华北平原小麦—玉米轮作对奶牛粪肥的消纳能力研究*

李贵春，王利伟，卢琳琳，杨晓梅，何翠翠，尹昌斌※

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京　100081；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部面源污染控制重点实验室，北京　100081；3.中国野生动物保护协会，北京　100714)



·中日合作项目——“北方农业循环型系统设计与评价”专栏·

华北平原小麦—玉米轮作对奶牛粪肥的消纳能力研究*

李贵春1，王利伟2，卢琳琳3，杨晓梅2，何翠翠2，尹昌斌2※

(1.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所/农业部农业环境重点实验室，北京100081；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部面源污染控制重点实验室，北京100081；3.中国野生动物保护协会，北京100714)

0　引言

1　材料与方法

1.1研究区概况

试验地位于河北省徐水县留村乡荆塘铺村(37.8°N，114.7°E，海拔50.1m)，该地属暖温带半湿润半干旱季风气候，年平均太阳辐射总量为546.5 kJ/cm2，年平均气温12.2℃，无霜期200 d左右，全年平均降水量536.8 mm。土壤为褐土，质地为轻壤土，供试土壤理化性状见表1。供试小麦为保麦9号。复合肥为撒可富(N： P： K含量22： 8： 10)，粪肥由附近的奶牛养殖基地的牛粪沤制而成，其含氮量为22.86g/kg，含水量为60.43%。

表1　供试土壤理化性状

有机质(g/kg)全氮(g/kg)全磷(g/kg)全钾(g/kg)容重(g/cm3)硝态氮(mg/kg)速效磷(mg/kg)速效钾(mg/kg)17.11.00.918.11.324.27.3111.0

1.2定位试验设计

试验于2010年6月布设，属于定位试验。小区面积20m2(4m×5m)，小区间用塑料布隔开，地下埋深80cm，地上20cm。试验设置6个处理， 3次重复，共计18个试验小区，不同处理的小区按随机排列。6个处理依次表示为CK、NPK、M30、M60、M120和M240。CK代表空白处理，不施肥； NPK代表常规施肥处理，化肥氮施用量为395 kg/hm2； M代表粪肥； M30、M60、M120和M240粪肥氮(折纯量)施用量依次为158、315、630和1 260 kg/hm2。奶牛粪肥做底肥，单施粪肥各处理仅在秋季施用1次； NPK处理按当地习惯施肥，小麦、玉米季各追肥1次。小麦秸秆按当地习惯粉碎还田。

1.3样品采集与处理方法

土壤样品采集于2010年6月和2012年6月和10月的小麦收获后或玉米收获后，小麦玉米产量测定分别于2011和2012年的6月和10月。表层土壤土样采集深度为20cm，采用两点混合取均匀混合样。土壤剖面深度为200cm，也采用两点取均匀混合样，每20cm取一个样，共采集10个深度样品。土壤采回实验室及时浸提以供测定硝态氮和铵态氮之用，未能及时浸提的土样放入-20℃冰箱中冷冻保存，然后再进行浸提。浸提过的土样采取室内风干、研磨、过筛制备成样品，以备实验测定。

1.4测定方法

土壤硝态氮和铵态氮均采用0.01 mol/L CaCl2浸提，多通道流动分析仪测定。土壤有机质、全氮和速效磷分别采用铬酸钾容量法、半微量开氏法和钼锑抗比色法。

1.5数据处理方法

数据分析采用数理统计中的方差分析，主要应用SPSS 统计软件和EXCEL完成。差异显著性采用 LSD法，显著性水平为P<0.01和P<0.05。

2　结果与分析

2.1对小麦籽粒生产的影响

从小麦产量数据(表2)分析，不同施肥模式下小麦籽粒产量均出现显著性差异(P<0.05)，一些处理间也出现了差异极显著(P<0.01)。2011年小麦籽粒产量NPK、M30、M60与M240处理间出现显著性差异。2012年NPK、M120、M240与M30间出现显著性差异，且M240与CK、M30差异性极显著。单施牛粪处理两次的小麦产量都是随着牛粪施用量增加而增产，当粪肥氮量增加到630 kg/hm2，小麦籽粒产量高于当地习惯施肥处理。当单施粪肥氮量不足315 kg/hm2时会造成小麦籽粒产量大幅减产。两次产量数据对比分析， 2012年M60、M120、M240小麦籽粒产量均较上年明显增产，且随着粪肥量增加小麦产量增幅下降。由此可见，当单施粪肥氮超过630 kg/hm2后可以实现小麦较理想的增产效果。

表2　小麦籽粒产量

项目2011年籽粒(t/hm2)2012年籽粒(t/hm2)2011年较NPK增产(%)2012年较NPK增产(%)2012年较2011年增产(%)CK2.62c2.49cC-51.4-63.7-4.8NPK5.38b6.87aAB27.6M305.17b5.02bB-4.0-27.0-2.9M605.10b6.26abAB-5.3-8.922.7M1206.35ab6.92aAB18.00.89.0M2406.92a7.51aA28.59.38.6 注:小写字母代表各处理在P<0.05水平上的差异显著性;大写字母各处理在P<0.01水平上的差异显著性

从小麦秸秆产量(表3)分析， 2011年NPK、M30、M60，M120与M240相互间均出现显著性差异。2012年CK、NPK与M240间均出现显著性差异，且M240与M60、M30、CK出现极显著性差异。2011年单施粪肥处理小麦秸秆产量均高于NPK处理， 2012年M120和M240秸秆产量高于NPK处理。从两年秸秆产量对比分析，当单施粪肥氮量不足315 kg/hm2时，小麦秸秆产量较上年减产； 当粪肥氮量增加到630 kg/hm2以上时，小麦秸秆产量较上年增加，地上部分生物量生长较好。

表3　小麦秸秆产量

项目2011年秸秆(t/hm2)2012年秸秆(t/hm2)2011年较NPK增产(%)2012年较NPK增产(%)2012年较2011年增产(%)CK3.55d4.03dC-43.2-47.613.6NPK6.25c7.71bcAB23.3M306.75c6.26cBC8.0-18.7-7.2M607.23c6.84bcBC15.7-11.2-5.4M1207.92b8.76abAB26.713.710.7M2409.32a9.85aA49.127.85.7 注:小写字母代表各处理在P<0.05水平上的差异显著性;大写字母各处理在P<0.01水平上的差异显著性

表4　2012年玉米籽粒及其秸秆产量

项目玉米籽粒(kg/hm2)玉米秸秆(kg/hm2)籽粒较NPK增产(%)籽粒较NPK增产(%)CK4.90cC3.20cC-32.9-33.3NPK7.30bB4.80bBM306.80bB4.60bB-6.9-4.2M607.20bB4.60bB-1.4-4.2M1208.90aA6.10aA21.927.1M2408.90aA6.30aA21.931.3 注:小写字母代表各处理在P<0.05水平上的差异显著性;大写字母各处理在P<0.01水平上的差异显著性

2.2对下茬玉米生产的影响

不同粪肥施用量对下茬玉米籽粒及其秸秆生产产生重要影响，且M120、M240与M60、M30和NPK处理间出现极显著性差异(表4)。M120和M240处理玉米籽粒及其秸秆产量均高于NPK处理。随着粪肥施用量增加，玉米籽粒及其秸秆产量均增加，当粪肥氮量增加到630 kg/hm2以上时，玉米籽粒与秸秆产量较NPK处理有显著提高。说明在冬小麦高量施用粪肥，在不补充养分的条件下，仍然可以满足后茬玉米营养生长与生殖生长的养分需求，大幅提高玉米产量。

2.3对土壤肥力的影响

(1)对土壤有机质含量的影响

在试验初期，土壤中各处理的有机质含量较一致。随着试验的进行，土壤中有机质的含量发生明显变化，粪肥各处理有机质含量升高38.02%～129.02%。粪肥处理对土壤有机质含量提升效果显著，粪肥施用量越大土壤有机质含量升高幅度越高。

(2)对土壤全氮含量的影响

在2010年试验初期，各处理土壤全氮含量基本相同。经过两年的不同施肥处理后土壤全氮含量差异较大。CK处理全氮含量没有变化； NPK处理全氮含量提高10.43%； 单施粪肥处理施入粪肥氮量不足315kg/hm2，土壤全氮没有明显提高或者出现减少； 单施粪肥处理施入粪肥氮量630kg/hm2以上，土壤全氮含量显著增加； 当粪肥氮量达到1260kg/hm2时，土壤全氮含量提高了37.58%。说明单施粪肥纯氮量在315～630kg/hm2之间某个量时，才能保障土壤全氮含量不降低。

图1　土壤有机质含量　　　　　　　　　　　　　　　图2　土壤全氮含量

(3)对土壤速效磷含量的影响

2010年试验初期各处理土壤速效磷的含量基本相同。通过两年的试验后，粪肥处理对土壤速效磷含量影响很大。粪肥在土壤中改变土壤磷的存在形态，增加土壤粪肥提高土壤有机质含量，使土壤磷活性增加，速效磷含量提高。M30、M60、M120和M240处理土壤速效磷含量依次提高64.78%、72.97%、208.10%和699.83%。粪肥可以提高土壤有效磷的含量，且随着粪肥施入量增加土壤速效磷含量升高。施入粪肥使得土壤磷向活性状态转化，改变了土壤磷库的发展方向，当粪肥施入过量后，有效磷含量进一步增加，将会加重土壤磷向水体流失的威胁[8-9]。

(4)对土壤速效钾含量的影响

在试验初期，土壤速效钾的含量差别较小。试验进行两年后，土壤速效钾的含量出现明显变化。当单施粪肥氮量不足315kg/hm2时，土壤速效钾含量降低； 当粪肥量高于630kg/hm2时，土壤速效钾含量明显升高。这说明当粪肥施入量超过某一个值后，土壤速效钾的活性得以快速的释放出来，提高土壤的养分含量。

图3　土壤速效磷含量　　　　　　　　　　　　　　　　图4　土壤速效钾含量

图5　6月份土壤剖面-N分布曲线　　　　　　　　　图6　10月份土壤剖面分布曲线

图7　6月份累积量　　　　　　　　　　　　　图8　10月份累积量

3　结果与讨论

从粮食和秸秆产量上看，小麦玉米籽粒及其秸秆产量随着粪肥氮量增加而升高； 当奶牛粪肥纯氮量在630kg/hm2及其以上时，小麦、玉米的籽粒、秸秆产量均高出当地习惯施肥的产量； 奶牛粪肥纯氮量在315kg/hm2及其以下时，小麦玉米的产量下降； 当粪肥施氮量达到1260kg/hm2时，小麦玉米秸秆的产量增加幅度大于籽粒的增加幅度，出现营养生长大于生殖生长的现象。连续两年施用粪肥，且保证粮食目标产量的条件下，奶牛粪肥施用量应在315～630 kg/hm2时，农田出现较理想的经济效益。

从改善土壤肥力状况上看，施用粪肥能够显著提高土壤有机质含量； 粪肥纯氮量在315kg/hm2及其以下时，土壤全氮、速效磷、速效钾含量升高不明显； 肥纯氮量在630kg/hm2及其以上时，土壤全氮、速效磷、速效钾含量明显升高。连续两年施用粪肥，在保证粮食产量条件下，奶牛粪肥施用量在315～630 kg/hm2较合理。

粪肥施用量按翻倍增加，在粪肥用量较大的处理间粪肥用量相差较大，因此，研究结果中粪肥较合理的施用量是一个较大阈值，如果做到更准确合理的粪肥施用量，需要增设处理，缩小处理见粪肥施用量值。另外，连续施用粪肥的试验年限较短，随着试验年限的延长，土壤中有机质矿化累积的有机物质持续增加，土壤有机质含量累年增加，粪肥施用量应随着试验年限的延长而降低，直至平稳，以确保农田持续保持较理想的生产能力，获得理想的环境、经济效益。

[1]陈微， 刘丹丽，刘继军，等.基于畜禽粪便养分含量的畜禽承载力研究.动物生产， 2009, 45(1): 46～50

[2]郑建初， 陈留根，甄若宏等.江苏省现代循环农业发展研究.江苏农业学报， 2010, 26(1): 5～8

[3]巨晓棠， 张福锁.中国北方土壤硝态氮的累积及其对环境的影响.生态环境2003, 12(1): 24～28

[4]张维理， 田哲旭．我国北方农用氮肥造成地下水硝酸盐污染的调查．植物营养与肥料学报， 1995, 1(2): 80～87

[5]刘光栋， 吴文良．高产农田生态系统土壤硝态氮淋失动态研究．中国生态农业学报， 2002, 10(4): 71～74

[6]易秀， 薛澄泽．氮肥在搂土中的渗漏污染研究．农业环境保护， 1993, 12(6): 250～253

[7]FRAGSTein P，VON-FRAGSTein P，KRISTENSEN L，et al.Manuring，manuring strategies，catch crops and N-fixation.InLARS KRISTENSEN，CHRISTOPHER STOPES，eds.Nitrogen Leaching in Ecological Agriculture.Bicester：ABA， 1995，287

[8]曹宁， 陈新平，张福锁，等．从土壤肥力变化预测中国未来磷肥需求．土壤学报， 20O7， 44(3)： 536～543

[9]刘树堂， 娩源喜，聃方功，等．长期定位施肥对土壤磷、钾紊动态变化的影响．生态环境， 2003, 12(4): 452～455

[10]JABRO J D，LOTSE E G，SIMMONS K E.Bake field study of macro-pore flow under saturated conditions using a bromide tracer.Journal of Soil and Water Conservation,1991, 46(5): 376～380

[11]谢红梅， 朱波，朱钟麟.无机与有机肥配施麦田(紫色土)铵态氮及硝态氮的时空变异.中国生态农业学报， 2006, 14(1): 118～121

[13]蒋会利， 温晓霞，廖允成.施氯量对冬小麦产量的影响及土壤硝态氮运转特性.植物营养与肥料学报， 2010, 16(1): 237～241

[14]王敬国， 曹一平.土壤氮素转化的环境和生态效应.北京农业大学学报， 1995， 21增刊： 99～103

[15]CANTER L W.Nitrates in groundwater.New YorK：CRC Press Inc.Lewis Publishers， 1997，204

A STUDY ON THE COW MANURE ASSIMILATING CAPACITY OF WHEAT-CORN ROTATION IN NORTH CHINA PLAIN*

Li Guichun1，Wang Liwei2，Lu Linlin3，Yang Xiaomei2，Yin Changbin2※

(1.Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China 2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China；3.China Wildlife Conservation Association， Beijing 100714，China)

Because of the rich nutrients, application of cow manure on soil is of great significance in improving soil nutrients and soil quality, increasing crop yield as well as solving the environmental pollution problem on the farm. This paper designeddifferent fertilization treatments, i.e., CK, NPK, M30, M60, M120 and M240 to study the yield, soil fertility and nitrate surplus. The results showed that after applying cow manure for two consecutive years, the M120, M240 treatments had greater effectson improving the corn and wheat kernel, as well as increasing the straw yield, soil total nitrogen content and available phosphorous content compared with NPK treatment, which indicated that applying manure can improve the content of soil organic matter and available phosphorous. Compared with NPK treatment, the distribution feature of nitrate nitrogen in the depth of 0-200cm soil profile was different in manure application treatments. The content of nitrate nitrogen in the arable layer was higher and lower under the arable layers. The nitrate nitrogen accumulated with the increasing amount of manure application in the soil depth of 0-200cm. In June, the soil depth of 0-200cm nitrate nitrogen accumulationin manure treatment was lower than that in NPK treatment. In October, the nitrate nitrogen accumulation in M240 treatment was higher than that in NPK, which showed that excessive manure application would lead to nitrate nitrogen accumulation.

manure; safe application; environmental load; soil profile;nitrate nitrogen

10.7621/cjarrp.1005-9121.20160710

2016-05-08

李贵春(1978—)，男，山东菏泽人，硕士、助理研究员。研究方向：农业废弃物资源化利用与农田生态系统调控。※通讯作者：尹昌斌(1968—)，男，安徽桐城人，博士、研究员、博士生导师。研究方向：农业经济管理、农业区域发展、农业清洁生产。Email：yinchangbin@caas.cn

S512.1; S513; X713

A

1005-9121[2016]07-0066-08

*资助项目：国家科技重大专项“苕溪流域农村污染治理技术集成与规模化工程示范”(2014ZX07101-012)