不同比例羊糞與化肥配施對土壤質量及甜菜含糖率和效益的影響

趙 霞，趙 蕊，秦嘉海

(1.張掖市耕地質量建設管理站，甘肅 張掖 734000；2.河西學院農業與生態工程學院，甘肅 張掖 734000 )

甘肅省張掖黑河內陸灌區，日照充足，晝夜溫差大，生產的甜菜含糖量高，是甜菜最佳種植生態區。截止2019年甜菜種植面積達到1 500 hm2[1]，經調查，農戶種植的甜菜產量102 t·hm-2，氮磷鉀純投入量為1.39 t·hm-2，而有機肥氮磷鉀純投入量0.25 t·hm-2。長期超量施用化肥導致土壤質量下降，甜菜產量低，品質差[2-14]。

有關肥料對甜菜產量和品質影響的研究報道較多。魏騰飛等[15]研究得出，施用糠醛渣有機碳生態肥與傳統化肥比較，甜菜根體長度、根直徑、單根重和根產量增加 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相關。魏顯珍等[17]研究得出隨著施氮量的增加甜菜氮素生產力與氮肥農學利用效率均呈現出下降的趨勢。曹禹等[18]研究得出限制甜菜產量提高的養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]研究得出適當降低氮素施用比例，有利于提高氮肥利用率，為甜菜整個生長階段提供較為平衡的氮素供應。蘇繼霞等[21]研究得出塊根膨大期和糖分積累期適量補施氮素，塊根品質和產糖量略有增加。費聰等[22]研究得出不施氮素會降低甜菜塊根質量，但對塊根糖質量無明顯影響，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，有利于甜菜產質量增加。張麗娟等[24]研究得出氮素施用量150 kg·hm-2時，可以提高甜菜葉片光合能力，同時達到減氮增效的目的。閆威等[25]研究得出甜菜高產適宜施氮量為128.8 kg·hm-2。鄭毅等[11]研究得出隨著NPK肥施用量的增加，甜菜產量、含糖率和產糖量均呈先升后降的趨勢。

前人的研究主要集中在氮磷鉀化肥和糠醛渣生態肥方面，而不同比例羊糞與化肥配施對土壤質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t的羊糞，目前用于生產有機肥和直接還田的占55%，還有117.96萬t的羊糞隨意堆放在居民點周圍，污染了農村生態環境[26]。經采樣分析，這些羊糞含有機質31.40%，有機碳18.21%，N 0.65%，P2O50.47%，K2O0.23%，而重金屬離子Hg、Cd、Cr、Pb含量均小于國家規定的畜禽糞便含量標準[27]。為了加快羊糞資源化利用進程，本文以羊糞、尿素、磷酸二銨和硫酸鉀為試材，進行了不同比例羊糞與化肥配施對土壤質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利用和甜菜安全生產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況 試驗在甘肅省張掖市甘州區明永鎮甜菜種植基地進行(100°21′45″E，39°01′53″N)，海拔1 453 m，降水量116 mm,蒸發量1 850 mm，氣溫7.50℃，日照時數3 053 h，無霜期160 d。土壤類型是灌淤旱作人為土[28]，試驗地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；有機質、有機碳、有機碳密度、CEC(陽離子交換量)、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、總孔隙度和團聚體1.35 g·cm-3、49.06%和26.11%。土壤質地為壤質土，前茬作物為玉米。

1.1.2 試驗材料 尿素(N 46%)、磷酸二銨(N 18%、P2O546%)、硫酸鉀(K2O 50%)、發酵牛糞(有機質31.40%，有機碳18.21%，N 0.65%，P2O50.47%，K2O 0.53%，粒徑1～20 mm)、畜禽糞便發酵劑(含光合細菌、放線菌、酵母菌、腐霉等菌株，有益活菌數>50×109·g-1，濰坊益昊生物技術有限公司產品)、生物菌肥(有效活菌數≥2.0×109·mL-1，有機碳≥150 g·L-1，含枯草芽孢桿菌和凝結芽孢桿菌，山東大地生物科技有限公司產品)。甜菜品種為HIO-474，瑞士先正達公司選育。

1.2 試驗方法

1.2.1 羊糞發酵方法 2016年6月20日將風干羊糞粉碎過20 mm篩，每立方米羊糞加入畜禽糞便發酵劑2 kg[29-30]，生物菌肥2 000 ml，噴自來水，水分含量達到60%～65%[31]，堆成高2.00 m的梯形，蓋上廢舊塑料薄膜，在塑料薄膜上開直徑3～5 cm小洞若干個，堆在溫室內(室溫28℃～35℃)發酵75 d(間隔35 d搗翻1次)，堆內溫度降到室溫，羊糞出現灰白色菌絲后，在陰涼干燥處自然風干(含水量小于5%)，經室內分析含有機質、有機碳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 試驗處理 2017—2019年依據研究區甜菜種植農戶大田化肥和有機肥習慣施肥量，將化肥和羊糞按照不同比例增減量共設計6個處理。處理1，對照(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、羊糞分別計量后在播種前撒入小區，淺耕翻入20 cm土層后起壟；1/3尿素在甜菜苗期結合灌水追施,剩余2/3尿素在塊根膨大期結合灌水追施，施肥方法為穴施，施肥深度為10 cm。每個處理重復3次，隨機區組排列。各處理肥料具體施肥量見表1。

表1 不同處理施肥量/(t·hm-2)

1.2.3 種植方法 小區面積36 m2( 8 m×4.5 m)，每個小區四周筑埂。播種前將羊糞、磷酸二銨和硫酸鉀撒入小區內，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、生長盛期、塊根膨大期和收獲前各灌水1次，每小區每次灌水量為9 m3，10月6日收獲。

1.2.4 樣品采集 甜菜收獲時每個小區選擇3壟 ,每壟采集5株測定葉叢高度、根體長度、根直徑和單株根重。每個小區單獨收獲，將小區產量折合成公頃產量進行統計分析。連續定點試驗3 a后，2019年10月6日甜菜采收后，分別在試驗小區內按對角線布置5個采樣點，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℃冰箱避光保存測定酶活性，另外1 kg土樣風干過1 mm篩供室內化驗分析，其中土壤容重、團聚體用環刀采集原狀土，未進行風干。

1.2.5 測定指標與方法 土壤容重、總孔隙度和>0.25 mm團聚體測定分別采用環刀法、計算法和干篩法；pH值、陽離子交換量(CEC)、全鹽和有機質測定分別采用酸度計法(水土比5∶1)、乙酸銨—氯化銨法、電導法和重鉻酸鉀氧化—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；有機碳按公式(土壤有機碳=土壤有機質測定值÷1.724)求得[32]；有機碳密度按公式(有機碳密度=土壤有機碳含量(g·kg-1)×土壤容重(g·cm-3)×采樣深度(cm)×0.01)求得；堿解氮、速效磷和速效鉀測定分別采用擴散法、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定分別采用手持式測糖儀和游標卡尺。

1.3 數據分析

差異顯著性采用DPSS 10.0統計軟件分析，多重比較，LSR檢驗法。

2 結果與分析

2.1 羊糞與化肥配施對土壤理化性質及持水量和速效氮磷鉀含量的影響

2.1.1 對土壤物理性質和持水量的影響 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(對照)；孔隙度、團聚體和總持水量為：處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對照)。處理5與處理4比較，容重降低2.44%，孔隙度和團聚體增加1.14、0.65個百分點，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個百分點，總持水量增加3.58%(P>0.05)，團聚體增加1.60個百分點(P<0.05)；與處理2比較，容重降低6.98%，孔隙度和團聚體增加3.40、2.44個百分點,總持水量增加6.63%(P<0.05)；與處理6比較，容重降低10.45%，孔隙度和團聚體增加5.29和5.81個百分點，總持水量增加10.69%(P<0.01)；與處理1(對照)比較，容重降低11.11%，孔隙度和團聚體增加5.66、6.34個百分點，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，促進團聚體形成，提高持水量，處理6(100%化肥)容重、孔隙度、團聚體和持水量無顯著變化(表2)。

表2 羊糞與化肥配施對土壤物理性質的影響

2.1.2 對土壤化學性質的影響 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(對照)；全鹽含量為：處理5<處理4<處理3<處理2<處理1(對照)<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值無顯著變化。

2.1.3 對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 羊糞與化肥配施對土壤化學性質的影響

2.2 羊糞與化肥配施對土壤有機質及有機碳和酶活性的影響

2.2.1 對土壤有機質和有機碳的影響 由表4可知，不同處理土壤有機質及有機碳和有機碳密度為：處理5>處理4>處理3>處理2>處理6>處理1(對照)。處理5與處理4比較，有機質和有機碳增加6.55%和6.57%(P<0.05)，有機碳密度增加4.03%(P>0.05)；與處理3比較，有機質、有機碳和有機碳密度增加14.14%、14.14%和9.55%(P<0.01)；與處理2比較，有機質、有機碳和有機碳密度增加22.54%、22.52%和14.09%(P<0.01)；與處理6比較，有機質、有機碳和有機碳密度增加29.90%、29.93%和16.33%(P<0.01)；與處理1(對照)比較，有機質、有機碳和有機碳密度增加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質、有機碳和有機碳密度，與對照比較處理6(100%化肥)有機質、有機碳和有機碳密度無顯著變化。

2.2.2 對土壤酶活性的影響 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，與對照比較處理6(100%化肥)酶活性無顯著變化。

表4 羊糞與化肥配施對土壤有機碳和酶活性的影響

2.3 羊糞與化肥配施對甜菜性狀及含糖率和經濟效益的影響

2.3.1 對甜菜性狀的影響 由表5可知，不同處理甜菜葉叢高度、根體長度、根直徑、單株根重、根產量均為：處理3>處理2>處理6>處理4>處理5>處理1(對照)。處理3與處理2比較，葉叢高度、根體長度、單株根重和根產量增加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、根體長度、單株根重和根產量增加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、根體長度、根直徑、單株根重和根產量增加9.88%、16.31%、21.22%、10.81%和8.75%(P<0.01)；與處理5比較，葉叢高度、根體長度、根直徑、單株根重和根產量增加13.62%、22.00%、28.54%、17.14%和9.39%(P<0.01)；與處理1(對照)比較，葉叢高度、根體長度、根直徑、單株根重和根產量增加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藝性狀和經濟性狀。

表5 羊糞與化肥配施對甜菜性狀及含糖率和效益的影響

2.3.2 對甜菜含糖率的影響 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(對照)。處理5與處理4比較，含糖率增加0.31個百分點(P>0.05)；與處理3比較，含糖率增加0.76個百分點(P<0.05)；與處理2、處理6和處理1(對照)比較，含糖率增加1.35、2.74和3.47個百分點(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 對經濟效益的影響 由表6可知，不同處理施肥利潤為：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，施肥利潤增加0.07、0.10、0.39、0.46萬元·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濟效益。

表6 羊糞與化肥配施對甜菜效益的影響

3 討論與結論

施用100%羊糞增大了土壤孔隙度，提高了土壤團聚體、持水量、CEC、有機質、有機碳、有機碳密度、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：羊糞將大量的有機質帶入土壤，因而提高了有機質和有機碳含量[35-36]；羊糞使土壤疏松，降低了容重，增大了孔隙度[37]；羊糞中的有機質促進了團聚體的形成[38]；羊糞中的有機質在土壤微生物的作用下合成了腐殖質，腐殖質的吸水率為500%，因而提高了持水量[39]；羊糞的陽離子交換量大，因而增大了CEC[40]；羊糞在分解過程中產生的有機酸降低了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碳含量，酶吸附在有機碳上，為酶創造了良好的生態環境條件，提高了酶的活性[42-45]；羊糞有機質和鉀比較高，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。采用經濟學理論分析表明50%羊糞+50%化肥比其他處理更有利于提高甜菜經濟效益，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，互為補充，持續供給甜菜營養，促進了甜菜的生長發育，提高了其產量和經濟效益。

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，提高了土壤團聚體、持水量、CEC、有機質、有機碳、有機碳密度、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、團聚體、持水量、pH值、有機質、酶活性和甜菜含糖率無顯著變化。將50%羊糞+50%化肥配合施用更有利于提高甜菜經濟效益。在甜菜種植田上，施用100%羊糞改善了土壤理化性質，提高了有機質及酶活性和甜菜含糖率；50%羊糞+50%化肥配合施用，有效提高了甜菜經濟效益，減少了化肥施用量，促進了畜禽糞便資源循環利用，減輕了畜禽糞便對鄉村環境的污染。