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好氧快速发酵猪粪更有效提高夏玉米氮素利用率培肥土壤

郭校伟 潘军晓 张济世 徐张义 马东立 崔振岭

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好氧快速发酵猪粪更有效提高夏玉米氮素利用率培肥土壤

    作者简介: 郭校伟E-mail:wxiaoguo17@163.com;
    通讯作者: 崔振岭, E-mail:cuizl@cau.edu.cn
  • 基金项目: 青海省重大科技专项(2019-NK-A11);国家重点研发计划(2017YFD0200107)。

High efficiency of aerobic fermented pig manure to increase nitrogen efficiency of summer maize and soil fertility

    Corresponding author: CUI Zhen-ling, E-mail:cuizl@cau.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  化肥和畜禽粪便的不合理使用不仅制约着作物增产,还严重威胁土壤健康和环境安全。本研究探究不同发酵方式猪粪有机肥及其替代化肥的比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳氮的影响,从而为规模化养猪场粪便快速处理及其与化肥的配施比例提供理论依据。  【方法】  以‘先玉335’为供试材料,在中国农业大学丰宁动物试验基地进行田间试验。设置5个处理:不施肥 (CK),100%化肥氮 (FT),100%自然堆肥猪粪氮 (PMT),100%好氧发酵猪粪氮 (PCT),50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮 (FMT)。分析猪粪不同发酵方式及有机氮替代比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳氮的影响。  【结果】  在等氮条件下,与FT处理相比,PCT、PMT处理玉米产量差异均不显著,但FMT处理显著增产13.2%。5个处理的穗粒数、千粒重由大到小依次为FMT、PCT、FT、PMT和CK处理,其中FMT处理穗粒数较FT显著增加9.4%。各处理中FMT处理氮素积累量最高,为304.6 kg/hm2,与FT处理相比,PCT、PMT处理氮素积累量差异均不显著,但FMT处理氮素累积量显著提高15.5%。与FT 处理相比,FMT处理的氮素回收率、氮素农学利用率和偏生产力分别显著提高85.9%、59.5%和13.2% (P < 0.05),PCT处理分别增加6.6%、9.0%、2.0%,无显著差异,PMT处理却分别降低了11.8%、12.1%、2.7%,无显著差异。在玉米主要生育期,FMT处理0—40 cm土壤无机氮含量均最高,无显著差异,在成熟期,FMT处理无机氮含量较FT显著增加41.8%,PCT和PMT处理较FT分别增加24.4%和6.5%,无显著差异。此外,施用有机肥可不同程度地增加土壤有机碳和全氮含量,与FT处理相比,PCT和FMT分别使有机碳含量显著提高13.3%和9.8%,PMT处理提高3.4%;FMT处理土壤全氮含量显著提高33.4%,PCT和PMT处理分别提高11.6%和7.1%。  【结论】  在等氮条件下与单施化肥相比,50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮配施不仅显著提高了夏玉米产量和氮素累积吸收量,还显著提升了土壤全氮和有机碳含量以及0—40 cm土壤无机氮含量。单独施用自然堆肥和好氧发酵猪粪与化肥在产量和氮素吸收方面没有显著差异,但可显著增加土壤全氮和有机碳含量,有利于土壤的培肥,而好氧发酵猪粪的效果又好于自然堆肥。
  • 图 1  2017―2018年玉米生育期降水量

    Figure 1.  Precipitation during growing periods of maize in 2017 and 2018

    图 2  不同施肥处理玉米各生育期0—40 cm土壤无机氮动态变化 (2018)

    Figure 2.  Inorganic N contents in 0-40 cm soil in each growing stage of maize under different fertilization treatments (2018)

    图 3  不同施肥处理对土壤有机碳 (a) 和全氮 (b) 的影响 (2018)

    Figure 3.  The effects of soil organic carbon and total nitrogen content under different fertilization treatments (2018)

    表 1  不同施肥处理玉米产量及构成因素

    Table 1.  The maize yields and its components under different fertilization treatments

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    产量 (t/hm2)
    Yield
    穗粒数
    Grain number per spike
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    收获指数 (%)
    Harvest index
    2017CK 8.7 c528 b194 c43.1 c
    FT10.9 b561 a259 b 48.5 abc
    PMT10.6 b559 a255 b 46.5 bc
    PCT 11.1 ab571 a 261 ab 48.7 ab
    FMT12.3 a577 a282 a51.4 a
    2018CK 6.7 c462 b189 c42.9 b
    FT 8.8 b534 a 215 ab47.9 a
    PMT 8.6 b523 a 208 bc 48.0 ab
    PCT 9.0 b529 a 225 ab48.4 a
    FMT10.1 a539 a241 a48.9 a
    方差分析ANOVA
    年份Year (Y)******NS
    施肥处理 Fertilization (F)******
    年份 × 施肥处理 (Y × F)NSNSNSNS
    注(Note):同列数字后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著Values followed by different small letters within each column are significantly different (P < 0.05); NS—无显著性差异Non-significant;*—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    表 2  不同施肥处理氮素积累及利用效率

    Table 2.  N accumulation and utilization under different fertilization treatments

    年份
    Year
    处理
    Treatment
    氮素积累量
    N accumulation (kg/hm2)
    氮素当季回收率
    REN
    (%)
    氮素农学利用率
    AEN
    (kg/kg)
    氮素偏生产力
    PFPN
    (kg/kg)
    2017CK249.6 c
    FT295.7 b20.5 b10.0 a48.5 b
    PMT293.6 b19.5 b 8.5 b47.0 b
    PCT300.4 b 22.4 ab10.9 a 49.4 ab
    FMT 338.64 a39.6 a16.0 a54.5 a
    2018CK183.2 c
    FT232.1 b21.8 b 9.3 ab39.2 b
    PMT222.9 b17.6 b 8.4 b38.4 b
    PCT234.0 b 22.6 ab 10.1 ab40.1 b
    FMT270.6 a 38.8 a14.8 a44.8 a
    方差分析ANOVA
    年份Year (Y)**NSNS**
    施肥处理Fertilization (F)****NSNS
    年份 × 施肥处理 (Y × F)NSNSNSNS
    注(Note):数值后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著Values followed by different small letters within each column are significantly different (P < 0.05); NS—无显著性差异Non-significant difference; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
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    [18] 吕丽华陶洪斌王璞赵明赵久然鲁来清 . 施氮量对夏玉米碳氮代谢和氮利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2008.0403
    [19] 翟丙年李生秀 . 不同水分状况下施氮对夏玉米水分利用效率的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2005.0408
    [20] 陈欣史奕鲁彩艳王国宏 . 有机物料及无机氮对耕地黑土团聚体水稳性的影响. 植物营养与肥料学报, doi: 10.11674/zwyf.2003.0306
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  • 收稿日期:  2019-10-11

好氧快速发酵猪粪更有效提高夏玉米氮素利用率培肥土壤

    作者简介:郭校伟E-mail:wxiaoguo17@163.com
    通讯作者: 崔振岭, cuizl@cau.edu.cn
  • 1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193
  • 2. 农业部饲料工业中心,北京 100193
  • 基金项目: 青海省重大科技专项(2019-NK-A11);国家重点研发计划(2017YFD0200107)。
  • 摘要:   【目的】  化肥和畜禽粪便的不合理使用不仅制约着作物增产,还严重威胁土壤健康和环境安全。本研究探究不同发酵方式猪粪有机肥及其替代化肥的比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳氮的影响,从而为规模化养猪场粪便快速处理及其与化肥的配施比例提供理论依据。  【方法】  以‘先玉335’为供试材料,在中国农业大学丰宁动物试验基地进行田间试验。设置5个处理:不施肥 (CK),100%化肥氮 (FT),100%自然堆肥猪粪氮 (PMT),100%好氧发酵猪粪氮 (PCT),50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮 (FMT)。分析猪粪不同发酵方式及有机氮替代比例对夏玉米氮素吸收及土壤碳氮的影响。  【结果】  在等氮条件下,与FT处理相比,PCT、PMT处理玉米产量差异均不显著,但FMT处理显著增产13.2%。5个处理的穗粒数、千粒重由大到小依次为FMT、PCT、FT、PMT和CK处理,其中FMT处理穗粒数较FT显著增加9.4%。各处理中FMT处理氮素积累量最高,为304.6 kg/hm2,与FT处理相比,PCT、PMT处理氮素积累量差异均不显著,但FMT处理氮素累积量显著提高15.5%。与FT 处理相比,FMT处理的氮素回收率、氮素农学利用率和偏生产力分别显著提高85.9%、59.5%和13.2% (P < 0.05),PCT处理分别增加6.6%、9.0%、2.0%,无显著差异,PMT处理却分别降低了11.8%、12.1%、2.7%,无显著差异。在玉米主要生育期,FMT处理0—40 cm土壤无机氮含量均最高,无显著差异,在成熟期,FMT处理无机氮含量较FT显著增加41.8%,PCT和PMT处理较FT分别增加24.4%和6.5%,无显著差异。此外,施用有机肥可不同程度地增加土壤有机碳和全氮含量,与FT处理相比,PCT和FMT分别使有机碳含量显著提高13.3%和9.8%,PMT处理提高3.4%;FMT处理土壤全氮含量显著提高33.4%,PCT和PMT处理分别提高11.6%和7.1%。  【结论】  在等氮条件下与单施化肥相比,50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮配施不仅显著提高了夏玉米产量和氮素累积吸收量,还显著提升了土壤全氮和有机碳含量以及0—40 cm土壤无机氮含量。单独施用自然堆肥和好氧发酵猪粪与化肥在产量和氮素吸收方面没有显著差异,但可显著增加土壤全氮和有机碳含量,有利于土壤的培肥,而好氧发酵猪粪的效果又好于自然堆肥。

    English Abstract

    • 玉米是我国重要的粮食作物,2017年玉米种植面积0.43亿hm2,总产量达到2.59亿吨,占当年粮食总产量的39.1%,为国家粮食安全做出了巨大的贡献[1]。近年来,化肥对粮食增产的贡献率逐渐降低,农民不合理的施用化肥,不仅没有提高作物产量和品质,反而造成肥料利用率低、土壤结构破坏等问题[2]。2007年《第一次全国污染源普查公报》显示,农业污染源总氮排放量占排放总量的57.2%,与种植业相比畜禽养殖造成的环境问题更为突出,2015年我国猪粪尿产生量约占畜禽粪便总量的33.9%,而资源化利用的比例仅为47%,仍有超过一半未被处理[3-4]。李书田等[5]研究指出,我国有机肥养分资源约为当年化肥消费量的1.4倍,而农田有机肥养分投入仅占17.6%,因此,将畜禽粪便资源化,实现种养结合、养分循环,对粮食增产、环境保护意义重大。

      2017年农业农村部发布《畜禽粪污资源化利用行动方案 (2017—2020年) 》来推进有机肥资源利用[6]。有机肥中含有大量的有机质、中微量元素、微生物和酶等活性物质,可促进土壤中有机碳氮的分解,提高土壤有机质和肥力,并持续供应作物生长期间的所需养分[7],此外有机肥通过改善作物根系和土壤微生物的生存环境,提高作物氮素吸收,实现增产[8]。有机肥虽然养分全面,但是养分含量低且肥效缓,单独施用不能满足作物养分需求,而有机无机配施结合了化肥和有机肥优点,既能培肥地力、持续供应作物养分,又解决了化肥和粪便使用不合理带来的污染问题[9]。研究表明,等氮条件下有机肥替代部分化肥不仅能显著提高作物产量、氮素利用效率[10-11],还能够改善土壤团聚体结构和提高土壤有机质含量[12],从而促进养分的吸收利用,实现增产[13-14]。研究表明,有机肥替代50%化肥较单施化肥能显著增加水稻产量[15],还能提高土壤肥力[16],也有研究发现,100%有机氮替代化肥氮不仅提高玉米产量,还能提高土壤有机质和全氮含量[13],因此,通过等氮有机替代提高作物产量和提高土壤肥力逐渐成为研究热点。

      前人关于有机肥的研究多为在施用化肥的基础上增施不同类型的商品有机肥对作物产量、养分吸收及品质的影响[17-18],而在等氮量条件下,针对玉米关键生育时期养分吸收与土壤氮素供应关系以及土壤有机碳变化的研究较少,而且本研究对于种养结合系统氮素的循环利用意义重大。本研究于2017年在中国农业大学丰宁动物试验基地开展,从饲料配制、猪消化代谢、猪粪有机肥发酵到玉米种植试验,探究整个循环过程氮素的吸收利用及损失,作为其中一个重要环节,本试验利用基地自产猪粪,采用微生物复合菌剂好氧发酵制得有机肥,在等氮量条件下,比较不同猪粪发酵方式及有机氮替代比例对玉米产量、关键生育时期地上部氮素积累及利用效率、土壤无机氮和碳氮的影响,促进规模化养猪场猪粪资源化利用,减少环境污染,提高肥料利用率,为猪粪有机肥和化肥在玉米上的合理施用提供依据。

      • 试验于2017和2018年在河北省丰宁县中国农业大学动物试验基地 (东经116°36′、北纬41°0′) 进行,丰宁满族自治县属于中温带半湿润半干旱大陆性季风型高原山地气候,年平均气温0.9℃~6.2℃,无霜期110~145天,坝上地区有效年积温1082℃,坝下地区有效年积温1489℃,2017、2018年玉米生育期降雨量分别为377.6 mm和340.0 mm,土壤类型为砂壤土,播前0―20 cm土壤的基本理化性质为:有机碳含量7.38 g/kg、全氮0.76 g/kg、有效磷11.75 mg/kg、速效钾153.42 mg/kg、pH 8.1。

        图  1  2017―2018年玉米生育期降水量

        Figure 1.  Precipitation during growing periods of maize in 2017 and 2018

      • 试验共设5个处理:不施肥 (CK);100%化肥氮 (FT);100%自然堆肥猪粪氮 (PMT);100%好氧发酵猪粪氮 (PCT);50%好氧发酵猪粪氮 + 50%化肥氮 (FMT)。试验小区面积72 m2,共设4个重复,完全随机排列。本试验所有施肥处理施N 225 kg/hm2、P2O5 90 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2,其中化肥为普通尿素 (46%)、过磷酸钙 (12%) 和硫酸钾 (52%)。本试验涉及的养殖、堆肥和种植过程均全程管理,有机肥原料为丰宁动物试验基地育肥猪产生的猪粪,分别采用自然堆肥 (PMT) (含N 2.65%、P2O5 0.65%、K2O 0.41%) 和微生物复合菌剂 (VT菌剂) 好氧发酵 (PCT) 后制得有机肥 (含N 2.76%、P2O5 0.58%、K2O 0.47%),有机肥与化肥均在播前一次性均匀撒施,随即采用旋耕机将肥料均匀混入0—20 cm土层中。供试玉米品种为先玉335,密度为75000株/hm2,采用人工点播,2017年和2018年播种日期分别为5月25日和6月5日,收获日期均为10月1日,生长期内按照常规操作统一进行田间管理。

      • 在玉米拔节期、抽雄期、乳熟期、成熟期分别测定地上部生物量,在每个小区中部连续取三株长势均匀具有代表性的玉米样品,将茎、叶、穗分别装进尼龙网袋中,在65℃下烘干至恒重,称重并计算生物量,然后粉碎。采用H2SO4-H2O2消煮,半微量凯氏定氮法测定植株全氮;收获时在每个处理测产区中部取5.4 m2 (3行 × 3 m) 进行测产,夏玉米产量换算成15.5%水分的标准产量。

        在播前、拔节期、抽雄期、乳熟期和成熟期,每个小区随机取3个点,用土钻取深度为0—60 cm土壤,每20 cm划分为一个土层,依次分为0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm,并将3个点土样分层混合。土样采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提,然后用流动注射分析仪测定无机氮浓度;同时采用烘干法测定土壤含水量;并用环刀法分别测定0—20 cm、20—40 cm和40—60 cm土层的容重。计算每个土层硝态氮和铵态氮含量并相加得到该土层无机氮含量,将三层土壤无机氮相加得到0—60 cm土壤无机氮含量。土壤有机碳和全氮采用碳氮分析仪 (MultiN/C3100,德国Analytik Jena 公司) 法测定。在试验开始之前,2017年3月份采集了初始土壤样品,每年玉米收货后均分三层采集0—60 cm土壤样品。

      • 收获指数 (HI) (%) = 成熟期玉米籽粒产量/生物量 × 100

        氮素积累量 (kg/kg) = 单位面积植株生物量 (秸秆、叶片、籽粒) × 氮素含量;

        氮素当季回收率 (REN) (%) = (收获期施氮区地上部氮素积累量−收获期不施氮区地上部氮素积累量) /施氮量 × 100

        氮素农学利用率 (AEN) (kg/kg) = (施氮区籽粒产量−不施氮区籽粒产量) /施氮量

        氮素偏生产力 (PFPN) (kg/kg) = 施氮区籽粒产量/施氮量

        每层土壤无机氮含量 (kg/hm2) = (硝态氮含量 + 铵态氮含量) × 该土层厚度 × 该层土壤容重

        所有试验数据采用Microsoft Excel 2016 软件计算与制图,用SAS软件进行双因素 (年份和施肥处理) 方差分析,处理间多重比较采用LSD-test 法 (P < 0.05)。

      • 表1结果表明,试验年份和施肥处理显著影响玉米产量,年份和施肥处理之间无交互作用。年际间相比,2017年籽粒平均产量为10.7 t/hm2,较2018年增加23.6%,穗粒数和千粒重同步增加了7.7%和17.7%。与不施肥相比,各施肥处理两年分别显著增产22%~42% (2017年) 和28%~50% (2018年)。在等氮量条件下,有机无机配施处理产量最高,其次是好氧发酵处理,自然堆肥处理产量最低。有机无机配施较单施化肥产量显著提高12.4% (2017年) 和14.1% (2018年)。产量构成因素中,年份和施肥处理显著影响穗粒数和千粒重,但年份和施肥处理之间并无显著交互作用。施肥增产主要归因于玉米千粒重的显著增加,与不施肥处理相比,有机无机配施千粒重和收获指数分别显著提高35.0%、19.8% (2017年) 和36.4%、24.5% (2018年),等氮量条件下,有机无机配施较单施化肥穗粒数、千粒重和收获指数均有所增加,增幅分别为2.8%、7.2%、7.4% (2017年) 和0.9%、11.6%、2.4% (2018年)。

        表 1  不同施肥处理玉米产量及构成因素

        Table 1.  The maize yields and its components under different fertilization treatments

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        产量 (t/hm2)
        Yield
        穗粒数
        Grain number per spike
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        收获指数 (%)
        Harvest index
        2017CK 8.7 c528 b194 c43.1 c
        FT10.9 b561 a259 b 48.5 abc
        PMT10.6 b559 a255 b 46.5 bc
        PCT 11.1 ab571 a 261 ab 48.7 ab
        FMT12.3 a577 a282 a51.4 a
        2018CK 6.7 c462 b189 c42.9 b
        FT 8.8 b534 a 215 ab47.9 a
        PMT 8.6 b523 a 208 bc 48.0 ab
        PCT 9.0 b529 a 225 ab48.4 a
        FMT10.1 a539 a241 a48.9 a
        方差分析ANOVA
        年份Year (Y)******NS
        施肥处理 Fertilization (F)******
        年份 × 施肥处理 (Y × F)NSNSNSNS
        注(Note):同列数字后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著Values followed by different small letters within each column are significantly different (P < 0.05); NS—无显著性差异Non-significant;*—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 表2结果表明,年份和施肥处理显著影响玉米氮素积累,但是年份和施肥处理之间并无交互作用。与不施肥相比,施氮显著提高了玉米成熟期的氮素积累量,在等氮量条件下,各处理氮素积累量由高到低依次为有机无机配施、好氧发酵、单施化肥和自然堆肥,有机无机配施较单施化肥显著提高14.5% (2017年) 和16.5% (2018年),好氧发酵较单施化肥处理提高1.5% (2017年) 和0.8% (2018年)。此外,年份显著影响氮素偏生产力;施肥处理对氮素当季回收率影响显著,但年份和施肥处理之间无交互作用。等氮量条件下,各有机肥处理氮素当季回收利用率、农学利用率、偏生产力较单施化肥分别提高9.4%~93.3%、9.1%~59.8%、1.9%~12.3% (2017年) 和3.7%~78.5%、8.8%~59.2%、2.1%~14.1% (2018年)。有机无机配施的氮素当季回收率、农学利用率和偏生产力最高,其次是好氧发酵,单施化肥和自然堆肥处理则处于较低水平。

        表 2  不同施肥处理氮素积累及利用效率

        Table 2.  N accumulation and utilization under different fertilization treatments

        年份
        Year
        处理
        Treatment
        氮素积累量
        N accumulation (kg/hm2)
        氮素当季回收率
        REN
        (%)
        氮素农学利用率
        AEN
        (kg/kg)
        氮素偏生产力
        PFPN
        (kg/kg)
        2017CK249.6 c
        FT295.7 b20.5 b10.0 a48.5 b
        PMT293.6 b19.5 b 8.5 b47.0 b
        PCT300.4 b 22.4 ab10.9 a 49.4 ab
        FMT 338.64 a39.6 a16.0 a54.5 a
        2018CK183.2 c
        FT232.1 b21.8 b 9.3 ab39.2 b
        PMT222.9 b17.6 b 8.4 b38.4 b
        PCT234.0 b 22.6 ab 10.1 ab40.1 b
        FMT270.6 a 38.8 a14.8 a44.8 a
        方差分析ANOVA
        年份Year (Y)**NSNS**
        施肥处理Fertilization (F)****NSNS
        年份 × 施肥处理 (Y × F)NSNSNSNS
        注(Note):数值后不同小写字母表示处理间在 0.05 水平上差异显著Values followed by different small letters within each column are significantly different (P < 0.05); NS—无显著性差异Non-significant difference; *—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 图2结果表明,从播前到收获,玉米0—40 cm土壤无机氮含量在拔节期最高,随着生长发育的进行,无机氮含量呈下降趋势,成熟期最低。与不施肥相比,施肥显著提高了玉米各生育时期的土壤无机氮含量。在等氮量条件下,有机无机配施 (FMT) 处理在各生育时期无机氮含量均高于其他施肥处理,其中抽雄期、乳熟期和成熟期无机氮含量先依次增加后降低,乳熟期无机氮含量较单施化肥 (FT) 处理显著提高52.4%,成熟期无机氮含量较其他处理提高14.0%~41.8%;猪粪好氧发酵处理 (PCT) 在拔节期无机氮含量最高,抽雄期和乳熟期逐渐降低,乳熟期到成熟期小幅增加,成熟期无机氮含量较单施化肥 (FT) 和猪粪自然能发酵处理 (PMT) 分别提高24.4%和16.7%;猪粪自然能发酵处理 (PMT) 土壤无机氮含量在拔节期和乳熟期均低于其他施肥处理,成熟期较单施化肥 (FT) 处理提高6.5%;单施化肥 (FT) 处理在拔节期无机氮含量较高,抽雄期和成熟期均低于施用有机肥处理 (PMT、PCT和FMT)。

        图  2  不同施肥处理玉米各生育期0—40 cm土壤无机氮动态变化 (2018)

        Figure 2.  Inorganic N contents in 0-40 cm soil in each growing stage of maize under different fertilization treatments (2018)

      • 图3(a)结果表明,与试验初始值相比,各处理的有机碳含量均有不同程度的增加,其中不施肥处理有机碳含量增加5.5%,但未达到显著水平,施肥使有机碳含量增加17.2%~32.7%。与不施肥相比,各施肥处理有机碳含量增加幅度为11.1%~25.8%,其中好氧发酵、有机无机配施和自然发酵分别显著增加25.8%、21.9%和14.8%。等氮量条件下,好氧发酵和有机无机配施处理较单施化肥有机碳含量分别显著增加13.3%和9.8%,自然堆肥与单施化肥处理无显著差异。

        图  3  不同施肥处理对土壤有机碳 (a) 和全氮 (b) 的影响 (2018)

        Figure 3.  The effects of soil organic carbon and total nitrogen content under different fertilization treatments (2018)

        图3(b)结果表明,与试验初始值相比,不施肥土壤全氮含量降低2.6%,施肥使土壤全氮含量增加12.0%~49.3%。与不施肥处理相比,施肥使土壤全氮含量增加15.0%~53.4%。在等氮量条件下,有机无机配施土壤全氮含量较单施化肥显著增加33.4%,好氧发酵和自然堆肥分别增加11.6%和7.1%,好氧发酵和自然堆肥处理无显著差异。

      • 化肥对粮食增产带来巨大贡献的同时,对作物、土壤和环境带来的负面影响也不容忽视,而有机氮能通过改善土壤性质,促进水肥供应,协调作物地上和地下部位的养分吸收,实现增产[17]。Rusinamhodzi[19]等研究表明,长期施用有机肥能通过改善作物的生长环境来提高其产量,何浩[20]也发现有机无机配施对玉米产量的提高主要是增加穗粒数和千粒重,而穗粒数和籽粒重主要受花期和灌浆期碳水化合物向籽粒转移量的影响[21]。本试验为了避免施肥次数和时间不一致对研究结果的影响,单施化肥 (FT) 处理也采用一次性施肥,但并非当地农民习惯。本研究结果中,与单施化肥相比,有机无机配施不仅能大幅增加玉米穗粒数,还能显著提高其千粒重,从而使产量显著提升,与何浩研究结果一致。在等氮条件下,有机无机配施增产效果最好,其次为好氧发酵、自然堆肥和单施化肥处理,这是因为化肥肥效快、易被作物吸收但是养分单一且易损失,而有机肥养分全面但肥效缓慢,不能满足作物关键生育时期的养分需求[22],有机无机配施既满足了前期的养分需求,又解决了灌浆期养分需求量大的问题,从而提高了产量[13]。此外,玉米花期及灌浆期的气候变化对穗粒数和籽粒重影响显著,这也正是本研究中2018年平均产量较2017年低19.1%的原因,2018年玉米抽雄期连续降雨23.1 mm,造成的低温寡照影响玉米授粉与结实,且抽雄至灌浆期有效降水77.3 mm,较2017年139.9 mm明显偏少,灌浆后期产生大斑病,这些因素导致穗粒数和籽粒重降低,最终影响产量[23]

        氮素吸收是作物产量构成的基础,作物不仅在生长前期对氮素敏感,花后氮素的积累同样对作物产量影响显著[24],所以满足前期作物氮素吸收并提高花后的氮素积累对产量的提升至关重要。任伟等[25]研究表明,施用有机肥能促进夏玉米灌浆后期的群体生长,有利于灌浆后期养分累积。本研究表明,等氮量条件下,各处理成熟期氮素累积量由高到低依次为有机无机配施、好氧发酵、自然堆肥和单施化肥,氮素回收利用率、农学利用率和偏生产力均为有机无机配施处理最高。主要因为普通尿素的氮素释放较快,且易损失,导致作物前期生长过旺,后期氮素供应不足,影响光合和灌浆速率[26],且不利于氮素吸收累积,而好氧发酵处理虽然产量相对化肥处理较高,但是有机氮的矿化速率缓慢,氮素释放与玉米养分需求不匹配,造成氮素利用率偏低,自然堆肥处理可能腐熟不完全,再次发酵产生高温和有害气体抑制作物生长,影响氮素的吸收利用。有机无机配施中无机氮和有机氮的结合很好的协调了作物生长前后期对氮素的需求,减少氮素损失,提高氮素的利用效率,增加氮素积累量[11]

        土壤无机氮主要包括NH4+-N和NO3-N,是植物氮素吸收利用的主要形式,其含量的丰缺影响着氮素的吸收和产量的高低[27]。张雪丽等[28-29]研究表明,有机氮替代化肥氮不仅能提高0—20 cm土壤全氮含量,还能改变0—40 cm土壤无机氮形态,并显著提高土壤无机氮含量,减少氮素损失。原因在于有机无机配施能明显提高土壤硝化能力,从而增加土壤无机氮含量,特别能使土壤表层无机氮含量维持在较高的水平[30-31],随着玉米的生长,约80%的根系集中分布在0—40 cm土层中[32],这更有利于根系对氮素的吸收利用。本研究表明,施肥能够显著提升玉米关键生育时期0—40 cm土壤无机氮的含量,这与张雪丽研究结果一致。拔节期土壤无机氮含量最高,各处理无机氮由高到低依次为有机无机配施、单施化肥、好氧发酵、自然堆肥处理,乳熟期到成熟期,单施化肥处理无机氮降低幅度较大,成熟期各处理无机氮含量由高到低依次为有机无机配施、好氧发酵、自然堆肥和单施化肥处理。单施化肥开花后期土壤表层无机氮供应不足,而有机无机配施处理土壤无机氮一直维持在相对较高的水平,保证了玉米整个生育时期的氮素需求。这可能是有机肥和化肥配施培肥土壤,增加有机质含量,改变土壤的理化性状,提高微生物活性和根系活力,促进了土壤微生物氮素的吸收及有机氮的矿化,减少前期无机氮的损失,从而使无机氮含量得到提升[31, 33]

        土壤有机碳和全氮是表征土壤肥力、实现农田稳产高产的重要指标[34]。本研究中,不施肥处理土壤有机碳含量较试验初始土壤有所升高,原因是秸秆还田和根系残留增加了土壤表层土壤有机碳,当土壤有机碳未达到饱和时,增加外源有机碳投入能在短期内提高土壤有机碳含量[35]。此外,单施化肥土壤有机碳含量较初始土壤增加,因为单施化肥提高土壤前期供肥强度,通过增加玉米光合产物归还量来提高土壤有机碳,但是较其他施肥处理偏低,原因在于施用化肥降低土壤碳氮比,加速了土壤有机碳的分解矿化,不利于其在土壤中累积[36-37]。大量研究表明,施用有机肥能显著提高土壤有机碳、全氮的含量[7, 38-39],50%有机肥配施化肥可显著增加有机碳的累积[16, 40],本研究中各施肥处理较不施肥均不同程度提高了土壤有机碳和全氮的含量,有机无机配施较单施化肥显著提高了有机碳和全氮含量,与前人研究结果一致。本研究中好氧堆肥处理有机碳含量略高于有机无机配施,可能因为化肥的投入降低了有机无机配施处理的碳氮比,加快了微生物的分解和有机碳的矿化,导致有机碳消耗比好氧堆肥处理快[41]

      • 在施氮量225 kg/hm2且有机无机氮各占50%条件下,常规猪粪堆肥和好氧发酵猪粪氮均可以显著提高夏玉米产量、氮素积累及利用率,显著提升成熟期0—40 cm土壤无机氮含量,单施好氧发酵猪粪和自然堆肥猪粪 (100%有机氮) 在产量和玉米氮素吸收上的效果与化肥相当,但在提升土壤有机碳和全氮的效果优于自然堆肥。

    参考文献 (41)
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