牛糞-化肥配施對水稻氮素利用的影響

王 昭,王春雪,祖艷群,李 元,張克強,李 敏,舒正文

(云南農業大學 資源與環境學院,云南 昆明 650201)

水稻是我國的主要糧食作物。為了追求水稻高產,農民加大了化肥的施用量,尤其是氮肥的施用量[1-3]。但水稻對氮肥的利用率不足50%[4],氮素主要通過氨揮發、滲漏、徑流等途徑流失[5-8]。過量氮肥施入農田導致水稻晚熟,品質下降,氮肥利用效率下降。過量的氮肥還會隨地表徑流流到周圍水體中,形成農業面源污染。為緩解化肥過量施用對水稻及環境的威脅,有關學者提出利用有機肥與化肥配施,改善農田土壤理化性質,提高肥力,有助于水稻高產穩產[9]。

牛糞含有豐富的有機質和氮磷鉀等養分,是優質的資源。若農田施用過量的牛糞,易造成土壤中溶解鹽含量增加,從而提高土壤的鹽分,降低土壤中微生物活性,影響農作物產量[10]。黑水虻(Black soldier fly)學名亮斑扁角水虻(HermetiaillucensL.),是一種自然界廣泛分布的腐食性昆蟲,其幼蟲以畜禽糞便為食,能在兩周內降解50%的牛糞堆積[11-13]。與常規牛糞相比,經黑水虻處理后的牛糞物料氮磷含量降低30%～60%,且質地疏松,無臭味[14]。目前對于黑水虻處理后奶牛糞便物料作為肥料,對水稻產量的影響的研究未有相關的報道。盡管黑水虻處理后的牛糞剩余物料氮磷含量有所降低,但仍具有一定的肥力,可以作為肥料施用,用于提高土壤中氮磷及有機質含量[15-16],改善土壤肥力[17-18],促進農作物生長[19-20]。

本研究利用黑水虻幼蟲處理后的牛糞物料作為肥料,通過盆栽試驗,在等氮量替代下,比較了不同比例牛糞物料與化肥配施對水稻田面水氮素濃度、土壤中氮累積量、水稻籽粒產量及水稻氮素利用的影響，以期在保證水稻不減產的基礎上,探索出牛糞物料配施化肥的最佳比例,為在水稻生產上推廣及應用提供理論依據。

1 畜禽糞便引起的環境污染現狀

1.1 試驗區概況

試驗區位于云南省大理市農業部環保所大理綜合實驗站(25°50′N,100°07′E),屬于低緯度高原季風氣候,干濕季分明,海拔1900 m。年平均氣溫為21 ℃,年平均降水量為1084 mm,每年降水量集中在5～10月份。試驗土壤為水稻土,本研究土壤是稻田中0～20 cm耕作土,其基本理化性質為:pH 7.77,全氮(TN)1.92 g/kg,堿解氮(AN)237.21 mg/kg,全磷(TP)0.40 g/kg,速效磷(AP)125.16 mg/kg,有機質31.89 g/kg。

1.2 牛糞物料的制備

將8000只8日齡黑水虻幼蟲接種到裝有10 kg新鮮牛糞的塑料箱中(71.0 cm× 45.5 cm× 18.0 cm),將塑料箱搬至室內,室內溫度控制在28～30 ℃,每天10:00及15:00攪拌塑料箱中糞便兩次,促進幼蟲能夠充分取食。每3 d向各牛糞處理組中適當補充水分,防止糞便含水量過低而影響黑水虻處理。當塑料箱中幼蟲約有40%變為蟲蛹(蟲體表面顏色由乳白色變為黑褐色)時停止飼養,將蟲蛹從牛糞中篩分出,收集剩余的牛糞物料。

1.3 試驗設計

試驗于2018年6月2日到9月28日進行,共設5個施肥處理,每個處理3次重復,共15個試驗盆栽組。盆栽使用的圓形水桶半徑為20 cm,高50 cm,每桶裝土20 kg,每個水桶間隔40 cm,以防串流。供試牛糞物料為新鮮牛糞經黑水虻生物處理后所得。具體配施處理為:不施肥處理(M0)、單施化肥處理(M1)、30%牛糞物料+70%化肥(M2)、50%牛糞物料+50%化肥(M3)、70%牛糞物料+30%化肥(M4)。除M0處理外,M2、M3和M4處理的氮肥施入量等同單施化肥的M1處理,M1、M2、M3和M4處理施等量的磷肥、鉀肥。供試化肥為:尿素(N,46.4%)、過磷酸鈣(P2O5,16%)、硫酸鉀的(K2O,50%)。牛糞及磷肥、鉀肥作為底肥施用,M1的氮肥按1∶1∶1的比例分別在種植前、分蘗期、抽穗期施用。M2、M3和M4的底肥不施用尿素,配施的氮素按1∶1分別在分蘗期、抽穗期施用。不同配比的經黑水虻處理的牛糞與化肥的施用量見表1。

表1 不同配施條件下牛糞物料與化肥的施肥量 g/盆

供試水稻品種為“云粳25”。水稻盆栽密度為7穴/盆,每穴移栽3株秧苗。2018年6月4日插秧,6月16日施分蘗肥,7月27日施穂肥,9月28日收割。供試牛糞由大理實驗站養殖場提供,經黑水虻幼蟲生物轉化處理。處理后牛糞中養分含量(干基)為:TN 2.40 g/kg,TP 0.70 g/kg,TK 2.34 g/kg,含水率為10.53%。盆栽灌溉水來自農灌溝；栽培管理方式同當地田間常規管理。

1.4 樣品采集

田面水采集:每次施肥后第2、4、7、10天,上午10:00定時采集田面水樣品250 mL,將水樣帶回實驗室,在48 h內測定田面水中總氮(TN)、銨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)濃度。

土壤樣品采集:在水稻種植前取稻田0～20 cm耕作土,研磨過20目篩,平鋪于曬谷場,自然風干,隨機取3份混合樣,測定土壤TN、TP含量。將其它土樣裝在水桶中,每個桶裝20 kg。在水稻成熟后,多點采集表層0～20 cm土,重復3次。將采集的土壤均勻混合,風干過篩備用。

牛糞樣品采集:在黑水虻幼蟲轉化處理后的牛糞堆中,隨機取6個糞樣,平鋪于曬谷場,自然風干,研磨過60目篩備用。

1.5 測定指標及計算方法[21-23]

1.5.1 水稻田面水氮素濃度的測定 田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度按照土壤農化分析方法測定。

1.5.2 植株氮累積量的測定 將收獲的水稻植株樣品分為莖、葉、穗、根、籽粒等部分,烘干稱重。研磨后用H2SO4-H2O2消煮,采用凱氏定氮法測定氮含量。

1.5.3 土壤全氮、堿解氮含量的測定 水稻成熟期土壤TN含量采用凱氏定氮法測定,土壤AN含量采用擴散法測定。

1.5.4 水稻氮素利用率的計算 相關計算公式如下：氮肥農學利用率(kg/kg)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮量;

氮肥吸收利用率(%)=(施氮區地上部吸氮量-空白區地上部吸氮量)/氮施用量×100%;

氮肥偏生產力(kg/kg)=施氮區水稻產量/施氮量;

氮肥貢獻率(%)=(施氮區產量-不施氮區產量)/施氮區產量×100%。

1.6 數據統計分析

采用SPSS 19.0對試驗數據進行方差分析,使用Origin 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理下田面水氮素濃度的變化特征

如圖1a所示,各配施處理(M0除外)施用底肥2 d后,田面水TN濃度達到峰值,維持在1.50～46.60 mg/L；隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.76～14.30 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理田面水TN濃度升高,在施肥后2～4 d內田面水TN濃度達到峰值,各處理峰值期田面水TN濃度由高到低排列為:M1(36.11 mg/L)>M2(31.84 mg/L)>M3(21.46 mg/L)>M4(10.35 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,最終維持在0.76～2.57 mg/L。施用穂肥后,各處理田面水TN濃度在施肥2～4 d后達到峰值,各處理峰值期田面水TN濃度由高到低排列為: M1(44.90 mg/L)>M2(42.53 mg/L)>M3(26.04 mg/L)>M4(21.73 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,維持在1.14～1.55 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水TN濃度分別降低了26.70%、15.90%和23.80%。不施肥的M0處理田面水TN濃度在各時期均低于其余配施處理,分布在0.32～6.03 mg/L范圍內。

圖1 牛糞物料配施化肥對田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度的影響

如圖1b所示,各配施處理施用底肥2 d后,田面水NH4+-N濃度達到峰值,維持在0.90～1.51 mg/L,隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.70～2.74 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理田面水NH4+-N濃度升高,在施肥后2 d內達到峰值,各處理峰值期田面水NH4+-N濃度由高到低排列為:M3(11.63 mg/L)>M1(8.81 mg/L)>M4(8.27 mg/L)>M2(7.23 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,最終維持在0.54～1.62 mg/L。施用穂肥后,各處理田面水NH4+-N濃度在施肥2～4 d后達到峰值,各處理峰值期田面水NH4+-N濃度由高到低排列為:M3(14.84 mg/L)>M2(14.65 mg/L)>M1(13.68 mg/L)>M4(9.75 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,維持在1.09～1.16 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水NH4+-N濃度分別降低了5.89%、6.46%和2.44%。M0處理的田面水NH4+-N濃度在各時期均低于其余配施處理,分布在0.21～0.92 mg/L范圍內。

如圖1c所示,各配施處理(M1除外)施用底肥后,田面水NO3--N濃度升高,4 d后達到最大值,隨后逐漸下降,10 d后降到最低,分布在0.58～8.41 mg/L。施用分蘗肥后,各配施處理的田面水NO3--N濃度在施肥后4 d內達到峰值,由高到低排列為:M1(10.39 mg/L)>M2(2.82 mg/L)>M4(2.34 mg/L)>M3(1.36 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,最終維持在0.59～1.14 mg/L。施用穂肥后,各處理的田面水NO3--N濃度在施肥4 d后達到峰值,各處理峰值期田面水NO3--N濃度由高到低排列為:M3(0.91 mg/L)>M4(0.66 mg/L)>M1(0.63 mg/L)>M2(0.49 mg/L)；隨后逐漸下降,7 d后趨于穩定,維持在0.32～0.59 mg/L。與M1處理相比,M2、M3和M4處理的田面水NO3--N濃度分別降低了46.40%、37.09%和25.81%。

2.2 不同處理下水稻成熟期土壤全氮、堿解氮含量

由表2可知,水稻成熟時,各處理土壤TN含量由高到低依次為M3(1.75 g/kg)>M4(1.66 g/kg)>M2(1.59 g/kg)>M1(1.47 g/kg)>M0(1.01 g/kg)。與M0處理相比,M1、M2、M3和M4處理土壤TN含量分別提高了45.54%、57.43%、73.27%和64.36%,差異顯著。土壤AN含量由高到低依次為M3(286.97 mg/kg)>M1(270.66 mg/kg)>M4(269.22 mg/kg)>M2(250.55 mg/kg)>M0(176.82 mg/kg)。與M0處理相比,M1、M2、M3和M4處理土壤TN含量分別提高了53.07%、41.70%、62.29%和52.26%,差異顯著。總體來說,M0處理土壤TN、AN含量最低,M3處理土壤TN、AN含量最高。

表2 牛糞物料配施化肥對土壤全氮和堿解氮含量的影響

注:表中數據為平均值±標準差,同列數據后標注的不同字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.3 不同處理下水稻產量性狀指標與氮素累積量

由表3可知,在等氮量替代下,隨著牛糞物料配施比例的增加,水稻莖葉產量、籽粒產量、株高和分蘗數呈先升高后降低的趨勢。50%牛糞物料配施化肥的M3處理水稻莖葉產量、籽粒產量、株高和分蘗數最多,分別為9.18 g/盆、11.62 g/盆、88.92 cm和7.93個,與單施化肥的M1處理相比無顯著差異，但比M2處理分別提高了4.44%、2.47%、0.85%和2.59%，較M4處理分別提高了12.5%、9.73%、2.75%和23.91%(差異顯著)。在牛糞物料配施各處理中(M0除外),M2處理莖葉的氮素累積量(0.62 g/盆)最低,M1處理的莖葉氮素累積量(0.74 g/盆)最高,且M1和M3處理間莖葉氮素累積量無顯著差異。M4處理的籽粒氮素累積量(0.85 g/盆)最低,顯著低于M1、M2和M3處理；M2和M1、M3處理的籽粒氮素累積量無顯著差異。植株氮素累積量(籽粒與莖葉之和)由高到低依次為:M3(1.66 g/盆)>M1(1.64 g/盆)>M2(1.52 g/盆)>M4(1.50 g/盆)>M0(1.06 g/盆),其中M3處理植株的氮素累積量最高,M0最低,但M1和M3處理間差異不顯著。

2.4 不同處理下水稻氮素利用率

由表4可知,隨著牛糞物料配施比例的增加,M2、M3和M4處理的水稻氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率均呈現先升高后下降的趨勢。當50%牛糞物料配施化肥時(M3),氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率最大,分別為7.84 kg/kg、39.48%、13.59 kg/kg和57.67%,較30%牛糞物料配施處理分別提高了5.95%、30.73%、3.35%和1.49個百分點；繼續增加牛糞物料的配施比例,水稻的氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率均呈現降低趨勢,差異顯著。與單施化肥的M1處理相比,M3處理的氮肥農學利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率分別提高了0.51%、4.06%、0.30%和0.11個百分點。綜合表3和表4可知,在等氮量替代下,50%牛糞物料配施化肥,在保證水稻產量的同時,可使水稻的氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率得到提升。

表3 牛糞物料配施化肥對水稻生長、產量和氮累積量的影響

表4 牛糞物料配施化肥對水稻氮素利用率的影響

3 討論

3.1 不同處理對水稻田面水氮素濃度的影響

稻田田面水中氮素流失風險與氮素施肥量密切相關,施肥量越多,氮素流失的風險越大[24]。每次施肥后一周內水稻田面水中氮素的動態變化較大,有機肥替代化肥可降低氮肥施用量,從而降低水稻田面水中氮素濃度。張麗娟等[25]認為,氮肥分次施用條件下田面水TN和NH4+-N濃度在每次施肥后1～2 d后達到峰值,NO3--N濃度在施肥后第4天達到峰值。鄭小龍等[24]研究表明,不同施肥處理田面水中TN和NH4+-N濃度在施底肥和追肥后的第2天達到峰值,施肥7 d后田面水中TN和NH4+-N濃度迅速降低至施肥前水平。本研究中水稻田面水TN、NH4+-N和NO3--N濃度在每次施肥2～4 d后達到峰值,之后隨時間推移快速下降,7 d后趨于穩定,說明施肥后一周內水稻田面水中氮素的動態變化較大,是控制稻田氮素流失的最佳時期,這與鄭小龍等[24]的研究結果一致。在追肥后,M2、M3和M4處理的田面水TN、NH4+-N濃度高于單施化肥的M1處理,隨著牛糞替代比例的增加,田面水NH4+-N和NO3--N濃度升高,這與魏靜等[26]的研究結果不同。牛糞物料作為底肥施用后,M2、M3和M4處理均能降低田面水氮素濃度,其中M2處理田面水TN濃度降低幅度最大。因此,50%牛糞替代化肥處理能降低稻田氮素流失風險。

3.2 不同處理對水稻成熟期土壤全氮、堿解氮含量的影響

土壤全氮、堿解氮含量可以體現土壤的供氮能力[27]。王小利等[27]研究發現,牛糞化肥配施處理能顯著提高土壤全氮含量,效果高于單施化肥處理,土壤全氮含量提高33.59%。張雪麗等[28]研究表明,50%有機肥配施化肥能提高0～20 cm土壤全氮含量,效果高于單施化肥處理和單施有機肥處理。張國榮等[29]研究發現,與單施化肥相比,施用有機肥能顯著提高土壤全氮、堿解氮含量。本試驗結果表明,與M0處理相比,牛糞物料配施化肥能提高土壤全氮、堿解氮含量，其中50%牛糞物料配施時,土壤全氮和堿解氮含量最高,高于單施化肥的M1處理,原因是M1處理中化肥氮素施入土壤后易通過淋洗、下滲、氨揮發等方式損失,在土壤中累積量少，而牛糞礦化速率慢,損失少,易在土壤中累積。這與張國榮等[29]的研究結果一致。

3.3 不同處理對水稻產量及氮肥利用率的影響

有機肥中含有大量腐殖質及養分,能滿足水稻生長對養分的需求,改善土壤肥力。但有機肥礦化速度慢,養分釋放緩慢,單施有機肥的增產效果不明顯。當有機肥與化肥配施時,化肥氮能為水稻生長前期提供養分,而有機肥可以滿足水稻生長后期對養分的需求,提高水稻的氮肥利用率,促進農作物增產[30-33]。魏靜等[26]通過盆栽試驗發現：有機肥與化肥配施處理與單施化肥處理相比,水稻籽粒產量、氮肥農學效率、氮肥吸收利用率和氮肥偏生產力顯著提高；當有機肥與化肥按1∶1配施時,水稻籽粒產量、氮肥農學效率和氮肥吸收利用率最大；但繼續增加或減少牛糞替代量均不利于水稻產量和氮肥利用率的提高。本研究結果顯示：在等氮量替代條件下,在50%牛糞物料配施化肥處理中水稻籽粒產量、籽粒氮素累積量、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率最大,顯著高于單施化肥處理；繼續增加牛糞物料的配施比例,水稻籽粒產量、氮肥農學利用率、氮肥偏生產力和氮肥貢獻率會顯著降低。這與前人的研究結果[26]一致。說明在等氮量替代下,50%牛糞物料與化肥配施處理,能保證水稻籽粒產量,促進水稻對氮素的吸收。

4 結論

在等氮量替代下,牛糞物料配施化肥有利于提高水稻對氮素的吸收與利用,增加水稻籽粒氮素累積量,提高水稻產量。牛糞養分釋放慢,與化肥配施在滿足水稻生長前期對養分需求的同時,又能使田面水中氮素濃度維持在較低水平,減輕田面水氮流失風險。在水稻收獲后,牛糞物料配施化肥處理均能提高土壤中氮素累積量,降低氮素的損失。綜合水稻產量和水稻氮肥利用率,利用50%牛糞物料配施化肥既能保證水稻不減產,降低田面水中氮素濃度,還能提高土壤中氮素的累積。