豬糞化肥配施對稻田土壤氮素含量及氮肥利用效率的影響

孫銘鴻，蔣炳伸, ，沈健林, *，宋變蘭,，李巧云，李勇,，吳金水,

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125；3.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站，湖南 長沙 410125；4.航天建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100071）

水稻是我國最重要的糧食作物之一，其產(chǎn)量約占我國糧食總量的32%[1]，保證水稻穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)對我國糧食安全和社會穩(wěn)定起著重要作用。氮素是水稻生長發(fā)育所必需的大量營養(yǎng)元素之一，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)通過氮肥施用來實現(xiàn)作物增產(chǎn)。我國氮肥消費居世界第一，但氮肥利用率較低，大多為30%～35%[2-3]。長期過量施用氮肥不僅會產(chǎn)生NH3、NOx和N2O 污染大氣，以及通過農(nóng)田系統(tǒng)淋洗和徑流而損失造成水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[4]，還會使土壤退化、酸化和肥力下降等[5-6]。因此，如何優(yōu)化施用氮肥既能提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率，又能減少氮素?fù)p失，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)性生產(chǎn)具有重要意義。

我國是世界上養(yǎng)殖大國，每年約產(chǎn)生27 億t畜禽糞便，豬糞約為8.64 億t[1]，如果不進(jìn)行合理有效的處理，將會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不良影響。而豬糞中氮、磷和鉀含量豐富[7-8]，農(nóng)田土壤添加豬糞等有機廢棄物代替部分化肥、不僅可以減少化學(xué)肥料用量，而且能提高土壤養(yǎng)分和氮素利用率，還能降低環(huán)境污染風(fēng)險[9-11]。當(dāng)前，國內(nèi)有關(guān)化肥減量配施有機肥措施對土壤肥力及氮肥利用率研究較多[12-13]。陳貴等[14]通過5 年田間定位試驗研究發(fā)現(xiàn)，與化肥處理相比，豬糞添加處理使土壤有機質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量均有不同程度增加。李燕青等[15]通過雞糞或豬糞單獨施用或配施少量化肥氮可實現(xiàn)與化肥相當(dāng)?shù)牡乩眯?，同時提升土壤肥力。孟琳等[16]研究結(jié)果表明，與單施化學(xué)氮肥處理相比，有機肥氮代替化學(xué)氮肥的15%～30%和10%～20%時顯著提高了水稻產(chǎn)量和氮素利用率，氮素利用率分別為36.6%～48.1%和34.3%～40.0%。錢銀飛等[17]研究表明，豬糞替代25%化學(xué)氮肥，提高了南方紅黃壤雙季稻產(chǎn)量，促進(jìn)氮素的吸收和利用。徐明崗等[18]研究表明，豬糞代替50%的化學(xué)氮肥處理水稻籽粒產(chǎn)量最高（為12.2 t/hm2），與不施氮肥的對照（7.3 t/hm2）相比增加了68%，氮肥利用率平均為36.3%。

豬糞與化肥配施下，有機肥礦化速度慢（礦化率較低，且礦化率恒定）、有利于持續(xù)維持氮素供應(yīng)，而降低氮素?fù)p失，提高氮肥利用效率[19]。而且，豬糞含有豐富的碳、氮、磷等多種營養(yǎng)物質(zhì)，以及本身含有大量微生物和酶類，施入土壤能為微生物提供大量的外源碳和養(yǎng)分，微生物數(shù)量大量增加，可促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)[20]。雙季稻體系早稻季和晚稻季的氣溫、降雨量差異顯著[21-23]，可能影響微生物活性、糞肥有機氮的降解速度和釋放，進(jìn)而影響稻田土壤氮素有效性。而受溫度、降雨等環(huán)境因子的影響，豬糞與化肥配施如何影響早稻季和晚稻季土壤氮素有效性及水稻氮吸收還尚不清楚。因此，本研究以田間定位試驗為依托，通過設(shè)置不施氮肥、常規(guī)化學(xué)氮肥、常規(guī)化學(xué)氮肥減半和豬糞替代50%化學(xué)氮肥的4 個處理，旨在分析有機無機肥配施對雙季稻田早、晚稻季土壤氮素有效性及其水稻氮素吸收的特征及其影響因素，以期為雙季稻田氮素高效利用提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗區(qū)概況

田間定位試驗開始于2012 年早稻季，其位于湖南省長沙縣金井鎮(zhèn)的中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所長沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測研究站[24]。試驗田地處28°33′04″ N，113°19′52″ E，海拔100 m。試驗期間2016 年和2017 年的年平均氣溫分別為17.57 和17.56 ℃，年降雨量分別為1 571 和1 759 mm，降雨多集中在每年3—8 月份，占年降雨量的60%以上，無霜期約為300 d。試驗田土壤類型為花崗巖紅壤發(fā)育的水稻土，俗稱“麻沙泥”。土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)為：有機碳為18.9 g/kg，土壤全氮為1.78 g/kg，土壤全磷為0.57 g/kg，土壤全鉀（K2O）為31.7 g/kg，土壤速效磷為11.1 mg/kg，pH（H2O）為5.1。土壤機械組成中砂礫、粉粒和粘粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45.8%、28.6%和25.6%。

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗設(shè)置4 個處理：不施氮肥處理（N0）、50%化學(xué)氮肥處理（1/2N）、100%化學(xué)氮肥處理（N）和豬糞替代50%化學(xué)氮肥處理（1/2N+M）。田間定位試驗小區(qū)面積為35 m2（5 m×7 m），每個處理重復(fù)3 次。氮肥（N）在早稻季和晚稻季用量分別為120 和150 kg/hm2，磷肥（P）則分別為17.5 和25.1 kg/hm2，鉀肥（K2O）在早稻季和晚稻季中用量相同，均為100 kg/hm2。有機肥為當(dāng)?shù)仞B(yǎng)豬場的鮮豬糞，一般在施用前一個月內(nèi)備足并進(jìn)行堆漚，在使用前一星期混勻后取樣測定豬糞中總氮、總磷和總鉀的含量。鮮豬糞中總氮、總磷（以P2O5計）和總鉀（以K2O 計）平均分別為0.84%、3.3%和1.04%，早稻季和晚稻季均施用豬糞，施用量為7.1～8.9 t/hm2?；瘜W(xué)氮肥采用尿素，磷肥采用鈣鎂磷肥，鉀肥采用氯化鉀；常規(guī)氮肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥比例5 ∶3 ∶2分次施用，處理1/2N 和1/2N+M 化學(xué)氮肥按基肥∶分蘗肥的比例5 ∶5，豬糞同磷肥、鉀肥作基肥一次性施用。處理1/2N+M 化學(xué)氮肥的50%由豬糞替代，化學(xué)磷、鉀肥的施用抵扣豬糞提供的磷和鉀的量。試驗小區(qū)水分管理方式均采用間歇灌溉，即在水稻移栽后稻田進(jìn)行淹水，水稻分蘗盛期（約移栽后一個月）進(jìn)行排水曬田，曬田時間約10 d，之后又重新復(fù)水直到收割前1 周排干稻田水分。各小區(qū)嚴(yán)格控制雜草生長，其他田間管理措施與當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)相一致。

1.3 樣品采集與保存

樣品采集于定位試驗開展的第5 年（2016 年）和第6 年（2017 年）。在試驗開展后5～6 年開展本研究，這主要是因為有機肥施用一定年限后，其對土壤性質(zhì)的影響相對穩(wěn)定，從而有利于檢驗其效果。早、晚季稻田土樣分別在分蘗期（早稻季為5 月上旬、晚稻季為8 月上旬）、抽穗期（早稻季為6 月中旬、晚稻季為9 月中旬）和成熟期（早稻季為7月中旬、晚稻季為10 月下旬）進(jìn)行采集，每個試驗小區(qū)按照S 型采樣法隨機選取5 個采樣點，采集表層土壤（0～20 cm），除去雜質(zhì)，混合均勻，帶回實驗室。土樣均分成兩部分，一部分貯藏在4 ℃冰箱，以備土壤微生物生物量氮（SMBN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）的測定；另一部分自然風(fēng)干，磨細(xì)，過100 目篩，室溫保存，以備土壤全氮含量（STN）測定。本研究土壤全氮含量在生長季變異較小，僅在收獲期測定。水稻早、晚稻季土壤SMBN、NH4+-N 和NO3--N 含量每個稻季的6 次取樣的平均值代替。在水稻收獲期，根據(jù)每個小區(qū)平均分蘗數(shù)，采集5 株代表性植株樣，沖洗干凈后，分成籽粒、秸稈和根，放入烘箱70 ℃烘干至恒重，磨碎，過100 目篩，室溫保存。

1.4 樣品測定

土樣理化指標(biāo)測定參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]。NH4+-N 和NO3--N 采用0.5 mol/L K2SO4溶液震蕩、浸提、過濾后，浸提液后直接由連續(xù)流動分析儀測定（FIAstar 5000 型，福斯特卡托公司，瑞典）。SMBN 采用氯仿熏蒸—0.5 mol/L K2SO4浸提法[26]測定。以熏蒸與不熏蒸土樣氮的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)（0.45）來計算SMBN。STN 測定以1 ∶10硫酸銅和硫酸鉀為催化劑，用濃H2SO4消化法得到消解液，再用連續(xù)流動分析儀測定。植物秸稈和籽粒氮含量參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]，采用濃 H2SO4-H2O2消煮、由連續(xù)流動分析儀測定。

1.5 氮肥利用率計算

水稻地上部氮吸收（TNU，kg/hm2）計算公式為：

式中：Ns和Ng分別為秸稈和籽粒氮含量（g/kg）；Ys和Yg分別為秸稈和籽粒產(chǎn)量（kg/hm2）。

氮肥利用率（NUE，%）計算公式為：

式中：TNUN為收獲期施氮處理水稻地上部吸收（kg/hm2），TNU0為收獲期未施氮處理水稻地上部氮吸收（kg/hm2），F(xiàn)為氮肥用量（kg/hm2）。

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010 作圖與SPSS 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤全氮和微生物生物量氮

早、晚稻季各處理土壤全氮在2016 年和2017年2 年平均含量變化范圍分別為1.9～2.1 和1.8～2.2 g/kg（圖1）。1/2N+M 處理土壤全氮年均含量最高，為2.2 g/kg，顯著高于其他處理，且比100%化學(xué)氮肥處理高出15%。豬糞作為有機肥施入稻田后，土壤有機碳、氮增加，由于有機氮相對于化肥氮分解轉(zhuǎn)化速率較慢，有利于土壤氮素累積，從而促進(jìn)稻田土壤總氮增加。早、晚稻季N 處理和1/2N 處理土壤全氮含量顯著高于N0 處理。這表明N0 處理由于長期不施化肥，土壤有機氮通過礦化損失后得不到有效的外源補充，從而使得土壤全氮含量下降。

早、晚稻季各處理土壤微生物生物量氮含量平均分別為28.8～35.5 和31.0～34.7 mg/kg（圖1）。早、晚稻季，N0 處理的土壤微生物量氮含量均顯著低于施氮處理，而施氮處理處理間差異不顯著（除早稻季1/2N 處理外）。土壤微生物生長需要一定的氮素供應(yīng)，長期不施氮肥條件下土壤氮素有效性低，從而顯著降低了土壤微生物生物量，SMBN 含量相應(yīng)降低。

2.2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮

由圖2 可知，早、晚稻季各處理土壤NH4+-N 含量變化范圍分別為1.8～15.3 和1.9～31.6 mg/kg，土壤NH4+-N 含量隨水稻生育期的進(jìn)行表現(xiàn)為下降趨勢，即分蘗期＞抽穗期＞成熟期。水稻在進(jìn)入分蘗期前要施用基肥和分蘗肥，因此土壤NH4+-N 含量較高。進(jìn)入分蘗期后水稻生長對氮素的吸收量大，以致土壤NH4+-N 含量逐漸下降。施氮處理，土壤NH4+-N含量晚稻季要高于早稻季，這主要與晚稻季施氮量高于早稻季有關(guān)。早、晚稻季土壤NH4+-N 含量表現(xiàn)出隨施氮量增加而增加的趨勢，全量氮肥處理顯著高于1/2N 處理和N0 處理（圖3）。而晚稻季，1/2N+M 處理土壤NH4+-N 含量顯著高于N 處理達(dá)55%（圖3）。

由圖2 可知，早、晚稻季各處理土壤NO3--N 含量變化范圍分別為0.14～0.71 和0.11～0.92 mg/kg，土壤NO3--N 含量相對較低，且遠(yuǎn)低于NH4+-N 含量。這主要是稻田長期處于淹水狀態(tài)，土壤的氧化還原電位低，土壤硝化能力較弱，不利于NO3--N 的生成，而生成的NO3--N 也易于通過反硝化途徑而損失。由于稻田NO3--N 含量總體較低，各處理的土壤NO3--N 含量差異較?。▓D3）。

2.3 水稻籽粒與秸稈氮吸收

早、晚稻季水稻籽粒和秸稈氮吸收隨氮肥用量的增加而增加（表1），其中早稻季籽粒和秸稈吸氮量分別為25.0～65.7 kg/hm2和13.4～41.9 kg/hm2，晚稻季則分別在38.7～73.7 kg/hm2和17.9～63.2 kg/hm2（表2）。相同氮肥用量下，早稻季，1/2N+M 處理籽粒和秸稈吸氮量與N 處理相比無顯著差異或者出現(xiàn)顯著下降；晚稻季，1/2N+M 處理籽粒和秸稈吸氮量均顯著高于N 處理。早稻季1/2N+M 與N 處理相比籽粒和秸稈吸氮量無顯著差異或者反而下降，可能是因為早稻季溫度低，有機氮的礦化量低，且早稻季降雨量多，化肥氮的徑流損失可能增加，從而減少了土壤氮素有效性，不利于水稻氮素吸收。

2.4 水稻氮肥利用率

各處理籽粒產(chǎn)量（干重）在早、晚稻季均隨著氮肥施用量增加而增加，早稻季和晚稻季產(chǎn)量變幅分別為2.2～4.4 t/hm2和3.6～5.5 t/hm2（表2）。除2017 年早稻季外，1/2N+M 處理籽粒年均產(chǎn)量均高于N 處理，或與N 處理相當(dāng)。表1 和表2 的結(jié)果表明水稻產(chǎn)量與吸氮量具有較好的相關(guān)性，維持稻田穩(wěn)定的氮肥供應(yīng)有利于促進(jìn)水稻氮素吸收，從而提高產(chǎn)量。

施氮各處理氮肥利用率在早稻季和晚稻季變幅分別為28.7%～57.7%和32.5%～55.2%，平均值分別為36.9%和42.4%，晚稻季氮肥利用率高于早稻季。1/2N 處理氮肥利用率在早稻季要低于N 處理，而晚稻季則高于N 處理。相同氮肥用量下，早稻季1/2N+M 處理氮肥利用率與N 處理相比有顯著差異或者顯著下降；而晚稻季，1/2N+M 處理氮肥利用率顯著高于N 處理。施氮各處理氮肥利用率結(jié)果與水稻籽粒和秸稈吸氮量的結(jié)果具有一致性。

2.5 土壤氮素肥力因子與水稻氮吸收的關(guān)系

采用冗余分析方法分析了土壤氮素肥力因子與水稻氮吸收的關(guān)系，早稻季和晚稻季第一排序軸和第二排序軸分別指示水稻氮吸收量變化的95.3%和2.3%，以及95.1%和2.2%。這表明第一排序軸為顯著性軸（P＜0.05，圖4）。沿著第一排序軸表明，早稻季氮肥用量（用來表征外源氮素對土壤氮的輸入）、STN 及SMBN 是影響秸稈氮含量、籽粒氮含量、籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和水稻氮吸收的主要土壤氮素肥力因子。晚稻季氮肥用量、STN 及NH4+-N是影響秸稈氮含量、籽粒氮含量、籽粒產(chǎn)量、秸稈產(chǎn)量和水稻氮吸收的主要土壤氮素肥力因子。

進(jìn)一步采用土壤氮素肥力因子與水稻氮吸收指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，該結(jié)果與冗余分析結(jié)果具有一致性（表3）。

3 討論

3.1 豬糞化肥配施對土壤氮素有效性的影響

本研究結(jié)果表明，在雙季稻田連續(xù)配施豬糞和化肥5～6 年后，土壤全氮含量較100%化肥氮肥處理高出15%，表明豬糞化肥配施可有效提高土壤全氮儲量。豬糞化肥配施，除了有機氮替代化肥外，也帶了大量的土壤有機碳輸入，從而可以提升土壤有機質(zhì)含量，改善土壤理化性質(zhì)[23]。相較于化學(xué)氮肥容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，并通過氨揮發(fā)、硝化—反硝化、徑流和淋溶等途徑而損失[27-29]，有機肥中的氮素分解轉(zhuǎn)化速率相對較慢，從而有利于土壤氮庫的累積，提高土壤全氮含量。此外，有機肥帶來的活性有機碳輸入，也為土壤微生物生長提供了豐富的碳源[20]，有利于維持土壤微生物活性，促進(jìn)微生物對化肥氮肥的固定，減少化學(xué)氮肥的損失。以往研究也表明，長期有機肥化肥配施條件下，土壤有機碳、全氮含量顯著增加[14-15]，這與本研究結(jié)果一致。

表3 早晚季水稻土壤氮素肥力因子與水稻總氮吸收量和氮含量的Pearson 相關(guān)分析Table 3 Pearson correlation analysis of soil fertility factors with rice nitrogen uptake and nitrogen content in the early and late rice

本研究中，豬糞化肥配施對早、晚稻季土壤銨態(tài)氮含量的提升效果不同，對晚稻季土壤銨態(tài)氮含量有較好的提升效果。豬糞化肥配施并未增加早稻季土壤銨態(tài)氮含量，一方面可能是早稻季降雨較多，田面水維持較高深度，肥料氮保存在田面水中較多，另一方面降雨多也增加了肥料氮素的徑流和淋溶損失[22]。這與本試驗中觀測到的早稻季土壤銨態(tài)氮含量未隨施氮量增加而增加一致。豬糞帶來的有機氮肥雖然不易隨水流失，但由于早稻季氣溫低，有機氮的礦化量較低[23]，從而也不利于土壤銨態(tài)氮含量的增加。而晚稻季氣溫高，有機氮的礦化量大，從而有利于土壤銨態(tài)氮含量的上升。本研究中土壤微生物生物量氮在各處理間的變化并未與土壤全氮和銨態(tài)氮一致，且豬糞化肥配施并未增加土壤微生物生物量氮。這可能是本研究稻田土壤有機碳含量較高，土壤有機質(zhì)的礦化可以提供較多的氮素供微生物利用。此外，稻田土壤具有較多固氮微生物[30-31]，其可以進(jìn)行生物固氮，可能也是土壤微生物生物量氮在不同施氮處理間差異不大的原因。已有研究表明，農(nóng)田施用有機物料后土壤微生物生物量碳均較施用化肥條件下有顯著提升[32]。本研究中，稻田施用有機肥后，土壤微生物生物量氮并未較施用化肥處理顯著增加。以往研究也表明，土壤微生物生物量碳氮比與土壤底物的碳氮比呈顯著正相關(guān)[33]。與施化肥處理相比，本研究中施用豬糞（碳氮比為14）較施用化肥（土壤碳氮比為9.7）提高了微生物可利用底物的碳氮比，而底物碳氮比影響土壤微生物生物量碳氮比，以致于施用有機肥處理土壤微生物生物量氮的含量并沒有顯著提高。由于稻田硝化能力弱，硝態(tài)氮產(chǎn)生量低，且易通過反硝化途徑而損失，各處理間土壤硝態(tài)氮含量較低且不顯著。這也表明，通過施用有機肥維持稻田較高的土壤銨態(tài)氮含量對于促進(jìn)稻田氮素有效性具有重要意義。

3.2 豬糞化肥配施對稻田氮肥利用率的影響

本研究結(jié)果表明，豬糞化肥配施均較100%化學(xué)氮肥處理增加了晚稻季水稻吸氮量及氮肥利用率，對當(dāng)季氮肥利用率可提升5.5～11 個百分點。從冗余分析的結(jié)果來看，水稻收獲期吸氮量與氮肥用量和土壤全氮含量緊密相關(guān)。除此之外，土壤微生物生物量氮和銨態(tài)氮對水稻吸氮量也有重要影響。早稻季氣溫低，有機物質(zhì)礦化較慢[34]，且降雨多化學(xué)氮肥容易通過徑流損失[22,35]，從而可能導(dǎo)致有效氮素供應(yīng)不足，降低氮肥利用率。如1/2N 處理由于施氮量低，加之早稻季氮素有效性低，其氮肥利用率在早稻季均低于N 處理；而晚稻季由于土壤有機氮的礦化增加，且化肥氮的流失損失減少，減量氮肥施用下，1/2N 處理的氮肥利用率顯著高于N處理。正因為此，早稻季豬糞化肥配施條件下，當(dāng)氣溫較低時，有機氮的礦化量不足，從而導(dǎo)致土壤氮素有效性低，降低氮肥利用率。而在晚稻季，由于土壤有機氮的礦化增加，且化學(xué)氮肥損失少，豬糞化肥配施較常規(guī)化肥處理均提高了氮肥利用率。因此，對于雙季稻系統(tǒng)，還需進(jìn)一步研究早稻季豬糞化肥的合理配施比例，從而來提供充足氮素供應(yīng)，保證水稻高產(chǎn)，并提高氮肥利用率。

4 結(jié)論

研究表明，雙季稻體系豬糞替代50%化肥能較施用100%化學(xué)氮肥顯著提高土壤全氮含量；對土壤銨態(tài)氮含量的影響早、晚稻季有顯著不同，晚稻季可較100%化學(xué)氮肥處理顯著增加土壤銨態(tài)氮含量，而早稻季無顯著影響。土壤全氮含量和銨態(tài)氮含量均與水稻籽粒和秸稈氮素吸收呈顯著正相關(guān)。

豬糞化肥配施較施用100%化學(xué)氮肥均增加了晚稻季水稻籽粒產(chǎn)量、吸氮量和氮肥利用率，但會降低早稻季水稻籽粒產(chǎn)量、吸氮量及氮肥利用率。研究表明，雙季稻體系由于早、晚稻季氣溫、降雨條件的不同，豬糞化肥配施對土壤氮素有效性的影響在早、晚稻季也不同，從而導(dǎo)致氮肥利用率也顯著不同。今后，需加強雙季稻體系早稻季有機肥無機肥的合理配施比例研究。