增施有機(jī)肥可少用一半化肥并維持最高的玉米產(chǎn)量

1、增施有機(jī)肥可少用一半化肥并維持最高的玉米產(chǎn)量    AbstractExcessive  consumption  of  chemical  fertilizer  and  pesticide  leads  to  serious  environmental  pollution,while debases the quality of agricultural ecosystem. To decrease the damage of c

2、hemical fertilizer and maintain  or  increase  the  crop  yield,  straw-fertilizing-field  after  feeding  animals  is  one  important approach. Leaf area index and dry matter accumulation in M2 and M3 treatments were significantly higher&#

3、160; than  that  of  M1  (P<0.05).  When  organic  fertilizer  reached  to  75kg·hm-2,  reduced  a  half  of common  chemical  fertilizer  consumption  realized  not  only  the  high

4、est  dry  matter  accumulation,  but also gained the highest grain yield (12884.4 kg·hm-2). However, when organic fertilizer was added to150  t  ·  hm2,  the  increasing  of  both  grain  yield  and  biomass  b

5、ecome  smaller,  indicating  that  the75kg·hm-2 organic fertilizer increasing at the base of M2 was ineffective. That the treatment of M2F2 gained  the  highest  yield  might  be  due  to  modest  proportion  of  dry

6、0; matter  distribution  in  different organs, achieving the harmonization of source, sink and flow. Those factors together benefited for thetransportation  of  photosynthate  to  grain.  This  research  could  provide  a  useful 

7、 reference  for  usingchemical  fertilizer  reasonably  and  lessening  environmental  pollution  while  guaranteeing  the  grain safety.   Keywords: organic fertilizer; mineral fertilizer; maize; leaf area index; dry matter accumulati

8、on; yield   1.  引言高投入、高產(chǎn)出和高效率為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要特征。為保證高產(chǎn)，需要向耕地持續(xù)投入大 量化肥 1。但是，濫施化肥不但不能有效增產(chǎn)反而會導(dǎo)致土壤理化性狀改變，造成嚴(yán)重的 環(huán)境污染。以氮肥為例，我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)與消費(fèi)國2，早在 1998  年我國農(nóng)業(yè) 化學(xué)氮肥施用量就已突破 2.47×107 t，占世界同期氮肥用量的 29.7%3。目前，我國化肥平均 施用量達(dá) 434.3 kg hm-2，是國際化肥安全施用上限(225 kg hm-2)的 1.93 倍，但利用率僅為40%左右,  其余 60%的化肥貢獻(xiàn)給了土壤

9、和地下水4。農(nóng)產(chǎn)種植成本大幅上升、品質(zhì)下降及 種地效益下降等負(fù)面問題的出現(xiàn)，也給化肥農(nóng)業(yè)帶來挑戰(zhàn)。大量化肥引起生態(tài)環(huán)境惡化，已 經(jīng)成為全球生態(tài)問題，受到廣泛關(guān)注5。具有“長效肥料”之稱的有機(jī)肥,  具有養(yǎng)分齊全、平衡、穩(wěn)肥性好、后效長的優(yōu)點(diǎn)6。長期施用有機(jī)肥可改良土壤團(tuán)塊結(jié)構(gòu)；提高土壤有機(jī)質(zhì)含量；改善土壤理化性質(zhì)；增加土壤生 物多樣性；減少土壤對氮磷鉀的固定，顯著提高土壤肥力。有機(jī)肥中的碳水化合物，在分解 過程中釋放出熱量，有利于提高地溫，改良土壤耕性，延長土壤適耕期7，8。有機(jī)肥亦是我 國傳統(tǒng)的農(nóng)家肥料，50年代初，全國有機(jī)肥料占總用肥量的99%以上，近年來，由于化肥的 大量使用，

10、有機(jī)肥占總用肥的比例下降到30%以下7，導(dǎo)致耕地越種越瘦。針對化肥和農(nóng)藥給生態(tài)環(huán)境和農(nóng)產(chǎn)品所帶來的諸多問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多替代模 式，尋求農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的新途徑，其共同特點(diǎn)是保護(hù)環(huán)境，減少化肥、農(nóng)藥的施用，最大限 度地依靠有機(jī)肥來培肥土壤，保持肥力，持續(xù)供給農(nóng)作物養(yǎng)分9。但是，在中國具體應(yīng)用成 功的例子依然較少，其原因是對有機(jī)肥使用效果缺乏系統(tǒng)的試驗證據(jù)。如何盡可能多地將農(nóng) 業(yè)和生活有機(jī)質(zhì)廢物投入再循環(huán)，在保障糧食安全的同時，減少化肥用量，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán) 境是本研究的切入點(diǎn)。本研究的科學(xué)假設(shè)是，如果秸稈中的養(yǎng)分通過動物過腹還田，糧食帶 走的養(yǎng)分不能有效還田，可通過增施化肥解決，按照糧食與秸

11、稈比例為 1:1 計算，與現(xiàn)行的 化肥施用量相比，僅施加1半的化肥即可保證糧食產(chǎn)量不下降，甚至因改造了土壤理化和生物性質(zhì)，產(chǎn)量還可略有提高。本研究通過常規(guī)玉米在大田條件下試驗，增加有機(jī)肥減少化肥用量，并保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全糧食生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。 2. 材料和方法2.1 試驗設(shè)計本試驗于 2005  年 10  月2007  年 11  月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米科技園(E117°9，N36°9)  進(jìn)行，試驗地所在區(qū)域為暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫13，平均降水量 675.3 毫米,&

12、#160; 年均日照時數(shù) 2527.9 小時，年日照百分率 58.3%，年內(nèi)無霜期 200 多天。采用裂區(qū)設(shè)計，有機(jī)肥用量為主區(qū)，肥料梯度依次為 0（M1）, 75（M2）, 150（M3）t hm2； 化肥處理為副區(qū)，化肥用量（單位 kg hm2）為，F(xiàn)1 (N 84; P2O5    28; K2O 67)、F2 (N168; P2O556; K2O 134)、F3(N336; P2O5 112; K2O 268)，共 9 個處理，栽植小區(qū)面積為 27m2，小區(qū)之間設(shè) 50cm 寬保護(hù)行，3 次重復(fù)。 供試材料為普通玉米(Zea mays L.)鄭單 958，

13、行距 67cm、株距 25cm，種植密度為 60000 株hm2，開溝穴播，每穴 2 粒，播種深度為 5cm，其它管理措 施同常規(guī)大田?？紤]到今后發(fā)展秸稈畜牧業(yè)“過腹還田”，有機(jī)肥采用半熟的牛糞?；手械蕿槟蛩丶?磷酸2銨（(NH4)2HPO4），磷肥為磷酸2銨（(NH4)2HPO4），鉀肥為硫酸鉀(K2SO4)。氮肥分 兩次施用，播種前基施總量的 1/3，大口期施 2/3，有機(jī)肥及磷、鉀肥播種前1次性基施。兩 年試驗結(jié)果趨勢基本1致，表現(xiàn)出很好的重復(fù)性。本文以 20062007 年度試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。2.2 葉面積指數(shù)葉面積指數(shù)的測定采用葉面積指數(shù)法10，測量每片葉的葉長（L），以葉片最寬

14、處的寬 度作為葉寬(W)，計算單株葉面積(LA)、葉面積指數(shù)(LAI)：單株葉面積(LA)=L×W×0.75葉面積指數(shù)(LAI)=單株葉面積×單位土地面積株數(shù)/單位土地面積2.3  生物量及干物質(zhì)分配在玉米關(guān)鍵生育時期取樣，大喇叭口期分莖稈和葉片兩部分，抽雄期分莖稈、葉片、苞 葉和穗軸4部分，成熟期分莖稈、葉片、穗軸、苞葉、籽粒5部分，于干燥箱 105殺青 30min 后，80烘干至恒重，測定干物質(zhì)積累量。 2.4  數(shù)據(jù)分析本試驗分 9 個小區(qū) 3 次重復(fù)。數(shù)據(jù)分析采用 Microsoft Excel 2000 和 DPS7.5 統(tǒng)計分析軟

15、件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異性檢驗，多重比較運(yùn)用 LSD  法。采用 SigmaPlot10.0  繪制圖形。當(dāng) P<0.05 時，視各處理之間的差異為顯著。3.  結(jié)果3.1  葉面積指數(shù)的動態(tài)變化由表 1 可以看出，有機(jī)肥處理的玉米葉面積指數(shù)顯著高于不施有機(jī)肥處理組，其中大喇 叭口期和成熟其均以 M3（150 thm2）處理最高，分別高出平均值 7%和 8%。不施有機(jī)肥時， 抽雄期和成熟期葉面積指數(shù)均以 F2  處理略高，分別高出平均值 3%和 5%，統(tǒng)計檢驗不顯 著。有機(jī)肥施用量 M2（75 thm2）水平下，F(xiàn)1 和 F3 處理的葉面積指

16、數(shù)極顯著高于 F2 處理，3 個時期 F2 處理的葉面積指數(shù)分別較均值低 6%、19%和 7%。隨著生育期延長，玉米葉面積指數(shù)均呈下降趨勢，即使如此，在有機(jī)肥施用量為 75  thm-2 的條件下，正?；视昧?F3處理的玉米葉面積指數(shù)依然表現(xiàn)最大。有機(jī)肥 M3 水平下，葉面積指數(shù)以 F1 處理最高，但 隨生育進(jìn)程推進(jìn)，從抽雄至成熟期的葉面積指數(shù)以 F2 處理的變化幅度最小，為 4.64.8，而F1 和 F3 的變化幅度分別為 4.95.7 和 4.65.2。 3.2 干物質(zhì)積累量動態(tài)變化 表 2 顯示，有機(jī)肥施用量 M1 處理下的玉米單株干物質(zhì)積累量顯著低于 M1 和 M2 處理。

17、 在 M1 水平下，大喇叭口期干物質(zhì)積累量以 F3 為最高，F(xiàn)2 與 F3 處理無顯著差異；抽雄期 化肥處理間的干物質(zhì)積累量差異表現(xiàn)為 F1>F3>F2；成熟期化肥處理間的干物質(zhì)積累量差異   表現(xiàn)為 F1>F3>F2，差異達(dá)極顯著水平。M2  水平下，大喇叭口期和抽雄期化肥處理間的差 異表現(xiàn)1致，F(xiàn)2>F3>F1；成熟期干物質(zhì)積累量 F2 與 F3 處理之間無顯著差異，但極顯著高 于 F1 處理（P<0.0001），說明在有機(jī)肥用量為 75kg·hm-2 時，常規(guī)化肥用量減半不會降低成 熟期的干物質(zhì)積累。M3 水平下，大

18、喇叭口期和抽雄期干物質(zhì)積累以 F3  處理最高1 2 3 下一頁    ，較該條 件下均值分別高出 4%和 6%；成熟期干物質(zhì)量 F2 與 F3 無顯著差異，但顯著高于 F1 處理； 且成熟期 M3 與 M2 條件下的干物質(zhì)無顯著差異(P>0.05)，說明有機(jī)肥施用量達(dá)到 M3 水平 對干物質(zhì)積累量無顯著影響，高于 M2 有機(jī)肥水平的有機(jī)肥為無效投入。    3.3 干物質(zhì)在不同器官中的分配 由圖 1 可以看出，成熟期葉片干物質(zhì)分配量隨有機(jī)肥施用量的增加而增加。不施有機(jī)

19、肥 時，F(xiàn)1 處理的葉片干物質(zhì)分配量高于其它兩個處理；有機(jī)肥 M2 水平下，干物質(zhì)分配量 F1 與 F2 處理之間無顯著差異，但顯著高于 F3 處理；有機(jī)肥 M3 水平下，F(xiàn)2 的干物質(zhì)分配量 顯著高于 F1、F3 處理。不同配施比較發(fā)現(xiàn)，以 M3F2 處理的葉片干物質(zhì)分配量最高，其余 依次為 M2F2、M2F1、M2F3、M3F2、M3F3>M1F1>M1F2、M1F3。      圖 1    成熟期干物質(zhì)在各器官中的分配量 Fig.1.Amount of dry matter distributi

20、on in different organs at maturity 不施有機(jī)肥的 M1 處理中，玉米莖干物質(zhì)分配量顯著低于施有機(jī)肥的 M2 和 M3 處理。 有機(jī)肥 M1 水平下，分配到莖中的干物質(zhì)隨化肥施用量的增加而降低；有機(jī)肥 M2 水平下， 莖干物質(zhì)分配量在化肥處理間的差異表現(xiàn)為 F3>F1>F2；而在有機(jī)肥施用量 M3 水平下，F(xiàn)1 處理的莖干物質(zhì)分配量顯著低于 F2 和 F3 處理，但 F2 與 F3 處理之間無顯著差異。不同配 施處理比較，M2F3、M3F2 和 M3F3 無顯著差異，但高于其它處理；其次為 M2F1 和 M3F1 處理，M2F2 與 M1F1 處理無

21、顯著差異，M1F2 處理較低，M1F3 最低。 苞葉+穗軸的干物質(zhì)分配量在 M1、M2、M3 水平下分別為 49.9g·stalk-1、51.4 g·stalk-1、 54.8  g·stalk-1。M1 水平下，苞葉+穗軸的干物質(zhì)分配量 F1>F3>F2；M2 水平下，苞葉+穗軸 的干物質(zhì)分配量隨化肥用量的增加呈遞增趨勢；M3 水平下，F(xiàn)3 處理獲得了最高的干物質(zhì)分 配量，F(xiàn)1 與 F2 處理無顯著差異。不同配施處理間比較，處理間差異表現(xiàn)為 M1F1、M2F3、 M3F3>M3F1、M3F2、M2F2>M1F3>M2F1&

22、gt;M1F2(P<0.001)。 單株籽粒干物重以有機(jī)肥 M1  處理最低，M2  與 M3  之間無顯著差異。有機(jī)肥施用量 M1 水平下，F(xiàn)1 與 F3 處理無顯著差異，但顯著高于 F2 處理；M2 水平下，M2F2>M2F1、 M2F3；M3 水平下，M3F2>M3F1、M3F3。不同配施處理間比較，處理間籽粒干物重差異表 現(xiàn)為 M2F2、M3F2>  M2F1、M2F3、M3F1、M3F3、M1F1、 M1F3>M1F2。說明不施有機(jī) 肥時，不施化肥和正常化肥用量均利于籽粒干物重的提高，而化肥用量為正常用量1半的處

23、理對籽粒干物重?zé)o顯著影響；在有機(jī)肥用量 75t·hm-2 和 150  t·hm-2 條件下，化肥用量降低到 正常用量1半的處理獲得了最高的籽粒干物重；但增加有機(jī)肥用量1倍對籽粒干物重?zé)o顯著影響。 3.4 不同器官干物質(zhì)分配量的相關(guān)性分析 表 3 顯示，葉片干物質(zhì)分配量與莖桿的干物質(zhì)分配量呈極顯著正相關(guān)；葉片、莖干物質(zhì)分配量與單株總干物質(zhì)積累量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá) 0.91 和 0.92；苞葉+穗軸和籽粒 的干物質(zhì)分配量與單株總干物質(zhì)積累量呈顯著正相關(guān)；籽粒干物質(zhì)分配量與葉片的干物質(zhì)分 配量呈顯著正相關(guān)。說明在試驗條件下，鄭單 958 的籽粒產(chǎn)量主要取決于光

24、合光能器官葉 片的干物質(zhì)分配量，植株總重則主要決定于葉片和莖桿的干物質(zhì)分配量，其次取決于籽粒和 苞葉+穗軸的干物質(zhì)分配量。   3.5  不同處理玉米籽粒產(chǎn)量的差異 由圖 2 可以看出，不施有機(jī)肥時，籽粒產(chǎn)量以 F2 處理最低；在 M2 和 M3 水平下，則 以 F2 處理的籽粒產(chǎn)量最高，分別為 1288.4 kg·hm-2 和 12491.4 kg·hm-2。但總的看來，施有機(jī) 肥條件下化肥用量為常規(guī)用量的1半時產(chǎn)量最高。以上說明有機(jī)肥用量為 75 kg·hm-2 即可獲 得玉米高產(chǎn)，有機(jī)肥用量再增加至 150 kg·hm-2 對產(chǎn)

25、量無益，增加的 75 kg·hm-2 有機(jī)肥為無效 投入。    4.  討論    現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對化肥的長期依賴，將制約農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。改良耕地質(zhì)量的重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)定位 在 “減化肥、增糞肥”。提高光合產(chǎn)物的循環(huán)利用可有效提高“糧食”產(chǎn)量，這不僅沒有環(huán)境 風(fēng)險，而且解決了棘手的鄉(xiāng)村環(huán)境問題和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展問題11。理論上，秸稈中含有 的物質(zhì)和能量與糧食不相上下，關(guān)鍵1環(huán)是通過牲畜轉(zhuǎn)換，即生態(tài)學(xué)上的初級生產(chǎn)和次級生產(chǎn)鏈接。如果通過1定的技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)秸稈“過腹還田”，如加工成微儲秸草12為牲畜提供飼 料

26、，進(jìn)而增加有機(jī)肥，地會越種越肥，化肥用量必然下降，對水的需求也將減少，從而大大 降低種植業(yè)成本13。有人在水稻上研究表明適當(dāng)減少氮肥用量可1定程度上提高產(chǎn)量14， 但是通過嚴(yán)格試驗檢驗上述科學(xué)假說的研究工作較少報道。本文研究發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)肥施用量    75t·hm-2 前提下，在目前基礎(chǔ)上減少1半化肥用量，玉米籽粒產(chǎn)量仍高于施常規(guī)化肥量的籽粒產(chǎn)量（圖 2），但當(dāng)有機(jī)肥施用量增加至 150 t·hm-2 時，籽粒產(chǎn)量無顯著增加，化肥利用率 大幅度降低，這說明糧食生產(chǎn)中減少化肥投放量的空間很大。 據(jù)初步估計，如將全國 50%的秸稈利用起來

27、，可增加牛糞 32.8 億38.3 億噸，折合 2835 萬3310  萬噸硫酸胺。如果堅持不懈地用有機(jī)肥養(yǎng)地，減少化肥用量，則1些溫帶和濕潤 地區(qū)的鹽堿地、丘陵地帶等中低產(chǎn)田可變?yōu)楦弋a(chǎn)田或中產(chǎn)田，這樣，我國糧食生產(chǎn)的壓力就大為減小了。目前我國農(nóng)民每公頃耕地肥料投入比歐洲農(nóng)民多 208 元，但糧食生產(chǎn)能力只相當(dāng)于歐洲國家的 60%70%。由于不合理施肥，國家每年浪費(fèi)性化肥投入高達(dá) 1400 億元。 事實(shí)上，中國農(nóng)民使用的化肥中，60%左右沒有利用并對環(huán)境造成危害15。有人研究發(fā)現(xiàn)16， 由于長年過量施肥，每公頃氮(N)盈余 127 kg， 損失 267kg，其中氨揮發(fā)和淋洗的氮損失分

28、 別高達(dá) 143kg 和 102kg,，對環(huán)境安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。本研究表明，有機(jī)肥施用量 M1 處 理下的玉米單株干物質(zhì)積累量低于 M1 和 M2 處理；在有機(jī)肥用量為 75kg·hm-2 時，常規(guī)化 肥用量減半不會降低玉米成熟期的干物質(zhì)積累，大喇叭口期和抽雄期的干物質(zhì)均以 F2 處理 的最高，成熟期 F2 與 F3 無顯著差異（P>0.05）；當(dāng)有機(jī)肥用量由 75  t·hm-2 增至 150  t·hm-2 時，干物質(zhì)積累量并無顯著變化，說明有機(jī)肥施用超過1定量會出現(xiàn)報酬遞減現(xiàn)象。 長期施用有機(jī)肥可改良土壤理化性質(zhì)、提高土壤生物活性

29、。施用有機(jī)肥后，耕層的土壤 容重降低，總孔隙度和土壤吸附力增加17。Witter18通過 30  年的大田試驗研究表明，長期 施用有機(jī)肥或有機(jī)料等提高土壤微生物量。另外，長期使用有機(jī)肥可大大提高土壤中的細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量19。本研究中 M2F2 處理之所以獲得最高產(chǎn)量可能與這種有機(jī)肥和化肥配施組合可以改善土壤，促進(jìn)玉米對土壤營養(yǎng)元素的吸收有關(guān)，具體機(jī)理有待進(jìn)1步研究。 源-庫關(guān)系是作物生理生態(tài)學(xué)中最重要的問題之1，它把群體光能利用和作物產(chǎn)量緊密 聯(lián)系起來，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究20-26。在玉米源-庫關(guān)系方面，由于試驗環(huán)境條件、供 試品種、產(chǎn)量水平、種植方式、處理方法以及分析角

30、度等方面的差異，形成了不同看法，如 源限制說20,21、庫限制說19、源庫共同限制說23、品種差異說21-24、環(huán)境差異說21-23等。 有研究表明高產(chǎn)玉米產(chǎn)量的形成是其源庫協(xié)調(diào)發(fā)展的結(jié)果26。結(jié)合不同器官干物質(zhì)分配結(jié) 果(圖 1)，我們不難看出，籽粒產(chǎn)量最高的 M2F2 處理的葉片干物質(zhì)分配量并不是最高，這似與表 1 中所表明的葉片干物質(zhì)分配量與籽粒產(chǎn)量顯著正相關(guān)不吻合。其原因可能存在于， M2F2 處理不同玉米器官的干物質(zhì)分配比例適中，實(shí)現(xiàn)了源、庫、流協(xié)調(diào)統(tǒng)1，有利于光合產(chǎn)物向籽粒運(yùn)轉(zhuǎn)，從而獲得理想的籽粒產(chǎn)量。 5.  結(jié)論 本研究通過嚴(yán)格的控制試驗證實(shí)，在田間狀態(tài)下增施有機(jī)肥可

31、以有效地降低化肥用量，減少環(huán)境污染，提高作物產(chǎn)量。在有機(jī)肥用量達(dá)到 75 t·hm-2 時，在常規(guī)化肥施用量基礎(chǔ)上減 少1半化肥用量依然獲得最高的玉米籽粒產(chǎn)量。有機(jī)肥增產(chǎn)很可能與有機(jī)肥改良土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤生物多樣性和促進(jìn)作物源、庫、流協(xié)調(diào)發(fā)育有關(guān)。 參考文獻(xiàn) 1奚振邦，王寓群，楊佩珍，中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中的有機(jī)肥問題J.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004,37(12):1874-1878. 2  李菊梅，徐明崗，秦道珠，等.有機(jī)肥無機(jī)肥配施對稻田氨揮發(fā)和水稻產(chǎn)量的影響J.植物營養(yǎng)與肥料學(xué) 報,2005,11(1): 51-56. 3&nbsBG.  Source

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