有機肥還田對溫帶草甸草原土壤養分的影響

仝宗永，商麗榮，萬里強，何 峰，李向林

(中國農業科學院北京畜牧獸醫研究所，北京100193)

隨著我國畜牧業和奶業的快速發展，規?；图s化牧場不斷增多，大幅提升了我國肉蛋奶等農產品的供給，但同時也暴露出一些難以忽視的環境和社會問題。研究表明，每頭奶牛日產糞尿約60 kg，每頭肉牛日產糞尿約24 kg[1]。據統計，到2020年，全國畜禽養殖廢棄物總量將達到42.44×108t，這是一個巨大的難題和挑戰[2]。集約化生產帶來的大量糞尿排放如果沒有得到有效的處理和利用，隨意堆放或排入水體，會造成水體富營養化、病原菌滋生擴散、產生有害氣體等嚴重的環境問題。為此國家制定了各項治理畜禽廢棄物的法律法規鼓勵和強制規定牧場環境整治和廢棄物的資源化利用，同時鼓勵農民加快轉變施肥方式，深入推進科學施肥，增加有機肥資源利用，走高產高效、優質環保、可持續發展之路，促進糧食增產和生態環境安全。

為了解決相關問題，國內外進行了很多研究，目前公認較好的解決方式是建立種養結合的生態型牧場，將養殖廢棄物進行資源化循環利用，提高資源利用率、肥料利用率和飼料利用率，達到“減量化、無害化、資源化”[3]，減少環境污染，建立環境友好型的新型現代化牧場。對于養殖廢棄物的資源化利用技術，目前較先進的方式是在牧場中引入自動清糞和固液分離系統，固體糞渣生產有機肥和墊料，廢液經過處理用于農業生產。固體糞渣一般通過堆積發酵、制作生物有機肥、制作生物質燃料、牛床墊料等進行利用，廢液經過沼氣池進行發酵或者經過沉降池處理直接還田[4-6]。呼倫貝爾地區草地資源豐富，有大量牧草地可以對牛糞進行消納，一般牛糞會直接發酵，或者固液分離以后，固體做牛床墊料，液體沉降后直接還田，取得較好的經濟和社會效益[7]。但牛糞中含有大量病原菌和有機質，容易造成草地局部“燒苗”現象和水體富營養化等問題。而用生物進行資源化處理后，牛糞可以作為肥料還田，為草地提供養分，但是此過程中的營養元素變化情況較為復雜，很難對廢棄物處理量進行精確控制。

針對該地區的上述問題，本試驗利用呼倫貝爾地區謝爾塔拉第二牧場生產的牛糞，發酵處理后做基質進行種植雙孢蘑菇和養殖蚯蚓，殘渣用來進行生產有機肥[8-11]，并在天然草地上進行施用，研究其在“牛糞-有機肥-土壤-植物”不同界面中的養分轉化過程，為研究養殖廢棄物資源化處理中養分流動和轉化過程提供理論支持。此模式不僅延長了產業鏈，充分利用了牛糞的養分，而且提高了產品附加值，增加了經濟效益，有利于大面積推廣，成為了一種新的循環生態農業的經濟模式。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

供試的養殖廢棄物來自呼倫貝爾謝爾塔拉鎮第二牧場，廢棄物處理和有機肥還田試驗于2018年6月至2019年9月在呼倫貝爾國家草原生態系統野外觀測站內進行，地點位于內蒙古呼倫貝爾市海拉爾區謝爾塔拉鎮東約3 km處(49°32ˊN,119°94ˊE，海拔670 m)，年均溫約為-5 ℃，無霜期95～110 d，年平均降水量為350～400 mm。土壤為黑鈣土或栗鈣土，試驗地本底養分數據為：有機質4.75%，全氮3.11 g/kg，全磷0.68 g/kg，全鉀30.47 g/kg，速效氮0.20 g/kg，速效磷26.17 mg/kg，速效鉀0.22 g/kg，土壤磷素較缺乏，其余養分充足。主要草地類型是溫帶草甸草原，優勢物種有羊草(Leymuschinensis)、貝加爾針茅 (Stipabaicalensis)、冷蒿 (Artemisiafrigida)、線葉菊 (Filifoliumsibiricum)等。

1.2 有機肥來源

供試的有機肥為來自鮮牛糞經過蚯蚓養殖和種植雙孢蘑菇處理得到的蚓肥(QY)和菇渣(JZ)作為原料。雙孢蘑菇菌株為W192，采用全牛糞發酵栽培，輔料為過磷酸鈣、石灰等材料，配比為牛糞95%、過磷酸鈣1.9%、石灰1.1%、碳酸鈣1.0%和石膏1.0%。溫度控制在20-24 ℃，空氣相對濕度控制在85-95%，菇床灌水48 h后進行覆土[9]，發酵培養后蘑菇菌絲較白，質量好，可作為鮮食蘑菇銷售，剩下的菇渣具有顆粒性，透氣性較好，可直接作為肥料使用。另外，鮮牛糞堆積成壟，接種大平2號蚯蚓品種，保持相對濕度為70%，牛糞經過蚯蚓消化道中砂囊的機械研磨和體內一系列酶的消化后，會形成粉末狀，無味道的殘渣[12]，即蚓肥(vermicompost)。

1.3 試驗設計

試驗采用隨機區組試驗設計，試驗包括蚓肥(低l、中m、高h)、菇渣(低l、中m、高h)和不施肥的對照CK，共7個處理，每個處理3次重復。小區面積3×5 m2，小區間設1 m隔離帶，有機肥撒施前進行磨碎混勻，每小區單獨稱重，盡量保證撒施均勻，于2018年6月15日撒施入天然草地，下一年不施肥。

表1 施肥種類和施肥量

1.4 樣品采集和指標測定

連續兩年進行同樣方法的取樣和測定。有機肥樣品為施肥前進行混勻取樣，每個有機肥取100 g，重復3份樣品。植物樣品和土壤樣品同時采集自8月下旬。樣地內隨機選取3個樣方(0.5×0.5 m2)，齊地面剪下地上植物，置于烘箱中65 ℃烘干至恒重，測定植物群落的地上生物量，并放入密封袋進行營養成分測定。用直徑為2.5 cm的土鉆在每個樣地內取0～20 cm土層的土壤共計5鉆，將5鉆土壤均勻混合成1份土樣，帶回實驗室后自然風干后進行粉碎，過2 mm土篩去除雜物后作為樣品。

測定有機肥、土壤和植物樣品中的全效氮磷鉀、速效氮磷鉀及有機質：全氮(TN)和速效氮(AN)采用凱氏定氮法(Kjeltec 1026，瑞典Foss Tecator公司)，全磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法，速效磷(AP)采用0.05 mol/L NaHCO3-鉬銻抗比色法，全鉀(TK)采用氫氧化鈉熔融法，速效鉀(AK)采用NH4OAc浸提法和火焰光度計測定，有機質(OM)的測定采用重鉻酸鉀容量法測定樣品中有機碳(OC)的含量，再乘以常數1.724，即為有機質含量。

1.5 數據分析

所有試驗數據用Microsoft Excel 2010進行初步整理后，用SPSS 19.0軟件進行方差分析，用Duncun法進行多重比較，表中數據以“平均值±標準誤”表示，P<0.05表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 廢棄物資源化處理后的營養成分比較

收集鮮牛糞、菇渣和蚓肥的樣品，混勻后測定其各自的營養成分，各取3次重復，結果如表2。由表2可以看出，鮮牛糞經過種植雙孢蘑菇、養殖蚯蚓處理后，收集蘑菇菇渣和蚯蚓排泄物進行堆肥制作有機肥料，兩種有機肥的速效氮含量顯著增加(P<0.05)，蚓肥中的速效氮是鮮牛糞的5倍；而有機碳、速效磷和速效鉀的含量均大幅降低(P<0.05)，尤其是速效磷的含量，處理之后含量低至0.11 g/kg。

表2 鮮牛糞、菇渣與蚓肥營養成分比較

菇渣中的全氮含量和鮮牛糞基本一致，但是蚓肥中的全氮含量比二者顯著降低(P<0.05)，因此菇渣的碳氮比較鮮牛糞明顯降低(P<0.05)，而蚓肥中的碳氮比則顯著升高(P<0.05)(表2)。而由于速效氮的大幅增加(P<0.05)，兩種肥料的速效氮/全氮也顯著增加(P<0.05)，尤其是蚓肥的速效氮/全氮大幅增加(P<0.05)，由1.09%增加到16.47%。

2.2 有機肥施用對天然草地土壤養分的影響

2018年6月初施用兩種有機肥后，于2018～2019連續兩年在8月底同一時期，對天然草地土壤的0～20 cm土層進行5點取樣后混勻，隨后進行氮、磷、鉀和有機質等營養成分分析(見圖1)。

圖1 不同有機肥處理對土壤養分的影響A. 有機質，B. 速效氮，C.速效磷，D. 速效鉀 注：大寫字母代表2018年的處理比較，小寫字母代表2019年，不同大小寫字母表示差異性顯著(P<0.05).

結果顯示，在0～20 cm層土壤中，全效的氮、磷、鉀元素均沒有顯著性差異(P>0.05)(數據未列出)。但是速效的氮、磷、鉀元素和有機質含量均有不同程度的變化。在2018年各處理中的有機質(OM)含量均沒有顯著性差異(P>0.05)，而在2019年，基本所有肥料處理比對照均有顯著增加(P<0.05)，尤其是JZ-l處理和QY-h處理比對照提高了19.5%和22.5%，達到了63.38 g/kg和65.42 g/kg。

和有機質含量類似，2018年時，處理的速效氮(AN)含量比對照沒有顯著差異(P>0.05)。而在2019年，所有有機肥處理的AN均有大幅度提高，與對照相比，AN均顯著提高了25%以上(P<0.05)，最高的處理QY-h的AN達到了294.79 g/kg。

對于某一年度的速效磷(AP)和速效鉀(AK)的變化規律相同，均是有機肥處理的比對照含量高，尤其是在在兩個高水平處理JZ-h和QY-h處理下較CK差異顯著(P<0.05)。但是兩年度對比來看，AP在2019年的含量較2018年有顯著下降(P<0.05)，而2019年AK含量均高于2018年。

2.3 有機肥對植物地上生物量和氮素滯留量的影響

氮素(N)是組成蛋白質的主要成分，對光合作用和酶促反應有重要作用，對植物莖葉的生長和果實發育影響很大。試驗對樣方中植物的地上生物量(above-ground biomass，AB)和含氮量(TN)也進行了測定(兩年平均值)，并且通過有機肥的含氮量計算出氮素添加量。當草場的地上部分被刈割后，植物中的氮素即被移出，可以計算出土壤中的氮素保持量，即氮素滯留量(N retention, NR)。氮素滯留量是地上生物量維持生長的物質基礎，對生態系統的可持續發展至關重要。有機肥處理的氮素滯留量結果見表3。由表3可見，施用有機肥確實對地上生物量(AB)和植物含氮量有極大的促進作用，菇渣處理中的JZ-m和JZ-h、蚓肥中的QY-h生物量和含氮量為均顯著高于CK(P<0.05)。植株中的含氮量也和肥料中氮添加的多少直接相關，CK中的植株的含氮量僅有1.52%，而菇渣處理可明顯提高植株中的含氮量，其中JZ-h處理的含氮量高達2.49%。而蚓肥中植物吸收利用的氮含量有限，在低水平和中水平處理的含氮量沒有明顯的提高(P>0.05)。

表3 有機肥處理的氮素滯留量

菇渣處理的氮素移出量均顯著高于CK(P<0.05)，其中JZ-h的氮素移出量達到60.78 kg/hm2，而蚓肥中只有QY-h顯著高于CK(P<0.05)。由于有機肥氮素的大量施入，導致氮滯留量比對照大幅增加，最高的滯留量為JZ-h的662.82 kg/hm2，最低是對照的-26.27 kg/hm2。而QY-l的平衡量為60.35 kg/hm2，由于會有部分氮素通過揮發和淋溶作用散失，消耗量基本和輸入量保持平衡。

3 討 論

3.1 有機肥的營養成分

本試驗研究發現，和鮮牛糞相比，養殖蚯蚓消化后的蚓肥中，有機碳(OM)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)的含量均大幅降低，全氮(TN)含量降低但是速效氮(AN)含量升高。前人也研究了相當多蚯蚓處理牛糞之后的營養成分變化，例如柏彥超等研究中新鮮牛糞經蚯蚓消解處理后，蚓肥中的pH、有機質、全氮、全鉀含量均降低，全磷含量上升。速效氮和硝態氮含量占全氮含量的比例比新鮮牛糞的高，速效磷含量占全磷含量的比例比新鮮牛糞的低[13]。相似的是，陸鈺等研究蚓肥中總碳、有機碳、全氮、全鉀含量均低于傳統的牛糞自然堆制物，而全磷、速效磷、速效氮和速效鉀均高于牛糞自然堆制物，其解釋原因為牛糞蚯蚓堆制加快了堆制物礦化速率，提高了堆制物速效養分含量[12]，此類研究較多也支持這一結論[14-16]。而朱曉玲等[17]研究發現，蚯蚓處理牛糞后全氮含量均增加，其解釋為蚯蚓消化使牛糞總質量減少，氮相對含量增加。張艷等[18]發現，蚯蚓處理牛糞后全氮、全磷含量增加，而全鉀和有機質含量明顯下降，可能與其高原地區的環境條件有關。所以以上研究有不少相互矛盾之處，可能與氣候條件，蚯蚓品種，飼養方式等有關。但是基本一致的結論是，蚯蚓處理牛糞后，其有機質(OM)含量下降，但可利用氮(AN)的比重增加，可能是由于牛糞中的含氮物質(如蛋白質)經過蚯蚓體內各種蛋白酶處理，全氮(TN)含量明顯下降，但是可利用的速效氮(AN)卻大幅增加，所以速效氮對全氮的比例(AN/TN)也大幅升高。

而種植雙孢蘑菇后收集的菇渣肥料中，試驗結果發現，同鮮牛糞相比，有機碳(OC)、速效磷(AP)和速效鉀(AK)的含量同蚓肥一致均大幅降低，但是其全氮(TN)含量基本一致，速效氮(AN)含量升高。王胤晨等[19]研究表明，收獲蘑菇后培養料中的氮、磷、鉀含量均下降。由此推測，由于牛糞同相關微生物協同消解或吸收牛糞中的有機質(OM)，其有機質含量下降。而由于微生物的硝化作用，速效氮/全氮(AN/TN)明顯增加，因此蚓肥中的碳氮比(C/N)顯著下降。

3.2 有機肥對土壤改良的作用

本試驗中兩種有機肥施用以后，第二年土壤中的有機質含量均比對照有顯著的增加。尤其是施肥量最高的處理45 t/hm2時效果最為明顯，說明土壤有機質的含量和有機質的輸入量直接相關。有機肥施用對土壤的全效養分無顯著影響，但是對土壤的速效養分有明顯的促進作用，尤其是施肥量高的處理的速效氮磷鉀均比對照有顯著的增加。劉占偉[20]在農田上用牛糞堆肥也在45 t/hm2時對土壤的改良效果最佳，使土壤的有機質、全氮、速效磷、速效鉀等含量均顯著提高。國內有大量的牛糞有機肥還田的研究[21-23]，還有牛糞和蚯蚓糞添加不同比例對土壤肥料的研究[24]，結果均證明有機肥可以顯著提升土壤的有機質含量，各種礦質元素和養分含量均有所增加。

本試驗中第一年各處理的土壤有機質和速效氮、速效鉀沒有顯著變化[25]，第二年各處理均比第一年有顯著的增加，可能是由于有機肥的肥效是緩釋的，需要經過一段時間的分解和微生物作用將養分逐漸釋放出來。但是第二年各個處理的速效磷的含量卻比第一年有顯著的下降，可能是由于有機肥中磷的含量較低，只有0.11 g/kg，同時第二年磷的淋溶作用明顯導致土壤速效磷含量整體下降。

3.3 有機肥對土壤氮滯留量的影響

之前研究表明，施用養殖廢棄物制成的有機肥可以增加天然草地的地上生物量[26]，同時由于補充了大量氮素，也對植株的含氮量有極大的促進作用。試驗中除去刈割植株移走的氮素，土壤中還剩余大量氮素可以利用，氮素也是草地資源可持續發展的重要物質基礎。其中雙孢菇消化后的菇渣有機肥可以極大補充氮素，對天然草地上的氮素滯留量貢獻最大。但是也需要充分利用其氮素資源，防止造成溫室氣體的排放和污染。

4 結 論

牧場廢棄物經過資源化處理后，與新鮮牛糞相比，作為有機肥的蘑菇菇渣和蚓肥中速效氮含量顯著增加，其中蚓肥提高了4倍。而有機碳、速效磷和速效鉀的含量均大幅降低。菇渣中的全氮含量和處理前基本一致，蚓肥中的全氮含量顯著下降了67%。作為有機肥還田時，當菇渣或蚓肥施用量為45 t/hm2時，土壤有機質大約提高20%，速效氮磷鉀的含量均顯著升高，而第二年所有處理的速效磷含量均顯著下降。并且有機肥對草地地上生物量有極大的促進作用，菇渣有機肥可以極大補充氮素，對天然草地上的氮素滯留量貢獻最大，最高可達每公頃663.82 kg。