趙 霞,趙 蕊,秦嘉海
(1.張掖市耕地質(zhì)量建設(shè)管理站,甘肅 張掖 734000;2.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生態(tài)工程學(xué)院,甘肅 張掖 734000 )
甘肅省張掖黑河內(nèi)陸灌區(qū),日照充足,晝夜溫差大,生產(chǎn)的甜菜含糖量高,是甜菜最佳種植生態(tài)區(qū)。截止2019年甜菜種植面積達(dá)到1 500 hm2[1],經(jīng)調(diào)查,農(nóng)戶種植的甜菜產(chǎn)量102 t·hm-2,氮磷鉀純投入量為1.39 t·hm-2,而有機(jī)肥氮磷鉀純投入量0.25 t·hm-2。長(zhǎng)期超量施用化肥導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降,甜菜產(chǎn)量低,品質(zhì)差[2-14]。
有關(guān)肥料對(duì)甜菜產(chǎn)量和品質(zhì)影響的研究報(bào)道較多。魏騰飛等[15]研究得出,施用糠醛渣有機(jī)碳生態(tài)肥與傳統(tǒng)化肥比較,甜菜根體長(zhǎng)度、根直徑、單根重和根產(chǎn)量增加 6.36%、7.56%、4.67%和5.38%。白曉山等[16]研究得出甜菜塊根含糖率與施肥量呈顯著負(fù)相關(guān)。魏顯珍等[17]研究得出隨著施氮量的增加甜菜氮素生產(chǎn)力與氮肥農(nóng)學(xué)利用效率均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。曹禹等[18]研究得出限制甜菜產(chǎn)量提高的養(yǎng)分限制因子從大到小依次為氮、磷、鉀。劉娜等[19]研究得出較高的施氮量不利于糖的積累,適宜施氮量為120~160 kg·hm-2,可以提高甜菜塊根中的蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性。蘇繼霞等[20]研究得出適當(dāng)降低氮素施用比例,有利于提高氮肥利用率,為甜菜整個(gè)生長(zhǎng)階段提供較為平衡的氮素供應(yīng)。蘇繼霞等[21]研究得出塊根膨大期和糖分積累期適量補(bǔ)施氮素,塊根品質(zhì)和產(chǎn)糖量略有增加。費(fèi)聰?shù)萚22]研究得出不施氮素會(huì)降低甜菜塊根質(zhì)量,但對(duì)塊根糖質(zhì)量無(wú)明顯影響,塊根膨大期施用大量氮素明顯降低塊根含糖量。李智等[23]研究得出隨著氮素施用量增加, 氮素利用率降低,甜菜生育期施氮量150~179.22 kg·hm-2,有利于甜菜產(chǎn)質(zhì)量增加。張麗娟等[24]研究得出氮素施用量150 kg·hm-2時(shí),可以提高甜菜葉片光合能力,同時(shí)達(dá)到減氮增效的目的。閆威等[25]研究得出甜菜高產(chǎn)適宜施氮量為128.8 kg·hm-2。鄭毅等[11]研究得出隨著NPK肥施用量的增加,甜菜產(chǎn)量、含糖率和產(chǎn)糖量均呈先升后降的趨勢(shì)。
前人的研究主要集中在氮磷鉀化肥和糠醛渣生態(tài)肥方面,而不同比例羊糞與化肥配施對(duì)土壤質(zhì)量及甜菜含糖率和效益影響的研究較少。甘肅省張掖市分布著262.13萬(wàn)t的羊糞,目前用于生產(chǎn)有機(jī)肥和直接還田的占55%,還有117.96萬(wàn)t的羊糞隨意堆放在居民點(diǎn)周?chē)廴玖宿r(nóng)村生態(tài)環(huán)境[26]。經(jīng)采樣分析,這些羊糞含有機(jī)質(zhì)31.40%,有機(jī)碳18.21%,N 0.65%,P2O50.47%,K2O0.23%,而重金屬離子Hg、Cd、Cr、Pb含量均小于國(guó)家規(guī)定的畜禽糞便含量標(biāo)準(zhǔn)[27]。為了加快羊糞資源化利用進(jìn)程,本文以羊糞、尿素、磷酸二銨和硫酸鉀為試材,進(jìn)行了不同比例羊糞與化肥配施對(duì)土壤質(zhì)量及甜菜含糖率和效益影響的研究,旨在為羊糞資源化循環(huán)利用和甜菜安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。
1.1.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)在甘肅省張掖市甘州區(qū)明永鎮(zhèn)甜菜種植基地進(jìn)行(100°21′45″E,39°01′53″N),海拔1 453 m,降水量116 mm,蒸發(fā)量1 850 mm,氣溫7.50℃,日照時(shí)數(shù)3 053 h,無(wú)霜期160 d。土壤類型是灌淤旱作人為土[28],試驗(yàn)地0~20 cm土層堿解氮、速效磷和速效鉀68.73、6.47 mg·kg-1和134.57 mg·kg-1;有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、有機(jī)碳密度、CEC(陽(yáng)離子交換量)、全鹽和pH值分別為22.36 g·kg-1、12.70 g·kg-1、3.43 kg·m-2、19.23 cmol·kg-1、2.33 g·kg-1和8.36;容重、總孔隙度和團(tuán)聚體1.35 g·cm-3、49.06%和26.11%。土壤質(zhì)地為壤質(zhì)土,前茬作物為玉米。
1.1.2 試驗(yàn)材料 尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)、發(fā)酵牛糞(有機(jī)質(zhì)31.40%,有機(jī)碳18.21%,N 0.65%,P2O50.47%,K2O 0.53%,粒徑1~20 mm)、畜禽糞便發(fā)酵劑(含光合細(xì)菌、放線菌、酵母菌、腐霉等菌株,有益活菌數(shù)>50×109·g-1,濰坊益昊生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品)、生物菌肥(有效活菌數(shù)≥2.0×109·mL-1,有機(jī)碳≥150 g·L-1,含枯草芽孢桿菌和凝結(jié)芽孢桿菌,山東大地生物科技有限公司產(chǎn)品)。甜菜品種為HIO-474,瑞士先正達(dá)公司選育。
1.2.1 羊糞發(fā)酵方法 2016年6月20日將風(fēng)干羊糞粉碎過(guò)20 mm篩,每立方米羊糞加入畜禽糞便發(fā)酵劑2 kg[29-30],生物菌肥2 000 ml,噴自來(lái)水,水分含量達(dá)到60%~65%[31],堆成高2.00 m的梯形,蓋上廢舊塑料薄膜,在塑料薄膜上開(kāi)直徑3~5 cm小洞若干個(gè),堆在溫室內(nèi)(室溫28℃~35℃)發(fā)酵75 d(間隔35 d搗翻1次),堆內(nèi)溫度降到室溫,羊糞出現(xiàn)灰白色菌絲后,在陰涼干燥處自然風(fēng)干(含水量小于5%),經(jīng)室內(nèi)分析含有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳260.35、150.28 g·kg-1;N 、P2O5、K2O 6.8、4.6、2.7 g·kg-1;Hg、Cd、Cr、Pb、Cu、Zn 0.42、0.36、36.84、5.36、0.29、0.16 mg·kg-1;大腸桿菌0.05%,C/N為22/1,粒徑1~12 mm。
1.2.2 試驗(yàn)處理 2017—2019年依據(jù)研究區(qū)甜菜種植農(nóng)戶大田化肥和有機(jī)肥習(xí)慣施肥量,將化肥和羊糞按照不同比例增減量共設(shè)計(jì)6個(gè)處理。處理1,對(duì)照(不施肥);處理2,25%羊糞+75%化肥;處理3,50%羊糞+50%化肥;處理4,75%羊糞+25%化肥;處理5,100%羊糞;處理6,100%化肥。磷酸二銨、硫酸鉀、羊糞分別計(jì)量后在播種前撒入小區(qū),淺耕翻入20 cm土層后起壟;1/3尿素在甜菜苗期結(jié)合灌水追施,剩余2/3尿素在塊根膨大期結(jié)合灌水追施,施肥方法為穴施,施肥深度為10 cm。每個(gè)處理重復(fù)3次,隨機(jī)區(qū)組排列。各處理肥料具體施肥量見(jiàn)表1。
表1 不同處理施肥量/(t·hm-2)
1.2.3 種植方法 小區(qū)面積36 m2( 8 m×4.5 m),每個(gè)小區(qū)四周筑埂。播種前將羊糞、磷酸二銨和硫酸鉀撒入小區(qū)內(nèi),起壟,壟高、壟距和壟寬為35、50 cm和50 cm,在壟上鋪滴灌帶和地膜。2017—2019年每年4月20日播種,深度和株距為1.50 cm和24 cm,每壟2行。在播種后、苗期、生長(zhǎng)盛期、塊根膨大期和收獲前各灌水1次,每小區(qū)每次灌水量為9 m3,10月6日收獲。
1.2.4 樣品采集 甜菜收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)選擇3壟 ,每壟采集5株測(cè)定葉叢高度、根體長(zhǎng)度、根直徑和單株根重。每個(gè)小區(qū)單獨(dú)收獲,將小區(qū)產(chǎn)量折合成公頃產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。連續(xù)定點(diǎn)試驗(yàn)3 a后,2019年10月6日甜菜采收后,分別在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)按對(duì)角線布置5個(gè)采樣點(diǎn),采集0~20 cm耕作層土樣5 kg,用四分法留2 kg,1 kg新鮮土樣放入4℃冰箱避光保存測(cè)定酶活性,另外1 kg土樣風(fēng)干過(guò)1 mm篩供室內(nèi)化驗(yàn)分析,其中土壤容重、團(tuán)聚體用環(huán)刀采集原狀土,未進(jìn)行風(fēng)干。
1.2.5 測(cè)定指標(biāo)與方法 土壤容重、總孔隙度和>0.25 mm團(tuán)聚體測(cè)定分別采用環(huán)刀法、計(jì)算法和干篩法;pH值、陽(yáng)離子交換量(CEC)、全鹽和有機(jī)質(zhì)測(cè)定分別采用酸度計(jì)法(水土比5∶1)、乙酸銨—氯化銨法、電導(dǎo)法和重鉻酸鉀氧化—外加熱法;總持水量按公式(總持水量=面積×總孔隙度×土層深度)求得;有機(jī)碳按公式(土壤有機(jī)碳=土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定值÷1.724)求得[32];有機(jī)碳密度按公式(有機(jī)碳密度=土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-3)×采樣深度(cm)×0.01)求得;堿解氮、速效磷和速效鉀測(cè)定分別采用擴(kuò)散法、NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法和NH4OAC3浸提—火焰光度法[33];蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性測(cè)定分別采用3,5-二硝基水楊酸比色法、靛酚比色法、磷酸苯二鈉比色法和碘量滴定法[34];甜菜含糖率和根直徑測(cè)定分別采用手持式測(cè)糖儀和游標(biāo)卡尺。
差異顯著性采用DPSS 10.0統(tǒng)計(jì)軟件分析,多重比較,LSR檢驗(yàn)法。
2.1.1 對(duì)土壤物理性質(zhì)和持水量的影響 由表2可知,隨著羊糞施用量的增加土壤容重降低,孔隙度、團(tuán)聚體和持水量增加。不同處理容重為:處理5<處理4<處理3<處理2<處理6<處理1(對(duì)照);孔隙度、團(tuán)聚體和總持水量為:處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對(duì)照)。處理5與處理4比較,容重降低2.44%,孔隙度和團(tuán)聚體增加1.14、0.65個(gè)百分點(diǎn),總持水量增加2.13%(P>0.05);與處理3比較,容重降低4.00%,孔隙度增加1.89個(gè)百分點(diǎn),總持水量增加3.58%(P>0.05),團(tuán)聚體增加1.60個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05);與處理2比較,容重降低6.98%,孔隙度和團(tuán)聚體增加3.40、2.44個(gè)百分點(diǎn),總持水量增加6.63%(P<0.05);與處理6比較,容重降低10.45%,孔隙度和團(tuán)聚體增加5.29和5.81個(gè)百分點(diǎn),總持水量增加10.69%(P<0.01);與處理1(對(duì)照)比較,容重降低11.11%,孔隙度和團(tuán)聚體增加5.66、6.34個(gè)百分點(diǎn),總持水量11.549%(P<0.01)。處理5(100%羊糞)有利于降低容重,增大孔隙度,促進(jìn)團(tuán)聚體形成,提高持水量,處理6(100%化肥)容重、孔隙度、團(tuán)聚體和持水量無(wú)顯著變化(表2)。
表2 羊糞與化肥配施對(duì)土壤物理性質(zhì)的影響
2.1.2 對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 由表3可知,隨著羊糞施用量的增加,土壤pH值和全鹽降低,CEC增大。不同處理pH值為:處理5<處理4<處理3<處理2<處理6<處理1(對(duì)照);全鹽含量為:處理5<處理4<處理3<處理2<處理1(對(duì)照)<處理6;CEC為:處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對(duì)照)。處理5與處理4比較,pH值降低4.08%(P>0.05),全鹽降低5.99%(P<0.05),CEC增加1.22%(P>0.05);與處理3比較,pH值和全鹽降低8.79%和9.74%(P<0.01),CEC增加6.68%(P<0.05);與處理2比較,pH值和全鹽降低12.52%和12.82%,CEC增加14.14%(P<0.01);與處理6比較,pH值和全鹽降低15.14%和15.35%,CEC增加16.85%(P<0.01);與處理1(對(duì)照)比較,pH值和全鹽降低15.55%和12.45%,CEC增加25.48%(P<0.01)。處理5(100%羊糞)比其他處理更有利于降低pH值和全鹽含量,增大CEC,處理6(100%化肥)有利于提高全鹽含量,pH值無(wú)顯著變化。
2.1.3 對(duì)土壤速效氮磷鉀含量的影響 由表3可知,隨著化肥施用量的遞減土壤速效氮磷鉀降低。不同處理速效氮磷鉀含量為:處理6>處理2>處理3>處理4>處理5>處理1(對(duì)照);處理2與處理6比較,堿解氮含量降低4.50%(P>0.05),速效磷含量降低10.03%(P<0.01),速效鉀含量降低5.27%(P<0.05);處理3與處理6比較,堿解氮和速效磷含量降低10.83%和21.91%(P<0.01),速效鉀含量降低8.96%(P<0.05);處理4與處理6比較,堿解氮、速效磷和速效鉀含量降低14.50%、33.10%和13.64%(P<0.01);處理5與處理6比較,堿解氮、速效磷和速效鉀含量降低18.50%、43.96%和17.50%(P<0.01);處理1(對(duì)照)與處理6比較,堿解氮、速效磷和速效鉀含量降低43.40%、55.43%和25.09%(P<0.01)。處理6(100%化肥)比其他處理更有利于提高堿解氮、速效磷和速效鉀含量。
表3 羊糞與化肥配施對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響
2.2.1 對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳的影響 由表4可知,不同處理土壤有機(jī)質(zhì)及有機(jī)碳和有機(jī)碳密度為:處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對(duì)照)。處理5與處理4比較,有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳增加6.55%和6.57%(P<0.05),有機(jī)碳密度增加4.03%(P>0.05);與處理3比較,有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度增加14.14%、14.14%和9.55%(P<0.01);與處理2比較,有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度增加22.54%、22.52%和14.09%(P<0.01);與處理6比較,有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度增加29.90%、29.93%和16.33%(P<0.01);與處理1(對(duì)照)比較,有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度增加32.51%、35.35%和20.41%(P<0.01)。處理5(100%羊糞)比其他處理更有利于提高有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度,與對(duì)照比較處理6(100%化肥)有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳和有機(jī)碳密度無(wú)顯著變化。
2.2.2 對(duì)土壤酶活性的影響 由表4可知,不同處理蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性為:處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對(duì)照)。處理5與處理4比較,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加4.07%、3.10%、3.70%和3.37%(P>0.05);與處理3比較,蔗糖酶和多酚氧化酶活性增加7.67%和6.98%(P<0.05),脲酶和磷酸酶活性增加12.54%和10.52%(P<0.01);與處理2比較,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加16.56%、19.63%、15.07%和12.20%(P<0.01);與處理6比較,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加18.93%、27.27%、21.74%和17.95%(P<0.01);與處理1(對(duì)照)比較,蔗糖酶、脲酶、磷酸酶和多酚氧化酶活性增加20.12%、33.94%、25.37%和21.05%(P<0.01)。處理5(100%羊糞)比其他處理更有利于提高酶活性,與對(duì)照比較處理6(100%化肥)酶活性無(wú)顯著變化。
表4 羊糞與化肥配施對(duì)土壤有機(jī)碳和酶活性的影響
2.3.1 對(duì)甜菜性狀的影響 由表5可知,不同處理甜菜葉叢高度、根體長(zhǎng)度、根直徑、單株根重、根產(chǎn)量均為:處理3>處理2>處理6>處理4>處理5>處理1(對(duì)照)。處理3與處理2比較,葉叢高度、根體長(zhǎng)度、單株根重和根產(chǎn)量增加3.09%、4.17%、2.50%和3.10%(P>0.05),根直徑增加12.39%(P<0.01);與處理6比較,葉叢高度、根體長(zhǎng)度、單株根重和根產(chǎn)量增加6.40%、8.75%、6.96%和5.33%(P<0.05),根直徑增加19.00%(P<0.01);與處理4比較,葉叢高度、根體長(zhǎng)度、根直徑、單株根重和根產(chǎn)量增加9.88%、16.31%、21.22%、10.81%和8.75%(P<0.01);與處理5比較,葉叢高度、根體長(zhǎng)度、根直徑、單株根重和根產(chǎn)量增加13.62%、22.00%、28.54%、17.14%和9.39%(P<0.01);與處理1(對(duì)照)比較,葉叢高度、根體長(zhǎng)度、根直徑、單株根重和根產(chǎn)量增加17.66%、25.00%、31.00%、24.24%和38.37%(P<0.01)。處理3(50%羊糞+50%化肥)比其他處理更有利于提高甜菜農(nóng)藝性狀和經(jīng)濟(jì)性狀。
表5 羊糞與化肥配施對(duì)甜菜性狀及含糖率和效益的影響
2.3.2 對(duì)甜菜含糖率的影響 由表5可知,不同處理甜菜含糖率為:處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對(duì)照)。處理5與處理4比較,含糖率增加0.31個(gè)百分點(diǎn)(P>0.05);與處理3比較,含糖率增加0.76個(gè)百分點(diǎn)(P<0.05);與處理2、處理6和處理1(對(duì)照)比較,含糖率增加1.35、2.74和3.47個(gè)百分點(diǎn)(P<0.01)。處理5(100%羊糞)比其他處理更有利于提高甜菜含糖率。
2.3.3 對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的影響 由表6可知,不同處理施肥利潤(rùn)為:處理3>處理2>處理6>處理4>處理5,肥料投資效率為:處理3>處理6>處理2>處理4>處理5。處理3與處理2、6、4、5比較,施肥利潤(rùn)增加0.07、0.10、0.39、0.46萬(wàn)元·hm-2。處理3與處理6、2、4、5比較,肥料投資效率增加0.02、0.05、0.65、0.76元·元-1。處理3(50%羊糞+50%化肥)比其他處理更有利于提高甜菜經(jīng)濟(jì)效益。
表6 羊糞與化肥配施對(duì)甜菜效益的影響
施用100%羊糞增大了土壤孔隙度,提高了土壤團(tuán)聚體、持水量、CEC、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、有機(jī)碳密度、酶活性和甜菜含糖率,降低了土壤容重、pH值和全鹽含量,究其原因:羊糞將大量的有機(jī)質(zhì)帶入土壤,因而提高了有機(jī)質(zhì)和有機(jī)碳含量[35-36];羊糞使土壤疏松,降低了容重,增大了孔隙度[37];羊糞中的有機(jī)質(zhì)促進(jìn)了團(tuán)聚體的形成[38];羊糞中的有機(jī)質(zhì)在土壤微生物的作用下合成了腐殖質(zhì),腐殖質(zhì)的吸水率為500%,因而提高了持水量[39];羊糞的陽(yáng)離子交換量大,因而增大了CEC[40];羊糞在分解過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)酸降低了pH值[41];羊糞鹽基離子含量比化肥低,因而降低了全鹽含量。羊糞提高了土壤有機(jī)碳含量,酶吸附在有機(jī)碳上,為酶創(chuàng)造了良好的生態(tài)環(huán)境條件,提高了酶的活性[42-45];羊糞有機(jī)質(zhì)和鉀比較高,因而提高了甜菜含糖率。施用100%化肥有利于提高土壤全鹽和速效氮磷鉀含量,究其原因一是甜菜選擇吸收了化肥中氮、磷、鉀,把鹽基離子留在土壤中,因而提高了全鹽含量,二是尿素、磷酸二銨、硫酸鉀的氮磷鉀有效成分含量比羊糞高,因而提高了氮、磷和鉀含量。采用經(jīng)濟(jì)學(xué)理論分析表明50%羊糞+50%化肥比其他處理更有利于提高甜菜經(jīng)濟(jì)效益,究其原因是羊糞的緩效與化肥的速效作用完美融合在一起,緩急相濟(jì),互為補(bǔ)充,持續(xù)供給甜菜營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)了甜菜的生長(zhǎng)發(fā)育,提高了其產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。
施用100%羊糞降低了土壤容重、pH值和全鹽含量,增大了土壤孔隙度,提高了土壤團(tuán)聚體、持水量、CEC、有機(jī)質(zhì)、有機(jī)碳、有機(jī)碳密度、酶活性和甜菜含糖率。施用100%化肥提高了土壤全鹽、速效氮磷鉀含量,土壤容重、孔隙度、團(tuán)聚體、持水量、pH值、有機(jī)質(zhì)、酶活性和甜菜含糖率無(wú)顯著變化。將50%羊糞+50%化肥配合施用更有利于提高甜菜經(jīng)濟(jì)效益。在甜菜種植田上,施用100%羊糞改善了土壤理化性質(zhì),提高了有機(jī)質(zhì)及酶活性和甜菜含糖率;50%羊糞+50%化肥配合施用,有效提高了甜菜經(jīng)濟(jì)效益,減少了化肥施用量,促進(jìn)了畜禽糞便資源循環(huán)利用,減輕了畜禽糞便對(duì)鄉(xiāng)村環(huán)境的污染。