2F3、M3F2 和 M3F3 无显着差异，但高于其它处理；其次为 M2F1 和 M3F1 处理，M2F2 与 M1F1 处理无显着差异，M1F2 处理较低，M1F3 最低。苞叶+穗轴的干物质分配量在 M1、M2、M3 水平下分别为 49.9gstalk-1、51.4 gstalk-1、54.8 gstalk-1。M1 水平下，苞叶+穗轴的干物质分配量 F1F3F2；M2 水平下，苞叶+穗轴 的干物质分配量随化肥用量的增加呈递增趋势；M3 水平下，F3 处理获得了最高的干物质分 配量，F1 与 F2 处理无显着差异。不同配施处理间比较，处理间差异表现为 M1F1、M2F3、 M3F3M3F1、M3F2、M2F2M1F3M2F1M1F2(P0.001)。单株籽粒干物重以有机肥 M1 处理最低，M2 与 M3 之间无显着差异。有机肥施用量M1 水平下，F1 与 F3 处理无显着差异，但显着高于 F2 处理；M2 水平下，M2F2M2F1、 M2F3；M3 水平下，M3F2M3F1、M3F3。不同配施处理间比较，处理间籽粒干物重差异表 现为 M2F2、M3F2 M2F1、M2F3、M3F1、M3F3、M1F1、 M1F3M1F2。说明不施有机 肥时，不施化肥和正常化肥用量均利于籽粒干物重的提高，而化肥用量为正常用量一半的处 理对籽粒干物重无显着影响；在有机肥用量 75thm-2 和 150 thm-2 条件下，化肥用量降低到 正常用量一半的处理获得了最高的籽粒干物重；但增加有机肥用量一倍对籽粒干物重无显着影响。3.4 不同器官干物质分配量的相关性分析表 3 显示，叶片干物质分配量与茎杆的干物质分配量呈极显着正相关；叶片、茎干物质分配量与单株总干物质积累量呈极显着正相关，相关系数达 0.91 和 0.92；苞叶+穗轴和籽粒 的干物质分配量与单株总干物质积累量呈显着正相关；籽粒干物质分配量与叶片的干物质分 配量呈显着正相关。说明在试验条件下，郑单 958 的籽粒产量主要取决于光合光能器官叶 片的干物质分配量，植株总重则主要决定于叶片和茎杆的干物质分配量，其次取决于籽粒和 苞叶+穗轴的干物质分配量。 3.5 不同处理玉米籽粒产量的差异 由图 2 可以看出，不施有机肥时，籽粒产量以 F2 处理最低；在 M2 和 M3 水平下，则 以 F2 处理的籽粒产量最高，分别为 1288.4 kghm-2 和 12491.4 kghm-2。但总的看来，施有机 肥条件下化肥用量为常规用量的一半时产量最高。以上说明有机肥用量为 75 kghm-2 即可获 得玉米高产，有机肥用量再增加至 150 kghm-2 对产量无益，增加的 75 kghm-2 有机肥为无效 投入。4. 讨论现代农业对化肥的长期依赖，将制约农业的可持续发展。改良耕地质量的重点应当定位在 “减化肥、增粪肥”。提高光合产物的循环利用可有效提高“粮食”产量，这不仅没有环境 风险，而且解决了棘手的乡村环境问题和农业的可持续发展问题11。理论上，秸秆中含有 的物质和能量与粮食不相上下，关键一环是通过牲畜转换，即生态学上的初级生产和次级生产链接。如果通过一定的技术措施实现秸秆“过腹还田”，如加工成微储秸草12为牲畜提供饲 料，进而增加有机肥，地会越种越肥，化肥用量必然下降，对水的需求也将减少，从而大大 降低种植业成本13。有人在水稻上研究表明适当减少氮肥用量可一定程度上提高产量14， 但是通过严格试验检验上述科学假说的研究工作较少报道。本文研究发现，在有机肥施用量75thm-2 前提下，在目前基础上减少一半化肥用量，玉米籽粒产量仍高于施常规化肥量的籽粒产量（图 2），但当有机肥施用量增加至 150 thm-2 时，籽粒产量无显着增加，化肥利用率 大幅度降低，这说明粮食生产中减少化肥投放量的空间很大。据初步估计，如将全国 50%的秸秆利用起来，可增加牛粪 32.8 亿38.3 亿吨，折合 2835 万3310 万吨硫酸胺。如果坚持不懈地用有机肥养地，减少化肥用量，则一些温带和湿润 地区的盐碱地、丘陵地带等中低产田可变为高产田或中产田，这样，我国粮食生产的压力就大为减小了。目前我国农民每公顷耕地肥料投入比欧洲农民多 208 元，但粮食生产能力只相当于欧洲国家的 60%70%。由于不合理施肥，国家每年浪费性化肥投入高达 1400 亿元。 事实上，中国农民使用的化肥中，60%左右没有利用并对环境造成危害15。有人研究发现16， 由于长年过量施肥，每公顷氮(N)盈余 127 kg， 损失 267kg，其中氨挥发和淋洗的氮损失分 别高达 143kg 和 102kg,，对环境安全构成了严重威胁。本研究表明，有机肥施用量 M1 处 理下的玉米单株干物质积累量低于 M1 和 M2 处理；在有机肥用量为 75kghm-2 时，常规化 肥用量减半不会降低玉米成熟期的干物质积累，大喇叭口期和抽雄期的干物质均以 F2 处理的最高，成熟期 F2 与 F3 无显着差异（P0.05）；当有机肥用量由 75 thm-2 增至 150 thm-2时，干物质积累量并无显着变化，说明有机肥施用超过一定量会出现报酬递减现象。 长期施用有机肥可改良土壤理化性质、提高土壤生物活性。施用有机肥后，耕层的土壤容重降低，总孔隙度和土壤吸附力增加17。Witter18通过 30 年的大田试验研究表明，长期 施用有机肥或有机料等提高土壤微生物量。另外，长期使用有机