干旱缺水、土壤瘠薄是限制旱地玉米产量提高的主要因素^[1-2]。山西省地处黄土高原，旱地面积占全省总耕地面积的79.4%^[3]，玉米是重要的粮食作物，对全省粮食生产和可持续发展具有举足轻重的影响。过量施用化肥是玉米生产上面临的突出问题。据统计，我国化肥施用量为531.9kg·hm^-2，约为世界平均水平的3.9倍^[4]。然而，生产上化肥的单一和不合理施用，导致土壤结构变差，容重增加，耕层易板结，不利于透气渗水，使得土壤蓄水保水力下降^[5]。因此，旱地农业应有机旱作，使用地、养地相结合。

增施有机肥是有机旱作的一个重要途径^[6-8]。研究表明，施用有机肥可改善土壤物理特性^[9]、增加土壤水库，增加降水入渗、提高土壤的有效含水量，进而提高作物水分利用效率^[10-14]。研究也表明，土壤增施有机肥能够改善土壤团粒结构^[15]，涵养水源，减少水土流失，保证作物生长过程中水分供应，提高作物抗旱性。施用有机肥还可提高土壤有益微生物的数量和土壤酶活性^[16-19]，提升土壤肥力^[20-23]，化肥配施有机肥可提高作物水肥利用效率，进而提高产量^[24-25]。然而也有研究显示，玉米的产量在有机肥50%替代化肥处理下比100%有机替代和单施化肥处理分别显著增加13.5%和12.5%^[26]。秸秆还田对解决秸秆过剩、缓解有机肥源不足有积极作用，近年来秸秆还田率虽显著提升，但仍不足40%^[27]。秸秆还田可降低土壤容重^[28]，增加土壤养分^[29-31]，与氮肥配施可有效提高作物产量^[32]。多点研究表明，多年秸秆还田可节省化肥投入10%～20%，提高作物产量2.8%～16.2%^[33-34]。华北平原27年长期定位试验也表明，在单施化肥基础上，施用粪肥、秸秆还田可使玉米分别增产35%、21%^[35]。综上所述，尽管长期秸秆还田或施用有机肥对改善土壤环境效应和提高作物产量有积极影响，但秸秆还田量（<13500kg·hm^-2）较低时对土壤理化性状影响不明显^[36]，而有机粪肥施用水平较高时，会增大土壤氮素淋失风险，严重威胁地下水安全^[35]。因此，本试验采用二次通用旋转组合设计建立回归模型，研究不同施肥组合对玉米增容蓄水及产量和水分利用效率的影响，在建立该类型地区玉米产量数学模型的基础上，寻求作物高产、水分高效、农业生态安全的优化施肥方案，为生产上提倡的化肥减量、有机肥适当替代及旱地农业可持续发展提供理论和实践依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

于2018～2020年在山西省寿阳县张韩村 （113°13′03″E，37°46′12″N，海拔1210m）进行田间定位试验，该区属黄土高原半湿润易旱区，年降水量500mm左右，且大多集中在7～9月。虽然土壤有机质含量较低，但却有土地平整、地块大、适宜机械作业的优势。试验地耕层土壤有机质9.4g·kg^-1、全氮0.88g·kg^-1、碱解氮64.83mg·kg^-1、有效磷11.70mg·kg^-1、速效钾102.00mg·kg^-1，pH 8.06。试验地前茬为玉米，供试品种为适合当地种植的春播中晚熟玉米品种金科玉3306。玉米生育期4～9月降水量见图1。

1.2 试验设计

试验采用二次通用旋转组合设计（1/2实施）^[37]，设化肥用量（X₁）、秸秆还田比例（X₂）和有机肥用量（X₃）3个因素，每因素5个水平（表1），共20个组合，另以单施化肥（1200kg·hm^-2）作为田间对照（CK），重复2次，共42个小区。小区面积50m² （5m×10m）。

化肥用量以复合肥（N-P₂O₅-K₂O：23-12-5） 总用量为单位；秸秆还田量按还田比例以当地地力中产12750kg·hm^-2 进行折算，100%秸秆还田量为6375kg·hm^-2。有机肥用量以腐熟的鸡粪施用量为单位。其中玉米秸秆含氮0.87%（干基），有机肥含氮1.63%（干基）。试验于上年秋季收获时将秸秆粉碎覆盖，翌年春季播种前按各小区相应用量将秸秆平铺于地表，将腐熟的有机肥、化肥分别撒施于各小区，随即旋耕施入土壤。试验于每年4月底播种，10月初收获，玉米生育期田间实施统一管理。

1.3 测定指标

1.3.1 土壤容重

玉米收获后，采用容积为100cm³ 的环刀进行0～30cm土壤剖面取样，烘干后称重，计算土壤容重。计算公式：

$\mathrm{D}=\left({\mathrm{M}}_1-{\mathrm{M}}_2\right)/\mathrm{V}$

式中，D表示容重（g·cm^-3），M₁ 为环刀和烘干土总重（g），M₂ 为环刀重（g），V为环刀的容积 （cm³）。

1.3.2 土壤贮水量

在玉米播前、苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、灌浆期和收获后进行测定，每隔20cm用土钻进行分层取样，烘干后测定土壤含水量。

土壤含水量（%）＝[（Mm-Md）/（Md-M）]×100式中，Mm为湿土及铝盒的总重（g），Md是干土及铝盒的总重（g），M是铝盒重（g）。

土壤贮水量（mm）=土壤容重（g·cm^-3）× 土层深度（cm）× 土壤含水量/10

1.3.3 产量及产量构成因素

玉米成熟时记录每小区实收穗数，称鲜重，按大小穗比例和平均鲜穗重取10穗测定籽粒含水量进行考种，根据14%籽粒含水量折合产量。

1.3.4 水分利用效率

水分利用效率（kg·hm^-2·mm^-1）=产量 （kg·hm^-2）/耗水量（mm）。

耗水量（mm）=播前土壤贮水量（mm）-收获后土壤水量（mm）+ 生育期降水量（mm）

1.4 数据分析

采用DPS 7.5进行统计分析，建立3个因素与土壤容重、土壤贮水量、产量和水分利用效率之间的三元二次回归方程。将3个因素中的2个固定在零水平，对数学模型降维分析，得到以其中一个因素为确定变量的偏回归模型，并根据该模型作出单因素变化趋势图。在固定其他一个因素为零水平时，求另外两因素之间的交互作用，并作两因素互作效应的3D-mesh曲面图。数据整理和作图分别采用Excel 2007和Sigmaplot 12.5进行。

2 结果与分析

2.1 不同施肥水平对旱地玉米田耕层0～30 cm耕层土壤容重的影响

建立3个因素与玉米耕层0～30cm耕层土壤容重的回归方程：

决定系数为R²=0.6731，回归方程（1）的 F 检验 P 值为0.026（P<0.05），达到显著性水平，失拟项检验不显著（P=0.109>0.05），说明模型预测值与实际值吻合较好。通过对模型降维分析得到主效应分析图。由图2可知，不同施肥水平各因素对0～30cm耕层土壤容重影响不同。随着试验年限的增加（2020年为定位试验第3年），施用有机肥及秸秆还田明显减小0～30cm耕层土壤的容重，且随施用年限的延长，土壤容重显著降低。尽管不同年份由于年际间降水的差异，各因素对土壤容重的影响不同。但3年平均试验结果显示：随着化肥用量的增加，土壤容重呈缓慢增加的趋势；随着秸秆还田量的增加，土壤容重呈现先减小后增大的趋势，而随着有机肥用量的增加，土壤容重呈逐渐减小的趋势。

分析不同因素对0～30cm耕层土壤容重的交互作用可知，除化肥用量（X₁）× 秸秆还田比例 （X₂）、秸秆还田比例（X₂）× 有机肥用量（X₃）有显著的交互作用外，其余因素间交互不显著。由图3 （a）可知，当有机肥用量固定在零水平时，化肥用量和秸秆还田比例对土壤容重在0.05水平上存在显著的正交互作用（P=0.045）。而由图3（b）可知，当化肥用量固定在零水平时，秸秆还田比例和有机肥用量在0.1水平上交互作用显著（P=0.072），且呈显著的负交互作用，即加大秸秆还田，同时减少有机肥施用量，可使耕层土壤容重下降。

2.2 不同施肥水平对旱地玉米田全生育期0～200 cm土层土壤平均贮水量的影响

建立3个因素与0～200土层土壤平均贮水量的回归方程：

决定系数为R²=0.7899，回归方程（2）的 F 检验P=0.025<0.05，失拟项检验不显著（P=0.989> 0.05），说明模型的预测值与实际值吻合较好。对模型进行降维分析，由图4可知，不同试验年份3因素对0～200cm平均贮水量影响趋势不同，但3年平均试验结果显示：3因素对土壤贮水量的作用大小表现为秸秆还田> 有机肥> 化肥。随着施肥水平的增加，单施化肥（P=0.02）和有机肥在0.05水平上对0～200cm土壤贮水量呈先升后降的趋势。而增加秸秆还田比例可稳定提高0～200cm土壤贮水量。可见，秸秆还田对提高0～200cm土壤贮水量大于有机肥。施用有机肥对土壤贮水不是越多越好，当施用量达到一定程度时，继续施用则会消耗更多水分，从而减少0～200cm土壤贮水量。

由图3（c）可知，化肥用量和秸秆还田量在0.05水平上对土壤贮水量有显著的正交互作用 （P=0.03），而其他交互作用不显著。当有机肥用量固定在零水平时，随化肥用量的增加，增加秸秆还田可促进土壤贮水量增加。但化肥用量和秸秆还田量不是越多越好，施用量较大时，反而降低土壤贮水量。

2.3 不同施肥水平对旱地玉米田产量的影响

建立3个因素与玉米产量的回归方程：

决定系数为R²=0.6172，回归方程（3）的 F 检验P=0.038<0.05，失拟项检验不显著（P=0.897> 0.05），说明模型的预测值与实际值吻合较好。对模型进行降维分析，由图5可知，产量的变化受年际间降水差异影响较大，2018～2020年3因素对产量的影响不同。从3年平均试验结果看：3因素对产量的影响大小表现为有机肥> 秸秆还田> 化肥。由图5可知，增施化肥、有机肥和秸秆还田均可提升玉米产量，但化肥和秸秆还田量达到一定程度时，继续增施玉米产量会随之下降，而施用有机肥可缓慢提升玉米产量。

进一步对不同因素间的交互作用进行分析，化肥用量（X₁）× 秸秆还田比例（X₂）（P=0.04）、化肥用量（X₁）× 有机肥用量（X₃）（P=0.014）之间在0.05水平上有显著的交互作用。影响产量的绝对值大小顺序为X₁₃>X₁₂>X₂₃。由图3（d）、（e） 可知，当有机肥用量固定在零水平时，化肥配施秸秆还田在0.05水平上存在显著的正交互作用，当化肥用量和秸秆还田达到一定比例时，玉米产量最高。当秸秆还田固定在零水平时，化肥配施有机肥可提高玉米产量，但二者呈显著的负交互作用。

2.4 不同施肥水平对旱地玉米田水分利用效率的影响

建立3个因素与水分利用效率的回归方程：

决定系数为R²=0.8303，回归方程（4）的 F 检验P=0.045<0.05，失拟项检验不显著（P=0.425> 0.05），说明模型的预测值与实际值吻合较好。对模型进行降维分析，由图6可知，3年平均试验结果显示：三因素对水分利用效率的影响表现为有机肥> 秸秆还田> 化肥，水分利用效率随化肥用量的增加而下降较快。可见，增加秸秆还田和增施有机肥均较化肥可提高玉米的水分利用效率。

同产量趋势一致，化肥用量（X₁）× 秸秆还田比例（X₂），化肥用量（X₁）× 有机肥用量（X₃） 存有显著的交互作用。当有机肥用量固定在零水平时，化肥配施秸秆还田在0.05水平上存在显著的正交互作用（P=0.04），图3（f）显示，当化肥用量和秸秆还田达到一定比例时，水分利用效率最大。由图3（g）可知，当秸秆还田固定在零水平时，化肥配施有机肥也可提高水分利用效率，二者呈显著的负交互作用（P=0.004）。即施用化肥较多时，可相对减少有机肥的施用，才能使水分利用效率达到最大。

2.5 施肥组合优化方案及田间验证

为探求3因素在生产中应用的可靠性，研究采用频数法进一步解析，用频率分析及统计寻优求得在95%的置信区间产量大于一定值的优化方案。在-1.682 ≤ X_j ≤ 1.682范围内，选取变量的步长为1，经模拟，平均产量>12481kg·hm^-2 共36个方案。研究最终获得最佳增容蓄水的施肥组合为：化肥用量795～1061kg·hm^-2，秸秆还田比例69%～89%（即还田4399～5674kg·hm^-2），有机肥量11723～18848kg·hm^-2，预期产量为13232kg·hm^-2（表2）。与田间对照比较，该组合较单施化肥对照（11729kg·hm^-2）增产12.8%，可减施化肥139～405kg·hm^-2。

3 讨论

改善土壤水分状况是旱区农业可持续发展的关键，在保证农作物稳产、高产的前提下，减少化肥用量，提高土壤蓄水保墒能力及作物水分利用效率，是当前有机旱作农业研究的热点。

3.1 化肥配施有机肥减少耕层土壤容重，增加土壤蓄水

研究表明^[25，38]，施用有机肥可改善土壤理化特性，增强土壤通气和透水性能。本研究发现，施用有机肥及秸秆还田明显降低0～30cm耕层土壤的容重，且随着有机肥用量及秸秆还田量的增加，土壤容重呈不断下降趋势，且有机肥施用对降低土壤容重的影响大于秸秆还田。槐圣昌等^[39]在东北黑土区通过秸秆还田增施有机肥定位试验也表明，相比秸秆还田处理，增施有机肥降低了土壤容重、土壤紧实度，提升了土壤含水量。这与本试验得出的结论一致。研究进一步发现，秸秆还田对提高0～200cm土层土壤贮水量大于有机肥。在增施化肥的同时，配合秸秆还田可提高玉米生育期0～200cm土层土壤贮水量。但有机肥施用对土壤贮水也不是越多越好，当施用量达到一定程度时，继续施用则会消耗更多水分，使土壤贮水量减少。因此，只有适当增施有机肥才可以提高土壤水分，利于作物的生长和发育，这与前人的研究结果一致^[14，28]。

3.2 化肥配施有机肥显著提高了玉米产量

前人研究表明，有机肥施用可使作物增产9.7%～20.1%^[40-41]，秸秆还田使作物增产3.5%～11.4%^[30，32]，可见，施用有机肥对玉米产量的影响大于秸秆还田，这与本研究结果一致。前人研究还表明，秸秆还田、有机肥增施，在一定程度上可替代化肥的施用^[33]。本研究进一步指出，当有机肥用量在零水平时，化肥配施秸秆还田在0.05水平上存在显著的正交互作用，而当秸秆还田量在零水平时，化肥配施有机肥存在显著的负交互作用。由于不同试验年份降水不同，产量也大不相同。与2018、2020年相比，2019年降水分别减少220.3、257.9mm。除2019年外，化肥配施有机肥对产量的交互作用较大，3因素对产量的交互影响其绝对值大小顺序为X₁₃>X₁₂>X₂₃。说明化肥配施有机肥对玉米的增产效应大于化肥配施秸秆还田。有机肥和秸秆还田对提高0～200cm土壤贮水量有较大影响，本研究指出，在保持秸秆还田量不变的情况下，多雨年可适当增加化肥，减少有机肥，以提高降水利用率，进而提高产量；而少雨年应减少化肥施用，适当增施有机肥，避免加重旱情，造成减产。研究还表明，玉米产量随着秸秆还田的增加表现出递减的趋势，这与刘敏^[28]的研究结果一致。过量的秸秆还田造成减产的原因可能是，土壤中的微生物和作物对氮素吸收利用的竞争作用，使还田的秸秆不能为作物提供足够的氮素营养，反而会固定土壤中部分矿质态氮，致使作物减产。

3.3 化肥配施有机肥显著提高了玉米的水分利用效率

众多研究表明，施有机肥可显著提高作物水分利用效率，但是当有机肥施用过量时，会抑制作物对水分的吸收，降低作物水分利用效率^[11-14]。本研究也发现，增加秸秆还田和增施有机肥均可提高玉米水分利用效率。但还田量和有机肥量不是越多越好，当施用化肥较多时，即使增施有机肥水分利用效率也缓慢下降。

因此，应适当增施有机肥和秸秆还田，合理减少化肥施用量，即优化施肥结构和施肥用量。本研究对改善土壤环境，实现秸秆和有机废弃物的综合利用，减少环境污染，以及对黄土旱塬区作物增产、水分增效和农业可持续发展具有重要的意义。

4 结论

适宜的配肥组合可显著降低土壤容重，增加土壤贮水量，提高作物产量和水分利用效率。研究提出了玉米化肥减量，有机肥和秸秆还田替代化肥的最优组合为化肥用量795～1061kg·hm^-2、秸秆还田比例69%～89%、有机肥用量11723～18848kg·hm^-2，预期玉米产量为13232kg·hm^-2。该组合较单施化肥对照（11729kg·hm^-2）增产12.8%，可减少化肥用量139～405kg·hm^-2。研究突破了生产上单一施用化肥的方式，实现了秸秆等有机肥源的综合利用，为进一步完善旱地有机培肥模式提供了理论及技术支持。然而，随着有机肥和化肥配施年限的增加，对农田硝态氮累积造成的生态安全还尚不明确，有待进一步探讨。

参考文献