華北平原小麥—玉米輪作對(duì)奶牛糞肥的消納能力研究*

李貴春，王利偉，盧琳琳，楊曉梅，何翠翠，尹昌斌※

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100081；3.中國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)，北京　100714)

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·中日合作項(xiàng)目——“北方農(nóng)業(yè)循環(huán)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)”專欄·

華北平原小麥—玉米輪作對(duì)奶牛糞肥的消納能力研究*

李貴春1，王利偉2，盧琳琳3，楊曉梅2，何翠翠2，尹昌斌2※

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；3.中國(guó)野生動(dòng)物保護(hù)協(xié)會(huì)，北京100714)

0　引言

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于河北省徐水縣留村鄉(xiāng)荊塘鋪村(37.8°N，114.7°E，海拔50.1m)，該地屬暖溫帶半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，年平均太陽(yáng)輻射總量為546.5 kJ/cm2，年平均氣溫12.2℃，無(wú)霜期200 d左右，全年平均降水量536.8 mm。土壤為褐土，質(zhì)地為輕壤土，供試土壤理化性狀見(jiàn)表1。供試小麥為保麥9號(hào)。復(fù)合肥為撒可富(N： P： K含量22： 8： 10)，糞肥由附近的奶牛養(yǎng)殖基地的牛糞漚制而成，其含氮量為22.86g/kg，含水量為60.43%。

表1　供試土壤理化性狀

有機(jī)質(zhì)(g/kg)全氮(g/kg)全磷(g/kg)全鉀(g/kg)容重(g/cm3)硝態(tài)氮(mg/kg)速效磷(mg/kg)速效鉀(mg/kg)17.11.00.918.11.324.27.3111.0

1.2定位試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2010年6月布設(shè)，屬于定位試驗(yàn)。小區(qū)面積20m2(4m×5m)，小區(qū)間用塑料布隔開(kāi)，地下埋深80cm，地上20cm。試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理， 3次重復(fù)，共計(jì)18個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，不同處理的小區(qū)按隨機(jī)排列。6個(gè)處理依次表示為CK、NPK、M30、M60、M120和M240。CK代表空白處理，不施肥； NPK代表常規(guī)施肥處理，化肥氮施用量為395 kg/hm2； M代表糞肥； M30、M60、M120和M240糞肥氮(折純量)施用量依次為158、315、630和1 260 kg/hm2。奶牛糞肥做底肥，單施糞肥各處理僅在秋季施用1次； NPK處理按當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥，小麥、玉米季各追肥1次。小麥秸稈按當(dāng)?shù)亓?xí)慣粉碎還田。

1.3樣品采集與處理方法

土壤樣品采集于2010年6月和2012年6月和10月的小麥?zhǔn)斋@后或玉米收獲后，小麥玉米產(chǎn)量測(cè)定分別于2011和2012年的6月和10月。表層土壤土樣采集深度為20cm，采用兩點(diǎn)混合取均勻混合樣。土壤剖面深度為200cm，也采用兩點(diǎn)取均勻混合樣，每20cm取一個(gè)樣，共采集10個(gè)深度樣品。土壤采回實(shí)驗(yàn)室及時(shí)浸提以供測(cè)定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮之用，未能及時(shí)浸提的土樣放入-20℃冰箱中冷凍保存，然后再進(jìn)行浸提。浸提過(guò)的土樣采取室內(nèi)風(fēng)干、研磨、過(guò)篩制備成樣品，以備實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

1.4測(cè)定方法

土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮均采用0.01 mol/L CaCl2浸提，多通道流動(dòng)分析儀測(cè)定。土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和速效磷分別采用鉻酸鉀容量法、半微量開(kāi)氏法和鉬銻抗比色法。

1.5數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)分析采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的方差分析，主要應(yīng)用SPSS 統(tǒng)計(jì)軟件和EXCEL完成。差異顯著性采用 LSD法，顯著性水平為P<0.01和P<0.05。

2　結(jié)果與分析

2.1對(duì)小麥籽粒生產(chǎn)的影響

從小麥產(chǎn)量數(shù)據(jù)(表2)分析，不同施肥模式下小麥籽粒產(chǎn)量均出現(xiàn)顯著性差異(P<0.05)，一些處理間也出現(xiàn)了差異極顯著(P<0.01)。2011年小麥籽粒產(chǎn)量NPK、M30、M60與M240處理間出現(xiàn)顯著性差異。2012年NPK、M120、M240與M30間出現(xiàn)顯著性差異，且M240與CK、M30差異性極顯著。單施牛糞處理兩次的小麥產(chǎn)量都是隨著牛糞施用量增加而增產(chǎn)，當(dāng)糞肥氮量增加到630 kg/hm2，小麥籽粒產(chǎn)量高于當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥處理。當(dāng)單施糞肥氮量不足315 kg/hm2時(shí)會(huì)造成小麥籽粒產(chǎn)量大幅減產(chǎn)。兩次產(chǎn)量數(shù)據(jù)對(duì)比分析， 2012年M60、M120、M240小麥籽粒產(chǎn)量均較上年明顯增產(chǎn)，且隨著糞肥量增加小麥產(chǎn)量增幅下降。由此可見(jiàn)，當(dāng)單施糞肥氮超過(guò)630 kg/hm2后可以實(shí)現(xiàn)小麥較理想的增產(chǎn)效果。

表2　小麥籽粒產(chǎn)量

項(xiàng)目2011年籽粒(t/hm2)2012年籽粒(t/hm2)2011年較NPK增產(chǎn)(%)2012年較NPK增產(chǎn)(%)2012年較2011年增產(chǎn)(%)CK2.62c2.49cC-51.4-63.7-4.8NPK5.38b6.87aAB27.6M305.17b5.02bB-4.0-27.0-2.9M605.10b6.26abAB-5.3-8.922.7M1206.35ab6.92aAB18.00.89.0M2406.92a7.51aA28.59.38.6 注:小寫(xiě)字母代表各處理在P<0.05水平上的差異顯著性;大寫(xiě)字母各處理在P<0.01水平上的差異顯著性

從小麥秸稈產(chǎn)量(表3)分析， 2011年NPK、M30、M60，M120與M240相互間均出現(xiàn)顯著性差異。2012年CK、NPK與M240間均出現(xiàn)顯著性差異，且M240與M60、M30、CK出現(xiàn)極顯著性差異。2011年單施糞肥處理小麥秸稈產(chǎn)量均高于NPK處理， 2012年M120和M240秸稈產(chǎn)量高于NPK處理。從兩年秸稈產(chǎn)量對(duì)比分析，當(dāng)單施糞肥氮量不足315 kg/hm2時(shí)，小麥秸稈產(chǎn)量較上年減產(chǎn)； 當(dāng)糞肥氮量增加到630 kg/hm2以上時(shí)，小麥秸稈產(chǎn)量較上年增加，地上部分生物量生長(zhǎng)較好。

表3　小麥秸稈產(chǎn)量

項(xiàng)目2011年秸稈(t/hm2)2012年秸稈(t/hm2)2011年較NPK增產(chǎn)(%)2012年較NPK增產(chǎn)(%)2012年較2011年增產(chǎn)(%)CK3.55d4.03dC-43.2-47.613.6NPK6.25c7.71bcAB23.3M306.75c6.26cBC8.0-18.7-7.2M607.23c6.84bcBC15.7-11.2-5.4M1207.92b8.76abAB26.713.710.7M2409.32a9.85aA49.127.85.7 注:小寫(xiě)字母代表各處理在P<0.05水平上的差異顯著性;大寫(xiě)字母各處理在P<0.01水平上的差異顯著性

表4　2012年玉米籽粒及其秸稈產(chǎn)量

項(xiàng)目玉米籽粒(kg/hm2)玉米秸稈(kg/hm2)籽粒較NPK增產(chǎn)(%)籽粒較NPK增產(chǎn)(%)CK4.90cC3.20cC-32.9-33.3NPK7.30bB4.80bBM306.80bB4.60bB-6.9-4.2M607.20bB4.60bB-1.4-4.2M1208.90aA6.10aA21.927.1M2408.90aA6.30aA21.931.3 注:小寫(xiě)字母代表各處理在P<0.05水平上的差異顯著性;大寫(xiě)字母各處理在P<0.01水平上的差異顯著性

2.2對(duì)下茬玉米生產(chǎn)的影響

不同糞肥施用量對(duì)下茬玉米籽粒及其秸稈生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響，且M120、M240與M60、M30和NPK處理間出現(xiàn)極顯著性差異(表4)。M120和M240處理玉米籽粒及其秸稈產(chǎn)量均高于NPK處理。隨著糞肥施用量增加，玉米籽粒及其秸稈產(chǎn)量均增加，當(dāng)糞肥氮量增加到630 kg/hm2以上時(shí)，玉米籽粒與秸稈產(chǎn)量較NPK處理有顯著提高。說(shuō)明在冬小麥高量施用糞肥，在不補(bǔ)充養(yǎng)分的條件下，仍然可以滿足后茬玉米營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)與生殖生長(zhǎng)的養(yǎng)分需求，大幅提高玉米產(chǎn)量。

2.3對(duì)土壤肥力的影響

(1)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響

在試驗(yàn)初期，土壤中各處理的有機(jī)質(zhì)含量較一致。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，土壤中有機(jī)質(zhì)的含量發(fā)生明顯變化，糞肥各處理有機(jī)質(zhì)含量升高38.02%～129.02%。糞肥處理對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)含量提升效果顯著，糞肥施用量越大土壤有機(jī)質(zhì)含量升高幅度越高。

(2)對(duì)土壤全氮含量的影響

在2010年試驗(yàn)初期，各處理土壤全氮含量基本相同。經(jīng)過(guò)兩年的不同施肥處理后土壤全氮含量差異較大。CK處理全氮含量沒(méi)有變化； NPK處理全氮含量提高10.43%； 單施糞肥處理施入糞肥氮量不足315kg/hm2，土壤全氮沒(méi)有明顯提高或者出現(xiàn)減少； 單施糞肥處理施入糞肥氮量630kg/hm2以上，土壤全氮含量顯著增加； 當(dāng)糞肥氮量達(dá)到1260kg/hm2時(shí)，土壤全氮含量提高了37.58%。說(shuō)明單施糞肥純氮量在315～630kg/hm2之間某個(gè)量時(shí)，才能保障土壤全氮含量不降低。

圖1　土壤有機(jī)質(zhì)含量　　　　　　　　　　　　　　　圖2　土壤全氮含量

(3)對(duì)土壤速效磷含量的影響

2010年試驗(yàn)初期各處理土壤速效磷的含量基本相同。通過(guò)兩年的試驗(yàn)后，糞肥處理對(duì)土壤速效磷含量影響很大。糞肥在土壤中改變土壤磷的存在形態(tài)，增加土壤糞肥提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，使土壤磷活性增加，速效磷含量提高。M30、M60、M120和M240處理土壤速效磷含量依次提高64.78%、72.97%、208.10%和699.83%。糞肥可以提高土壤有效磷的含量，且隨著糞肥施入量增加土壤速效磷含量升高。施入糞肥使得土壤磷向活性狀態(tài)轉(zhuǎn)化，改變了土壤磷庫(kù)的發(fā)展方向，當(dāng)糞肥施入過(guò)量后，有效磷含量進(jìn)一步增加，將會(huì)加重土壤磷向水體流失的威脅[8-9]。

(4)對(duì)土壤速效鉀含量的影響

在試驗(yàn)初期，土壤速效鉀的含量差別較小。試驗(yàn)進(jìn)行兩年后，土壤速效鉀的含量出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)單施糞肥氮量不足315kg/hm2時(shí)，土壤速效鉀含量降低； 當(dāng)糞肥量高于630kg/hm2時(shí)，土壤速效鉀含量明顯升高。這說(shuō)明當(dāng)糞肥施入量超過(guò)某一個(gè)值后，土壤速效鉀的活性得以快速的釋放出來(lái)，提高土壤的養(yǎng)分含量。

圖3　土壤速效磷含量　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　土壤速效鉀含量

圖5　6月份土壤剖面-N分布曲線　　　　　　　　　圖6　10月份土壤剖面分布曲線

圖7　6月份累積量　　　　　　　　　　　　　圖8　10月份累積量

3　結(jié)果與討論

從糧食和秸稈產(chǎn)量上看，小麥玉米籽粒及其秸稈產(chǎn)量隨著糞肥氮量增加而升高； 當(dāng)奶牛糞肥純氮量在630kg/hm2及其以上時(shí)，小麥、玉米的籽粒、秸稈產(chǎn)量均高出當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥的產(chǎn)量； 奶牛糞肥純氮量在315kg/hm2及其以下時(shí)，小麥玉米的產(chǎn)量下降； 當(dāng)糞肥施氮量達(dá)到1260kg/hm2時(shí)，小麥玉米秸稈的產(chǎn)量增加幅度大于籽粒的增加幅度，出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)大于生殖生長(zhǎng)的現(xiàn)象。連續(xù)兩年施用糞肥，且保證糧食目標(biāo)產(chǎn)量的條件下，奶牛糞肥施用量應(yīng)在315～630 kg/hm2時(shí)，農(nóng)田出現(xiàn)較理想的經(jīng)濟(jì)效益。

從改善土壤肥力狀況上看，施用糞肥能夠顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)含量； 糞肥純氮量在315kg/hm2及其以下時(shí)，土壤全氮、速效磷、速效鉀含量升高不明顯； 肥純氮量在630kg/hm2及其以上時(shí)，土壤全氮、速效磷、速效鉀含量明顯升高。連續(xù)兩年施用糞肥，在保證糧食產(chǎn)量條件下，奶牛糞肥施用量在315～630 kg/hm2較合理。

糞肥施用量按翻倍增加，在糞肥用量較大的處理間糞肥用量相差較大，因此，研究結(jié)果中糞肥較合理的施用量是一個(gè)較大閾值，如果做到更準(zhǔn)確合理的糞肥施用量，需要增設(shè)處理，縮小處理見(jiàn)糞肥施用量值。另外，連續(xù)施用糞肥的試驗(yàn)?zāi)晗掭^短，隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)，土壤中有機(jī)質(zhì)礦化累積的有機(jī)物質(zhì)持續(xù)增加，土壤有機(jī)質(zhì)含量累年增加，糞肥施用量應(yīng)隨著試驗(yàn)?zāi)晗薜难娱L(zhǎng)而降低，直至平穩(wěn)，以確保農(nóng)田持續(xù)保持較理想的生產(chǎn)能力，獲得理想的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)效益。

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A STUDY ON THE COW MANURE ASSIMILATING CAPACITY OF WHEAT-CORN ROTATION IN NORTH CHINA PLAIN*

Li Guichun1，Wang Liwei2，Lu Linlin3，Yang Xiaomei2，Yin Changbin2※

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China 2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China；3.China Wildlife Conservation Association， Beijing 100714，China)

Because of the rich nutrients, application of cow manure on soil is of great significance in improving soil nutrients and soil quality, increasing crop yield as well as solving the environmental pollution problem on the farm. This paper designeddifferent fertilization treatments, i.e., CK, NPK, M30, M60, M120 and M240 to study the yield, soil fertility and nitrate surplus. The results showed that after applying cow manure for two consecutive years, the M120, M240 treatments had greater effectson improving the corn and wheat kernel, as well as increasing the straw yield, soil total nitrogen content and available phosphorous content compared with NPK treatment, which indicated that applying manure can improve the content of soil organic matter and available phosphorous. Compared with NPK treatment, the distribution feature of nitrate nitrogen in the depth of 0-200cm soil profile was different in manure application treatments. The content of nitrate nitrogen in the arable layer was higher and lower under the arable layers. The nitrate nitrogen accumulated with the increasing amount of manure application in the soil depth of 0-200cm. In June, the soil depth of 0-200cm nitrate nitrogen accumulationin manure treatment was lower than that in NPK treatment. In October, the nitrate nitrogen accumulation in M240 treatment was higher than that in NPK, which showed that excessive manure application would lead to nitrate nitrogen accumulation.

manure; safe application; environmental load; soil profile;nitrate nitrogen

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160710

2016-05-08

李貴春(1978—)，男，山東菏澤人，碩士、助理研究員。研究方向：農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)調(diào)控?！ㄓ嵶髡撸阂?1968—)，男，安徽桐城人，博士、研究員、博士生導(dǎo)師。研究方向：農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)管理、農(nóng)業(yè)區(qū)域發(fā)展、農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)。Email：yinchangbin@caas.cn

S512.1; S513; X713

A

1005-9121[2016]07-0066-08

*資助項(xiàng)目：國(guó)家科技重大專項(xiàng)“苕溪流域農(nóng)村污染治理技術(shù)集成與規(guī)?；こ淌痉丁?2014ZX07101-012)