沼液化肥配施对旱地红壤花生养分吸收分配和产量的影响

郑学博,樊剑波,崔　键,徐　磊,祝振,周　静,3,4①

(1.中国科学院南京土壤研究所,江苏 南京　210008;2.中国科学院大学,北京　100049;3.国家红壤改良工程技术研究中心/ 中国科学院红壤生态实验站,江西 鹰潭　335211;4.江西省科学院生物资源研究所,江西 南昌　330029)



沼液化肥配施对旱地红壤花生养分吸收分配和产量的影响

(1.中国科学院南京土壤研究所,江苏 南京210008;2.中国科学院大学,北京100049;3.国家红壤改良工程技术研究中心/ 中国科学院红壤生态实验站,江西 鹰潭335211;4.江西省科学院生物资源研究所,江西 南昌330029)

摘要：为明确最佳沼液化肥配施比例下旱地红壤花生产量、各生育期生物量积累变化规律及其对氮、磷养分吸收的规律，通过田间定位试验研究了相同N-P2O5-K2O(120-90-135 kg·hm(-2))施用量条件下，不同沼液还田量(以总氮计)对花生各生育期生物量积累，氮、磷养分吸收以及产量的影响。结果表明，沼液还田处理产量较不施肥和单施化肥分别显著增加44.50%～55.70%和10.80%～19.40%，当沼液还田比例(以总氮计)达30% 时产量最高，为3 588 kg·hm(-2)。相关分析发现沼液还田量(以总氮计,x)与花生产量(y)呈极显著相关，回归方程为y=-1.136 5x2+59.112x+2 988.3(R2=0.98, P<0.01)。当沼液还田比例(以总氮计)达30% 时，开花期、结荚期和收获期生物量积累较其他处理分别增加7.29%～56.69%、11.24%～100.44%和9.33%～62.17%；氮积累量分别增加16.58%～77.53%、4.99%～113.74%和1.81%～58.58% ；磷积累量分别增加4.99%～113.74%、3.06%～127.18%和12.56%～62.17%。同时，该处理收获期籽粒中全氮、全磷积累量占总生物量总氮、总磷积累量的比例较其他处理分别提高3.27%～23.89%和2.72%～19.34%。可见，沼液还田比例(以总氮计)达30%时，一方面提高了开花期、结荚期和收获期植株对土壤中速效氮、磷的吸收，另一方面促进了收获期植株所吸收氮、磷向籽粒中的转移。因此，30%的沼液还田比例(以总氮计)显著提高了花生产量、各生育期生物量积累和植株对土壤中氮、磷的吸收利用，适宜在旱地红壤花生产区推广。

关键词：沼液；化肥；产量；生物量；氮、磷吸收积累；肥料利用效率

近年来,沼气工程发展迅速,一方面解决了规模化畜禽养殖场废弃物造成的环境污染和可再生能源的迫切需要问题[1],另一方面带来了严重的厌氧发酵副产物(沼液和沼渣)处理问题[2]。沼液的无序排放可导致水体严重富营养化[3-4],如何处理已经成为当前水环境保护中的关键问题。沼液是人畜粪便、作物秸秆等各种有机物厌氧发酵后的液体残余物,不仅N、P、K等作物必需元素丰富,而且含有大量微量元素、腐殖酸、生长激素和有机质等[5],被认为是一种肥效缓速兼备的优质液体有机肥而广泛应用于果树、养鱼和农作物种植等[6]。

红壤作为我国热带、亚热带地区的主要土壤类型,有机质含量低,质地黏重,酸度高,土壤性质具有特异性[7];同时为了盲目追求高产量,红壤地区大量无序使用化肥,进一步导致肥料利用率下降,农业生态系统养分循环和平衡失调,加剧了旱地红壤养分贫瘠化及肥力衰减过程[8]。因此,寻求合理的施肥方式和肥料结构来提高旱地红壤生产力、肥料利用率和作物产量已成为红壤地区亟需解决的现实问题。

为此,笔者通过分析我国红壤地区不同沼液还田量(以总氮计)对花生各生育期干物质积累量,氮、磷养分吸收积累特征和产量的影响来确定适于该地区的最佳沼液化肥配施比例,从而为旱地红壤生产力可持续发展、沼液资源化利用提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

试验于2013年4—8月在江西省余江县刘家站鲁王村(28°12′ N,116°05′ E)进行。该地属亚热带湿润季风区,年平均气温 18 ℃,年平均降雨量1 750 mm,80%的降雨集中在3—6月,年平均蒸发量1 350 mm,无霜期267 d。试验田为旱地,前茬作物为花生,种植制度为单季花生。

试验设置5个处理,随机区组设计,每个处理3次重复,各小区面积为12.4 m×4.8 m(约60 m2),小区间田埂宽50 cm,高50 cm,保护行20 cm。供试土壤为第四纪红色黏土发育的典型红壤。试验地播种前0～20 cm土壤pH值为4.94〔m(土)∶m(水)=1∶2.5〕,w(有机质)为12.15 g·kg-1,w(全氮)为0.83 g·kg-1,w(碱解氮)为35.54 mg·kg-1,w(速效磷)为15.41 mg·kg-1,w(速效钾)为169.21 mg·kg-1。

1.2试验设计

各试验处理为:不施肥(CK)、单施氮磷钾肥(NPK);氮磷钾肥+15%沼液(沼液TN占全部肥料TN含量的15%,BS15);氮磷钾肥+30%沼液(沼液TN占全部肥料TN含量的30%,BS30);氮磷钾肥+45%沼液(沼液TN占全部肥料TN含量的45%,BS45)。各处理N、P2O5和K2O施用量均为120、90和135 kg·hm-2(CK除外)。

氮肥为尿素〔w(N)为46%〕,磷肥为钙镁磷肥〔w(P2O5)为12%〕,钾肥为氯化钾〔w(K2O)为 60%〕,沼液发酵原材料主要是猪粪尿,发酵时间3个月以上至透明无明显粪臭味,pH值为 7.67。沼液养分含量为:ρ(有机碳)为163 mg·L-1,ρ(全氮)为281 mg·L-1,ρ(全磷)为54 mg·L-1,ρ(全钾)为188 mg·L-1,ρ(腐殖酸碳)为88 mg·L-1。

所有肥料全部基施,播种前2 d浇灌沼液,尿素、钙镁磷肥、氯化钾于播种前1 d分2次翻耕施入。试种品种为赣花1号,种植密度为14万株·hm-2,于4月15日播种,8月10日收获,作物生长期间不再进行追肥。

1.3分析方法

1.3.1植株样品采集

采样时期:花生出苗期、开花期、结荚期和收获期。

采样方法:各小区随机取样5株,洗净风干后分成茎秆(含根系)、籽粒后分别称质量,105 ℃杀青30 min,75 ℃烘至恒重后第2次称质量,磨细过0.25 mm 孔径筛,供分析测定用。籽粒产量根据籽粒含水量折算。茎干(含根系)生物量根据茎秆(含根系)含水量折算。部分茎干(含根系)和籽粒用浓H2SO4-HClO4消化后,凯氏定氮法测全氮,钼锑抗比色法测全磷[9]。同时收获期进行单株饱果、秕果计数和株高测量。

试验所考察的各生育期生物量,氮、磷吸收积累量和肥料利用效率含地上和地下部分。各生育期生物量、籽粒产量以烘干质量计算。

1.3.2计算方法

采用邹娟等[10]和曲晶晶等[11]的计算方法来表征肥料利用效率,具体计算公式为

E=(U-U0)F×100。

(1)

式(1)中,E为N或P2O5肥的表观利用率,反映作物对施入的N或P2O5肥的回收效率,%;U和U0分别为施和不施N或P2O5肥作物收获期TN或P2O5吸收量,kg·hm-2;F为TN或P2O5投入量,kg·hm-2。

A=Y-Y0/F。

(2)

式(2)中,A为N或P2O5肥的农学效率,反映施N或P2O5量增加的籽粒产量,kg·kg-1；Y和Y0分别为施和不施N或P2O5肥的籽粒产量,kg·hm-2。

P=(Y-Y0)/(U-U0)。

(3)

式(3)中,P为N或P2O5肥的生理利用率,反映作物地上部每吸收单位N或P2O5肥中所获得籽粒产量的增加量,kg·kg-1。

F=Y/F。

(4)

式(4)中,F为N或P2O5肥的偏生产力,反映施单位N或P2O5肥获得的籽粒产量,kg·kg-1。

R=A(A+B)×100。

(5)

式(5)中,R为单株饱果率,%;A和B分别为每株花生的饱果数和秕果数。

1.3.3数据处理

数据采用Excel 2007软件处理，采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)。差异显著性分析采用Duncan新复极差方法,显著性水平P<0.05。

2结果与分析

2.1各生育期生物量的动态变化

出苗期,沼液化肥配施处理(BS15、BS30和BS45)生物量较CK和NPK处理显著增加,增幅分别为16.64%～55.03%和11.99%～48.84%。开花期,BS15、BS30处理生物量显著高于CK、NPK和BS45处理(图1)。结荚期,BS30处理生物量显著高于CK、NPK、BS15和BS45 处理,增幅分别为100.38%、11.23%、17.26%和13.73%。BS15、BS45处理与NPK处理间生物量无显著差异。收获期,沼液化肥配施处理(BS15和BS30)较CK和NPK处理生物量显著增加48.22%～62.16%和9.38%～19.66%。出苗期、开花期、结荚期(仅BS30)和收获期沼液化肥配施处理生物量较NPK处理分别增加12.00%～48.80%、0.01%～8.20%、11.24%和4.13%～19.67%,其中BS30处理增幅最大。可见,与CK和NPK相比,沼液还田显著促进花生各生育期生物量。

同一组直方柱上方英文小写字母不同表示同一生育期各处理间

2.2沼液还田对籽粒产量及其构成因子的影响

由图2可知,沼液化肥配施处理(BS15、BS30和BS45)籽粒产量较CK和NPK处理分别显著提高44.50%～55.70%和10.80%～19.40%。对沼液还田量(以TN计，x)与籽粒产量(y)进行相关性分析，发现两者之间呈极显著相关,y=-1.136 5x2+59.112x+2 988.3(R2=0.98,P<0.01)。因此,沼液还田量越大,籽粒产量越高，且沼液还田比例(以TN计)为26%时可获得最大籽粒产量。

直方柱上方英文小写字母不同表示各处理间

沼液化肥配施处理(BS15、BS30和BS45)株高和饱果率显著高于CK处理,与NPK处理无显著差异。沼液化肥配施处理单株饱果数较CK和NPK处理显著提高26.32%～31.58%和26.32%～31.58%,百粒重增加9.12%～42.37%和-1.66%～84.26%(表1)。

表1沼液还田对花生株高及产量构成因子的影响

Table 1Effects of biogas slurry application on plant height and peanut yield composition

处理株高/cm单株饱果数/株-1百粒重/g饱果率/%CK38.17±3.70b19±1b40.31±2.16c75.8±3.4bNPK50.89±2.30a19±0b52.93±2.31ab89.2±0.4aBS1550.92±0.63a24±1a54.72±3.00ab89.7±9.5aBS3051.67±2.47a24±3a57.39±2.57a91.2±4.8aBS4549.64±1.75a25±4a52.05±1.30b88.6±2.3a

同一列数据后英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。

2.3沼液还田对花生氮、磷吸收积累的影响

作物养分积累与其生物量积累间关系密切,养分积累是生物量积累和作物产量形成的基础[10]。表2显示,出苗期氮积累量从大到小依次为BS45、BS15、BS30、NPK和CK,BS15、BS45处理显著高于NPK处理。磷积累量从大到小依次为NPK、BS45、BS15、BS30和CK,沼液化肥配施处理与NPK处理间无显著差异。开花期沼液化肥配施处理氮积累量较NPK处理提高8.97%～31.58%,而磷积累量无显著差异。结荚期BS30处理茎秆(含根系)氮积累量较其他处理显著提高63.30%～201.18%,磷积累量显著提高50.10%～263.13%。同时,沼液化肥配施处理籽粒氮、磷积累量均显著低于NPK处理。收获期茎秆(含根系)氮积累量从大到小依次为BS45、BS15、NPK、BS30和CK,沼液化肥配施处理与NPK处理间无显著差异。籽粒氮积累量从大到小依次为BS30、BS15、BS45、NPK和CK,BS30处理显著高于其他处理,其籽粒总氮积累量占总生物量总氮积累量的72.6%。茎秆(含根系)磷积累量从大到小依次为NPK、BS45、BS30、BS15和CK。籽粒磷积累量从大到小依次为BS30、BS15、BS45、NPK和CK,BS30处理显著高于其他处理。

表2沼液还田对花生各生育期茎秆(含根系)和籽粒氮、磷积累的影响

Table 2Effects of biogas slurry application on N and P accumulation in shoots, roots and grains of peanut relative to growth stage

kg·hm-2

同一生育期同一列数据后英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)。1)含根系。

可见,沼液还田比例为30%时,一方面促进了花生各生育期,特别是结荚期和收获期植株对土壤中可利用氮、磷的吸收。另一方面促进了收获期植株所吸收氮、磷向籽粒中的转移,从而减少了氮、磷在茎秆(含根系)中的残留,提高了氮、磷肥的利用效率。这与王文博等[2]的研究结果一致。

2.4沼液还田对氮、磷肥利用效率的影响

由表3可知，沼液化肥配施处理(BS15、BS30和BS45)氮肥表观利用率较NPK处理显著提高33.82%～60.06%；BS15和BS45处理磷肥表观利用率较NPK处理分别降低41.13%和31.63%,而BS30处理较NPK处理提高41.20%。沼液化肥配施处理N、P2O5农学效率较NPK处理分别显著提高72.80%～114.24%和26.98%～58.85%。N生理利用率从大到小依次为BS15、BS30、NPK和BS45。P2O5生理效率从大到小依次为BS15、BS45、BS30和NPK。沼液化肥配施处理氮肥偏生产力较NPK处理显著提高10.83%～19.42%,磷肥偏生产力显著提高10.80%～19.37%。两者均表现出随沼液还田量的增加呈先增高后降低趋势,但不同沼液还田量处理之间无显著差异。

表3沼液还田对氮、磷肥利用效率的影响

Table 3Effects of biogas slurry applicationon N and P fertilizer recovery rates

处理肥料表观利用率/%肥料农学效率/(kg·kg-1)肥料生理利用率/(kg·kg-1)肥料偏生产力/(kg·kg-1)NP2O5NP2O5NP2O5NP2O5NPK38.73±12.52b15.80±7.54ab3.23±0.58c5.93±0.79c8.33±1.51b63.15±11.43c16.53±1.61b22.04±2.15bBS1558.51±3.53a9.30±1.34b6.42±0.45a9.28±1.22a10.97±0.77a228.54±30.00a19.63±0.48a26.17±0.65aBS3061.99±12.54a22.31±4.61a6.92±0.06a9.42±0.17a10.29±0.18a96.73±1.73c19.74±0.56a26.31±0.74aBS4551.83±18.56a10.80±5.11ab5.58±0.05b7.53±0.06b7.11±0.06b159.63±1.36b18.32±0.38a24.42±0.51a

同一列数据后英文小写字母不同表示各处理间某指标差异显著(P<0.05)

3讨论

作为我国南方地区重要的农业土壤,红壤生产力不足的问题尤为突出,表现为“酸、黏、板、瘦”,不利于作物高产、稳产和优质生产[12-14]。增施有机肥是土壤培肥的重要途径[15]。张鹏等[16]研究表明黄绵土长期施用有机肥可提高土壤养分、酶活性、水分利用效率和冬小麦产量(较不施有机肥增产11.51%～35.05%)。徐明岗等[17]研究发现化肥有机肥配合施用能提高水稻产量(较单施化肥增产68%)和肥料表观利用率。该试验中沼液还田比例为15%～45%时,花生籽粒产量较单施氮磷钾肥增产10.8%～19.4%，主要是因为沼液中速效养分含量大,既含N、P、K等元素,又含氨基酸、水解酶和植物激素等[18],农田施用可显著改善土壤环境,调节土壤水、肥、气、热,促进土壤生态环境良性循环,进而促进作物增产[19-20]，且作物水分利用效率和底墒利用率显著提高[21]。但并非沼液还田量越多,作物籽粒产量越高。唐微等[20]研究发现沼液还田量为11.25～18.75 t·hm-2时,稻谷产量较常规化肥增产6.78%～9.93%。该研究则发现沼液还田量与花生籽粒产量间呈极显著相关。当沼液还田比例达到26%(31.59 kg·hm-2)时可获得最大花生籽粒产量。

有机肥施用对肥料利用效率的影响研究较多。但有机肥类型多样,笔者关注的是猪粪尿等厌氧发酵后的液体残余物与化肥配合施用对我国南方旱地红壤花生产量、生物量积累和氮、磷积累以及肥料利用效率的影响,这是与已有研究的重要区别。单施化肥难以维持农田土壤养分平衡,而化肥用量过高将导致肥料利用效率下降[22]。张福锁等[21]发现目前条件下中国粮食作物水稻、小麦和玉米的氮肥农学效率分别为10.4、8.0和9.8 kg·kg-1,氮肥表观利用率分别为28.3%、28.2%和26.1%。邹娟等[10]研究发现冬油菜氮肥表观利用率、农学效率、生理利用率和氮肥偏生产力分别为34.6%、6.2、18.5和14.7 kg·kg-1。该研究则发现沼液还田比例为15%～45%时,氮肥表观利用率、农学效率、生理利用率和偏生产力分别为51.83%～61.99%、5.58～6.92 kg·kg-1、7.11～10.97 kg·kg-1和18.32～19.74 kg·kg-1,其中氮肥表观利用率高于中国粮食作物和冬油菜平均水平,而氮肥农学效率则降低;另一方面,沼液化肥配施处理较单施化肥处理促进了氮、磷肥农学效率、生理利用率(BS45除外)和偏生产力，可能原因是沼液中有机质含量丰富,还田后较易形成大的土壤团聚体,且能通过提高土壤阳离子交换量来增强土壤对阳离子的吸附,可有效控制土壤营养元素的淋失,从而显著降低淋溶损失和地表氮磷径流损失[22-23],而这部分养分又可在植物生长过程中不断释放供植物吸收利用,同时沼液还田处理花生生物量增加,增强了植株对养分的吸收能力,从而提高了氮、磷养分的有效性和肥料利用效率。

4结论

(1)沼液化肥配施显著提高了花生各生育期生物量。沼液还田比例为30%时，开花期、结荚期和收获期生物量较其他处理分别显著提高7.24%～56.86%、11.23%～100.38%和9.40%～62.16%。

(2)沼液化肥配施较CK显著增产44.50%～55.70%,较NPK处理显著增产10.80%～19.40%。沼液还田量(x)与花生籽粒产量(y)间呈极显著相关,回归方程为y=-1.136 5x2+59.112x+2 988.3(R2=0.98,P<0.01)。

(3)沼液还田比例为30%时促进了花生植株对土壤中速效氮、磷的吸收累积,同时显著促进了植株所吸收氮、磷向籽粒中的转移。

(4)当前生产条件下,沼液还田较NPK处理显著提高旱地红壤地区花生的氮、磷表观利用率(51.83%～61.99%和9.30%～22.31%)、农学效率(5.58～6.92和7.53～9.42 kg·kg-1)、生理利用率(7.11～10.97和96.73～228.54 kg·kg-1)和偏生产力(18.32～19.74 和24.42～26.31 kg·kg-1),其中沼液还田比例为30%时综合效果最佳。

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(责任编辑： 陈昕)

Effects of Biogas Slurry and Chemical Fertilizer Application on N and P Uptake and Distribution and Yield of Peanut.

(1.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3.National Engineering Research and Technology Center for Red Soil Improvement, Red Soil Ecological Experiment Station, Chinese Academy of Sciences, Yingtan 335211, China;4.Institute of Biology Resource, Jiangxi Academy of Sciences, Nanchang 330029, China)

Abstract:Biogas slurry (BS), derived from pig dung and urine, was applied in a upland field of red soil in Yujiang of Jiangxi in a field experiment to explore effects of BS on yield, biomass and N, P accumulation at each growth stage, as well as fertilizer recovery rate of peanut. All the treatments, except CK,were the same in total N, P2O5 and K2O input(120-90-135 kg·hm(-2)). Results show that the peanut responded significantly in yield to combined application of BS and chemical fertilizer(CF), regardless of rate,with an increment of 44.50%-55.70% and 10.80%-19.40% as compared to CK and Treatment NPK, respectively. And Treatment BS30 was the highest in yield, reaching 3 588 kg·hm(-2). Correlation analysis reveals that the relationship between yield(y) and BS input(x) fitted the equation of y=-1.136 5x2+59.112x+2 988.3(R2=0.98, P<0.01). Treatment BS30 was 7.29%-56.69%, 11.24%-100.44% and 9.33%-62.17% higher in plant biomass accumulation, 16.58%-77.53%, 4.99%-113.74% and 1.81%-58.58% higher in plant N accumulation and 4.99%-113.74%, 3.06%-127.18% and 12.56%-62.17%, higher in plant P accumulation than all the other treatments at the flowering, pod-bearing and harvesting stages, respectively. Besides, Treatment BS30 was 3.27%-23.89% and 2.72%-19.34%, too, in ratio of total N and total P in grains to total biomass N and P. Obviously, when biogas slurry is applied at 30% of the total N input, the crop will take up more readily available N and P from the soil at the flowering, pod-bearing and harvesting stages, while transporting more plant-absorbed N and P to grains. So the practice will significantly increase yield of the peanut crop and N and P recovery rates of the plants at various growth stages. It is, therefore, held that the practice is worth popularizing in red soil areas for peanut production.

Key words:biogas slurry;chemical fertilizer;yield;biomass accumulation;N, P accumulation;fertilizer recovery rate

作者简介：郑学博(1985—),男,山东寿光人,博士生,主要从事土壤肥力和农业废弃物资源化利用研究。 E-mail: xbzheng@issas.ac.cn

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.02.025

中图分类号：S141.9

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)02-0332-06

通信作者①E-mail: zhoujing@issas.ac.cn

基金项目：农业公益性行业科研专项(201203050);国家自然科学基金青年基金(31201690);赣鄱英才555工程;国家科技支撑计划(2015BAD05B01,2012BAD05B04)

收稿日期：2015-05-25