绿洲灌区牛粪堆肥与化肥减量配施玉米生产的可持续性分析

A sustainability analysis of maize production using a combination of cow manure compost and reduced chemical fertilizer in oasis irrigation areas

摘要

目的 堆肥是改善土壤质量、保障粮食安全和推动农业可持续发展的有效途径。然而，目前针对绿洲灌区玉米生产体系中堆肥科学配施与化肥减量协同效应的研究仍显不足，尤其缺乏基于产量、资源利用效率及经济效益可持续性的系统评估。 方法 以常规施肥（纯N 450 kg/hm²、P₂O₅ 270 kg/hm²）为对照，牛粪堆肥60 t/hm²和30 t/hm²结合化肥减量10%、20%、30%分别配施7个处理。通过综合玉米产量特性、资源利用率以及经济效益，旨在评估不同堆肥与化肥施用量的可持续性。 结果 堆肥30 t/hm²与化肥减量20%配施（C₂F₂）有利于优化玉米形态及穗部特征，稳定作物产量。与常规施肥（CK）相比，C₂F₂处理玉米株高、穗位高分别提高6.7%、9.2%。C₂F₂处理促进了玉米生产资源高效利用，较CK光能、水分和氮素利用效率分别提高18.7%、12.1%和41.8%。此外，C₂F₂处理可有效增加总产值，减少化肥投入，获得较高的经济效益。与CK相比，C₂F₂处理总产值、纯收益和产投比分别提高35.1%、46.9%和11.8%，化肥投入降低18.8%。可持续性分析表明，C₂F₂处理的可持续性评价指数较高，是一种很有前景的玉米生产策略。 结论 堆肥30 t/hm²与化肥减量20%配施是绿洲灌区增产增效、提高经济效益的可持续玉米生产模式。

Abstract

Objective Composting is an effective approach to improving soil quality,ensuring food security, and promoting sustainable agricultural development. However, research on the synergistic effects of optimized compost application and chemical fertilizer reduction in maize production systems of oasis irrigated areas remains insufficient, particularly regarding systematic assessments of yield,resource use efficiency,and economic sustainability. Method This study involved seven treatments，with conventional fertilization (pure N 450 kg/hm²，P₂O₅ 270 kg/hm²) serving as the control.These treatments included the application of cattle manure compost at rates of 60 000 and 30 000 kg/hm²，combined with reductions in chemical fertilizer application rates of 10%，20% and 30%，respectively.Through a comprehensive analysis of maize yield characteristics，resource utilization efficiency and economic benefits，the study aimed to evaluate the sustainability of various compost and chemical fertilizer application rates. Result Applying compost at a rate of 30 tonnes per hectare，combined with reducing chemical fertilizer by 20% (C₂F₂)，was found to optimize maize morphology and ear characteristics，thereby stabilizing crop yield.Compared to conventional fertilization，the C₂F₂ treatment increased plant and ear height by 6.7% and 9.2%，respectively.The C₂F₂ treatment also enhanced the efficient utilization of production resources，improving light，water and nitrogen use efficiencies by 18.7%，12.1% and 41.8% respectively compared to the control group.Additionally，the C₂F₂ treatment effectively increased the total output value，reduced the input of chemical fertilizers，and achieved higher economic returns.Compared to the control group，the C₂F₂ treatment improved total input value，net return and input/output by 35.1%，46.9% and 11.8% respectively，while reducing chemical fertilizer input by 18.8%.Sustainability analysis indicated that the C₂F₂ treatment had a notably high sustainability evaluation index，making it a promising strategy for maize production. Conclusion Applying compost at a rate of 30 tonnes per hectare，combined with reducing chemical fertiliser by 20%，is a sustainable model for producing maize in oasis irrigation regions.This approach effectively enhances yield，improves efficiency and increases economic benefits.

Graphical abstract

关键词

玉米 / 牛粪堆肥 / 化肥减量 / 产量 / 经济效益 / 可持续评价

Key words

maize / cow manure compost / chemical fertilizer reduction / yield / economic benefit / sustainability evaluation

玉米，作为我国粮食、饲料和经济作物的中坚力量，对于维护国家粮食安全扮演着举足轻重的角色^［1］。鉴于中国在全球粮食消费中的显著地位，推动玉米生产的可持续性对于确保国家粮食安全具有不可替代的战略意义^［2-3］。随着全球人口的增长和农业集约化的发展，化肥的大量使用已成为提高作物产量的主要手段^［4］。然而，长期依赖化肥的玉米生产模式对环境造成了诸多负面影响，包括土壤退化、温室气体排放等问题^［5］。因此，在追求玉米产能提升和经济效益增长的同时，迫切需要减少化肥施用的可持续农艺措施。

堆肥化处理是实现农业废弃物无害化和资源化的重要途径之一^［6］。堆肥不仅具有较高的有机质含量，而且富含中微量元素、微生物以及酶等生物活性成分^［6-7］。长期田间试验表明，农田堆肥可有效提高粮食作物的产量，增幅可达8%~10%^［8］。也有研究发现，增施由小反刍动物废弃物制成的堆肥，能有效提升土壤的肥力，改善玉米的营养状况，并显著增加其产量^［9］。因此，堆肥作为有机肥料，对提升作物产量、优化土壤质量和推动农业可持续发展具有重要作用。长期施用化肥会导致土壤中微生物的生态环境变得脆弱^［10］，但单施堆肥也可能造成土壤污染、盐碱化及微生物群落变化，从而影响土壤健康和长期农业可持续性^［11］。同时，单施牛粪堆肥也可能会因为养分供应不足，导致短期内作物减产^{［10，12］}。堆肥与化肥配施在提高作物产量、增强土壤肥力、减少环境污染等方面具有显著效果，是一种有效的农业管理策略^［13-14］。有研究表明，将牛粪堆肥与化肥配施于小麦-玉米轮作田，与单施化肥相比，牛粪堆肥与化肥的配施处理产量最高^［15］。也有研究发现，在堆肥与化肥联合施用下，降低化肥用量20%，不仅能够维持作物的稳定产量，而且对环境具有显著的积极影响，尤其是在降低氮肥以气态形式损失方面效果显著^［16］。因此，堆肥与化肥减量配施可以减少化肥的施用量的同时，维持甚至提升作物产量，从而有效减少农业生产的经济成本，并增强资源利用效率。河西绿洲灌区养殖业较为成熟，畜禽粪便作为一种丰富的农业副产品，其堆肥化利用不仅可以减少环境污染，还能作为一种有机肥料，提高土壤质量和作物产量^［17］。然而，在农田堆肥施用方面存在普遍的不合理操作，缺少科学的堆肥与化肥减量配施技术。本研究拟在施用堆肥60 t/hm²和30 t/hm²的基础上，设置不同化肥施用水平，明确堆肥与化肥减量配施对玉米产量性能、资源利用和经济效益的影响，以期为构建绿洲灌区高产、高效且可持续的玉米生产模式提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验于2021~2023年在甘肃省金昌市永昌县城关镇（N 38°24′，E 101°98′）进行。试验基地位于河西走廊东端，多年平均降雨量约124 mm，主要集中在7~9月，年蒸发量约2 200 mm，属于典型的绿洲农业区。试区土壤为典型灌漠土，0~30 cm土层基本理化性质为：有机质含量17.9 g/kg，全氮含量0.78 g/kg，碱解氮含量103.5 mg/kg，速效钾含量172.2 mg/kg，速效磷含量26.2 mg/kg以及pH（1∶2.5 H₂O）=8.35。该地区畜牧业发达，堆肥应用广泛，但是农田施用堆肥的方式存在明显不合理现象^［18］。

1.2 试验设计

基于裂区定位试验设计，本研究采用2021~2023年数据。试验设当地常规施肥（纯N 450 kg/hm²、P₂O₅ 270 kg/hm²）为对照、牛粪分别堆肥60 t/hm²和30 t/hm²结合化肥减量10%、20%、30%施用，共7个处理（表1），重复3次，共21个小区，小区面积为80 m²（8 m×10 m）。

供试玉米品种选用先玉335；堆肥采用当地作物残体和牛粪采用堆肥采用户外堆置方式堆制。新鲜牛粪由附近养殖厂提供。将作物残体与牛粪按质量比（干质量）1∶4配制堆肥物料，进行室外覆盖堆肥处理45~60 d。堆肥发酵完成后将堆肥防水保存和取样检测，测得堆肥的含水率为35.5%，pH值8.1，有机质含量、全氮含量、全磷含量、全钾含量分别为38.7%、1.5%、1.05%、0.95%。化学肥料为尿素（N≥46%）和过磷酸钙（P₂O₅≥16%）。玉米种植密度为8.25 万株 hm^-2，穴播，行距40 cm，株距27 cm；采用无色透明地膜平作覆盖。2021 、2022和2023年玉米播种日期分别为4月15 日、4月20日和4月17日，收获日期分别为10月1日、9月26 日和9月28日。所有处理堆肥和化肥基肥在春季整地之前一次性均匀撒施，用旋耕机均匀混入0~20 cm 土层中。氮肥按基肥 ：大喇叭口期追肥 ：灌浆期追肥=3∶5∶2分施，磷肥全作基肥。在前一年入冬前统一灌冬水120 mm，在玉米拔节期、大喇叭口期、吐丝期、灌浆前期、灌浆中期分别滴灌方式灌水 90、75、90、75 和75 mm。

1.3 测定指标与计算方法

1.3.1 产量表现

玉米成熟后取长5 m，一幅膜宽度的面积，风干称其生物量，脱粒后测定籽粒产量；采用PM-8188型谷物水分测定仪测定籽粒含水率，重复5次，取其平均值；籽粒产量均按含水量13%折合计算。另外，每个小区随机选取10株玉米测量株高，并将果穗移至室内测定穗位高、果穗长、果穗粗和秃尖长。

1.3.2 光能利用率

基于玉米产量，并借助附近气象站获取玉米生长期内的太阳辐射值，计算玉米光能利用率^［19］：

LUE(\mathrm{\%})=\frac{\mathrm{16.3}\times GY+\mathrm{14.6}\times SW}{R}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}

式中：LUE为玉米全生育期光能利用率；GY为玉米籽粒产量，SW为玉米秸秆产量；玉米籽粒与秸秆对应的能量折算值分别为16.3 MJ/kg和14.6 MJ/kg^［19］；R为玉米生长期间的太阳总辐射值（MJ/m²）。

1.3.3 水分利用率

采用水分平衡公式计算玉米生育期内耗水量，公式如下：

ET=P+I-\mathrm{\Delta }S

式中：ET为作物耗水量（mm），P为降水量，I为灌水量，ΔS为播前和收后土壤贮水量之差（mm）。由于试验地区地下水在30 m以下，灌水量较少，渗漏量和地下水上升的影响忽略不计^［20］。

水分利用效率［WUE，kg/（hm²·mm）］：

WUE=\frac{GY}{ET}

1.3.4 氮素利用效率

玉米成熟期每小区随机取样5株具有代表性的地上部植株，按照叶片、茎部（包括茎秆、叶鞘、苞叶和穗轴）和籽粒在105 ℃烘箱中30 min杀青，然后调至80 ℃恒温连续烘干至恒质量，称重后用粉碎机粉碎过0.2 mm筛，混合均匀后装入带标号的自封袋中带回实验室，取已粉碎制好的植株样品采用全自动碳氮分析仪测定各植株氮素含量（%）。

植株吸氮量（kg/hm²）=植株干质量×含氮量

氮素利用效率（kg/kg） =籽粒产量/植株吸氮量

1.3.5 经济效益

详细记录播种、堆肥、化肥、灌水、种子、地膜、农药、收获与耕地等农业生产资料的投入。结合每个地块的籽粒和秸秆产量，计算出各处理的总产值、总投入、纯收益和产投比。籽粒、秸秆、农用材料和人工成本的价格按照当年的市场价格计算。

总产值=单位产品价格×产量

纯收益=农业总产出-农业生产总投入

产投比=农业总产出/农业生产总投入

1.3.6 可持续评价

可持续评价指数（SEI）基于不同堆肥与化肥施用量的籽粒产量、生物产量、光能利用率、水分利用率、氮素利用效率、总投入、纯收益 和产投比，用于判别是否具有更高的产量和效益^［21］。SEI的计算公式如下。

a{x}_{ij}=\frac{x_{ij}}{x_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}\left(\begin{array}{l}i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4}\\ j=\mathrm{1,2},\mathrm{3},\cdots ,\mathrm{7}\end{array}\right)or\frac{x_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}}{x_{ij}}=\left(\begin{array}{l}i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4}\\ j=\mathrm{8}\end{array}\right)

式中：ax_ij 是i × j处的标准化值（0< ax_ij ≤1）；ax_ij 是处理i和变量j的相应精算值；x_max 和x_min 是每个变量的最大值和最小值。

b{x}_{ij}=\frac{\mathrm{1}}{a{x}_{ij}}\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{m}}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^m}(a{x}_{ij}{-a\overline{x_{ij}})}^{\mathrm{2}}\left(\begin{array}{l}i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4}\\ j=\mathrm{1,2},\mathrm{3},\cdots ,\mathrm{8}\end{array}\right)

式中：bx_ij 是每个变量的变异系数，即ax_ij 次重复的平均值，m是j的最大次数。

SEI={\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^{\mathrm{m}}}\left(a{x}_{ij}\times \frac{b{x}_{ij}}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^m}b{x}_{ij}}\right)\left(\begin{array}{l}i=\mathrm{1,2},\mathrm{3,4}\\ j=\mathrm{1,2},\mathrm{3},\cdots ,\mathrm{8}\end{array}\right)

其中：SEI是各处理的可持续性评价指数，该指数值越高，方法的可持续性越好。

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2019整理并处理数据，SPSS 26进行邓肯检验，显著性水平设定为P<0.05。采用Origin Pro 2021软件绘制所有插图。

2 结果与分析

2.1 堆肥替代部分化肥对玉米产量的影响

2.1.1 产量表现

2021~2023年，化肥施用量对玉米籽粒产量和生物产量影响显著；堆肥施用量对籽粒产量影响显著，但对生物产量无显著影响；堆肥与化肥施用量交互作用对籽粒产量和生物产量均影响显著（图1）。堆肥30 t/hm²施用量（C₁）较堆肥60 t/hm²施用量（C₂）玉米籽粒产量3 a平均提高4.6%。化肥减量10%（F₁）、化肥减量20%（F₂）较化肥减量30%（F₃）玉米籽粒产量分别平均提高14.2%、12.3%，生物产量分别平均提高9.8%、14.4%。说明堆肥30 t/hm²施用量与化肥减量10%、20%配施玉米产量仍可保持与常规施肥相当地水平。堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%（C₂F₂）较堆肥60 t/hm²结合化肥减量10%（C₁F₁）、堆肥60 t/hm²结合化肥减量20%（C₁F₂）、堆肥60 t/hm²结合化肥减量20%（C₁F₃）和堆肥30 t/hm²结合化肥减量30%（C₂F₃）处理玉米籽粒产量分别平均提高7.2%、6.4%、19.4%和16.1%。C₂F₂较C₁F₃、C₂F₃处理玉米生物产量分别平均提高12.8%、16.5%。因此，堆肥30 t/hm²施用量替代部分化肥可弥补减施20%化肥引起的产量损失，从而保证化肥减量条件下玉米产量稳定。

2.1.2 农艺性状

3个试验年份，化肥施用量对玉米株高、穗位高、秃尖长影响显著，堆肥施用量对玉米农艺性状无显著影响；堆肥施用量与化肥施用量二者交互作用对玉米株高、穗位高、秃尖长影响显著（图1）。F₂较F₁玉米株高、穗位高3 a分别平均提高6.5%、5.4%，秃尖长平均降低6.8%。综合堆肥施用量和化肥施用量来看，C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₃、C₂F₁和C₂F₃处理玉米株高分别平均提高6.7%、4.3%、4.1%、10.1%和4.3%；C₂F₂较CK、C₁F₁和C₂F₁处理玉米穗位高分别平均提高9.2%、5.3%、9.4%；C₂F₂较C₂F₁处理玉米秃尖长平均降低15.3%。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可通过提高玉米株高和穗位高，降低秃尖长，从而有效优化玉米农艺性状。

2.2 玉米光能、水分与氮素利用效率对堆肥替代部分化肥的响应

2.2.1 光能利用率

化肥和堆肥施用量及其二者交互作用对光能利用率影响显著（图2）。C₂较C₁、CK玉米光能利用率3 a分别平均提高6.0%、18.0%。F₂较CK、F₁和F₃玉米光能利用率分别平均提高11.2%、10.8%和35.6%。说明堆肥30 t/hm²施用量和化肥减量20%可有效提高玉米光能利用率。堆肥施用量和化肥施用量相结合，C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₁F₂、C₂F₁和C₂F₃处理玉米光能利用率分别平均提高18.7%、33.4%、14.5%、54.9%、6.3%和35.9%。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可有效促进玉米生长季节对光资源的高效利用。

2.2.2 水分利用率

化肥和堆肥施用量及其二者交互作用对水分利用率影响显著（图3）。C₂较C₁、CK玉米水分利用率3 a分别平均提高4.9%、4.7%。堆肥60 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米水分利用率分别平均提高13.9%、9.2%和17.2%；堆肥30 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米水分利用率分别平均提高12.1%、12.0%和26.6%。综合来看，C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₃、C₂F₁和C₂F₃处理玉米水分利用率分别平均提高12.1%、7.7%、15.6%、12.0%和26.6%。因此，在堆肥30 t/hm²条件下，化肥减量20%具有较高的水分利用效率。

2.2.3 氮素利用效率

化肥和堆肥施用量对及其二者交互作用对氮素利用效率也影响显著（图4）。C₂较CK玉米氮素利用效率3 a分别平均提高19.0%。堆肥60 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米氮素利用效率分别平均提高35.0%、30.4%和14.0%；堆肥30 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米氮素利用效率分别平均提高41.8%、48.6%和19.1%。综合化肥和堆肥施用量，C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₁F₃、C₂F₁和C₂F₃处理玉米氮素利用效率分别平均提高41.8%、36.9%、5.0%、19.7%、48.6%和19.1%。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%能促进籽粒产量的形成与作物对氮素地吸收，提高氮素利用效率。

2.3 经济效益

2.3.1 投入和产值分析

堆肥与化肥施用量以及二者交互作用对玉米农田总产值影响显著（表3）。C₂较C₁、CK玉米总产值3 a分别平均提高24.8%、12.0%。堆肥60 t/hm²下，F₂较CK、F₁玉米总产值分别平均提高40.4%、4.0%；堆肥30 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米总产值分别平均提高35.1%、9.1%和17.0%。3 a中，C₂F₂较CK、C₂F₁和C₂F₃处理玉米总产值分别平均提高35.1%、9.1%和17.0%。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%有利于提高籽粒和秸秆产量，从而提高玉米农田总产值。

就成本投入而言，C₂较C₁玉米堆肥投入、总投入分别平均降低51.2%、14.8%；C₂较CK玉米化肥投入平均降低18.3%（表 3，图5）。F₂较F₁化肥投入平均降低9.8%。C₂F₂较CK、C₂F₁处理化肥投入分别平均降低18.8%、8.2%，C₂F₂较C₁F₁、C₁F₂和C₁F₃处理总投入分别平均降低18.4%、16.6%和14.7%。可见，在同等市场价格下，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可有效减少堆肥与化肥投入，进而一定程度上减少玉米农田成本投入。

堆肥与化肥施用量以及二者交互作用对玉米农田产投比有显著影响（表3）。C₂较CK产投比平均提高3.2%。F₂较CK、F₁和F₃产投比分别平均提高8.1%、10.3%和9.8%。C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₁F₃、C₂F₁和C₂F₃处理产投比分别平均提高11.8%、22.5%、15.3%、10.1%、11.6%和14.7%。由此表明，在绿洲灌区堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%具有较高的玉米农田产投比。

以上结果分析表明，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可通过提高玉米农田总产值和降低玉米农田化肥投入，从而获得较高的产投比，有利于提高玉米经济效益。

2.3.2 纯收益

堆肥与化肥施用量以及二者交互作用对玉米农田纯收益具有显著影响（表2）。C₂较CK玉米农田纯收益3 a平均提高27.9%。堆肥60 t/hm²下，F₂较CK、F₁玉米纯收益分别平均提高36.7%、10.1%；堆肥30 t/hm²下，F₂较CK、F₁和F₃玉米纯收益分别平均提高46.9%、18.5%和30.3%。C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₂F₁和C₂F₃处理玉米纯收益分别平均提高46.9%、18.3%、7.5%、18.5%和30.3%。因此，在堆肥30 t/hm²条件下，化肥减量20%可获得较高的纯收益，有利于农民增收。

2.4 可持续性分析

基于3 a试验结果，通过可持续评价模型以识别不同堆肥和化肥施用量对玉米生产的影响（表4）。结果表明，C₂F₂处理具有最高的可持续评价指数，较CK、C₁F₁处理分别提高4.6%、4.5%。特别是，C₂F₂处理具有较高的纯收益、光能利用率和氮素利用效率评价得分，较低的总投入评价得分。C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₁F₃、C₂F₁和C₂F₃处理玉米纯收益评价得分分别提高24.7%、17.0、28.1%、16.8%、30.3%、11.3%；C₂F₂较CK、C₁F₁和C₁F₂处理光能利用率评价得分分别提高19.3%、26.6和5.7%；C₂F₂较CK、C₂F₃处理氮素利用效率评价得分别提高5.6%、7.8%。C₂F₂较CK、C₁F₁、C₁F₂、C₂F₁和C₂F₃处理玉米总投入评价得分分别降低8.6%、10.0%、11.6%、17.7%和17.3%。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可获得较好的可持续性，可作为绿洲灌区增产增效的玉米生产技术。

3 讨论

3.1 不同堆肥和化肥施用量对绿洲灌区玉米产量的影响

科学施肥是实现玉米高产、高效和可持续生产的关键措施之一^［5］。在畜牧业较成熟地区，堆肥技术已被广泛应用于畜禽粪便的处理和资源化利用^［8］。粪肥与化肥配施能够有效改善土壤结构、显著优化土壤肥力，促进作物生长和品质^［14］。特别是，在畜牧业发达地区，堆肥与化肥配施对产能提升具有显著的积极作用，既提高了农业生产的可持续性，也提升了土壤质量和作物产量^［18］。本研究也发现，堆肥30 t/hm²与化肥减量20%配施可有效维持玉米籽粒产量和生物产量与常规施肥相当水平（图1）。前人研究也发现，在氮肥减半条件下，增加粪污堆肥用量可显著提高小麦、玉米籽粒产量和土壤肥力^［22］，特别是在粪污堆肥氮用量为尿素氮用量的4倍时，小麦和玉米可稳定增产15%~18%^［23］。产生这一效应的主要原因在于堆肥富含优质碳源，能够显著改变土壤微生物的群落组成，促进有益微生物的增殖 ^［24-26］。此过程显著加快了土壤中C、N、P等营养元素的生物转化速率，从而提升了植物可利用养分的比例，进一步增强了土壤的肥力水平^［27］。其次，堆肥中的有机营养成分以缓释形态储存，确保了土壤养分的持久供给，这有利于作物进行持续的养分吸收和利用，进而促进作物稳定生长，并显著提高作物产量^［8］。本研究也发现，堆肥60 t/hm²对玉米籽粒产量有显著提升作用，但较堆肥30 t/hm²其增产效果相对较弱（图1）。说明堆肥的增产效应并非随施用量呈线性增加，而是呈现非线性响应特征，并且在一定范围内存在一个最优施用量阈值^［28］。过量施用堆肥可能打破原有的养分平衡，导致土壤养分过剩，影响作物对养分的吸收效率^［22］；同时随着堆肥用量的增加，土壤固碳效率呈现递减趋势，导致土壤对新增有机质的固定能力下降，从而影响了堆肥的增产效果^［8］。本研究也表明，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%对玉米形态及穗部特征具有优化作用。与常规施肥处理相比，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%的株高和穗位高分别增加6.7%和9.2%（表2）。这是由于堆肥能够显著提升玉米对环境资源的适应能力，改善土壤结构和养分状况，优化光合产物的分配，从而协调玉米生长发育^［6］。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%是绿洲灌区适宜的玉米高产稳产的有效措施。

3.2 资源利用与经济效益对堆肥与化肥减量配施的响应

玉米作为我国重要的粮饲两用作物，过量施用水肥导致资源浪费、土壤养分失衡及生态环境破坏，威胁农业可持续发展^［29］。堆肥作为一种优质的有机肥源，其施用不仅能显著提高作物产量，还能改善土壤肥力，减少对化学肥料的依赖，从而有助于降低农业生产成本，提高农民的经济效益^{［14，30］}。有研究发现，堆肥与化肥的联合施用可以显著提高旱地春玉米的光合特性和水分利用效率^［18］。本研究也发现，与常规施肥相比，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可分别提高玉米光能、水分利用率18.7%和12.1%（图2~3），这与前人研究结果相似。堆肥通过显著延长叶片功能期，有效缓解了单纯依赖化肥导致的光能利用限制，从而促进作物光合作用效率的提升，最终实现作物产量和生长表现的显著改善^［31］。此外，堆肥中丰富的有机质含量能有效优化土壤的团粒结构和孔隙度，提升土壤的保水能力和渗透性^［18］。这一改善进而提高了土壤的水分利用效率，并增强了水肥之间的耦合效应，为作物的健康生长提供了更为有利的水分和养分条件^［8，18］。本研究中堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%处理对氮素利用效率具有显著的提升作用，较常规施肥提高41.8%（图4）。主要原因在于堆肥中的有机氮的缓慢矿化特性，确保在整个生长周期内持续而稳定地释放养分，与化肥的迅速养分释放形成互补，显著提升氮素利用效率^［24］；二是堆肥中的有机成分有效改善土壤结构，增强微生物活性，减少氮素通过氨挥发和硝化-反硝化过程造成的损失，从而提高氮素的回收与利用效率^［16］；三是堆肥与化肥的配施可实现作物营养需求与肥料供应的同步，为作物整个生长周期提供均衡的养分供给，进一步优化氮素的有效利用率^［32］。前人也发现，猪粪堆肥与化肥的协同施用相较于单独施用化肥，能够显著提升水稻对氮肥的吸收效率，增幅高达35.3%~38.6%^［33］。因此，在堆肥30 t/hm²条件下，化肥减量20%可显著提高玉米光能、水分与氮素利用效率，实现资源高效利用。

合理配施有机肥与化肥，是确保玉米生长所需养分、提升产量及经济效益的关键策略之一^［31］。堆肥与化肥配施可显著提升作物产量和品质，降低成本，增强土壤肥力，并促进资源循环利用，从而有效提高农业生产的经济和环境效益^［8］。有研究发现，堆肥与化肥联合施用（堆肥60 t/hm²+磷酸二铵210 kg/hm²）获得最高的经济收益，产值达3.6万元/hm^2［34］。同时，与常规化肥施用量相比，50%堆肥+50%化肥集成于小麦玉米轮作体系可获得较高的纯收益^［15］。本研究也发现，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可显著提高玉米农田总产值和降低化肥投入，从而获得较高的纯收益和产投比（图5，表3）。这一成效归因于堆肥与化肥合理配施，可以减少对单一化肥的依赖，降低农业生产成本；同时堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可显著提高玉米产量，直接增加农民收益。可见，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%可通过减少农田投入、提升产值，从而有效增加经济效益。

4 结论

堆肥30 t/hm²与化肥减量20%配施可显著提高玉米株高和穗位高，降低秃尖长，同时保持较高的玉米籽粒产量和生物产量。与常规施肥（纯N 450 kg/hm²、纯P₂O₅ 270 kg/hm²）相比，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%有利于提高玉米光能、水分利用效率和氮素利用效率，实现资源高效利用。堆肥30 t/hm²与化肥减量20%配施也能够有效提高玉米农田的总产值，降低化肥投入，获得较高的纯收益和产投比。故此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%的具有较高的纯收益、光能与氮素利用效率评价得分，较低的总投入评价得分，从而维持较高的可持续性评价指数。因此，堆肥30 t/hm²结合化肥减量20%是绿洲灌区保持玉米增产增效的可持续生产模式。

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基金资助

国家重点研发计划课题(2023YFD1900405)

甘肃省高校产业支撑计划项目(2025CYZC-037)

国家自然科学基金项目(32101857)

国家自然科学基金项目(32460547)

甘肃省科技计划项目(25JRRA347)

甘肃省科技计划项目(24ZDNA008)

兰州市青年人才项目(2023-QN-182)