三种肥力红黏土壤对猪粪安全消纳量初步研究

张迪, 周志高, 王兴祥,3,*



三种肥力红黏土壤对猪粪安全消纳量初步研究

张迪1, 周志高2, 王兴祥2,3,*

1. 南京晓庄学院环境科学学院, 南京 211171 2.中国科学院土壤环境与污染修复重点实验室(南京土壤研究所), 南京 210008 3. 中国江西省红壤生态研究重点实验室, 中国科学院红壤生态实验站, 鹰潭 335211

采用盆栽试验方法, 在自然降雨条件下模拟研究了亚热带红壤丘陵区花生—萝卜轮作体系下三种肥力红壤对猪粪的安全消纳能力。通过监测试验3年间土壤渗漏水硝酸盐迁移淋失, 结合土壤速效磷累积和花生产量变化, 初步确定3种肥力红壤的猪粪安全消纳量。试验结果表明: 常规化肥减半用量下, 从硝态氮淋失以及速效磷积累角度, 低肥力、中肥力和高肥力红壤配施猪粪最大安全用量分别为P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和 P 50 kg·hm–2, 从花生产量角度考虑持续配施猪粪施用量不宜超过P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。综合考虑经济效益和环境效益, 低肥力、中肥力和高肥力红壤配施猪粪的最大安全消纳量分别为P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 50 kg·hm–2。

红壤; 肥力; 猪粪; 消纳量

1 前言

畜禽粪便作为一种优质的有机肥源, 含有大量农作物生长发育需要的养分, 其作为有机肥还田是目前的主要农田利用方式, 然而施用畜禽粪肥在改善土壤结构、增加土壤养分、提高作物产量的同时, 也对土壤环境和周边水体环境产生潜在威胁[1-2], 为避免粪肥还田带来的二次污染问题, 研究农田对畜禽粪肥的安全消纳量具有重要意义。曾鹏宇等从土壤磷素积累角度确定水稻土在稻麦轮作周期内每年施用腐熟猪粪最大量为23 t·hm–2[3]; Lourenzi从作物产量角度估算猪粪安全消纳量, 研究发现种植菜豆的砂壤土年猪粪用量为20 m3·hm–2时, 菜豆籽粒产量最高, 与猪粪年施用量80 m3·hm–2时差异不显著[4]。万大娟等从土壤和地表水环境氮磷累积流失方面估算单季水稻田对猪粪的消纳量为15 t·hm–2[5]。畜禽粪肥的安全消纳量受多种因素影响, 其中土壤肥力是影响其承载力的重要因素。土壤基础肥力不同, 对肥料的利用率、土壤养分的吸收和分配不同, 进而影响作物产量和土壤养分的累积和淋失, 因此有必要研究不同肥力土壤对粪肥的承载力。为明确中亚热带红壤丘陵区三种肥力红黏土红壤猪粪安全消纳量, 本文以花生—萝卜轮作系统为例, 通过研究规模化养殖场猪粪堆肥还田利用对作物产量、土壤和水环境的影响, 在平衡环境效益和经济效益的基础上, 初步估算了低肥力、中肥力和高肥力三种肥力红壤对猪粪最大安全消纳量, 以期为农田合理消纳猪粪提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 试验区域概况

试验设在江西省鹰潭市余江县中国科学院红壤生态实验站, 该实验站位于116°55.30′E, 28°15.20′N, 属于我国亚热带湿润季风气候, 四季分明, 温热多雨, 多年平均气温17.7℃, 无霜期262 天, 干湿季节变化较为明显, 夏秋之间旱情频发, 年降水量1754 mm, 且多集中在3—6月, 降水量占全年总降水量60%, 年蒸发量1318 mm[6]。

2.2 试验设计

供试土壤分别为低肥力、中肥力和高肥力红黏土发育的红壤(表蚀黏化湿润富铁土), 三种肥力红壤均采集于江西省鹰潭市余江县, 按照0—20、20—50 cm土层分别采集, 并测定其常规理化性质(表1), 三种肥力红黏土壤的确定是以有机碳含量为标准。根据田间土壤层次分层将土壤加入塑料桶中, 表层和下层土各装20 cm和30 cm, 填土前在塑料桶底部预留一直径7 mm小孔, 将硅胶管插入以便接收渗漏液, 具体过程详见文献[6]。每年4月播种花生前, 将化肥、猪粪与表层0—20 cm土壤混匀。花生品种为赣花5号, 每盆播种 4颗, 间苗后保留2株, 花生于8月中旬收获; 为增加地面覆盖花生收获后种植填闲作物萝卜, 品种为浙大长萝卜, 每盆播种 7—8粒, 间苗后保留2株, 萝卜在12月初收获, 萝卜收获后至次年3月为休闲期。该试验目前连续进行了3年, 除在每年花生播种前施用基肥外, 花生和萝卜生长期间均不施任何肥料。三种肥力红壤均设立8个不同水平的施肥处理, 每个处理3次重复, 总共72盆。8个施肥处理分别为: 不施肥(CK), 常规施用化肥(CF), 常规化肥减半和猪粪配施(P1—P6)。常规施用化肥用量为: N: 100 kg·hm–2、P: 50 kg·hm–2、K: 100 kg·hm–2, 6个猪粪梯度用量分别为: P1: P 25 kg·hm–2, P2: P 50 kg·hm–2, P3: P 100 kg·hm–2, P4: P 200 kg·hm–2, P5: P 400 kg·hm–2, P6: P 800 kg·hm–2。化肥分别施用尿素(N≥46.4%)、钙镁磷肥(P2O5≥12%)、氯化钾(K2O≥ 60%), 有机肥采用腐熟的猪粪, 含水量69%, 其养分含量平均值分别为(干基): 全磷12.55 g·kg–1, 全氮28.83 g·kg–1, 有机碳305.5 g·kg–1, 铵态氮 269.0 mg·kg–1, 硝态氮 620.4 mg·kg–1。

表1 土壤的基本理化性质

1.3 样品采集及分析方法

1.3.1 样品采集及测定项目

水样: 每次降雨后进行样品采集, 雨季(4—6月)根据淋溶液体积比大约每10天将采集的水样混合成1个样品进行测定, 旱季每月至少取样1次, 样品采集后放在冰箱(4℃)保存以备测定水中NO3–-N浓度。土样: 第三季萝卜收获后采取表层0—20 cm土壤样品, 样品风干后碾碎, 过10目筛测定土壤速效磷含量。作物: 花生自然成熟后人工收获测定每盆(0.1 m2) 产量, 花生荚果自然风干至恒重称量。

1.3.2 分析方法

水样NO3–-N测定采用Smartchem 200全自动间断化学分析仪(AMS-Westco, 意大利); 土壤速效磷采用Olsen 法[7]。

2 结果与分析

2.1 三种肥力红壤硝态氮渗漏淋失特征

先前实验研究已经证实渗漏水铵态氮和总磷淋失量很低, 对浅层地下水环境质量无影响, 具体分析详见文献[6], 因此本文中仅讨论三种肥力红壤硝态氮渗漏淋失情况。以最高施肥处理P6为例, 分析三种肥力红壤渗漏水NO3–-N动态变化趋势, 其它处理变化规律与此类似。从图1可以看出, 3年试验监测期内, 三种肥力红壤渗漏水NO3–-N含量均是在5月份最高, 中肥力和高肥力红壤渗漏水NO3–-N含量均高于20 mg·L–1; 其次是9月份, 但在此时期仅高肥力土壤渗漏水NO3–-N含量高于20 mg·L–1; 休闲期(1月份至3月份)NO3–-N浓度未检出(图中未列出), 对浅层地下水环境质量几乎无影响, 因此这里仅分析不同施肥处理下三种肥力红壤渗漏水NO3–-N在5月份变化情况。

3年监测期内NO3–-N在5月份平均浓度如图2所示, 高量猪粪处理(P4—P6), 三种肥力红壤之间渗漏水NO3–-N浓度呈显著差异(<0.05); 低量猪粪处理(P1—P3), 中肥力和高肥力红壤间差异不显著, 但均显著高于低肥力红壤。渗漏水中硝态氮浓度随猪粪用量增加而增加, 但即使最高猪粪处理(P6), 低肥力红壤渗漏水NO3–-N含量仍低于地下水III类质量标准(硝态氮浓度≤ 20 mg·L–1, GB/T14848—93)。中肥力和高肥力红壤分别在P3和P2猪粪处理渗漏水NO3–-N含量接近或已超过20 mg·L–1。

2.2 三种肥力红壤表层速效磷含量

由于猪粪施用对土壤速效氮积累的影响较小, 而对速效磷的积累量更明显, 具体分析详见文献[6], 因此本文中仅讨论猪粪施用对三种肥力红壤速效磷累积情况。如表2所示, 三种肥力红壤速效磷累积量均随猪粪用量的增加而显著增加。与本底土壤速效磷含量相比, 最高施肥水平下(P6), 低肥力、中肥力和高肥力红壤速效磷累积量分别增加166.7倍、5.95倍和6.65倍。且土壤肥力显著影响速效磷积累, 大部分施肥处理下三种肥力红壤速效磷累积量均呈现显著差异(<0.05)。

图1 三种肥力红壤渗漏水硝态氮含量动态变化

注: 标有不同小写字母表示各肥力间差异显著(P<0.05)。

注: 标有不同小写字母表示各猪粪处理间差异显著(<0.05), 标有不同大写字母表示各肥力间差异显著(<0.05)。

2.3 三种肥力红壤花生产量分析

对施肥3年三种肥力红壤花生产量分析表明(表3),试验第1年, 低肥力红壤花生产量非常低, 各猪粪处理间无显著差异(P1—P6), 且不施肥花生无法生长; 试验第2年和第3年, 花生产量显著增加, 尤其是中高量猪粪处理(P4—P6)。相同施肥处理下, 中肥力和高肥力红壤花生产量随试验年限的变化不显著, 花生产量总体变化趋势是高肥力>中肥力>低肥力。随着猪粪用量的增加中肥力和高肥力红壤花生产量也随之增加, 但在施肥量超过P3水平时花生产量增加不显著。

3 讨论

3.1 土壤肥力对养分累积及淋失影响

土壤肥力不同, 土壤有机碳、氮、磷等养分含量均不同, 在不同的土壤养分背景值下, 作物对养分的吸收和分配的影响不同。周江明等研究指出不同的土壤背景磷条件下, 作物对肥料的利用率不同, 其农学利用率随磷水平的增高而下降, 以中等偏低磷含量的土壤养分利用率高[8]。本试验中低肥力红黏土壤磷含量远低于中高肥力土壤, 作物对肥料的利用率高, 导致土壤中磷增加量少; 而且土壤肥力不同, 土壤有机质含量不同, 有机质可以活化土壤中的磷, 影响土壤中养分的供应状况[9], 因此中高肥力土壤速效磷的积累明显高于低肥力土壤。本试验中高肥力红黏土壤硝态氮淋失显著高于中肥力和低肥力红壤, 主要是由于高肥力土壤本身能够提供较多的养分, 土壤缓冲性能好, 在相同施肥量下, 作物对肥料的施入不敏感, 高肥力土壤对肥料利用率低[10]; 而低肥力土壤由于养分含量低, 肥料的施用大部分用来涵养土壤, 增加土壤肥力, 供给作物生长, 导致土壤中养分的累积远低于高肥力土壤[11], 进而导致土壤养分的迁移淋失较少。而且土壤有机碳含量与氮的循环也密切相关, 其对氮的矿化和固持具有调控作用, 高肥力土壤有机碳含量显著高于低肥力土壤, 有利于异养菌固定土壤速效氮, 导致土壤氮储量的增加[12]。由于土壤氮素有效形态主要是硝态氮, 而淋失的硝态氮大部分来自于土壤相, 施入的肥料有相当一部分可以进入土壤固定相, 在以后的生长季节中逐步释放出来进入土壤溶液而发生淋失[13]。因此, 土壤氮水平较高的高肥力土壤硝酸盐淋失风险更大。

表3 三种肥力红壤花生产量 (g·pot–1)

注: 标有不同小写字母表示各猪粪处理间差异显著(< 0.05), 标有不同大写字母表示各肥力间差异显著(< 0.05) 。

3.2 土壤肥力对花生产量影响

土壤肥力对花生产量影响较大, 对3年花生产量分析发现, 低肥力红壤最高猪粪用量(P 800 kg·hm–2)下花生产量仅相当于中肥力和高肥力红壤猪粪用量为P 50—100 kg·hm–2时花生产量, 说明土壤基础肥力水平是花生获得高产的基础。先前也有类似研究发现土壤肥力与作物产量密切相关, 徐志平等研究表明土壤基础肥力对甘薯产量的平均贡献率达59.13%[14]; 刘彩玲对不同肥力土壤水稻产量研究发现, 土壤基础肥力对水稻产量的贡献率超过70%[15]; 马常宝等通过长期田间定位试验发现, 土壤地力对小麦和玉米产量的平均贡献率达51.4%和54%[16]。土壤肥力影响土壤养分的供应, 直接影响作物对养分的吸收和利用[17]。土壤有机碳含量是衡量土壤基础肥力的主要标准之一, 也是影响作物产量的重要因素, 它不仅含有作物生长发育需要的养分和微量元素[18], 同时能提高土壤酶活性, 加速土壤养分的分解转化[19]。本试验中中肥力和高肥力土壤有机碳含量分别是低肥力土壤的1.31和2.13倍, 因此中高肥力红壤具有较强的养分供应能力, 能够促进花生对养分的吸收。而且由于花生生长发育对磷的需求较高, 中、高肥力红壤速效磷含量较低肥力红壤增加68和77倍, 可能也是导致花生产量较高的原因。

3.3 三种肥力红壤对猪粪安全消纳量分析

从水环境角度考虑, 硝态氮淋溶是影响地下水环境安全的主要因素。以地下水III类质量标准(NO3–-N浓度≤20 mg·L–1, GB/T14848—93)作为风险临界值估算猪粪最大安全消纳量, 分析得出常规化肥减半与猪粪配施时, 猪粪用量分别为P 100 kg·hm–2和P 50kg·hm–2, 中肥力和高肥力红壤渗漏水硝态氮含量接近或超过地下水质量标准; 但即使最高猪粪处理(P 800 kg·hm–2), 低肥力红壤渗漏水NO3–-N含量仍低于地下水质量标准。

从土壤环境角度考虑, 猪粪施用能够引起土壤速效磷的显著积累, 最高施肥水平下(P6)低肥力、中肥力和高肥力红壤速效磷累积量分别增加166.7倍、5.95倍和6.65倍。大量研究表明土壤速效磷含量可以作为磷素渗漏淋失的预警指标[20, 21], 一般认为亚热带红黏土壤旱地速效磷临界值为60 mg·kg–1, 如果以此作为风险临界值, 常规化肥用量减半情况下, 低肥力、中肥力和高肥力红壤猪粪用量应分别为P 800 kg·hm–2、P 200 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。

从作物产量角度考虑, 以花生产量不随猪粪用量的增加而显著增加为估算标准, 确定低肥力、中肥力和高肥力红壤猪粪用量应分别为P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 100 kg·hm–2。

4 结论

猪粪安全消纳量与土壤肥力密切相关。通过对渗漏水硝态氮淋失、土壤速效磷积累和花生产量综合分析, 确定常规化肥用量减半与猪粪配施处理, 低肥力、中肥力和高肥力红壤猪粪最大安全消纳量分别为P 800 kg·hm–2、P 100 kg·hm–2和P 50 kg·hm–2。

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Preliminary research on maximum safe pig manure loading capacity of red soils from three soil fertility levels

ZHANG Di1,*, ZHOU Zhigao2, WANG Xingxiang2,3,*

1.Nanjing Xiaozhuang University, School of Environmental Science, Nanjing 211171,China 2.Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China 3.Jiangxi Key Laboratory of Ecological Research of Red Soil,Experimental Station of Red Soil, Chinese Academy of Sciences,Yingtan 335211, China

A pot experiment under natural rainfall with three red soils of different fertility levels was investigated to estimate the maximum safe pig manure loading capacity in Ecological Experimental Station of Red Soil, Chinese Academy of Sciences.The maximum safe capacity for pig manure application in red clay soil under peanut-radish system was estimated by monitoring the nitrate-N in leachate, the peanut production and the accumulation of nutrients in the soil. The results showed that the maximum safe application rate of pig manure was P 800 kg·hm–2, P 100 kg·hm–2and P 50 kg·hm–2for red clay soil of low fertility soil, medium and high fertility soils, respectively, for the treatment with half of conventional chemical fertilizers from the viewpoint of groundwater and soil environment protection. From the viewpoint of peanut production, the safe application rate of pig manure should be no more than P 800 kg·hm–2for low fertility soil, P 100 kg·hm–2for medium fertility soil and P 50 kg·hm–2for high fertility soil. Taking economic interests and environmental impacts into account, the maximum safe pig manure loading capacity could be P 800 kg·hm–2, P 100 kg·hm–2and P 50 kg·hm–2for red clay soil of low fertility soil, medium and high fertility soils, respectively.

red soil; soil fertility; pig manure; maximum safe loading capacity

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.05.018

X713

A

1008-8873(2018)05-140-06

2017-08-15;

2017-09-18

江苏省高校自然科学研究面上项目(16KJB610010); 南京市环境科学与工程重点建设学科项目; 公益性行业(农业)科研专项 (201203050)

张迪(1985—), 女, 山东烟台人, 博士, 讲师, 主要从事循环农业研究, E-mail: zhangdi@njxzc.edu.cn

通信作者:王兴祥(1967—), 男, 博士, 研究员, 主要从事规模养殖污染治理与资源循环利用

张迪, 周志高, 王兴祥. 三种肥力红黏土壤对猪粪安全消纳量初步研究[J]. 生态科学, 2018, 37(5): 140-145.

ZHANG Di, ZHOU Zhigao, WANG Xingxiang. Preliminary research on maximum safe pig manure loading capacity of red soils from three soil fertility levels[J]. Ecological Science, 2018, 37(5): 140-145.