石寧 李彥 宮志遠 孫澤強 劉盛林



摘要:設施菜田施用有機糞肥是改善土壤質量的重要手段,但是常年持續過量施用糞肥極易造成土壤氮磷的累積和淋失。本研究在持續施用鴨糞和牛糞5年以上的設施大棚中,分析施用兩種糞肥在作物生長過程中對土壤氮、磷累積轉化和遷移的影響,可為今后設施菜田科學施用糞肥提供理論依據。通過篩選長期施用鴨糞和牛糞的設施大棚,在作物苗期、初果期、盛果期和拉秧期按照20 cm一層采集0~100 cm土壤剖面樣品,研究其不同土層氮、磷累積和遷移的變化規律,以及表層土壤氮、磷轉化規律。結果表明,持續施用鴨糞和牛糞5年以上的設施菜田中,氮、磷在不同土層中均出現累積,兩種糞肥處理下氮素在不同土層中均以向下遷移為主,牛糞處理速效磷在60 cm以下土層中仍以累積為主,而鴨糞處理以向下遷移為主;表層土壤C/N受生育時期影響顯著,且與土壤Olsen-P、微生物量磷顯著正相關,土壤硝態氮和微生物量碳極顯著正相關。鴨糞和牛糞持續施用5年以上的設施菜田土壤硝態氮的累積深度已在100 cm以下土層中;60 cm土層是養分遷移敏感層,持續施用鴨糞更易使Olsen-P在60 cm以上土層中達到飽和并發生淋溶;微生物量磷的周轉主要受有機碳和氮素含量的影響,牛糞相對于鴨糞更有利于微生物量碳氮的周轉。
關鍵詞:糞肥;設施菜田;氮;磷;遷移;轉換
中圖分類號:S141:S625.5+4? 文獻標識號:A? 文章編號:1001-4942(2020)11-0001-08
Effects of Continuous Application of Duck Manure and
Cow Manure on Transformation and Migration of Soil Nitrogen
and Phosphorus in Shandong Greenhouse Vegetable Fields
Shi Ning, Li Yan, Gong Zhiyuan, Sun Zeqiang, Liu Shenglin
(Institute of Agricultural Resources and Environment, Shandong Academy of
Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Agro-Environment of Huanghe-Huaihe-Haihe Plain,
Ministry of Agriculture and Rural Affairs/Shandong Provincial Key Laboratory of Agricultural
Non-Point Source Pollution Control and Prevention/Scientific Observing and Experimental Station of
Arable Land Conservation (Shandong), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Jinan 250100, China)
Abstract The application of organic manure in vegetable fields is very important for improving soil quality, while excessive manure application for years easily caused soil nitrogen (N) and phosphorus (P) accumulation and leaching. In this study, the application effects of duck manure and cow manure on accumulation and migration of soil N and P during crop growth period were analyzed in a greenhouse with continuous application of the two kinds of manure for more than 5 years, which would provide a theoretical basis for scientific application of manure in vegetable fields in future. The greenhouse with long-term application of duck manure and cow manure was screened out, and every 20-cm soil sample from 0~100-cm layers was collected at seedling stage, initial fruiting stage, full fruiting stage and harvest stage. The N and P accumulation and migration in different soil layers were also analyzed, as well as the transformation in topsoil. The soil N and P were accumulated in different soil layers in the greenhouse vegetable field with continuous application of the two kinds of manure for more than 5 years. The N mainly migrated downward in the soil layers of 0~100 cm under the two kinds of manure treatments; the Olsen-P mainly accumulated below the 60-cm soil layer under cow manure treatment, but migrated under the duck manure treatment. The C/N value in topsoil was significantly affected by growth periods, and positively correlated with soil Olsen-P and MBP. The soil nitrate nitrogen was significantly positively correlated with MBC. The accumulation of nitrate nitrogen in the vegetable field soil with duck manure and cow manure for more than 5 years had occurred below 100-cm soil layer. The 60-cm soil layer was a sensitive layer for nutrient migration, and continuous application of duck manure was more likely to make Olsen-P reach saturation and leaching in the soil layers above 60 cm. The MBP turnover was mainly affected by organic carbon and N content, and cow manure was more favorable for MBC and MBN turnover than duck manure.
Keywords Manure; Greenhouse vegetable field; Nitrogen; Phosphorus; Migration; Transformation
隨著我國畜禽養殖業的迅速發展,每年產生的畜禽糞尿數量以及其包含的養分資源對減少化肥施用并保證糧食安全具有重要意義。據統計,2015年中國畜禽糞尿數量為31.584億t,其中養分資源總量分別達到氮 (N) 1 478.0萬t、磷(P2O5) 901.0萬t和鉀 (K2O) 1 453.9萬t[1]。宋大利等[1]認為,在理論上,畜禽糞尿全還田的情況下可以分別減少化肥氮、磷、鉀施用量的37.3%、87.6%和65.9%。所以,畜禽糞尿作為主要農業廢棄物之一存在巨大的潛在發展空間。
畜禽糞尿回田是其養分資源高效循環利用的途徑之一。適宜的糞肥施用量不僅能夠降低化肥投入,節約生產成本,還能提升土壤質量,促進土壤水穩性團聚體的形成,改善土壤肥力[2, 3],提升作物產量和品質[4]。歐盟農業政策規定,糞肥的年施氮標準為170 kg/hm2,超過標準施用量則容易對農田和水環境產生污染[5, 6]。而在我國集約化設施菜田中,糞肥投入的養分達到了400~800 kg/hm2,占總施肥量的一半以上[7, 8]。糞肥的養分釋放在時效上存在延緩[9],長期過量施用更容易造成氮的累積并產生潛在的環境風險[10-12]。通過對不同來源糞便腐解過程研究表明,反芻動物糞便在腐解過程中產生的水溶性有機化合物顯著高于非反芻動物糞便[13],而高C/N比值的有機糞肥可以通過調節土壤C/N,降低土壤氮素的淋失[14]。
山東是設施蔬菜生產的重要省份,蔬菜生產過程中畜禽糞便的施用不可避免,在淄博臨淄區主要以鴨糞和牛糞施用最為普遍。大多數農戶在施用畜禽糞肥時往往只采用單一種類糞肥,且持續多年過量施用,極易造成土壤養分過量累積和流失等環境問題,而蔬菜清潔生產、生態健康持續發展已經成為設施農業發展的瓶頸。
針對目前設施蔬菜生產中普遍存在的單一糞肥種類過量且常年持續施用造成土壤養分嚴重累積,本試驗以牛糞和鴨糞為例,在種植年限、生產背景以及管理水平等相似的大棚中,研究持續投入一種有機糞肥在作物生長過程中對土壤碳、氮、磷養分的轉換以及累積遷移的影響,為尋求設施菜田糞肥合理科學持續的施用提供理論依據。
1 材料與方法
1.1 試驗概況及樣品采集
山東省淄博市臨淄區淄博東科蔬菜專業合作社成立于2009年,建有蔬菜大棚70余座(36°52′27.55″N,118°24′11.81″E)。該區屬北溫帶大陸性氣候,年均降水量650~800 mm,年均氣溫13.2℃。當地土壤類型為褐土。分別選擇長期施用鴨糞和牛糞的設施大棚。園區內蔬菜生產安全管理嚴格,遵循統一種苗,統一供化肥,統一檢測、銷售和技術指導。施用兩種糞肥大棚土壤背景養分含量見表1。
本研究中,大棚長寬為105 m×14 m。常年種植長茬西葫蘆,株、行距分別為0.5、0.4 m,種植密度為26 000株/hm2。種植時間為2016年10月20日至2017年5月25日。糞肥均以干基計,鴨糞有機質(OM)含量平均為43.9%,N-P-K=139-1.60-1.13;牛糞OM為86.2%,N-P-K=1.18-0.60-0.98。鴨糞和牛糞施用量相同,平均約為40 t/hm2,作基肥一次性施入。根據兩種糞肥養分含量差異,分別采用尿素(含N 46%)和過磷酸鈣(含P2O5 12%)將牛糞氮磷含量補足并與糞肥同時施入?;视珊献魃缃y一調配,基追比為1∶[KG-*2/3]3,采用配方沖施肥(N-P2O5-K2O=10-4-11,山東淄博東科肥業有限公司生產),種植季總化肥養分投入為375 kg/hm2(N)、150 kg/hm2(P2O5)和410 kg/hm2(K2O),追施時間分別為11月19日、12月13日、1月17日、2月22日、3月20日和4月25日。
分別于西葫蘆苗期、初果期、盛果期和拉秧期在每個大棚中取5鉆土壤制備混合樣,按照20 cm一層分別采集0~100 cm土體土壤。所有大棚灌水統一使用膜下滴灌方式,西葫蘆整個生育期共灌溉7次。每次采集樣品均在追肥前1~2天。
1.2 測定方法
采集的鮮土樣用2 mol/L KCl溶液(土水比1∶5)浸提,并通過氮素連續流動分析儀(TRAACS 2000, Bran and Luebbe, Norderstedt, Germany)測定硝態氮;土壤速效磷(Olsen-P)采用0.5 mol/L NaHCO3(pH=8.5)浸提-鉬銻抗比色法測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀-濃硫酸氧化(外加熱法)、硫酸亞鐵溶液滴定法測定[15]。0~20 cm土層鮮土樣,一部分過2 mm篩后于4℃保存,測定土壤微生物量碳(MBC)、微生物量氮(MBN)和微生物量磷(MBP)。MBC和MBN采用氯仿熏蒸-K2SO4提取法測定,換算系數均為0.45,MBP采用氯仿熏蒸-NaHCO3提取法測定,換算系數為0.4。
1.3 數據分析
采用Microsoft Excel 2007進行數據處理和繪圖;采用SPSS 20.0軟件進行方差分析,多重比較采用LSD法,顯著性差異水平為0.05。土壤C/N和C/P分別采用土壤含碳量和全氮的比值以及和土壤速效磷的比值。
相對累積速率(relative nutrient accumulation rate)計算公式為:
其中,N1 和 N2分別表示在第一次收獲時(T1)和第二次收獲時(T2)土壤中的養分含量。
2 結果與分析
2.1 土壤硝態氮和速效磷含量的變化
土壤速效氮磷表征土壤供應氮磷的強度,當持續向土壤施用大量有機無機養分時,極易造成農業面源污染,此時,速效養分也是養分淋溶流最直接的指標。由圖1A看出,苗期兩種糞肥處理0~100 cm土體中硝態氮含量較高,且隨著土層加深呈現先降低后升高的趨勢。0~20 cm土層中,牛糞處理土壤硝態氮含量為43 mg/kg,顯著高于鴨糞處理(32 mg/kg),但在20~80 cm土層中,鴨糞處理的硝態氮含量均高于牛糞處理,40~60 cm土層達到顯著水平,80~100 cm深層土壤中鴨糞處理硝態氮含量高達38 mg/kg。與苗期相比,拉秧期0~100 cm土體中硝態氮含量整體下降,鴨糞處理在0~20 cm表層中只有18 mg/kg,但在整個土體中,鴨糞處理硝態氮含量均高于牛糞處理,并在20~40 cm和 40~60 cm土層達到顯著水平(圖1B)。
西葫蘆苗期,兩種有機肥處理的土壤Olsen-P含量在0~20 cm表層均達到500 mg/kg,隨著土層加深,速效磷含量逐漸降低;在整個土體中,鴨糞處理速效磷含量均高于牛糞處理,并在40~60 cm和80~100 cm土層達到顯著水平,在80~100 cm土層鴨糞處理為73 mg/kg,牛糞處理為50 mg/kg(圖1C)。與苗期相比,拉秧期兩個有機肥處理速效磷含量在0~20 cm和20~40 cm土層均顯著降低,但在40~60 cm及60 cm以下深層土中,速效磷含量和苗期相比均有所增加。在80~100 cm土層,牛糞處理達到81 mg/kg,比苗期增加62%;并且牛糞處理在40 cm以下土層中速效磷含量均高于鴨糞處理,在60~80 cm和80~100 cm土層達到顯著水平(圖1D)。2.2 土壤硝態氮和速效磷在不同土層中的相對累積速率
由圖2A看出,牛糞和鴨糞處理0~100 cm土體中硝態氮的相對累積速率均為負值,說明在西葫蘆整個生育期中硝態氮在每層土中均主要以向下層運移為主,累積發生已經延伸到深層土壤。在60 cm以上土層中,牛糞處理的硝態氮向下運移的速率大于鴨糞處理,80~100 cm的深層土壤中,鴨糞處理硝態氮運移速率明顯大于牛糞處理,60~80 cm土層中兩個處理硝態氮的運移速率相似。
土壤Olsen-P在不同土層中的相對累積和遷移速率變化與硝態氮完全不同。從圖2B中可以發現,鴨糞處理Olsen-P在0~100 cm土體中均以向下運移為主,其相對累積速率均為負值,隨著土層加深呈先快后慢的規律;牛糞處理Olsen-P在60 cm以上土層主要以向下運移為主,在60 cm以下土層中主要以累積為主。
由圖3A看出,兩種有機肥處理0~20 cm土壤C/N值均隨作物生育時期呈先升高后降低的趨勢。苗期,鴨糞和牛糞處理C/N值分別為8.14和8.73;初果期達到峰值,分別為15.57和15.61;拉秧期,C/N值又降至7.49和8.09。由圖3B看出,兩種有機肥處理C/P值在生育期后期均稍有提高,但都未達顯著水平。鴨糞和牛糞處理前3個時期C/P值平均分別為47.21和52.58,拉秧期C/P值分別為53.79和57.72,分別提高13.9%和9.8%。
通過分析0~20 cm土層MBC、MBN和MBP含量在不同生育期的變化發現,兩種有機肥處理的土壤MBC和MBN含量均隨著生育期進程呈逐漸降低趨勢。苗期鴨糞和牛糞處理MBC分別達到172.30 mg/kg和219.56 mg/kg,拉秧期分別降低為22.55 mg/kg和54.67 mg/kg,牛糞處理MBC在整個生育期均高于鴨糞處理,除拉秧期都未達到顯著水平(圖4A)。鴨糞和牛糞處理的MBN含量在苗期和初果期含量均較高,兩個時期的平均含量分別為17.43 mg/kg和18.82 mg/kg,作物生長后期MBN降低,在拉秧期分別為13.61 mg/kg和8.33 mg/kg(圖4B)。土壤MBP隨作物生育期呈現先升高后降低的變化趨勢,苗期兩種糞肥處理MBP含量僅在50 mg/kg左右,初果期和盛果期鴨糞和牛糞MBP含量升高,在120~185 mg/kg之間,拉秧期MBP降至60 mg/kg左右(圖4C)。
對表層土壤不同取樣時期各指標之間的相關性進行分析發現,土壤MBP與C/N極顯著相關、與Olsen-P顯著相關,MBN與土壤Olsen-P、MBC顯著相關,MBC與土壤NO-3-N、Olsen-P極顯著相關,而Olsen-P與土壤C/N顯著相關(表2)。
3 討論
3.1 施用鴨糞、牛糞對設施菜田土壤環境及氮、磷遷移的影響
鴨糞和牛糞對硝態氮和Olsen-P在不同土層中的累積和遷移差異顯著。長期施用兩種糞肥導致硝態氮在0~100 cm土層中已達到飽和狀態,由于作物根系生長吸收、追肥以及灌溉等原因造成在不同生育時期,個別土層中硝態氮含量在兩種糞肥處理下會有差異,但是在整個生育期0~100 cm土體中硝態氮的相對累積均以向下遷移為主。說明兩種糞肥在持續施用5年以上的設施菜田0~100 cm土體中的硝態氮含量已基本穩定,氮淋失造成的損失以及對地下水安全的威脅會越明顯。
長期施用兩種糞肥均導致土壤速效磷在0~100 cm土體中大量累積,但是受根系生長范圍的影響,60 cm土層一般是農田土壤養分淋溶的敏感層[7,16],60 cm以上土層中Olsen-P含量均達到100 mg/kg以上,且以向下遷移為主,而在60 cm以下深層中,鴨糞處理仍以遷移為主,牛糞處理卻以累積為主,Olsen-P含量顯著高于鴨糞處理。糞肥中磷素多是無機態磷[17],其中有機態磷也多以可溶態或膠體態存在,能明顯提高磷在土壤中的遷移性,并增加磷的淋溶強度[18-20]。另外,非反芻動物糞肥磷含量一般是反芻動物糞肥的3~5倍[21],所以鴨糞中磷素含量高于牛糞,長期施用鴨糞較牛糞更容易使土壤Olsen-P達到飽和并發生淋溶,這和肖輝等[22]的研究結果一致,非反芻動物更能增加土壤Olsen-P的累積量和淋溶量。
3.2 施用鴨糞、牛糞對土壤碳、氮、磷周轉的影響
長期施用牛糞和鴨糞的土壤表層MBC含量雖然無顯著差異,但是牛糞處理MBC周轉量在不同時期均高于鴨糞處理。有機糞肥的投入會導致土壤有機碳含量及土壤碳氮比出現差異并刺激微生物活性,影響微生物量,尤其是微生物量碳含量[9,23-27]。隨著可利用有機碳的逐漸分解和減少,氮養分濃度逐漸成為微生物量周轉的限制因素[28],土壤MBC和MBN容量逐漸減少,土壤硝態氮含量也隨之降低。但是由于牛糞處理經過反芻消化吸收養分,氮、磷養分含量較鴨糞處理低,所以牛糞處理土壤C/N和C/P都略高于鴨糞處理,因此長期施用牛糞可顯著增加土壤微生物碳含量[26, 29]。
大田土壤速效磷含量普遍較低,所以土壤MBP的周轉量主要受土壤Olsen-P含量的影響[30],但是設施菜田土壤由于長期施用有機糞肥導致速效磷累積,Olsen-P濃度上升,充足的速效磷已經不能成為作物生長和微生物磷周轉的主要限制因素,所以在有機肥投入初期,有機碳是微生物競爭的主要對象,隨著有機碳的不斷消耗,氮素和磷素的釋放與消耗,MBN和MBP也逐漸增加,MBP和土壤C/N呈顯著相關,硝態氮和MBC相關性也達到極顯著水平。隨著氮素的快速流失,氮素逐漸成為土壤微生物周轉新的制約因素,土壤微生物量均降低,因此在生長后期,硝態氮成為了微生物量和土壤養分周轉的關鍵因素。
3.3 有機糞肥的科學利用潛力
畜禽養殖業的迅速發展,規模化比例快速提升,導致畜禽糞便產生量日益增加,對土壤和水體環境產生的威脅也日益突出[31]。Kamaa等[32]在長期定位試驗中發現,長期施用糞肥比施用玉米秸稈更能提高土壤真菌的多樣性。如果畜禽糞便的養分資源可以合理返還農田,不僅會大量減少化肥投入,還能有效改善土壤質量、減輕環境壓力[33]。楊泳冰等[34]研究表明,如果用有機肥替代化肥,全球氣候變暖潛力、水體富營養化潛力和環境酸化潛力都將分別降低17.5%、52.9%和62.6%。雖然從肥料化角度分析畜禽糞便資源化利用率高達60%以上[35],但是畜禽糞便普遍C/N較低,投入土壤后養分釋放快速,在短期內容易造成養分過量累積并發生淋失。另外,在畜禽養殖過程中,飼料中經常會過量添加含Cu、Zn和含量較少的As、Cd、Cr、Pb和Hg的添加劑,以及四環素、氯霉素、磺胺類等抗生素以防止畜禽疾病、促進畜禽生長等[36,37],而飼料中的重金屬和抗生素絕大部分會隨著畜禽糞便排出體外[38],長期施用重金屬和抗生素含量超標的畜禽糞便必然導致農田土壤污染。所以,如何科學安全地利用畜禽糞便是未來農業發展首要考慮的問題之一。
4 結論
長期持續施用鴨糞和牛糞兩種有機糞肥,土壤速效氮、磷均出現嚴重累積,對深層土壤和地下水安全產生了嚴重威脅:①鴨糞和牛糞持續施用5年以上的設施菜田0~100 cm土體中硝態氮含量維持穩定,深層土壤硝態氮累積和遷移加劇;②設施菜田60 cm土層是養分遷移敏感層,持續施用鴨糞更易使Olsen-P在60 cm以上土層中達到飽和并發生淋溶;③在長期施用鴨糞和牛糞的設施菜田中,微生物量磷的周轉主要受有機碳和氮素含量的影響,牛糞相對于鴨糞更有利于微生物量碳氮的周轉。
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