《Agronomy》：Effect of Dose and Date of Application of Vermicompost and Its Combination with N-Fertilizer on Maize Grain Yield
Abstract
欧盟每年生产约5800万吨谷物玉米，斯洛伐克所占份额虽小，但谷物玉米仍是其重要的农作物，占全国耕地的10.6%。一项为期两年的盆栽试验旨在评估蚯蚓粪堆肥（Vc）的施用量和施用时间，以及其与矿物氮肥配施对玉米籽粒产量和所选籽粒品质参数的影响。结果表明，春季播种前施用170 kg ha?1总氮的Vc是适宜的。将Vc施用量从170 kg ha?1增加到340 kg ha?1总氮对籽粒产量、千粒重（TKW）、粗蛋白和淀粉含量均无显著影响。当土壤在秋季施用Vc后，春季施用60 kg ha?1矿物氮比春季施用170 kg ha?1总氮的Vc获得了更高的籽粒产量。单独施用Vc，无论用量或时间如何，均不影响淀粉含量或TKW。矿物和有机氮源的结合使用似乎是玉米氮营养最有效的策略。在秋季或春季施用170 kg ha?1总氮的Vc，随后在春季施用60 kg ha?1矿物氮，为获得高籽粒产量和品质创造了有利条件。
1. Introduction
玉米（Zea mays L.）是全球仅次于小麦和水稻的第三大谷物作物，年产量超过10亿吨。美国、中国和巴西是最大的生产国，平均籽粒产量分别为11、7和6吨/公顷。在包括斯洛伐克在内的大多数发达国家，玉米籽粒主要用于动物饲料（85%），其余用于食品和工业用途。根据两种预测模型，由于气候变化，预计21世纪下半叶玉米籽粒产量将下降8.2%或16.4%，这主要是由于土壤水分短缺。增加农业土壤有机质含量是缓解预期土壤水分短缺的一种解决方案，因为有机质减少了地表径流，即增加了保水能力。实现这一目标需要增加有机肥在植物种植中的使用。这对有机肥短缺的斯洛伐克农业尤其重要。
有机肥料不仅对土壤水分含量有积极影响，还对土壤的多种化学、物理和生物参数产生积极影响，从而导致栽培植物更好的养分吸收和更高的产量。已知蚯蚓粪堆肥还能积极影响土壤反应、土壤吸附能力和土壤空气状况。它们提高了土壤团聚体的稳定性，降低了土壤容重，并增加了土壤中褐球固氮菌（Azotobacter chroococcum）的数量。
在斯洛伐克农业中，最受信任的有机肥料是粪肥和蚯蚓粪堆肥。原因是农民自己生产粪肥，这意味着他们了解其来源和成分，并且储存它的空间和财务要求比储存泥浆要小。蚯蚓粪堆肥是蚯蚓生活和繁殖的场所，其成分是它们的食物。如果蚯蚓粪堆肥含有不适合其生活的成分，它们会逃离或死亡。含有活蚯蚓的蚯蚓粪堆肥表明其适合农业用途。与常规堆肥相比，蚯蚓粪堆肥含有显著更多的常量、微量营养素、生长刺激素，并且使用后养分在土壤中以可移动形式保持更长时间。
与蚯蚓粪堆肥不同，在斯洛伐克，对常规堆肥，尤其是城市固体废物（MSW）制成的堆肥的信任度较低，尽管已知MSW堆肥对栽培植物产量的影响与粪肥相当甚至更好。这种不信任源于MSW堆肥的堆肥成分可能在相对较宽的范围内变化。
有机肥料已被广泛用于提高土壤肥力和作物生产力，但其最佳施用策略仍然是全球研究的主要焦点。有机肥料对各类植物作物高度和质量以及对环境的影响取决于几个因素：生长地点，即天气变化和土壤参数；栽培作物；所用肥料的日期和剂量；肥料的类型和状态等。因此，不仅记录了它们对植物的积极影响，也记录了使用后的负面影响。它们对环境的负面影响也已被注意到。关于它们对作物高度和质量的积极影响的知识比关于其负面影响的知识要多。
蚯蚓粪堆肥对作物产量的积极影响主要与其对土壤结构和养分有效性的积极影响有关。蚯蚓粪堆肥与其他类型堆肥对土壤和植物影响的差异在于是否存在消化道分泌物（蚯蚓粪）。在消化道中，蚯蚓将消化的有机物与矿物质（土壤）混合，形成相对水稳定的团聚体。这些被排泄出来的团聚体对土壤的物理、化学和生物参数产生积极影响。在物理参数方面，它们对土壤团聚体的形成、土壤结构以及 consequently 对土壤保水能力产生积极影响，同时增加了土壤抗侵蚀能力。蚯蚓粪富含多糖和木质素，它们作为胶结剂，有助于增加土壤中碳和氮的稳定化和封存。
不同植物对有机肥施肥的反应不同。玉米是对各种有机肥料反应良好的作物之一，这就是为什么多种有机肥料如牛粪、鸡粪、猪垫料、家禽粪便、猪泥浆、生物炭、肉骨粉以及各种堆肥（包括蚯蚓粪堆肥）成功用于其营养的原因。建议用有机氮替代玉米营养总矿质氮需求的40%至60%。
在斯洛伐克的条件下，固体有机肥料（农家肥、堆肥）的施用主要在秋季进行，而悬浮肥料（泥浆、消化物）的施用则在作物播种前进行，也可在收获谷物或油籽后施用于收获后的残茬上。其原因是，在斯洛伐克的条件下，农民普遍认为在春季玉米播种前向土壤中施用Vc是不合适的，因为从Vc施用到玉米播种之间时间短，不允许蚯蚓粪堆肥中含有的有机化合物充分矿化。
在欧盟，为了保护环境免受有机和矿物氮肥潜在负面影响，欧盟委员会通过了一项措施，将有机肥料的年最大施用量限制在相当于170 kg ha–1氮的水平，同时确定了矿物氮肥的施用量和施用日期。各成员国已将这项立法纳入国家法律，在斯洛伐克条件下，这意味着矿物肥料形式的氮的最大单次剂量确定为60 kg ha–1氮。此类立法规定以及当前的技术程序不允许农民充分利用植物的生物潜力。结果往往是植物栽培效率下降。农民为了保持竞争力，正在寻找不同的解决方案。其中之一是与科研机构和大学合作，验证和创建这样的植物施肥环境系统，这些系统对作物高度和质量以及植物栽培经济产生积极影响，并且不加重环境负担。因此，本实验的目的是确定秋季和春季单独施用蚯蚓粪堆肥以及与矿物氮肥联合施用（剂量尊重欧盟委员会的规定，以及一个超限的Vc剂量分两个日历年施用）对玉米籽粒产量和所选玉米籽粒参数的影响。由于关于玉米矿物氮施用量和施用时间的知识相对较多，但关于固体有机肥料（堆肥、粪肥）不同施用时间的知识相对较少，本研究的另一个目的是确定秋季和春季施用蚯蚓粪堆肥之间玉米籽粒产量的差异大小。
2. Materials and Methods
2.1. Experimental Design and Field Management
为期两年的盆栽试验在位于尼特拉（48°18′ N, 18°05′ E）的斯洛伐克农业大学区域内的植被笼中进行。处理总数（tr.）为8个。处理1为对照，不施肥（土壤不含蚯蚓粪堆肥）。在处理2至8中，施用蚯蚓粪堆肥（Vc），要么单独施用（tr. 2, 3, 5, 7），采用两种不同的剂量和时间，要么与矿物氮一起施用（tr. 4, 6, 8）。
试验按照盆栽的随机排列设置，五次重复。在试验的两年中，秋季将22公斤取自0.25米表土层的Haplic Fluvisol土壤称重放入40个盆中（8个处理，5次重复）。选择Haplic Fluvisol作为本试验的土壤类型是基于其广泛的地理分布和农艺重要性。在斯洛伐克共和国的土壤资源中，Fluvisols约占30.97万公顷，相当于总农业用地面积的12.6%。全球范围内，Fluvisols覆盖约3.5亿公顷，使其成为集约和粗放农业系统中使用较广泛的土壤组之一。Fluvisols的特点是土壤性质变异大、动态性强，这是由于持续的河流动力沉积作用造成的。这些土壤通常位于重要的农业低地地区，具有有利的养分状况、相对较好的保水条件和高的农业生产力，使其适合种植多种作物，包括玉米。
随后，将Vc添加到25个盆（五个处理）中，采用两种不同剂量：340 kg ha–1N（tr. 2）和170 kg ha–1N（tr. 3至6），并与土壤混合。春季Vc的施用于三月最后一周在处理3、4、7和8中进行，剂量为170 kg ha–1N，并与土壤混合。Vc中170 kg ha–1N的氮剂量是根据欧盟委员会的规定确定的。三月，矿物氮肥，含白云石的硝酸铵（AND—27% N），与Vc同时施用，剂量为60 kg ha–1N，施用于处理4、6和8的盆中。选择60 kg ha–1N的剂量是基于斯洛伐克立法中实施的硝酸盐指令。每公顷面积的Vc和AND剂量被转换为每个容器的重量。从面积转换为重量时，计算依据是斯洛伐克田间土壤的容重为1.5 g cm?3。
所用土壤和Vc的基本农化参数见表2。所用（施用）蚯蚓粪堆肥的干物质含量为82.5%，即水分含量为17.5%。Vc由VermiVital Ltd.（Záhorce, Slovakia）公司生产和供应，该公司使用赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）来生产。
玉米（品种为PR38V91，来自Pioneer，FAO 310）的播种在第一试验年为4月30日，第二试验年为4月28日进行（每盆10株）。出苗后三周（BBCH 10），间苗以确保每盆植株数相等（每盆4株）。在BBCH 16生长阶段，再次间苗以达到最终每盆3株。
在整个玉米生育期，每天检查试验，并根据需要进行灌溉和除草。使用含有可忽略不计养分量（N-2.15, P-0.19, K-0.46, Ca-2.44, Mg-0.42, S-2.62 mg L–1）的停滞饮用水进行灌溉。在强辐射日，对带植物的盆进行遮荫。试验结束时，测定籽粒重量、籽粒中粗蛋白和淀粉含量以及千粒重。
2.2. Analysis of Soil and Vermicompost
使用以下分析方法测定所用土壤和蚯蚓粪堆肥的农化参数。NH4+-N采用奈斯勒比色法，NO3--N采用酚-2,4-二磺酸比色法，其中土壤提取液使用1% K2SO4水溶液获得。无机氮Nin计算为NH4+-N + NO3?-N之和（Nin= NH4+-N + NO3?-N）。NH4+-N和NO3?-N均在新鲜土壤样品中测定。
有效磷、钾、钙和镁的含量通过Mehlich 3提取程序在干燥土壤样品中测定。有效磷含量采用钼蓝法估算，有效形态的钾、钙和镁采用火焰原子吸收光谱法（Bodenseewerk Perkin-Elmer GmbH–Model 2100, Germany）测量。土壤有机碳（Cox）采用湿燃烧法测定，涉及使用0.07 mol L?1H2SO4和K2Cr2O7混合物氧化SOM，随后根据Tyurin方法使用莫尔盐滴定，全氮（Nt）含量根据凯氏定氮法测定，电导率（EC）采用比电导率法测定，pHKCl（在1.0 mol dm?3KCl溶液中，土液比1:2.5）采用电位法测定。
2.3. Analysis to Determine Grain-Quality Parameters
粗蛋白含量根据公式6.25 × % N计算，其中氮含量通过在浓H2SO4介质中矿化后采用蒸馏凯氏定氮法测定。淀粉采用Ewers偏振法测定。在偏振法（或Ewers法）中，通过用稀盐酸（HCl）煮沸从样品中释放淀粉，然后水解为葡萄糖。通过测量偏振角或旋光度来确定葡萄糖浓度。千粒重（TKW）的测定采用传统测量方法，基于称重和计数籽粒等手动步骤。
2.4. Statistical Analysis
统计分析使用两年试验的平均值。在五次重复中，对四次重复进行统计评估。总是排除偏离平均值最大的重复。获得的结果通过多因素（处理因素和重复因素）方差分析（ANOVA）进行处理。处理间的差异通过Tukey检验在显著性水平α = 0.05（p < 0.05）下进行评估。使用Statgraphics Centurion XV?I软件版本16.2.（Statpoint Technologies, Inc., Washington, DC, USA）进行统计分析。
3. Results and Discussion
3.1. Grain Yield
植物营养是植物生产的重要强化因素，因此必须持续关注。在中欧地区，植物营养平均决定大田作物产量的约20-25%，园艺作物的约30%，而在斯洛伐克农业条件下，它通常影响植物产量的范围为6%至70%。
未施肥的处理1玉米籽粒产量最低（30.38 g pot?1）。所有施肥处理（tr. 2至8）使籽粒产量平均增加2.1倍，且产量增加是显著的。在施肥处理（tr. 2至8）中，籽粒产量最低记录在tr. 7，该处理仅在春季施用基础剂量170 kg ha–1N的Vc。与tr. 7几乎相同的籽粒产量记录在tr. 5，该处理在秋季施用相同氮剂量（170 kg ha–1）的Vc。在tr. 5（秋季施用Vc）和tr. 7（春季施用Vc）之间检测到的微小产量差异并未证实以下假设：由于从有机键中释放养分所需时间不足，春季施用Vc不能为栽培植物提供足够量的可利用养分，因此春季施用Vc的植物产量将低于秋季施用Vc的植物。春季施用Vc对玉米籽粒产量相对较好的效果很大程度上归因于定期灌溉确保的充足土壤湿度以及蚯蚓粪堆肥中较窄的碳氮比（9.79:1）。观察到的春季施用170 kg ha–1N Vc对玉米籽粒产量的影响为在斯洛伐克农业条件下，或在温带气候区条件下，在秋季以外的时间使用堆肥创造了前提，前提是使用的Vc碳氮比低于10:1，并且为植被矿化过程确保充足的土壤湿度。
仅施用Vc的处理（tr. 2, 3, 5, 7）的平均籽粒产量为52.78 g pot?1。在这些处理中，施用170和340 kg ha–1N剂量的Vc使产量比未施肥对照平均增加1.7倍。将秋季一次性施用的全剂量Vc（340 kg ha–1N）（tr. 2）分成春季（170 kg ha–1N）和秋季剂量（170 kg ha–1N）施用（tr. 3），仅导致籽粒产量微不足道且不显著的增加。同样，施用340 kg ha–1N Vc的处理（tr. 2和3）与施用170 kg ha–1N Vc的处理（tr. 5和7）之间的产量差异也不显著。检测到的统计上不显著的差异表明，与170 kg ha–1N剂量相比，340 kg ha–1N剂量的Vc是无效的，无论是一次性施用还是分两次（秋季和春季）施用。这些发现证实，在高氮肥（有机或无机）施用量下，产量增加可能微乎其微，或者施肥可能产生抑制作用。
施用Vc与矿物氮肥配施的处理（tr. 4, 6, 8）平均籽粒产量为80.76 g pot?1。在整个试验中，这三个处理（4, 6, 8）获得了最高产量，分别是对照处理的2.8、2.7和2.6倍。这些发现证实了矿物肥料和有机肥料联合施用的合理性，这一点已被多位作者指出。向Vc中添加矿物氮（tr. 4, 6, 8）使籽粒产量比仅施用Vc的处理（tr. 2, 3, 5, 7）平均增加1.5倍。向Vc中添加矿物氮引起的产量增加在处理间分别为44.85%（tr. 4 vs. tr. 3）、55.19%（tr. 6 vs. tr. 5）和61.10%（tr. 8 vs. tr. 7）。向Vc中添加矿物氮后产量增加最小（44.85%）出现在处理4与3的比较中，其中Vc施用的氮剂量（340 kg h–1N）是处理6和8的两倍。较高的Vc剂量意味着矿物氮肥的效果较小。向Vc中添加矿物氮后玉米籽粒产量增加最大（61.10%）出现在处理8与7的比较中，该处理在春季玉米播种前施用基础剂量170 kg ha–1N的Vc。添加矿物氮后产量显著增加的原因是矿物氮肥对所用Vc中有机化合物矿化过程、植物养分有效化过程的加速作用及其随后被植物利用。研究结果指出，60 kg ha–1N矿物肥料对籽粒产量的效果取决于蚯蚓粪堆肥的施用量和施用时间。
三个籽粒产量最高的处理（tr. 4 vs. tr. 8 vs. tr. 6）之间的相互产量差异不显著，尽管它们在不同时间施用了不同量的Vc，但矿物氮肥的氮剂量相同，这证实了与有机肥料提供的氮相比，矿物肥料提供的氮对栽培植物产量的影响更为显著。
处理4、6和8的共同特点是在施用蚯蚓粪堆肥的土壤上进行了春季播种前矿物氮肥的施用。这一发现证实了以下知识：栽培植物生物量的形成受含有易利用、无机氮的肥料的显著影响，因为氮是植物营养的基本元素。同时，它也证实了几十年来关于联合使用有机肥料和矿物肥料的合理性（理性）的知识。
比较春季施用60 kg ha–1N矿物氮（tr. 6）和春季施用170 kg ha–1N Vc（tr. 3）对秋季已施用Vc土壤的效果表明，春季60 kg ha–1N矿物氮剂量比春季170 kg ha–1N Vc剂量对产量的增加更为显著。从玉米籽粒产量的角度来看，春季Vc中施用的170 kg ha–1N并不等同于AND矿物肥料中施用的60 kg ha?1N。170 kg N剂量的Vc效果低于60 kg N矿物肥料的原因是，从植物营养的角度来看，施用的氮总量并不重要，重要的是矿物氮或易矿化氮的量。原因是植物在生育前半期吸收的氮主要影响其产量，而在生育后半期吸收的氮主要影响其品质参数。因此，通过蚯蚓粪堆肥（其中大部分氮以有机键结合）提供的170 kg总氮对栽培植物产量的影响与以矿物形式提供的60 kg氮不同。在蚯蚓粪堆肥提供的170 kg氮中，只有约25 kg氮是无机形态，其余为有机形态，无机氮在矿化过程中逐渐释放出来。
3.2. Crude Protein and Starch in Grain
玉米籽粒中粗蛋白（CP）含量在对照未施肥的处理1中最低。所有测试的施肥处理（tr. 2至8）均以显著方式影响它，增加了其含量。这一发现与关于含氮肥料对栽培植物籽粒中粗蛋白含量的积极影响的知识一致，无论氮是通过何种肥料提供的。
在施肥处理（tr. 2至8）中，CP含量最低出现在处理7和5的籽粒中，即仅在春季或秋季施用基础剂量170 kg ha–1N Vc的处理中。
双倍剂量的Vc（340 kg ha–1N）与基础剂量（170 kg ha–1N）相比，对CP含量影响不显著（tr. 2和3 vs. tr. 5和7），这表明从粗蛋白含量和产量高度来看，这种剂量的蚯蚓粪堆肥都是不合理的。同样，将340 kg ha?1N剂量的Vc分配为秋季和春季剂量（tr. 3）与一次性秋季施用Vc（tr. 2）相比，对玉米籽粒CP含量影响不显著。秋季和春季施用170 kg ha?1N剂量Vc（tr. 5 vs. tr. 7）之间CP含量的差异也不显著。综上所述，施用Vc增加了CP含量（tr. 2, 3, 5, 7 vs. tr. 1），但不同剂量、不同时间施用Vc的处理（tr.
