有機無機肥配施對谷子產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響

張鵬飛 ，周懷平 ，楊振興 ，劉志平 ，解文艷 ，任志強

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030031；2.壽陽縣現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，山西 壽陽 045499）

谷子起源于中國，在我國農(nóng)耕文明中始終占有舉足輕重的地位[1-2]，已經(jīng)有8000 多年的種植歷史[3]，是一種古老的栽培作物[4]。谷子具有抗旱耐瘠、水分利用率高、營養(yǎng)成分全面等突出特點[5-6]，而谷粒脫皮后的小米依然是一種營養(yǎng)價值較高的暖性食物[7]，其含有豐富的淀粉、維生素、氨基酸等營養(yǎng)物質(zhì)[8]，是一種必不可少的戰(zhàn)略儲備作物。據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部統(tǒng)計，1994年全國谷子種植面積為921 萬hm2，2021年我國谷子種植面積為102 萬hm2[9]，種植面積逐年下降，由曾經(jīng)的主要糧食作物變成如今的雜糧農(nóng)作物[10]。究其原因，我國農(nóng)田管理模式較為單一，而谷子產(chǎn)量也普遍比較低下，造成農(nóng)戶種植積極性普遍不高；另外，我國大多數(shù)農(nóng)戶不科學(xué)、不合理地使用化肥，造成土壤肥力快速衰竭的現(xiàn)象，肥料利用率下降的情況逐漸凸顯出來，導(dǎo)致土壤污染和耕層板結(jié)狀況日益嚴重，不利于谷子的正常生長發(fā)育，這一現(xiàn)象給我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了極大的挑戰(zhàn)[11]。因此，探索高產(chǎn)谷子的高效合理的施肥模式成為我國農(nóng)業(yè)函待解決的問題。

山西省是谷子起源和主產(chǎn)區(qū)之一，山地多，晝夜溫差大，光照充足，氣候獨特，具有明顯的地理優(yōu)勢，非常適合谷子的生長。谷子作為山西省主要種植作物之一，其種植面積和產(chǎn)量僅次于玉米和小麥，在全國種植面積僅低于河北省，屬于第二谷子種植大省[12]。盡管山西省谷子種植面積較大，但在實際生產(chǎn)過程中存在許多肥料管理的問題。部分農(nóng)戶認為，施肥量與產(chǎn)量成正比，施肥越多，谷子的產(chǎn)量越高，片面追求產(chǎn)量，不考慮養(yǎng)分平衡問題，導(dǎo)致增量不增產(chǎn)，養(yǎng)分流失、地力貧瘠和肥料利用率低下的現(xiàn)象越來越嚴重。因此，針對谷子管理中增量不增產(chǎn)、肥料不科學(xué)施用且利用率低下的問題[13]，急切需要探索一種高效減量增效的施肥模式。

本試驗以晉谷59 號為試驗品種，通過3 a 的田間小區(qū)試驗，研究了不施肥、單施化肥、單施有機肥、有機無機肥配施模式對谷子產(chǎn)量及經(jīng)濟效益的影響，探索高效合理的施肥模式，為山西省谷子作物生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年4月至2020年10月在山西省山陰縣合盛堡鄉(xiāng)西雙山村（39°14'N、112°54'E，海拔984 m）進行。試驗區(qū)屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7.0 ℃，年均降水量362.4 mm，無霜期143 d，降雨70%集中在6—9月。供試土壤為栗褐土，土壤質(zhì)地為輕壤土。2018、2019、2020年播前耕層土壤理化性狀如表1 所示。

表1 試驗地基礎(chǔ)耕層（0～20 cm）土壤理化性狀Tab.1 Physical and chemical properties of soil in the topsoil（0-20 cm） in the test field

1.2 試驗材料

供試谷子品種為晉谷59 號。有機肥為當?shù)仫L(fēng)干牛糞。尿素產(chǎn)自濟南瑞林化工有限公司，過磷酸鈣產(chǎn)自福建省大自然農(nóng)資有限公司，氯化鉀產(chǎn)自江蘇中農(nóng)化肥有限公司。

1.3 試驗設(shè)計

試驗處理及其對應(yīng)施肥量如表2 所示。

表2 試驗處理及其對應(yīng)施肥量Tab.2 Experimental treatments and their corresponding fertilizer application rateskg/hm2

2018、2019、2020年連續(xù)3 a 在山陰縣西雙山村選擇肥力相近、相鄰田塊進行試驗布置，共8 個處理，采用順序排列，每個小區(qū)面積300 m2，無重復(fù)。試驗中所用有機肥為風(fēng)干牛糞（M），施用量為17280 kg/hm2，無機肥施用量（F）為作物推薦施肥量（N 225 kg/hm2、P2O5112.5 kg/hm2、K2O 135 kg/hm2）。

氮磷鉀肥料種類分別為尿素（N 46%）、過磷酸鈣（P2O512%）、氯化鉀（K2O 60%）。谷子播種前，將氮肥、磷肥、鉀肥和牛糞全部撒布地表，然后進行深翻旋耕合墑播種，每年4月下旬播種，各小區(qū)播種密度為48 萬株/hm2，10月上旬收獲。其他管理條件均一致。

1.4 測定項目及方法

于谷子播種前采集試驗田0～20 cm 土層土樣，測定基礎(chǔ)土壤的有機質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、pH 等土壤理化性質(zhì)。土壤全氮含量采用H2SO4-混合加速劑消解-全自動蒸氮儀FOSS-Kjeltec8400 測定；其他土壤養(yǎng)分含量測定方法參照魯如坤等[14]的方法。

于成熟期采集谷子植株和籽粒樣品，分別用H2SO4-H2O2消煮、凱氏定氮法、釩鉬黃比色法和火焰光度計法測定全氮、全磷和全鉀含量。

式中，h為土層深度（cm），α為土壤質(zhì)量含水率（%），γ為土壤容重（g/cm3），Wb和Ws分別為播前和收獲后0～3 m 土體土壤貯水量（mm），P為生育期降水量（mm），Y為籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）。

經(jīng)濟效益是谷子產(chǎn)量收入與總消耗（機械、農(nóng)業(yè)材料、勞動力）的差值。技術(shù)經(jīng)濟效益率按湯永祿等[15]描述的方法計算。

根據(jù)何剛等[16]描述的方法計算氮（磷、鉀）收獲指數(shù)、肥料偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率以及氮磷鉀回收率。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對谷子籽粒產(chǎn)量和生物量的影響

不同施肥模式對谷子籽粒產(chǎn)量和生物量的影響如表3 所示。

表3 不同施肥模式對谷子籽粒產(chǎn)量和生物量的影響Tab.3 Effects of different fertilization modes on grain yield and biomass of millett/hm2

從表3 可以看出，不同年度不施肥處理與其他施肥處理谷子籽粒產(chǎn)量存在顯著差異，從3 a 平均產(chǎn)量來看，不施肥處理產(chǎn)量最低，說明在無外源營養(yǎng)元素投入時，土壤所含營養(yǎng)成分不能滿足當季作物生長的需求，造成作物產(chǎn)量和生物量的減少。單施化肥（F1+M0）處理和有機無機肥配施（F1+M1）處理均能顯著增加谷子的產(chǎn)量，3 a 平均較不施肥處理分別增加了47.48%和57.23%。單施有機肥各處理的谷子產(chǎn)量雖然較不施肥處理有一定程度的增產(chǎn)，但較有機無機肥配施各處理出現(xiàn)了減產(chǎn)現(xiàn)象，只有超高量施用有機肥（F0+4M1）處理的產(chǎn)量高于各施肥處理。減量化肥各處理（3/4F1+M1、1/2F1+M1）較對照不施肥處理有顯著的增產(chǎn)效果，分別較對照增產(chǎn)43.08%和44.65%，說明減少50%化肥用量同時配施有機肥可以滿足作物生長需求，產(chǎn)量不會受到顯著影響。

2.2 不同施肥模式對谷子養(yǎng)分吸收量和收獲指數(shù)的影響

從表4 可以看出，3 a 不同地塊不施肥處理谷子籽粒的氮吸收量顯著低于施肥各處理（P＜0.05），不施肥處理秸稈的吸氮量則與施用無機肥各處理差異顯著（P＜0.05），單施有機肥各處理差異不顯著，說明無機肥的投入更有利于作物秸稈生長，生物量隨之增加。從收獲指數(shù)來看，不施肥處理的氮收獲指數(shù)最低。從3 a 的結(jié)果可以看出，施用化肥各處理的籽粒、秸稈吸氮量普遍高于單施有機肥各處理，只有高量施用有機肥后作物的吸氮量會有所增加。單施有機肥各處理中，F(xiàn)0+2M1 處理收獲指數(shù)最高，說明該有機肥施用量在無化肥投入的時候可以滿足作物生長所需養(yǎng)分。

表4 不同施肥模式對谷子成熟期吸收氮磷鉀及收獲指數(shù)的影響Tab.4 Effects of different fertilization modes on nitrogen， phosphorus，and potassium uptake and harvest index of millet at maturity

作物磷、鉀吸收量和養(yǎng)分收獲指數(shù)變化趨勢基本一致，不施肥處理的磷、鉀吸收量和養(yǎng)分收獲指數(shù)均為各處理中最低，而施肥各處理出現(xiàn)了波動，原因在于2018年谷子生長后期出現(xiàn)干旱氣候，造成谷子大幅度減產(chǎn)，導(dǎo)致谷子籽粒磷、鉀吸收量偏低，養(yǎng)分收獲指數(shù)降低。

從3 a 平均養(yǎng)分收獲指數(shù)可以看出，施肥各處理氮磷鉀養(yǎng)分收獲指數(shù)均超過了對照不施肥處理，氮收獲指數(shù)較對照增加6.18%～28.67%，磷收獲指數(shù)較對照增加16.90%～37.00%，鉀收獲指數(shù)較對照增加15.68%～32.49%。F0+2M1 處理氮、鉀養(yǎng)分收獲指數(shù)最高，分別為49.55%、10.48%；3/4F1+M1處理磷養(yǎng)分收獲指數(shù)最高，為66.38%。

2.3 不同施肥模式對谷子養(yǎng)分效率與平衡的影響

不同施肥模式對谷子養(yǎng)分效率與平衡的影響如表5 可知。

表5 不同施肥模式對谷子養(yǎng)分效率與平衡的影響Tab.5 Effects of different fertilization modes on nutrient efficiency and balance of millet

從表5 可以看出，3 a 單施有機肥F0+4M1 處理氮、磷偏生產(chǎn)力為各施肥處理中最低，F(xiàn)0+M1處理為各施肥處理中最高，與F0+4M1 處理相比分別提高了197.80%、197.77%。從鉀偏生產(chǎn)力來看，單施化肥F1+M0 處理為各施肥處理中最高，施高量有機肥F0+4M1 處理最低，F(xiàn)1+M0 處理比F0+4M1 處理提高了282.70%。

從農(nóng)學(xué)效率結(jié)果可以看出，F(xiàn)0+4M1 處理的氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率均為各施肥處理中最低，F(xiàn)1+M0 處理為施肥各處理最高，較F0+4M1 處理分別提高了70.55%、96.93%、397.78%。

從肥料當季回收率的結(jié)果同樣可以看出，單施化肥F1+M0 處理仍為各施肥處理最高。因此，圍繞該施肥量，調(diào)整有機無機投入量配比，能夠達到最優(yōu)的減肥增效目標。

2.4 不同施肥模式對谷子水分利用效率的影響

從表6 可以看出，3 a 谷子施肥各處理的水分利用效率均顯著高于不施肥處理，平均水分利用效率依次為F0+4M1＞1/2F1+M1＞F1+M0＞F0+2M1＞3/4F1+M1＞F1+M1＞F0+M1。其中，高量施用有機肥F0+4M1 處理的水分利用效率最高，達到10.56 kg/（hm2·mm）；單施有機肥F0+M1處理的水分利用效率最低，為7.64 kg/（hm2·mm）；單施有機肥（F0+4M1、F0+M1、F0+2M1）各處理間差異顯著（P＜0.05），而有機無機肥配施F1+M1 處理3 a 平均水分利用效率雖略高于F0+M1處理，但無顯著差異；與3/4F1+M1、1/2F1+M1處理間差異顯著（P＜0.05），平均水分利用效率小于二者。

表6 不同施肥模式對谷子水分利用效率的影響Tab.6 Effects of different fertilization modes on WUE of milletkg/（hm2·mm）

2.5 不同施肥模式對谷子種植效益的影響

從表7 可以看出，產(chǎn)出與產(chǎn)量成正比關(guān)系。通過對3 a 谷子種植效益統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，施肥各處理經(jīng)濟效益均高于不施肥處理。單施有機肥F0+M1 處理的經(jīng)濟效益最低，較不施肥（F0+M0）處理平均增加3522.5 元/hm2，F(xiàn)1+M1、1/2F1+M1、F0+2M1、F1+M0、3/4F1+M1 處理與不施肥處理相比分別平均增加5465.3、5389.0、5357.1、4495.9、3944.4 元/hm2；F0+4M1 處理的經(jīng)濟效益最高，較不施肥處理平均增加8982.8 元/hm2，然而在有機肥源缺乏區(qū)域不具備全量替代化肥條件；相比之下，有機無機肥配施（F1+M1、1/2F1+M1）處理經(jīng)濟效益要高于單施有機肥或者單施化肥處理，因此，有機無機肥配施是增加谷子收益、減少化肥投入的重要措施。由表7 可知，減少50%化肥用量（1/2F1+M1）處理經(jīng)濟效益雖略低于F1+M1 處理，但減少了化肥的投入，同時，比F1+M0 處理多增收893.2 元/hm2，成本收益率也高于F1+M0 處理。因此，1/2F1+M1 處理是最佳有機無機肥配施組合。

表7 不同施肥模式對谷子種植效益的影響Tab.7 Effects of different fertilization modes on millet planting efficiency

3 結(jié)論與討論

只有正確合理地施用肥料才能改善土壤環(huán)境，從而增加作物產(chǎn)量。有機無機肥配施擁有化肥和有機肥二者各自的優(yōu)點，不僅可滿足作物整個生長發(fā)育所需要養(yǎng)分的需求，而且同時也能夠增加作物的產(chǎn)量[17]。本試驗在化肥減量基礎(chǔ)上配施有機肥，結(jié)果表明，有機無機肥配施各處理的谷子產(chǎn)量要好于單施化肥或者單施有機肥處理（除F0+4M1 處理），其原因可能是化肥可以短時間內(nèi)供應(yīng)谷子所需要的養(yǎng)分，同時有機肥補充了土壤有機碳，并且提高了土壤微生物的活性和豐富了生物群落[18]，這與以往的研究結(jié)果一致。辛勵等[19]研究發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施可改善土壤微生物活性，延緩玉米根系和植株的衰老時間，從而達到增加玉米產(chǎn)量的目的。姜佰文等[20]研究有機無機肥配施對玉米產(chǎn)量的影響，結(jié)果也表明，不同有機無機肥配施處理均能夠不同程度地增加玉米產(chǎn)量。馮悅晨等[21]研究表明，有機無機肥配施可以明顯增加夏玉米的穗粒數(shù)、成穗數(shù)，有效促進玉米地上生物量，提高玉米的生長速度，實現(xiàn)玉米增產(chǎn)的效果。周江明[22]也研究發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施在一定程度上可以提高作物的結(jié)實率，從而增加產(chǎn)量。同時，徐明崗等[23]也有類似的發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施措施能夠明顯增加水稻的穗數(shù)，進一步增加水稻的產(chǎn)量。邢鵬飛等[24]研究有機肥替代部分無機肥對小麥產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，有機肥替代30%無機肥模式對小麥增產(chǎn)起到較好的效果。陳國輝等[25]研究發(fā)現(xiàn)，適量的有機肥代替化肥可以明顯增加柑橘的產(chǎn)量，但隨著有機肥代替化肥的比例增加，柑橘的產(chǎn)量下降。分析其原因可能是隨著有機肥的增加，有機態(tài)養(yǎng)分也在相應(yīng)的增加，從而降低作物對氮的吸收率?？梢?，有機無機肥配施在不同程度上均可增加作物的產(chǎn)量，但要注意有機肥代替無機肥的比例要適宜。

有機無機肥配施不僅能夠明顯增加作物產(chǎn)量，而且可以增加作物養(yǎng)分的吸收量。本試驗發(fā)現(xiàn)，有機無機肥配施處理隨著化肥投入的增加，氮肥偏生產(chǎn)力、農(nóng)學(xué)效率增加，這與晁贏等[26]研究結(jié)果相一致。李冬初等[27]研究表明，有機無機肥配施能夠持久有效地維持土壤氮含量，提高水稻對氮素的利用率；杜少平等[28]也研究表明，有機肥代替部分化肥與單施化肥相比，能夠明顯增加西瓜養(yǎng)分的吸收量，促進氮磷鉀養(yǎng)分的轉(zhuǎn)移；梁斌[29]研究認為，有機肥中有效氮可以提高氮肥利用率，二者之間存在正相關(guān)關(guān)系，有機無機肥配施可以增加氮素的吸收利用，促進作物干物質(zhì)的積累；也有研究表明[30]，單施化肥土壤中礦質(zhì)氮素釋放較快，不利于作物養(yǎng)分的吸收，增添有機肥，可以平穩(wěn)緩慢釋放氮磷鉀等養(yǎng)分。

水分是影響作物生長的重要因子，提高水分利用率，協(xié)調(diào)水分與肥料的關(guān)系是旱地作物生長的關(guān)鍵。有機無機肥配施可以有效調(diào)節(jié)水肥的關(guān)系，提高土壤保水保肥的能力[31]。楊忠贊等[32]研究表明，有機無機肥配施可以明顯增加土壤表層的蓄水能力，這說明有機無機肥配施對旱地作物正常生長所需要的水分影響是巨大的。楊永輝等[33]研究認為，有機無機肥配施在一定程度上可以改善土壤結(jié)構(gòu)狀況，提高土壤的保水保肥能力，降低硝態(tài)氮的淋溶，從而提高水肥利用率。李豐豐等[34]也研究發(fā)現(xiàn)，適當?shù)亟档突实氖┯谩⑦m量地增加有機肥的投入，可以達到稻茬小麥減量增產(chǎn)的效果，并且能夠一定程度上提高肥料利用率。本試驗在化肥減量基礎(chǔ)上配施有機肥，探討了不同施肥模式下對谷子產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、經(jīng)濟效益及水肥利用率的影響。結(jié)果表明，不同程度有機無機肥配施均可以改善谷子產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、經(jīng)濟效益及水肥利用率，其效果是好于單施化肥處理的。本試驗有機肥的品種較為單一，因此，在具體施肥時，要充分考慮不同有機肥對谷子產(chǎn)量的影響，同時要進行長期多年多點試驗，以篩選合理綠色的施肥方式，為山西省谷子生產(chǎn)提供健康的施肥模式。

本研究結(jié)果表明，單施化肥F1+M0 處理氮、磷、鉀農(nóng)學(xué)效率均為各施肥處理中最高，說明該處理所施的肥料用量完全可以滿足作物生長需求，因此，圍繞該施肥用量，調(diào)整有機無機投入量配比，能夠達到最優(yōu)的減肥增效的目標。

有機肥替代部分化肥可以改善谷子產(chǎn)量、養(yǎng)分吸收、經(jīng)濟效益及水肥利用率，其中，1/2F1+M1處理與不施肥處理相比有明顯的增產(chǎn)和增收效果，從化肥施用量、谷子產(chǎn)量、經(jīng)濟效益等方面綜合考慮，1/2F1+M1 處理是適用于類型區(qū)的有機無機肥配施推薦組合。