不同腐熟度有機肥對麥玉輪作系統土壤肥力及作物產量的影響

陳方可,張世文,梁玉偉,王維瑞,張 蕾

(1.安徽理工大學地球與環境學院,安徽 淮南 232001;2.北京市土肥工作站,北京 100029;3.北京市耕地建設保護中心,北京 100010)

【研究意義】隨著我國經濟和畜牧業發展,畜禽糞便的處置不當導致較多環境問題。當前我國畜禽糞污年產生量約3.8×109t,綜合利用率為60%左右[1]。畜禽糞污直接還田給生態系統帶來不容忽視的安全風險,糞污中的重金屬、磷素積累于土壤,糞污中的有害微生物大量繁殖[2],抗生素及抗性基因富集土壤[3-4],畜禽糞污已成為農業面源污染的主要來源[5]。有機肥還田既可解決畜禽糞便處理問題還可提高土壤肥力,是我國未來農業發展的重要方向。實行有機肥科學還田,對減少農業面源污染、培肥土壤、提高作物產量均有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有機肥-無機肥配施和單獨施用有機肥改良土壤理化性質和提高作物產量被廣泛關注,如Khaliq等[6]報道,在小麥-大豆種植區的尿素-秸稈聯合施用較單獨施用尿素使土壤容重降低7%～12%,有機質含量增加3%～9%。裴雪霞等[7]研究發現,豬糞替代20%常量化肥或羊糞替代40%常量化肥可明顯增加小麥含水率和產量,增加土壤有機質。陳貴等[8]發現,在同等施用量下,豬糞和牛糞對作物生長、養分吸收及土壤肥力的影響存在較大差異,豬糞對土壤氮、磷、鉀含量的提升效果顯著好于牛糞。李永平等[9]以土壤培肥、玉米增產效果及經濟效益等為標準,比較多種畜禽糞肥的肥效,由高到低依次為雞糞>羊糞>豬糞>牛糞。安娜等[10]研究發現,施用糞肥土壤2.00～0.25 mm大團聚體顯著增加,增幅為35.3%～56.6%;土壤有機碳和胡敏酸碳含量分別增加34.00%～45.50%和72.80%～99.20%,有效態N、P、K含量分別提高63.60%～84.90%、173.00%～222.00%和21.40%～39.20%;施用有機肥能增加土壤碳源[11],從而調節微生物群落結構,增強土壤微生物的代謝活動[12],張雅容等[13]發現,施用有機肥較化肥對黃壤有機碳含量的提升效果明顯,且年增加速率明顯高于化肥處理;劉威等[14]比較了施用不同來源有機肥植煙土壤酶活性的變化,發現生物炭有機肥、植物來源有機肥均可顯著提高土壤脲酶、硝酸還原酶活性;王興松等[15]測定了增施有機肥處理后植煙土壤有益菌群的豐度,發現施用有機肥刺激了土壤有益微生物菌群的生長和繁殖?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究多集中在有機肥對單一作物的土壤增肥效果和產量效應,針對施用不同腐熟度有機肥后麥玉輪作系統土壤的養分變化鮮有研究,且有機肥質量對土壤與作物的影響尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】以順義小麥-玉米輪作區土壤為研究對象,將堆肥過程與施肥過程相結合,研究不同腐熟度有機肥對麥玉輪作土壤肥力、小麥和玉米產量的影響,并通過結構方程模型探討有機肥的質量與土壤肥力、小麥和玉米產量的關系,揭示有機肥質量與土壤肥力的關聯程度,確定有機肥質量評價指標權重,為提升土壤肥力和作物產量提供科學支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年10月至2022年10月連續2年在北京順義區興農天力科技園進行(116°28′ E, 40°18′ N),地處溫帶大陸性季風區,以小麥-玉米輪作為主要耕作模式,土壤類型為砂質壤土,基礎土樣有機質12.21 g/kg,全氮0.79 g/kg,有效磷5.02 mg/kg,速效鉀110.20 mg/kg,pH 7.50。

1.2 不同腐熟度有機肥的制備

采用高溫好氧發酵方法,以牛糞、雞糞、稻殼為堆肥的基本原料,C/N調節為25,水分調節為55%進行條垛式堆肥,堆體長約50 m,堆體底部寬約2 m,高約2 m,堆肥物料共計20 t。堆肥來自北京興農天力農機合作社,采用國際通用的種子發芽指數(Germination index, GI)代表堆肥腐熟程度。當GI值達到50%時,堆肥已基本達到腐熟[16]。在堆肥GI值接近70%時,密集取樣50 kg,用以測試理化性質并繼續堆肥,最終以GI值為70%、100%為節點選擇堆肥產物作為后續試驗的有機肥產品。

1.3 試驗設計

采用完全隨機區組設計,以有機肥無機肥配施的方式設計施肥處理,種植小麥、玉米時,有機肥施用量為10 000 kg/hm2,以施氮、磷、鉀化肥為CK-H處理。每個處理重復3次。種植模式為小麥-玉米輪作。小麥季、玉米季CK-H處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為170、70、70 kg/hm2,不同腐熟度處理GI70、GI100處理的氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥用量分別為145、71、71 kg/hm2,其中70%氮肥在小麥、玉米播種期施入,其余氮肥在小麥拔節期、玉米喇叭口期追施,有機肥撒施前進行磨碎混勻,盡量保證撒施均勻,使用迪爾1204型拖拉機掛拋肥機進行有機肥拋灑。小麥品種為‘農大212’,在2020年、2021年10月下旬播種,次年6月初收獲;玉米品種為‘農大95’,在2021年、2022年6月中旬播種,于當年9月初收獲,2種作物的田間管理一致。

1.4 樣品采集與分析

于2020年10月、2021年6月、2021年10月、2022年6月采集土壤樣品,每個小區用土鉆采用對角取樣法采5點,深度為耕地表層20 cm,混合為一個土樣帶回室內分析。每個小區于小麥、玉米收獲期測產。

有機肥樣品參照《有機肥料(NY/T525—2012)》進行測定。土壤基本理化性質參照《土壤農化分析(第3版)》進行測定,土壤全氮采用凱氏氮法測定;土壤有效磷采用0.5 mol/L碳酸氫鈉浸提-鉬藍比色法測定;土壤有機質采用重鉻酸鉀外加熱法測定;土壤速效鉀采用1 mol/L乙酸銨浸提-火焰光度計法測定;同時做空白對照實驗,測定土樣設置3組重復,測定結果取平均值進行分析。

1.5 數據處理

采用Excel 2019和SPSS 24進行單因素方差分析(ANOVA)和多重比較(LSD),圖表中數據均為平均值±標準差。結構方程模型構建利用Amos Graphics 21.0軟件完成。

2 結果與分析

2.1 不同腐熟度有機肥的差異性

2.1.1 技術指標 從表1可知,不同腐熟度有機肥的養分含量有顯著差異。GI100處理的全氮、全鉀、pH顯著高于GI70處理(P<0.05,下同),全氮是GI70的1.37倍,全鉀是GI70處理的1.77倍,pH為GI70處理的1.29倍。GI70處理的有機質含量、含水率和機械雜質含量顯著高于GI100處理,分別為GI100處理的2.89、1.68、1.29倍。說明,腐熟度高的有機肥營養成分含量更高。

表1 有機肥的技術指標

2.1.2 限量指標 從表2可知,堆肥樣品的重金屬含量無較大差異,全部符合國家規定的商品有機肥農用標準。GI70處理的砷、鎘、鉛含量略微高于GI100處理,除兩者鉻、汞含量未檢出外,重金屬含量并未達到顯著差異(P>0.05,下同)。GI100處理的蛔蟲死亡率顯著高于GI70處理,糞大腸菌群數量顯著低于GI70處理。說明,腐熟度高的有機肥無害化程度優于腐熟度低的有機肥。

表2 有機肥的限量指標比較

2.2 不同腐熟度有機肥對土壤指標的影響

2.2.1 有機質含量變化 從表3可知,小麥第1季收獲期CK-H、GI70、GI100處理土壤有機質含量與播種時相比均上升,GI100處理有機質含量(17.87 g/kg)顯著高于CK-H處理(12.42 g/kg),GI70處理有機質含量(13.93 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著;下茬玉米收獲期CK-H、GI70、GI100處理土壤有機質含量高于CK-H處理,GI70處理有機質含量(19.38 g/kg)顯著高于CK-H處理(13.84 g/kg),GI100處理(18.30 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著(表4)。

表3 不同腐熟度有機肥對小麥土壤肥力的影響

表4 不同腐熟度有機肥對玉米土壤肥力指標的影響

小麥第2季收獲期,GI100處理有機質含量(15.94 g/kg)顯著高于CK-H(12.30 g/kg),GI70處理有機質含量(13.28 g/kg)高于CK-H處理,但差異不顯著。下茬玉米收獲期,GI70、GI100處理土壤有機質含量均高于CK-H處理,分別為20.51、19.35 g/kg,且GI70處理與CK-H處理差異顯著。

小麥-玉米輪作第1年土壤有機質含量較小麥播種時均增加,有機肥處理增加量均高于CK-H,依次為GI70處理(7.17 g/kg)>GI100處理(6.09 g/kg)>CK-H處理(1.63 g/kg)。輪作第2年,CK-H、GI70、GI100處理玉米收獲期土壤有機質含量較小麥第1季播種時均增加,GI70處理的增加量(8.30 g/kg)最大,其次為GI100(7.14 g/kg)、CK-H處理(1.59 g/kg)。

2.2.2 全氮含量變化 在小麥第1季收獲期,GI100處理土壤全氮含量(1.07 g/kg)顯著高于CK-H處理,GI70(0.87 g/kg)相較CK-H有所下降。下茬玉米收獲期,CK-H、GI70、GI100處理無顯著差異,GI100處理土壤全氮含量最高,GI70處理次之,CK-H處理最低。

小麥第2季收獲期處理組全氮含量均顯著高于CK-H處理表現為GI100處理(0.99 g/kg)>GI70處理(0.83 g/kg)>CK-H處理(0.81 g/kg)。下茬玉米收獲期,CK-H、GI70、GI100處理無顯著差異,GI100處理土壤全氮含量最高,GI70處理次之,CK-H處理最低。

輪作第1年,玉米收獲期土壤全氮含量較小麥播種時均增加,表現為GI100處理(1.08 g/kg)>GI70處理(0.92 g/kg)>CK-H處理(0.90 g/kg)。輪作第2年,玉米收獲期耕層土壤全氮含量與第1年小麥播種時比,有機肥腐熟度高的處理組增加量較高,表現為GI100處理(0.43 g/kg)>GI70處理(0.31 g/kg)>CK-H處理(0.15 g/kg),有機肥處理組全氮增加量均高于CK-H。

2.2.3 有效磷含量變化 小麥第1季收獲期,與CK-H處理相比,GI70、GI100處理的土壤有效磷含量均顯著升高,分別為27.52、15.52 mg/kg。下茬玉米收獲期,GI70處理土壤有效磷含量(20.92 mg/kg)顯著高于其他處理組(P<0.05),GI100處理(10.62 mg/kg)次之,CK-H處理最低。

小麥第2季收獲期,施有機肥土壤有效磷含量均高于CK-H處理且差異顯著,表現為GI70處理>GI100處理>CK-H處理。下茬玉米季與小麥季相似,有機肥處理組均高于CK-H處理且差異顯著(P<0.05),表現為GI70處理>GI100處理>CK-H處理(表4)。

輪作第1年,有機肥處理組土壤有機磷含量增加量高于CK-H處理,表現為GI70處理(23.85 mg/kg)>GI100處理(11.13 mg/kg)>CK-H處理(5.48 mg/kg)。輪作第2年,玉米收獲期土壤有效磷含量均增加且與第1年趨勢類似,表現為GI70處理(21.38 mg/kg)>GI100處理(12.27 mg/kg)>CK-H處理(9.87 mg/kg)。

2.2.4 速效鉀含量變化 從表3可知,小麥第1季收獲期,GI70、GI100處理土壤速效鉀含量較CK-H處理均下降,差異不顯著,與播種時相比土壤速效鉀含量均增加;下茬玉米收獲期,所有處理土壤速效鉀含量差異不顯著(表4)。

小麥第2季收獲期,GI70、GI100處理土壤速效鉀含量均低于CK-H處理,GI70處理顯著低于CK-H處理47.74%(P<0.05);下茬玉米收獲期,所有處理土壤速效鉀含量差異不顯著(表4)。

輪作第1年,與小麥播種開始相比,玉米收獲期土壤速效鉀含量表現為CK-H處理(29.35 g/kg)>GI100處理(8.00 g/kg)>GI70處理(-5.14 g/kg)。輪作第2年,玉米收獲期土壤全氮含量與第1年小麥播種時比,CK-H處理增加量較高,表現為CK-H處理(25.26 g/kg)>GI100處理(0.43 g/kg)>GI70處理(-8.03 g/kg)?？傮w看CK-H處理的土壤速效鉀增加量均高于施有機肥處理組。

2.3 不同腐熟度有機肥施用后小麥、玉米籽粒產量變化

從圖1可知,小麥和玉米的產量隨有機肥腐熟度的增加而增加。輪作第1年,與CK-H處理相比,小麥季GI100、GI70處理小麥產量增加17.00%、9.90%,其中GI100與GI70處理的小麥產量差異不顯著,GI100與CK-H處理的差異顯著(P<0.05)。下茬玉米季,GI100處理的玉米產量仍最高,與CK-H處理相比,GI100、GI70處理的小麥產量分別增加11.97%、1.41%,但顯著不差異(圖1-b)。

輪作第2年,與CK-H處理相比,小麥季GI100、GI70處理小麥產量分別增產12.89%、9.59%,且GI100處理較CK-H處理顯著增加(P<0.05)。下茬玉米季期,GI100、GI70處理產量比CK-H處理產量分別增產19.44%、17.17%,均達到顯著水平。

小麥輪作2年后,GI70處理小麥產量較CK-H處理平均增產9.77%,GI100處理小麥產量較CK-H處理平均增產14.82%,表明增施腐熟度高的有機肥是提高小麥產量的關鍵。玉米輪作2年后,GI70處理玉米產量較CK-H平均增產9.39%,GI100處理玉米產量較CK-H平均增產15.75%,表明增施腐熟度高的有機肥是提高玉米產量的關鍵。

2.4 不同腐熟度有機肥對土壤肥力和小麥、玉米產量的調控作用

采用結構方程模型Amos Graphics 21.0構建結構方程模型量化變量之間的因果關系(圖2)。運行結果表明模型與觀測數據的適配度較高,模型整體適配效果較好,模型的路徑見圖2,箭頭上的數值為標準化后的權重系數值,表明正或負影響作用的相對大小,路徑系數的計算參考相關文獻[17,18]。肥力指標可顯著正向影響土壤肥力和小麥、玉米產量,路徑系數為0.75,其中有機肥總鉀含量的因子載荷最大,有機質含量的因子載荷第二,都達到顯著程度,表明二者是影響有機肥肥力的關鍵因素;技術指標可以正向影響土壤肥力和小麥、玉米產量,但未達顯著程度,路徑系數分別為0.13、0.40,其中有機肥腐熟度的因子載荷最大,蛔蟲死亡率、pH的因子載荷達到顯著程度,說明三者對有機肥的質量起到重要作用;重金屬含量對土壤肥力、作物產量的路徑系數分別為-0.61、-0.32,皆為負向影響,砷(As)含量對重金屬含量的因子載荷最大,說明在生產有機肥時要注意控制As的含量。

不同大寫字母表示2021年處理差異顯著,不同小寫字母表示2022年處理差異顯著(P<0.05)。Different capital letters indicate significant difference in treatment in 2021, and different lowercase letters indicate significant difference in treatment in 2022 (P<0.05).

在作物產量要素中,玉米產量的因子載荷最高(0.99),表明玉米對有機肥施用的增產效應最高,土壤肥力要素組成中,土壤全氮的因子載荷最高(0.94),表明土壤全氮對有機肥施用的增肥效應最高。

Pb:鉛;Cd:鎘;As:砷;GI:腐熟度;pH:酸堿度;TN:全氮;TP:全磷;TK:全鉀;OM:有機質;STN:土壤全氮;SAP:土壤有效磷;SAK:土壤速效鉀;SOM:土壤有機質;*表示路徑系數達顯著差異(P<0.05)。Pb: Lead; Cd: Cadmium; As: Arsenic; GI: Degree of maturity; pH: Acidity and alkalinity; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; TK: Total potassium; OM: Organic matter; STN: Total soil nitrogen; SAP: Soil available phosphorus; SAK: Soil available potassium; SOM: Soil organic matter; * shows significantly different path coefficients (P<0.05).

3 討 論

有機肥的氮、磷、鉀含量豐富,是開展種養循環的基礎,前人研究發現,有機肥的原料種類繁多,導致養分不穩定,質量參差不齊[19],黃紹文等[20]通過調查全國主要菜區典型商品有機肥、有機廢棄物后發現,商品有機肥中氮、磷、鉀含量均高于有機廢棄物,有機廢棄物中全磷、有機質含量、C/N和C/P均高于商品有機肥,商品有機肥的EC值遠高于有機廢棄物。同源有機肥的養分差異也較大,王若斐等[21]研究發現,調控不同碳氮比的豬糞、稻殼及蘑菇渣混合物高溫堆肥后,初始C/N為35、25、10的堆肥氮、磷、鉀含量有顯著差異,C/N為35的堆肥氮、磷、鉀含量均高于其他處理組。在堆肥結束后,有機肥的有機質含量降低[22],氮、磷、鉀含量則上升[23]。本研究發現,不同腐熟度有機肥的養分差異較大,腐熟度高的有機肥有機養分含量更高,且蛔蟲死亡率、大腸菌群數更少,可能是因為腐熟度高的有機肥碳源更充足,微生物會更徹底地分解碳源與合成有機質。因此,施用有機肥時要考慮其腐熟度,但也要注意氮、磷養分的平衡,防止過量施用造成土壤氮、磷素積累。pH是評價有機肥腐熟度的一項重要指標[24],本研究表明,GI100處理土壤呈弱堿性,GI70處理土壤呈酸性,與前人研究結果[25]一致,可能是因為在初始C/N一致的情況下,隨著堆肥的進行有機氮分解更徹底。

土壤養分是土壤肥力的內部表征[26],與土壤質量關系密切,與單施化肥相比,施用有機肥能夠改良土壤結構,改善土壤理化性狀、微生物酶活性和微生物環境[27],還能提高土壤CEC值[28]。本研究發現,麥玉輪作區施用有機肥對兩季土壤養分均有一定促進作用,整體上對冬小麥季土壤肥力的提升優于夏玉米季,但隨著麥玉輪作的進行對土壤養分的促進作用減小。這可能是由于本研究僅在冬小麥季將有機肥施入土壤,因此,對夏玉米季的土壤養分促進效果較弱。闞正榮等[29]研究發現,適宜的施炭量可以更好地提高冬小麥產量,對夏玉米產量無顯著影響,甚至表現為減產。李昊昱等[30]研究發現,冬小麥季單季秸稈還田對冬小麥的增產效果更大,本研究表明,與化肥處理相比,施用不同腐熟度的有機肥可活化土壤營養成分和作物產量,并呈隨腐熟度增加產量增加趨勢,這可能是因為有機肥腐熟度不同影響其“補碳”效果,進而引起土壤氮庫容量變化和影響化肥氮的轉化[31]。因此,施用有機肥應首選腐熟度高的有機肥,以減少施用后在土壤中的分解[32]。有機肥對冬小麥的產量提升比夏玉米大,與前人研究結果一致[33],這可能是由于冬小麥季施用有機肥為冬小麥的生長發育提供了充足的養分,而夏玉米季玉米生育期內降水量較多,高于研究區多年平均降水量,較多的降水可能降低有機肥中有機質、速效養分對土壤肥力的有效性,從而使對夏玉米的增產效果減弱,這一點也反映在玉米季土壤速效鉀含量提升不明顯甚至有所下降,說明單施有機肥可能存在鉀素供應不足的問題[34]。

土壤培肥的實質是土壤-有機肥相互作用的結果。研究表明,有機肥分解受有機肥物料性質、土壤性質的共同作用,有機肥自身微生物不足會使微生物分解碳源、氮源的速度降低,提高肥料的緩釋作用,施用有機肥可促進土壤氮素轉化,可為微生物提供基質、養分及適宜的生存環境[35-38]。黃興成等[39]指出,施用有機肥和磷肥可通過維持和提高黃壤性水稻土土壤綜合肥力而間接提升水稻產量,本研究通過結構方程模型發現,有機肥的養分含量和技術指標是土壤培肥、作物增產的主控因子,肥力指標路徑系數分別為0.75、0.94,技術指標分別為0.13、0.40,都表現為正向影響。本研究發現,有機肥腐熟度、pH、蛔蟲死亡率、有機質含量等對作物的影響程度高于對土壤肥力的影響程度,這可能是因為本底土壤的基礎肥力較高,土壤對施肥的響應低于作物對施肥的響應。重金屬影響土壤微生物群的活動,抑制細菌分解有機碳的能力,并會使作物體內細胞膜造成損害,降低產量[40],因此,控制有機肥重金屬含量對作物增產、土壤培肥較重要。夏文建等[41]研究發現,土壤中的重金屬主要由施用有機肥帶入,使土壤全量重金屬含量明顯變化,同時也改變土壤重金屬的有效性,是土壤重金屬污染主要的“源”。一方面,全量重金屬干擾施入土壤的有機肥中有機酸、糖類、酚類及含氮、硫的雜環化合物的分解[42],并通過抑制敏感物種代謝活動改變微生物群落,使土壤酶活性降低[43],進而影響土壤的物質循環,無法維持土壤理化性質、肥力[44];另一方面,重金屬有效性的增加加劇植物的毒性風險。張民等[45]研究發現,土壤重金屬的有效態與有機質和速效磷含量呈顯著正相關,夏文建等[41]研究發現,土壤陽離子交換量和速效磷可能是酸性稻田中重金屬有效態調控的關鍵因子。因此,良好的土壤理化性質和土壤肥力有助于緩解土壤重金屬污染。本研究發現,有機肥中的重金屬對土壤肥力的影響大于對作物產量的影響,路徑系數分別為-0.61、-0.32,說明有機肥中的重金屬主要通過抑制土壤肥力造成作物減產。

As、Cr作為飼料添加劑有抑制病原微生物、促進畜禽生長的作用[46-47]。本研究發現,供試有機肥中As、Cd、Pb、Hg、Cr含量較低,表明其主要來源于有機肥原料或生產環境,而As的因子載荷在5類重金屬種載荷最大,因此需要關注其在生產中的污染。我國目前有機肥重金屬元素限量規定采用的是《有機肥料(NY/T 525—2021)》,分別對As、Cd、Pb、Hg、Cr的限定制定了嚴格標準,但對有機肥中Cu、Zn沒有制定限量標準,可能是因為Cu、Zn是畜禽生長的必需元素,根據《飼料添加劑安全使用規范》(農業農村部公告第2625號),Cu和Zn均有推薦添加量及最高允許限量,因此,有必要制定商品有機肥中Cu、Zn等的限量標準。

4 結 論

100%腐熟度有機肥與70%腐熟度有機肥相比,營養成分、無害化程度更高,重金屬含量更低。在小麥-玉米輪作區,施用100%腐熟度的有機肥能夠保證土壤養分的有效供給,實現小麥、玉米的穩定增產。結構方程模型進一步表明,有機肥的肥力指標、技術指標、重金屬含量是影響土壤肥力、作物產量的關鍵因素。因此,應從有機肥的肥力指標、技術指標、重金屬含量考慮,采取相應的措施提高有機肥的質量,從而提升麥玉輪作系統的土壤肥力和作物產量。